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1、第四讲 全控控型电力力电子器器件4.1 概述门极可关关断晶闸闸管(Gatte-TTurnn-Offf TThyrristtor GTTO)在晶闸闸管问世世后不久久出现;20世纪纪80年代代以来,信信息电子子技术与与电力电电子技术术在各自自发展的的基础上上相结合合高频频化、全全控型、采采用集成成电路制制造工艺艺的电力力电子器器件,从从而将电电力电子子技术又又带入了了一个崭崭新时代代;典型代表表门极极可关断断晶闸管管、电力力晶体管管(Giaant TraansiistoorGTRR)、电力力场效应应晶体管管(Powwer MOSSFETT )、绝绝缘栅双双极晶体体管(Inssulaatedd-ga
2、ate Bippolaar Trranssisttor IIGBTT或IGTT)。4.2 门极可可关断晶晶闸管(Gatte-TTurnn-Offf TThyrristtor GTTO)门极可关关断晶闸闸管是晶晶闸管的的一种派派生器件件;可以通过过在门极极施加负负的脉冲冲电流使使其关断断;GTO的的电压、电电流容量量较大,与与普通晶晶闸管接接近,因因而在兆兆瓦级以以上的大大功率场场合仍有有较多的的应用。4.2.1 GGTO的的结构和和工作原原理结构:与普通晶晶闸管的的相同点点: PPNPNN四层半半导体结结构,外外部引出出阳极、阴阴极和门门极;和普通晶晶闸管的的不同:GTOO是一种种多元的的功率
3、集集成器件件,内部部包含数数十个甚甚至数百百个共阳阳极的小小GTOO元,这这些GTTO元的的阴极和和门极则则在器件件内部并并联在一一起。图1 GTOO的内部部结构和和电气图图形符号号a) 各各单元的的阴极、门门极间隔隔排列的的图形 b) 并联联单元结结构断面面示意图图 cc) 电电气图形形符号工作原理理:与普通晶晶闸管一一样,可可以用图图2所示示的双晶晶体管模模型来分分析是器件临临界导通通的条件件。当aa1+a21时,两两个等效效晶体管管过饱和和而使器器件导通通;当aa1+a2 BUceex BUcees BUceer Buceeo实际使用用时,为为确保安安全,最最高工作作电压要要比BUUce
4、oo低得多多2)集电电极最大大允许电电流IcM通常规定定为hFE下降降到规定定值的11/21/33时所对对应的IIc实际使用用时要留留有裕量量,只能能用到IIcM的一半半或稍多多一点3) 集集电极最最大耗散散功率PPcM最高工作作温度下下允许的的耗散功功率产品说明明书中给给PcM时同时时给出壳壳温TC,间接接表示了了最高工工作温度度4.3.5 GGTR的的二次击击穿现象象与安全全工作区区一次击穿穿集电极电电压升高高至击穿穿电压时时,Ic迅速增增大,出出现雪崩崩击穿只要Icc不超过过限度,GTR一般不会损坏,工作特性也不变二次击穿穿一次击穿穿发生时时Ic增大到到某个临临界点时时会突然然急剧上上升
5、,并并伴随电电压的陡陡然下降降常常立即即导致器器件的永永久损坏坏,或者者工作特特性明显显衰变安全工作作区(SSafee Opperaatinng AAreaaSSOA)最高电压压UceM、集电电极最大大电流IIcM、最大大耗散功功率PcM、二次次击穿临临界线限限定图1-118 GTRR的安全全工作区区4.4电电力场效效应晶体体管也分为结结型和绝缘栅栅型(类类似小功功率Fiieldd Efffecct TTrannsisstorrFFET)但通常主主要指绝绝缘栅型型中的MOOS型(Mettal Oxiide Seemiccondducttor FETT)简称电力力MOSSFETT(Powwer
6、MOSSFETT)结型电力力场效应应晶体管管一般称称作静电电感应晶晶体管(Static Induction TransistorSIT)特点用栅极极电压来来控制漏漏极电流流驱动电路路简单,需需要的驱驱动功率率小开关速度度快,工工作频率率高热稳定性性优于GGTR电流容量量小,耐耐压低,一一般只适适用于功功率不超超过100kW的的电力电电子装置置4.4.1 电电力MOOSFEET的结结构和工工作原理理电力MOOSFEET的种种类按导电沟沟道可分分为P沟道和N沟道耗尽型当栅栅极电压压为零时时漏源极极之间就就存在导导电沟道道增强型对于于N(P)沟道道器件,栅栅极电压压大于(小小于)零零时才存存在导电电
7、沟道电力MOOSFEET主要要是N沟道增增强型电力MOOSFEET的结结构图1-119 电力MOOSFEET的结结构和电电气图形形符号导通时只只有一种种极性的的载流子子(多子子)参与与导电,是是单极型型晶体管管导电机理理与小功功率MOOS管相相同,但但结构上上有较大大区别电力MOOSFEET的多多元集成成结构国际整流流器公司司(Innterrnattionnal Recctiffierr)的HEEXFEET采用用了六边边形单元元西门子公公司(SSiemmenss)的SIIPMOOSFEET采用用了正方方形单元元摩托罗拉拉公司(Motorola)的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列小功率MM
8、OS管管是横向向导电器器件电力MOOSFEET大都都采用垂垂直导电电结构,又又称为 VMOOSFEET(Verrticcal MOSSFETT)大大大提高了了 MOOSFEET器件件的耐压压和耐电电流能力力按垂直导导电结构构的差异异,又分分为利用用V型槽实实现垂直直导电的的VVMMOSFFET和和具有垂垂直导电电双扩散散结构的的VDMMOSFFET(Verrticcal Douublee-diiffuusedd MMOSFFET)这里主要要以VDDMOSS器件为为例进行行讨论电力MOOSFEET的工工作原理理截止:漏漏源极间间加正电电源,栅栅源极间间电压为为零P基区与与N漂移区区之间形形成的P
9、PN结J1反偏,漏漏源极之之间无电电流流过过导电:在在栅源极极间加正正电压UUGS栅极是绝绝缘的,所所以不会会有栅极极电流流流过。但但栅极的的正电压压会将其其下面PP区中的的空穴推推开,而而将P区中的的少子电子子吸引到到栅极下下面的PP区表面面当UGSS大于UT(开启启电压或或阈值电电压)时时,栅极极下P区表面面的电子子浓度将将超过空空穴浓度度,使PP型半导导体反型型成N型而成成为反型型层,该该反型层层形成NN沟道而而使PNN结J1消失,漏漏极和源源极导电电4.4.2电力力MOSSFETT的基本本特性1)静态态特性a) 转转移特性性 b) 输出特特性图1-220 电力MOOSFEET的转转移特
10、性性和输出出特性漏极电流流ID和栅源源间电压压UGS的关关系称为为MOSSFETT的转移移特性ID较大大时,IID与UGS的关关系近似似线性,曲曲线的斜斜率定义义为跨导导GfsMOSFFET的的漏极伏伏安特性性(输出出特性):截止区(对对应于GGTR的的截止区区)饱和区(对对应于GGTR的的放大区区)非饱和区区(对应应于GTTR的饱饱和区)电力MOOSFEET工作作在开关关状态,即即在截止止区和非非饱和区区之间来来回转换换电力MOOSFEET漏源源极之间间有寄生生二极管管,漏源源极间加加反向电电压时器器件导通通电力MOOSFEET的通通态电阻阻具有正正温度系系数,对对器件并并联时的的均流有有利
11、2)动态态特性图1-221 电力MOOSFEET的开开关过程程a) 测测试电路路 bb) 开开关过程程波形up脉脉冲信号号源,RRs信号源源内阻,RG栅极电阻,RL负载电阻,RF检测漏极电流开通过程程(开关关过程图图)开通延迟迟时间ttd(oon) up前沿时时刻到uuGS=UT并开始始出现iiD的时刻刻间的时时间段上升时间间truGS从uT上升到到MOSSFETT进入非非饱和区区的栅压压UGSPP的时间间段iD稳态态值由漏漏极电源源电压UUE和漏极极负载电电阻决定定UGSPP的大小小和iD的稳态态值有关关UGS达达到UGSPP后,在在up作用下下继续升升高直至至达到稳稳态,但但iD已不变变开
12、通时间间ton开通延延迟时间间与上升升时间之之和关断过程程(开关关过程图图)关断延迟迟时间ttd(ooff) up下降到到零起,Cin通过Rs和RG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间tfuGS从UGSPP继续下下降起,iD减小,到uGS20V将导致绝缘层击穿4) 极极间电容容极间电电容CGS、CGD和CDS厂家提供供:漏源源极短路路时的输输入电容容Cisss、共源源极输出出电容CCosss和反向向转移电电容CrsssCisss= CGSS+ CGDD(1-114)Crsss= CGDD(1-115)Cosss= CDSS+ CGDD(1-116)输入电容容
13、可近似似用Cisss代替这些电容容都是非非线性的的漏源间的的耐压、漏漏极最大大允许电电流和最最大耗散散功率决决定了电电力MOOSFEET的安安全工作作区MOSFFET正正向偏置置安全工工作区(图中的的时间表表示脉冲冲宽度)一般来说说,电力力MOSSFETT不存在在二次击击穿问题题,这是是它的一一大优点点实际使用用中仍应应注意留留适当的的裕量4.5绝绝缘栅双双极晶体体管GTR和和GTOO的特点点双极极型,电电流驱动动,有电电导调制制效应,通通流能力力很强,开开关速度度较低,所所需驱动动功率大大,驱动动电路复复杂。MOSFFET的的优点单极极型,电电压驱动动,开关关速度快快,输入入阻抗高高,热稳稳
14、定性好好,所需需驱动功功率小而而且驱动动电路简简单两类器件件取长补补短结合合而成的的复合器器件BBi-MMOS器器件绝缘栅双双极晶体体管(IInsuulatted-gatte BBipoolarr Trranssisttor IIGBTT或IGTT)GTR和和MOSSFETT复合,结结合二者者的优点点,具有有好的特特性19866年投入入市场后后,取代代了GTTR和一一部分MMOSFFET的的市场,中小功功率电力力电子设设备的主主导器件件继续提高高电压和和电流容容量,以以期再取取代GTTO的地地位4.5.1 IIGBTT的结构构和工作作原理IGBTT是三端端器件:栅极GG、集电电极C和发射射极E
15、图1-222 IGBBT的结结构、简简化等效效电路和和电气图图形符号号a) 内内部结构构断面示示意图 b) 简化化等效电电路 c) 电气图图形符号号IGBTT的结构构(显示示图)图1-222aN沟道道VDMMOSFFET与与GTRR组合N沟道道IGBBT(N-IIGBTT)IGBTT比VDMMOSFFET多多一层PP+注入区区,形成成了一个个大面积积的P+N结J1使IIGBTT导通时时由P+注入区区向N基区发发射少子子,从而而对漂移移区电导导率进行行调制,使使得IGGBT具具有很强强的通流流能力简化等效效电路表表明,IIGBTT是GTRR与MOSSFETT组成的的达林顿顿结构,一一个由MMOS
16、FFET驱驱动的厚厚基区PPNP晶晶体管RN为晶晶体管基基区内的的调制电电阻IGBTT的原理理驱动原理理与电力力MOSSFETT基本相相同,场场控器件件,通断断由栅射射极电压压uGE决定定导通:uuGE大于于开启电电压UGE(th)时,MOOSFEET内形形成沟道道,为晶晶体管提提供基极极电流,IGBT导通导通压降降:电导导调制效效应使电电阻RN减小,使使通态压压降小关断:栅栅射极间间施加反反压或不不加信号号时,MMOSFFET内内的沟道道消失,晶晶体管的的基极电电流被切切断,IIGBTT关断4.5.2 IIGBTT的基本本特性1)IGGBT的的静态特特性图1-223 IGBBT的转转移特性性
17、和输出出特性a) 转转移特性性 bb) 输输出特性性转移特性性IC与UGE间的的关系,与与MOSSFETT转移特特性类似似开启电压压UGE(th)IIGBTT能实现现电导调调制而导导通的最最低栅射射电压UGE(th)随温度度升高而而略有下下降,在在+255C时,UGE(tth)的的值一般般为26V输出特性性(伏安安特性)以UGE为参考变量时,IC与UCE间的关系分为三个个区域:正向阻阻断区、有有源区和和饱和区区。分别别与GTTR的截截止区、放放大区和和饱和区区相对应应uCE0时,IGGBT为为反向阻阻断工作作状态2) IIGBTT的动态态特性图1-224 IGBBT的开开关过程程IGBTT的开
18、通通过程(开开关过程程图)与与MOSSFETT的相似似,因为为开通过过程中IIGBTT在大部部分时间间作为MMOSFFET运运行开通延迟迟时间ttd(oon) 从从uGE上升升至其幅幅值100%的时时刻,到到iC上升至至10% ICMM 电流上升升时间ttriC从10%ICM上升升至900%ICM所需需时间开通时间间ton开通延延迟时间间与电流流上升时时间之和和uCE的的下降过过程分为为tfv11和tfv22两段。ttfv11IIGBTT中MOSSFETT单独工工作的电电压下降降过程;tfv22MMOSFFET和和PNPP晶体管管同时工工作的电电压下降降过程IGBTT的关断断过程(开开关过程程
19、图)关断延迟迟时间ttd(ooff) 从uGE后沿沿下降到到其幅值值90%的时刻刻起,到到iC下降至至90%ICM电流下降降时间ttfiC从90%ICM下降降至100%ICM关断时间间tofff关断断延迟时时间与电电流下降降之和电流下降降时间又又可分为为tfi11和tfi22两段。tfi11IIGBTT内部的的MOSSFETT的关断断过程,iC下降较快;tfi22IIGBTT内部的的PNPP晶体管管的关断断过程,iC下降较慢IGBTT中双极极型PNNP晶体体管的存存在,虽虽然带来来了电导导调制效效应的好好处,但但也引入入了少子子储存现现象,因因而IGGBT的的开关速速度低于于电力MMOSFFE
20、TIGBTT的击穿穿电压、通通态压降降和关断断时间也也是需要要折衷的的参数4.5.3IGGBT的的主要参参数1) 最最大集射射极间电电压UCESS由内部部PNPP晶体管管的击穿穿电压确确定2)最大大集电极极电流包包括额定定直流电电流IC和1mss脉宽最最大电流流ICP3)最大大集电极极功耗PPCM正常常工作温温度下允允许的最最大功耗耗IGBTT的特性性和参数数特点1.开关关速度高高,开关关损耗小小。在电电压10000VV以上时时,开关关损耗只只有GTTR的1/110,与与电力MMOSFFET相相当2.相同同电压和和电流定定额时,安安全工作作区比GGTR大大,且具具有耐脉脉冲电流流冲击能能力3.
21、通态态压降比比VDMMOSFFET低低,特别别是在电电流较大大的区域域4.输入入阻抗高高,输入入特性与与MOSSFETT类似5.与MMOSFFET和和GTRR相比,耐耐压和通通流能力力还可以以进一步步提高,同同时保持持开关频频率高的的特点4.5.4IGGBT的的擎住效效应和安安全工作作区图1-222 IGBBT的结结构、简简化等效效电路和和电气图图形符号号a) 内内部结构构断面示示意图 b) 简化化等效电电路 c) 电气图图形符号号寄生晶闸闸管由一个个N-PN+晶体管管和作为为主开关关器件的的P+N-P晶体管管组成正偏安全全工作区区(FBSSOA) 最大集集电极电电流、最最大集射射极间电电压和最最大集电电极功耗耗确定反向偏置置安全工工作区(RBSSOA) 最大集集电极电电流、最最大集射射极间电电压和最最大允许许电压上上升率dduCE/ddt确定定擎住效应应或自锁锁效应该电阻上上产生压压降,相相当于对对J3结施加加正偏压压,一旦旦J3开通,栅栅极就会会失去对对集电极极电流的的控制作作用,电电流失控控动态擎住住效应比比静态擎擎住效应应所允许许的集电电极电流流小擎住效应应曾限制制IGBBT电流流容量提提高,220世纪纪90年代代中后期期开始逐逐渐解决决IGBTT往往与与反并联联的快速速二极管管封装在在一起,制制成模块块,成为为逆导器器件
限制150内