电力电子技术-第一章第四节.ppt

1.4典型全控型器件,1.4.1电力晶体管,电力晶体管（GiantTransistorGTR，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（BipolarJunctionTransistorBJT），英文有时候也称为PowerBJT，与GTR名称等效。20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前其地位已大多被IGBT和电力MOSFET所取代。,1,通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。,图1-15GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动a内部结构断面示意图b电气图形符号c内部载流子的流动,1.4典型全控型器件,1.4.1电力晶体管,1、GTR的结构和工作原理,2,在应用中，GTR一般采用共发射极接法。集电极电流ic与基极电流ib之比为GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力。单管GTR的值比处理信息用的小功率晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。,1.4典型全控型器件,1.4.1电力晶体管,3,1.4典型全控型器件,1.4.1电力晶体管,2、GTR的基本特性,1静态特性共发射极接法时的典型输出特性截止区、放大区和饱和区。在电力电子电路中GTR工作在开关状态。但在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。,4,1.4典型全控型器件,1.4.1电力晶体管,开通过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton，加快开通过程的办法。关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff，加快关断速度的办法。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管短很多。,2动态特性,5,1.4典型全控型器件,1.4.1电力晶体管,3、GTR的主要参数,1最高工作电压GTR上电压超过规定值时会发生击穿。击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。BUcboBUcexBUcesBUcerBUceo。实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。,2集电极最大允许电流IcM,3集电极最大耗散功率PcM,6,使用时，只能用到IcM的一半或稍多一点。,1.4典型全控型器件,1.4.2电力场效应晶体管,分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET），简称电力MOSFET（PowerMOSFET）,特点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。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于GTR。但电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。,电力MOSFET,1,1.4典型全控型器件,1.4.2电力场效应晶体管,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。电力MOSFET主要是N沟道增强型。,1、电力MOSFET的结构和工作原理,2,1.4典型全控型器件,1.4.2电力场效应晶体管,电力MOSFET的结构,是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。,图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号,3,1.4典型全控型器件,1.4.2电力场效应晶体管,截止漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT（开启电压）时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。,电力MOSFET的工作原理（N沟道增强型MOS）,4,1静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。是电压控制型器件。,2、电力MOSFET的基本特性,1.4典型全控型器件,1.4.2电力场效应晶体管,5,开通过程开通延迟时间tdon上升时间tr开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和关断过程关断延迟时间tdoff下降时间tf关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和,2动态特性,1.4典型全控型器件,1.4.2电力场效应晶体管,6,开关时间在10100ns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。,电力MOSFET的开关速度,1.4典型全控型器件,1.4.2电力场效应晶体管,3、电力MOSFET的主要参数,7,1.4典型全控型器件,1.4.3绝缘栅双极晶体管,GTR的特点双极型电流驱动器件，其通流能力很强，但是开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。MOSFET的特点单极型电压驱动器件，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。,两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistorIGBT或IGT）为其中一种,IGBT单管及模块,1,1、IGBT的结构和工作原理三端器件栅极G、集电极C和发射极E,1.4典型全控型器件,1.4.3绝缘栅双极晶体管,2,基区调制电阻,驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导通uGE大于开启电压UGEth时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。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。,IGBT的工作原理,3,2、IGBT的基本特性1IGBT的静态特性,转移特性IC与UGE间的关系开启电压UGEth,输出特性分为三个区域正向阻断区、有源区和饱和区。,1.4典型全控型器件,1.4.3绝缘栅双极晶体管,4,IGBT的开通过程与MOSFET的相似开通延迟时间tdon电流上升时间tr开通时间tonuCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。,2IGBT的动态特性,1.4典型全控型器件,1.4.3绝缘栅双极晶体管,5,图1-24IGBT的开关过程,关断延迟时间tdoff）电流下降时间关断时间toff电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。,IGBT的关断过程,1.4典型全控型器件,1.4.3绝缘栅双极晶体管,6,IGBT的开关速度要低于电力MOSFET。,3、IGBT的主要参数,正常工作温度下允许的最大功耗。,3最大集电极功耗PCM,包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。,2最大集电极电流,由内部PNP晶体管所承受的击穿电压确定。,1最大集射极间电压UCES,1.4典型全控型器件,1.4.3绝缘栅双极晶体管,7,IGBT的特性和参数特点总结如下,开关速度高，开关损耗小。相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比MOSFET低。输入阻抗高，输入特性与电力MOSFET类似。与电力MOSFET和GTR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。为满足实际电路的要求，IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起制成模块。,1.4典型全控型器件,1.4.3绝缘栅双极晶体管,8,作业P425、9,预习第一章第6、7节,课外阅读第5节,