電力電子技術(shù)4

1、第四講全控型電力電子器件4.1 概述門極可關(guān)斷晶閘管(gate-turn-off thyristorgto) 在晶閘管問世后不久出現(xiàn)；20 世紀(jì) 80 年代以來，信息電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合高頻化、 全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件， 從而將電力電子技術(shù)又帶入了一個(gè)嶄新時(shí)代；典型代表門極可關(guān)斷晶閘管、 電力晶體管 (giant transistor gtr)、電力場 效應(yīng)晶體管 (power mosfet) 、 絕緣柵雙極晶 體管 (insulated-gatebipolartransistor igbt或 igt) 。4.2 門極可關(guān)斷晶閘管 （gate-tu

2、rn-off thyristor gto）門極可關(guān)斷晶閘管是晶閘管的一種派生器件；可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷；gto 的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用。4.2.1 gto 的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點(diǎn)： pnpn 四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極；和普通晶閘管的不同： gto 是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽極的小 元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。g kgkgan2p2n 2n 1gkp1aa)b)c)圖 1 gto 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和圖電1-氣13圖形符號a) 各單元的陰極、門極間隔排列

3、的圖形b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖c)電氣圖形符號工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖2 所示的雙晶體管模型來分析121 是器件臨界導(dǎo)通的條件。 當(dāng) a1+a21 時(shí)，兩個(gè)等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)a1+a21 時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷aap1iapnpn1n1v1ic2rg ig ic1gp2p2v2n2snpneaikegkka)b)圖 2gto 的雙晶體管模型gto能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：（ 1）設(shè)計(jì)2 較大，使晶體管 v 2 控制靈敏，易于 gto 關(guān)斷；（ 2）導(dǎo)通時(shí)12 更接近 1（ 1.05，普通晶閘管121.15 ）導(dǎo)通時(shí)飽和不深，接近臨界飽和

4、，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大；（ 3）多元集成結(jié)構(gòu)使gto 元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得p2 基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流導(dǎo)通過程 : 與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺；關(guān)斷過程： 強(qiáng)烈正反饋 門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流，則 i b2減小，使 i k和 i c 2 減小，i c 2 的減小又使 i a 和 i c1 減小，又進(jìn)一步減小 v2 的基極電流。當(dāng) i a 和i k 的減小使 12 1 時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷，多元集成結(jié)構(gòu)還使gto 比普通晶閘管開通過程快，承受di / dt 能力強(qiáng)。4.2.2 gto 的動態(tài)特性開通過程：與普通晶閘管類似，

5、需經(jīng)過延遲時(shí)間t d 和上升時(shí)間 tr 。關(guān)斷過程：t s ，使等效晶體管退出飽和。等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小下降時(shí)間t f殘存載流子復(fù)合尾部時(shí)間tt通常 t f比 t s 小得多，而t t 比 ts 要長；門極負(fù)脈沖電流幅值越大， 前沿越陡，抽走儲存載流子的速度越快，t s 越短；門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在t t 階段仍保持適當(dāng)負(fù)電壓，則可縮短尾部時(shí)間。igotiatdtttti arsfti90%ai10%a0t0t1t2t3t4 t5t6 t圖 1-14圖1-14gto 的開通和關(guān)斷過程電流波形4.2.3 gto 的主要參數(shù)gto的許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義

6、相同， 以下只介紹意義不同的參數(shù) :1) 開通時(shí)間t on ：延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約1 2ms ，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大；2) 關(guān)斷時(shí)間 t：一般指儲存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。offgto的儲存時(shí)間隨陽極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般小于2ms；不少 gto都制造成逆導(dǎo)型， 類似于逆導(dǎo)晶閘管， 需承受反壓時(shí)， 應(yīng)和電力二極管串聯(lián)；3) 最大可關(guān)斷陽極電流 i ato: gto 的額定電流；4)電流關(guān)斷增益boff最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值i gm之比稱為電流關(guān)斷增益offi ato（ 1）i gmoff 一般很小，只有5 左右，這是 g

7、to的一個(gè)主要缺點(diǎn)。 1000a 的 gto關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要200a。4.3 電力晶體管術(shù)語用法：電力晶體管（ giant transistor gtr，直譯為巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管 （bipolar junction transistor bjt），英文有時(shí)候也稱為power bjt 在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，gtr 與 bjt 這兩個(gè)名稱等效應(yīng)用 : 20 世紀(jì) 80 年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被 igbt 和電力 mosfet 取代gtr 的結(jié)構(gòu)和工作原理 ( 圖 1-15 )與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的主要特性是耐壓高、

8、電流大、開關(guān)特性好通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成基極b 發(fā)射極c 基極bic= ibcp+n+p+空穴流p基區(qū)bn漂移區(qū)eib電ecn+襯底子流eb集電極cie=(1+ iba)b)c)圖 1-15 gtr 的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動1-15a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b) 電氣圖形符號c) 內(nèi)部載流子的流動一般采用共發(fā)射極接法，集電極電流i c 與基極電流i b 之比為i ci b（ 1-9） gtr的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對集電極電流的控制能力當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流i ceo 時(shí)， i c 和 i b 的關(guān)系

9、為i c= i b +i ceo（1-10 ）產(chǎn)品說明書中通常給直流電流增益hfe在直流工作情況下集電極電流與基極電流之比。一般可認(rèn)為 hfe單管 gtr的 b 值比小功率的晶體管小得多， 通常為 10 左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益4.3.3 gtr 的基本特性(1) 靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)在電力電子電路中 gtr工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時(shí)，要經(jīng)過放大區(qū)ic區(qū)和放大區(qū)飽ib3ib2ib1ib1ib2cexces cer ceo電壓要比 buceo 低得多2) 集電極最大允許電流i cm通常規(guī)定

10、為 hfe下降到規(guī)定值的 1/21/3 時(shí)所對應(yīng)的i c實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到i cm的一半或稍多一點(diǎn)3) 集電極最大耗散功率 pcm最高工作溫度下允許的耗散功率產(chǎn)品說明書中給 pcm時(shí)同時(shí)給出殼溫 tc，間接表示了最高工作溫度gtr的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，i c 迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿只要 i c 不超過限度， gtr一般不會損壞，工作特性也不變二次擊穿一次擊穿發(fā)生時(shí)i c 增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變安全工作區(qū)（ safe operating area soa）最高電壓u

11、cem、集電極最大電流 i cm、最大耗散功率pcm、二次擊穿臨界線限定i cicmpsbsoapcmoucemuce圖 1-18gtr 的安全工作區(qū)4.4 電力場效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型 （類似小功率field effect transistor fet）但通常主要指 絕緣柵型 中的 mos型（metal oxide semiconductor fet）簡稱電力 mosfet（power mosfet）結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（static inductiontransistor sit）特點(diǎn) 用柵極電壓來控制漏極電流驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小開關(guān)速度快，工作頻率

12、高熱穩(wěn)定性優(yōu)于 gtr電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kw的電力電子裝置電力 mosfet的結(jié)構(gòu)和工作原理電力 mosfet的種類按導(dǎo)電溝道可分為p 溝道 和 n溝道耗盡型 當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道增強(qiáng)型 對于 n（p）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道電力 mosfet主要是 n溝道增強(qiáng)型 電力 mosfet的結(jié)構(gòu)sddgn + p n +n+p n+n -gg溝道n +ssdn 溝道p溝道a)b)圖 1- 19圖 1-19電力 mosfet 的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管導(dǎo)電機(jī)理與小功率 mos管相

13、同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別電力 mosfet的多元集成結(jié)構(gòu)國際整流器公司（ international rectifier）的hexfet采用了六邊形單元西門子公司（ siemens）的 sipmosfet采用了正方形單元摩托羅拉公司（ motorola ）的 tmos采用了矩形單元按“品”字形排列小功率 mos管是橫向?qū)щ娖骷娏?mosfet大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為vmosfet（verticalmosfet）大大提高了mosfet器件的耐壓和耐電流能力按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，又分為利用v 型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的vvmosfet和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的vdmosfet（vertical dou

14、ble-diffusedmosfet）這里主要以 vdmos器件為例進(jìn)行討論電力 mosfet的工作原理截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零p 基區(qū)與 n漂移區(qū)之間形成的pn結(jié) j1 反偏，漏源極之間無電流流過導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓 ugs柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面p區(qū)中的空穴推開，而將 p 區(qū)中的少子電子吸引到柵極下面的 p 區(qū)表面當(dāng) ugs大于 ut（開啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下p 區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度， 使 p 型半導(dǎo)體反型成 n 型而成為 反型層，該反型層形成 n 溝道而使 pn結(jié) j1 消失，漏極和源極導(dǎo)電4.4.2電力 mosf

15、et的基本特性1) 靜態(tài)特性5 050非飽u gs =8 v4 040和a區(qū)3 0a30飽和區(qū)u gs =7 v/di/di2 020u gs =6 v1 010u gs =5 vu gs =4 v02 u t46801 0 20 3 0 4 0 5 0u g s/ v截 止區(qū)u gs =u t =3 va)u d s/ vb)a)轉(zhuǎn)移特性圖 1- 20b)輸出特性圖 1-20電力 mosfet的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性漏極電流 i d 和柵源間電壓 ugs的關(guān)系稱為 mosfet的轉(zhuǎn)移特性i d較大時(shí)， i d 與 ugs的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo) gfsmosfet的漏極伏安特性（輸出

16、特性） ：截止區(qū)（對應(yīng)于gtr的截止區(qū)）飽和區(qū)（對應(yīng)于gtr的放大區(qū)）非飽和區(qū)（對應(yīng)于gtr的飽和區(qū)）電力 mosfet工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換電力 mosfet漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通電力 mosfet的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時(shí)的均流有利2) 動態(tài)特性+ueuprlotiduu gsgsprsutugs rotrg信號idupfido td(on)trtd(off )tfta）b)圖 1-21電力 mosfet 的開關(guān)過程a) 測試電路b) 開關(guān)過程波形圖1- 21u p脈沖信號源， rs信號源內(nèi)阻， rg柵極電阻， rl 負(fù)載

17、電阻， rf 檢測漏極電流開通過程（開關(guān)過程圖）開通延遲時(shí)間 tu前沿時(shí)刻到 uu并開始出現(xiàn) i的時(shí)刻間的時(shí)d(on)p=dgs t間段上升時(shí)間 t r ugs從 ut 上升到 mosfet進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓ugsp的時(shí)間段i d穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓 ue 和漏極負(fù)載電阻決定ugsp的大小和 i d 的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)ugs達(dá)到 ugsp后，在 up 作用下繼續(xù)升高直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但i d 已不變開通時(shí)間 t on開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和關(guān)斷過程（開關(guān)過程圖）關(guān)斷延遲時(shí)間t d(off)up 下降到零起， cin 通過 rs 和 rg放電， ugs按指數(shù)曲線下降到ugsp時(shí)， i d 開始減小止的時(shí)

18、間段下降時(shí)間 t f ugs從 ugsp繼續(xù)下降起， i d減小，到 ugs20v將導(dǎo)致絕緣層擊穿4)極間電容極間電容c、c 和 c廠家提供：漏源極短路時(shí)的輸gsgdds入電容 c、共源極輸出電容c和反向轉(zhuǎn)移電容 cc=c+cissossrssissgdgs（ 1-14 ）crss =c gd（ 1-15 ）c=c+c（1-16）ossgdds輸入電容可近似用ciss 代替這些電容都是非線性的漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力 mosfet的安全工作區(qū)i d10us1ms10msdc0v dsmosfet正向偏置安全工作區(qū) ( 圖中的時(shí)間表示脈沖寬度)一般來說，電力 mos

19、fet不存在二次擊穿問題，這是它的一大優(yōu)點(diǎn)實(shí)際使用中仍應(yīng)注意留適當(dāng)?shù)脑Ａ?.5 絕緣柵雙極晶體管gtr和 gto的特點(diǎn) 雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū) 動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。mosfet的優(yōu)點(diǎn) 單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單兩類器件取長補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件bi-mos 器件絕緣柵雙極晶體管（ insulated-gate bipolar transistor igbt 或 igt）gtr和 mosfet復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有好的特性1986 年投入市場后，取代了 gtr和一部分 mosfet的市

20、場 , 中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代gto的地位c發(fā) 射 極柵極+i cegi dr nvj1cn +n +n +n +-p-+j3p+j2n -漂 移 區(qū)rgn +緩 沖 區(qū)gij1- do np+注 入 區(qū)c集 電 極ea)b)c)igbt 的結(jié)構(gòu)和工作原理igbt 是三端器件：柵極g、集電極c 和發(fā)射極e?圖 1-22igbt 的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b) 簡化等效電路c) 電氣圖形符號igbt的結(jié)構(gòu)（顯示圖）圖 1-22a n 溝道 vdmosfet與 gtr組合 n溝道 igbt（n-igbt）igbt比 vdmo

21、sfet多一層 p+注入?yún)^(qū)，形成了一個(gè)大面積的p+n 結(jié) j1使 igbt導(dǎo)通時(shí)由 p+注入?yún)^(qū)向 n基區(qū)發(fā)射少子，從而對漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制， 使得 igbt具有很強(qiáng)的通流能力簡化等效電路表明， igbt是 gtr與 mosfet組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由 mosfet 驅(qū)動的厚基區(qū) pnp晶體管rn 為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻igbt 的原理驅(qū)動原理與電力mosfet基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uge決定導(dǎo)通：uge大于開啟電壓 uge(th) 時(shí)，mosfet內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流， igbt導(dǎo)通導(dǎo)通壓降 ：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻rn 減小，使通態(tài)壓降小關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不

22、加信號時(shí)，mosfet內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極i ci c有源 區(qū)飽和區(qū)u ge增 加u g e(t h)ur m 反向阻斷 區(qū)正向 阻 斷區(qū)ou ge( th )u geoufmuc ea)b)電流被切斷， igbt 關(guān)斷 igbt 的基本特性1)igbt 的靜態(tài)特性 圖 1-23igbt 的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性b) 輸出特性 轉(zhuǎn)移特性 i c 與 uge間的關(guān)系，與 mosfet轉(zhuǎn)移特性類似開啟電壓 uge(th) igbt能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓uge(th) 隨溫度升高而略有下降，在+25c 時(shí)， uge(th) 的值一般為 26v輸出特性 （伏安特性）以ug

23、e為參考變量時(shí)， i c 與 uce間的關(guān)系分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與 gtr的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應(yīng)u geu gem90%u gem10%u gem0i cmt90%i ci cmt d(on)t rtd(off)t fi cmt fi1tfi210%0tontofftu ceu cemt fv1t fv2u ce(on)otuce0 時(shí)，igbt為反向阻斷工作狀態(tài)2) igbt的動態(tài)特性 圖 1-24igbt 的開關(guān)過程igbt的開通過程 （開關(guān)過程圖） 與 mosfet的相似，因?yàn)殚_通過程中 igbt 在大部分時(shí)間作為 mosfet運(yùn)行開通延遲時(shí)間 t d(

24、on) 從 uge上升至其幅值 10%的時(shí)刻，到 i c上升至 10%i cm2 電流上升時(shí)間 t r i c 從 10%i cm上升至 90%icm所需時(shí)間開通時(shí)間 t on開通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和uce的下降過程分為t fv1 和 t fv2 兩段。 t fv1 igbt 中 mosfet單獨(dú)工作的電壓下降過程； t fv2 mosfet和 pnp晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程igbt的關(guān)斷過程（開關(guān)過程圖）關(guān)斷延遲時(shí)間 t d(off)從 uge后沿下降到其幅值90%的時(shí)刻起，到 i c 下降至 90%i cm電流下降時(shí)間 t f i c 從 90%i cm下降至 10%i cm關(guān)斷時(shí)間 t off 關(guān)斷延遲時(shí)間與電流下降之和電流下降時(shí)間又可分為t fi1和 t fi2兩段。t fi1 igbt 內(nèi)部的 mosfet的關(guān)斷過程， i c下降較快；t fi2 igbt 內(nèi)部的 pnp晶體管的關(guān)斷過程， i c下降較慢 igbt中雙極型 pnp晶體管的存在， 雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲存現(xiàn)象， 因而 igbt 的開關(guān)速度低于電力 mo