第2章_电力电子器件(23)

1、2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 可关断晶闸管可关断晶闸管GTOGTO 电力晶体管电力晶体管GTRGTR 功率场效应管功率场效应管MOSFETMOSFET 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT（MOSFETMOSFETGTRGTR） 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCT（MOSFETMOSFETGTOGTO）2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件全控型器件全控型器件: :利用控制信号可控制开通与关断利用控制信号可控制开通与关断的器件的器件, ,通常也称为自关断器件。通常也称为自关断器件。电流控制型电流控制型电流控制型器件从控制极注入或抽取电流信号来

2、控制器件的开通或关断.如可关断晶闸管（GTOGTO）、集成门极换流晶闸管（IGCTIGCT）。主要特点：主要特点：控制功率较大、控制电路复杂、工作频率较低。电压控制型电压控制型通过在控制极建立电场提供电压信号实施器件的开通与关断控制.如功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）主要特点：主要特点：控制功率小、控制电路简单、工作频率较高。分类：分类：电流控制型电流控制型 电压控制型电压控制型2.4.1 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO） 晶闸管的一种派生器件晶闸管的一种派生器件 可通过在可通过在门极施加负的脉冲电流使其关断门极

3、施加负的脉冲电流使其关断 GTOGTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，耐压耐流可达耐压耐流可达6KV6KV和和6KA6KA，因而在兆瓦级以上的，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用大功率场合仍有较多的应用1. GTO的结构和工作原理的结构和工作原理结构：结构：GTOGTO的结构示意图、等效电路与电气符号的结构示意图、等效电路与电气符号 -GTO-GTO的开通原理和普通晶闸管相同的开通原理和普通晶闸管相同-GTO-GTO能关断的关键是：能从门极抽取电能关断的关键是：能从门极抽取电流改变二个晶体管的工作状态流改变二个晶体管的工作状态,GTO,G

4、TO是从是从制造工艺上做到这点的。另外，制造工艺上做到这点的。另外，GTOGTO导通导通时饱和程度较浅。时饱和程度较浅。 GTO能从门能从门极抽取电流极抽取电流使双晶体管使双晶体管进入放大状进入放大状态态 而关断而关断2.4.12.4.1可关断晶闸管可关断晶闸管工作原理：工作原理： 临界饱和设计临界饱和设计： 1 1+ + 2 2=1=1是器件临界导通的条件。当是器件临界导通的条件。当 1 1+ + 2 211时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当 1 1+ + 2 211时，不能维持饱和导通而关断。开通原理和时，不能维持饱和导通而关断。开通原理和SC

5、RSCR一样。一样。 设计时设计时 2 2较大，使晶体管较大，使晶体管V2V2控制灵敏，易于控制灵敏，易于GTOGTO关断。关断。iB2+ic2=ikic2=2ikik=iB2/(1- 2)=iAGTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：有如下区别：(1)(1)设计设计 2 2较大较大，使晶体管，使晶体管V V2 2控控制灵敏制灵敏，易于，易于GTOGTO关断。关断。(2)(2)导通时导通时 1 1+ + 2 2更接近更接近1(1( 1.051.05，普通晶闸管普通晶闸管 1 1+ + 2 2 1.151.15）导）导通时饱和不深，通时饱和不

6、深，接近临界饱接近临界饱和，有利门极控制关断和，有利门极控制关断，但，但导通时管压降增大。导通时管压降增大。 (3) (3) 多元集成结构多元集成结构使使GTOGTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得缩短，使得P P2 2基区横向电阻很小，基区横向电阻很小，易于从门极抽出较大电流易于从门极抽出较大电流。2. GTO2. GTO的主要参数的主要参数延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约约1212 s s。一般指储存时间和下降时间之和，一般指储存时间和下降时间之和，GTOGTO的储的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间

7、一存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于般小于2 2 s s。2)2)关断时间关断时间t toffoff1)1)开通时间开通时间t tonon 3) 3) 最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流I IATOATO4)4) 电流关断增益电流关断增益 offoff GTO GTO额定电流额定电流, ,利用门极脉冲可以关断的最大阳极电流利用门极脉冲可以关断的最大阳极电流. .最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值I IGMGM之比之比称为电流关断增益。称为电流关断增益。 offoff一般很小，这是一般很小，这是GTOGTO的一个主要缺点。例如的一个主要

8、缺点。例如 offoff=5=5时，时， 1000A1000A的的GTOGTO关断时门极负脉冲电流峰值要关断时门极负脉冲电流峰值要200A200A。 术语用法：术语用法： 电力晶体管（电力晶体管（GTRGTR，巨型晶体管），巨型晶体管） 耐高电压、大电流的双极结型晶体管（耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Bipolar Junction TransistorBJTJunction TransistorBJT） 在电力电子技术范围内，在电力电子技术范围内，GTRGTR与与BJTBJT名称等效。名称等效。 应用应用 2020世纪世纪8080年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸年代以

9、来，在中、小功率范围内取代晶闸管，管，耐压和耐流可达耐压和耐流可达1.5KV,1KA, 1.5KV,1KA, 可在可在10KHZ10KHZ以内开以内开关频率下工作。现商品化的关频率下工作。现商品化的GTRGTR耐压、耐流不超过耐压、耐流不超过1200V1200V，800A800A。2.4.5 2.4.5 大功率晶体管大功率晶体管1. GTR的结构和工作原理的结构和工作原理开通和关断可由基极电流来控制，故称为全控型器件开通和关断可由基极电流来控制，故称为全控型器件和电流型驱动器件。和电流型驱动器件。开通条件：开通条件：UceUce正偏，提供基极电流。正偏，提供基极电流。 关断：关断：I Ib b

10、小于等于零。小于等于零。共发射极接法时典共发射极接法时典型输出特性：截止型输出特性：截止区区、放大区和饱和区放大区和饱和区。2. GTR的基本特性的基本特性 (1) 静态特性静态特性电力电子电路中电力电子电路中GTRGTR工作在开关状态，即工作在开关状态，即截止区或饱和区截止区或饱和区3. GTR的主要参数的主要参数 1) 最高工作电压最高工作电压 GTRGTR上电压超过规定值时会发生击穿上电压超过规定值时会发生击穿实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUBUceoceo（基极开路时，集电极和发射极间的击穿（基极开路时，集电极和发射极间的击穿电压）低

11、得多。电压）低得多。 2) 2) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流I IcMcM通常规定为通常规定为h hFEFE（电流放大系数）下降到规定值的（电流放大系数）下降到规定值的1/2-1/2-1/31/3时所对应的时所对应的I Ic c实际使用时要留有裕量，只能用到实际使用时要留有裕量，只能用到I IcMcM的一半或稍多一点。的一半或稍多一点。 3) 3) 集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率P PcMcM最高工作温度下允许的耗散功率最高工作温度下允许的耗散功率 4. GTR的二次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区一次击穿一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时，集电极电压升高至击穿

12、电压时，I Ic c迅速增大，出现雪崩击迅速增大，出现雪崩击穿。穿。 只要只要I Ic c不超过限度，不超过限度，GTRGTR一般不会损坏，工作特性也不变一般不会损坏，工作特性也不变。 二次击穿二次击穿 一次击穿发生时一次击穿发生时I Ic c增大到某个临界点时会突然急剧上升，增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。并伴随电压的陡然下降。 常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。安全工作区（安全工作区（Safe Operating AreaSOA） 最高电压最高电压U UceMceM、集电极最大电流、集电极最大电流I

13、IcMcM、最大耗散功率、最大耗散功率P PcMcM、二次击穿临界线限定二次击穿临界线限定。2.4.2 2.4.2 功率场效应晶体管功率场效应晶体管 场效应管分为结型、绝缘栅型两类。场效应管分为结型、绝缘栅型两类。 通常指绝缘栅型中的通常指绝缘栅型中的MOSMOS型，简称电力型，简称电力MOSFETMOSFET（Power MOSFETPower MOSFET） 本节以本节以绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管为例介绍场效应管为例介绍场效应管的工作原理及其主要特性、参数。的工作原理及其主要特性、参数。2.4.3 2.4.3 功率场效应晶体管功率场效应晶体管 特点特点用栅极电压来控制漏极电流用栅极电压来

14、控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小。（电压驱动）驱动电路简单，需要的驱动功率小。（电压驱动） 开关速度快，工作频率高。（可到开关速度快，工作频率高。（可到500kHz500kHz） 热稳定性优于热稳定性优于GTRGTR。 电流容量小，耐压低，电流容量小，耐压低，最高耐压为：最高耐压为：1000V1000V，最，最高耐流高耐流 为为200A200A，一般只适用于功率不超过，一般只适用于功率不超过10kW10kW的电力电子装置的电力电子装置 ，但开关频率为电力电子器件，但开关频率为电力电子器件中最高，可达中最高，可达500KHZ500KHZ。1) 1) 功率场效应管的结构与工作原理功率场

15、效应管的结构与工作原理垂直导电扩散场效应管结构、电路符号垂直导电扩散场效应管结构、电路符号 1) 1) 功率场效应管的结构与工作原理功率场效应管的结构与工作原理1) 1) 功率场效应管的结构与工作原理功率场效应管的结构与工作原理-反向导通特性：反向导通特性：漏极源极间的电压漏极源极间的电压uDS00） V VGSGS0 0 时，栅源结相当于一时，栅源结相当于一电容，栅极带正电荷，将在靠电容，栅极带正电荷，将在靠近栅极的近栅极的P P内感应产生电子，内感应产生电子，即在即在P P区内区内 形成一个形成一个反型层反型层（P P变到变到N N）。）。反型层反型层反型层作为导电沟道将源极反型层作为导电

16、沟道将源极N N+ +与漏极与漏极 N N- -连接在一起，形成电流通道连接在一起，形成电流通道 注：注： 撤除栅源电压，反型层消失，撤除栅源电压，反型层消失，DSDS间恢复阻断状态间恢复阻断状态1) 1) 功率场效应管工作原理小结功率场效应管工作原理小结 使使MOSFETMOSFET正向导通只需建立栅源间电场正向导通只需建立栅源间电场, , 即即给栅源间结电容充电即可，而给栅源间结电给栅源间结电容充电即可，而给栅源间结电容放电即可使容放电即可使MOSFETMOSFET关断关断电压控制型器件电压控制型器件 MOSFETMOSFET栅源间结电容很小，栅源间结电容栅源间结电容很小，栅源间结电容冲放

17、电时间很短，因此冲放电时间很短，因此MOSFETMOSFET驱动功率小，驱动功率小，开关速度快。开关速度快。 漏源间电流由反型层提供通道，容许漏源间电流由反型层提供通道，容许通通过电流的能力有限过电流的能力有限 功率功率MOSFETMOSFET主要用于主要用于高频、小功率高频、小功率场合。场合。 2. 2. 功率功率MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性 MOSFETMOSFET的基本特性包括的基本特性包括静态特性与动态特性静态特性与动态特性。 MOSFETMOSFET的的静态特性指其静态特性指其转移特性转移特性与与输出特性输出特性，动态特性主要指其动态特性主要指其开关特性开关特性。1.

18、1.转移特性转移特性 转移特性:一定漏源电压下漏极电流和栅源电压之间的关系。 开启电压开启电压（阈值电压）（阈值电压）2. 2. 输出特性输出特性 描述一定栅源电压下，漏极电流与漏源电压的关系描述一定栅源电压下，漏极电流与漏源电压的关系 区区-非饱和区非饱和区 也称可变电阻区也称可变电阻区 区区-饱和区，饱和区， 也称恒流区也称恒流区 区区-截止区截止区 IVIV区区-雪崩击穿区雪崩击穿区 电力电子电路中电力电子电路中MOSFETMOSFET主要工作在主要工作在非饱和区（非饱和区（区）、截止区（区）、截止区（ 区），区），即工作在开关状态即工作在开关状态 3. 3. 动态特性动态特性 -反映反

19、映MOSFETMOSFET的开关过程的开关过程 上升延迟时间上升延迟时间td(on)上升时间上升时间tr 开通时间开通时间 ton=td(on)+tr 下降延迟时间下降延迟时间td(off) 下降时间下降时间tf 关断时间关断时间 toff=td(off)+tf 3. 3. 电力电力MOSFETMOSFET的主要参数的主要参数 漏极击穿电压漏极击穿电压U UDSDS 漏极直流电流漏极直流电流I ID D和漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值I IDMDM 通态电阻通态电阻R RONON 开启电压开启电压U UGS(th)GS(th) 栅源击穿电压栅源击穿电压U UGSGS 开通时间开通时间 t

20、tonon与关断时间与关断时间t toffoff（1 1）场效应管能承受的最高工作场效应管能承受的最高工作电压，电压，电力电力MOSFETMOSFET电压定额电压定额（2 2）在规定测试条件下场效应管能承）在规定测试条件下场效应管能承受的最大漏极连续电流、漏极脉冲电受的最大漏极连续电流、漏极脉冲电流的幅值，流的幅值，电力电力MOSFETMOSFET电流定额。电流定额。（3 3）一定栅源电压下，）一定栅源电压下，MOSFETMOSFET从可从可变电阻区进入饱和区时的直流电阻值。变电阻区进入饱和区时的直流电阻值。通态电阻越小，通态损耗越少。通态电阻越小，通态损耗越少。（4 4）漏源之间形成导电沟道

21、所需的）漏源之间形成导电沟道所需的最小栅源电压。开启电压多为最小栅源电压。开启电压多为5V5V左右。左右。 （5 5）保证栅源绝缘不被击穿的最高电）保证栅源绝缘不被击穿的最高电压，约为压，约为2020伏。一般栅源驱动电压通常伏。一般栅源驱动电压通常为为1215V.1215V.4) MOSFET4) MOSFET的栅极驱动电路的栅极驱动电路 MOSFETMOSFET是电压控制型器件，是电压控制型器件，开关过程中只要开关过程中只要对等效输入电容充放电对等效输入电容充放电即可。即可。 设设MOSFETMOSFET稳态导通时栅源电压为稳态导通时栅源电压为U UGSGS 等效栅极输入电容为等效栅极输入电

22、容为C Cinin 开通时驱动电路提供的充电电流近似为开通时驱动电路提供的充电电流近似为: : 关断时驱动电路抽取的电流近似为关断时驱动电路抽取的电流近似为: : 采用光耦隔离的采用光耦隔离的MOSFET的典型驱动电路的典型驱动电路 tubtuatuGStui?输入电容在开通输入电容在开通过程中是变化的过程中是变化的!1. IGBT1. IGBT的结构的结构 （MOSFETMOSFETGTRGTR复合）复合）2.4.4 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor C-集电极 E-发射极 G-栅极IGBTIGBT的工作

23、原理的工作原理 MOSFETMOSFET关断时，关断时，PNPPNP管也关断，管也关断，IGBTIGBT处于阻断状态处于阻断状态MOSFETMOSFET导通时导通时PNPPNP管随之导通，管随之导通，IGBTIGBT处于导通状态。处于导通状态。通过控制MOSFET来控制PNP三极管，从而控制IGBT的开通与关断。1 1）转移特性）转移特性 指在一定指在一定C C、E E电压下，输出集电极电电压下，输出集电极电流流i iC C与与G G、E E间电压间电压u uGEGE之间的关系。之间的关系。 2. IGBT2. IGBT的基本特性的基本特性2 2）伏安特性）伏安特性 指以栅极电压指以栅极电压u

24、 uGEGE为参变量时，集电极电流为参变量时，集电极电流i iC C与集射与集射极电压极电压i iCECE之间的关系。之间的关系。 UFBR 正向击穿电压正向击穿电压 URM 反向击穿电压反向击穿电压 3 3）动态特性）动态特性指指IGBTIGBT开通和关断过程中集电极电流、集射极电压开通和关断过程中集电极电流、集射极电压及动态损耗随时间变化的特性。及动态损耗随时间变化的特性。 由于IGBT中存在双极型PNP管，虽然增大了耐流能力，但也引入了少子存储现象，因此IGBT的开关速度低于MOSFET。4) 4) 擎住效应擎住效应. .过大的过大的i ic c原因. .过快集射极过快集射极 电压变化电

25、压变化. .过高集射过高集射 极电压极电压电流过高，电压表变化率高，温升高都可能会产生。电流过高，电压表变化率高，温升高都可能会产生。3.IGBT3.IGBT的主要参数的主要参数正常工作温度下允许的最大功耗正常工作温度下允许的最大功耗 。3) 最大集电极功耗最大集电极功耗PCM包括额定直流电流包括额定直流电流IC和和1ms脉宽最大电流脉宽最大电流ICP 。 2) 最大集电极电流最大集电极电流由内部由内部PNP晶体管的击穿电压确定。晶体管的击穿电压确定。1) 最大集射极间电压最大集射极间电压UCES4.IGBT4.IGBT的主要特性的主要特性 目前目前IGBTIGBT的最高栅极电压通常为的最高栅

26、极电压通常为20V20V，最高容许，最高容许结温为结温为150; IGBT150; IGBT的栅极驱动电压通常为的栅极驱动电压通常为1215V.1215V. 目前商用目前商用IGBTIGBT的集电极电流最大可做到的集电极电流最大可做到3600A,3600A,集射极电压可达到集射极电压可达到4500V4500V以上以上, ,明显高于明显高于MOSFETMOSFET。 中小容量中小容量IGBTIGBT的开关工作频率在的开关工作频率在20 kHz40kHz,20 kHz40kHz,大容量大容量IGBTIGBT通常在通常在5kHz5kHz左右左右, ,高于高于BJTBJT。 IGBTIGBT广泛用于中小功率，尤其在广泛用于中小功率，尤其在PWMPWM控制的电力控制的电力电子装置中占据重要地位。电子装置中占据重要地位。2.4.