1、典型全控型器件典型全控型器件门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久在晶闸管问世后不久出现。出现。20世纪世纪80年代以来，电力电子技术进入了一年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。个崭新时代。典型代表典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块课题课题1 1门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管晶闸管的一种派生器件。晶闸管的一种派生器件。可以通过可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断在门极施加负的脉冲电流使其关断。G
2、TOGTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。门 极 可 关 断 晶 闸 管（门 极 可 关 断 晶 闸 管（G a t e-Tu r n-O f f Thyristor GTO）1 1GTOGTO的结构的结构GTO为四层为四层PNPN结构、三端引出线（结构、三端引出线（A、K、G）的器件。）的器件。和晶闸管不同的是：和晶闸管不同的是：GTO内部是由许多四层结构的小晶闸管并联而成，这些小内部是由许多四层结构的小晶闸管并联而成，这些小晶闸管共阳极，门极和阴极并联在一
3、起，成为晶闸管共阳极，门极和阴极并联在一起，成为GTO元。而元。而普通晶闸管是独立元件结构。普通晶闸管是独立元件结构。下图是下图是GTO的结构示意图、等效电路及电气符号。的结构示意图、等效电路及电气符号。2 2GTOGTO的工作原理的工作原理 （1）开通过程）开通过程GTO也可等效成两个晶体管也可等效成两个晶体管P1N1P2和和N1P2N2互连，互连，GTO与与晶闸管最大区别就是导通后回路增益晶闸管最大区别就是导通后回路增益1+2数值不同，其中数值不同，其中1和和2分别为分别为P1N1P2和和N1P2N2的共基极电流放大倍数。的共基极电流放大倍数。晶闸管的回路增益晶闸管的回路增益1+2常为常为
4、1.15左右，而左右，而GTO的的1+2非非常接近常接近1。因而。因而GTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳极电流提供有利条件。关断阳极电流提供有利条件。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)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。由由P1N1P2和和N1P2N2构成的两个晶体管构成的两个晶体管V1、V2分别具有共分别具有共基极电流增益基极电流增益 1 1和和 2 2。（2）关断过程）关断过程当当GTO已处于导通状态时，对门极加负的关断脉冲，形成已处于导通状态时，对门极
5、加负的关断脉冲，形成IG，相当于将，相当于将IC1的电流抽出，使晶体管的电流抽出，使晶体管N1P2N2的基极电的基极电流减小，使流减小，使IC2和和IK随之减小，随之减小，IC2减小又使减小又使IA和和IC1减小，这减小，这是一个正反馈过程。当是一个正反馈过程。当IC2和和IC1的减小使的减小使1+21时，等效时，等效晶体管晶体管N1P2N2和和P1N1P2退出饱和，退出饱和，GTO不满足维持导通条不满足维持导通条件，阳极电流下降到零而关断。件，阳极电流下降到零而关断。由于由于GTO处于临界饱和状态，用抽走阳极电流的方法破坏处于临界饱和状态，用抽走阳极电流的方法破坏临界饱和状态临界饱和状态，能
6、使器件关断。而晶闸管导通之后，处于，能使器件关断。而晶闸管导通之后，处于深度饱和状态深度饱和状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断。，用抽走阳极电流的方法不能使其关断。GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下有如下区别区别：设计设计 2较大，较大，使晶体管使晶体管V2控控 制灵敏，易于制灵敏，易于GTO。导通时导通时 1+2更接近更接近1，导通时接近临界饱和，有利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。门极控制关断，但导通时管压降增大。多元集成结构，使得多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门基区横向电阻很小，能从门极抽出
7、较大电流。极抽出较大电流。3 GTO3 GTO的特性和主要参数的特性和主要参数 1、GTO的阳极伏安特性的阳极伏安特性 2、GTO的开通特性的开通特性 开通时间开通时间ton由延迟时间由延迟时间td和上升时间和上升时间tr组成组成 3、GTO的关断特性的关断特性 GTO的关断过程有三个不同的时间，即存储时间的关断过程有三个不同的时间，即存储时间ts、下降、下降时间时间tf及尾部时间及尾部时间tt。存储时间存储时间ts：对应着从关断过程开始，到阳极电流开始下：对应着从关断过程开始，到阳极电流开始下降到降到90%IA为止的一段时间间隔。为止的一段时间间隔。下降时间下降时间tf：对应着阳极电流迅速下
8、降，阳极电压不断上：对应着阳极电流迅速下降，阳极电压不断上升和门极反电压开始建立的过程。升和门极反电压开始建立的过程。尾部时间尾部时间tt：则是指从阳极电流降到极小值时开始，直到：则是指从阳极电流降到极小值时开始，直到最终达到维持电流为止的时间。最终达到维持电流为止的时间。GTO的关断特性的关断特性(开关电压、电流及门极电流波形开关电压、电流及门极电流波形)（1）最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO（2）电流关断增益电流关断增益 off off一般很小，只有一般很小，只有5左右，这是左右，这是GTO的一个主要缺点。的一个主要缺点。1000A的的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要关断时门极
9、负脉冲电流峰值要200A。GTO额定电流。额定电流。最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值大值IGM之比称为电流关断增益。之比称为电流关断增益。（1-8）GMATOoffII 4 4主要参数主要参数 （3）维持电流维持电流（4）擎住电流擎住电流课题课题2 2电力晶体管电力晶体管电力晶体管（电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨，直译为巨型晶体管）型晶体管）。耐高电压、大电流的双极结型晶体管（耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为），英文有时候也称为Power
10、BJT。应用应用20世纪世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被管，但目前又大多被IGBT和电力和电力MOSFET取代。取代。术语用法术语用法：1GTR的结构的结构1 1、功率晶体管的结构、功率晶体管的结构结构与小功率晶体管相似，也有三个电极，分别为结构与小功率晶体管相似，也有三个电极，分别为B(基基极极)、C(集电极集电极)、E(发射极发射极)。GTR属三端三层两结的双极属三端三层两结的双极型晶体管，有两种基本类型，型晶体管，有两种基本类型，NPN型和型和PNP型。型。GTR的基的基本结构及电气符号如下图所示。本结构及电气符号如下图所
11、示。与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的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。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。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采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。2功率晶体管的工作原理功率晶体管的工作原理以以NPN型晶体管为例，若外电源使型晶体管为例，若外电源使UBC0，则发射结的，则发射结的PN结处于正偏状态。此时晶体管内部电流分布为：结处于正偏状态。此时晶体管内部电流分布为：（1）由于）由于UBC0，发射结处于正偏
12、状态，发射结处于正偏状态，P区的多区的多数载流子空穴不断地向数载流子空穴不断地向N区扩散形成空穴电流区扩散形成空穴电流IPE，N区的多数载流子电子不断地向区的多数载流子电子不断地向P区扩散形成电子区扩散形成电子电流电流INE。3GTR的特性与主要参数的特性与主要参数（1）GTR的输出特性的输出特性 晶体管有放大、饱和与截止三种工作状态。晶体管有放大、饱和与截止三种工作状态。截止区：截止区：GTR的的e结和结和c结均承受高反偏电压，相结均承受高反偏电压，相当于开关断开。当于开关断开。放大区：放大区：e结正偏、结正偏、c结反偏，此时结反偏，此时GTR功耗很大。功耗很大。饱和区：特点是饱和区：特点是
13、e结和结和c结均正偏。结均正偏。GTR饱和导通，饱和导通，相当于开关闭合。相当于开关闭合。GTR作开关时，其断态工作点作开关时，其断态工作点须在截止区，通态工作点须在饱和区。须在截止区，通态工作点须在饱和区。共射极电路的输出特性曲线共射极电路的输出特性曲线 （2）GTR的动态（开关）特性的动态（开关）特性 晶体管有线性和开关两种工作方式。当只需要导晶体管有线性和开关两种工作方式。当只需要导通和关断作用时采用开关工作方式。通和关断作用时采用开关工作方式。GTR主要应主要应用于开关工作方式。用于开关工作方式。在开关工作方式下，用一定的正向基极电流在开关工作方式下，用一定的正向基极电流IB1去去驱动
14、驱动GTR 导通，而用另一反向基极电流导通，而用另一反向基极电流IB2迫使迫使GTR关断，由于关断，由于GTR 不是理想开关，故在开关过不是理想开关，故在开关过程中总存在着一定的延时和存储时间。程中总存在着一定的延时和存储时间。GTR的的开关响应特性开关响应特性延迟时间延迟时间td：加入：加入IB1后一段后一段时间里，时间里，iC仍保持为截止状仍保持为截止状态时的很小电流，直到态时的很小电流，直到iC上上升到升到0.1I CS。上升时间上升时间tr：iC不断上升，不断上升，直到直到iC=ICS，GTR进入饱和进入饱和状态。状态。tr指指iC从从0.1ICS上升到上升到0.9ICS所需要的时间。
15、所需要的时间。GTR的开通时间的开通时间ton：延迟时：延迟时间间td和上升时间和上升时间tr之和。即之和。即 ton=td+tr当基极电流突然从正向当基极电流突然从正向IB1变为反向变为反向IB2时，时，GTR的集电极电流的集电极电流iC并不立即减小，仍保持并不立即减小，仍保持ICS，要经过一段时间才下降。，要经过一段时间才下降。存储时间存储时间ts：把基极电流从正向：把基极电流从正向IB1变为反向变为反向IB2时到时到iC下降到下降到0.9ICS所需的时间。所需的时间。下降时间下降时间tf：iC继续下降，继续下降，iC从从0.9ICS下下降到降到0.1ICS所需的时间。所需的时间。此后，此
16、后，iC继续下降，一直到接近反向饱和电流为止，这时继续下降，一直到接近反向饱和电流为止，这时BJT完全恢复到截止状态。完全恢复到截止状态。BJT的关断时间的关断时间toff：存储时间：存储时间ts和下降时间和下降时间tf之和，即之和，即 toff=ts+tf 4GTR的主要参数的主要参数(简介简介)(1)(1)电压参数电压参数 电压参数体现了电压参数体现了GTRGTR的耐压能力的耐压能力(2)(2)集电极电流额定值集电极电流额定值(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 (4)(4)直流电流增益直流电流增益 (5)(5)开关频率开关频率(6)(6)最高结温额定值最高结温额定值 1 1 二次击穿二次
17、击穿 处于工作状态的处于工作状态的GTRGTR，当其集电极反偏电压，当其集电极反偏电压U UCECE逐渐增逐渐增大到最大电压大到最大电压BUBUCEOCEO时，集电极电流时，集电极电流I IC C急剧增大，但此时集电急剧增大，但此时集电结的电压基本保持不变，这叫一次击穿。结的电压基本保持不变，这叫一次击穿。发生一次击穿时，发生一次击穿时，如果有外接电阻限制电流如果有外接电阻限制电流I IC C的增大，的增大，一般不会引起一般不会引起GTRGTR的特的特性变坏。性变坏。如果继续增大如果继续增大U UCECE，又不限制，又不限制I IC C的增长，的增长，则当则当I IC C上上升到升到A A点（
18、临界值）时，点（临界值）时，U UCECE突然下降，突然下降，而而I IC C继续增大（负阻继续增大（负阻效应），这时进入低压大电流段，效应），这时进入低压大电流段，直到管子被烧坏，直到管子被烧坏，这个这个现象称为二次击穿。现象称为二次击穿。5 二次击穿和安全工作区二次击穿和安全工作区二次击穿示意图 ICUCE(USB,ISB)二次击穿AIB0 A A点对应的电压点对应的电压U USBSB和电流和电流I ISBSB称为二次击穿的临界电压和称为二次击穿的临界电压和电流，其乘积为电流，其乘积为 PSB=USBISB 称为二次击穿的临界功率。当称为二次击穿的临界功率。当GTRGTR的基极正偏时，二次
19、击穿的基极正偏时，二次击穿的临界功率的临界功率P PSBSB往往还小于往往还小于P PCMCM，但仍然能使，但仍然能使GTRGTR损坏。二次击穿损坏。二次击穿的时间在微秒甚至纳秒数量级内，的时间在微秒甚至纳秒数量级内，在这样短的时间内如果不在这样短的时间内如果不采取有效保护措施，就会使采取有效保护措施，就会使GTRGTR内出现明显的电流集中和过热内出现明显的电流集中和过热点，点，轻者使器件耐压降低，特性变差；重者使集电结和发射轻者使器件耐压降低，特性变差；重者使集电结和发射结熔通，结熔通，造成造成GTRGTR永久性损坏。由于管子的材料、工艺等因素永久性损坏。由于管子的材料、工艺等因素的分散性，
20、的分散性，二次击穿难以计算和预测。二次击穿难以计算和预测。GTRGTR发生二次击穿损坏是它在使用中最大的弱点。发生二次击穿损坏是它在使用中最大的弱点。但但要发生二次击穿，必须同时具备三个条件：要发生二次击穿，必须同时具备三个条件：高电压、大电高电压、大电流和持续时间流和持续时间。因此，集电极电压、电流、负载性质、驱。因此，集电极电压、电流、负载性质、驱动脉冲宽度与驱动电路配置等因素都对二次击穿造成一定动脉冲宽度与驱动电路配置等因素都对二次击穿造成一定的影响。的影响。一般说来，工作在正常开关状态的一般说来，工作在正常开关状态的GTRGTR是不会发是不会发生二次击穿现象的。生二次击穿现象的。2 2
21、 安全工作区安全工作区 安全工作区安全工作区SOASOA（Safe Operation AreaSafe Operation Area）是指在输出特）是指在输出特性曲线图上性曲线图上GTRGTR能够安全运行的电流电压的极限范围，如图能够安全运行的电流电压的极限范围，如图4-4-7 7所示。所示。二次击穿电压二次击穿电压U USBSB与二次击穿电流与二次击穿电流I ISBSB组成的二次击穿组成的二次击穿功率功率P PSBSB如图中虚线所示，它是一个不等功率曲线。如图中虚线所示，它是一个不等功率曲线。以以3DD8E3DD8E晶体管测试数据为例，其晶体管测试数据为例，其P PCMCM100 W100
22、 W，U UCEOCEO200 V200 V，但，但由于受到二次击穿的限制，当由于受到二次击穿的限制，当U UCECE100 V 100 V 时，时，P PSBSB为为60 W;60 W;当当U UCECE200 V200 V时，时，P PSBSB仅为仅为28 W28 W，因此，为了防止二次击穿，要，因此，为了防止二次击穿，要选用足够大功率的管子，实际使用的最高电压通常要比管子选用足够大功率的管子，实际使用的最高电压通常要比管子的极限电压低得多。的极限电压低得多。图图4-74-7中阴影部分即为中阴影部分即为SOASOA。GTR安全工作区 ICICMPSB二次击穿功率曲线一次击穿功率曲线PCMU
23、CEUCEM课题课题3 3电力场效应晶体管电力场效应晶体管分为分为结型和绝缘栅型结型和绝缘栅型通常主要指通常主要指绝缘栅型中的绝缘栅型中的MOSMOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET）简称电力简称电力MOSFET（Power MOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT）特点特点用栅极电压来控制漏极电流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。驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于
24、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的电力电子装置的电力电子装置。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 按导电沟道可分为按导电沟道可分为P沟道沟道和和N沟道沟道。耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。电沟道。增强型增强型对于对于N（P）沟道器件，栅极电压大于）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。（小于）零时才存在导电沟道。电力电力MOSFET主要是主要是N沟道增强型沟道增强型。1电力电力MOSFET的结构的结构是单极型晶体管。是
25、单极型晶体管。导电机理与小功率导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。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。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19漏极漏极栅极栅极源极源极垂直导电垂直导电提高耐压和耐流提高耐压和耐流小功率小功率MOS管是横向导电器件。管是横向导电器件。电力电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。）。按垂直导电结构的差异，分为利用按垂直导电结构的差异，分为利用V型
26、槽实现垂直导电型槽实现垂直导电的的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散和具有垂直导电双扩散MOS结构的结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。）。这里主要以这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。器件为例进行讨论。截止截止：漏源极间加正电源漏源极间加正电源，栅源极间电压为零栅源极间电压为零。P基区与基区与N漂移区之间形成的漂移区之间形成的PN结结J1反偏，漏源极之间无电流流反偏，漏源极之间无电流流过。过。导电导电：在栅源极间加正电压在栅源极间加正电压UGS当当UGS大于大于UT时，时，P型半导体反型成型半导体反型成N型而成为型而成为反型层反型层，
27、该反型，该反型层形成层形成N沟道而使沟道而使PN结结J1消失，漏极和源极导电消失，漏极和源极导电。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-192电力电力MOSFET的工作原理的工作原理(1)静态特性静态特性漏极电流漏极电流ID和栅源间电压和栅源间电压UGS的关系称为的关系称为MOSFET的的转移特性转移特性。ID较大时，较大时，ID与与UGS的关的关系近似线性，曲线的斜率系近似线性，曲线的斜率定义为定义为跨导跨导Gfs。0 0101020203030505040402 24 46 68 8a)101020203030505040400 0b)10102020
28、 303050504040饱和区饱和区非非饱饱和和区区截止区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A电力电力MOSFET的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性 a)转移特性转移特性 b)输出特性输出特性3电力电力MOSFET的基本特性的基本特性截止区截止区（对应于（对应于GTR的截止区）的截止区）饱和区饱和区（对应于（对应于GTR的放大区）的放大区）非饱和区非饱和区（对应（对应GTR的饱和区）的饱和区）工作在开关状态，即在截止区和工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。非饱和区之间来回转换。漏源极之
29、间有寄生二极管，漏源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。极间加反向电压时器件导通。通态电阻具有正温度系数，对器通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。件并联时的均流有利。电力电力MOSFET的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性 a)转移特性转移特性 b)输出特性输出特性MOSFET的漏极伏安特性：的漏极伏安特性：0 0101020203030505040402 24 46 68 8a)101020203030505040400 0b)1010 2020 303050504040饱和区饱和区非非饱饱和和区区截止区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3
30、VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A开通过程开通过程开通延迟时间开通延迟时间td(on)(存在输入存在输入电容电容Cin)上升时间上升时间tr开通时间开通时间ton开通延迟时间开通延迟时间与上升时间之和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)(存在输入存在输入电容电容Cin)下降时间下降时间tf关断时间关断时间toff关断延迟时间关断延迟时间和下降时间之和和下降时间之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf电力电力MOSFET的开关过程的开关过
31、程a)测试电路测试电路 b)开关过程波形开关过程波形up脉冲信号源，脉冲信号源，Rs信号源内阻，信号源内阻，RG栅极电阻，栅极电阻，RL负载电阻，负载电阻，RF检测漏极电流检测漏极电流(2)动态特性动态特性 MOSFET的开关速度和的开关速度和Cin充放电有很大关系。充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。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。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。开关时间在开关时间在10100ns之间，工作频率可达之间，工作频率可达100kHz以上，以上，是主要电力电子器件中最高的。是主要电力电子器件中
32、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。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。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4电力电力MOSFET的主要参数的主要参数 电力电力MOSFET电压定额电压定额(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电力电力MOSFET电流定额电流定额(3)栅源电压栅源电压UGS UGS 20V将导致绝缘层击穿将导致绝缘层击穿。除跨导除跨导G
33、fs、开启电压、开启电压UT以及以及td(on)、tr、td(off)和和tf之外还有：之外还有：(4)极间电容极间电容极间电容极间电容CGS、CGD和和CDS课题课题4 4绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBTIGBT）绝缘栅双极型晶体管，简称绝缘栅双极型晶体管，简称IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)。是由。是由P-MOSFET与双极晶体管混合组成的电与双极晶体管混合组成的电压控制的双极型自关断器件。它将压控制的双极型自关断器件。它将P-MOSFET和和GTR的优的优点集于一身，既具有点集于一身，既具有P-MOSFET输入阻抗高、开关速度
34、快输入阻抗高、开关速度快、工作频率高、热稳定性好、无二次击穿和驱动电路简单、工作频率高、热稳定性好、无二次击穿和驱动电路简单的长处，又有的长处，又有GTR通态压降低、耐压高和承受电流大的优通态压降低、耐压高和承受电流大的优点。点。IGBT的发展方向有两个：一是追求更低损耗和更高的发展方向有两个：一是追求更低损耗和更高速度；二是追求更大容量。速度；二是追求更大容量。1IGBT的基本结构的基本结构 IGBT是在是在P-MOSFET基础上发展起来的集成新型器件，基础上发展起来的集成新型器件，其结构是以其结构是以GTR为主导元件，为主导元件，P-MOSFET为驱动元件的达为驱动元件的达林顿结构的复合器
35、件。其结构、电路符号、等效电路如下林顿结构的复合器件。其结构、电路符号、等效电路如下图示。外部有三个电极图示。外部有三个电极(G门极、门极、C集电极、集电极、E发射极发射极)。2IGBT的工作原理的工作原理当当IGBT门极加上正电压时，门极加上正电压时，MOSFET内形成沟道，使内形成沟道，使IGBT导通；当导通；当IGBT门极加上负电压时，门极加上负电压时，MOSFET内沟道消失，内沟道消失，IGBT关断。关断。当当UCE0时，时，J3的的PN结处于反偏，结处于反偏，IGBT呈反向阻断状态。呈反向阻断状态。当当UCE0时，分两种情况：时，分两种情况：（1）若门极电压）若门极电压UGEUT（开
36、启电压），沟道不能形成，（开启电压），沟道不能形成，IGBT呈正向阻断状态。呈正向阻断状态。（2）若门极电压）若门极电压UGEUT，门极下的沟道形成，从而使，门极下的沟道形成，从而使IGBT导通。此时，空穴从导通。此时，空穴从P+区注入到区注入到N基区进行电导调制，基区进行电导调制，减少减少N基区电阻基区电阻RN的值，使得的值，使得IGBT也具有很低的通态压降。也具有很低的通态压降。3 IGBT的特性与参数的特性与参数静态特性静态特性（1）IGBT的输出（伏安）特性和转移特性的输出（伏安）特性和转移特性（2）IGBT动态动态特性特性4IGBT的主要参数的主要参数正常工作温度下允许的最大功耗。(
37、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UCESIGBT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。课题课题5 5 全控型电力电子器件驱动电路全控型电力电子器件驱动电路 驱动电路还要
38、提供控制电路与主电路之间的驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电电气隔离气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。环节，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器光隔离一般采用光耦合器 磁隔离的元件通常是脉冲变压器磁隔离的元件通常是脉冲变压器ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R11.5s1.5s10s10s 电流驱动型电流驱动型按照驱动信号的性质分按照驱动信号的性质分 电压驱动型电压驱动型 分立元件分立元件按驱动电路具体形式可分按驱动电路具体形式可分 专用集成驱动电路专用集成驱动电路双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合
39、集成电路。内的混合集成电路。为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。门开发的集成驱动电路。分类分类(1)GTOGTO的的开通控制开通控制与普与普通晶闸管相似。通晶闸管相似。GTO关断控制关断控制需施加需施加负门极电流。负门极电流。OttOuGiG1.电流驱动型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路正的门极电流正的门极电流5V5V的负偏压的负偏压GTO驱动电路通常包括驱动电路通常包括开通开通驱动电路驱动电路、关断驱动电路关断驱动电路和和门极反偏电路门极反偏电路三部分，可分三部分，可分为为脉冲变压器耦合式脉冲变压器耦合式和和直接直接
40、耦合式耦合式两种类型。两种类型。直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。目前应用较广，但其功耗大，效率较低。目前应用较广，但其功耗大，效率较低。+10V+10V+15V+15V+5V+5V+15V+15VV1V1通通-提供正脉冲提供正脉冲V2V2通通-提供正脉冲平顶提供正脉冲平顶V3V3通通V2V2断断-提供负脉冲提供负脉冲V3V3断断-R3-R3和和R4R4提供负提供负 偏压偏压开通驱动电流应使开通驱动电流应使GTR处于准饱处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和导通状态，使之不进入
41、放大区和深饱和区。和深饱和区。关断关断GTR时，施加一定的负基极时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断电流有利于减小关断时间和关断损耗。损耗。关断后同样应在基射极之间施加关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（一定幅值（6V左右）的负偏压。左右）的负偏压。tOib(2)GTRGTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。两部分。VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2驱动驱动GTR的集成驱动电路中，的集成驱动电路中，THOMSON公司的公司的UAA4002和三菱公司的
42、和三菱公司的M57215BL较为常见。较为常见。抗饱和抗饱和加速开通加速开通电力电力MOSFET和和IGBT是电压驱动型器件。是电压驱动型器件。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。使使MOSFET开通的驱动电压一般开通的驱动电压一般1015V，使，使IGBT开通开通的驱动电压一般的驱动电压一般15 20V。关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5 -15V）有利于减小关断时间和关断损耗。有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。2.电压
43、驱动型器件的驱动电路电压驱动型器件的驱动电路(1)电力电力MOSFET的一种驱动电路：的一种驱动电路：电气隔离电气隔离和和晶体管放大电路晶体管放大电路两部分两部分专为驱动电力专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有而设计的混合集成电路有三菱公司的三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为，输出最大脉冲电流为+2A和和-3A，输出驱，输出驱动电压动电压+15V和和-10V。(2)IGBT的驱动的驱动M57962L型型IGBT驱动器的原理和接线图驱动器的原理和接线图常用的有三菱公司的常用的有三菱公司的M579系列（如系列（如M57962L和和M57959L）和富士公司的）和富士公司的EXB系列（如系列（如EXB840、EXB841、EXB850和和EXB851）。）。多采用专用的混合集成驱动器。多采用专用的混合集成驱动器。
