電力電子技術(shù)：第2章電力電子器件 2-4

1/892.4典型全控型器件·引言■門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。■20世紀80年代以來，電力電子技術(shù)進入了一個嶄新時代?！鋈匦碗娏﹄娮悠骷湫痛怼T極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。2/892.4.1門極可關(guān)斷晶閘管GTO■是晶閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。

■GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆GTO的結(jié)構(gòu)?是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。?是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出個極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。

圖2-14GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號各單元的陰極、門極間隔排列的圖形并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖電氣圖形符號3/892.4.1門極可關(guān)斷晶閘管

圖2-8晶閘管的雙晶體管模型 及其工作原理

a)雙晶體管模型b)工作原理◆GTO的工作原理

?仍然可以用如圖2-8所示的雙晶體管模型來分析，V1、V2的共基極電流增益分別是1、2。1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件，大于1導(dǎo)通，小于1則關(guān)斷。

?GTO與普通晶閘管的不同√設(shè)計2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷?！虒?dǎo)通時1+2更接近1，導(dǎo)通時接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大。

√多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。

4/892.4.1門極可關(guān)斷晶閘管?GTO的導(dǎo)通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導(dǎo)通時飽和程度較淺。?而關(guān)斷時，給門極加負脈沖，即從門極抽出電流，當兩個晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小1+2<1時，器件退出飽和而關(guān)斷。?GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管開通過程更快，承受di/dt的能力增強。

5/892.4.1門極可關(guān)斷晶閘管■GTO的動態(tài)特性

◆開通過程與普通晶閘管類似。

◆關(guān)斷過程

?儲存時間ts

下降時間tf

尾部時間tt?通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。?門極負脈沖電流幅值越大，前沿越陡，ts就越短。使門極負脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍能保持適當?shù)呢撾妷?，則可以縮短尾部時間。圖2-15GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形

Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流子的時間等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小時間

殘存載流子復(fù)合所需時間

6/892.4.2電力晶體管■電力晶體管（GiantTransistor-GTR）按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor-BJT）

■GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。

◆最主要的特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。

7/89◆

GTR的結(jié)構(gòu)

?采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)，并采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。

?

GTR是由三層半導(dǎo)體（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成的兩個PN結(jié)（集電結(jié)和發(fā)射結(jié)）構(gòu)成，多采用NPN結(jié)構(gòu)。2.4.2電力晶體管圖2-16GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號c)內(nèi)部載流子的流動+表示高摻雜濃度，-表示低摻雜濃度達林頓接法

即：采用復(fù)合連接方式，將至少兩只晶體管適當?shù)倪B接在一起，組成一只等效的新晶體管，極性只認前面的晶體管。8/899/892.4.2電力晶體管空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib圖2-16c)內(nèi)部載流子的流動

?在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為：

稱為GTR的電流放大系數(shù)，它反映了基極電流對集電極電流的控制能力。當考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關(guān)系為：?單管GTR的

值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為10左右，采用達林頓接法可以有效地增大電流增益。(2-9)(2-10)10/892.4.2電力晶體管■GTR的基本特性◆靜態(tài)特性

?在共發(fā)射極接法時的典型輸出特性分為截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)三個區(qū)域。

?在電力電子電路中，GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)。

?在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，一般要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖2-17共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性11/892.4.2電力晶體管◆動態(tài)特性?開通過程

√需要經(jīng)過延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton?！淘龃蠡鶚O驅(qū)動電流ib的幅值并增大dib/dt，可以縮短延遲時間，同時縮短上升時間，加快開通過程。

ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖2-18GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形主要是由發(fā)射結(jié)勢壘電容和集電結(jié)勢壘電容充電產(chǎn)生的。

是用來除去飽和導(dǎo)通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時間的主要部分。

?關(guān)斷過程√需要經(jīng)過儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關(guān)斷時間toff?！虦p小導(dǎo)通時的飽和深度以減小儲存的載流子，或者增大基極抽取負電流Ib2的幅值和負偏壓，可以縮短儲存時間，從而加快關(guān)斷速度。?GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。12/89■GTR的主要參數(shù)◆電流放大倍數(shù)、直流電流增益hFE、集電極與發(fā)射極間漏電流Iceo、集電極和發(fā)射極間飽和壓降Uces、開通時間ton和關(guān)斷時間toff

。13/892.4.2電力晶體管14/892.4.2電力晶體管◆最高工作電壓

?GTR上所加的電壓超過規(guī)定值時，就會發(fā)生擊穿。?擊穿電壓不僅和晶體管本身的特性有關(guān)，還與外電路的接法有關(guān)。

?發(fā)射極開路時集電極和基極間的反向擊穿電壓BUcbo

基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUceo

發(fā)射極與基極間用電阻聯(lián)接或短路聯(lián)接時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcer和BUces

發(fā)射結(jié)反向偏置時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcex

且存在以下關(guān)系：

?實際使用GTR時，為了確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。15/892.4.2電力晶體管◆集電極最大允許電流IcM?規(guī)定直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定的1/2~1/3時所對應(yīng)的Ic。?實際使用時要留有較大裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點。◆集電極最大耗散功率PcM

?指在最高工作溫度下允許的耗散功率。?產(chǎn)品說明書中在給出PcM時總是同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。

16/892.4.2電力晶體管■GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)◆當GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時，集電極電流迅速增大，這種首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿?！粢淮螕舸┌l(fā)生時如不有效地限制電流，Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升，同時伴隨著電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。

◆出現(xiàn)一次擊穿后，GTR一般不會損壞，二次擊穿常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對GTR危害極大。

17/89◆安全工作區(qū)（SafeOperatingArea-SOA）

?將不同基極電流下二次擊穿的臨界點連接起來，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。?GTR工作時不僅不能超過最高電壓UceM，集電極最大電流IcM和最大耗散功率PcM，也不能超過二次擊穿臨界線。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖2-19GTR的安全工作區(qū)二次擊穿功率

18/892.4.3電力場效應(yīng)晶體管（MOS管）■分為結(jié)型和絕緣柵型，通常主要指絕緣柵型中的MOS型，簡稱電力MOSFET（PowerMOSFET）?！鲭娏OSFET是用柵極電壓來控制漏極電流；它的顯著特點有：◆驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。

◆開關(guān)速度快，工作頻率高。

◆熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。

◆電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過10kW的電力電子裝置。

19/892.4.3電力場效應(yīng)晶體管■電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理◆電力MOSFET的種類

?按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。?當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型。

?對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道的稱為增強型。

?在電力MOSFET中，主要是N溝道增強型。

20/892.4.3電力場效應(yīng)晶體管◆電力MOSFET的結(jié)構(gòu)

?是單極型晶體管。?結(jié)構(gòu)上與小功率MOS管有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷壳半娏OSFET大都采用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所以又稱為VMOSFET，大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。?按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET。?電力MOSFET也是多元集成結(jié)構(gòu)。圖2-20電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號工作原理21/8922/8923/892.4.3電力場效應(yīng)晶體管漏極伏安特性。?截止區(qū)（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）

√飽和是指漏源電壓增加時漏極電流不再增加，非飽和是指漏源電壓增加時漏極電流相應(yīng)增加。?工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。?漏極和源極之間形成了一個與MOSFET反向并聯(lián)的寄生二極管。?通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。

圖2-21電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

b)輸出特性24/89◆動態(tài)特性

?開通過程

√開通延遲時間td(on)

電流上升時間tr

電壓下降時間tfv

開通時間ton=td(on)+tr+

tfv

?關(guān)斷過程

√關(guān)斷延遲時間td(off)

電壓上升時間trv

電流下降時間tfi

關(guān)斷時間

toff=td(off)+trv+tfi2.4.3電力場效應(yīng)晶體管圖2-22電力MOSFET的開關(guān)過程b)開關(guān)過程波形(b)?MOSFET的開關(guān)速度和其輸入電容的充放電有很大關(guān)系，可以降低柵極驅(qū)動電路的內(nèi)阻Rs，從而減小柵極回路的充放電時間常數(shù)，加快開關(guān)速度。25/8926/892.4.3電力場效應(yīng)晶體管?不存在少子儲存效應(yīng)，因而其關(guān)斷過程是非常迅速的。?開關(guān)時間在10~100ns之間，其工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。?在開關(guān)過程中需要對輸入電容充放電，仍需要一定的驅(qū)動功率，開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。

27/892.4.3電力場效應(yīng)晶體管■電力MOSFET的主要參數(shù)◆跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及開關(guān)過程中的各時間參數(shù)?！袈O電壓UDS

?標稱電力MOSFET電壓定額的參數(shù)。◆漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM

?標稱電力MOSFET電流定額的參數(shù)。

◆柵源電壓UGS

?柵源之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。

◆極間電容

?

CGS、CGD和CDS?！袈┰撮g的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區(qū)。

28/892.5其他新型電力電子器件

2.5.1MOS控制晶閘管MCT

2.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT

2.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH

2.5.4集成門極換流晶閘管IGCT

2.5.5基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力

電子器件29/892.5.1MOS控制晶閘管MCT■MCT是將MOSFET與晶閘管組合而成的復(fù)合型器件。

■結(jié)合了MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動功率、快速的開關(guān)過程和晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降的特點?！鲇蓴?shù)以萬計的MCT元組成，每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關(guān)斷的OSFET。

■其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠未達到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實際應(yīng)用。

30/892.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT■是一種結(jié)型場效應(yīng)晶體管。■是一種多子導(dǎo)電的器件，其工作頻率與電力MOSFET相當，甚至超過電力MOSFET，而功率容量也比電力MOSFET大，因而適用于高頻大功率場合?！鰱艠O不加任何信號時是導(dǎo)通的，柵極加負偏壓時關(guān)斷，這被稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便，此外SIT通態(tài)電阻較大，使得通態(tài)損耗也大，因而SIT還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

31/892.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH■可以看作是SIT與GTO復(fù)合而成。■又被稱為場控晶閘管（FCT），本質(zhì)上是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強?！銎浜芏嗵匦耘cGTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。■一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。

32/892.5.4集成門極換流晶閘管IGCT■是將一個平板型的GTO與由很多個并聯(lián)的電力MOSFET器件和其它輔助元件組成的GTO門極驅(qū)動電路采用精心設(shè)計的互聯(lián)結(jié)構(gòu)和封裝工藝集成在一起?！鋈萘颗c普通GTO相當，但開關(guān)速度比普通的GTO快10倍，而且可以簡化普通GTO應(yīng)用時龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過其所需的驅(qū)動功率仍然很大?！瞿壳罢谂cIGBT等新型器件激烈競爭。33/892.6功率集成電路與集成電力電子模塊■基本概念◆20世紀80年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個器件封裝在一個模塊中，稱為功率模塊。

◆可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性?！魧ぷ黝l率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對保護和緩沖電路的要求?！魧⑵骷c邏輯、控制、保護、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（PIC）。34/892.6功率集成電路與集成電力電子模塊■實際應(yīng)用電路

◆高壓集成電路（HighVoltageIC——HVIC）?一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。

◆智能功率集成電路（SmartPowerIC——SPIC）?一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。

◆智能功率模塊（IntelligentPowerModule——IPM