第2章 2器件——全控型器件

1、全控型器件全控型器件Full-controlled Devices主講：伍文俊主講：伍文俊 自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系-電力電子技術(shù)- 目錄目錄門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管電力晶體管電力晶體管電力電力MOSFETMOSFET絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管其他全控型器件其他全控型器件2自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系-電力電子技術(shù)-32.2 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管GTO(Gate-Turned-Off Thyristor)一、結(jié)構(gòu)與工作原理一、結(jié)構(gòu)與工作原理1 1、結(jié)構(gòu)：、結(jié)構(gòu)：多元集成元件，放射門極結(jié)構(gòu)。它可以等效成多個(gè)小GTO元的集成(并

2、聯(lián))-可實(shí)現(xiàn)門極控制關(guān)斷。對(duì)比晶閘管：中央門極結(jié)構(gòu)自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系-電力電子技術(shù)-42 2、工作原理、工作原理與普通晶閘管相同，可采用雙晶體管模型分析。開(kāi)關(guān)速度高于普通晶閘管，di/dt承受能力大于晶閘管。3 3、電氣符號(hào)、電氣符號(hào)RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b) 晶閘管？自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系-電力電子技術(shù)-5二、工作特性二、工作特性1 1、特點(diǎn)、特點(diǎn)1 1）門極可以控制開(kāi)通，也可以控制關(guān)斷；-全控型 流控型器件 脈沖控制型2）開(kāi)通條件：正向陽(yáng)極電壓，正向門極電壓；

3、關(guān)斷條件：門極加負(fù)脈沖（不能通過(guò)門極電流為零關(guān)斷）3）開(kāi)關(guān)速度及di/dt承受能力高于晶閘管4）單向?qū)щ娦浴?、靜態(tài)特性、靜態(tài)特性伏安特性同晶閘管自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系-電力電子技術(shù)-63、動(dòng)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性1 1）開(kāi)通過(guò)程：）開(kāi)通過(guò)程：開(kāi)通時(shí)間： ton=td+trSCR:t:t同上升時(shí)間延遲時(shí)間rdOt0tiGiAIA90% IA10% IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子的時(shí)間的大量載流子的時(shí)間等效晶體管從飽和區(qū)等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小時(shí)間流逐漸減小時(shí)間 殘存

4、載流殘存載流子復(fù)合所子復(fù)合所需時(shí)間需時(shí)間 自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系-電力電子技術(shù)-72 2）關(guān)斷過(guò)程：）關(guān)斷過(guò)程： 關(guān)斷時(shí)間: toff=ts+tf+tt 存儲(chǔ)時(shí)間ts :IA0.9IA 下降時(shí)間tf: 0.9IA0.1IA 拖尾時(shí)間tt:遠(yuǎn)大ts 門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡。抽走存儲(chǔ)載流子的速度越快，ts越小。若使門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍能保持適當(dāng)?shù)呢?fù)電壓，則tt越小。三三、可關(guān)斷晶閘管的主要參數(shù)、可關(guān)斷晶閘管的主要參數(shù)1、開(kāi)通時(shí)間、開(kāi)通時(shí)間ton2、關(guān)斷時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間toff自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系-電力電子技術(shù)-83、最

5、大可關(guān)斷陽(yáng)極電流、最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO GTO通過(guò)負(fù)脈沖能夠關(guān)斷的最大陽(yáng)極電流。它是GTO的額定電流。4、電流關(guān)斷增益、電流關(guān)斷增益off最大可關(guān)斷電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。一般很小，510。若1000A的GTO，門極負(fù)脈沖為200100A，很大，這是GTO的缺點(diǎn)。Back自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系-電力電子技術(shù)-91 1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)普通晶體管結(jié)構(gòu)GTR結(jié)構(gòu)符號(hào)2.3 2.3 電力晶體管電力晶體管GTRGTR(Giant TransistorPower BJT)(Giant TransistorPower BJT)一、結(jié)構(gòu)與工作原理一、結(jié)構(gòu)與工作原理由至

6、少兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成，同GTO一樣采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。2 2、工作原理、工作原理 同普通的雙極結(jié)型晶體管3 3、電氣符號(hào)、電氣符號(hào)Bipolar junction transistor自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系-電力電子技術(shù)-10二、工作特性二、工作特性2、靜態(tài)特性、靜態(tài)特性3）開(kāi)關(guān)頻率較高、動(dòng)態(tài)性能好、承受功耗小、控制方便。阻斷能力差、瞬態(tài)過(guò)電壓及過(guò)載能力差。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)圖1-16OIcib3ib2ib1ib1ib2uT. 關(guān)斷條件：關(guān)斷條件：( (漏源極電壓為正)，柵源極電壓小于開(kāi)啟電壓。即uGSuT.漏源極加反壓，就為二極管特性。二

7、、工作特性二、工作特性1）柵極可以控制開(kāi)通，也可以控制關(guān)斷；-全控型 電壓控制型器件 電平控制型2）導(dǎo)通條件：正向漏源電壓，正向柵源電壓； 關(guān)斷條件： 柵源電壓小于開(kāi)啟電壓。3、電氣符號(hào)、電氣符號(hào)1、特點(diǎn)、特點(diǎn)3)驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度高，安全工作區(qū)寬。閥值電壓自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系-電力電子技術(shù)-17 反映漏源電壓與漏極電流之間的關(guān)系。截止區(qū)，飽和區(qū)，非飽和區(qū) 伏安特性伏安特性(輸出特性）輸出特性）2 2、工作特性、工作特性 1 1）靜態(tài)特性）靜態(tài)特性表示柵源電壓與漏極電流ID之間的關(guān)系2)2)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓uT:自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系自動(dòng)化與信

8、工程學(xué)院電氣系-電力電子技術(shù)-183)3)動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 為多數(shù)載流子器件，沒(méi)有存儲(chǔ)效應(yīng)，開(kāi)關(guān)時(shí)間短為20ns左右。開(kāi)通時(shí)間： ton=td（on）+tri+tfv關(guān)斷時(shí)間： toff=td(off)+trv+tfi uGSP：非飽和柵壓。RsRGRFRLiDuGSupiD+UE密勒平臺(tái)密勒平臺(tái)開(kāi)通延遲電流上升電壓下降關(guān)斷延遲電壓上升電流下降自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系-電力電子技術(shù)-19三、主要參數(shù)三、主要參數(shù)1、漏極電壓 UDS2、電流定額 ID3、柵源電壓 UGS 柵源之間很薄，一般電壓絕對(duì)值小于20V。4、安全工作區(qū) 漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決

9、定了電力MOSFET的安全工作區(qū)。Back自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系-電力電子技術(shù)-20 1 1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu) 2.5 2.5 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor)(Insulated-Gate Bipolar Transistor)一、結(jié)構(gòu)與工作原理一、結(jié)構(gòu)與工作原理 IGBT為三端四層器件。由MOSFET和雙極性晶體管組合而成。即在MOSFET的N+層上再加一層P型區(qū)。分N溝道IGBT，記為N-IGBT；和P溝道IGBT，記為P-IGBT。自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系-

10、電力電子技術(shù)-212、工作原理、工作原理 導(dǎo)通條件導(dǎo)通條件：集射電壓大于零，柵射電壓大于開(kāi)啟電壓uth； 關(guān)斷條件：關(guān)斷條件：柵射電壓小于開(kāi)啟電壓。3、電氣符號(hào)、電氣符號(hào)RN為晶體管基為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系-電力電子技術(shù)-22 2 2、靜態(tài)特性、靜態(tài)特性二、工作特性二、工作特性1 、特點(diǎn)、特點(diǎn)1）柵極可以控制開(kāi)通，也可以控制關(guān)斷；-全控型 電壓控制型器件 電平控制型2）開(kāi)通條件：正向集射極電壓，正向柵射極電壓； 關(guān)斷條件：柵射極電壓小于開(kāi)啟電壓。3)驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度高于晶閘管、GTO器件，低于MOSFET器件。無(wú)二次擊穿，安全

11、工作區(qū)寬 轉(zhuǎn)移特性：反映集電極電流Ic與柵射極電壓之間的關(guān)系。自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系-電力電子技術(shù)-23 伏安特性：反映集電極電流Ic與集射極電壓之間的關(guān)系。 有正向阻斷區(qū)，飽和區(qū)，有源區(qū)，反向阻斷區(qū)3 3、動(dòng)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性 1）開(kāi)通過(guò)程 開(kāi)通時(shí)間：ton=td+tri+tfv 延遲時(shí)間td:00.1Ic； 上升時(shí)間tri: 0.10.9Ic IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程圖與MOSFET差別開(kāi)通延遲電流上升電壓下降自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系-電力電子技術(shù)-24IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程圖開(kāi)通時(shí)UCE下降時(shí)間分為兩部分，tfv1和tfv2： tfv1:IGBT中MOS

12、FET單獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程; tfv2：MOSFET和PNP同時(shí)工作的電壓下降過(guò)程，tfv2結(jié)束后IGBT才完全進(jìn)入飽和區(qū)。2）關(guān)斷過(guò)程）關(guān)斷過(guò)程： 關(guān)斷時(shí)間：toff=ts+tf=td(off)+trv+tfi1+tfi2; 關(guān)斷延遲（存儲(chǔ)時(shí)間）td(off):0.9UGEM0.9UcE; 下降時(shí)間:0.9Ic0.1Ic; tfi=tfi1+tfi2; tfi1:IGBT內(nèi)MOSFET關(guān)斷過(guò)程。 tfi2:IGBT內(nèi)PNP的關(guān)斷過(guò)程。 顯然，PNP的存在帶來(lái)了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，使IGBT開(kāi)關(guān)速度慢于MOSFET。關(guān)斷延遲電壓上升電流下降自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系自動(dòng)化

13、與信工程學(xué)院電氣系-電力電子技術(shù)-254 4、IGBTIGBT的安全工作區(qū)的安全工作區(qū) 正向偏置安全工作區(qū)（正向偏置安全工作區(qū)（Forward Biased SafeForward Biased Safe Operating AreaFBSOA Operating AreaFBSOA） 根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。電極功耗確定。 反向偏置安全工作區(qū)（反向偏置安全工作區(qū)（Reverse Biased Safe Reverse Biased Safe Operating AreaRBSOA Operating AreaRBS

14、OA） 根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率許電壓上升率d dU UCECE/dt/dt。 自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系-電力電子技術(shù)-265 5、擎住效應(yīng)、擎住效應(yīng) NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)J3J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3J3開(kāi)通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控。引發(fā)擎柱效應(yīng)的原因： 集電極電流過(guò)大（靜態(tài)擎住效應(yīng)）； duCE/dt過(guò)大（動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)）。自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系-電力電子技術(shù)-27三、

15、主要參數(shù)三、主要參數(shù)1、最大集射極電壓 UCE2、最大集電極電流 IC4、柵射電壓 UGE 柵源之間很薄，一般電壓絕對(duì)值小于20V。3、最大集電極耗散功率 PCMBack自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系自動(dòng)化與信工程學(xué)院電氣系-電力電子技術(shù)-28電力電子器件的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)電力電子器件的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 2020世紀(jì)世紀(jì)9090年代中期以來(lái)，逐漸形成了小功率（年代中期以來(lái)，逐漸形成了小功率（10kW10kW以以下）場(chǎng)合以電力下）場(chǎng)合以電力MOSFETMOSFET為主，中、大功率場(chǎng)合以為主，中、大功率場(chǎng)合以IGBTIGBT為為主的壓倒性局面，在主的壓倒性局面，在10MVA10MVA以上或者數(shù)千伏以上的應(yīng)用以上或者數(shù)千伏以上的應(yīng)用場(chǎng)合，如果不需要自關(guān)斷能力，那么晶閘管仍然是目前場(chǎng)合，如果不需要自關(guān)斷能力，那么晶閘管仍然是目前的首選器件的首選器件 。 電力電力MOSFETMOSFET和和IGBTIGBT中的技術(shù)創(chuàng)新仍然在繼續(xù)，中的技術(shù)創(chuàng)新仍然在繼續(xù)，IGBTIGBT還在還在不斷奪取傳統(tǒng)上屬于晶閘管的應(yīng)用領(lǐng)域不斷奪取傳統(tǒng)上屬于晶閘管的應(yīng)用領(lǐng)域 。寬禁帶半導(dǎo)體材料由于其各方面