电力电子半导体器件GTR

电力电子半导体器件GTR第1页，共52页，2023年，2月20日，星期一§4.1GTR结构双极型大功率、高反压晶体管——GTR（巨型晶体管）GiantTransistor三层半导体材料，两个PN结(NPN型、PNP型)。一、工艺特点三重扩散；叉指型基极和发射极；特点：发射区高浓度掺杂基区很薄（几um—几十um）N-掺杂浓度低，提高耐压能力N+集电区收集电子使用时要求：发射结正偏，集电结反偏。第2页，共52页，2023年，2月20日，星期一二、GTR与普通晶体管区别1.普通晶体管：信号晶体管，用于放大信号；要求增益适当，fT高，噪声系数低，线性度好，温度漂移和时间漂移小。工作于放大区，以载流子运动为出发点，分析载流子扩散、漂移、复合现象。电流控制特性为线性关系。2.GTR：用于功率开关；要求容量足够大，高电压，大电流，适当增益，较高工作速度，较低功率损耗。3.大电流工作下，普通晶体管出现的新特点：

①基区大注入效应：引起电流增益下降。②基区扩展效应：使基区注入效率降低，增益β下降，fT减小。③发射极电流集边效应：引起电流局部集中，产生局部过热。因此，GTR在结构上应采取适当措施，减小上述效应。第3页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、单管GTR

采用三重扩散，台面型结构；可靠性高，对二次击穿特性有改善，易于提高耐压，易于耗散体内热量。增加N-漂移区，由它的电阻率和厚度决定器件阻断能力，但阻断能力提高，使饱和导通电阻增大，电流增益降低。一般：β约10—20

工作状态：开关状态（导通、截止；开通、关断）饱和压降低漏电流小时间短第4页，共52页，2023年，2月20日，星期一四、达林顿GTR为提高电流增益，由两个或两个以上晶体管复合组成。NPN型PNP型驱动管输出管第5页，共52页，2023年，2月20日，星期一特点：①电流增益β增大：β≈β1β2

，达几十倍～几千倍；②饱和压降VCES增大：VCES

≈VCES1+VBES2

V2管无法饱和导通，VCE2=VCES1，反偏状态；导通损耗增大。③开关速度慢：开通时，V1驱动V2；关断时，V1先关断，V2才能关断，且V2关断无泻流通路。改进：R1、R2稳定电阻，提高温度稳定性和电流通路。

VD1引入，加速V2、V1的同时关断，引出B2极可另外控制。第6页，共52页，2023年，2月20日，星期一五、GTR模块

将GTR管芯、稳定电阻R1R2、加速二极管VD1、续流二极管VD2组成一个单元。将几个单元组合在一个外壳内——模块。利用集成工艺将上述单元集成于同一硅片上，器件集成度高，小型轻量化，性能/价格比高。单臂桥式电路模块B1B2C1E2E1C2单相桥式电路模块；三相桥式电路模块；第7页，共52页，2023年，2月20日，星期一§4.2GTR特性与参数一、静态特性与参数1．共射输出特性：发射结正偏集电结反偏VCES很小临界饱和断态，漏电流很小放大区严禁工作第8页，共52页，2023年，2月20日，星期一2．饱和压降：如图：GTR深饱和时，等效电路；VBES：基极正向压降通态下，B-E极电压；VCES：饱和压降通态下，C-E极电压；一般，由于发射区高浓度掺杂，rES可忽略；VCES的大小，关系器件导通功率损耗。达林顿管，VCES、VBES较大。第9页，共52页，2023年，2月20日，星期一TC35-400型GTR：电流50A，β=5；VCES随IC电流增大而增大；IC不变时，随温度增加而增加。VBES随IC电流增大而增大；小电流下，随温度增大而减小，PN结负温度系数。大电流下，随温度增大而增大。饱和压降特性曲线基极正向压降特性曲线第10页，共52页，2023年，2月20日，星期一TC=250CVCE=400VTC=250CVCE=2VTC=1250C，VCE=2VTC=250C，VCE=－2V3．共射电流增益β：反映GTR的电流放大能力，IC与IB比值。①GTR正向偏置时，βF随IC减小而减小，基区复合电流占的比例增大。②随IC增大，β增大，IC增大到一定程度β=βmax，IC再增大，由于基区大注入效应、基区扩展效应，β开始下降。③管子温度相同时，VCE越大，β越大。④β随温度增加而增加，大电流下，β随温度增加而减小。⑤GTR反接时，β很小。第11页，共52页，2023年，2月20日，星期一4．最大额定值——极限参数由GTR材料、结构、设计水平、制造工艺决定。①最高电压额定值：

BVCEO，BVCBO，BVCES，BVCER，BVCEXO：另一极开路；S：短路；R：外接电阻；X：反向偏置；第12页，共52页，2023年，2月20日，星期一Va:：IB=0时，IC电流急剧增加时电压；Vb:：IE=0时，IC电流急剧增加时电压；

一般：另：BVEBO集电极开路时，发射结最高反向偏置电压。几伏，典型值8V。第13页，共52页，2023年，2月20日，星期一②最大电流额定值：大电流下，三种物理效应会使GTR电气性能变差，甚至损坏器件。集电极电流最大额定值ICM：

ICM定义：a.以β值下降到额定值1/2到1/3时，对应IC值。

b.以结温和耗散功率为尺度确定ICM。最大脉冲电流额定值：直流ICM的1.5～３倍定额；引起内部引线熔断的集电极电流；引起集电结损坏的集电极电流。基极电流最大额定值IBM：内部引线允许流过的最大基极电流，约为（1/2～1/6）ICM第14页，共52页，2023年，2月20日，星期一③最高结温TJM

塑封，硅管：1250～1500C；金属封装，硅管：1500～1750C；高可靠平面管：1750～2000C；④最大功耗PCMPCM=VCE•IC

受结温限制，使用时注意散热条件。例：3DF20型GTR各最大额定值参数：第15页，共52页，2023年，2月20日，星期一二、动态特性与参数动态特性是GTR开关过程的瞬态性能，称开关特性；主要受结电容（势垒电容、扩散电容）充、放电和两种载流子运动影响。如图：TC40U—400型GTR动态特性实验电路和电流波形电路参数：VCC=200V；RC=10Ω；

RB1=4.7Ω；RB2=1.2Ω；第16页，共52页，2023年，2月20日，星期一1．开通时间ton：ton=td+tr（ns级，很小）

td：延迟时间，基极电流向发射结电容充电。大小取决于结电容大小、驱动电流大小和上升率，及反偏时电压大小。

tr：上升时间，取决于稳定电流和驱动电流大小。2．关断时间toff：toff=ts+tfts：存储时间，过剩载流子从体内抽走时间，由反向驱动电流大小决定。(3～８us)tf：下降时间，取决于结电容、正向集电极电流大小。(1us)说明：为加速开通，采用过驱动方法，但基区过剩大量载流子，关断时，载流子耗散严重影响关断时间；减小关断时间，可选用电流增益小的器件，防止深饱和，增加反向驱动电流。第17页，共52页，2023年，2月20日，星期一3．集电极电压上升率dv/dt对GTR的影响当GTR用于桥式变换电路时，如图：B1B2C1E2E1C2dv/dt产生的过损耗现象严重威胁器件和电路安全；当基极开路时，dv/dt通过集电结寄生电容产生容性位移电流，注入发射结形成基极电流，放大β倍后，形成集电极电流，使GTR进入放大区，因瞬时电流过大引起二次击穿。在GTR换流关断时，dv/dt会引起正在关断的GTR误导通，造成桥臂直通。抑制dv/dt，可在集射极间并联RCD缓冲网络进行吸收。第18页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、二次击穿与安全工作区（一）二次击穿现象一次击穿电压BVCEO

；发生一次击穿后，电流急剧增大，若外接有限流电阻，不会损坏GTR。否则，集电极电流继续增大，在某电压、电流点产生向低阻抗区高速移动的负阻现象，称为——二次击穿。用S/B表示。二次击穿时间很短，纳秒到微秒数量级，短时间内的大电流会使器件内出现明显的电流集中和过热点（热斑），轻者使GTR耐压降低，性能变差；严重时，集电结、发射结熔通，永久损坏。二次击穿按偏置状态分为两种：正偏二次击穿和反偏二次击穿。第19页，共52页，2023年，2月20日，星期一1．正偏二次击穿：B－E结正偏，GTR工作于放大区。PP+P+N+BBEN+N－Ｃ如图，GTR正偏时，由于基极与发射极在同一平面，基区电阻存在，使发射结各点的偏置电压不同，边缘大而中心小。同时存在的集—射电场将电流集中到发射极边缘下很窄的区域内，造成电流局部集中，电流密度大，温度升高，出现负阻现象，严重时造成热点、热斑，使PN结失效。热点严重程度与基区宽度成反比；与集电极外加电压成正比。第20页，共52页，2023年，2月20日，星期一2．反偏二次击穿：GTR导通→截止变化时，发射结反偏。存储电荷存在，使C—E间仍流过电流，由于基区电阻存在，使发射极与基极相接的周边反偏电压大，中心反偏很弱，甚至仍为正偏。造成发射极下，基区的横向电场由中心指向边缘，形成集电极电流被集中于发射结中心很小局部的不均匀现象。在该局部电流密度很高，形成二次击穿热点。一般，比正向偏置时低很多的能量水平下，即可发生二次击穿。影响二次击穿的因素：集电极电压、电流；负载性质；导通脉冲宽度；基极电路的配置、材料和工艺等。二次击穿由于器件芯片局部过热引起，热点形成需要能量积累，需要一定的电压、电流数值和一定的时间。第21页，共52页，2023年，2月20日，星期一二次击穿特性曲线：IS/B：二次击穿触发电流PS/B：二次击穿触发功率

PS/B=IS/B

*VCE集射极保持电压外加电压越高，电流更易集中而产生热点，IS/B下降。第22页，共52页，2023年，2月20日，星期一（二）安全工作区：SOAGTR运行中受电压、电流、功率损耗和二次击穿定额限制的安全工作范围。正向偏置安全工作区FBSOA反向偏置安全工作区RBSOA反向关断电流脉冲宽度直流安全工作区第23页，共52页，2023年，2月20日，星期一四、温度特性与散热半导体器件特性参数随温度升高而变差，如：耐压降低，VCES升高、IC增大、输出功率下降，PCM和PS/B下降，安全区面积缩小。为保证GTR不超过规定的结温，应根据容量等级配以相应的散热器和采用相应的冷却方式。否则，会因结温过高导致热损坏。减小GTR的发热，应从根本上减小功耗。在开关状态下工作的GTR，功耗由静态导通功耗、动态开关损耗和基极驱动功耗三部分。减小导通压降，采用缓冲电路、改变主电路形式（谐振型）均可减小功耗，减少发热。

第24页，共52页，2023年，2月20日，星期一GTR静态参数：第25页，共52页，2023年，2月20日，星期一GTR动态参数：第26页，共52页，2023年，2月20日，星期一§4.3GTR驱动和保护一、驱动电路设计原则1．GTR的特点全控型器件，功率大，热容量小，过载能力低。与SCR相比，具有自关断能力，使DC—AC，DC—DC，AC—AC变换电路的变换方式灵活，控制方便，主电路结构简单。但GTR驱动方式直接影响管子工作状态和管子特性。如：过驱动（驱动电流大）可减小开通损耗，降低导通压降，但对关断不利，增加关断损耗，对管子di/dt影响很大。

GTR过载/短路时，us级时间内，结温会超过最大允许值，导致器件损坏，不能用快速熔断器、过流继电器（ms级）进行主电路切断保护。在系统出现故障时，需快速检测，对控制信号加以关断（缓关断），因此驱动与保护密切联系。第27页，共52页，2023年，2月20日，星期一2．驱动电路设计原则①最优化驱动特性：应提高开关速度，减小开关损耗。开通时：基极电流上升沿快速且短时过冲，加速开通。导通后：VCES较低，导通损耗小。为减小关断时间，应工作在准饱和状态。关断时：提供反向驱动电流，加速载流子耗散，缩短关断时间，减小关断损耗。第28页，共52页，2023年，2月20日，星期一②驱动方式：由主电路结构决定直接驱动：简单驱动、推挽驱动、抗饱和驱动隔离驱动：光电隔离、电磁隔离③快速保护功能：

GTR故障时，自动关断基极驱动信号，保护GTR。如:抗饱和、退抗饱和、过流、过压、过热、脉宽限制、智能化自保护能力。第29页，共52页，2023年，2月20日，星期一二、基极驱动电路基本形式（一）恒流驱动电路：基极电流恒定，不随IC电流变化而变化。IB>ICmax/β

问题:空载、轻载时，饱和深度加剧，存储时间大，关断时间长。改进：1．抗饱和电路（贝克嵌位电路）VD2存在，使GTR导通时b-c结处于零偏或轻微正偏，基极多余电流由VD2从集电极流出，管子处于准饱和状态。VCES=VBE+VD1－VD2=VBEVD1、VD2抗饱和二极管；根据不同情况调整VD1数量，控制VCES大小。VD2应选快速二极管，耐压与GTR一致，电流>IB′VD1、VD3为普通二极管，VD1反向恢复有助于GTR关断。缺点：导通损耗增大。第30页，共52页，2023年，2月20日，星期一２．截止反偏驱动电路目的：关断时加反偏驱动，迅速抽出基区过剩载流子，减小存储时间，加速GTR关断。

①单极性脉冲变压器驱动电路VAVB缺点：变压器单边工作，有直流磁化现象，铁心体积大。反偏电压大小随导通时间变化。ttVA00VBW3回馈能量第31页，共52页，2023年，2月20日，星期一②电容储能式驱动电路工作原理：Vi高电平，*端为正，W2经GTR的B-E结、C、VD2使GTR导通，V截止，电容C充电。Vi低电平，*端为负，VD2截止，W2经还在导通的B-E结、R2、V发射结、C使V迅速饱和导通，电容C上电压反加于GTR的B-E结，GTR迅速截止。下一次导通前，C上电压经VD1、R1、R2、V发射结放电完毕。第32页，共52页，2023年，2月20日，星期一③固定反偏互补驱动电路第33页，共52页，2023年，2月20日，星期一（二）比例驱动电路使GTR基极电流正比于集电极电流变化，在不同负载时，管子饱和深度基本相同，而且轻载时，驱动功率大大减小。1．反激式比例驱动电路特点：靠正反馈加速GTR开通，当工作频率较高时，分布参数影响使开通速度变慢。第34页，共52页，2023年，2月20日，星期一2．具有强制开通、强制关断的比例驱动电路特点：电路复杂。第35页，共52页，2023年，2月20日，星期一三、过电流检测与保护

GTR运行时，过流检测能保证管子正常工作。要求检测电路灵敏度高，响应快。（一）状态识别法

GTR过载或短路时，集电极电流急剧变化，引起基极电压VBE，集电极电压VCE相应变化。第36页，共52页，2023年，2月20日，星期一

管子开通时，电流上升越快，VBE变化越大。如GTR短路时开通，监测VBE变化，确认故障快。但导通后，较轻过载时，监测VBE灵敏度低。但VCE电压监测适合过载电流保护，但不适合短路电流保护，二者结合，效果较好。VBE识别电路VCE识别电路存在问题：保护电路存在盲区，等GTR开通后，保护电路才能使用。第37页，共52页，2023年，2月20日，星期一典型VCE识别电路：GTRVCE第38页，共52页，2023年，2月20日，星期一（二）桥臂互锁保护法检测电路检测电路当逆变器运行时，由于GTR关断时间过长、驱动信号失误重叠、或某一GTR损坏，导致桥臂直通，损坏器件。利用互锁可保证管子一个关断后，另一个才能开通。第39页，共52页，2023年，2月20日，星期一1．电流法检测电路：电流互感器，LEM霍尔元件其中LEM是磁场平衡式霍尔电流传感器，反映速度1us，一次、二次绝缘电压2KV，无惯性、线性度好、使用简单、方便。利用电流法判断时，存在问题，如特定负载下，GTR导通，但无集电极电流，判断发生错误。2．电压法检测电路：由VBE电压判断管子状态，更加可靠。第40页，共52页，2023年，2月20日，星期一（三）实用驱动电路要求：信号隔离，过电流保护，过电压保护，抗饱和导通，信号互锁等。常用：由小规模集成电路构成的专用驱动电路混合微膜组件驱动电路（三菱M57917L）集成化驱动电路（法国UAA4002）

第41页，共52页，2023年，2月20日，星期一§4.4缓冲电路一、概述缓冲电路也称吸收电路，在电力半导体器件应用中有着极其重要的作用。开关元件开通时，流过大电流；关断时，承受高反压；开关转换瞬间，电路中各种储能元件能量释放，导致器件冲击很大，造成器件超出安全工作区而损坏。吸收电路用来减小器件在电路中承受的各种应力（电、热），如：浪涌电压、dv/dt、di/dt等。应力越低，器件可靠性越高。吸收电路还能减少开关损耗，避免二次击穿，抑制电磁干扰，提高可靠性。第42页，共52页，2023年，2月20日，星期一1．GTR开关波形及缓冲电路作用：无缓冲电路

图b为复合缓冲电路，LS开通保护，限制di/dt；CS、VDS缓冲电路，限制dv/dt；RD放电回路，消耗能量。2．种类①耗能式缓冲电路：用电阻消耗缓冲电路吸收的开关损耗，简单，效率低。②馈能式缓冲电路：将开关损耗以一定方式送至负载或回馈给电源，