第四讲第四讲第四讲第四讲全控型器件及其他新型全控型器件及其他新型 电力电子器件电力电子器件教师：孔祥新地点：JC202曲阜师范大学 电气信息与自动化学院1回顾回顾-整流器件的应用整流器件的应用功率二极管的基本特性：PNAKAKVD具有单向导电性2功率二极管的类型功率二极管的类型整流二极管：通态正向压降很低，反向阻断电压和工作电流可以高达几千伏和几千安，但反向恢复时间较长。多用于开关频率不高的场合，一般在1KHz以下。快速恢复二极管：恢复时间短，尤其是反向恢复时间短，一般在5微秒以内，多用于与可控开关配合的高频电路中。肖特基二极管是以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管，其反向恢复的时间更短。适用于较低输出电压和要求较低正向管压降的换流电路中。3二极管的应用二极管的应用续流限幅钳位稳压整流倍压整流44.1门极可关断晶门极可关断晶闸管闸管结构结构：与普通晶闸管的相相同同点点：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不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。图1-13GTO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1）GTO的结构和工作原理的结构和工作原理54.1门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管工作原理工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 1 1+ + 2 2=1=1是器件临界导通的条件。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 1和 2 2。64.1门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管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区别：设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO。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。图1-7晶闸管的工作原理74.1门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管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关断过程中有强烈正反馈使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 。由上述分析我们可以得到以下结论结论：84.1门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管开开通通过过程程：与普通晶闸管相同关关断断过过程程：与普通晶闸管有所不同储储存存时时间间ts，使等效晶体管退出饱和。下降时间下降时间tf尾尾部部时时间间tt残存载流子复合。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，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6图1-14GTO的开通和关断过程电流波形2)GTO的动态特性的动态特性94.1门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管3)GTO的主要参数的主要参数延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于2s。（2）关断时间关断时间toff（1）开通时间开通时间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。104.1门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（3）最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO（4）电流关断增益电流关断增益 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。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。（1-8）114.2电力晶体管电力晶体管电力晶体管（GiantTransistorGTR，直译为巨型晶体管）。耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistorBJT），英文有时候也称为PowerBJT。DATASHEET12应用应用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。术语用法术语用法：12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。4.2电力晶体管电力晶体管1）GTR的结构和工作原理的结构和工作原理图1-15GTR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134.2电力晶体管电力晶体管在应用中，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（1-9） GTR的电流放大系数电流放大系数，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（1-10）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。空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib1）GTR的结构和工作原理的结构和工作原理144.2电力晶体管电力晶体管(1)静态特性静态特性共发射极接法时的典型输出特性：截截止止区区、放放大大区区和饱和区饱和区。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。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2BUcexBUcesBUcerBuceo。实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。3）GTR的主要参数的主要参数174.2电力晶体管电力晶体管通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3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。2)集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM184.2电力晶体管电力晶体管一次击穿一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿二次击穿：一次击穿发生时，Ic突然急剧上升，电压陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。安安 全全 工工 作作 区区 （ SafeOperatingAreaSOA）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1-18GTR的安全工作区4)GTR的二次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区194.3电力场效应晶体管电力场效应晶体管分为结型结型和绝缘栅型绝缘栅型通常主要指绝绝缘缘栅栅型型中的MOS型型（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（StaticInductionTransistorSIT）特点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。电力场效应晶体管电力场效应晶体管204.3电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力MOSFET的种类的种类按导电沟道可分为P沟道沟道和N沟道沟道。耗耗尽尽型型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。增增强强型型对于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沟道增强型沟道增强型。DATASHEET1）电力）电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理214.3电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力MOSFET的结构的结构是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号224.3电力场效应晶体管电力场效应晶体管小功率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（VerticalMOSFET）。按垂直导电结构的差异，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MOS结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。电力电力MOSFET的结构的结构234.3电力场效应晶体管电力场效应晶体管截止截止：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型而成为反反型型层层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号电力电力MOSFET的工作原理的工作原理244.3电力场效应晶体管电力场效应晶体管(1)静态特性静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性转移特性。ID较大时，ID与与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导跨导Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性2）电力）电力MOSFET的基本特性的基本特性254.3电力场效应晶体管电力场效应晶体管截止区截止区（对应于GTR的截止区）饱和区饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区非饱和区（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。图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性MOSFET的漏极伏安特性的漏极伏安特性：010203050402468a)10203050400b)10 20 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A264.3电力场效应晶体管电力场效应晶体管开通过程开通过程开通延迟时间开通延迟时间td(on)上升时间上升时间tr开开通通时时间间ton开通延迟时间与上升时间之和关断过程关断过程关断延迟时间关断延迟时间td(off)下降时间下降时间tf关关断断时时间间toff关断延迟时间和下降时间之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图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(2)动态特性动态特性274.3电力场效应晶体管电力场效应晶体管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Rs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。MOSFET的开关速度的开关速度284.3电力场效应晶体管电力场效应晶体管3)电力电力MOSFET的主要参数的主要参数电力MOSFET电压定额(1)漏极电压漏极电压UDS(2)漏极直流电流漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值IDM电力MOSFET电流定额(3)栅源电压栅源电压UGSUGS20V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)极间电容极间电容极间电容CGS、CGD和CDS294.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管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-gateBipolarTransistorIGBT或IGT）(DATASHEET12)GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。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。304.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1)IGBT的结构和工作原理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1-22IGBT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314.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管图1-22aN沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，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。图1-22IGBT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的结构的结构324.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导导通通：uGE大于开开启启电电压压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关关断断：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的原理的原理33a)b)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2)IGBT的基本特性的基本特性(1)IGBT的静态特性的静态特性图1-23IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性转移特性转移特性IC与UGE间的关系(开启电开启电压压UGE(th)输出特性输出特性分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。344.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM图1-24IGBT的开关过程IGBT的开通过程的开通过程与MOSFET的相似开通延迟时间开通延迟时间td(on)电流上升时间电流上升时间tr 开通时间开通时间tonuCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。 tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程； tfv2MOSFET和 PNP晶体管同时工作的电压下降过程。(2)IGBT的的动动态态特性特性354.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管图1-24IGBT的开关过程关断延迟时间关断延迟时间td(off）电流下降时间电流下降时间关断时间关断时间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。IGBT的关断过程的关断过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM364.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管3)IGBT的主要参数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)最大集电极电流最大集电极电流由内部PNP晶体管的击穿电压确定。(1)最大集射极间电压最大集射极间电压UCES374.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的特性和参数特点可以总结如下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。384.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管擎住效应或自锁效应擎住效应或自锁效应：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。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。反向偏置安全工作区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集电极功耗确定。正偏安全工作区正偏安全工作区（FBSOA）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。NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，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。391.5其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件1.5.1MOS控制晶闸管控制晶闸管MCT1.5.2静电感应晶体管静电感应晶体管SIT1.5.3静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITH1.5.4集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT1.5.5功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路401.5.1MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT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。一个MCT器件由数以万计的MCT元组成。每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。MCT（MOSControlledThyristor）MOSFET与晶闸管的复合(DATASHEET)411.5.2静电感应晶体管静电感应晶体管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。缺点缺点：栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正正常常导导通通型型器件，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（StaticInductionTransistor）结型场效应晶体管421.5.3静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITH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，但也有正常关断型。此外，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。SITH（StaticInductionThyristor）场控晶闸管（FieldControlledThyristorFCT）431.5.4集成门极换流晶闸集成门极换流晶闸管管IGCT20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍。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。DATASHEET12IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）GCT（Gate-CommutatedThyristor）441.5.5功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路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，称为功功率率集集成成电电路路（PowerIntegratedCircuitPIC）。DATASHEET基本概念基本概念451.5.5功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路高高压压集集成成电电路路（HighVoltageICHVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智智能能功功率率集集成成电电路路（SmartPowerICSPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智智能能功功率率模模块块（IntelligentPowerModuleIPM）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（IntelligentIGBT）。实际应用电路实际应用电路461.5.5功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。发展现状发展现状47