【正文】 多采。 2) 電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路 128 典型全控型器件的驅(qū)動電路 (1) 電力 MOSFET的一種驅(qū)動電路： 電氣隔離 和 晶體管放大電路 兩部分 圖 232 電力 MOSFET的一種驅(qū)動電路 專為驅(qū)動電力 MOSFET而設(shè)計的混合集成電路有三菱公司的 M57918L，其輸入信號電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為 +2A和 3A，輸出驅(qū)動電壓 +15V和 10V。 關(guān)斷時施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動電壓 （ 一般取 5 ~ 15V）有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗 。 為快速建立驅(qū)動電壓 ， 要求驅(qū)動電路輸出電阻小 。 VD1AVVS0 V+ 10V+ 15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2圖 231 GTR的一種驅(qū)動電路 驅(qū)動 GTR的集成驅(qū)動電路中， THOMSON公司的 UAA4002和三菱公司的 M57215BL較為常見。 關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值 （ 6V左右 ） 的負(fù)偏壓 。 圖 229 典型的直接耦合式 GTO驅(qū)動電路 125 典型全控型器件的驅(qū)動電路 開通驅(qū)動電流應(yīng)使 GTR處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài) ， 使之不進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū) 。 124 典型全控型器件的驅(qū)動電路 直接耦合式驅(qū)動電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩 ， 可得到較陡的脈沖前沿 。 GTO關(guān)斷控制 需施加負(fù)門極電流 。 V V2導(dǎo)通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。 t I I M t 1 t 2 t 3 t 4 圖 226 理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形 t1~t2?脈沖前沿上升時間（ 1?s） t1~t3?強脈寬度 IM?強脈沖幅值（ 3IGT~5IGT） t1~t4?脈沖寬度 I?脈沖平頂幅值（ ~2IGT） 晶閘管的觸發(fā)電路 122 晶閘管的觸發(fā)電路 V V2構(gòu)成 脈沖放大環(huán)節(jié) 。 不超過門極電壓 、 電流和功率定額 ， 且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi) 。 晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求 ： 脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通 。 為達(dá)到參數(shù)最佳配合 ， 首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)動電路 。 驅(qū)動電路具體形式可為 分立元件 的 ， 但目前的趨勢是采用 專用集成驅(qū)動電路 。 驅(qū)動電路 —— 主電路與控制電路之間的接口 119 電力電子器件驅(qū)動電路概述 驅(qū)動電路還要提供控制電路與主電路之間的 電氣隔離 環(huán)節(jié) ， 一般采用光隔離或磁隔離 。 對半控型器件只需提供開通控制信號 。 一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動電路中 ， 或通過驅(qū)動電路實現(xiàn) 。 發(fā)展現(xiàn)狀 116 可控性 驅(qū)動信號 額定 電壓、電流 工作頻率 飽和壓降 二極管 不可控 無 最大 有高 有低 小 晶閘管 半控 脈沖電流（開通） 最大 最低 小 GTO 全控 正、負(fù) 脈沖電流 大 較低 中 BJT 全控 正電流 中 中 小 IGBT 全控 正電壓 較大 較高 較小 MOSFET 全控 正電壓 小 最高 大 常用電力半導(dǎo)體開關(guān)器件性能對比 117 電力電子器件器件的驅(qū)動 電力電子器件驅(qū)動電路概述 晶閘管的觸發(fā)電路 典型全控型器件的驅(qū)動電路 118 電力電子器件驅(qū)動電路概述 使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài) ， 縮短開關(guān)時間 ， 減小開關(guān)損耗 。 智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個難點 ,最近幾年獲得了 迅速發(fā)展 。 實際應(yīng)用電路 115 功率模塊與功率集成電路 功率集成電路的主要技術(shù)難點： 高低壓電路之間的絕緣問題 以及 溫升和散熱的處理 。 智能功率集成電路 （ Smart Power IC——SPIC） 一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成 。 將器件與邏輯 、 控制 、 保護(hù) 、 傳感 、 檢測 、 自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上 ， 稱為 功率集成電路（ Power Integrated Circuit——PIC） 。 可縮小裝置體積 ， 降低成本 ， 提高可靠性 。 ■ 寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展一直受制于材料的提煉和制造以 及隨后的半導(dǎo)體制造工藝的困難。 IGCT（ Integrated GateCommutated Thyristor） ——GCT（ GateCommutated Thyristor） 109 基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件 ■ 硅的禁帶寬度為 （ eV） ，而寬禁帶半導(dǎo)體 材料是指禁帶寬度在 左右及以上的半導(dǎo)體材 料，典型的是碳化硅（ SiC）、氮化鎵（ GaN）、金剛石等 材料。 可省去 GTO復(fù)雜的緩沖電路 ， 但驅(qū)動功率仍很大 。 此外 ，電流關(guān)斷增益較小 ， 因而其應(yīng)用范圍還有待拓展 。 其很多特性與 GTO類似 ， 但開關(guān)速度比 GTO高得多 ，是大容量的快速器件 。 通態(tài)電阻較大 ， 通態(tài)損耗也大 ， 因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用 。 在雷達(dá)通信設(shè)備 、 超聲波功率放大 、 脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用 。 其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破 ， 電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值 ， 未能投入實際應(yīng)用 。 一個 MCT器件由數(shù)以萬計的 MCT元組成 。 104 其他新型電力電子器件 MOS控制晶閘管 MCT 靜電感應(yīng)晶體管 SIT 靜電感應(yīng)晶閘管 SITH 集成門極換流晶閘管 IGCT 功率模塊與功率集成電路 105 MOS控制晶閘管 MCT MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點： 承受極高 di/dt和 du/dt， 快速的開關(guān)過程 ， 開關(guān)損耗小 。 擎住效應(yīng)曾限制 IGBT電流容量提高， 20世紀(jì) 90年代中后期開始逐漸解決。 反向偏臵安全工作區(qū) （ RBSOA） —— 最大集電極電流 、 最大集射極間電壓 和 最大集電極功耗 確定。 103 絕緣柵雙極晶體管 擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)： IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件 。 輸入阻抗高 ， 輸入特性與 MOSFET類似 。 相同電壓和電流定額時 ， 安全工作區(qū)比 GTR大 ， 且 具有耐脈沖電流沖擊能力 。 (2) 最大集電極電流 ——由內(nèi)部 PNP晶體管的擊穿電壓確定。 IGBT的關(guān)斷過程 t t t 10% 90% 10% 90% U CE I C 0 O 0 U GE U GEM I CM U CEM t fv1 t fv2 t off t on t fi1 t fi2 t d(off) t f t d(on) t r U CE(on) U GEM U GEM I CM I CM 101 絕緣柵雙極晶體管 3) IGBT的主要參數(shù) ——正常工作溫度下允許的最大功耗 。 tfi1——IGBT 器 件 內(nèi) 部 的MOSFET的關(guān)斷過程 ， iC下降較快 。 tfv1——IGBT中 MOSFET單獨工作的電壓下降過程； tfv2——MOSFET和 PNP晶體管同時工作的電壓下降過程 。 IGBT的原理 98 a ) b ) O 有源區(qū) 正向阻斷區(qū) 飽 和 區(qū) 反向阻斷區(qū) I C U GE(th) U GE O I C U RM U FM U CE U GE(th) U GE 增加 絕緣柵雙極晶體管 2) IGBT的基本特性 (1) IGBT的靜態(tài)特性 圖 223 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性 轉(zhuǎn)移特性 —— IC與UGE間的關(guān)系 (開啟電壓 UGE(th)) 輸出特性 ?分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū) 、 有源區(qū)和飽和區(qū) 。 通態(tài)壓降 ：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻 RN減小 ， 使通態(tài)壓降減小 。 EGCN+Na)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J 3 J2J1GEC+++IDRNICVJ1IDRonb )GCc )圖 222 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號 IGBT的結(jié)構(gòu) 垂直導(dǎo)電雙擴散 MOS結(jié)構(gòu) （ Vertical Doublediffused MOSFET） 97 絕緣柵雙極晶體管 驅(qū)動原理與電力 MOSFET基本相同 ， 場控器件 ， 通斷由柵射極電壓 uGE決定 。 簡化等效電路表明 ， IGBT是 GTR與 MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu) ， 一個由 MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū) PNP晶體管 。 95 絕緣柵雙極晶體管 1) IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理 三端器件：柵極 G、 集電極 C和發(fā)射極 E EGCN+Na)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J 3 J2J1GEC+++IDRNICVJ1IDRonb )GCc )圖 222 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號 96 絕緣柵雙極晶體管 圖 122a—N溝道 VDMOSFET與 GTR組合 ——N溝道 IGBT。 GTR和 GTO的特點 —— 雙極型 ， 電流驅(qū)動 ， 有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) ，通流能力很強 ， 開關(guān)速度較低 ， 所需驅(qū)動功率大 ， 驅(qū)動電路復(fù)雜 。 1986年投入市場 ， 是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件 。 MOSFET的開關(guān)速度 93 電力場效應(yīng)晶體管 3) 電力 MOSFET的主要參數(shù) —— 電力 MOSFET電壓定額 (1) 漏極電壓 UDS (2) 漏極直流電流 ID和漏極脈沖電流幅值 IDM —— 電力 MOSFET電流定額 (3) 柵源電壓 UGS —— ?UGS?20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 。 但在開關(guān)過程中需對輸入電容充放電 ， 仍需一定的驅(qū)動功率 。 開關(guān)時間在 10~100ns之間 ， 工作頻率可達(dá) 100kHz以上 ，是主要電力電子器件中最高的 。 可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻 Rs減小時間常數(shù) ， 加快開關(guān)速度 。 通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù) ， 對器件并聯(lián)時的均流有利 。 0 10 20 30 50 40 2 4 6 8 a) 10 20 30 50 40 0 b) 10 20 30 50 40 飽和區(qū) 非 飽 和 區(qū) 截止區(qū) I D / A U T U GS / V U DS / V U GS = U T =3V U GS =4V U GS =5V U GS =6V U GS =7V U GS =8V I D / A 圖 220 電力 MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性 2）電力 MOSFET的基本特性 90 電力場效應(yīng)晶體管 截止區(qū) （ 對應(yīng)于 GTR的截止區(qū) ） 飽和區(qū) （ 對應(yīng)于 GTR的放大區(qū) ） 非飽和區(qū) （ 對應(yīng) GTR的飽和區(qū) ） 工作在開關(guān)狀態(tài) ， 即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換 。 N +GSDP 溝道b)N +N SGDP PN +N +N +溝道a)GSDN 溝道圖1 1 9圖 219 電力 MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 電力 MOSFET的工作原理 89 電力場效應(yīng)晶體管 (1) 靜態(tài)特性 漏極電流 ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為 MOSFET的 轉(zhuǎn)移特性 。 – P基區(qū)與 N漂移區(qū)之間形成的 PN結(jié) J1反偏 ， 漏源極之間無電流流過 。 這里主要以 VDMOS器件為例進(jìn)行討論 。 電力 MOSFET 大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu) ，