电力电子技术笔记（4）

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电力电子技术笔记（4）

2023-12-20 00:49| 来源: 网络整理| 查看: 265

2.4.1 门极可关断晶闸管

1）GTO的结构和工作原理

2）GTO的动态特性

3）GTO的主要参数

2.4.2 电力晶体管

1）GTR的结构和工作原理

2）GTR的基本特性

3）GTR的主要参数

4）GTR的二次击穿现象与安全工作区

2.4.3 电力场效应晶体管

1）分类和特点

2）电力MOSFET的结构和工作原理

电力MOSFET的种类

电力MOSFET的结构

电力MOSFET的工作原理

3）电力MOSFET的基本特性

4）电力MOSFET的主要参数

2.4.4 绝缘栅双极晶体管

1）IGBT的结构和工作原理

2）IGBT的基本特性

3）IGBT的主要参数

4）IGBT的擎住效应和安全工作区

2.4.1 门极可关断晶闸管

GTO（Gate-Turn-Off Thyristor）是晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控型器件。GTO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。

1）GTO的结构和工作原理

GTO的结构：

与普通晶闸管的相同点：PNPN四层半导体结构；外部同样引出三个电极。

与普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。内部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。

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

GTO的工作原理：

Ⅰ、仍然可以用双晶体管模型来分析， $\large V_{1}$ 、 $\large V_{2}$ 的共基极电流增益分别是 $\large \alpha _{1}$ 、 $\large \alpha _{2}$ 。 $\large \mathbf{{\color{Red} \alpha _{1}+\alpha _{2}=1}}$ 是器件临界导通的条件，大于1导通，小于1则关断。

Ⅱ、GTO与普通晶闸管的不同：设计 $\large {\color{Red} \alpha _{2}}$ 较大，使晶闸管 $\large V_{2}$ 控制灵敏，易于GTO关断；导通时 $\large \alpha _{1}+\alpha _{2}$ 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 $\large {\color{Red}P_{2} }$ 基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。

Ⅲ、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 $\large {\color{Red} I_{A}}$ 和 $\large {\color{Red} I_{K}}$ 的减小使 $\large {\color{Red} \alpha _{1}+\alpha _{2} 1}$ 时，器件退出饱和而关断。

结论：

Ⅰ、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。

Ⅱ、GTO的关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。

Ⅲ、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。

a）双晶体管模型；b）工作原理 2）GTO的动态特性

开通过程与普通晶闸管类似。

关断过程：

Ⅰ、储存时间 $\large {\color{Red} t_{s}}$ （使等效晶体管退出饱和）、下降时间 $\large {\color{Red} t_{f}}$ 、尾部时间 $\large {\color{Red} t_{t}}$ （残存载流子复合时间）。通常 $\large t_{f}$ 比 $\large t_{s}$ 小得多，而 $\large t_{t}$ 比 $\large t_{s}$ 要长。

Ⅱ、门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡， $\large {\color{Red} t_{s}}$ 就越短。使门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在 $\large {\color{Red} t_{t}}$ 阶段仍能保持适当的负电压，则可以缩短尾部时间。

GTO的开通和关断过程电流波形 3）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。

Ⅰ、开通时间 $\large t_{on}$ ：延迟时间 $\large t_{d}$ 和上升时间 $\large t_{r}$ 之和。延迟时间一般约1~2 $\large \mu s$ ，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。

Ⅱ、关断时间 $\large t_{off}$ ：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2 $\large \mu s$ 。

Ⅲ、最大可关断阳极电流 $\large I_{ATO}$ ：用来标称GTO额定电流。

Ⅳ、电流关断增益 $\large \beta _{off}$ ：最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流 $\large I_{GM}$ 之比。 $\large \beta _{off}$ 一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。

$\large {\color{Blue} \beta _{off}=I_{ATO}/I_{GM}}$

注意：不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管（内部反并联二极管，失去承受反向电压的能力），需承受反压时，应和电力二极管串联。

GTO类型：逆阻GTO，可承受反向电压；逆导型GTO，为感性无功分量提供续流通路；非逆阻GTO，不能承受阳极反压。

2.4.2 电力晶体管

电力晶体管（Giant Transistor——GTR）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 Transistor——BJT），英文有时候也称为Power BJT。

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。

1）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。

GTR的结构：

采用至少由两个晶体管（多元结构，提高通流能力）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（N漂移区提高耐压）（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。

a）内部结构断面示意图；b）电气图形符号

GTR的工作原理：

在应用中，GTR一般采用共发射极接法。集电极电流 $\large i_{c}$ 与基极电流 $\large i_{b}$ 之比（考虑集电极和发射极间的漏电流）为： $\large i_{c}=\beta i_{b}+I_{ceo}$ 。 $\large \beta$ 称为GTR的电流放大系数，它反映了基极电流对集电极电流的控制能力。 $\large I_{ceo}$ 称为穿透电流， $\large I_{CEO}=\left ( 1+\beta \right )I_{CBO}$ 。

单管GTR的 $\large \beta$ 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（复合管）可以有效地增大电流增益。

内部载流子的流动 2）GTR的基本特性

静态特性：

在共发射极接法时的典型输出特性分为截止区、放大区和饱和区三个区域。

在电力电子电路中，GTR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。

共发射极接法时GTR的输出特性

动态特性：

开通过程：需要经过延迟时间 $\large t_{d}$ 和上升时间 $\large t_{r}$ ，二者之和为开通时间 $\large t_{on}$ 。增大基极驱动电流 $\large i_{b}$ 的幅值并增大 $\large {\color{Red} di_{b}/dt}$ ，可以缩短延迟时间，同时也可以缩短上升时间，从而加快开通过程。

关断过程：需要经过储存时间 $\large t_{s}$ 和下降时间 $\large t_{f}$ ，二者之和为关断时间 $\large t_{off}$ 。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 $\large I_{b2}$ 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。

GTR的开通和关断过程电流波形 3）GTR的主要参数

电流放大倍数 $\large {\color{Red} \beta }$ 、直流电流增益 $\large {\color{Red} h_{FE}}$ 、集电极与发射极间漏电流 $\large {\color{Red} I_{ceo}}$ 、集电极和发射极间饱和压降 $\large {\color{Red} U_{ces}}$ 、开通时间 $\large {\color{Red} t_{on}}$ 和关断时间 $\large {\color{Red} t_{off}}$ 。

最高工作电压：

GTR上所加的电压超过规定值时，就会发生击穿。击穿电压不仅和晶体管本身的特性有关，还与外电路的接法有关。

发射极开路时（open）集电极和基极间的反向击穿电压 $\large {\color{Red} BU_{cbo}}$ ；基极开路时集电极和发射极间的击穿电压 $\large {\color{Red} BU_{ceo}}$ ；发射极与基极间用电阻（resistance）联接或短路（short）联接时集电极和发射极间的击穿电压 $\large {\color{Red} BU_{cer}}$ 和 $\large {\color{Red} BU_{ces}}$ ；发射极反向偏置（X反向电压）时集电极和发射极间的击穿电压 $\large {\color{Red} BU_{cex}}$ ；且存在以下关系： $\large {\color{Red} BU_{cbo} BU_{cex} BU_{ces} BU_{cer} BU_{ceo}}$ 。

实际使用GTR时，为了确保安全，最高工作电压要比 $\large {\color{Red} BU_{ceo}}$ 低得多。

集电极最大允许电流 $\large I_{CM}$ ：规定直流电流放大系数 $\large h_{FE}$ 下降到规定的1/2~1/3时所对应的 $\large {\color{Red} I_{c}}$ ；实际使用时要留有较大裕量，只能用到的一半或稍多一点。

集电极最大耗散功率 $\large P_{CM}$ ：指在最高工作温度下允许的耗散功率。产品说明书中给出 $\large P_{CM}$ 时总是同时给出壳温 $\large {\color{Red} T_{C}}$ ，间接表示了最高工作温度。

4）GTR的二次击穿现象与安全工作区

二次击穿现象：

当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流 $\large {\color{Red} I_{C}}$ 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。出现一次击穿后，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。

一次击穿发生时如不有效地限制电流， $\large {\color{Red} I_{C}}$ 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。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。

安全工作区（Safe Operating Area——SOA）：

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 $\large {\color{Red} U_{ceM}}$ ，集电极最大电流 $\large {\color{Red} I_{cM}}$ 和最大耗散功率 $\large {\color{Red} P_{cM}}$ ，也不能超过二次击穿临界线。

可加缓冲电路，使GTR在SOA内工作。

GTR的安全工作区 2.4.3 电力场效应晶体管 1）分类和特点

分为结型和绝缘栅型，通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），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（Static Induction Transistor——SIT）。

电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，它的特点有：

驱动电路简单，需要的驱动功率小（电压驱动型）；

开关速度快，工作频率高；

热稳定性优于GTR（单极型器件，一种载流子参与导电，而GTR是双极型器件）；

电流容量小，耐压低，多用于功率不超过10kW的电力电子装置。

2）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；

耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道；

增强型——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。

在电力MOSFET中，主要是N沟道增强型。

电力MOSFET的结构

是单极型晶体管。电力MOSFET也是多元集成结构。

结构上与小功率MOS管有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，而目前电力MOSFET大都采用了垂直导电结构，所以又称为VMOSFET（Vertical MOSFET），这大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。

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（Vertical V-groove MOSFET）和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Ddouble-diffused MOSFET）。

a）内部结构断面示意图；b）电气图形符号电力MOSFET的工作原理

这里以N沟道增强型为例。

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 $\large {\color{Red} J_{1}}$ 反偏，漏源极之间无电流流过。

导通：在栅极和源极之间加一正电压 $\large {\color{Red} U_{GS}}$ ，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，当 $\large U_{GS}$ 大于某一电压值 $\large {\color{Red} U_{T}}$ 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 $\large J_{1}$ 消失，漏极和源极导电； $\large U_{T}$ 称为开启电压（阈值电压）， $\large U_{GS}$ 超过 $\large U_{T}$ 越多，导电能力越强，漏极电流 $\large I_{D}$ 越大。

3）电力MOSFET的基本特性

静态特性

转移特性：指漏极电流 $\large {\color{Red} I_{D}}$ 和栅源间电压 $\large {\color{Red} U_{GS}}$ 的关系，反映了输入电压和输出电流的关系； $\large I_{D}$ 较大时， $\large I_{D}$ 与 $\large U_{GS}$ 的关系近似线性，曲线的斜率被定义为MOSFET的跨导 $\large {\color{Red} G_{fs}}$ ，即 $\large G_{fs}=dI_{D}/dU_{GS}$ ；是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。

转移特性

输出特性：是MOSFET的漏极伏安特性；截止区（对应于GTR的截止区）、饱和区（对应于GTR的放大区）、非饱和区（对应于GTR的饱和区）三个区域，（对于MOSFET来说）饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再增加，非饱和是指漏源电压增加时漏极电流相应增加。

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切换。

本身结构所致，漏极和源极之间形成了一个于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。

动态特性

$\large U_{P}$ ——脉冲信号源， $\large R_{S}$ ——信号源内阻， $\large R_{G}$ ——栅极电阻， $\large R_{L}$ ——负载电阻， $\large R_{F}$ ——检测漏极电流

开通过程：开通延迟时间 $\large {\color{Red} t_{d(on)}}$ ；（电流）上升时间 $\large {\color{Red} t_{r}}$ ；开通时间 $\large {\color{Red}t_{on} }$ ： $\large t_{on}=t_{d(on)}+t_{r}$ 。

关断过程：关断延迟时间 $\large {\color{Red} t_{d(off)}}$ ；（电流）下降时间 $\large {\color{Red} t_{f}}$ ；关断时间 $\large {\color{Red} t_{off}}$ ： $\large t_{off}=t_{d(off)}+t_{f}$ 。

a）测试电路；b）开关过程波形

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 $\large {\color{Red} R_{S}}$ ，从而减小栅极回路的充放电时间常数，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10~100ns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。

4）电力MOSFET的主要参数

除跨导 $\large {\color{Red} G_{fs}}$ 、开启电压 $\large {\color{Red}U_{T} }$ 以及 $\large {\color{Red} t_{d(on)}}$ 、 $\large {\color{Red} t_{r}}$ 、 $\large {\color{Red} t_{d(off)}}$ 和 $\large {\color{Red} t_{f}}$ 之外还有：

Ⅰ、漏极电压 $\large {\color{Red} U_{DS}}$ ——电力MOSFET电压定额，所能承受的最高电压，需留有一定的安全裕量

Ⅱ、漏极直流电流 $\large {\color{Red} I_{D}}$ （最大值）和漏极脉冲电流幅值 $\large {\color{Red} I_{DM}}$ （反映了MOSFET瞬时过载能力）——电力MOSFET电流定额

Ⅲ、栅源电压 $\large {\color{Red} U_{GS}}$ ——其绝对值大于20V将导致绝缘层（很薄）击穿

Ⅳ、极间电容——极间电容 $\large {\color{Red} C_{GS}}$ 、 $\large {\color{Red} C_{GD}}$ 和 $\large {\color{Red} C_{DS}}$

Ⅴ、通态电阻 $\large {\color{Red} R_{ON}}$ ——饱和导通时漏源电压与漏极电流的比值。是影响最大输出电流的重要参数。具有正的温度系数，易于并联使用。有些耐压低的MOSFET通态电阻很小。

一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题。（安全工作区宽、可靠性高）

2.4.4 绝缘栅双极晶体管

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。

绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor——IGBT或IGT）综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。

1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。

1）IGBT的结构和工作原理

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N沟道IGBT；比VDMOSFET多一层 $\large {\color{Red} P^{+}}$ 注入区，实现对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。

简化电路表明，IGBT是用GTR与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。

IGBT的工作原理

IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种场控器件。

其开通和关断是由栅极和发射极间的电压 $\large {\color{Red} U_{GE}}$ 决定的。

导通：当 $\large U_{GE}$ 为正且大于开启电压 $\large {\color{Red} U_{GE(th)}}$ 时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。

关断：当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。

电导调制效应使得电阻 $\large {\color{Red} R_{N}}$ 减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。

2）IGBT的基本特性

静态特性

转移特性：描述的是集电极电流 $\large {\color{Red} I_{C}}$ 与栅射电压 $\large {\color{Red} U_{GE}}$ 之间的关系；开启电压 $\large {\color{Red} U_{GE(th)}}$ 是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压，随温度升高而略有下降。

转移特性

输出特性（伏安特性）：描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流 $\large {\color{Red} I_{C}}$ 与集射极间电压 $\large {\color{Red} U_{CE}}$ 之间的关系；分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区；当时 $\large U_{CE} 0$ ，IGBT为反向阻断工作状态；在电力电子电路中，IGBT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。

输出特性

动态特性

开通过程：开通延迟时间 $\large {\color{Red} t_{d(on)}}$ ；电流上升时间 $\large {\color{Red} t_{ri}}$ ；电压下降时间 $\large {\color{Red} t_{fv}}$ ；开通时间 $\large {\color{Red} t_{on}=t_{d(on)}+t_{ri}+t_{fv}}$ ； $\large {\color{Red} t_{fv}}$ 分为 $\large {\color{Red} t_{fv1}}$ （IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程）和 $\large {\color{Red} t_{fv2}}$ （MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程）两段。

关断过程：关断延迟时间 $\large {\color{Red} t_{d(off)}}$ ；电压上升时间 $\large {\color{Red} t_{rv}}$ ；电流下降时间 $\large {\color{Red} t_{fi}}$ ；关断时间 $\large {\color{Red} t_{off}=t_{d(off)}+t_{rv}+t_{fi}}$ ； $\large {\color{Red} t_{fi}}$ 分为 $\large {\color{Red} t_{fi1}}$ （IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，电流下降较快）和 $\large {\color{Red} t_{fi2}}$ （IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，电流下降较慢）两段。

引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度要低于电力MOSFET。

IGBT的开关过程 3）IGBT的主要参数

最大集射极间电压 $\large {\color{Red} U_{CES}}$ ：由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所确定的。

最大集电极电流：包括额定直流电流 $\large {\color{Red} I_{C}}$ 和1ms脉宽最大电流 $\large {\color{Red} I_{CP}}$ 。

最大集电极功耗 $\large {\color{Red} P_{CM}}$ ：在正常工作温度下允许的最大耗散功率。

IGBT的特性和参数特点可以总结如下：

Ⅰ、开关速度高，开关损耗小。

Ⅱ、在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。

Ⅲ、通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。

Ⅳ、输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。

Ⅴ、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。

4）IGBT的擎住效应和安全工作区

IGBT的擎住效应

在IGBT内部寄生着一个 $\large N^{-}PN^{+}$ 晶体管和作为主开关器件的 $\large P^{+}N^{-}P$ 晶体管组成的寄生晶体管。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 $\large J_{3}$ 结施加一个正向偏压，一旦 $\large J_{3}$ 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。