：电力电子器件全控器件课件

1、1.4 典型全控型器件1.4.1 门极可关断晶闸管1.4.2 电力晶体管1.4.3 电力场效应晶体管1.4.4 绝缘栅双极晶体管第1页，共45页。1.4 典型全控型器件 20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自 发展的基础上相结合高频化、全控型、采用集成电路 制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了 一个崭新时代； 门极可关断晶闸管 在晶闸管问世后不久出现； 典型器件： 门极可关断晶闸管 电力晶体管 电力场效应晶体管 绝缘栅双极晶体管第2页，共45页。1结构（和普通晶闸管相对比） 相同点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极 不同点： GTO是一种多元的功率

2、集成器件， 内部包含数十个甚至数百个共阳极 的小GTO 元，这些GTO 元的阴极 和门极则在器件内部并联在一起。1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO一图形符号和工作原理门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor）是晶闸管的一种派生器件，导通控制与普通晶闸管一样。并可通过在其门极施加负的脉冲电流使其关断，GTO的电压、电流容量与晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。图1-13 电气图形符号 AKG第3页，共45页。1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO图形符号和工作原理2工作原理：可用下图所示的双晶体管模型来分析 GTO 关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别

3、 1+21 器件临界导通的条件 1+2 1 过饱和而使器件导通 1+2 1 不能维持饱和导通而关断图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理1）设计 2 较大，使晶体管 V2 控制灵敏，易于GTO关断；2）导通时 1+2 更接近 11.05，普通晶闸管 1+2 1.15，饱和不 深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大；3）多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短， 使得 P2 基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。第4页，共45页。1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO图形符号和工作原理 导通过程：与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅 关断过程：门极加负脉冲

4、即从门极抽出电流，Ib2 减小，使 IK 和 Ic2 减小，Ic2 的减小又使 IA 和 Ic1 减小，又进一步减小 Ib2 电流， 进而形成强烈的正反馈； 当 IA 和 IK 的减小使 1+2 ts 门极负脉冲电流前沿越陡，幅值越大，抽取储存载流子的速度 越快，ts 越短； 门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在 tt 阶段保持适当负电压，则可 缩短尾部时间； 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时， 应和电力二极管串联三GTO的主要参数第7页，共45页。1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO三、 GTO的主要参数（18）最大可关断阳极电流 IATO 门极可关断晶闸管GTO的额定电流电

5、流关断增益 off 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比，即： off 一般很小，只有 5 左右，这是GTO的一个主要缺点； 1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值需要200A第8页，共45页。1.4.2 电力晶体管 GTR 半导体晶体管：分单极型和双极结型两种 场效应管：参与导电的载流子只有一种，电子或空穴； 双极结型晶体管：两种载流子电子和空穴都参与导电； 电力晶体管（Giant TransistorGTR） 直译为巨型晶体管； 英文有时候也称为Power BJT （Bipolar Junction Transistor） 是耐高电压、大电流的双极结型晶体管； 在电力电子

6、技术的范围内，GTR 与 BJT 这两个名称等效应用 从20世纪80年代以来，电力晶体管在中、小功率范围内取代 了 晶闸管，但目前又大多被 IGBT 和电力 MOSFET 取代第9页，共45页。1.4.2 电力晶体管 GTR一GTR的结构和工作原理 原理同普通晶体管，主要特征：耐压高、电流大、开关特性好； 结构采用至少由两个晶体管组成的达林顿接法单元结构（图113） 后将许多这种单元采用集成电路工艺并联而成 ； 使用时常用共发射极接法，集电极电流 ic 与基极电流 ib 之比 反映了 基极电流对集电极电流的控制能力，称为：共发射极电流放大系数；图1-13 达林顿晶体管 电气图形符号 bce第1

7、0页，共45页。1.4.2 电力晶体管 GTR二GTR的静态特性：分输入特性和输出特性两部分1 输入特性：表示在 Uce 一定时，基极电流 Ib 与 b、e 极之间电压 Ube 之间的函数关系，类似于二极管的正向伏安特性 Uce 大于 2V 以后， Uce 改变对输入特性曲线影响很小； 实际工作时， GTR 的正偏压 Ube 约 1V 左右；图1-16 共发射极接法时GTR的输入、输出特性截止区饱和区放大区OIcib3ib2ib1ib1ib2bbbeeeccc最高工作电压 不同基极状态下击穿电压，GTR上电压超过其规定值时会发生击穿 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关 BUc

8、bo BUcex BUces BUcer Buceo 实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比 BUceo 低得多第16页，共45页。1.4.2 电力晶体管 GTR：主要参数4GTR的二次击穿现象与安全工作区 一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic 迅速增大，出现雪崩击穿， 只要 Ic 不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变； 二次击穿：一次击穿发生时 Ic 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，常导致器件的永久损坏或者工作特性明显衰变； 安全工作区SOA （Safe Operating Area）：由最高电压 UceM、集电极 最大电流 IcM、最大耗散功率 P

9、cM、二次击穿临界线限定； 图1-18 GTR的安全工作区二次击穿功率最大耗散功率 PcM集电极最大电流 IcM最高电压 UceM第17页，共45页。1.4.3 电力场效应晶体管 分为结型和绝缘栅型两种类型 类似小功率 Field Effect TransistorFET 主要为：绝缘栅型中的MOS型 （Metal Oxide Semiconductor FET） 简称：电力MOSFET（Power MOSFET） 结型电力场效应晶体管一般称为：静电感应晶体管 （Static Induction TransistorSIT） 特点：用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小； 开

10、关速度快，工作频率高； 热稳定性优于GTR； 电流容量小，耐压低； 一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 。第18页，共45页。1.4.3 电力场效应晶体管一电力MOSFET的结构和工作原理 电力MOSFET按导电沟道可分为： P 沟道 和 N 沟道 两种种类； 根据栅极电压的状态又可分为：耗尽型 和 增强型 两种种类 耗尽型：当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道 增强型：对于 N/P 沟道器件，栅极电压大于/小于零时存在导电沟道 电力MOSFET主要是： N 沟道 增强型； 1电力MOSFET的结构（显示图） 导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管 导电机理与

11、小功率 MOS 管相同，但结构上有较大区别： 小功率 MOS 管 是横向导电器件； 电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为 VMOSFET，极大的 提高了 MOSFET器件的耐压和耐电流能力； 电力MOSFET 为多元集成结构； 这里主要以VDMOS 器件为例进行讨论；第19页，共45页。2电力MOSFET的工作原理 截止：栅源电压为零，漏源加正电压 P 基区与 N 漂移区之间形成的 PN结 J1 反偏，漏源间无电流流过； 导电：栅源电压UGS0 时，栅极绝缘无栅极电流流过。UGS 会将栅极下面 P 区中的空穴推开，并将 P区中电子（少子）吸引到栅极下面的 P 区表面 当 UGS UT（

12、开启电压）时，栅极下 P区 的表面电子浓度将超过空穴浓 度，使 P型 半导体反型成 N型 而成为反型层，形成 N沟道 而使 PN结 J1消 失，漏极和源极导电。 图1-19 MOSFET的结构和电气图形符号N+GSDP 沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN 沟道漏极源极栅极J1 结第20页，共45页。1.4.3 电力场效应晶体管二电力MOSFET的基本特性a) 转移特性 b) 输出特性图1-20 电力MOSFET的转移特性和输出特性1静态特性 漏极电流 Id 和栅源间电压 UGS 的关系称为 转移特性 Id较大时，Id 与UGS 的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导 Gfs第

13、21页，共45页。1.4.3 电力场效应晶体管二电力MOSFET的基本特性2漏极伏安特性（输出特性） 分三个区：截止、饱和、非饱和区（对应GTR的截止、放大、饱和区） MOSFET 工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换； MOSFET 漏源极之间有寄生二极管，漏源间加反向电压时器件导通； MOSFET 的通态电阻具有正温度系数，器件并联时有利于均流；a) 转移特性 b) 输出特性图1-20 电力MOSFET的转移特性和输出特性第22页，共45页。1.4.3 电力场效应晶体管：基本特性3动态特性 开通过程： 开通时间 ton开通延迟时间td(on) 上升时间 tr 关断过程：关断时间

14、 toff关断延迟时间td(off)下降时间 tf 形成原因： MOSFET 存在输入电容 Cin图1-21 电力MOSFET的开关过程 UP：脉冲信号源RS：信号源内阻RG：栅极电阻 RL：负载电阻RF：检测漏极电流进入非饱和区的栅压 UGSPa) 测试电路 b) 开关过程波形第23页，共45页。1.4.3 电力场效应晶体管：基本特性3动态特性 MOSFET的开关速度 MOSFET的开关速度和 Cin 充放电有很大关系； 使用者无法降低 Cin ，但可降低驱动电路内阻 RS ，以减小时间常数， 加快开关速度； MOSFET 靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断速度非常快； 开关时间在 1

15、0 100 ns 之间，工作频率可达 100kHz 以上，工作频率 在主要电力电子器件中最高； MOSFET 为场控（电压控制）器件，静态时几乎不需输入电流； 但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率； 开关频率越高，所需要的驱动功率越大。第24页，共45页。1.4.3 电力场效应晶体管：主要参数三电力MOSFET的主要参数 除 跨导Gfs、 td(on) 、tr、td(off)、 tf 外，还有 1电压定额UDS漏极和源极之间的电压 UDS 2电流定额 漏极直流电流 ID 和 漏极脉冲电流幅值 IDM 3栅源电压UGS 栅极和源极之间的绝缘层很薄， UGS 20V 将导致绝缘层击

16、穿； 4开启电压 UT 当 UGS 大于开启电压 UT 时 ，形成导电沟道； 5极间电容： 栅源极间电容 CGS 、栅漏极间电容 CGD 、漏源极间电容 CDS；第25页，共45页。1.4.3 电力场效应晶体管：主要参数4极间电容： CGS 、CGD 和 CDS 一般厂家仅提供：漏源极短路时的输入电容 Ciss、共源极输出电容Coss 和反向转移电容 Crss，他们之间的关系为： Ciss CGS CGD （114） Crss CGD （115） Coss CDS CGD （116） 输入电容可近似用 Ciss代替； 这些电容都是非线性的； 漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电

17、力MOSFET 的安全工作区； 电力MOSFET 不存在二次击穿问题，这是它的一大优点，实际使用中 仍应注意留适当的裕量。第26页，共45页。1.4.4 绝缘栅双极晶体管 绝缘栅双极晶体管 IGBT （Insulated-gate Bipolar Transistor） IGBT结合了GTR 和 MOSFET二者的优点，是两类器件取长补短 相结合而形成的复合器件BiMOS，该器件具有良好的特性； GTR的特点：双极型、电流驱动、具有电导调制效应，通流能力 很强，但开关速度较低，所需驱 动功率大，驱动电路复杂； MOSFET的特点：单极型、电压驱动、开关速度快、输入阻抗高， 热稳定性好，所需驱动

18、功率小而且驱动电路简单。 1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场，在中 小功率电力电子设备中成为主导器件； 其电压和电流容量的容量正在逐步提高，以期取代 GTO的地位。第27页，共45页。1.4.4 绝缘栅双极晶体管一 IGBT的结构和工作原理1图形符号和结构 具有栅极 G、集电极 C 、发射极 E ，为三端器件图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a）内部结构断面示意图b）简化等效电路EGCN+NPN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GCEGEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonRN调制电阻c）电气图形符号第28页，

19、共45页。1.4.4 绝缘栅双极晶体管：结构2IGBT的结构 N 沟道的VDMOSFET 与GTR 的组合，构成 N 沟道 IGBT（N-IGBT） IGBT 比VDMOSFET 多一层 P+ 注入区，形成了一个大面积的P+N 结， 从而使 IGBT 导通时由 P+ 注入区向 N 基区发射少子， 从而对漂移区 电导率进行调制，使得 IGBT 具有很强的通流能力；EGCN+NPN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1第29页，共45页。1.4.4 绝缘栅双极晶体管：原理3IGBT 的原理 驱动原理与 MOSFET基本相同，属场控器件，由 栅射电压UGE 控制； 导通：

20、当UGE 大于 开启电压 UGE ( th ) 时，MOSFET 内形成沟道，为 晶体管提供基极电流，IGBT 导通； 导通压降：电导调制效应使电阻 RN 减小，使通态压降小； 关断：栅 射极之间 施加反压 或不加信 号 时，MOSFET 内的沟道消失，晶体 管的 基极电流被切断，IGBT关断；GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonRN 调制电阻 简化等效电路表明： IGBT 是 GTR 与 MOSFET 组成的达 林顿结构，一个由 MOSFET 驱动的厚基区 PNP 晶体管； RN 为晶体管基区内调制电阻。第30页，共45页。1.4.4 绝缘栅双极晶体管二 IGBT的基本特性O有源区

21、正向阻断区饱和区反向阻断区a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加转移特性输出特性 1IGBT 的静态特性（1） 转移特性 IC 与UGE 间的关系，与 MOSFET 转移特性类似；（2）开启电压UGE(th) IGBT 实现电导调制而导通的最低栅射电压 UGE(th) ，随温度 升高而略有下降，在25C时， UGE(th) 的值一般为 2 6 V；第31页，共45页。1.4.4 绝缘栅双极晶体管：基本特性 1 IGBT 的静态特性（3）输出特性（伏安特性） 以UGE 为参考变量时，IC 与UCE 间的关系，分为三个区 正向阻断区，对应于 GTR 的截止

22、区； 有源区，对应于 GTR 的放大区； 饱和区，对应于 GTR 的饱和区；（4） 当 UCE 0 时，IGBT 处于反向阻断工作状态。O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加转移特性输出特性第32页，共45页。1.4.4 绝缘栅双极晶体管：基本特性2IGBT 的动态特性ttt10%90%10%90%UCEIC000UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM（1）开通时间 ton开通延迟时间 td(on) 电流上升

23、时间 tr 开通过程与MOSFET的开通过程相似；IGBT 的开通过程第33页，共45页。ttt10%90%10%90%UCEIC000UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1.4.4 绝缘栅双极晶体管：基本特性2IGBT的动态特性（2）关断时间 toff 关断延迟时间 td(off) 电流下降时间 tf 因 IGBT 中双极型PNP晶体管 的存在，带来了电导调制效应 的好处；但也引入了少子储存 现象，因而 IGBT 的开关速度 低于电力 MOSFET。IGBT 的开通过程第34页，

24、共45页。1.4.4 绝缘栅双极晶体管的主要参数三 IGBT 的主要参数1最大集射极间电压UCES ：由内部 PNP 晶体管的击穿电压确定；2最大集电极电流：包括额定直流电流 IC 和 1ms 脉宽最大电流 ICP ；3最大集电极功耗PCM ：正常工作温度下允许的最大功耗 ；4IGBT 的特性和参数特点：（1）开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR 的1/10，与电力 MOSFET 相当；（2）与电压和电流定额相同的 GTR 比，安全工作区更大，且具有耐脉冲 电 流冲击能力；通态压降比 MOSFET 低，特别是在电流较大的区域；（4）输入阻抗高，输入特性与 MOSF

25、ET 类似；（5）与 MOSFET 和 GTR 相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时 保持了 开关频率高的特点。 第35页，共45页。1.4.4 绝缘栅双极晶体管的主要参数4IGBT 的特性和参数特点：（5）擎住效应或自锁效应： NPN 晶体管基极与发射极之间存在体区短路 电阻，P 型区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降， 相当于对 J3 结施加正偏压，一旦 J3 开通，栅极就失去对集电极电流的控制作用， 引起电流失控，形成 擎住效应（自锁效应） 引发擎住效应原因： IC 电流过大（静态擎住效应） UCE 电压过大（静态擎住效应） duCE/dt 电压上升率过大（动态擎住效应） 解决措施

26、： 限制集电极电流，电压， 集电极和发射极间加吸收电路 增加门极驱动电阻 擎住效应曾限制 IGBT 电流容量提高， 20 世纪 90 年代中后期开始逐渐解决。GEC+-+-+-IDRNICIDRONVJ1第36页，共45页。1.4.4 绝缘栅双极晶体管：主要参数5正偏安全工作区（FBSOA） 门极正偏时，IGBT由阻断到导通及导通状态的参数极限范围由 最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定；6反向偏置安全工作区（RBSOA） 门极反偏时，IGBT由导通到阻断及阻断状态的参数极限范围由 最大集电极电流、最大允许电压上升率 duCE/dt 和最大集射极间 电压确定； IGBT 往往与

27、反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为 逆导器件，使用时应引起注意。 第37页，共45页。1.5 其他新型电力电子器件 1.5.1 MOS控制晶闸管 MCT 1.5.2 静电感应晶体管 SIT 1.5.3 静电感应晶闸管 SITH 1.5.4 集成门极换流晶闸管 IGCT 1.5.5 功率模块与功率集成电路第38页，共45页。1.5.1 MOS 控制晶闸管MCT MCT（MOS Controlled Thyristor） MCT 是 MOSFET 与晶闸管的复合，电压驱动型、双极型器件； MCT 结合了二者的优点： MOSFET 的 高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程； 晶闸管的高电

28、压大电流、低导通压降 一个 MCT 器件由数以万计的 MCT 元组成，每个 MCT 元由一个 PNPN 晶闸管、一个控制该晶闸管开通的 MOSFET 和一个控制该 晶闸管关断的 MOSFET 组成； MCT 曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。因此， 20 世纪 80年代以来一度成为研究的热点。但经过十多年的努力， 其关键技术问题没有重大的突破，电压和电流容量都远未达到预 期的数值，未能投入实际应用。第39页，共45页。1.5.2 静电感应晶体管 SIT SIT（Static Induction Transistor） SIT 是结型场效应晶体管，电压驱动型、单极型器件； 多子导电的

29、器件：工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高， 功率容量更大，因而适用于高频大功率场合； 在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应 加热等领域获得应用； 缺点： 栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型 器件，使用不太方便； 通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电 子设备中得到广泛应用。第40页，共45页。1.5.3 静电感应晶闸管 SITHSITH（Static Induction Thyristor） SITH 是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应， 通态压降低、通流能力强； 其很多特性与 GTO 类似，但开关速度比 GTO 高得多，是大 容量的快速器件； SITH 一般也