【正文】 功率模塊和功率集成電路 是現(xiàn)在電力電子發(fā)展的一個共同趨勢 。 光控晶閘管 ：功率更大場合 ， 8kV / ， 裝置最高達(dá)300MVA， 容量最大 。 仍在不斷發(fā)展 ， 與 IGCT等新器件激烈競爭 ， 試圖在兆瓦以上取代 GTO。 電流驅(qū)動型 ：雙極型器件中除 SITH外 特點(diǎn) ：具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) ， 因而通態(tài)壓降低 ， 導(dǎo)通損耗小 ，但工作頻率較低 ， 所需驅(qū)動功率大 ,驅(qū)動電路較復(fù)雜 。 正偏安全工作區(qū) （ FBSOA） 77 電力電子器件分類“樹” 本章小結(jié) 主要內(nèi)容 介紹各種主要電力電子器件的基本結(jié)構(gòu) 、 工作原理 、 基本特性和主要參數(shù)等 。 ——最大集電極電流 、 最大集射極間電壓 和 最大允許電壓上升率duCE/dt確定。 75 擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng) ： ——NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在 體區(qū)短路電阻 ， P形體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對 J3結(jié)施加正偏壓，一旦 J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，（晶閘管導(dǎo)通）電流失控。 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) 柵極開啟電壓 ——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 73 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(dú)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 70 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 2) IGBT的基本特性 (1) IGBT的靜態(tài)特性 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 。 E GCN+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 )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) 69 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 。 67 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 E GCN+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 )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 68 N溝道 VDMOSFET與 GTR組合 ——N溝道 IGBT。 GTR和 GTO的特點(diǎn) —— 雙極型 ， 電流驅(qū)動 ， 有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) ，通流能力很強(qiáng) ， 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 65 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 。 漏源極之間有寄生二極管 ， 漏源極間加反向電壓時器件導(dǎo)通 。 ID較大時， ID與 UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo) Gfs。 導(dǎo)電 ： 在柵源極間加正電壓 UGS – 當(dāng) UGS大于 UT時 ， P型半導(dǎo)體反型成 N型而成為 反型層 ， 該反型層形成 N溝道而使 PN結(jié) J1消失 ， 漏極和源極導(dǎo)電 。 電力 MOSFET的結(jié)構(gòu) 60 截止 ： 漏源極間加正電源 ， 柵源極間電壓為零 。 按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異 ， 分為利用 V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散 MOS結(jié)構(gòu)的 VDMOSFET（ Vertical Doublediffused MOSFET） 。 N+GSDP 溝道b)N+NSGDP PN+N+N+溝道a)GSDN 溝道圖1 1 959 小功率 MOS管是橫向?qū)щ娖骷?。 導(dǎo)電機(jī)理與小功率 MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。 電流容量小 ， 耐壓低 ， 一般只適用于功率不超過 10kW的電力電子裝臵 。 開關(guān)速度快 ， 工作頻率高 。 電力 MOSFET主要是 N溝道增強(qiáng)型 。 耗盡型 ——當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道 。 安全工作區(qū) （ Safe Operating Area—— SOA） 最高電壓 UceM、 集電極最大電流 IcM、 最大耗散功率 PcM、 二次擊穿臨界線限定 。 二次擊穿 ： 一次擊穿發(fā)生時 ， Ic突然急劇上升 ， 電壓陡然下降 。 2) 集電極最大允許電流 IcM 55 一次擊穿 ： 集電極電壓升高至擊穿電壓時 ， Ic迅速增大 。 3) 集電極最大耗散功率 PcM 最高工作溫度下允許的耗散功率 。 實(shí)際使用時 ， 最高工作電壓要比 BUceo低得多 。 擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān) ， 還與外電路接法有關(guān) 。 GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi) ， 比晶閘管和 GTO都短很多 。 關(guān)斷過程 儲存時間 ts和下降時間 tf，二者之和為 關(guān)斷時間 toff 。 截止區(qū) 放大區(qū) O I c i b3 i b2 i b1 i b1 i b2 i b3 U ce 共發(fā)射極接法時 GTR的輸出特性 2） GTR的基本特性 52 開通過程 延遲時間 td和上升時間 tr，二者之和為 開通時間 ton。 在電力電子電路中 GTR工作在開關(guān)狀態(tài) 。 當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流 Iceo時 ， ic和 ib的關(guān)系為 ic=? ib +Iceo 單管 GTR的 ? 值比小功率的晶體管小得多 ， 通常為 10左右 ， 采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益 。 1） GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 c) 內(nèi)部載流子的流動 50 在應(yīng)用中 ， GTR一般采用共發(fā)射極接法 。 通常采用至少由兩個晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。 49 與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。 耐高電壓 、 大電流的雙極結(jié)型晶體管 （ Bipolar Junction Transistor——BJT） ， 英文有時候也稱為 P