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第四讲 全控型电力电子器件

电力电子-006.jpg第四讲  全控型电力电子器件

4.1 概述

门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor —GTO)在晶闸管问世后不久出现;

20世纪80年代以来,信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合——高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件,从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代;

典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管(Giant Transistor——GTR)、电力场效应晶体管(Power MOSFET )、绝缘栅双极晶体管(Insulated-gate Bipolar   Transistor— —IGBT或IGT)。

4.2 门极可关断晶闸管Gate-Turn-Off Thyristor —GTO

门极可关断晶闸管是晶闸管的一种派生器件;

可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断;

GTO的电压、电流容量较大,与普通晶闸管接近,因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。

 

4.2.1 GTO的结构和工作原理

结构:

与普通晶闸管的相同点: PNPN四层半导体结构,外部引出阳极、阴极和门极;

和普通晶闸管的不同:GTO是一种多元的功率集成器件,内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元,这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。

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图1  GTO的内部结构和电气图形符号

 

a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形  b) 并联单元结构断面示意图  c) 电气图形符号

 

工作原理:

 

与普通晶闸管一样,可以用图2所示的双晶体管模型来分析

 

 

是器件临界导通的条件。当a1+a2>1时,两个等效晶体管过饱和而使器件导通;当a1+a2<1时,不能维持饱和导通而关断

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图2   GTO的双晶体管模型

GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别:

1)设计较大,使晶体管V2控制灵敏,易于GTO关断;

2)导通时电力电子-003.jpg更接近1≈1.05,普通晶闸管)导通时饱和不深,接近临界饱和,有利门极控制关断,但导通时管压降增大;

3)多元集成结构使GTO元阴极面积很小,门、阴极间距大为缩短,使得P2基区横向电阻很小,能从门极抽出较大电流

 

 

 

 

导通过程:与普通晶闸管一样,只是导通时饱和程度较浅;

关断过程:强烈正反馈——门极加负脉冲即从门极抽出电流,则减小,使IK减小,的减小又使减小,又进一步减小的基极电流。当的减小使时,器件退出饱和而关断,多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快,承受能力强。

4.2.2 GTO的动态特性

 

开通过程:

与普通晶闸管类似,需经过延迟时间和上升时间

关断过程:

与普通晶闸管有所不同

Ÿ抽取饱和导通时储存的大量载流子——储存时间,使等效晶体管退出饱和。

等效晶体管从饱和区退至放大区,阳极电流逐渐减小——下降时间

残存载流子复合——尾部时间

通常小得多,而要长;

门极负脉冲电流幅值越大,前沿越陡,抽走储存载流子的速度越快,越短;

门极负脉冲的后沿缓慢衰减,在阶段仍保持适当负电压,则可缩短尾部时间。

 

 

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图1-14  GTO的开通和关断过程电流波形

 

4.2.3 GTO的主要参数

GTO的许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同,以下只介绍意义不同的参数:

1) 开通时间延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1~2ms,上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大;

2) 关断时间一般指储存时间和下降时间之和,不包括尾部时间。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大,下降时间一般小于2ms

不少GTO都制造成逆导型,类似于逆导晶闸管,需承受反压时,应和电力二极管串联;

3)

最大可关断阳极电流IATO : GTO额定电流;

4) 电流关断增益boff  最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益

 

                                             (1)

一般很小,只有5左右,这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A。

4.3电力晶体管

4.3.1术语用法:

电力晶体管(Giant Transistor——GTR,直译为巨型晶体管)

耐高电压、大电流的双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor——BJT),英文有时候也称为Power BJT在电力电子技术的范围内,GTRBJT这两个名称等效

 

应用: 20世纪80年代以来,在中、小功率范围内取代晶闸管,但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代

 

 

4.3.2 GTR的结构和工作原理( 1-15 )

 

与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的

主要特性是耐压高、电流大、开关特性好

通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构

采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成

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1-15  GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动

a) 内部结构断面示意图  b) 电气图形符号  c) 内部载流子的流动

 

 

 

 

    一般采用共发射极接法,集电极电流ic与基极电流ib之比为

                          1-9

 

 

β——GTR的电流放大系数,反映了基极电流对集电极电流的控制能力        

 

当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时,icib的关系为

ic=β ib +Iceo                           (1-10)  

产品说明书中通常给直流电流增益hFE——在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比。一般可认为β≈hFE

单管GTR的b 值比小功率的晶体管小得多,通常为10左右,采用达林顿接法可有效增大电流增益

 

 

4.3.3 GTR的基本特性

 

(1)    静态特性

共发射极接法时的典型输出特性:截止区、放大区和饱和区

在电力电子电路中GTR工作在开关状态,即工作在截止区或饱和区

在开关过程中,即在截止区和饱和区之间过渡时,要经过放大区

 

 

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1-16  共发射极接法时GTR的输出特性

 

 

(2) 动态特性

 

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1-17  GTR的开通和关断过程电流波形

 

 

开通过程

延迟时间td和上升时间tr,二者之和为开通时间ton

td主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。增大ib的幅值并增大dib/dt,可缩短延迟时间,同时可缩短上升时间,从而加快开通过程

 

关断过程

储存时间ts和下降时间tf,二者之和为关断时间toff

ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的,是关断时间的主要部分

减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子,或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压,可缩短储存时间,从而加快关断速度

负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加,从而增大通态损耗

GTR的开关时间在几微秒以内,比晶闸管和GTO都短很多

 

4.3.4 GTR的主要参数

 

前已述及:电流放大倍数b、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff  此外还有,

 

1)最高工作电压

2)集电极最大允许电流IcM

3)集电极最大耗散功率PcM

 

1)最高工作电压

GTR上电压超过规定值时会发生击穿

击穿电压不仅和晶体管本身特性有关,还与外电路接法有关

BUcbo> BUcex> BUces> BUcer> Buceo

实际使用时,为确保安全,最高工作电压要比BUceo低得多

2)集电极最大允许电流IcM

通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic

实际使用时要留有裕量,只能用到IcM的一半或稍多一点

 

3) 集电极最大耗散功率PcM

最高工作温度下允许的耗散功率

产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC,间接表示了最高工作温度

4.3.5 GTR的二次击穿现象与安全工作区

一次击穿

集电极电压升高至击穿电压时,Ic迅速增大,出现雪崩击穿

只要Ic不超过限度,GTR一般不会损坏,工作特性也不变

二次击穿

一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升,并伴随电压的陡然下降

常常立即导致器件的永久损坏,或者工作特性明显衰变

 

 安全工作区(Safe Operating Area——SOA)

最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定





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1-18  GTR的安全工作区

 

4.4电力场效应晶体管

也分为结型绝缘栅型(类似小功率Field Effect Transistor——FET)

但通常主要指绝缘栅型中的MOS型(Metal Oxide  Semiconductor FET)

简称电力MOSFET(Power MOSFET)

结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管(Static Induction Transistor——SIT)

特点——用栅极电压来控制漏极电流

驱动电路简单,需要的驱动功率小

开关速度快,工作频率高

热稳定性优于GTR

电流容量小,耐压低,一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置

 

4.4.1 电力MOSFET的结构和工作原理

电力MOSFET的种类

按导电沟道可分为 P沟道 N沟道

耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道

增强型——对于N(P)沟道器件,栅极电压大于(小于)零时才存在导电沟道

电力MOSFET主要是N沟道增强型





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电力MOSFET的结构


1-19  电力MOSFET的结构和电气图形符号

导通时只有一种极性的载流子(多子)参与导电,是单极型晶体管

导电机理与小功率MOS管相同,但结构上有较大区别

电力MOSFET的多元集成结构

国际整流器公司(International Rectifier)的HEXFET采用了六边形单元

西门子公司(Siemens)的SIPMOSFET采用了正方形单元

摩托罗拉公司(Motorola)的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列

小功率MOS管是横向导电器件

电力MOSFET大都采用垂直导电结构,又称为       VMOSFET(Vertical MOSFET)——大大提高了       MOSFET器件的耐压和耐电流能力

按垂直导电结构的差异,又分为利用V型槽实现垂        直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散结构的VDMOSFET(Vertical Double-diffused  MOSFET)

这里主要以VDMOS器件为例进行讨论

电力MOSFET的工作原理

截止:漏源极间加正电源,栅源极间电压为零

P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏,漏源极之间无电流流过

导电:在栅源极间加正电压UGS

栅极是绝缘的,所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开,而将P区中的少子——电子吸引到栅极下面的P区表面

UGS大于UT(开启电压或阈值电压)时,栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度,使P型半导体反型成N型而成为反型层,该反型层形成N沟道而使PN结J1消失,漏极和源极导电

4.4.2电力MOSFET的基本特性

1) 静态特性

 

   




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a) 转移特性      b) 输出特性


1-20  电力MOSFET的转移特性和输出特性

漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性

ID较大时,IDUGS的关系近似线性,曲线的斜率定义为 跨导Gfs

 

MOSFET的漏极伏安特性(输出特性)

截止区(对应于GTR的截止区)

饱和区(对应于GTR的放大区)

非饱和区(对应于GTR的饱和区)

电力MOSFET工作在开关状态,即在截止区和非饱和区之间来回转换

电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管,漏源极间加反向电压时器件导通

电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数,对器件并联时的均流有利





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 2) 动态特性


1-21  电力MOSFET的开关过程

a) 测试电路  b) 开关过程波形

 

 up脉冲信号源,Rs信号源内阻,RG栅极电阻,RL负载电阻,RF检测漏极电流

 

开通过程(开关过程图)

 开通延迟时间td(on) —— up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段

上升时间tr—— uGSuT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段

iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定

UGSP的大小和iD的稳态值有关

UGS达到UGSP后,在up作用下继续升高直至达到稳态,但iD已不变

开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和

 

关断过程(开关过程图)

  关断延迟时间td(off) ——up下降到零起,Cin通过RsRG放电,uGS按指数曲线下降到UGSP时,iD开始减小止的时间段

下降时间tf—— uGSUGSP继续下降起,iD减小,到uGS<UT时沟道消失,iD下降到零为止的时间段

关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和

MOSFET的开关速度

MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系

使用者无法降低Cin,但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数,加快开关速度

MOSFET只靠多子导电,不存在少子储存效应,因而关断过程非常迅速

开关时间在10~100ns之间,工作频率可达100kHz以上,是主要电力电子器件中最高的

场控器件,静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电,仍需一定的驱动功率。开关频率越高,所需要的驱动功率越大。

 

4.4.3电力MOSFET的主要参数

 

除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)trtd(off)tf之还有:

 1) 漏极电压UDS  电力MOSFET电压定额

 2) 漏极直流电流ID漏极脉冲电流幅值IDM 电力MOSFET电流定额

 3) 栅源电压UGS  栅源之间的绝缘层很薄,½UGS½>20V将导致绝缘层击穿

 4) 极间电容     极间电容CGSCGDCDS

  

厂家提供:漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss

Ciss= CGS+ CGD                     (1-14)

Crss= CGD                                (1-15)

Coss= CDS+ CGD                       (1-16

输入电容可近似用Ciss代替

这些电容都是非线性的

 

漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区

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MOSFET正向偏置安全工作区(图中的时间表示脉冲宽度)

 

一般来说,电力MOSFET不存在二次击穿问题,这是它的一大优点

实际使用中仍应注意留适当的裕量

 

 

4.5绝缘栅双极晶体管

GTR和GTO的特点——双极型,电流驱动,有电导调制效应,通流能力很强,开关速度较低,所需驱 动功率大,驱动电路复杂。

MOSFET的优点——单极型,电压驱动,开关速度快,输入阻抗高,热稳定性好,所需驱动功率小而且驱动电路简单

    两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS器件

 

绝缘栅双极晶体管(Insulated-gate Bipolar Transistor— —IGBT或IGT)

GTR和MOSFET复合,结合二者的优点,具有好的特性

1986年投入市场后,取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件





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继续提高电压和电流容量,以期再取代GTO的地位


 

4.5.1 IGBT的结构和工作原理

IGBT是三端器件:栅极G、集电极C和发射极E

1-22  IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号

a) 内部结构断面示意图  b) 简化等效电路  c) 电气图形符号

 

IGBT的结构(显示图)

图1-22a—N沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT(N-IGBT)

IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区,形成了一个大面积的P+N结J1

——使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子,从而对漂移区电导率进行调制,使得IGBT具有很强的通流能力

简化等效电路表明,IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构,一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管

RN为晶体管基区内的调制电阻

IGBT的原理

驱动原理与电力MOSFET基本相同,场控器件,通断由栅射极电压uGE决定

导通uGE大于开启电压UGE(th)时,MOSFET内形成沟道,为晶体管提供基极电流,IGBT导通

导通压降:电导调制效应使电阻RN减小,使通态压降小

关断:栅射极间施加反压或不加信号时,MOSFET内的沟道消失,晶体管的基极电流被切断,IGBT关断

4.5.2 IGBT的基本特性

1)IGBT的静态特性





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1-23  IGBT的转移特性和输出特性

a) 转移特性  b) 输出特性

转移特性——ICUGE间的关系,与MOSFET转移特性类似

开启电压UGE(th)——IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压

UGE(th)随温度升高而略有下降,在+25°C时,UGE(th)的值一般为2~6V

输出特性(伏安特性)——以UGE为参考变量时,ICUCE间的关系

分为三个区域:正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应

uCE<0时,IGBT为反向阻断工作状态

2) IGBT的动态特性





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1-24  IGBT的开关过程

IGBT的开通过程(开关过程图) 与MOSFET的相似,因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行

开通延迟时间td(on) ——uGE上升至其幅值10%的时刻,到iC上升至10% ICM2

电流上升时间tr ——iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间

开通时间ton——开通延迟时间与电流上升时间之和

uCE的下降过程分为tfv1tfv2两段。tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程;tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程

IGBT的关断过程(开关过程图)

关断延迟时间td(off) ——uGE后沿下降到其幅值90%的时刻起,到iC下降至90%ICM

电流下降时间tf——iC从90%ICM下降至10%ICM

关断时间toff——关断延迟时间与电流下降之和

电流下降时间又可分为tfi1tfi2两段。

tfi1——IGBT内部的MOSFET的关断过程,iC下降较快;

tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程,iC下降较慢

IGBT中双极型PNP晶体管的存在,虽然带来了电导调制效应的好处,但也引入了少子储存现象,因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET

IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数

 

4.5.3IGBT的主要参数

1) 最大集射极间电压UCES  由内部PNP晶体管的击穿电压确定

  2)最大集电极电流  包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP

  3)最大集电极功耗PCM  正常工作温度下允许的最大功耗

 

IGBT的特性和参数特点

1.开关速度高,开关损耗小。在电压1000V以上时,开关损耗只有GTR的1/10,与电力MOSFET相当

2.相同电压和电流定额时,安全工作区比GTR大,且具有耐脉冲电流冲击能力

3.通态压降比VDMOSFET低,特别是在电流较大的区域

4.输入阻抗高,输入特性与MOSFET类似

5.与MOSFET和GTR相比,耐压和通流能力还可以进一步提高,同时保持开关频率高的特点

 

4.5.4IGBT的擎住效应和安全工作区





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1-22  IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号

 

a) 内部结构断面示意图  b) 简化等效电路  c) 电气图形符号

 

寄生晶闸管——由一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成

正偏安全工作区FBSOA) ——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定

反向偏置安全工作区RBSOA) ——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定

擎住效应或自锁效应

该电阻上产生压降,相当于对J3结施加正偏压,一旦J3开通,栅极就会失去对集电极电流的控制作用,电流失控

动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小

擎住效应曾限制IGBT电流容量提高,20世纪90年代中后期开始逐渐解决

IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起,制成模块,成为逆导器件

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


  
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