1、第7章 全控型電力電子器件 80年代以來，隨著電力電子技術的發(fā)展，產(chǎn)生了一代高頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，從而將電力電子技術又帶入了一個嶄新時代。門極可關斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應晶體管和絕緣柵雙極型晶體管就是全控型電力電子器件的典型代表。 7.1 門極可關斷晶閘管 門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-Off ThyristorGTO）是也晶閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷，因而屬于全控型器件。,GTO的關斷機理： 在SCR的雙晶體管等效模型中，利用門極負電流分流IC1，并快速抽取V2管發(fā)射結兩側存儲的大量載流子，以實現(xiàn)快速關斷。 在工

2、藝結構上比SCR有兩點改進： 等效晶體管的電流放大倍數(shù)減小，經(jīng)正反饋導通后接近臨界飽和狀態(tài)，有利于減小關斷時間和提高開關頻率。 采用多GTO單元并聯(lián)集成結構，門極和陰極間隔排列，使P2基區(qū)載流子均勻快速地從門極抽出，也不易造成局部過熱，di/dt耐量增大。,GTO的動態(tài)特性 開通過程: 需要經(jīng)過延遲時間td和上升時間tr。開通時iG為正脈沖，觸發(fā)導通后門極電流可以撤除。 關斷過程: 從iG的負脈沖開始分為三段，需要經(jīng)歷抽取飽和導通時儲存的大量載流子的時間儲存時間ts，從而使等效晶體管退出飽和狀態(tài)；然后則是等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小時間下降時間tf；最后還有殘存載流子復合所需

3、時間尾部時間tt。 通常tf比ts小得多，而tt比ts要長，即tftstt。門極負脈沖電流幅值越大，前沿越陡，抽走儲存載流子的速度越快，ts就越短。使門極負脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍能保持適當?shù)呢撾妷?，則可以縮短尾部時間。,圖7-2 GTO的開通和關斷過程及電流波形,GTO的主要參數(shù) 最大可關斷陽極電流IATO 即額定電流。而普通晶閘管用通態(tài)平均電流來標稱其額定電流。 電流關斷增益off 最大可關斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關斷增益，即 off=IATO/IGM 。off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。比如，一個1000A的GTO，關斷時門極負脈沖電

4、流的峰值要200A，這是一個相當大的數(shù)值。 開通時間ton 一般較短，約數(shù)s 關斷時間toff 關斷時間一般比開通時間ton長許多。,GTO的主要優(yōu)缺點： 優(yōu)點：電壓電流容量大（比SCR略?。?；開關速度比SCR高得多。 缺點：關斷電流增益小，門極負脈沖電流大，驅動較困難；通態(tài)壓降較大。 不少GTO都制造成逆導型，無反向阻斷能力。當需要承受反向電壓時，應和電力二極管串聯(lián)使用。 GTO的許多性能雖然與絕緣柵雙極型晶體管、電力場效應晶體管相比要差，但其電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用。,7.2 電力晶體管（Giant TransistorGTR） GT

5、R是一種耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT）。電流驅動型全控器件 。 GTR的結構：GTR通常采用多單元并聯(lián)集成工藝的達林頓（Darlington）復合結構，電流放大系數(shù)值較高。單管GTR的值較小，通常為10左右，采用達林頓復合接法可以有效地增大電流增益。比如兩級復合的達林頓管，=12。 達林頓復合使飽和導通壓降增加。二重復合GTR的導通壓降為： 單管臨界飽和壓降約為0.71V，則二重復合GTR的UCES大致為1.42V。三重復合時可達23V。導通壓降的升高會使GTR的通態(tài)損耗大為增加。,GTR模塊：為了改善GTR的性能，方便使用和提

6、高可靠性，將多級復合達林頓GTR與必要的外圍電阻和二極管集成在一起，構成電力晶體管模塊（GTR Module），集成管芯與管殼散熱板之間充滿導熱硅膠，但與外殼絕緣。,R2為泄漏電阻，為V2管的集電極與發(fā)射極之間的漏電流ICEO2提供分流通路，使得在IB2=0、V2截止時，V1對ICEO2的放大作用減弱，從而使ICEO1及整體復合管的ICEO明顯減小，提高其溫度穩(wěn)定性。 在晶體管處于關斷過程和斷態(tài)時，R1、R2分別為兩個發(fā)射結提供低阻回路，保證GTR的可靠阻斷和提高工作穩(wěn)定性，減小外部干擾影響。 VD2在GTR關斷過程中為V1管的基區(qū)載流子的抽取提供通路，提高其關斷速度，因為在關斷GTR時需要驅

7、動電路為兩管提供負偏壓作用于兩個發(fā)射結，形成負向基流，以便快速抽出發(fā)射結兩側的存儲電荷。 VD1是GTR的逆導二極管，逆導開關在電力變換電路中很常用。 VD1、VD2均應為快恢復開關二極管，實際工藝中與R1、R2及V1、V2制作在同一硅片上。,GTR的基本特性及控制方式 靜態(tài)輸出特性與普通三極管一樣分為三個區(qū)。 在導通期間基極電流保持正脈沖Ib1直至關斷，,關斷GTR時基極作用以短暫的負脈沖Ib2，然后恢復到零，維持阻斷。流控器件，基極驅動電流比GTO小。E為公共端。 通常驅動使其臨界飽和，以提高關斷速度，但導通壓降增大。,開關速度比GTO快，但電壓電流容量比GTO小。 主要參數(shù) 最高工作電壓

8、 GTR的擊穿電壓不僅和晶體管本身的特性有關，還與外電路的接法有關。5種擊穿電壓之間的關系為：BUcbo BUcex BUces BUcer BUceo。 其中BUces 和BUcex為b-e間短路和反向偏置時c-e間的擊穿電壓。 集電極最大允許電流IcM 通常規(guī)定值下降到規(guī)定值的1/21/3時，所對應的Ic為集電極最大允許電流。實用時要留有一半左右的裕量。 GTR的耐電流沖擊能力遠不如SCR和GTO。 集電極最大耗散功率PcM 指在最高工作溫度下允許的耗散功率。所允許功耗與散熱條件有關。,GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū) 二次擊穿現(xiàn)象 當GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時，集電極電流迅速增大

9、，這種首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿。出現(xiàn)一次擊穿后，只要Ic不超過與最大允許耗散功率相對應的限度，GTR一般不會損壞。但是實際應用中常常發(fā)現(xiàn)一次擊穿發(fā)生時如不有效地限制電流，Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升，同時伴隨著電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。二次擊穿常常立即導致器件的永久損壞。內部出現(xiàn)電流集中點，引起局部過熱，使 GTR 徹底損壞，管殼卻覺不到熱。對GTR危害極大 。,圖7-7 GTR的二次擊穿過程,安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA） 將不同基極電流下二次擊穿的臨界點連接起來，就構成了二次擊穿臨界線，臨界線上的點反映了二次擊穿功率PSB。,

10、7.3 電力場效應晶體管（Power MOSFET） 電力場效應管有這兩種類型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）。至于結型電力場效應晶體管則一般稱作靜電感應晶體管（Static Induction Transistor SIT）。 工藝結構特點： 電力MOSFET屬于單極型器件，只有一種極性的載流子（多子）參與導電。 采用垂直導電結構，故又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）。這大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力（小功率MOS管的導電溝道平行于芯片表面，是橫向導電器件）。,按垂直導電結構的差異，又分為利用V

11、型槽實現(xiàn)垂直導電的VVMOSFET（Vertical V-groove MOSFET）和具有垂直導電雙擴散MOS結構的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。 電力MOSFET也是多單元并聯(lián)集成結構。 控制方式：以G-S間施加電壓的高低來控制D-S,間主電流的通斷。源極S為公共端。門極幾乎不取用電流，屬壓控器件。uGS正電壓超過開啟電壓時導通，負電壓作用可使其快速關斷。,VMOSFET開關速度高的根本原因：開關控制機理上屬于單極型（多子）導電器件，通過電場感應控制反型層溝道寬度，不存在正偏PN結所固有的載流子存儲效應（失去了電導調制效應），也不存在少

12、子復合問題。 影響開關速度的主要因素：開關時間主要決定于柵極輸入電容Cin的充放電快慢，應盡可能減小柵極回路時間常數(shù)=RsCin。 特點： 優(yōu)點：開關頻率最高；驅動電流小，易驅動；通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)（有利于器件并聯(lián)均流）； 缺點：電壓電流容量較??；通態(tài)壓降較大，ID大則壓降隨之增大（因為無正向PN結的電導調制效應）。,不用時G-S間 短接，以防靜電擊穿。 7. 4 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT） 結構特點：復合型器件，將GTR雙極型電流驅動器件和電力MOSFET單極型電壓驅動器件結合，相互取長補短，構成絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar TransistorIG

13、BT）。綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點，因而具有良好的特性。目前已取代了原來GTR和一部分電力MOSFET的市場。 控制方式：IGBT的驅動與VMOSFET類似，也是一種壓控器件。其C-E間主電流的通斷是由柵極和射極間的電壓uGE的高低決定的。 E極為公共端。,當uGE為正且大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，并為PNP型GTR提供基極電流進而使IGBT導通。當柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，GTR的基極電流被切斷，使得IGBT關斷。,IGBT的特點： 開關速度高，開關損耗小。開關頻率略低于MOSFET； 電壓電流容量大，高于GTR； 驅動

14、電流小，驅動電路簡單。,7.5 其它新型電力電子器件 MOS控制晶閘管(MCT) MCT（MOS Controlled Thyristor）是將MOSFET與晶閘管組合而成的復合型器件。MCT將MOSFET的高輸入阻抗、低驅動功率、快速的開關過程和晶閘管的高電壓大電流、低導通壓降的特點結合起來。MCT具有高電壓、大電流、高載流密度、低通態(tài)壓降的特點。 MCT曾一度被認為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器件。因此，20世紀80年代以來一度成為研究的熱點。但經(jīng)過十多年的努力，其關鍵技術問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠未達到預期的數(shù)值，未能投入實際應用。而其競爭對手IGBT卻進展飛速。,靜電感應晶體

15、管SIT SIT（Static Induction Transistor）實際上是一種結型場效應晶體管。SIT是一種多子導電的器件，其工作頻率與電力MOSFET相當，甚至超過電力MOSFET，而功率容量也比電力MOSFET大，因而適用于高頻大功率場合，目前已在雷達通信設備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應加熱等某些專業(yè)領域獲得了較多的應用。 缺點：正常導通型器件，在柵極不加任何信號時是導通的，柵極加負偏壓時關斷，使用不太方便；此外，SIT通態(tài)電阻較大，使得通態(tài)損耗也大，因而SIT還未在大多數(shù)電力電子設備中得到廣泛應用。,靜電感應晶閘管（SITH） SITH（Static Inductio

16、n Thyristor）又被稱為場控晶閘管（Field Controlled Thyristor FCT）。由于比SIT多了一個具有少子注入功能的PN結，因而SITH是兩種載流子導電的雙極型器件，具有電導調制效應，通態(tài)壓降低、通流能力強。其很多特性與GTO類似，但開關速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。 屬正常導通型，其制造工藝比GTO復雜得多，電流關斷增益較小，因而其應用范圍還有待拓展。,集成門極換流晶閘管（IGCT） IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）將IGBT與GTO的優(yōu)點結合起來，其容量與 GTO相當，但開關速度比GTO快10倍，而且可以省去GTO應用時龐大而復雜的緩沖電路，只不過其所需的驅動功率仍然很大。目前，IGCT正在與IGBT以及其它新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的位置。,功率模塊與功率集成電路 功率模塊（Power Module）:按照典型電力電子電路所需要的拓撲結構，將多個相同的電力電子器件或多個相互配合使用的不同電力電子器件封裝在一個模塊中，可以縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性，對工作頻率較高的電路，這可以大大減小線路電感