第2章电力电子器件2012.ppt

2.1 电力电子器件概述 2.2 不可控器件电力二极管 2.3 半控型器件晶闸管 2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块 本章小结,第2章 电力电子器件,2,引言,模拟和数字电子电路的基础 晶体管和集成 电路等电子器件 电力电子电路的基础 电力电子器件 本章主要内容： 电力电子器件的概念、特点和分类 常用电力电子器件的工作原理、基本特性、 主要参数 选择和使用中应注意的一些问题。,3,2.1 电力电子器件概述,2.1.1 电力电子器件的概念和特征 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类 2.1.4 本章内容和学习要点,4,2.1.1 电力电子器件的概念和特征,电力电子器件的概念 电力电子器件（Power Electronic Device）是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 主电路：在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。 广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。,5,电力电子器件的特征 电功率-承受电压和电流的能力-最重要的参数。 开关状态-减小本身的损耗，提高效率。 驱动电路-由信息电子电路来控制。 功率损耗-远大于信息电子器件-安装散热器。,2.1.1 电力电子器件的概念和特征,6,通态损耗,断态损耗,开关损耗,开通损耗,关断损耗,电力电子器件的功率损耗,大小？,2.1.1 电力电子器件的概念和特征,通态损耗：是电力电子器件功率损耗的主要成因。 开关损耗：当器件的开关频率较高时，会随之增 大而可能成为器件功率损耗的主要因素。,7,系统构成-控制电路；驱动电路；主电路,图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成,2.1.2 系统组成,电气隔离,8,2.1.3 电力电子器件的分类,按照能够被控制电路信号所控制的程度分类 半控型器件 晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。 关断完全是由其承受的电压和电流决定的。 全控型器件 目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。 不可控器件 电力二极管（Power Diode） 不能用控制信号来控制其通断。,9,按照驱动信号的性质分类 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。,2.1.3 电力电子器件的分类,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。,10,按照载流子参与导电的情况分类 单极型器件 由一种载流子参与导电。 双极型器件 由电子和空穴两种载流子参与导电。 复合型器件 由单极型器件和双极型器件集成混合而 成，也称混合型器件。,2.1.3 电力电子器件的分类,11,2.1.4 本章内容和学习要点,本章内容 介绍各种电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。 学习要点 最重要的是掌握其基本特性。 掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法。 了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。 了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。,12,2.2 不可控器件电力二极管,2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数 2.2.4 电力二极管的主要类型,13,2.2 电力二极管·引言,电力二极管（Power Diode）自20世纪50年代初期就获得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。 在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基二极管，具有不可替代的地位。,整流二极管及模块,14,2.2.1 电力二极管的工作原理,电力二极管-一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。 从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。,图2-2 a) 外形 b) 基本结构 c) 电气图形符号,15,2.2.1电力二极管的工作原理,二极管的基本原理PN结的单向导电性 当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF，这就是PN结的正向导通状态。 当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。,16,2.2.1电力二极管的工作原理, PN结-反向耐压能力：但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。 按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式 。 反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。 否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。,17,2.2.1电力二极管的工作原理,PN结的电容效应 称为结电容CJ ，又称为微分电容 按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD 势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。 扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。 结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。,18,2.2.2 电力二极管的基本特性,静态特性-伏安特性 正向电压降UF-电压大到一定值（门槛 电压UTO ），正向电流才开始 明显增加，处于稳定导通状态。与IF对应的电力二极管两端的电压。 反向漏电流-承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的电流。,图2-5 电力二极管的伏安特性,19,u,图2-6 电力二极管的动态过程波形 正向偏置转换为反向偏置,动态特性 通态和断态之间转换过程的开关特性-结电容的存在，电压电流特性是随时间变化的。 由正向偏置转换为反向偏置 电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。 在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。 延迟时间：td=t1-t0 电流下降时间：tf =t2- t1 反向恢复时间：trr=td+ tf,2.2.2 电力二极管的基本特性,t1:反向电流达最大值的时刻,t0:正向电流降为零的时刻,t2:电流变化率接近于零的时刻,20,2.2.2 电力二极管的基本特性,由零偏置转换为正向偏置 先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。 正向恢复时间tfr 出现电压过冲的原因:电 导调制效应起作用所需的大量 少子需要一定的时间来储存， 在达到稳态导通之前管压降较 大；正向电流的上升会因器件 自身的电感而产生较大压降。 电流上升率越大，UFP越高。,图2-6 电力二极管的动态过程波形 b) 零偏置转换为正向偏置,21,2.2.3 电力二极管的主要参数,正向平均电流IF(AV),指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。, IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。,22,正向压降UF 指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。 反向重复峰值电压URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用时，应当留有两倍的裕量。,2.2.3 电力二极管的主要参数,23,2.2.3 电力二极管的主要参数,最高工作结温TJM 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。 TJM通常在125175C范围之内。 反向恢复时间trr 浪涌电流IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。,24,2.2.4 电力二极管的主要类型,按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性 能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用 的电力二极管。 普通二极管（General Purpose Diode） 整流二极管-（1kHz以下）整流电路中。 反向恢复时间较长，一般在5s以上 。 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。,25,2.2.4 电力二极管的主要类型,快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD） 反向恢复过程很短（5s以下） 快恢复外延二极管 -采用外延型P-i-N结构， （可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右）。 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等 级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则 在100ns以下，甚至达到2030ns。,26,2.2.4 电力二极管的主要类型,肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD） 属于多子器件 反向恢复时间很短（1040ns） 正向压降很小 开关损耗和正向导通损耗小，效率高。 弱点在于：耐压低（200V）,27,2.3 半控型器件晶闸管,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 2.3.2 晶闸管的基本特性 2.3.3 晶闸管的主要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件,28,2.3 半控器件晶闸管·引言,晶闸管（Thyristor） 可控硅整流器(SCR)(可控硅) （Silicon Controlled Rectifier。 1956年美国贝尔实验室（Bell Laboratories）发明了晶闸管，到1957年美国通用电气公司（General Electric）开发出了世界上第一只 晶闸管产品，并于1958年使其商业化。,29,2.3 半控器件晶闸管·引言,晶闸管及模块,由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。,30,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,晶闸管的结构 外形-主要有螺栓型和平板型封装结构 。 引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。 内部是PNPN四层半导体结构。,图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号,31,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,图2-8 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理,晶闸管的工作原理 按照晶体管工作原理，可列出如下方程：,式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。,32,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,由以上式（2-1）（2-4）可得,(2-5),晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。,33,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,阻断状态,IG=0,1+2很小,漏电流,IG0,1+2 ,IA（阳极电流）,饱和导通,外电路负载的限制,34,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,除门极触发外其他可能导通的情况 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光触发 光触发-良好绝缘-应用于高压电力设备中,35,2.3.2 晶闸管的基本特性,静态特性 正常工作时的特性 当晶闸管承受反向电压时，不论门极是 否有触发电流，晶闸管都不会导通 。 当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有 触发电流的情况下晶闸管才能开通 。,导通条件,36,2.3.2 晶闸管的基本特性,晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，晶闸管保持导通 。 若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加反向电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。,关断条件,37,2.3.2 晶闸管的基本特性,晶闸管的伏安特性 正向特性 IG=0-正向阻断状态-漏电流 正向转折电压Ubo-则漏电流急剧增大-开通 门极电流增大-正向转折电压降低 门极电流为零；阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下-又回到正向阻断状态，IH称为维持电流。,图2-9 晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG,38,2.3.2 晶闸管的基本特性,反向特性 类似二极管的反向特性。 反向阻断状态-极小的反向漏电流通过。 反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。,图2-9 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG,39,2.3.2 晶闸管的基本特性,动态特性 开通过程 正反馈过程需要时间； 外电路电感的限制 -阳极电流不能突变。 延迟时间td (0.51.5s) 上升时间tr (0.53s) 开通时间tgt=td+tr td与门极电流、外电路电感、阳极电压关系？,图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形,40,2.3.2 晶闸管的基本特性,关断过程 电感存在-晶闸管由导通变为截止有过渡过程 反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间tgr 关断时间tq=trr+tgr 关断时间约几百微秒。 正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。,图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形,100%,41,2.3.3 晶闸管的主要参数,电压定额 断态重复峰值电压UDRM 允许重复加在器件上的正向峰值电压 反向重复峰值电压URRM 允许重复加在器件上的反向峰值电压 取UDRM和URRM中较小的标值作为额定电压。 通态（峰值）电压UT 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的 瞬态峰值电压,42,2.3.3 晶闸管的主要参数,电流定额 通态平均电流 IT(AV） 允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应来定义的。 一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的原则所得计算结果的1.52倍。,43,2.3.3 晶闸管的主要参数,维持电流IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。 擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。约为IH的24倍 浪涌电流ITSM 不重复性最大正向过载电流。,44,2.3.3 晶闸管的主要参数,动态参数 开通时间tgt和关断时间tq 断态电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 通态电流临界上升率di/dt 在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。,45,2.3.4 晶闸管的派生器件,快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST） 有快速晶闸管和高频晶闸管。 开关时间以及du/dt和di/dt的耐量都有了明显改善。 从关断时间来看，普通晶闸管一般为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管则为10s左右。 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。 由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的 通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。,46,2.3.4 晶闸管的派生器件,双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor） 一对反并联联接的普通晶闸管的集成。 门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第和第III象限有对称的伏安特性。 双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。,图2-11 双向晶闸管的电气图形 符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性,47,2.3.4 晶闸管的派生器件,a),K,G,A,逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件 具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电路中。,图2-12 逆导晶闸管的电气图形符号 和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性,48,2.3.4 晶闸管的派生器件,A,G,K,a),AK,光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT） 是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。 由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在高压大功率的场合。,图2-13 光控晶闸管的电气图形符 号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性,49,2.4 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,50,2.4 典型全控型器件·引言,门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。 20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。 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。,电力MOSFET,IGBT单管及模块,51,2.4.1 门极可关断晶闸管,GTO的结构和工作原理 GTO的结构 是PNPN四层半导体结构。 是一种多元的功率集成器件，内部则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。,图2-14 GTO的内部结构和电气图形符号 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 并联单元结构断面示意图 电气图形符号,晶闸管的一种派生器件，在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控型器件,52,2.4.1 门极可关断晶闸管,图2-8 晶闸管的双晶体管模型 及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理,GTO的工作原理 双晶体管模型,1+2=1是器件临界导通的条件，大于1导通，小于1则关断。,53,2.4.1 门极可关断晶闸管,GTO与普通晶闸管的不同 设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO 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。,54,2.4.1 门极可关断晶闸管,GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时饱和程度较浅。 而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，当两个晶体管发射极电流IA和IK的减小使1+21时，器件退出饱和而关断。 GTO的多元集成结构使得其比普通晶闸管开通过程更快，承受di/dt的能力增强。,55,2.4.1 门极可关断晶闸管,GTO的动态特性 开通过程与晶闸管类似。 关断过程 储存时间ts，下降时间tf 尾部时间tt 门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡，ts就越短。使门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍能保持适当的负电压，则可以缩短尾部时间。,图2-15 GTO的开通和关断过程电流波形,56,2.4.1 门极可关断晶闸管,GTO的主要参数 GTO的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。 最大可关断阳极电流IATO 用来标称GTO额定电流。 电流关断增益off IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比。 off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。,57,2.4.1 门极可关断晶闸管,开通时间ton 延迟时间与上升时间之和（12s） 。 随通态阳极电流值的增大而增大。 关断时间toff 一般指储存时间和下降时间之和，而不包括尾部时间。 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电压时，应和电力二极管串联使用。,58,2.4.2 电力晶体管,电力晶体管（Giant TransistorGTR） 按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、 大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT） GTR的结构和工作原理 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。 最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好。,59,2.4.2 电力晶体管,图2-16 GTR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,+表示高掺杂浓度，-表示低掺杂浓度,60, GTR的结构 采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，并采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。 GTR是由三层半导体（分别引出集电极、基极和发射极）形成的两个PN结（集电结和发射结）构成，多采用NPN结构。,2.4.2 电力晶体管,61,2.4.2 电力晶体管,图2-16 c) 内部载流子的流动,单管GTR的 值比处理信息用的小功率晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可以有效地增大电流增益。,称为GTR的电流放大系数,62,2.4.2 电力晶体管,GTR的基本特性 静态特性 截止区、放大区和饱和区三个区域。 在电力电子电路中，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，一般要经过放大区。,图2-17 共发射极接法时 GTR的输出特性,63,2.4.2 电力晶体管,动态特性 开通过程 需要经过延迟时间td和上升时间tr，开通时间ton= td + tr 。 增大ib并增大dib/dt， 可以缩短td ，同时也可 以缩短tr ，从而加快开 通过程。,图2-18 GTR的开通和关断过程电流波形,主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。,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。,64,2.4.2 电力晶体管,关断过程 需要经过储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff。 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，可以缩短储存时间，从而加快关断速度。 GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。,65,2.4.2 电力晶体管,GTR的主要参数 电流放大倍数、 直流电流增益hFE、 集电极与发射极间漏电流Iceo、 集电极和发射极间饱和压降Uces、 开通时间ton 和关断时间toff,66,2.4.2 电力晶体管,最高工作电压 击穿电压不仅和晶体管本身的特性有关，还与接法有关。 发射极开路时集电极和基极间的反向击穿电压BUcbo 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压BUceo 发射极与基极间用电阻联接或短路联接时集电极和发射极间的击穿电压BUcer和BUces 发射结反向偏置时集电极和发射极间的击穿电压BUcex 且存在以下关系：,67,2.4.2 电力晶体管,集电极最大允许电流IcM 规定直流电流放大系数hFE下降到规定的1/21/3时所对应的Ic。 实际使用时只能用到IcM的一半或稍多一点。 集电极最大耗散功率PcM 指在最高工作温度下允许的耗散功率。 产品说明书中在给出PcM时总是同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。,68,2.4.2 电力晶体管,GTR的二次击穿现象与安全工作区 当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大，这种首先出现的击穿是雪崩击穿，被称为一次击穿。 发现一次击穿发生时如不有效地限制电流，Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，同时伴随着电压的陡然下降，这种现象称为二次击穿。 出现一次击穿后，GTR一般不会损坏，二次击穿常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变，因而对GTR危害极大。,69,2.4.2 电力晶体管,安全工作区（Safe Operating AreaSOA）,图2-19 GTR的安全工作区,最大电流,最大功率,二次击穿,最高电压,将不同基极电流下二次击穿的临界点 连接起来，就构成了二次击穿临界线。,GTR工作时不仅不能超过最高电压 UceM，集电极最大电流IcM和最大耗散功 率PcM，也不能超过二次击穿临界线。,70,2.4.3 电力场效应晶体管,分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）-电力MOSFET（PowerMOSFET） 栅极电压来控制漏极电流，它的特点： 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，多用于功率不超过10kW的电力电子装置。,71,2.4.3 电力场效应晶体管,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。 当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型。 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的称为增强型。 在电力MOSFET中，主要是N沟道增强型。,72,2.4.3 电力场效应晶体管,图2-20 电力MOSFET的结构 和电气图形符号 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号,电力MOSFET的结构,小功率MOS管,横向导电,电力MOSFET,垂直导电,VMOSFET,耐压和耐 电流能力,多元集成结构,73,2.4.3 电力场效应晶体管,截止：当漏源极间接正电压，栅极和源极间电压为零时，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。,电力MOSFET的工作原理,PN结,74,2.4.3 电力场效应晶体管,导通,UT称为开启电压（或阈值电压），UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流ID越大。,当UGS大于某一电压值UT时，使P型半导体反型成N型半导体，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。,在栅极和源极之间加一正电压UGS，正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面。,75,电力MOSFET的基本特性 静态特性 （转移特性和输出特性） 转移特性 漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系，反映了输入电压和输出电流的关系 ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率被定义为MOSFET的跨导Gfs，即,2.4.3 电力场效应晶体管,图2-21 电力MOSFET的 转移特性和输出特性 a) 转移特性,是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。,76,2.4.3 电力场效应晶体管,输出特性 截止区（GTR的截止区） 饱和区（GTR的放大区） 非饱和区（GTR的饱和区） 饱和-漏源电压增加时漏极 电流不再增加， 非饱和-指漏源电压增加时 漏极电流相应增加。,图2-21 电力MOSFET的转移特性和输出特性 b) 输出特性,工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。,77,2.4.3 电力场效应晶体管,本身结构所致，漏极和源极之间形成了一个与MOSFET反向并联的寄生二极管。 通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。,78,动态特性 开通过程 开通延迟时间td(on) 电流上升时间tr 电压下降时间tfv 开通时间 ton= td(on)+tr+ tfv 关断过程 关断延迟时间td(off) 电压上升时间trv 电流下降时间tfi 关断时间toff = td(off) +trv+tfi,2.4.3 电力场效应晶体管,信号,图2-22 电力MOSFET的开关过程 a)测试电路 b) 开关过程波形,(a),(b),内阻,79,2.4.3 电力场效应晶体管,MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系，可以降低栅极驱动电路的内阻Rs，从而减小栅极回路的充放电时间常数，加快开关速度。,80,无少子储存效应,单极型器件,关断迅速,工作频率,100kHz以上,输入电容,驱动功率,开关频率,驱动功率,2.4.3 电力场效应晶体管,特点：,81,2.4.3 电力场效应晶体管,电力MOSFET的主要参数 跨导Gfs、开启电压UT以及开关过程中的各时间参数。 漏极电压UDS 标称电力MOSFET电压定额的参数。 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM 标称电力MOSFET电流定额的参数。,82,2.4.3 电力场效应晶体管,栅源电压UGS 栅源之间的绝缘层很薄，UGS20V将导致绝缘层击穿。 极间电容 CGS、CGD和CDS。 漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区。,83,2.4.4 绝缘栅双极晶体管,GTR,电流驱动器件,通流能力很强,开关速度较低,驱动功率大,MOSFET,电压驱动器件,开关速度快,驱动功率小,绝缘栅双极晶体管,IGBT或IGT,综合了GTR 和MOSFET的优点,良好的特性,双极型,单极型,84,2.4.4 绝缘栅双极晶体管,图2-23 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,是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。,由N沟道VDMOSFET与双极型晶体管GTR组合而成的达林顿结构。,相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。,85,2.4.4 绝缘栅双极晶体管,IGBT的工作原理,驱动原理与电力MOSFET基本相同,场控器件,UGE,开通和关断,UGE,开启电压UGE(th),MOSFET内形成沟道,施加反向电压或不加信号,沟道消失,晶体管提供基极电流,IGBT导通,基极电流被切断,IGBT关断,86,2.4.4 绝缘栅双极晶体管,IGBT的基本特性 静态特性 转移特性 集电极电流IC与栅射电压UGE之间的关系。 开启电压UGE(th)-最低栅射电压。,（a）,图2-24 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性,87,2.4.4 绝缘栅双极晶体管,分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。,(b),图2-24 IGBT的转移特性和输出特性 b) 输出特性,输出特性（伏安特性）,栅射电压为参考变量时，集电极电流IC与集射极间电压UCE之间的关系。,88,2.4.4 绝缘栅双极晶体管,工作在开关状态，因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。,当UCE0时，IGBT为反向阻断工作状态。,89,2.4.4 绝缘栅双极晶体管,开通过程 开通延迟时间td(on) 电流上升时间tr 电压下降时间tfv 开通时间 ton= td(on)+tr+ tfv tfv分为tfv1和tfv2两段。,图2-25 IGBT的开关过程,动态特性,90,关断延迟时间td(off) 电压上升时间trv 电流下降时间tfi 关断时间 toff = td(off) +trv+tfi tfi分为tfi1和tfi2两段,关断过程,引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度要低于电力MOSFET。,91,2.4.4 绝缘栅双极晶体管,IGBT的主要参数 前面提到的各参数(时间参数)。 最大集射极间电压UCES-承受的击穿电压 最大集电极电流 包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。 最大集电极功耗PCM 在正常工作温度下允许的最大耗散功率。,92,2.4.4 绝缘栅双极晶体管,IGBT的特性和参数特点总结如下： 开关速度高，开关损耗小。 安全工作区比GTR大，耐脉冲电流冲击能力。 通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。 输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。 与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的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。,93,2.4.4 绝缘栅双极晶体管,IGBT的擎住效应 在IGBT内部寄生着一个N-PN+晶体管和作为主开 关器件的P+N-P晶体管组成的寄生晶闸管。 其中NPN晶体管的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结施加一个正向偏压，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，这种现象称为擎住效应或自锁效应。,94,2.4.4 绝缘栅双极晶体管,引发擎住效应的原因，可能是集电极电流过大（静态擎住效应），dUCE/dt过大（动态擎住效应），或温度升高。 动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流还要小，因此所允许的最大集电极电流实际上是根据动态擎住效应而确定的。,95,2.4.4 绝缘栅双极晶体管, IGBT的安全工作区 正向偏置安全工作区 （Forward Biased Safe Operating AreaFBSOA） 根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。 反向偏置安全工作区 （Reverse Biased SafeOperating AreaRBSOA） 根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率dUCE/dt。,96,2.5 其他新型电力电子器件,2.5.1 MOS控制晶闸管MCT 2.5.2 静电感应晶体管SIT 2.5.3 静电感应晶闸管SITH 2.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT,97,2.5.1 MOS控制晶闸管MCT,MCT（MOS Controlled Thyristor） MOSFET与晶闸管组合而成的复合型器件。 结合了MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、 快速的开关过程和晶闸管的高电压大电流、低导通压降的特点。 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。,98,2.5.2 静电感应晶体管SIT,是一种结型场效应晶体管。 是一种多子导电的器件，其工作频率与电力MOSFET相当，甚至超过电力MOSFET，而功率容量也比电力 MOSFET大，因而适用于高频大功率场合。 栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断， 这被称为正常导通型器件，使用不太方便，此外SIT通态电阻较大，使得通态损耗也大，因而SIT还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。,99,2.5.3 静电感应晶闸管SITH,可以看作是SIT与GTO复合而成。 又被称为场控晶闸管（Field Controlled ThyristorFCT 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。 一般也是正常导通型，但也有正常关断型 ，电 流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。,100,2.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT,是将一个平板型的GTO与由很多个并联的电力 MOSFET器件和其它辅助元件组成的 容量与普通GTO相当，但开关速度比普通的 GTO快10倍，而且可以简化普通GTO应用时庞大而复杂的缓冲电路，只不过其所需的驱动功率仍然很大。,101,2.6 功率集成电路与集成电力电子模块,基本概念 功率模块-将多个器件封装在一个模块中。 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