全控型电力电子器件

1、1.3 全控器件全控器件 1 2 3 1.3.1 可关断晶闸管GTO 1.3.2 功率晶体管GTR 1.3.3 功率场效应管MOSFET 1.3.4 绝缘栅双极型晶体管IGBT 2018/12/13 4 1 1.3.1可关断晶闸管GTO外形与电路符号 晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲负的脉冲 电流电流使其关断，因而属于使其关断，因而属于全控型器件全控型器件。 GTO的外形 电路符号 阳阳A阳阳G阳阳A?GTO的导通过程与普通的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不晶闸管是一样的，只不过导通时过导通时饱和程度饱和程度较浅。较浅。 ?而关断时

2、，给门极加而关断时，给门极加负脉负脉冲冲，即从门极抽出电流，即从门极抽出电流，器件退出器件退出饱和饱和而关断。而关断。 ?GTO的的多元集成结构多元集成结构使使得其比普通晶闸管得其比普通晶闸管开通开通过程过程更快，承受更快，承受di/dt的的能力增强。能力增强。 2018/12/13 2 1.3.1可关断晶闸管GTO主要参数 GTO的主要参数 断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM以及通态平均电压UT的定义与普通型晶闸管相同，不过不过GTO承受反向电压的能力较小承受反向电压的能力较小，一般URRM明显小于UDRM。擎住电流IL和维持电流IH的定义也与普通型晶闸管相同，但对于同样电流

3、容量的器件，GTO的IH要比普通型晶闸管大得多。GTO还有一些特殊参数如下。 1 可关断最大阳极电流IAT0 可以通过门极进行关断的最大阳极电流，当阳极电流超过IAT0时，门极则无力通过IG将GTO关断。 2018/12/13 3 1.3.1可关断晶闸管GTO主要参数 2 门极最大负脉冲电流IGRM 为关断GTO门极可以施加的最大反向电流 3 电流关断增益OFF OFF=IAT0/ IGRM,这一比值比较小，一般为5左右. 这就是说，要想关断这就是说，要想关断GTO，所要求的门极负电流的幅，所要求的门极负电流的幅度也是很大的度也是很大的。如OFF=5，GTO的阳极电流为1000A，那么要想关断

4、它必须在门极加200A的反向电流。可以看出，尽管尽管GTO可以通过门极反向电流进行可控关断，可以通过门极反向电流进行可控关断，但其技术实现并不容易但其技术实现并不容易。 2018/12/13 4 1.3.2功率晶体管GTR外形与电路符号 阳阳B阳阳阳C阳阳阳E电路符号 外形 2018/12/13 电力晶体管（电力晶体管（Giant TransistorGTR），是一种耐高电压、大电，是一种耐高电压、大电流的流的双极结型晶体管双极结型晶体管，引出三个电极：发射极、基极、集电极发射极、基极、集电极。并且也分为PNP和NPN两大类。 最主要的特性是耐压高、电流大、耐压高、电流大、开关特性开关特性好。

5、 5 1.3.2功率晶体管GTRGTR的基本特性的基本特性 静态特性静态特性 ?在在共发射极共发射极接法时的典接法时的典 型输出特性分为型输出特性分为截止区截止区、放放 大区大区和和饱和区饱和区三个区域。三个区域。 ?在电力电子电路中，在电力电子电路中， GTR工作在工作在开关状态开关状态，即工，即工 作在作在截止区截止区或或饱和区饱和区。 ?在开关过程中，即在截在开关过程中，即在截 止区和饱和区之间过渡时，止区和饱和区之间过渡时， 一般要经过一般要经过放大区放大区。 2018/12/13 Ic 放大区 ib3 ib2 ib1 ib1 i b2 i b3 截止区 O Uce 共发射极接法时共发

6、射极接法时 GTR的输出特性的输出特性 6 1.3.2功率晶体管GTR动态特性 iB t0VCCICIBGTRtoniC0.9 IC0toffGTR工作在开关状态，在饱和区和截止区之间相互切换。 开通过程开通过程 t0.1 IC00tdtrtstf 关断过程关断过程 从开始施加反向基极电流到集电极电流开始下降（下降到90%ICO）对应的时间叫做存储时间ts。接着是下降时间tf，定义为集电极电流从90%ICO下降到10%ICO对应的时间。关断时间toff=ts+tf。 GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。 2018/12/13 在刚开始施加基极电流的一段时间内，集电极电流变化

7、很小，定义从基极电流的出现到集电极电流上升至稳定值ICO的10%这段时间为延迟时间td，然后集电极电流迅速上升，集电极电流从10% ICO上升到90%ICO对应的时间叫做上升时间tr。开通时间ton=td+tr。7 1.3.2功率晶体管GTR主要参数 （下边的参数含义与放大用的晶体管相同）（下边的参数含义与放大用的晶体管相同） 电流放大倍数电流放大倍数? ?、直流电流增益、直流电流增益hFE、集电极与发射极间漏电流、集电极与发射极间漏电流Iceo、 集电极和发射极间饱和压降集电极和发射极间饱和压降Uces、开通时间、开通时间ton和关断时间和关断时间toff 最高工作电压最高工作电压 ?GTR

8、上所加的电压超过规定值时，就会发生上所加的电压超过规定值时，就会发生击穿击穿。 击穿电压不仅击穿电压不仅和晶体管本身的特性有关，还与外电路的接法有关。和晶体管本身的特性有关，还与外电路的接法有关。 发射极开路时集电极和基极间的反向击穿电压发射极开路时集电极和基极间的反向击穿电压BUcbo 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压基极开路时集电极和发射极间的击穿电压BUceo 发射极与基极间用电阻联接或短路联接时集电极和发射极间的击发射极与基极间用电阻联接或短路联接时集电极和发射极间的击穿电压穿电压BUcer和和BUces 发射结反向偏置时集电极和发射极间的击穿电压发射结反向偏置时集电极和发射极间的

9、击穿电压BUcex 且存在以下关系：且存在以下关系： BUcbo?BUcex?BUces?BUcer?BUceo ?实际使用实际使用GTR时，为了确保安全，最高工作电压要比时，为了确保安全，最高工作电压要比BUceo低得低得 8 2018/12/13 多。多。 1.3.2功率晶体管GTR主要参数 集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM ?实际使用时要留有较大裕量，只能用到实际使用时要留有较大裕量，只能用到IcM的的一半一半或或稍多一点稍多一点。 集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率PcM ?指在指在最高工作温度最高工作温度下允许的耗散功率。下允许的耗散功率。 产品说明书中在给出产品说明书中

10、在给出 PcM时总是同时给出壳温时总是同时给出壳温 TC，间接表示了最高工作温度。，间接表示了最高工作温度。 2018/12/13 9 1.3.2功率晶体管GTRGTR的二次击穿现象与安全工作区 当当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大而电集电极电流迅速增大而电压基本不变压基本不变，这种首先出现的击穿是，这种首先出现的击穿是雪崩击穿雪崩击穿，被称为，被称为一次击穿一次击穿。 SB 二次击穿（二次击穿（SB) 如果出现一次击穿时IC超过一定的数值，使器件发热严重，进而会导致二次击穿的出现。二次击穿的特征是，电流急剧上升而电压却随之下降，二次击穿会造

11、成GTR永久的损坏。 ? 将不同基极电流下二次击穿的临界点 连接起来，就构成了二次击穿临界线SB。 10 2018/12/13 1.3.2功率晶体管GTRSOA 安全工作区（安全工作区（Safe Operating AreaSOA） ? ?GTR工作时不仅不能超过最高电压工作时不仅不能超过最高电压 UceM（D线）线），集电极，集电极最大电流最大电流IcM（A线）线）和最大耗散功率和最大耗散功率PcM （B线）线） ，也不能超过，也不能超过二二次击穿临界线（次击穿临界线（C线）线）。 ICICMAB直流FBSOA02018/12/13 0.01ms1ms 另外安全工作区与导通控制另外安全工作区

12、与导通控制脉冲有关系脉冲有关系,如左图，给出不同如左图，给出不同宽度的脉冲对应的安全工作区宽度的脉冲对应的安全工作区 CDBUCEUCE11 1.3.3 功率场效应管MOSFET外型和电路符号和特点 外外型型 电电阳 阳 D路路符符阳 阳 G号号 阳 阳 S2018/12/13 分为分为结型结型和和绝缘栅型绝缘栅型，但通常，但通常主要指绝缘栅型主要指绝缘栅型中的中的MOS型（型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称电力简称电力MOSFET（Power MOSFET）。）。 电力电力MOSFET是用是用栅极栅极电压来控制电压来控制漏极漏极电流的，电流的，它的特点它的

13、特点有： 驱动电路简单，需要的驱动功率小。驱动电路简单，需要的驱动功率小。 开关速度快，工作频率高（可达开关速度快，工作频率高（可达106）。）。 热稳定性优于热稳定性优于GTR。 电流容量小，耐压低电流容量小，耐压低，多用于功率不超过，多用于功率不超过10kW的电力电子装置。的电力电子装置。 比较： GTO一般可以做到几KA/KV（功率最大）；开关速度几百HZ； GTR一般可以做到几百A/KV，速度稍慢，几K到几百K， MOSFET一般可以做到几十A/KV（速度最快），可达可达106 ； 12 1.3.3功率场效应管MOSFET结构 G S N P N N+ N P D 金属金属 导电沟道导

14、电沟道 氧化物氧化物电子流电子流 源极所连接的N型区域被P型材料包围，形成一个个孤立的“小岛”，漏极在器件的下部（所以叫垂直导电结构），漏极连接的N型材料形成一个“凸”型，向上一直延伸到栅极的下面。漏极区域与源极区域之间被P型材料隔离，P型材料的上端是氧化物绝缘材料，再向上为栅极。这种结构可以大大缩短导电沟道的长半导体半导体 度，载流子通过导电沟道后做垂直方向的运动，可以通过更大的电流。 2018/12/13 13 阳阳D1.3.3功率场效应管MOSFET工作原理 栅极不加电压的情况下栅极不加电压的情况下，介于源极N型区域和漏极N型材料“凸”型部分上端的N型区域之间的P型材料的两侧形成两个P-

15、N结，由于其阻挡作用无论源漏之间的电压方向如何都会有一个P-N结反偏，源极与漏极之间源极与漏极之间不可能有电流通过，器件处于阻断状态不可能有电流通过，器件处于阻断状态。 如果栅极加正电压如果栅极加正电压，由于电场的作用，栅极下面P型材料中的多数载流子空穴被排斥，向下运动，同时栅极的正电压又把P型材料中的少数载流子电子吸引到P型材料的上部，这样“小岛”和“凸”型上部之间的P型材料中就形成一段反型层，并把两侧的N型区连接起来，消除了P-N结的阻挡作用。通常漏极接电源正，源极接电源负，电流可以从漏极的N区通过P区的反型层到达源极的N区，器件导通器件导通。栅极施加的正电压越高栅极施加的正电压越高，反型

16、层越深，漏源之间的电流就越大漏源之间的电流就越大。 2018/12/13 阳阳G阳阳S14 1.3.3功率场效应管MOSFET分类 ?按导电沟道可分为按导电沟道可分为P沟道和沟道和N沟道。沟道。 ?当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为道的称为耗尽型耗尽型。 ?对于对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为零时才存在导电沟道的称为 增强型增强型。 ? ? 在电力在电力MOSFET中，主要是中，主要是N沟道增强型沟道增强型。 2018/12/13 15 1.3.3功率场效应管MOSFET静态特性

17、阳阳D 静态特性静态特性 ? ? 转移特性转移特性 指漏极电流指漏极电流ID和栅源间电压和栅源间电压 U输输 GS的关系，的关系，反映了输入电压和反映了输入电压和 出电流的关系出电流的关系 。 ID较大时，较大时，I似线性，曲线的斜率被定义为似线性，曲线的斜率被定义为D与与UGS的关系近的关系近 MOSFET的的跨导跨导Gfs，即，即 GdIDfs?dUGS 是电压控制型器件，其输入阻是电压控制型器件，其输入阻 抗极高，输入电流非常小。抗极高，输入电流非常小。 2018/12/13 阳阳G阳阳S 电力电力MOSFET的的 转移特性转移特性 16 1.3.3功率场效应管MOSFET静态特性 电力

18、电力MOSFET的输出特性的输出特性 阳阳D阳阳G2018/12/13 阳阳S?输出特性输出特性 是是MOSFET的的漏极伏安特性漏极伏安特性。由图。由图可见，它类似于晶体管的输出特性曲线可见，它类似于晶体管的输出特性曲线族，不同的是每条曲线的参数是族，不同的是每条曲线的参数是U而双极型晶体管以而双极型晶体管以I作为参数。作为参数。 GS， 截止区截止区（对应于（对应于GTRB的截止区）、的截止区）、饱和区饱和区（对应于（对应于GTR的放大区）、的放大区）、非饱非饱和区和区（对应于（对应于GTR的饱和区）三个区域，的饱和区）三个区域，饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再饱和是指漏源电压增加时漏极

19、电流不再增加，非饱和是指漏源电压增加时漏极增加，非饱和是指漏源电压增加时漏极电流相应增加电流相应增加。 工作在工作在开关开关状态，即在状态，即在截止区截止区和和非饱非饱和区和区之间来回转换。之间来回转换。 ?本身结构所致，本身结构所致，漏极漏极和和源极源极之间形成之间形成了一个与了一个与MOSFET反向并联的反向并联的寄生二极寄生二极管管。 ?通态电阻具有通态电阻具有正温度系数正温度系数，对器件并，对器件并联时的联时的均流均流有利。有利。 17 1.3.3功率场效应管MOSFET动态特性 s 开通开通：当G-S之间的电压 uuGS上升到MOSFET的开启电压Uth时，开始出现漏极电流V0 t

20、iD，此后iD随uGS的增大而增i大，直至达到稳定值。从驱u动信号源出现电压到漏极出+Uuu_U现电流这段时间叫做开通延_0 ttst t t迟时间td，从漏极出现电流 i到iD达到稳定值对应的时间0 t 为上升时间t，两者之和为开ttr通时间ton（纳秒级）。 关断关断：首先驱动信号源的电压下降到0（或负值），G-S之间的电容通过信号源内阻放电，开始的一段时间漏极电流并没有变化，这段时间叫做关断延迟时间ts。之后，iD开始下降，当uGSUT时，iD下降到0，此过程对应的时间为下降时间tf。关断时间toff定义为toff= ts+ tf 对于电压型驱动的器件为什么加阶跃信号形成的不是阶跃信号？

21、18 P16 2018/12/13 DDDGS P SGSth dD rfon off 1.3.3功率场效应管MOSFETSOA MOSFETMOSFET的安全工作区的安全工作区 MOSFET在运行时受到D-S之TP1 IDM 间最大电压、最大漏极电流TP2 TP3 和最大漏极功耗等因素的限DC 制（MOSFETMOSFET没有二次击穿没有二次击穿, ,因因为在载流子运行的路径中没为在载流子运行的路径中没TP1TP2TP3 有任何有任何PNPN结结 ），其正向偏置安全工作区如图所示。该图UDS 0 坐标为对数坐标，所以功率曲线为直线。 在UDS较小的范围内，较小的范围内，UDS越小越小D-S之

22、间的导通电阻之间的导通电阻Ron越大越大，同样电流下发热越严重，所以在漏极电流较小的情况下，允许通过的电流随UDS的减小而减小（如图中左端的斜线）。当当UDS大到一定程度，大到一定程度，Ron变得变得很小很小，允许通过的电流只受最大漏极电流IDM的约束（水平段）。但在UDS比较大时，安全工作区受到最大漏极功耗的限制（图中右侧的斜线），最后到最大UDS限制（最右侧的竖线）。 2018/12/13 19 ID 1.3.4绝缘栅双极型晶体管IGBT GTR和和GTO是双极型电流驱动器件，通流能力很强，是双极型电流驱动器件，通流能力很强，开关速度较低（特别是开关速度较低（特别是 GTO），所需驱动功率

23、大，），所需驱动功率大，驱动电路复杂。驱动电路复杂。 电力电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快是单极型电压驱动器件，开关速度快（最快），输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率（最快），输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。但是通流能力相对较弱。小而且驱动电路简单。但是通流能力相对较弱。 综合上述两种原件的优点，形成绝缘栅双极晶体管综合上述两种原件的优点，形成绝缘栅双极晶体管IGBT（Insulated-gate Bipolar Transistor) 。 2018/12/13 20 1.3.4绝缘栅双极型晶体管 IGBT外形与电路符号 IGBT模块的外形模块的外形

24、2018/12/13 21 1.3.4绝缘栅双极型晶体管 IGBT结构 G C 金属 半导体 氧化物 J 1 N P + J 1 N N - + C C P J 2 G G N+ P J 3 E E E 结构 等效电路 符号 器件的栅极G与发射极E之间的结构与MOSFET是相同的，所以IGBTIGBT也是电压控制型器件也是电压控制型器件。它的漏极不是直接引出，而是又经过一个PN结在IGBT导通时这个PN结为正偏，P区向N区扩散空穴，提高电22 2018/12/13 导率。 1.3.4绝缘栅双极型晶体管 IGBT静态特性 转移特性曲线转移特性曲线 G IGBT也是一种电压控制型器件，这一点与MO

25、SFET类似。通过改变栅极GE 和发射极E之间的电压来控制集电极电流IC的大小，栅极也没有电流，不可能有类似普通双极型晶体管的输入特性曲线，反映控制特性的曲线为转移特性曲线。 栅极-发射极之间的电压uGE较小时没有集电极电流。当uGE达到开启电压Uth时，开始出现集电极电流，随栅极-发射极之间的电压uGE的增大，集电极电流IC也增大。 C 2018/12/13 23 1.3.4绝缘栅双极型晶体管 IGBT静态特性 C G E (b) IGBT输出特性输出特性 2018/12/13 ? ? 输出特性（伏安特性）输出特性（伏安特性） 描述的是以栅射电压描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电为参考

26、变量时，集电极电流流I之间的关系。之间的关系。C与集射极间电压与集射极间电压U CE 分为三个区域：分为三个区域：正向正向阻断区阻断区、有源区有源区和和饱和区饱和区。 当当UCE0时，时，IGBT为为反向阻断工作状态。反向阻断工作状态。 在电力电子电路中，在电力电子电路中，IGBT工作在工作在开关状态开关状态，因而是在因而是在正向阻断区正向阻断区和和饱饱和区和区之间来回转换。之间来回转换。 24 1.3.4绝缘栅双极型晶体管 IGBT动态特性 uGE 0.9 UGE 0.1 UGE 0 iC 0.9 IC 0.1 IC 0 uCE t ton t td tr tV1 tV2 t ts toff

27、 tf 0 IGBT在开通和关断过程中集电极电流iC与栅极电压之间也存在着一定的延时。从栅极-发射极之间电压uGE上升到稳态值的10%到集电极电流iC上升到稳态值的10%对应的时间称为开通开通延迟时间延迟时间td。从iC上升到稳态值的10%到上升至稳态值的90%所对应的时间为上升时间上升时间t r；开通时间t on：t on= td+t r。 把从uCE下降到原来的90%到iC下降到稳态值的90%所对应的时间称为关断延迟时间关断延迟时间ts，iC从稳态值的90%下降到稳态值的10%对应的时间称为下降时间t f。关断时间toff= t s+t f。 2018/12/13 25 1.3.4绝缘栅双

28、极型晶体管 IGBT擎住效应 Rdr C V1 G V2 Rbr E 擎住效应擎住效应 在IGBT中，除有一个PNP型三极管外，还存在着一个NPN型寄生三极管，在NPN型三极管（图中的V2）的B-E之间有一个与之并联的扩展电阻Rbr，IGBT工作时电流会流过这个电阻产生压降，相当于给NPN型三极管V2提供正向偏置，偏置电压的大小与集电极电流iC有关。在一般情况下，该电压不大，不至于使NPN型三极管V2导通，但如果iC很大，Rbr就可能给V2的发射结提供足够的电压使其导通。V2一旦导通，就会与PNP型三极管形成正反馈，两个晶体管很快进入饱和状态，此时V1、V2实际上构成了一个晶闸管，门极失去了控

29、制作用。这就是所谓擎住效应擎住效应。 26 2018/12/13 1.3.4绝缘栅双极型晶体管 IGBTSOA ICICMTP1TP2TP3TP1TP2TP3DCU0CEUCEMIGBT的SOA 2018/12/13 IGBT的安全工作区(SOA)由最大集电极电流I发射极最大电压CM、集电极-UCEM和集电极最大功耗与坐标轴围成，如图所示（图的横轴为对数坐标，所以功率曲线为直线）。 27 IGBT的特性和参数特点可以总结如下：的特性和参数特点可以总结如下： ?开关速度开关速度高，高，开关损耗开关损耗小。小。 ?在相同电压和电流定额的情况下，在相同电压和电流定额的情况下， IGBT的的安安 全工作区全工作区比比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的大，而且具有耐脉冲电流冲击的 能力。能力。 ?输入阻抗输入阻抗高，其输入特性与电力高，其输入特性与电力 MOSFET类类 似。似。 ?与电力与电力MOSFET和和GTR相比，相比，IGBT的的耐压耐压和和 通流能力通流能力还可以进一步提高，同时保持还可以进一步提高，同时保持 开关频率开关频率高高 的特点。的特点。 2018/12/13 28 器件小结器件小结 将各种主要电力电子器件的基本结构、工作原理、基本将各种主要电力电子器件的基本结构、工作