電力電子技術(shù)基礎(chǔ)器件

電力電子技術(shù)基礎(chǔ)器件第一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一第二部分電力電子器件6SouthChinaUniversityofTechnology第二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)基礎(chǔ)第二部分電力電子器件——全控型器件門極可關(guān)斷晶閘管——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、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管第三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一1.3可關(guān)斷晶閘管（GTO）第四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——GTO的特點(diǎn)電力電子技術(shù)基礎(chǔ)門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）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)用第五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理電力電子技術(shù)基礎(chǔ)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GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起第六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理電力電子技術(shù)基礎(chǔ)與普通晶閘管一樣，可以用右圖所示的雙晶體管模型來分析1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。當(dāng)1+2>1時(shí)，兩個(gè)等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)1+2<1時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)第七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——GTO與普通晶閘管的區(qū)別電力電子技術(shù)基礎(chǔ)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V2控制靈敏，易于

GTO關(guān)斷（2）導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1（1.05，普通晶閘管1+21.15）導(dǎo)通時(shí)飽和不深，接近臨界飽和，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第八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——GTO與普通晶閘管的區(qū)別電力電子技術(shù)基礎(chǔ)

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IG減小，使IK和Ic2減小，Ic2的減小又使IA和Ic1減小，又進(jìn)一步減小V2的基極電流當(dāng)IA和IK的減小使1+2<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)RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2

IK=IA+IG

IA=Ic1+Ic2

Ic1=1IA+ICBO1Ic2=2IK+ICBO2第九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——GTO的動(dòng)態(tài)特性電力電子技術(shù)基礎(chǔ)開通過程：與普通晶閘管類似，需經(jīng)過延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr

第十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——GTO的動(dòng)態(tài)特性電力電子技術(shù)基礎(chǔ)關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲存的大量載流子——儲存時(shí)間ts，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tf殘存載流子復(fù)合——尾部時(shí)間tt通常tf比ts小得多，而tt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，ts越短門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍保持適當(dāng)負(fù)電壓，則可縮短尾部時(shí)間第十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——GTO的主要參數(shù)電力電子技術(shù)基礎(chǔ)許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，

1)開通時(shí)間ton

延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約1~2s，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toff

一般指儲存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。GTO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2s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)第十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——GTO的主要參數(shù)電力電子技術(shù)基礎(chǔ)3)

最大可關(guān)斷陽極電流IATOGTO額定電流4)

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

off一般很小，只有5左右，這是GTO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

第十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一1.4電力晶體管（GTR）第十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第一部分緒論——GTR電力電子技術(shù)基礎(chǔ)術(shù)語用法：電力晶體管（GiantTransistor——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（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時(shí)候也稱為PowerBJT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取代第十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理電力電子技術(shù)基礎(chǔ)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、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)而成第十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理電力電子技術(shù)基礎(chǔ)一般采用共發(fā)射極接法

——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臺面結(jié)構(gòu)面積大→I大，但β??；第十七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理電力電子技術(shù)基礎(chǔ)

當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為

ic=ib+Iceo

忽略漏電流Iceo時(shí)

=

ΔIc/ΔIb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

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第十八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理電力電子技術(shù)基礎(chǔ)GTR（達(dá)林頓）模塊：多級復(fù)合、單橋臂、橋…復(fù)合（達(dá)林頓）管：第十九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——GTR的靜態(tài)特性電力電子技術(shù)基礎(chǔ)靜態(tài)特性：準(zhǔn)飽和區(qū)深飽和區(qū)截止區(qū)二次擊穿區(qū)二次擊穿臨界曲線放大區(qū)第二十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——一次擊穿與二次擊穿電力電子技術(shù)基礎(chǔ)一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿只要Ic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)Ic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

第二十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——安全工作區(qū)電力電子技術(shù)基礎(chǔ)

安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定第二十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——GTR的動(dòng)態(tài)特性電力電子技術(shù)基礎(chǔ)ts—存儲時(shí)間tf—下降時(shí)間ton—開通時(shí)間（ns級）td—延遲時(shí)間tr—上升時(shí)間toff—關(guān)斷時(shí)間（μs級）第二十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——GTR的其它參數(shù)電力電子技術(shù)基礎(chǔ)

集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為直流電流增益hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時(shí)所對應(yīng)的Ic實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)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第二十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——GTR的限制電力電子技術(shù)基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)電流大二次擊穿開關(guān)速度低第二十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一1.5電力場效應(yīng)晶體管第二十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——FET的分類電力電子技術(shù)基礎(chǔ)★因工藝和結(jié)構(gòu)差異名稱不同。如：

MotorolaTMOSNECVDMOSSiemensSiPMOS結(jié)型(JFET)MOS型增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道PowerMOSFET第二十七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——FET的分類電力電子技術(shù)基礎(chǔ)小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷娏OSFET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MOS

結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論第二十八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——MOSFET的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電力電子技術(shù)基礎(chǔ)★胞元并聯(lián)結(jié)RDS小，可達(dá)mΩ?！锎怪睂?dǎo)電VD，面積大，電流大；★溝道短D-S間U、R、

C均小；第二十九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——MOSFET的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電力電子技術(shù)基礎(chǔ)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（InternationalRectifier）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”字形排列第三十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——MOSFET的靜態(tài)特性電力電子技術(shù)基礎(chǔ)★安全工作區(qū)SOA跨導(dǎo)開啟電壓★轉(zhuǎn)移特性SOA—SafeOperationAreaID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs第三十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——MOSFET的輸出特性電力電子技術(shù)基礎(chǔ)飽和區(qū)

調(diào)阻區(qū)雪崩擊穿區(qū)★輸出特性截止區(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)）第三十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——MOSFET的動(dòng)態(tài)特性電力電子技術(shù)基礎(chǔ)t1—開通延時(shí)t2—上升時(shí)間t3—關(guān)斷延時(shí)t4—下降時(shí)間ts—開通時(shí)間（ns級）tc—關(guān)斷時(shí)間（ns級）Rs、Cin決定開關(guān)速度第三十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——MOSFET的開關(guān)速度電力電子技術(shù)基礎(chǔ)

MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系使用者無法降低Cin，但可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速開關(guān)時(shí)間在10~100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的場控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。第三十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期一電力電子技術(shù)第二部分電力電子器件——MOSFET的參數(shù)電力電子技術(shù)基礎(chǔ)跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有1)

漏極電壓UDS

電力MOSFET電壓定額2)

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM

電力

MOSFET電流定額3)柵源電壓UGS