可关断器件资料PPT课件

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1、电力电子技术电力电子技术 全控型器件（自关断器件）全控型器件（自关断器件）通过控制信号既可以控制器件通过控制信号既可以控制器件的开通，又可以控制器件关断的开通，又可以控制器件关断的电力电子器件。的电力电子器件。门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（MOSFET）电力晶体管（电力晶体管（GTR）绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）电力电子技术电力电子技术 晶闸管的一种派生器件晶闸管的一种派生器件可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断GTOGTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管的电压、电流容量较大，与普通晶

2、闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用较多的应用 1 1、门极可关断晶闸管、门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTOGate-Turn-Off Thyristor GTO）电力电子技术电力电子技术1.1 GTO1.1 GTO结构结构a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b)并联单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图 c)电气图形符号电气图形符号电力电子技术电力电子技术 结构与普通晶闸管的相同点：结构与普通晶闸管的相同点：PNPNPNPN四四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和层半

3、导体结构，外部引出阳极、阴极和门极门极 和普通晶闸管的不同：和普通晶闸管的不同：GTOGTO是一种多元是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小数百个共阳极的小GTOGTO元，这些元，这些GTOGTO元的元的阴极和门极则在器件内部并联在一起阴极和门极则在器件内部并联在一起电力电子技术电力电子技术1.2 GTO1.2 GTO工作原理工作原理与普通晶闸管一样，可以用图与普通晶闸管一样，可以用图1-71-7所示的双晶体管模型来分析所示的双晶体管模型来分析RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)

4、b)电力电子技术电力电子技术RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)GTOGTO的开通原理与普通晶闸管相同，只是导通的开通原理与普通晶闸管相同，只是导通时的饱和程度不高，有利于门极控制关断。时的饱和程度不高，有利于门极控制关断。电力电子技术电力电子技术RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)GTOGTO的关断原理的关断原理：给门极加负脉冲，从门极抽出电流，晶给门极加负脉冲，从门极抽出电流，晶体管体管V V2 2的基极电流减小，使的基极电流减小，使I IK K和和I IC2C2

5、减小，减小，I IC2C2减小又使减小又使I IA A和和I IC1C1减小，进一步减小减小，进一步减小V V2 2的基极电流，如此形成强烈的正反的基极电流，如此形成强烈的正反馈，最后使馈，最后使V V1 1 和和V V2 2 退出饱和而关断。退出饱和而关断。电力电子技术电力电子技术GTOGTO和普通晶闸管设计上的不同和普通晶闸管设计上的不同（1 1）设计）设计 2 2较大，使晶体管较大，使晶体管V2V2控制灵敏，易于控制灵敏，易于 GTOGTO关断关断（2 2）导通时）导通时 1+1+2 2更接近更接近1 1（1.051.05，普通晶闸管，普通晶闸管 1+1+2 2 1.151.15）导通时

6、饱和不深，接近临界饱和，有）导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大利门极控制关断，但导通时管压降增大（3 3）多元集成结构使）多元集成结构使GTOGTO元阴极面积很小，门、阴极元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得间距大为缩短，使得P2P2基区横向电阻很小，能从门基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流极抽出较大电流电力电子技术电力电子技术1.3 GTO1.3 GTO动态特性动态特性Ot0t图1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6GTO的开通和关断过程电流波形电力电子技术电力电子技术1.3 GTO1.3 GTO主要

7、参数主要参数（1 1）最大可关断阳极电流）最大可关断阳极电流I IATOATO GTO GTO额定电流额定电流（2 2）电流关断增益）电流关断增益 offoff 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值流最大值I IGMGM之比称为电流关断增益之比称为电流关断增益 offoff一般很小，只有一般很小，只有5 5左右，这是左右，这是GTOGTO的一个主要缺点。的一个主要缺点。1000A1000A的的GTOGTO关断时门极负脉冲电流峰值要关断时门极负脉冲电流峰值要200A200A（3 3）开通时间）开通时间t tonon 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约延迟时

8、间与上升时间之和。延迟时间一般约1-21-2 s s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大（4 4）关断时间）关断时间t toffoff 一般指储存时间和下降时间之和，不包括一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。尾部时间。GTOGTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于一般小于2 2 s s GMATOoffII电力电子技术电力电子技术2 2、电力晶体管、电力晶体管（Giant TransistorGTR）2.1 GTR2.1 GTR的结构的结构图1-15a)基极 bP基区N漂移区N+衬底

9、基极 b 发射极 c集电极 cP+P+N+b)bec空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ibGTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动电力电子技术电力电子技术2.2 GTR2.2 GTR的工作原理的工作原理图1-15a)基极 bP基区N漂移区N+衬底基极 b 发射极 c集电极 cP+P+N+b)bec空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ibbciiceobcIii电力电子技术电力电子技术2.3 GTR2.3 GTR的基本特性的基本特性截止区放大区饱和区图1-16OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer BUceo实际使用时，为确保安

10、全，最高工作电压要比BUceo低得多2)2)集电极最大允许电流集电极最大允许电流I IcMcM通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic，实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点3)3)集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率P PcMcM最高工作温度下允许的耗散功率，产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度电力电子技术电力电子技术2.5 GTR2.5 GTR的二次击穿与安全工作区的二次击穿与安全工作区一次击穿一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，集电极电压升高至击穿电压时，I Ic c迅速增大，出现雪崩迅速增大，出现雪崩击穿击穿只要只要I Ic c不

11、超过限度，不超过限度，GTRGTR一般不会损坏，工作特性也不一般不会损坏，工作特性也不变变二次击穿二次击穿一次击穿发生时一次击穿发生时I Ic c增大到某个临界点时会突然急剧上升，增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降并伴随电压的陡然下降常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 电力电子技术电力电子技术SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM安全工作区（安全工作区（Safe Operating AreaSOASafe Operating AreaSOA）电力电子技术电力电子技术3 3、电力场效应晶体管、电力场效应晶体管

12、电力场效应晶体管通常主要指绝缘栅型中的电力场效应晶体管通常主要指绝缘栅型中的MOSMOS型（型（Metal Oxide Semiconductor FETMetal Oxide Semiconductor FET）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热稳定性优于GTRGTR电流容量小，耐压低，一般只适用于功电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过率不超过10kW10kW的电力电子装置的电力电子装置 电力电子技术电力电子技术3.1 3.1 电力电力MOSFET

13、MOSFET的结构的结构N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19a)内部结构断面示意图 b)电气图形符号在电力在电力MOSFETMOSFET中，主要是中，主要是N N沟道增强型。沟道增强型。电力电子技术电力电子技术 小功率小功率MOSMOS管是横向导电器件管是横向导电器件 电力电力MOSFETMOSFET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 VMOSFETVMOSFET（Vertical MOSFETVertical MOSFET），大大提高了），大大提高了MOSFEMOSFE器件的耐压和耐电流能力器件的耐压和耐电流能力 按垂直导电结

14、构的差异，又分为利用按垂直导电结构的差异，又分为利用V V型槽实现型槽实现垂直导电的垂直导电的VVMOSFETVVMOSFET和具有垂直导电双扩散和具有垂直导电双扩散MOSMOS结构的结构的VDMOSFETVDMOSFET（Vertical Double-diffused Vertical Double-diffused MOSFETMOSFET）这里主要以这里主要以VDMOSVDMOS器件为例进行讨论器件为例进行讨论电力电子技术电力电子技术3.23.2电力电力MOSFETMOSFET的工作原理的工作原理截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零，截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零，P P

15、基基区与区与N N漂移区之间形成的漂移区之间形成的PNPN结结J1J1反偏，漏源极之间无反偏，漏源极之间无电流流过电流流过N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19电力电子技术电力电子技术N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19导电：在栅源极间加正电压导电：在栅源极间加正电压U UGSGS栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P P区中的空穴推开，而将区中的空穴推开，而将P P区中的少子区中的少子电子吸引到栅极下面的电子吸引到栅极下

16、面的P P区表面区表面当当U UGSGS大于大于U UT T（开启电压或阈值电压）时，栅极下（开启电压或阈值电压）时，栅极下P P区表面的电子浓度将超区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使过空穴浓度，使P P型半导体反型成型半导体反型成N N型而成为反型层，该反型层形成型而成为反型层，该反型层形成N N沟道沟道而使而使PNPN结结J1J1消失，漏极和源极导电消失，漏极和源极导电 电力电子技术电力电子技术3.33.3电力电力MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性01020305040图1-202468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VU

17、DS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/Aa)转移特性转移特性 b)输出特性输出特性（1 1）静态特性）静态特性电力电子技术电力电子技术漏极电流漏极电流I ID D和栅源间电压和栅源间电压U UGSGS的关系称的关系称MOSFETMOSFET的的转移特性转移特性I ID D较大时，较大时，I ID D与与U UGSGS的关系近似线性，曲线的斜率定的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导义为跨导G GfsfsGSdfsdU/dIGMOSFETMOSFET的漏极伏安特性即输出特性的漏极伏安特性即输出特性电力电子技术电力电子技术（2 2）动态特性）动态

18、特性a）b)图1-21RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tfa)测试电路 b)开关过程波形电力电子技术电力电子技术a）b)图1-21RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf开通过程开通过程 开通延迟时间开通延迟时间td(on)上升时间上升时间tr iD稳态值由漏极电源电压稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定和漏极负载电阻决定 UGSP的大小和的大小和iD的稳态值有的稳态值有关关 UGS达到达到UGSP后，在后，在up作用作用下继续升高直

19、至达到稳态，下继续升高直至达到稳态，但但iD已不变已不变 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电力电子技术电力电子技术a）b)图1-21RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf关断延迟时间td(off)up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小止的时间段下降时间tf uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS20V将导致绝缘层击穿将导致绝缘层击穿4)极间电容极间电容 3.43.4电力电力MOSFETMOSFET的主要参数的主要参数电

20、力电子技术电力电子技术4 4、绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管(Insulated-Gate Bipolar Transistor-IGBT)GTRGTR和和GTOGTO的特点的特点双极型，电流驱动，双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱度较低，所需驱 动功率大，驱动电路复杂动功率大，驱动电路复杂 MOSFETMOSFET的优点的优点单极型，电压驱动，开单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所关速度快，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需驱动功率小而且驱动电路简单 两类器件取长补短结合而成的复

21、合器件两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOSBi-MOS器件器件电力电子技术电力电子技术4.1 IGBT4.1 IGBT的结构的结构EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)a)内部结构断面示意图 b)简化等效电路 c)电气图形符号三端器件：栅极三端器件：栅极G G、集电极、集电极C C和发射极和发射极E E电力电子技术电力电子技术 N沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT（N-IGBT）IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1 使IGBT

22、导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)电力电子技术电力电子技术4.2 IGBT4.2 IGBT的工作原理的工作原理E GCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)驱动原理与电力驱动原理与电力MOSFET基本相基本相同，场控器件，通断由栅射极同，场控器件，通断由栅射极电压电压uGE决定决定导通导通：

23、，uGE大于开启电压开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通导通压降导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小关断关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断电力电子技术电力电子技术4.3 IGBT4.3 IGBT的基本特性的基本特性（1 1）静态特性）静态特性O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加a)转移特性 b)输出特性电力电子技术电力电子技术（2 2）动态特性）动态特性ttt10%90%10%90%UCEIC

24、0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM电力电子技术电力电子技术4.4 IGBT4.4 IGBT的主要参数的主要参数1)1)最大集射极间电压最大集射极间电压U UCESCES 由内部由内部PNPPNP晶体晶体管的击穿电压确定管的击穿电压确定2)2)最大集电极电流最大集电极电流 包括额定直流电流包括额定直流电流I IC C和和1ms1ms脉宽最大电流脉宽最大电流I ICPCP3)3)最大集电极功耗最大集电极功耗P PCMCM 正常工作温度下允许正常工作温度下允许的最大功耗的最大功耗

25、 电力电子技术电力电子技术 IGBT的特性和参数特点的特性和参数特点(1)开关速度高，开关损耗小。在电压开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上以上 时，开关损耗只有时，开关损耗只有GTR的的1/10，与电力，与电力 MOSFET相当相当(2)相同电压和电流定额时，安全工作区比相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR 大，大，且具有耐脉冲电流冲击能力且具有耐脉冲电流冲击能力(3)通态压降比通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较低，特别是在电流较大的区域大的区域(4)输入阻抗高，输入特性与输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似类似(5)与与MOSFET和和GTR相比，耐压和通流能力还可

26、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以进一步提高，同时保持开关频率高的特点 电力电子技术电力电子技术4.4 IGBT4.4 IGBT的擎住效应和安全工作区的擎住效应和安全工作区EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)寄生晶闸管寄生晶闸管由一个由一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成晶体管组成擎住效应或自锁效应：擎住效应或自锁效应：NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，晶体管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，相当于对形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏结施加正偏压，一旦压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控