合工大電力電子技術第二章

第二講電力電子器件及其驅(qū)動電路

PowerElectronicPartsandDriver杜少武第二講電力電子器件及其驅(qū)動電路

PowerElectronicPartsandDriver2.1門極可關斷晶閘管2.2電力場效應晶體管2.3絕緣柵雙極晶體管2.1門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管〔Gate-Turn-OffThyristor—GTO〕晶閘管的一種派生器件可以經(jīng)過在門極施加負的脈沖電流使其關斷GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因此在兆瓦級以上的大功率場所仍有較多的運用前往GTO的構造和任務原理構造：與普通晶閘管的一樣點：PNPN四層半導體構造，外部引出陽極、陰極和門極和普通晶閘管的不同：GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極那么在器件內(nèi)部并聯(lián)在一同GTO的構造和任務原理任務原理：導通原理與普通晶閘管一樣，同樣可以用雙晶體管模型來分析1+2=1是器件臨界導通的條件。當1+2>1時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導通；當1+2<1時，不能維持飽和導通而關斷GTO的構造和任務原理GTO可以經(jīng)過門極關斷的緣由是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：設計2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關斷導通時1+2更接近1〔1.05，普通晶閘管1+21.15〕導通時飽和不深，接近臨界飽和，有利門極控制關斷，但導通時管壓降增大多元集成構造使GTO元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流導經(jīng)過程:與普通晶閘管一樣，只是導通時飽和程度較淺關斷過程：劇烈正反響——門極加負脈沖即從門極抽出電流，那么Ib2減小，使IK和Ic2減小，Ic2的減小又使IA和Ic1減小，又進一步減小V2的基極電流當IA和IK的減小使1+2<1時，器件退出飽和而關斷多元集成構造還使GTO比普通晶閘管開經(jīng)過程快，接受di/dt才干強GTO的構造和任務原理GTO的動態(tài)特性開經(jīng)過程：與普通晶閘管類似，需經(jīng)過延遲時間td和上升時間tr圖2－7GTO的開通和關斷過程電流波形GTO的動態(tài)特性關斷過程：與普通晶閘管有所不同抽取飽和導通時儲存的大量載流子——儲存時間ts，使等效晶體管退出飽和等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小——下降時間tf殘存載流子復合——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，抽走儲存載流子的速度越快，ts越短門極負脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍堅持適當負電壓，那么可縮短尾部時間GTO的主要參數(shù)GTO的許多參數(shù)和普通晶閘管相應的參數(shù)意義一樣，以下只引見意義不同的參數(shù)1)開通時間ton延遲時間與上升時間之和。延遲時間普通約1~2s，上升時間那么隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大2)關斷時間toff普通指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。GTO的儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間普通小于2s不少GTO都制呵斥逆導型，類似于逆導晶閘管，需接受反壓時，應和電力二極管串聯(lián)GTO的主要參數(shù)3)最大可關斷陽極電流IATO:GTO的額定電流4)

電流關斷增益off最大可關斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關斷增益

〔1-8〕off普通很小，只需5左右，這是GTO的一個主要缺陷。1000A的GTO關斷時門極負脈沖電流峰值要200AGTO的驅(qū)動GTO的開通控制與普通晶閘管類似，但對脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且普通需在整個導通期間施加正門極電流

使GTO關斷需施加負門極電流，對其幅值和陡度的要求更高，關斷后還應在門陰極施加約5V的負偏壓以提高抗干擾才干引薦的GTO門極電壓電流波形如圖2－8所示。圖2－8引薦的GTO門極電壓電流波形GTO的驅(qū)動驅(qū)動電路通常包括開通驅(qū)動電路、關斷驅(qū)動電路和門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型直接耦合式驅(qū)動電路可防止電路內(nèi)部的相互關擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿，因此目前運用較廣，但其功耗大，效率較低GTO的驅(qū)動典型的直接耦合式GTO驅(qū)動電路V1開通時，輸出正強脈沖V2開通時輸出正脈沖平頂部分V2關斷而V3開通時輸出負脈沖V3關斷后R3和R4提供門極負偏壓2.2電力場效應晶體管分為結型和絕緣柵型但通常主要指絕緣柵型中的MOS型簡稱電力MOSFET〔PowerMOSFET〕結型電力場效應晶體管普通稱作靜電感應晶體管特點——用柵極電壓來控制漏極電流驅(qū)動電路簡單，需求的驅(qū)動功率小開關速度快，任務頻率高熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR電流容量小，耐壓低，普通只適用于功率不超越10kW的電力電子安裝前往電力MOSFET的種類

按導電溝道可分為P溝道和N溝道耗盡型——當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道加強型——對于N〔P〕溝道器件，柵極電壓大于〔小于〕零時才存在導電溝道

電力MOSFET主要是N溝道加強型電力MOSFET的構造導通時只需一種極性的載流子參與導電，是單極型器件導電機理與小功率MOS管一樣，但構造上有較大區(qū)別電力MOSFET的多元集成構造電力MOSFET的構造小功率MOS管是橫導游電器件電力MOSFET大都采用垂直導電構造，又稱為VMOSFET〔VerticalMOSFET〕——大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流才干按垂直導電構造的差別，又分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙分散構造的VDMOSFET〔VerticalDouble-diffusedMOSFET〕這里主要以VDMOS器件為例進展討論電力MOSFET的任務原理截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零P基區(qū)與N漂移區(qū)之間構成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流流過導電：在柵源極間加正電壓UGS柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子——電子吸引到柵極下面的P區(qū)外表當UGS大于UT〔開啟電壓或閾值電壓〕時，柵極下P區(qū)外表的電子濃度將超越空穴濃度，使P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層構成N溝道而使PN結J1消逝，漏極和源極導電電力MOSFET的根本特性電力MOSFET的根本特性：主要包括靜態(tài)特性與動態(tài)特性。靜態(tài)特性：包括轉移特性和輸出特性動態(tài)特性：包括開通延時時間、關斷延時時間和開關速度等前往電力MOSFET的靜態(tài)特性1)

靜態(tài)特性：包括轉移特性和輸出特性電力MOSFET的轉移特性和輸出特性a)轉移特性b)輸出特性電力MOSFET的靜態(tài)特性MOSFET的轉移特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉移特性ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導Gfs電力MOSFET的靜態(tài)特性MOSFET的漏極伏安特性〔輸出特性〕：截止區(qū)〔對應于GTR的截止區(qū)〕、飽和區(qū)〔對應于GTR的放大區(qū)〕、非飽和區(qū)〔對應于GTR的飽和區(qū)〕電力MOSFET任務在開關形狀，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉換電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導通電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利電力MOSFET的動態(tài)特性2)

動態(tài)特性：電力MOSFET的開關過程a)測試電路b)開關過程波形電力MOSFET的動態(tài)特性開經(jīng)過程開通延遲時間td(on)——up前沿時辰到uGS=UT并開場出現(xiàn)iD的時辰間的時間段上升時間tr——uGS從uT上升到MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時間段iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決議UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關UGS到達UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至到達穩(wěn)態(tài)，但iD已不變開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和電力MOSFET的動態(tài)特性關斷過程關斷延遲時間td(off)——up下降到零起，Cin經(jīng)過Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時，iD開場減小止的時間段下降時間tf——uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS<UT時溝道消逝，iD下降到零為止的時間段關斷時間toff——關斷延遲時間和下降時間之和電力MOSFET的動態(tài)特性MOSFET的開關速度MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關系運用者無法降低Cin，但可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關速度MOSFET只靠多子導電，不存在少子儲存效應，因此關斷過程非常迅速開關時間在10~100ns之間，任務頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的電力MOSFET的主要參數(shù)除跨導Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之還有:1)

漏極電壓UDS電力MOSFET電壓定額2)漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM電力MOSFET電流定額3)柵源電壓UGS柵源之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導致絕緣層擊穿4)

極間電容極間電容CGS、CGD和CDS電力MOSFET的主要參數(shù)廠家提供：漏源極短路時的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉移電容CrssCiss=CGS+CGDCrss=CGDCoss=CDS+CGD輸入電容可近似用Ciss替代電力MOSFET的平安任務區(qū)

漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決議了電力MOSFET的平安任務區(qū)

普通來說，電力MOSFET不存在二次擊穿問題，這是它的一大優(yōu)點實踐運用中仍應留意留適當?shù)脑Ａ縈OSFET正向偏置平安任務區(qū)〔圖中的時間表示脈沖寬度〕電力MOSFET的驅(qū)動柵源間、柵射間有數(shù)千皮法的電容，為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路輸出電阻小。使MOSFET開通的驅(qū)動電壓普通10～15V，使IGBT開通的驅(qū)動電壓普通15～20V。關斷時施加一定幅值的負驅(qū)動電壓〔普通取–5～-10V〕有利于減小關斷時間和關斷損耗。在柵極串入一只低值電阻〔數(shù)十歐左右〕可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應隨被驅(qū)動器件電流額定值的增大而減小。前往電力MOSFET的驅(qū)動專為驅(qū)動電力MOSFET而設計的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅(qū)動電壓+15V和-10V。2.3絕緣柵雙極晶體管GTR的特點——雙極型，電流驅(qū)動，有電導調(diào)制效應，通流才干很強，開關速度較低，驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復雜MOSFET的優(yōu)點——單極型，電壓驅(qū)動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，驅(qū)動功率小、驅(qū)動電路簡單兩類器件取長補短結合而成的復合器件—Bi-MOS器件GTR和MOSFET復合，結合二者的優(yōu)點，具有好的特性1986年投入市場后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場,中小功率電力電子設備的主導器件

繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的位置前往IGBT的構造和任務原理IGBT是三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極EIGBT的構造、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內(nèi)部構造斷面表示圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號IGBT的構造N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT〔N-IGBT〕IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，構成了一個大面積的P+N結J1使IGBT導通時由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對漂移區(qū)電導率進展調(diào)制，使得IGBT具有很強的通流才干簡化等效電路闡明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓構造，一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管IGBT的任務原理驅(qū)動原理與電力MOSFET根本一樣，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決議導通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)構成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通導通壓降：電導調(diào)制效應使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消逝，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷IGBT的根本特性IGBT的根本特性：主要包括靜態(tài)特性與動態(tài)特性。靜態(tài)特性：包括轉移特性和輸出特性動態(tài)特性：包括開通延時時間、關斷延時時間和開關速度等IGBT的靜態(tài)特性IGBT的靜態(tài)特性：主要包括轉移特性和輸出特性IGBT的轉移特性和輸出特性a)轉移特性b)輸出特性IGBT的靜態(tài)特性轉移特性——IC與UGE間的關系，與MOSFET轉移特性類似開啟電壓UGE(th)——IGBT能實現(xiàn)電導調(diào)制而導通的最低柵射電壓UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25C時，UGE(th)的值普通為2~6V輸出特性〔伏安特性〕——以UGE為參考變量時，IC與UCE間的關系分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應uCE<0時，IGBT為反向阻斷任務形狀IGBT的動態(tài)特性IGBT的動態(tài)特性：IGBT的開關過程IGBT的動態(tài)特性IGBT的開經(jīng)過程與MOSFET的類似，由于開經(jīng)過程中IGBT在大部分時間作為MOSFET運轉開通延遲時間td(on)——從uGE上升至其幅值10%的時辰，到iC上升至10%ICM2

電流上升時間tr——iC從10%ICM上升至90%ICM所需時間開通時間ton——開通延遲時間與電流上升時間之和uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段：tfv1——IGBT中MOSFET單獨任務的電壓下降過程；tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時任務的電壓下降過程IGBT的動態(tài)特性IGBT的關斷過程關斷延遲時間td(off)：從uGE后沿下降到其幅值90%的時辰起，到iC下降至90%ICM電流下降時間tf：iC從90%ICM下降至10%ICM關斷時間toff：關斷延遲時間與電流下降之和電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段：tfi1——IGBT內(nèi)部的MOSFET的關斷過程，iC下降較快；tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關斷過程，iC下降較慢IGBT的其它特性IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導調(diào)制效應的益處，但也引入了少子儲存景象，因此IGBT的開關速度低于電力MOSFETIGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關斷時間也是需求折衷的參數(shù)IGBT的主要參數(shù)1)最大集射極間電壓UCES由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定2)

最大集電極電流包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP3)最大集電極功耗PCM正常任務溫度下允許的最大功耗IGBT的特性和參數(shù)特點開關速度高，開關損耗小。在電壓1000V以上時，開關損耗只需GTR的1/10，與電力MOSFET相當一樣電壓和電流定額時，平安任務區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊才干通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似