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文檔簡介
1、第四章 電力晶體管,4.1 GTR結(jié)構(gòu),雙極型大功率、高反壓晶體管GTR (巨型晶體管) Giant Transistor 三層半導體材料,兩個PN結(jié)(NPN型、PNP型)。,一、工藝特點 三重擴散;叉指型基極和發(fā)射極; 特點:發(fā)射區(qū)高濃度摻雜 基區(qū)很?。◣譽m幾十um),N-摻雜濃度低,提高耐壓能力,N+集電區(qū)收集電子,使用時要求:發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏。,二、GTR與普通晶體管區(qū)別,1.普通晶體管:信號晶體管,用于放大信號; 要求增益適當,fT高,噪聲系數(shù)低,線性度好,溫度漂移 和時間漂移小。工作于放大區(qū),以載流子運動為出發(fā)點, 分析載流子擴散、漂移、復合現(xiàn)象。電流控制特性為線性 關(guān)系。
2、2.GTR:用于功率開關(guān); 要求容量足夠大,高電壓,大電流,適當增益,較高工作 速度,較低功率損耗。 3.大電流工作下,普通晶體管出現(xiàn)的新特點: 基區(qū)大注入效應:引起電流增益下降。 基區(qū)擴展效應:使基區(qū)注入效率降低,增益下降,fT減小。 發(fā)射極電流集邊效應:引起電流局部集中,產(chǎn)生局部過熱。 因此,GTR在結(jié)構(gòu)上應采取適當措施,減小上述效應。,三、單管GTR,采用三重擴散,臺面型結(jié)構(gòu);可靠性高,對二次擊穿特性有改善,易于提高耐壓,易于耗散體內(nèi)熱量。 增加N-漂移區(qū),由它的電阻率和厚度決定器件阻斷能力,但阻斷能力提高,使飽和導通電阻增大,電流增益降低。 一般: 約1020 工作狀態(tài):開關(guān)狀態(tài)(導通
3、、截止;開通、關(guān)斷),飽和壓降低,漏電流小,時間短,四、達林頓GTR,為提高電流增益,由兩個或兩個以上晶體管復合組成。,NPN型,PNP型,特點: 電流增益增大: 1 2 ,達幾十倍幾千倍; 飽和壓降VCES增大:VCES VCES1+VBES2 V2管無法飽和導通,VCE2=VCES1 ,反偏狀態(tài);導通損耗增大。 開關(guān)速度慢:開通時,V1驅(qū)動V2; 關(guān)斷時,V1先關(guān)斷,V2才能關(guān)斷,且V2關(guān)斷 無瀉流通路。 改進:,R1、R2穩(wěn)定電阻,提高溫度穩(wěn)定性和電流通路。 VD1引入,加速V2、V1的同時關(guān)斷,引出B2極可另外控制。,五、GTR模塊 將GTR管芯、穩(wěn)定電阻R1R2、加速二極管VD1、續(xù)
4、流二極管VD2組成一個單元。將幾個單元組合在一個外殼內(nèi)模塊。 利用集成工藝將上述單元集成于同一硅片上,器件集成度高,小型輕量化,性能/價格比高。,單臂橋式電路模塊,單相橋式電路模塊;三相橋式電路模塊;,4.2 GTR特性與參數(shù),一、靜態(tài)特性與參數(shù) 1共射輸出特性:,發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏VCES很小,臨界飽和,斷態(tài),漏電流很小,放大區(qū) 嚴禁工作,2飽和壓降: 如圖:GTR深飽和時,等效電路;,VBES:基極正向壓降 通態(tài)下,B-E極電壓;,VCES:飽和壓降 通態(tài)下,C-E極電壓;,一般,由于發(fā)射區(qū)高濃度摻雜,rES可忽略; VCES的大小,關(guān)系器件導通功率損耗。達林頓管,VCES、VBES較大
5、。,TC35-400型GTR:電流50A, = 5; VCES隨IC電流增大而增大;IC不變時,隨溫度增加而增加。 VBES隨IC電流增大而增大;小電流下,隨溫度增大而減小, PN結(jié)負溫度系數(shù)。大電流下,隨溫度增大而增大。,飽和壓降特性曲線,基極正向壓降特性曲線,3共射電流增益 :反映GTR的電流放大能力,IC與IB比值。,GTR正向偏置時,F(xiàn)隨IC減小而減小,基區(qū)復合電流占的比例增大。 隨IC增大,增大,IC增大到一定程度=max,IC再增大,由于基區(qū)大注入效應、基區(qū)擴展效應,開始下降。,管子溫度相同時,VCE越大,越大。 隨溫度增加而增加,大電流下,隨溫度增加而減小。 GTR反接時,很小。
6、,4最大額定值極限參數(shù) 由GTR材料、結(jié)構(gòu)、設計水平、制造工藝決定。 最高電壓額定值: BVCEO,BVCBO,BVCES,BVCER,BVCEX O:另一極開路;S:短路;R:外接電阻;X:反向偏置;,Va::IB=0時,IC電流急劇 增加時電壓; Vb::IE=0時,IC電流急劇 增加時電壓;,一般:,另:BVEBO集電極開路時,發(fā)射結(jié)最高反向偏置電壓。 幾伏,典型值8V。,最大電流額定值: 大電流下,三種物理效應會使GTR電氣性能變差,甚至損壞器件。 集電極電流最大額定值ICM: ICM定義:a.以值下降到額定值1/2到1/3時,對應IC值。 b.以結(jié)溫和耗散功率為尺度確定ICM。 最大
7、脈沖電流額定值: 直流ICM的1.5倍定額;引起內(nèi)部引線熔斷的集電極電流; 引起集電結(jié)損壞的集電極電流。 基極電流最大額定值IBM: 內(nèi)部引線允許流過的最大基極電流,約為(1/21/6)ICM,最高結(jié)溫TJM 塑封,硅管:12501500C; 金屬封裝,硅管:15001750C; 高可靠平面管:17502000C; 最大功耗PCM PCM = VCE IC 受結(jié)溫限制,使用時注意散熱條件。 例:3DF20型GTR各最大額定值參數(shù):,二、動態(tài)特性與參數(shù) 動態(tài)特性是GTR開關(guān)過程的瞬態(tài)性能,稱開關(guān)特性;主要受結(jié)電容(勢壘電容、擴散電容)充、放電和兩種載流子運動影響。 如圖:TC40U400型GTR
8、動態(tài)特性實驗電路和電流波形,電路參數(shù): VCC=200V;RC=10 ; RB1=4.7 ; RB2=1.2 ;,1開通時間ton: ton = td + tr (ns級,很小) td:延遲時間,基極電流向發(fā)射結(jié)電容充電。大小取決于結(jié) 電容大小、驅(qū)動電流大小和上升率,及反偏時電壓大小。 tr:上升時間,取決于穩(wěn)定電流和驅(qū)動電流大小。 2關(guān)斷時間toff: toff = ts + tf ts:存儲時間,過剩載流子從體內(nèi)抽走時間,由反向驅(qū)動電 流大小決定。(3us) tf:下降時間,取決于結(jié)電容、正向集電極電流大小。(1us) 說明:為加速開通,采用過驅(qū)動方法,但基區(qū)過剩大量載流子, 關(guān)斷時,載流
9、子耗散嚴重影響關(guān)斷時間; 減小關(guān)斷時間,可選用電流增益小的器件,防止深飽和, 增加反向驅(qū)動電流。,3集電極電壓上升率dv/dt對GTR的影響 當GTR用于橋式變換電路時,如圖:,dv/dt產(chǎn)生的過損耗現(xiàn)象嚴重威脅器件和電路安全;當基極開路時, dv/dt通過集電結(jié)寄生電容產(chǎn)生容性位移電流,注入發(fā)射結(jié)形成基極電流,放大倍后,形成集電極電流,使GTR進入放大區(qū),因瞬時電流過大引起二次擊穿。在GTR換流關(guān)斷時,dv/dt會引起正在關(guān)斷的GTR誤導通,造成橋臂直通。 抑制dv/dt,可在集射極間并聯(lián)RCD緩沖網(wǎng)絡進行吸收。,三、二次擊穿與安全工作區(qū) (一)二次擊穿現(xiàn)象 一次擊穿電壓BVCEO ;發(fā)生一
10、次擊穿后,電流急劇增大,若外接有限流電阻,不會損壞GTR。否則,集電極電流繼續(xù)增大,在某電壓、電流點產(chǎn)生向低阻抗區(qū)高速移動的負阻現(xiàn)象,稱為二次擊穿。用S/B表示。 二次擊穿時間很短,納秒到微秒數(shù)量級,短時間內(nèi)的大電流會使器件內(nèi)出現(xiàn)明顯的電流集中和過熱點(熱斑),輕者使GTR耐壓降低,性能變差;嚴重時,集電結(jié)、發(fā)射結(jié)熔通,永久損壞。 二次擊穿按偏置狀態(tài)分為兩種:正偏二次擊穿和反偏二次擊穿。,1正偏二次擊穿:BE結(jié)正偏,GTR工作于放大區(qū)。,如圖,GTR正偏時,由于基極與發(fā)射極在同一平面,基區(qū)電阻存在,使發(fā)射結(jié)各點的偏置電壓不同,邊緣大而中心小。同時存在的集射電場將電流集中到發(fā)射極邊緣下很窄的區(qū)域
11、內(nèi),造成電,流局部集中,電流密度大,溫度升高,出現(xiàn)負阻現(xiàn)象,嚴重時造成熱點、熱斑,使PN結(jié)失效。 熱點嚴重程度與基區(qū)寬度成反比;與集電極外加電壓成正比。,2反偏二次擊穿:GTR導通 截止變化時,發(fā)射結(jié)反偏。 存儲電荷存在,使CE間仍流過電流,由于基區(qū)電阻存在,使發(fā)射極與基極相接的周邊反偏電壓大,中心反偏很弱,甚至仍為正偏。造成發(fā)射極下,基區(qū)的橫向電場由中心指向邊緣,形成集電極電流被集中于發(fā)射結(jié)中心很小局部的不均勻現(xiàn)象。在該局部電流密度很高,形成二次擊穿熱點。 一般,比正向偏置時低很多的能量水平下,即可發(fā)生二次擊穿。 影響二次擊穿的因素:集電極電壓、電流;負載性質(zhì);導通脈沖寬度;基極電路的配置、
12、材料和工藝等。 二次擊穿由于器件芯片局部過熱引起,熱點形成需要能量積累,需要一定的電壓、電流數(shù)值和一定的時間。,二次擊穿特性曲線:,IS/B:二次擊穿觸發(fā)電流 PS/B:二次擊穿觸發(fā)功率 PS/B = IS/B * VCE,集射極保持電壓,外加電壓越高,電流更易集中而產(chǎn)生熱點, IS/B下降。,(二)安全工作區(qū):SOA GTR運行中受電壓、電流、功率損耗和二次擊穿定額限制的安全工作范圍。,正向偏置安全工作區(qū)FBSOA,反向偏置安全工作區(qū)RBSOA,反向關(guān)斷電流,脈沖寬度,直流安全工作區(qū),四、溫度特性與散熱 半導體器件特性參數(shù)隨溫度升高而變差,如:耐壓降低,VCES升高、IC增大、輸出功率下降,
13、PCM和PS/B下降,安全區(qū)面積縮小。 為保證GTR不超過規(guī)定的結(jié)溫,應根據(jù)容量等級配以相應的散熱器和采用相應的冷卻方式。否則,會因結(jié)溫過高導致熱損壞。 減小GTR的發(fā)熱,應從根本上減小功耗。在開關(guān)狀態(tài)下工作的GTR,功耗由靜態(tài)導通功耗、動態(tài)開關(guān)損耗和基極驅(qū)動功耗三部分。減小導通壓降,采用緩沖電路、改變主電路形式(諧振型)均可減小功耗,減少發(fā)熱。,GTR靜態(tài)參數(shù):,GTR動態(tài)參數(shù):,4.3 GTR驅(qū)動和保護,一、驅(qū)動電路設計原則 1GTR的特點 全控型器件,功率大,熱容量小,過載能力低。 與SCR相比,具有自關(guān)斷能力,使DCAC,DCDC,ACAC變換電路的變換方式靈活,控制方便,主電路結(jié)構(gòu)簡
14、單。但GTR驅(qū)動方式直接影響管子工作狀態(tài)和管子特性。 如:過驅(qū)動(驅(qū)動電流大)可減小開通損耗,降低導通壓降,但對關(guān)斷不利,增加關(guān)斷損耗,對管子di/dt影響很大。 GTR過載/短路時,us級時間內(nèi),結(jié)溫會超過最大允許值,導致器件損壞,不能用快速熔斷器、過流繼電器(ms級)進行主電路切斷保護。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,需快速檢測,對控制信號加以關(guān)斷(緩關(guān)斷),因此驅(qū)動與保護密切聯(lián)系。,2驅(qū)動電路設計原則 最優(yōu)化驅(qū)動特性:應提高開關(guān)速度,減小開關(guān)損耗。,開通時:基極電流上升沿快速且短時過沖,加速開通。 導通后:VCES較低,導通損耗小。為減小關(guān)斷時間,應工作在準飽和狀態(tài)。 關(guān)斷時:提供反向驅(qū)動電流,加速載
15、流子耗散,縮短關(guān)斷時間,減小關(guān)斷損耗。,驅(qū)動方式:由主電路結(jié)構(gòu)決定 直接驅(qū)動:簡單驅(qū)動、推挽驅(qū)動、抗飽和驅(qū)動 隔離驅(qū)動:光電隔離、電磁隔離 快速保護功能: GTR故障時,自動關(guān)斷基極驅(qū)動信號,保護GTR。 如:抗飽和、退抗飽和、過流、過壓、過熱、脈寬限制、 智能化自保護能力。,二、基極驅(qū)動電路基本形式 (一)恒流驅(qū)動電路: 基極電流恒定,不隨IC電流變化而變化。 IB ICmax / 問題:空載、輕載時,飽和深度加劇,存儲時間大,關(guān)斷時間長。 改進:1抗飽和電路(貝克嵌位電路),VD2存在,使GTR導通時b-c結(jié)處于零偏或輕微正偏,基極多余電流由VD2從集電極流出,管子處于準飽和狀態(tài)。VCES
16、=VBE+VD1VD2=VBE VD1、VD2抗飽和二極管;根據(jù)不同情況調(diào)整VD1數(shù)量,控制VCES大小。,VD2應選快速二極管,耐壓與GTR一致,電流 IB VD1、VD3為普通二極管,VD1反向恢復有助于GTR關(guān)斷。 缺點:導通損耗增大。,截止反偏驅(qū)動電路 目的:關(guān)斷時加反偏驅(qū)動,迅速抽出基區(qū)過剩載流子,減 小存儲時間,加速GTR關(guān)斷。 單極性脈沖變壓器驅(qū)動電路,缺點:變壓器單邊工作,有直流磁化現(xiàn)象,鐵心體積大。 反偏電壓大小隨導通時間變化。,電容儲能式驅(qū)動電路 工作原理: Vi高電平,*端為正,W2經(jīng)GTR的B-E結(jié)、C、VD2使GTR導通,V截止,電容C充電。 Vi低電平,*端為負,
17、VD2截止,W2經(jīng)還在導通的B-E結(jié)、R2、V發(fā)射結(jié)、C使V迅速飽和導通,電容C上電壓反加于GTR的B-E結(jié),GTR迅速截止。 下一次導通前,C上電壓經(jīng)VD1、R1、R2、 V發(fā)射結(jié)放電完畢。,固定反偏互補驅(qū)動電路,(二)比例驅(qū)動電路 使GTR基極電流正比于集電極電流變化,在不同負載時,管子飽和深度基本相同,而且輕載時,驅(qū)動功率大大減小。 1反激式比例驅(qū)動電路,特點:靠正反饋加速GTR開通,當工作頻率較高時,分布參數(shù)影響使開通速度變慢。,2具有強制開通、強制關(guān)斷的比例驅(qū)動電路,特點:電路復雜。,三、過電流檢測與保護 GTR運行時,過流檢測能保證管子正常工作。要求檢測電路靈敏度高,響應快。 (一
18、)狀態(tài)識別法 GTR過載或短路時,集電極電流急劇變化,引起基極電壓VBE,集電極電壓VCE相應變化。,管子開通時,電流上升越快,VBE變化越大。如GTR短路時開通,監(jiān)測VBE變化,確認故障快。但導通后,較輕過載時,監(jiān)測VBE靈敏度低。 但VCE電壓監(jiān)測適合過載電流保護,但不適合短路電流保護,二者結(jié)合,效果較好。,VBE識別電路,VCE識別電路,存在問題:保護電路存在盲區(qū),等GTR開通后,保護電路 才能使用。,典型VCE識別電路:,GTR,VCE,(二)橋臂互鎖保護法,檢測電路,檢測電路,當逆變器運行時,由于GTR關(guān)斷時間過長、驅(qū)動信號失誤重疊、或某一GTR損壞,導致橋臂直通,損壞器件。利用互鎖
19、可保證管子一個關(guān)斷后,另一個才能開通。,1電流法檢測電路:電流互感器,LEM霍爾元件 其中 LEM是磁場平衡式霍爾電流傳感器,反映速度1us,一次、二次絕緣電壓2KV,無慣性、線性度好、使用簡單、方便。 利用電流法判斷時,存在問題,如特定負載下,GTR導通,但無集電極電流,判斷發(fā)生錯誤。 2電壓法檢測電路:由VBE電壓判斷管子狀態(tài),更加可靠。,(三)實用驅(qū)動電路 要求:信號隔離,過電流保護,過電壓保護,抗飽和導通, 信號互鎖等。 常用:由小規(guī)模集成電路構(gòu)成的專用驅(qū)動電路 混合微膜組件驅(qū)動電路(三菱M57917L) 集成化驅(qū)動電路(法國UAA4002),4.4 緩沖電路,一、概述 緩沖電路也稱吸
20、收電路,在電力半導體器件應用中有著極其重要的作用。 開關(guān)元件開通時,流過大電流;關(guān)斷時,承受高反壓;開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間,電路中各種儲能元件能量釋放,導致器件沖擊很大,造成器件超出安全工作區(qū)而損壞。吸收電路用來減小器件在電路中承受的各種應力(電、熱),如:浪涌電壓、dv/dt、di/dt等。應力越低,器件可靠性越高。 吸收電路還能減少開關(guān)損耗,避免二次擊穿,抑制電磁干擾,提高可靠性。,1GTR開關(guān)波形及緩沖電路作用:,無緩沖電路,圖b為復合緩沖電路,LS開通保護,限制di/dt;CS、VDS緩沖電路,限制dv/dt;RD放電回路,消耗能量。,2種類 耗能式緩沖電路:用電阻消耗緩沖電路吸收的開關(guān)損耗, 簡單,效率低。 饋能式緩沖電路:將開關(guān)損耗以一定方式送至負載或回饋給電源, 復雜,效率高。,二、耗能式緩沖電路 (一)關(guān)斷緩沖電路,電容為0,電容較小,電容較大,緩沖電容越大,關(guān)斷損耗越小,關(guān)斷時間長 同時,CS上儲存的能量,必須在GTR開通時,經(jīng)RS放掉,消耗在電阻上;CS越大
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