電力電子半導體器件(GTR)

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(fù)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(yīng)：引起電流增益下降。 基區(qū)擴展效應(yīng)：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(yīng)：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(yīng)采取適當措施，減小上述效應(yīng)。,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(fù)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(fù)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(yīng)、基區(qū)擴展效應(yīng)，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(shè)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(yīng)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(yīng)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?。?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(luò)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(yīng)根據(jù)容量等級配以相應(yīng)的散熱器和采用相應(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)計原則 最優(yōu)化驅(qū)動特性：應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(fù)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(fù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力（電、熱），如：浪涌電壓、dv/dt、di/dt等。應(yīng)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(fù)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(fù)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