電力電子技術(shù)08課件

第7章全控型電力電子器件80年代以來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了一代高頻化、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。門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙極型晶體管就是全控型電力電子器件的典型代表?！?.1門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor——GTO）是也晶閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。GTO的關(guān)斷機(jī)理：在SCR的雙晶體管等效模型中，利用門極負(fù)電流分流IC1，并快速抽取V2管發(fā)射結(jié)兩側(cè)存儲的大量載流子，以實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷。在工藝結(jié)構(gòu)上比SCR有兩點(diǎn)改進(jìn)：等效晶體管的電流放大倍數(shù)減小，經(jīng)正反饋導(dǎo)通后接近臨界飽和狀態(tài)，有利于減小關(guān)斷時(shí)間和提高開關(guān)頻率。采用多GTO單元并聯(lián)集成結(jié)構(gòu)，門極和陰極間隔排列，使P2基區(qū)載流子均勻快速地從門極抽出，也不易造成局部過熱，di/dt耐量增大。

GTO的動態(tài)特性開通過程:需要經(jīng)過延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr。開通時(shí)iG為正脈沖，觸發(fā)導(dǎo)通后門極電流可以撤除。關(guān)斷過程:從iG的負(fù)脈沖開始分為三段，需要經(jīng)歷抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲存的大量載流子的時(shí)間——儲存時(shí)間ts，從而使等效晶體管退出飽和狀態(tài)；然后則是等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小時(shí)間——下降時(shí)間tf；最后還有殘存載流子復(fù)合所需時(shí)間——尾部時(shí)間tt。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長，即tf<ts<tt。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，ts就越短。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，則可以縮短尾部時(shí)間。

圖7-2GTO的開通和關(guān)斷過程及電流波形GTO的主要參數(shù)最大可關(guān)斷陽極電流IATO即額定電流。而普通晶閘管用通態(tài)平均電流來標(biāo)稱其額定電流。電流關(guān)斷增益off最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益，即off=IATO/IGM。off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。比如，一個(gè)1000A的GTO，關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流的峰值要200A，這是一個(gè)相當(dāng)大的數(shù)值。開通時(shí)間ton一般較短，約數(shù)s關(guān)斷時(shí)間toff關(guān)斷時(shí)間一般比開通時(shí)間ton長許多。§7.2電力晶體管（GiantTransistor—GTR）GTR是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT）。電流驅(qū)動型全控器件。GTR的結(jié)構(gòu)：GTR通常采用多單元并聯(lián)集成工藝的達(dá)林頓（Darlington）復(fù)合結(jié)構(gòu)，電流放大系數(shù)值較高。單管GTR的值較小，通常為10左右，采用達(dá)林頓復(fù)合接法可以有效地增大電流增益。比如兩級復(fù)合的達(dá)林頓管，=1·2。達(dá)林頓復(fù)合使飽和導(dǎo)通壓降增加。二重復(fù)合GTR的導(dǎo)通壓降為：單管臨界飽和壓降約為0.7~1V，則二重復(fù)合GTR的UCES大致為1.4~2V。三重復(fù)合時(shí)可達(dá)2~3V。導(dǎo)通壓降的升高會使GTR的通態(tài)損耗大為增加。

BCEV1V212圖7-3兩級復(fù)合達(dá)林頓GTR及電氣符號GTR模塊：為了改善GTR的性能，方便使用和提高可靠性，將多級復(fù)合達(dá)林頓GTR與必要的外圍電阻和二極管集成在一起，構(gòu)成電力晶體管模塊（GTRModule），集成管芯與管殼散熱板之間充滿導(dǎo)熱硅膠，但與外殼絕緣。BCEV1V2R1R2VD2VD1圖7-4GTR模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)GTR的基本特性及控制方式

靜態(tài)輸出特性與普通三極管一樣分為三個(gè)區(qū)。在導(dǎo)通期間基極電流保持正脈沖Ib1直至關(guān)斷，

關(guān)斷GTR時(shí)基極作用以短暫的負(fù)脈沖Ib2，然后恢復(fù)到零，維持阻斷。流控器件，基極驅(qū)動電流比GTO小。E為公共端。通常驅(qū)動使其臨界飽和，以提高關(guān)斷速度，但導(dǎo)通壓降增大。開關(guān)速度比GTO快，但電壓電流容量比GTO小。主要參數(shù)最高工作電壓

GTR的擊穿電壓不僅和晶體管本身的特性有關(guān)，還與外電路的接法有關(guān)。5種擊穿電壓之間的關(guān)系為：BUcbo>

BUcex>

BUces>

BUcer>

BUceo。其中BUces

和BUcex為b-e間短路和反向偏置時(shí)c-e間的擊穿電壓。集電極最大允許電流IcM

通常規(guī)定值下降到規(guī)定值的1/2~1/3時(shí)，所對應(yīng)的Ic為集電極最大允許電流。實(shí)用時(shí)要留有一半左右的裕量。GTR的耐電流沖擊能力遠(yuǎn)不如SCR和GTO。集電極最大耗散功率PcM

指在最高工作溫度下允許的耗散功率。所允許功耗與散熱條件有關(guān)。

GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)二次擊穿現(xiàn)象當(dāng)GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，集電極電流迅速增大，這種首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿。出現(xiàn)一次擊穿后，只要Ic不超過與最大允許耗散功率相對應(yīng)的限度，GTR一般不會損壞。但是實(shí)際應(yīng)用中常常發(fā)現(xiàn)一次擊穿發(fā)生時(shí)如不有效地限制電流，Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會突然急劇上升，同時(shí)伴隨著電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。二次擊穿常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞。內(nèi)部出現(xiàn)電流集中點(diǎn)，引起局部過熱，使GTR徹底損壞，管殼卻覺不到熱。對GTR危害極大。安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn)連接起來，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線，臨界線上的點(diǎn)反映了二次擊穿功率PSB?！?.3電力場效應(yīng)晶體管（PowerMOSFET）電力場效應(yīng)管有這兩種類型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）。至于結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管則一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）。工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：電力MOSFET屬于單極型器件，只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電。采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，故又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET）。這大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力（小功率MOS管的導(dǎo)電溝道平行于芯片表面，是橫向?qū)щ娖骷?。按垂直?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（VerticalV-grooveMOSFET）和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。電力MOSFET也是多單元并聯(lián)集成結(jié)構(gòu)。控制方式：以G-S間施加電壓的高低來控制D-S間主電流的通斷。源極S為公共端。門極幾乎不取用電流，屬壓控器件。uGS正電壓超過開啟電壓時(shí)導(dǎo)通，負(fù)電壓作用可使其快速關(guān)斷。不用時(shí)G-S間短接，以防靜電擊穿?！?.4絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：復(fù)合型器件，將GTR雙極型電流驅(qū)動器件和電力MOSFET單極型電壓驅(qū)動器件結(jié)合，相互取長補(bǔ)短，構(gòu)成絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT）。綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。目前已取代了原來GTR和一部分電力MOSFET的市場?？刂品绞剑篒GBT的驅(qū)動與VMOSFET類似，也是一種壓控器件。其C-E間主電流的通斷是由柵極和射極間的電壓uGE的高低決定的。E極為公共端。 當(dāng)uGE為正且大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP型GTR提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，GTR的基極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷。IGBT的特點(diǎn)：開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。開關(guān)頻率略低于MOSFET；電壓電流容量大，高于GTR；驅(qū)動電流小，驅(qū)動電路簡單。§7.5其它新型電力電子器件MOS控制晶閘管(MCT)MCT（MOSControlledThyristor）是將MOSFET與晶閘管組合而成的復(fù)合型器件。MCT將MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動功率、快速的開關(guān)過程和晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降的特點(diǎn)結(jié)合起來。MCT具有高電壓、大電流、高載流密度、低通態(tài)壓降的特點(diǎn)。MCT曾一度被認(rèn)為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器件。因此，20世紀(jì)80年代以來一度成為研究的熱點(diǎn)。但經(jīng)過十多年的努力，其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。而其競爭對手IGBT卻進(jìn)展飛速。

靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）SITH（StaticInductionThyristor）又被稱為場控晶閘管（FieldControlledThyristor——FCT）。由于比SIT多了一個(gè)具有少子注入功能的PN結(jié)，因而SITH是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)。其很多特性與GTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。屬正常導(dǎo)通型，其制造工藝比GTO復(fù)雜得多，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。集成門極換流晶閘管（IGCT）

IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）將IGBT與GTO的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，其容量與GTO相當(dāng)，但開關(guān)速度比GTO快10倍，而且可以省去GTO應(yīng)用時(shí)龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過其所需的驅(qū)動功率仍然很大。目前，IGCT正在與IGBT以及其它新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的位置。功率模塊與功率集成電