1、第二章全控型电力电子器件 主编第一节门极关断晶闸管一、GTO的结构与特点门极关断晶闸管的结构与普通晶闸管相似，也为PNPN四层半导体结构、三端(阳极A、阴极K、门极G)器件。其内部结构、等效电路及符号如图2 1所示。图2-1GTO的内部结构、等效电路及符号a)内部结构b)等效电路c)符号第一节门极关断晶闸管二、GTO的主要参数GTO的多数参数与普通晶闸管相同，本节只讨论一些意义不同的参数。1.最大可关断阳极电流IATOGTO的最大阳极电流受两个方面的限制：一是额定工作结温的限制；二是门极负电流脉冲可以关断的最大阳极电流的限制，这是由GTO只能工作在临界饱和导通状态所决定的。阳极电流过大，GTO
2、便处于较深的饱和导通状态，门极负电流脉冲不可能将其关断。通常将最大可关断阳极电流IATO作为GTO的额定电流。第一节门极关断晶闸管2.关断增益off关断增益off为最大可关断阳极电流IATO与门极负电流最大值IGM之比，其表达式为3.阳极尖峰电压UP阳极尖峰电压UP是在下降时间末尾出现的极值电压，它几乎随阳极可关断电流线性增加，UP过高可能导致GTO失效。UP的产生是由缓冲电路中引线电感、二极管正向恢复电压和电容中的电感造成的。第一节门极关断晶闸管4.维持电流GTO的维持电流是指阳极电流减小到开始出现GTO元不能再维持导通的数值。由此可见，当阳极电流略小于维持电流时，仍有部分GTO元继续维持导
3、通，这时若阳极电流恢复到较高数值，已截止的GTO元不能再导电，就会引起维持导通的GTO元的电流密度增大，出现不正常的工作状态。5.擎住电流擎住电流是指GTO经门极触发后，阳极电流上升到能保持所有GTO元导通时的最低值。第二节电力晶体管一、电力晶体管的结构电力晶体管有NPN和PNP两种结构，其电流由两种载流子(电子和空穴)的运动形成，又称为双极型晶体管(BJT)。目前常用的电力晶体管器件有单管GTR、达林顿管和GTR模块三大系列。图2-2GTR的结构示意图a)结构剖面示意图b)单管外形图c)电路符号1.单管GTR单管GTR的结构如图2 2所示。其内部结构原理及电极的命名与晶体管相同。第二节电力晶
4、体管2.达林顿GTR单管GTR的电流增益低，将给基极驱动电路造成负担。达林顿结构是提高电流增益的一种有效方式。达林顿结构由两个或多个晶体管复合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性质由驱动管来决定，如图2 3a所示。图中的V为驱动管，为输出管。图2-3达林顿管结构图a)NPN及PNP型结构b)实用达林顿管结构图第二节电力晶体管3. GTR模块图2 4所示，是两个三级达林顿GTR及其辅助元器件构成的GTR模块。它是将图2 3b中的GTR管芯、稳定电阻和、加速二极管、续流二极管等组装成一个单元，然后根据不同用途将几个单元电路组装在一个外壳之内构成GTR模块。现已可将上述单元电路集成制作在同一硅
5、片上，使其小型轻量化，大大提高了器件的集成度和性能价格比。图中各元器件及中间级晶体管的基极均有引线引出，如BC、等端子。目前生产的GTR模块可将多达6个互相绝缘的单元电路做在同一模块内，可以很方便地组成三相桥式电路。第二节电力晶体管图2-4GTR模块a)GTR模块的外形图b)GTR模块内的等效电路图第二节电力晶体管图2-5集电极输出特性曲线1.共发射极输出特性图2 5所示为典型的双极型晶体管集电极输出特性曲线，该特性曲线可用来解释GTR的不同工作区域。一般可分为4个区：二、电力晶体管的特性第二节电力晶体管(1)放大区(线性区)其特点是发射结正偏，集电结反偏，集电极与基极电流呈线性关系。(2)饱
6、和区其特征是发射结、集电结都正偏。(3)准饱和区(临界饱和区)其特征是集电结反偏，发射结正偏，但集电极电流与基极电流不是线性关系。(4)截止区发射结、集电结反偏，IB为零。电力晶体管在变流技术应用中作为开关使用，往返工作于饱和区、截止区。在状态转换过程中，快速地通过放大区及准饱和区。第二节电力晶体管2.饱和压降特性处于深饱和区工作的GTR集电极电压称为饱和压降，用UCES表示。此时的基射极电压称为基极正向压降，用UBES表示。本来它们是GTR输出特性和输入特性的一个局部，但在大功率应用中变成了两项重要指标，因为它直接关系到器件的导通损耗，所以有必要提醒在使用中引起注意。在产品目录中通常给出饱和
7、压降的同时，也给出IC和IB值。在不同的工作温度下，IC的大小与UCES及UBES有着密切的关系。第二节电力晶体管3. GTR的反向电流与工作温度的关系GTR反向电流的存在不但消耗了一部分电源的能量，而且对于开关的工作没有好处，它影响GTR电路工作时的稳定性。因此，希望GTR的反向电流尽可能小，并将反向电流作为检验晶体管质量的一个第二节电力晶体管4.动态特性动态特性描述GTR的开关过程的瞬态性能，又称开关特性。在瞬态时，由于PN结电容的充放图2-6GTR开通与关断过程中基极和集电极电流波形电作用，影响了GTR的开关特性。此外，为了降低导通时的功率损耗，常采用过驱动的方法，使得基区积累了大量的过
8、剩载流子，在关断时这些载流子的消散严重影响关断时间。图2-6所示为GTR开通与关断过程中基极和集电极电流波形图。图2-6GTR开通与关断过程中基极和集电极电流波形图a)基极电流波形b)集电极电流波形三、电力晶体管的额定参数1.最高工作电压最高工作电压即最高集电极电压额定值，它不仅因器件不同而不同，而且即便是同一器件，也会由于基极电路条件不同而存在差异。在晶体管产品目录中BUCEO作为电压容量给出，但不能仅以此项指标确定晶体管实际工作时的工作电压上限。2.最大电流额定值ICM最大电流额定值ICM即允许流过集电极的最大电流值。为了提高GTR的输出功率，集电极输出电流应尽可能地大。但是集电极电流大，
9、则要求基极注入的电流也大，这样会使GTR的电气性能变差，甚至于损坏器件。使用中通常只用到ICM的(1/31/2)，以确保使用的稳定与安全。3.最高结温额定值TjM一般情况下，塑料封装的硅管结温TjM为125，金属封装的硅管TjM为150，高可靠平面管为175。4.最大功耗额定值PCM4.最大功耗额定值PCMPCM指GTR在最高允许结温时所消耗功率，它受结温的限制，其大小由集电结工作电压和集电极电流的乘积决定。由于这部分能量将转化为热能并使GTR发热。因此，GTR在使用中的散热条件是十分重要的，若散热条件不好，器件会因温度过高而损坏。在产品手册中，给出PCM参数的同时，总是给出管壳温度TC，即间
10、接地表示最高结温的参数。表格5. GTR的定额参数选取假设流过GTR的电流峰值为ICP、承受的最高电压为UTM。在实际应用电路中一般应取GTR的最大电流定额ICM四、二次击穿特性与安全工作区二次击穿是造成GTR突然损坏或早期失效的重要原因。在电感性负载和大电流开关电路中，二次击穿更是晶体管毁坏的主要因素。靠性的重要因素，必须引起极大的关注。1.二次击穿现象当集电极电压UCE逐渐增加到某一数值时，如上述BUCEO、急剧增加，出现击穿现象。首先出现的击穿现象称为一次击穿，这种击穿是正常的雪崩击穿。这一击穿可用外接串联电阻的办法加以控制，只要适当限制晶体管的电流(或功耗)，一次一般不会引起晶体管的特
11、性变坏，也不会损坏晶体管。但是，一次击穿出现后若继续增大偏压UCE，而外接限流电阻又不变，反向电流IC将继续增大。在极短的时间内，使器件内出现明显的电流集中和过热点。电流急剧增大，此现象便称为二次击穿。一旦发生二次击穿，轻者使GTR电压降低、特性变差，重者使集电结和发射结熔通，使晶体管受到永久性损坏。1.二次击穿现象图2-7GTR的安全工作区2.安全工作区(SOA)GTR能够安全运行的范围称为安全工作区(SOA)。将不同基极电流下二次击穿的临界点连接起来，就构成二次击穿的临界线，它受到GTR的直流极限参数ICM、及电压容量BUCEO等问题的限制。厂家一般把它们画在双对数坐标上，以安全工作区的综
12、合概念提供给用户，如图2-7所示。第三节功率场效应晶体管 功率场效应晶体管简称功率MOSFET，它是对小功率场效应晶体管的工艺结构进行改进，在功率上有所突破的单极型半导体器件，属于电压控制型，具有驱动功率小、控制电路简单、工作频率高的特点。一、功率场效应晶体管的结构与工作原理1.功率场效应晶体管的结构由电子技术基础可知，小功率场效应晶体管的栅极G、源极S和漏极D位于芯片的同一侧，导电沟道平行于芯片表面，是横向导电器件，这种结构限制了它的电流容量。功率场效应晶体管采取两次扩散工艺，并将漏极D移到芯片的另一侧表面上，使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这样有利于减小芯片面积和提高电流密度。这种
13、由垂直导电结构组成的场效应晶体管称为VMOSFET。图2-8功率MOSFET的结构与符号一、功率场效应晶体管的结构与工作原理2.功率MOSFET的工作原理 当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅源之间电压为零或为负时，P型区和N型漂移区之间的PN结反向，漏源之间无电流流过。如果在栅极和源极加正向电压UGS，由于栅极是绝缘的，不会有栅流。但栅极的正电压所形成电场的感应作用却会将其下面P型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P型区表面。当UGS大于某一电压值UT时，栅极下面P型区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型半导体，沟通了漏极和源极，形成漏极电流ID。电压UT称为开启电压，UG
14、S超过UT越多，导电能力越强。漏极电流ID越大。二、功率场效应晶体管的特性1.转移特性转移特性是指功率场效应晶体管的输入栅源电压UGS与输出漏极电流ID之间的关系。如图2 9a所示。当U时，ID近似为零，当UGS时，随着UGS的增大ID也随之增大，当ID较大时，ID与UGS的关系近似为线性，曲线的斜率被定义为跨导gm2.输出特性输出特性是指以栅源电压UGS为参变量，漏极电流ID与漏极电压UDS之间关系的曲线族。如图2 9b所示。输出特性分为三个区域：可调电阻区、饱和区和雪崩区。二、功率场效应晶体管的特性图2-9功率MOSFET的转移特性和输出特性二、功率场效应晶体管的特性3.开关特性如图2 1
15、0所示电路可用于测试功率MOSFET的开关特性。图中uP为栅极控制电压信号源，RS为信号源内阻，RG为栅极电阻，RL为漏源负载电阻，RF为检测漏极电流的电阻。信号源产生阶跃脉冲电压，当其前沿到来时，极间电容Cin（Cin=CGS+CGD）充电，栅极电压uGS按指数曲线上升，如图2 10b所示。当uGS上升到开启电压UT时，开始出现漏极电流iD，从uP前沿到iD出现这段时间称为开通延迟时间td。之后，iD随uGS增大而上升，uGS从UT上升到使iD达到稳态值所用的时间称为上升时间tr，开通时间ton表示为二、功率场效应晶体管的特性2z10.tif三、功率场效应晶体管的主要参数1.漏源击穿电压BU
16、DS漏源击穿电压BUDS决定了功率MOSFET的最高工作电压，使用时注意结温的影响，结温每升高100，BUDS约增加10%。这与双极型器件SCR及GTR等随结温升高而耐压降低的特性恰好相反。2.漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM在器件内部温度不超过最高工作温度时，功率MOSFET允许通过的最大漏极连续电流和脉冲电流称为漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM。是功率MOSFET的电流定额参数。3.栅源击穿电压BUGS造成栅源之间绝缘层击穿的电压称为栅源击穿电压BUGS。栅源之间绝缘层很薄，20V将发生介质击穿。三、功率场效应晶体管的主要参数4.极间电容功率MOSFET的极间电容包括CGS、CGD
17、和CDS，其中CGS为栅极电容，CGD是栅漏电容，极间电容是由器件结构的绝缘层形成的。CDS是漏源电容，是由PN结形成的。如图2 11所示为功率MOSFET的极间电容等效电路。表2-1功率MOSFET额定值示例图2-11功率MOSFET极间电容的等效电路第四节绝缘栅双极型晶体管 绝缘栅双极型晶体管简称为IGBT(Insulated Gate Biopolar Transistor)，是20世纪80年代中期发展起来的一种新型复合器件。IGBT综合了MOSFET和GTR的输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大的优点，得到了迅速发展和广泛应用。在电动机控制、中频电源、开关电源及要
18、求快速而又低耗电的领域备受青睐，并成为当前电力半导体器件的发展方向。 目前市场出售IGBT产品(一单元模块)的电流电压等级达1200A/3300V，实验室研制水平单管达1000A/4500V；模块达1200A/3500V；工作频率可达50kHz以上。一、IGBT的结构与工作原理图2-12a所示为IGBT的结构剖面图。IGBT是在功率MOSFET的基础上发展起来的，两者结构十分类似，不同之处是IGBT多了一个P层发射极，可形成PN结J，使得IGBT导通时可由P注入区向N基区发射截流子(空穴)，对漂移区电导率进行调制。因而IGBT具有很强的电流控制能力。 TR为主导元件，以MOSFET为驱动元件的
19、达林顿结构。其简化模型电路如图2-12c所示，P沟道IGBT的图形箭头方向与图2-12c相反。图中的电阻RD是原基区GTR基区内的扩展电阻。二、IGBT基本特性与参数1.静态特性IGBT的静态特性包括传输特性和输出特性。(1)传输特性IGBT的静态传输特性描述集电极电流IC与栅射电压UGE之间的相互关系，如图2-13a所示，它与功率MOSFET的转移特性相似。图2-13IGBT的静态特性a)传输特性b)输出特性二、IGBT基本特性与参数(2)输出特性IGBT的输出特性描述以栅射电压UGE为控制变量时，集电极电流IC与集射极间电压UCE之间的相互关系，如图2-13b所示。IGBT的输出特性分为正
20、向阻断区、有源区、饱和区。当UCE时，IGBT为反向阻断工作状态，P结(结)处于反偏，无集电极电流出现。IGBT较VDMOS多了一个J结而获得反向电压阻断能力，能够承受的最高反向阻断电压取决于结的雪崩击穿电压。图2-14IR公司出售的IGBT器件的简化名称代号二、IGBT基本特性与参数2. IGBT的参数特点有关IGBT的参数，各国厂家给出并不完全一样。以国际整流器公司单管 器件为例，它的简化名称代号如图2 14所示。1)IGBT的开关速度快、损耗小，据统计，电压为1000V以上的IGBT开关损耗仅为GTR的1/10，与VDMOS相当，通态压降也比VDMOS低，特别是在大电流高电压应用时。2)
21、IGBT的通态压降在1/2或1/3额定电流以下区段具有负温度系数，以上区段有正温度系数，因此IGBT在并联使用时具有电流调节的能力，即有易于并联使用的特点。3)安全工作区比GTR宽，具有耐脉冲电流冲击的性能；与VDMOS和GTR相比，耐压、电流等参数可以继续做得更高，同时保持工作频率高的特点。二、IGBT基本特性与参数3. IGBT的电压、电流额定值选择根据有关资料介绍，现以逆变器中IGBT的选择为例，给出其额定电压和额定电流的经验估算方法。如图2 15所示为用6只IGBT组成的三相桥式逆变器，所带负载为三相异步电动机，其额定功率PN37kW、额定电压UN220V。IGBT的主要参数选取如下：
22、表格图2-15IGBT组成的逆变器(1)IGBT额定电压UCE(2)IGBT额定电流IC实际应用中考虑到一些因素的影响，IC的取值需留有余地。（）(2 7)第五节新型电力电子器件一、MCT控制晶闸管MCT控制晶闸管(MCTMos Controlled Thyristor)是一种单极型和双极型组合而成的复合器件，输入侧为MOSFET结构，因而输入阻抗高，驱动功率小，工作频率高；而输出侧为晶闸管结构，能够承受高电压，通过大电流。这是一种很有发展前途的器件。目前，MCT的制造水平为：阻断电压3000V，峰值电流1000A，it达2000A/s，ut达20000V/s，关断时间为2s。一、MCT控制晶
23、闸管1. MCT的结构与工作原理MCT是在晶闸管结构基础上又制作了两只MOSFET，其中用于控制MCT导通的那只MOSFET称为开通场效应晶体管(ON-FET)，用于控制阻断的那只MOSFET称为关断场效应晶体管(OFF-FET)。根据开通场效应晶体管的沟道类型不同，可分为P-MCT和N-MCT。2Z16.tif二、静电感应晶体管2. MCT的静态正向特性静态时，担负开通和关断控制的内部MOSFET不起作用，MCT相当于晶闸管，阻断时能承受较高的正向电压，导通时具有很低的通态压降。图2 17示出了几种器件的正向特性。由图可见，在同样的电流密度下，MCT具有最低的通态压降。2Z17.tif二、静
24、电感应晶体管图2-18SIT的基本结构与图形符号1. SIT的基本结构和工作原理 SIT的基本结构与电路图形符号如 所示。在N型衬底上外延高阻N层，然后在N高阻外延层内扩散若干个P区，再在其顶部另外扩散一个N层。从衬底上引出的电极叫漏极D，将P区连在一起后引出的电极叫栅极G，从扩散的N层上引出的电极称为源极S。SIT也是采用垂直导电形式的多胞集成结构。二、静电感应晶体管2. SIT的特性(1)伏安特性是指SIT的漏源电压UDS与漏极电流ID之间的关系。当栅源负电压UGS绝对值越大，建立的势垒越高，要克服这一势垒形成电流，需要较大的UDS，所以相应的ID和曲线越向右移动。(2)开关特性当栅源电压
25、UGS时，漏源之间只有极小的电阻，SIT处于导通状态；当栅源电压足够大，且漏源电压不超过一定范围，SIT就处于截止状态。二、静电感应晶体管图2-20SIT的导通区与截止区图2-19SIT的典型伏安特性三、集成门极换向晶闸管(IGCT)图2-21IGCT的导通、阻断状态示意图及电路符号图a)导通状态b)阻断状态c)电路符号图出工作，整个器件呈晶体管方式工作，该器件在这两种状态下的等效电路如图2-21所示。图2-21还表明，在导通和阻断状态下，GCT和GTO有明显不同，即GCT可瞬时从图2-21a转换到图2-21b所示状态，而GTO必须经过由一个既非导通又非阻断的中间不定状态进行转换。IGCT能消
26、除“GTO区”的影响，其容量与GTO相当，但开关速度比GTO快10倍以上。四、功率模块与功率集成电路1.功率模块把各种电力电子器件的管芯按一定的电路连接，并封装在一个外壳内，如GTR模块，其大部分管芯和外壳底板(一般为金属)在电气上相互绝缘，但传热效果良好。由于模块具有体积小、重量轻、结构紧凑、可靠、通用性强、便于维修等特点，多个模块可以同时安装在装置接地的外壳上或安装在接地的同一散热器上，从而大大简化了电路的结构，缩小了装置的体积，因此受到重视与应用，目前除有商品化的GTR模块外，还有整流管(SR)、普通晶闸管(SCR)、双向晶闸管(Triac)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、功率MOSFE
27、T等功率模块。四、功率模块与功率集成电路2.功率集成电路如果将电力电子器件按一定的电路结构并与逻辑、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，则称其为功率集成电路(Power Inteqrated CircuitPIC)也称为功率组件。与功率集成电路类似的还有许多名称，但实际上各自有所侧重。高压集成电路(High Voltage ICHVIC)一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率集成电路(Smart Power ICSPIC)一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。而智能功率模块(Intelligent Power ModuleIPM)则专指
28、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(Intelligent IGBT)。四、功率模块与功率集成电路图2-22德国IXYS公司生产的IPM的电路结构四、功率模块与功率集成电路3.散热器及其安装电力电子器件的性能与温度有密切的关系。为了保证器件正常工作，必须规定最高允许结温。当器件流过较大的电流时，在芯片上产生相应的功率损耗，引起芯片温度增加，与最高结温对应的器件耗散功率即是器件的最大允许耗散功率。器件正常工作时不应超过最高结温和耗散功率的最大允许值，否则，器件特性和参数将要发生变化，甚至导致器件产生永久性的损毁。为了便于散热，电力电子器件需加散热器以降低结温。沸腾冷是将冷却介质放在密闭容器中，通过媒质物相的变化进行冷却，效率高，装置体积小，但造价昂贵。功率电力电子器件的正常运行，在很大程度上取决于散热器的合理选配，以及器件与散热器之间的装配质量。器件直接安装在散热器上时，由于器件的封装形式不同，接触热阻也不同。接触热阻还与器件和散热器之间是否有垫圈，是否涂有硅油等情况有关。当接触面涂有硅油时，热阻明显下降。器件管壳与散热器两平面接触时总是点接触，随压力加大，接触面积加大，接触热阻减小，因此，要求接触面尽量光滑、平整，无划痕、凹坑、凸瘤或异物，必要时还应抛光或加镀层。
