電力電子器件概述(2)(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 晶閘管的派生器件 2） 雙向晶閘管 （ Triode AC Switch—— TRIAC或 Bidirectional triode thyristor） 圖 210 雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性 a) b) I O U I G = 0 G T 1 T 2 可認為是一對反并聯聯接的普通晶閘管的集成。 有兩個主電極 T1和 T2，一個門極 G。 在第 Ｉ 和第 III象限有對稱的伏安特性。 不用平均值而用有效值來表示其額定電流值 。 60 晶閘管的派生器件 3) 逆導晶閘管 （ Reverse Conducting Thyristor—— RCT） a) K G A b) U O I I G = 0 圖 211 逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性 將晶閘管反并聯一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。 具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優點。 61 晶閘管的派生器件 4) 光控晶閘管 （ Light Triggered Thyristor—— LTT） A G K a) AK 光強度 強 弱 b) O U I A 圖 212 光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性 又稱光觸發晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發導通的晶閘管。 光觸發保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響。 因此目前在高壓大功率的場合。 62 GKAAGKJ2光控晶閘管符號及等值電路 63 典型全控型器件 門極可關斷晶閘管 電力晶體管 電力場效應晶體管 絕緣柵雙極晶體管 64 典型全控型器件 引言 門極可關斷晶閘管 ——在晶閘管問世后不久出現 。 20世紀 80年代以來 ， 電力電子技術進入了一個嶄新時代 。 典型代表 ——門極可關斷晶閘管 、 電力晶體管 、 電力場效應晶體管 、 絕緣柵雙極晶體管 。 65 典型全控型器件 引言 常用的 典型全控型器件 電力 MOSFET IGBT單管及模塊 66 門極可關斷晶閘管 晶閘管的一種派生器件 。 可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷 。 GTO的電壓 、 電流容量較大 ， 與普通晶閘管接近 ， 因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用 。 門極可關斷晶閘管 （ GateTurnOff Thyristor —GTO） 67 門極可關斷晶閘管 結構 ： 與普通晶閘管的 相同點 ： PNPN四層半導體結構 ， 外部引出陽極 、 陰極和門極 。 和普通晶閘管的 不同點 ： GTO是一種多元的功率集成器件 。 c)圖1 1 3AG K G GKN1P1N2N2 P2b)a)AGK圖 213 GTO的內部結構和電氣圖形符號 a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯單元結構斷面示意圖 c) 電氣圖形符號 1） GTO的結構和工作原理 68 門極可關斷晶閘管 工作原理 ： 與普通晶閘管一樣 ， 可以用圖 17所示的雙晶體管模型來分析 。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a) b)圖 27 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 ?1+?2=1是器件臨界導通的條件。 由 P1N1P2和 N1P2N2構成的兩個晶體管 V V2分別具有共基極電流增益 ?1和 ?2 。 69 門極可關斷晶閘管 GTO能夠通過門極關斷的原因是其與普通晶閘管有如下 區別 ： 設計 ?2較大，使晶體管 V2控 制靈敏，易于 GTO。 導通時 ?1+?2更接近 1，導通時接近臨界飽和，有利門極控制關斷，但導通時管壓降增大。 多元集成結構，使得 P2基區橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)圖 27 晶閘管的工作原理 70 門極可關斷晶閘管 GTO導通過程與普通晶閘管一樣 ， 只是導通時飽和程度較淺 。 GTO關斷過程中有強烈正反饋使器件退出飽和而關斷 。 多元集成結構還使 GTO比普通晶閘管開通過程快 ，承受 di/dt能力強 。 由上述分析我們可以得到以下 結論 ： 71 門極可關斷晶閘管 開通過程 ： 與普通晶閘管相同 關斷過程 ： 與普通晶閘管有所不同 儲存時間 ts， 使等效晶體管退出飽和 。 下降時間 tf 尾部時間 tt —殘存載流子復合 。 通常 tf比 ts小得多 ， 而 tt比 ts要長 。 門極負脈沖電流幅值越大 ， ts越短 。 O t 0 t i G i A I A 90% I A 10% I A t t t f t s t d t r t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 圖 214 GTO的開通和關斷過程電流波形 2) GTO的動態特性 72 門極可關斷晶閘管 3) GTO的主要參數 —— 延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約1~2?s，上升時間則隨通態陽極電流的增大而增大。 —— 一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。下降時間一般小于 2?s。 （ 2） 關斷時間 toff （ 1） 開通時間 ton 不少 GTO都制造成逆導型 ， 類似于逆導晶閘管 ， 需承受反壓時 ， 應和電力二極管串聯 。 許多參數和普通晶閘管相應的參數意義相同，以下只介紹意義不同的參數。 73 門極可關斷晶閘管 （ 3） 最大可關斷陽極電流 IATO （ 4） 電流關斷增益 ?off ?off一般很小，只有 5左右，這是 GTO的一個主要缺點。1000A的 GTO關斷時門極負脈沖電流峰值要 200A 。 ——GTO額定電流。 ——最大可關斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值 IGM之比稱為電流關斷增益。 （ 28） GMA T Oof f II??74 電力晶體管 電力晶體管 （ Giant Transistor——GTR， 直譯為巨型晶體管 ） 。 耐高電壓 、 大電流的雙極結型晶體管（ Bipolar Junction Transistor——BJT） ，英文有時候也稱為 Power BJT。 應用 20世紀 80年代以來 ， 在中 、 小功率范圍內取代晶閘管 ， 但目前又大多被 IGBT和電力MOSFET取代 。 術語用法 ： 75 與普通的雙極結型晶體管基本原理是一樣的。 主要特性是耐壓高、電流大、開關特性好。 通常采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結構。 采用集成電路工藝將許多這種單元并聯而成 。 電力晶體管 1） GTR的結構和工作原理 圖 215 GTR的結構、電氣圖形符號和內部載流子的流動 a) 內部結構斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 c) 內部載流子的流動 76 電力晶體管 在應用中 ， GTR一般采用共發射極接法 。 集電極電流 ic與基極電流 ib之比為 （ 29） ? ——GTR的 電流放大系數 ，反映了基極電流對集電極電流的控制能力 。 當考慮到集電極和發射極間的漏電流 Iceo時 ， ic和 ib的關系為 ic=? ib +Iceo （ 210） 單管 GTR的 ? 值比小功率的晶體管小得多 ， 通常為 10左右 ， 采用達林頓接法可有效增大電流增益 。 bcii??空穴流 電 子 流 c) E b E c i b i c = ? i b i e =(1+ ? ) i b 1） GTR的結構和工作原理 77 電力晶體管 (1) 靜態特性 共發射極接法時的典型輸出特性： 截止區 、 放大區和 飽和區 。 在電力電子電路中 GTR工作在開關狀態 。 在開關過程中 ， 即在截止區和飽和區之間過渡時 ，要經過放大區 。 截止區 放大區 O I c i b3 i b2 i b1 i b1 ib2 i b3 U ce 圖 216 共發射極接法時 GTR的輸出特性 2） GTR的基本特性 78 電力晶體管 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。 加快開通過程的辦法 。 關斷過程 儲存時間 ts和下降時間 tf，二者之和為 關斷時間 toff 。 加快關斷速度的辦法 。 GTR的開關時間在幾微秒以內 ， 比晶閘管和 GTO都短很多 。 i b I b1 I b2 I cs i c 0 0 90% I b1 10% I b1 90% I cs 10% I cs t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t t t off t s t f t on t r t d 圖 217 GTR的開通和關斷過程電流波形 (2) 動態特性 79 電力晶體管 前已述及：電流放大倍數 ?、 直流電流增益 hFE、 集射極間漏電流 Iceo、 集射極間飽和壓降 Uces、 開通時間 ton和關斷時間 toff (此外還有 )： 1) 最高工作電壓 GTR上電壓超過規定值時會發生擊穿 。 擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關 ， 還與外電路接法有關 。 BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo。 實際使用時 ， 最高工作電壓要比 BUceo低得多 。 3） GTR的主要參數 80 電力晶體管 通常規定為 hFE下降到規定值的 1/2~1/3時所對應的 Ic 。 實際使用時要留有裕量 ， 只能用到 IcM的一半或稍多一點 。 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 。 產品說明書中給 PcM時同時給出殼溫 TC， 間接表示了最高工作溫度 。 2) 集電極最大允許電流 IcM 81 電力晶體管 一次擊穿 ： 集電極電壓升高至擊穿電壓時 ， Ic迅速增大 。 只要 Ic不超過限度 ， GTR一般不會損壞 ， 工作特性也不變 。 二次擊穿 ： 一次擊穿發生時 ， Ic突然急劇上升 ， 電壓陡然下降 。 常常立即導致器件的永久損壞 ， 或者工作特性明顯衰變 。 安 全 工 作 區 （ 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 。 SOA O I c I cM P SB P cM U ce U ceM 圖 218 GTR的安全工作區 4) GTR的二次擊穿現象與安全工作區 82 電力場效應晶體管 分為 結型 和 絕緣柵型 通常主要指 絕緣柵型 中的 MOS型 （ Metal Oxide Semiconductor FET） 簡稱電力 MOSFET（ Power MOSFET） 結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管 （ Static Induction Transistor——SIT） 特點 ——用柵極電壓來控制漏極電流 驅動電路簡單 ， 需要的驅動功率小 。 開關速度快 ， 工作頻率高 。 熱穩定性優于 GTR。 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 。 電力場效應晶體管 結型場效應管利用 PN結反向電壓對耗盡層厚度的控制來改變漏極、源極之間的導電溝道寬度，從而控制漏極、源極之間電流的大小。 絕緣柵型場效應管利用柵極和源極之間的電壓產生的電場來改變半導體表面的感生電荷改變導電溝道的導電能力，從而控制 漏極