第2章电力电子器件2

典型全控型器件2.4.1门极可关断晶闸管2.4.2电力晶体管2.4.3电力场效应晶体管2.4.4绝缘栅双极晶体管2.4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、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。典型全控型器件2.4门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）1964年，美国第一次试制成功了500V/10A的GTO。在此后的近10年内，GTO的容量一直停留在较小水平，只在汽车点火装置和电视机行扫描电路中进行试用。自70年代中期开始，GTO的研制取得突破，相继出世了1300V/600A、2500V/1000A、4500V/2400A的产品，目前已达9kV/25kA/800Hz及6kV/6kA/1kHz的水平。2.4.1GTO有对称、非对称和逆导三种类型。与对称GTO相比，非对称GTO通态压降小、抗浪涌电流能力强、易于提高耐压能力（3000Ｖ以上）。逆导型GTO是在同一芯片上将GTO与整流二极管反并联制成的集成器件，不能承受反向电压，主要用于中等容量的牵引驱动中。在当前各种自关断器件中，GTO容量最大、工作频率最低（1～2kHz）。GTO是电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反向驱动电流；GTO通态压降大、dV/dT及di/dt耐量低，需要庞大的吸收电路。目前，GTO虽然在低于2000V的某些领域内已被GTR和IGRT等所替代，但它在大功率电力牵引中有明显优势；今后，它也必将在高压领域占有一席之地。2.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点：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。c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK图2-13GTO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2-7所示的双晶体管模型来分析。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图2-7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。当1+21时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当1+21时，不能维持饱和导通而关断。•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α1和α2。门极可关断晶闸管2.4.1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：门极可关断晶闸管2.4.1（1）设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断。（2）导通时1+2更接近1（1.05，普通晶闸管1+21.15）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。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)图2-7晶闸管的工作原理由上述分析我们可以得到以下结论：•GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。•GTO关断过程：强烈正反馈——门极加负脉冲即从门极抽出电流，则Ib2减小，使IK和Ic2减小，Ic2的减小又使IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流。当IA和IK的减小使1+21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di/dt能力强。门极可关断晶闸管2.4.12.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td和上升时间tr。Ot0t图1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6图2-14GTO的开通和关断过程电流波形门极可关断晶闸管2.4.1关断过程：与普通晶闸管有所不同•抽取饱和导通时储存的大量载流子——储存时间ts，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tf。•残存载流子复合——尾部时间tt。•通常tf比ts小得多，而tt比ts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，ts越短。•门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍保持适当负电压，则可缩短尾部时间。Ot0t图1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6GTO的开通和关断过程电流波形门极可关断晶闸管2.4.13.GTO的主要参数门极可关断晶闸管2.4.1——延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1~2s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。——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2s。2)关断时间toff1)开通时间ton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。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。3)最大可关断阳极电流IATO门极可关断晶闸管2.4.14)电流关断增益offGMATOoffII=（2-8）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。——GTO额定电流。——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。术语用法：•电力晶体管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）•耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有时候也称为PowerBJT。•在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。电力晶体管2.4.2GTR是一种电流控制的双极双结电力电子器件，产生于本世纪70年代。额定值已达1800V/800A/2kHz、1400V/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备晶体管的固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。2.GTR的结构和工作原理图1-15a)基极bP基区N漂移区N+衬底基极b发射极c集电极cP+P+N+b)bec空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ib图2-15GTR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)内部载流子的流动电力晶体管2.4.2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。在应用中，GTR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（2-9）——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，ic和ib的关系为ic=ib+Iceo（2-10）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hFE。单管GTR的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。bcii=电力晶体管2.4.22.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，要经过放大区截止区放大区饱和区图1-16OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce图2-16共发射极接法时GTR的输出特性电力晶体管2.4.2(2)动态特性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。图1-17ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd图2-17GTR的开通和关断过程电流波形电力晶体管2.4.2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。图1-17ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtdGTR的开通和关断过程电流波形电力晶体管2.4.23.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。电力晶体管2.4.2安全工作区（SafeOperatingArea——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。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图2-18GTR的安全工作区电力晶体管2.4.2也分为结型和绝缘栅型（类似小功率FieldEffectTransistor——FET）但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）简称电力MOSFET（PowerMOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor——SIT）电力场效应晶体管2.4.3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。——电力MOSFET的工作频率在所有电力电子器件中是最高的。•但电流容量小，耐压低，只适用于小功率电力电子的装置。•目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。电力场效应晶体管2.4.31.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沟道增强型电力场效应晶体管2.4.3电力MOSFET的结构与符号N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图2-19电力MOSFET的结构和电气图形符号电力场效应晶体管2.4.3电力场效应晶体管2.4.3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，不同的生产厂家采用了不同设计。•国际整流器公司（InternationalRectifier）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M