全控器件和其他新型器.ppt
电力电子技术,河南理工大学电气学院,朱艺锋,Power Electronics Technology,第一章 电力电子器件,好学力行,河南理工大学,明德任责,内容提要,1.1 电力二极管（POWER DIODE）1.2 晶闸管（THYRISTOR）1.3 全控型电力电子器件1.4 其他类型电力电子器件,1.3 典型全控型器件,门极可关断晶闸管 电力晶体管1.3.3 电力场效应晶体管1.3.4 绝缘栅双极晶体管,第一章 电力电子器件,常用的典型全控型器件,电力MOSFET,IGBT单管及模块,1.3 典型全控型器件,1.3.1 门极可关断晶闸管(GTO),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。,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor）,1.3 典型全控型器件,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点：GTO是一种多GTO元并联的功率集成器件。,1.GTO的结构和工作原理,1.3 典型全控型器件,1.3.1 门极可关断晶闸管(GTO),工作原理：与普通晶闸管一样，可以用双晶体管 模型来分析。,图 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,1+2=1是器件临界导通的条件。,由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2。,1.3 典型全控型器件,1.3.1 门极可关断晶闸管(GTO),1.3.1 门极可关断晶闸管,GTO能够通过门极关断的原因：,设计 2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于关断。导通时 1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。,1.3 典型全控型器件,1+1时关断,关断正反馈,开通过程：与普通晶闸管相同；ton=td+tr关断过程：不同于晶闸管 储存时间ts，抽少子使等效晶体管退出饱和。下降时间tf：由饱和转至放大区；尾部时间tt 残存载流子复合。toff=ts+tf,图 GTO的开通和关断过程电流波形,2.GTO的动态特性,1.3 典型全控型器件,1.3.1 门极可关断晶闸管,1.3.1 门极可关断晶闸管,3.GTO的主要参数,（2）关断时间toff在几十us.,（1）开通时间ton，在几个us.,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。,1.3 典型全控型器件,（3）最大可关断阳极电流IATO额定电流,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。,逆导型,1.3.1 门极可关断晶闸管,1.3 典型全控型器件,（4）电流关断增益off,off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。,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。,1.3.2 电力晶体管（GTR）,电力晶体管:（Giant Transistor巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型晶体管。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。因此不作为重点，只了解基本概念和思想。,1.3 典型全控型器件,与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的，多采用NPN。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。比普通三极管增加了一个低掺杂N区，提高耐压能力。,1.3.2 电力晶体管,1.GTR的结构和工作原理,1.3 典型全控型器件,存在电导调制效应，从而流过大电流时通态压降也比较小，从而具有强的流通电流的能力。,1.3.2 电力晶体管,(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。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。,图 共发射极接法时GTR的输出特性,2.GTR的基本特性,1.3 典型全控型器件,1.3.2 电力晶体管,GTR的开通和关断过程电流波形,(2)动态特性,1.3 典型全控型器件,开关过程与GTO的异同点：基本相同；开通不能用脉冲触发，需用持续电流驱动。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。,1.3.2 电力晶体管,一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。不损坏。二次击穿：一次击穿发生后，Ic突然急剧上升，电压陡然下降。永久损坏，或者工作特性明显衰变。,安全工作区（Safe Operating AreaSOA）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。,3.GTR的二次击穿现象与安全工作区,二次击穿功率,耗散功率,1.3 典型全控型器件,1.3.3 电力场效应晶体管,分为结型和绝缘栅型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 TransistorSIT）,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。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。,1.3 典型全控型器件,1.3.3 电力场效应晶体管,电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和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。,1.电力MOSFET的结构和工作原理,1.3 典型全控型器件,1.3.3 电力场效应晶体管,电力MOSFET的结构,导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。增加了低掺杂N区，提高耐压能力；但无电导调制效应。采用垂直导电结构，流通电流能力提高；采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。,1.3 典型全控型器件,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当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N导电沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。,电力MOSFET的工作原理,1.3 典型全控型器件,1.3.3 电力场效应晶体管,栅极绝缘,1.3.3 电力场效应晶体管,(1)静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs，反映了栅极的控制能力。,电力MOSFET的转移特性,2.电力MOSFET的基本特性,1.3 典型全控型器件,1.3.3 电力场效应晶体管,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GTR的饱和区）工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。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。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。,电力MOSFET的输出特性,MOSFET的漏极伏安特性：,1.3 典型全控型器件,开通过程开通延迟时间td(on)上升时间tr开通时间ton=td(on)+tr关断过程关断延迟时间td(off)下降时间tf关断时间toff=td(off)+tf,(2)动态特性,1.3 典型全控型器件,1.3.3 电力场效应晶体管,图1-Power MOSFET的开关过程波形,电平驱动、压控方式、只有一种载流子导电,MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻减小时间常数，加快开关速度。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。开关时间在10100ns之间，工作频率可达500kHz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，但很小。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。,MOSFET的开关速度,1.3 典型全控型器件,1.3.3 电力场效应晶体管,3.电力MOSFET的主要参数,电力MOSFET电压定额,(1)漏极电压UDS,(2)漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM,电力MOSFET电流定额,(3)栅源电压UGS,UGS20V将导致绝缘层击穿。,除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：,(4)极间电容,极间电容CGS、CGD和CDS,1.3 典型全控型器件,(5)通态电阻Ron 越小越好，反映损耗。,1.3.3 电力场效应晶体管,绝缘栅双极晶体管（IGBT）,绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。Bi-MOS器件1986年投入市场，是中高功率电力电子设备的主导器件仍在提高电压和电流容量。,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。,1.3 典型全控型器件,1.IGBT的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极E,图1-19 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,E,1.3 典型全控型器件,绝缘栅双极晶体管（IGBT）,N沟道MOSFET与GTR组合N沟道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，从而具有电导调制效应，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。,1.3 典型全控型器件,绝缘栅双极晶体管（IGBT）,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(电压驱动功率小)。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，通态压降减小。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。,IGBT的原理,1.3 典型全控型器件,绝缘栅双极晶体管（IGBT）,a),b),2.IGBT的基本特性(1)IGBT的静态特性,图1-20 IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性 b)输出特性,1.3 典型全控型器件,绝缘栅双极晶体管（IGBT）,与MOS管的异同点。,图1-21 IGBT的开关过程,IGBT的开通过程 开通延迟时间td(on)电流上升时间tr 开通时间tonuCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1IGBT中MOS单独工作的电压下降过程；,(2)IGBT的动态特性,1.3 典型全控型器件,tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。,绝缘栅双极晶体管,图1-21 IGBT的开关过程,关断延迟时间td(off）电流下降时间 关断时间toff电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。拖尾电流。,IGBT的关断过程,1.3 典型全控型器件,3)IGBT的主要参数,正常工作温度下允许的最大功耗。,(3)最大集电极功耗 PCM,包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。,(2)最大集电极电流 ICM,由内部PNP晶体管的击穿电压确定。,(1)最大集射极间电压 UCES,1.3 典型全控型器件,(4)最大栅极电压UGS,UGS20V将导致绝缘层击穿。,绝缘栅双极晶体管,IGBT的特性和参数特点可以总结如下：,开关速度高，开关损耗小。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。通态压降比VDMOSFET低。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。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。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。,1.3 典型全控型器件,绝缘栅双极晶体管,1.4 其他新型电力电子器件,1.4.1 MOS控制晶闸管MCT1.4.2 静电感应晶体管SIT1.4.3 静电感应晶闸管SITH1.4.4 集成门极换流晶闸管IGCT1.4.5 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件,第一章 电力电子器件,1.4.1 MOS控制晶闸管MCT,MCT结合了二者的优点：承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小。高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。其关键技术问题没有大的突破，亦未能投入实际应用。,MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET与晶闸管的复合,1.4 其他新型电力电子器件,1.4.2 静电感应晶体管SIT,多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。缺点：栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太方便。通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。,SIT（Static Induction Transistor）结型感应晶体管,本质上也还是MOS管。,1.4 其他新型电力电子器件,1.4.3 静电感应晶闸管SITH,可看作是SIT和GTO的复合，工作原理和SIT类似。SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。SITH一般也是正常导通型。此外，电流关断增益较小，且工艺复杂，因而其应用范围还有待拓展。,SITH（Static Induction Thyristor）场控晶闸管（Field Controlled ThyristorFCT）,1.4 其他新型电力电子器件,1.4.4 集成门极换流晶闸管IGCT,20世纪90年代后期出现，容量与GTO相当，开关速度快10倍，功耗也大为降低。可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。,IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）,1.4 其他新型电力电子器件,新半导体材料做成的器件：具有更好的性能。重点是SiC，目前已有SiC肖特基二极管产品。,1.5 功率集成电路与集成电力电子模块,20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（Power Integrated CircuitPIC）。,基本概念,第一章 电力电子器件,第一章 电力电子器件,智能功率模块,不可控器件(Power Diode)不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路（如大功率二极管）。半控型器件（Thyristor）通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。（晶闸管及其派生器件，GTO除外）全控型器件（IGBT,MOSFET)通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。（其他器件，如IGBT等）,1.6 电力电子器件的分类,按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：,第一章 电力电子器件,脉冲触发型 通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。(半控器件)电平控制型 必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。,按照驱动信号的波形分类（电力二极管除外）,第一章 电力电子器件,按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况可分为三类：,1)单极型器件,2)双极型器件,3)复合型器件,由一种载流子参与导电的器件；（电力MOSFET和SIT）,由电子和空穴两种载流子参与导电的器件（电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH）,由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件（IGBT、MCT 和IGCT）,第一章 电力电子器件,图1-26电力电子器件分类“树”,第一章 电力电子器件,电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者 关断的控制。特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动电路较复杂。电压驱动型 仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。,按照驱动电路信号的性质，分为两类：,第一章 电力电子器件,20世纪90年代中期以来，逐渐形成了小功率（10kW以下）场合以电力MOSFET为主，中、大功率场合以IGBT为主的压倒性局面，在10MVA以上或者数千伏以上的应用场合，如果不需要自关断能力，那么晶闸管仍然是目前的首选器件。电力MOSFET和IGBT中的技术创新仍然在继续，IGBT还在不断夺取传统上属于晶闸管的应用领域。SiC材料的电力电子器件，在未来很有前景。,电力电子器件的现状和发展趋势:,小 结,重点：1）掌握电力二极管的反向恢复时间、电导 调制效应概念；2）掌握晶闸管的开关条件及选型计算。3）掌握MOS和IGBT的开关特性。4）掌握器件的分类和主要器件的应用领域。,第一章 电力电子器件,作业,第一章 电力电子器件,
