电力电子技术7

电力电子技术72023/12/27电力电子技术7第7章自关断器件7.1电力晶体管7.2可关断晶闸管7.3电力场效应晶体管7.4绝缘栅双极晶体管7.5驱动电路2电力电子技术77.1电力晶体管电力晶体管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）。耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有时候也称为PowerBJT。DATASHEET1

2

应用20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。术语用法：3电力电子技术7与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。7.1电力晶体管1）GTR的结构和工作原理图7-1GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动

a)内部结构断面示意图b)电气图形符号c)内部载流子的流动4电力电子技术77.1电力晶体管在应用中，GTR一般采用共发射极接法。集电极电流ic与基极电流ib之比为（7-2）

——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力。当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为ic=

ib+Iceo（7-1）单管GTR的

值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。空穴流电子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib1）GTR的结构和工作原理5电力电子技术77.1电力晶体管

(1)

静态特性共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。在电力电子电路中GTR工作在开关状态。在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce图7-3共发射极接法时GTR的输出特性2）GTR的基本特性6电力电子技术77.1电力晶体管开通过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。加快开通过程的办法。关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff

。加快关断速度的办法。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd图7-4GTR的开通和关断过程电流波形(2)

动态特性7电力电子技术77.1电力晶体管前已述及：电流放大倍数

、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff

(此外还有)：

1)

最高工作电压

GTR上电压超过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。BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>Buceo。实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。3）GTR的主要参数8电力电子技术77.1电力晶体管通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic。实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。

3)

集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率。产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。

2)

集电极最大允许电流IcM9电力电子技术77.1电力晶体管一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。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突然急剧上升，电压陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。安全工作区（SafeOperatingArea——SOA）最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图7-5GTR的安全工作区GTR的二次击穿现象与安全工作区10电力电子技术77.2可关断晶闸管结构：与普通晶闸管的相同点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。图7-6GTO的内部结构和电气图形符号a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形b)并联单元结构断面示意图c)电气图形符号1）GTO的结构和工作原理11电力电子技术77.2可关断晶闸管工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图7-7所示的双晶体管模型来分析。

图7-7晶闸管的双晶体管模型及其工作原理

1+

2=1是器件临界导通的条件。由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益

1和

2

。12电力电子技术77.2可关断晶闸管GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：设计

2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO。导通时

1+

2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。

多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。

图7-7晶闸管的工作原理13电力电子技术77.2可关断晶闸管GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。由上述分析我们可以得到以下结论：14电力电子技术77.2可关断晶闸管开通过程：与普通晶闸管相同关断过程：与普通晶闸管有所不同储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。下降时间tf尾部时间tt

—残存载流子复合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6图7-8

GTO的开通和关断过程电流波形GTO的动态特性15电力电子技术77.2可关断晶闸管GTO的主要参数——延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1~2

s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。——一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于2

s。（2）关断时间toff（1）开通时间ton

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

。许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。16电力电子技术77.2可关断晶闸管（3）最大可关断阳极电流IATO（4）

电流关断增益

off

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要200A。——GTO额定电流。——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。17电力电子技术77.3电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）简称电力MOSFET（PowerMOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor——SIT）

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。电力场效应晶体管18电力电子技术77.3电力场效应晶体管电力MOSFET的种类

按导电沟道可分为P沟道和N沟道。

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）零时才存在导电沟道。

电力MOSFET主要是N沟道增强型。DATASHEET1）电力MOSFET的结构和工作原理19电力电子技术77.3电力场效应晶体管电力MOSFET的结构是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。图7-9电力MOSFET的结构和电气图形符号20电力电子技术77.3电力场效应晶体管小功率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（VerticalMOSFET）。按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。电力MOSFET的结构21电力电子技术77.3电力场效应晶体管截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。图7-10电力MOSFET的结构和电气图形符号电力MOSFET的工作原理22电力电子技术77.3电力场效应晶体管

(1)静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。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。010203050402468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图7-11电力MOSFET的转移特性和输出特性

a)转移特性b)输出特性2）电力MOSFET的基本特性23电力电子技术77.3电力场效应晶体管截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应GTR的饱和区）工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。图7-12电力MOSFET的转移特性和输出特性

a)转移特性b)输出特性MOSFET的漏极伏安特性：010203050402468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A24电力电子技术77.3电力场效应晶体管开通过程开通延迟时间td(on)

上升时间tr开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和关断过程关断延迟时间td(off)下降时间tf关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图7-13电力MOSFET的开关过程a)测试电路b)开关过程波形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(2)

动态特性25电力电子技术77.3电力场效应晶体管

MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件，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。MOSFET的开关速度26电力电子技术77.3电力场效应晶体管3)电力MOSFET的主要参数

——电力MOSFET电压定额(1)

漏极电压UDS

(2)

漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM——电力MOSFET电流定额(3)栅源电压UGS——

UGS

>20V将导致绝缘层击穿。

除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：

(4)

极间电容——极间电容CGS、CGD和CDS27电力电子技术77.4绝缘栅双极晶体管两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）(DATASHEET1

2)GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。28电力电子技术77.4绝缘栅双极晶体管1)IGBT的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极E图7-14IGBT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c)电气图形符号29电力电子技术77.4绝缘栅双极晶体管图1-22a—N沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力。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为晶体管基区内的调制电阻。图7-15IGBT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c)电气图形符号IGBT的结构30电力电子技术77.4绝缘栅双极晶体管

驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导通：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。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断：栅射极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。IGBT的原理31电力电子技术7a)b)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加7.4绝缘栅双极晶体管2)IGBT的基本特性(1)

IGBT的静态特性图7-16IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性转移特性——IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th))输出特性分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。32电力电子技术77.4绝缘栅双极晶体管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM图7-17IGBT的开关过程IGBT的开通过程

与MOSFET的相似开通延迟时间td(on)

电流上升时间tr

开通时间tonuCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。(2)

IGBT的动态特性33电力电子技术77.4绝缘栅双极晶体管图7-18IGBT的开关过程关断延迟时间td(off）电流下降时间

关断时间toff电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1——IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。IGBT的关断过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM34电力电子技术77.4绝缘栅双极晶体管3)IGBT的主要参数——正常工作温度下允许的最大功耗。(3)

最大集电极功耗PCM——包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。

(2)

最大集电极电流——由内部PNP晶体管的击穿电压确定。(1)

最大集射极间电压UCES35电力电子技术77.4绝缘栅双极晶体管IGBT的特性和参数特点可以总结如下：开关速度高，开关损耗小。相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比VDMOSFET低。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。36电力电子技术77.4绝缘栅双极晶体管擎住效应或自锁效应：IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件。——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。反向偏置安全工作区（RBSOA）——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。正偏安全工作区（FBSOA）动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。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。——NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体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，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。37电力电子技术77.5驱动电路使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号。对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。驱动电路——主电路与控制电路之间的接口38电力电子技术77.5驱动电路驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。

光隔离一般采用光耦合器

磁隔离的元件通常是脉冲变压器图7-19光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型39电力电子技术77.5驱动电路按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。分类40电力电子技术77.5驱动电路(一)晶闸管的触发电路作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路应满足下列要求：脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。触发脉冲应有足够的幅度。不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。tIIMt1t2t3t4图7-20理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1~t2

脉冲前沿上升时间（<1

s）t1~t3

强脉宽度IM

强脉冲幅值（3IGT~5IGT）t1~t4

脉冲宽度I

脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）晶闸管的触发电路41电力电子技术77.5驱动电路(一)

晶闸管的触发电路V1、V2构成脉冲放大环节。脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节。

V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。图7-21常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路42电力电子技