13全控型电力电子器件

1.3全控型电力电子器件1.3.1可关断型晶闸管GTO（Gate-Turn-OffThyristor）1．GTO的结构和工作原理与普通晶闸管相似，可关断型GTO也是P-N-P-N四层结构、引出A、K、G三个电极，GTO的电路符号如图1-4所示。与普通型晶闸管不同的是当GTO处于导通状态在其门极加以反向的电流可以将GTO关断。既然与普通型晶闸管有相似的结构，GTO也可以用图1-2（c）来等效。试想，如果在图中V2的基极和发射极之间加反向电压使其形成反向电流，V1的集电极电流将被抽出，V2将由于基极得不到电流而关断，V2关断后V1也将得不到由V2集电极提供的基极电流而关断。最终使整个器件从导通状态转为阻断状态。要实现这一功能，要求器件导通时V1、V2的饱和深度不能过深，这一点对于普通型晶闸管来说，由于制造工艺的限制是做不到的。GTO虽然也是P-N-P-N结构，但一个器件中由许多个微小的P-N-P-N的单元并联而成，即所谓多元结构。这样做可以使每一GTO单元在导通时处于微饱和状态，门极和阴极加反向电压时内部的等效晶体管容易退出饱和，器件转入关断状态。图1-4GTO的符号2．GTO的主要参数断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM以及通态平均电压UT的定义与普通型晶闸管相同，不过GTO承受反向电压的能力较小，一般URRM明显小于UDRM。擎住电流IL和维持电流IH的定义也与普通型晶闸管相同，但对于同样电流容量的器件，GTO的IH要比普通型晶闸管大得多。GTO还有一些特殊参数如下。（1）可关断最大阳极电流IAT0可以通过门极进行关断的最大阳极电流，当阳极电流超过IAT0时，门极则无力通过Ig将GTO关断。（2）门极最大负脉冲电流IGRM为关断GTO门极可以施加的最大反向电流。（3）电流关断增益βOFFIAT0与IGRM的比值，βOFF=IAT0/IGRM。这一比值比较小，一KAGPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建炣www.fineprint.cn般为5左右，这就是说，要关断GTO门极的负电流的幅度也是很大的。如βOFF=5，GTO的阳极电流为1000A，那么要想关断它必须在门极加200A的反向电流。可以看出，尽管GTO可以通过门极反向电流进行可控关断，但其技术实现并不容易。1.3.2功率晶体管GTR（GiantTransistor）功率晶体管的结构与一般小功率晶体管相似，内有两个P-N结，引出三个电极：发射极、基极、集电极。并且也分为PNP和NPN两大类。但是功率晶体管的集电极可以通过很大的电流，集电极与发射极之间可以承受很高的电压，并且在实际应用中功率晶体管经常工作在开关状态。GTR的电流放大系数β一般都很小（10），为提高电流增益，GTR产品经常将几级达林顿连接封装在一个管壳中。1．GTR的动态性能和动态参数GTR工作在开关状态，在饱和去和截止区之间相互切换，对于图1-5（a）所示电路，基极驱动电流和集电极电流的波形如图1-5（b）。在刚开始施加基极电流的一段时间集电极电流变化很小，这是由于要形成集电极电流器件中必须积累一定的载流子浓度，定义从基极电流的出现到集电极电流上升至稳定值ICO的10%这段时间为延迟时间td，然后集电极电流迅速上升，集电极电流从10%ICO上升到90%ICO对应的时间叫做上升时间tr。开通时间ton=td+tr。tttdtrtstftontoffiBiC0.9IC00.1IC000图1-5GTR的开关过程PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cnGTR导通期间内部的载流子有较大的浓度，必须将其清除才能够使集电极电流下降，因此通常在关断时加反向基极电流抽取这些载流子。从开始施加反向基极电流到集电极电流开始下降（下降到90%ICO）对应的时间叫做存储时间ts。接着是下降时间tf，定义为集电极电流从90%ICO下降到10%ICO对应的时间。开通时间toff=ts+tf。2．GTR的极限参数和安全工作区（1）GTR的极限参数和小功率晶体管一样，GTR也有电流、电压和功率极限参数。ICM为集电极最大允许电流，表示集电极最大允许通过的电流瞬时值。PCM为一定管壳温度下集电极最大允许功耗，产品说明书的技术参数中PCM与管壳温度必须同时标出。实际使用中GTR的实际集电极电流和功耗与ICM和PCM之间应留有足够的裕量。电压极限参数表示GTR承受电压的能力，有以下参数。BUCB0，发射极开路时集电极与基极之间的击穿电压；BUCE0，基极开路时集电极与发射极之间的击穿电压；BUCER，发射极与基极之间用电阻连接时集电极与发射极之间的击穿电压；BUCES，发射极与基极之间短路时集电极与发射极之间的击穿电压；BUCEX，发射结反偏时集电极与发射极之间的击穿电压。这些击穿电压之间的关系为：BUCB0BUCEXBUCESBUCERBUCE0。在使用时要以BUCE0作为选择GTR工作电压的依据，GTR的实际工作电压与BUCE0之间要留有充分的裕量。（2）二次击穿和安全工作区图1-6二次击穿特性晶体管在工作时集电结承受的反向电压过高时会使P-N结击穿，击穿出现时的特征是集电极电流迅速增加而电压基本不变，这属于雪崩击穿，在此叫做一次击穿。出现一次击穿PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn后如果IC和PC不超过ICM和PCM的限制，器件不会永久性的损坏。但是，如果出现一次击穿时IC超过一定的数值，使器件发热严重，进而会导致二次击穿的出现。二次击穿的特征是，电流急剧上升而电压却随之下降，如图1-6。二次击穿会造成GTR永久的损坏。因此二次击穿是必须采取措施予以防止的。在晶体管的输出特性曲线族中，每一个基极电流决定一条特性曲线，每一条曲线都有自己的一次击穿点和二次击穿点，如果把所有的二次击穿临界点连接起来，得到的曲线叫做二次击穿临界线，如图1-6中的SB曲线。这条曲线反映了二次击穿的功率，但是它与PCM曲线并不相同，两者有一交点。这样要使GTR安全的工作，要受到ICM、PCM、BUCE0和二次击穿四个条件的限制，不超过上述限制的区域叫做安全工作区SOA（SafeOperatingArea）。如图1-7。ABDCICMBUCEUCEIC0直流FBSOA1ms0.01msUCEICICM0IB=-1AIB=-2AIB=-3A（a）正向SOA（b）反向SOA图1-7GTR的安全工作区基极电流为正向和反向时安全工作区是不一样的。图2-7（a）为基极电流为正时GTR的安全工作区，除坐标轴外，安全工作区有A、B、C、D四条边界线，其中A为集电极电流的限制，B为集电极功率的限制，C为二次击穿的轨迹，为二次击穿对工作区域的限制，D则为击穿电压的限制。电力电子电路中，GTR一般工作在开关状态，其电流为脉冲形式，脉冲的宽度不同，安全工作区的面积也不一样，脉冲宽度越窄安全工作区的面积就越大，图中给出了脉冲宽度为0.01ms、1ms和直流时的安全工作区。图2-7（b）为基极电流为负时GTR的安全工作区，称之为反向安全工作区，实际上是指GTR在关断过程中的安全范围。从图中可以看出，反向驱动电流越大，GTR关断越迅速，但是安全工作区的面积也会越小。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn1．3．3绝缘栅型功率场效应晶体管MOSFET与前面讲述的各种电力电子器件不同，场效应晶体管FET（FieldEffectTransistor）是一种单极型器件，即参与导电的只有一种载流子（前面所讲述的各种器件工作时有两种载流子参与导电，称为双极型器件）。场效应管分为结型和绝缘栅型两大类。电力电子技术中最常用的功率场效应管属于金属-氧化物-半导体场效应晶体管MOSFET（MetalOxideSemiconductorFET），为绝缘栅型。1．MOSFET的结构和工作原理电力电子技术的大功率MOSFET和小功率的MOSFET在结构上是有区别的，功率MOSFET采用垂直导电的结构，称为VMOSFET（Vertical-MOSFET），并且也由许多个单元并联而成组成“胞元结构”。VMOSFET有VVMOSFET和VDMOSFET两种形式。下以VDMOSFET为例说明功率MOSFET的工作原理。VDMOSFET的结构示意图如图1-8。源极所连接的N型区域被P型材料包围，形成一个个孤立的“小岛”，漏极在器件的下部（所以叫垂直导电结构），漏极连接的N型材料形成一个“凸”型，向上一直延伸到栅极的下面。漏极区域与源极区域之间被P型材料隔离，P型材料的上端是氧化物绝缘材料，再向上为栅极。这种结构可以大大缩短导电沟道的长度，载流子通过导电沟道后做垂直方向的运动，可以通过更大的电流。氧化物绝缘层电子流SGNPPNNN+D金属图1-8VDMOSFET的结构和电路符号栅极不加电压的情况下，介于源极N型区域和漏极N型材料“凸”型部分上端的N型区域之间的P型材料的两侧形成两个P-N结，由于其阻挡作用无论源漏之间的电压方向如何都会有一个P-N结反偏，不可能有电流通过，器件处于阻断状态。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn如果栅极加正电压，由于电场的作用，栅极下面P型材料中的多数载流子空穴被排斥，向下运动，同时栅极的正电压又把P型材料中的少数载流子电子吸引到P型材料的上部，这样“小岛”和“凸”型上部之间的P型材料中就形成一段反型层，并把两侧的N型区连接起来，消除了P-N结的阻挡作用。通常漏极接电源正，源极接电源负，电流可以从漏极的N区通过P区的反型层到达源极的N区，器件导通。栅极施加的正电压越高，反型层越深，漏源之间的电流就越大。不难看出，这种结构的MOSFET属于“增强型”，栅极不加电压时漏极电流为0，栅极加正向电压时才能形成漏极电流。2．功率MOSFET的特性（1）转移特性因为MOSFET没有栅极电流，不可能有象晶体管那样的反映输出电压和输入电流的输入特性曲线，但通过改变栅极电压的大小可以控制VDMOSFET的漏极电流（输出电流）。可以通过转移特性曲线描述栅极电压对漏极电流的控制能力，如图1-9（a）。图中Uth称为开启电压或门槛电压，如果UGSUth，漏极电流为0。UGSUth后开始出现漏极电流，并且UGS越大，漏极电流就越大。(a)转移特性(b)输出特性图1-9MOSFET的特性曲线（2）输出特性VDMOSFET的输出特性曲线如图1-9（b），反映漏极电流ID与漏源之间的电压UDS的关系。由图可见，它类似与晶体管的输出特性曲线族，不同的是每条曲线的参数是UGS而双极型晶体管以IB作为参数。VDMOSFET输出特性曲线也分三个区域，当UGS≤Uth时为截止区，漏极电流极小。在UDS很小的一个范围，ID随UDS的增大而增大，该区域称为非饱和区或可变电阻区，相当于双极型晶体管的“饱和区”。UDS增大到一定的程度，ID基本不随UDS变化，在栅极电压一定的情况下，器件呈恒流特性，该区域称为饱和区，该区域中PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn栅极电压可以控制漏极电流变化，相当与双极型晶体管的放大区。应该注意的是：“饱和”对于双极型晶体管和场效应晶体管是两个不同的概念。（3）动态特性MOSFET的栅极和源极之间是绝缘的，两极之间的电阻可视为无穷大，但存在着电容效应。由于这个等效电容的存在，当栅源之间加正电压使其导通、加负电压（或短接）使其关断时，电容必然要有一个充放电过程，亦即栅源极之间的电压不可能突变，因此漏极与源极之间的通断要滞后与栅源之间的控制信号电压一段时间。MOSFET导通和关断中有关电量的变化情况如图1-10所示。由于驱动信号源中不可避免地存在着电阻，驱动信号源的电压做阶跃变化时MOSFET的栅源之间的电压uGS有一个充放电的过程而不会随信号源电压跳变。tontofftrtftdtsiD000tttUthUPugus图1-10MOSFET