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电力电子技术 Power Electronic Technology,唐 振,第二讲 电力电子器件及其驱动电路,2.1 电力二极管 2.2 门极可关断晶闸管 2.3 电力场效应晶体管 2.4 绝缘栅双极晶体管 2.5 MOS控制晶闸管 2.6 其它新型功率器件,2.1 电力二极管,2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理 2.1.2 电力二极管的基本特性 2.1.3 电力二极管的主要参数 2.1.4 电力二极管的主要类型,返回,2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理,电力二极管结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用 快恢复二极管和肖特基二极管，分别 在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位,返回,2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理,电力二极管基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样以半导体PN结为基础 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装,2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理,图21 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号,2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理,N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷）。空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾，最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。,2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理,PN结的正向导通状态 电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态,图22 PN结的形成,2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理,PN结的反向截止状态 PN结的单向导电性 二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征 PN结的反向击穿 有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿 PN结的电容效应： PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD,2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理,势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比 扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分 结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。,2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理,造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素： 正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略 引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响 承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响 为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大,2.1.2 电力二极管的基本特性,静态特性 主要指其伏安特性 当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流,返回,2.1.2 电力二极管的基本特性,图23 电力二极管的伏安特性,2.1.2 电力二极管的基本特性,动态特性动态特性因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流特性是随时间变化的。动态特性主要指开关特性，开关特性反映通态和断态之间的转换过程 关断过程 在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲 须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态,2.1.2 电力二极管的基本特性,延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示,图24 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置,2.1.2 电力二极管的基本特性,开通过程(Turn-on Transient)： 电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。 电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大 正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高,2.1.3 电力二极管的主要参数,正向平均电流 IF(AV) 额定电流在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值 正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。 当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略 当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小,返回,2.1.3 电力二极管的主要参数,正向压降 UF 指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降 有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降 反向重复峰值电压URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压 通常是其雪崩击穿电压UB的2/3 使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定,2.1.3 电力二极管的主要参数,最高工作结温TJM 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示 最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度 TJM通常在125175C范围之内 反向恢复时间trr trr= td+ tf ，关断过程中，电流降到0起到恢复反响阻断能力止的时间 浪涌电流IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。,2.1.4 电力二极管的主要类型,按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍 在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管 性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的,返回,2.1.4 电力二极管的主要类型,普通二极管 普通二极管又称整流二极管 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中 其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上,2.1.4 电力二极管的主要类型,快恢复二极管 恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5s以下）的二极管，也简称快速二极管 工艺上多采用了掺金措施 有的采用PN结型结构、有的采用改进的PiN结构,2.1.4 电力二极管的主要类型,采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管，其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在400V以下 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。,2.1.4 电力二极管的主要类型,肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管，简称为肖特基二极管 20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用 肖特基二极管的弱点 当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下 反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度,2.1.4 电力二极管的主要类型,肖特基二极管的优点 反向恢复时间很短（1040ns） 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲 在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管 其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高,2.2 门极可关断晶闸管,2.2.1 概述 2.2.2 GTO的结构和工作原理 2.2.3 GTO的动态特性 2.2.4 GTO的主要参数 2.2.5 GTO的驱动,返回,2.2.1 概述,门极可关断晶闸管 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 GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用,返回,2.2.2 GTO的结构和工作原理,结构：与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极 和普通晶闸管的不同：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起 图25 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 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 c) 电气图形符号,返回,2.2.2 GTO的结构和工作原理,工作原理： 与普通晶闸管一样，可以用图26所示的双晶体管模型来分析 1+2=1是器件临界导通的条件。当1+21时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当1+21时，不能维持饱和导通而关断,图26 GTO元或晶闸管的等效电路,2.2.2 GTO的结构和工作原理,GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别： （1）设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于 GTO关断 （2）导通时1+2更接近1（1.05，普通晶闸管1+21.15） 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 （3）多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流,导通过程:与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程 度较浅 关断过程：强烈正反馈门极加负脉冲即从门 极抽出电流，则Ib2减小，使IK和Ic2减小，Ic2的减小又使IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流 当IA和IK的减小使1+21时，器件退出饱和而关断 多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强,2.2.2 GTO的结构和工作原理,2.2.3 GTO的动态特性,开通过程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间tr 图27 GTO的开通和关断过程电流波形,返回,2.2.3 GTO的动态特性,关断过程：与普通晶闸管有所不同 抽取饱和导通时储存的大量载流子储存时间ts，使等效晶体管退出饱和 等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小下降时间tf 残存载流子复合尾部时间tt 通常tf比ts小得多，而tt比ts要长 门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡，抽走储存载流子的速度越快，ts越短 门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍保持适当负电压，则可缩短尾部时间,2.2.4 GTO的主要参数,GTO的许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数 1)开通时间ton 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大 2)关断时间toff 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联,返回,2.2.4 GTO的主要参数,3) 最大可关断阳极电流IATO : GTO的额定电流 4) 电流关断增益off 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益 （1-8） off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A,2.2.5 GTO的驱动,GTO的开通控制与普通晶闸管相似，但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流 使GTO关断需施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高，关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力 推荐的GTO门极电压电流波形如图28所示。,图28 推荐的GTO门极电压电流波形,返回,2.2.5 GTO的驱动,驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型 直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿，因此目前应用较广，但其功耗大，效率较低 典型的直接耦合式GTO驱动电路如图29所示。,2.2.5 GTO的驱动,二极管VD1和电容C1提供+5V电压 VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路提供+15V电压 VD4和电容C4提供-15V电压 V1开通时，输出正强脉冲 V2开通时输出正脉冲平顶部分 V2关断而V3开通时输出负脉冲 V3关断后R3和R4提供门极负偏压,图29 典型的直接耦合式GTO驱动电路,2.3 电力场效应晶体管,2.3.1 概述 2.3.2 电力MOSFET的结构和工作原理 2.3.3 电力MOSFET的基本特性 2.3.4 电力MOSFET的主要参数 2.3.5 电力MOSFET的驱动,返回,2.3.1 概述,也分为结型和绝缘栅型（类似小功率FET） 但通常主要指绝缘栅型中的MOS型简称 电力MOSFET 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管,返回,2.3.1 概述,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 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,2.3.2 电力MOSFET的结构和工作原理,电力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,返回,2.3.2 电力MOSFET的结构和工作原理,电力MOSFET的结构,图210 电力MOSFET的结构和电气图形符号,2.3.2 电力MOSFET的结构和工作原理,导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，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 电力MOSFET的多元集成结构 国际整流器公司的HEXFET采用了六边形单元 西门子公司的SIPMOSFET采用了正方形单元 摩托罗拉公司的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列,2.3.2 电力MOSFET的结构和工作原理,小功率MOS管是横向导电器件 电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为 VMOSFET大大提高了 MOSFET器件的耐压和耐电流能力 按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂 直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散结构的VDMOSFET 这里主要以VDMOS器件为例进行讨论,2.3.2 电力MOSFET的结构和工作原理,电力MOSFET的工作原理 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,2.3.2 电力MOSFET的结构和工作原理,电力MOSFET的工作原理 导电：在栅源极间加正电压UGS 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区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面 当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使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,2.3.3 电力MOSFET的基本特性,1) 静态特性,图211 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,返回,2.3.3 电力MOSFET的基本特性,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,2.3.3 电力MOSFET的基本特性,MOSFET的漏极伏安特性（输出特性）： 截止区（对应于GTR的截止区） 饱和区（对应于GTR的放大区） 非饱和区（对应于GTR的饱和区） 电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换 电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通 电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利,2.3.3 电力MOSFET的基本特性,2) 动态特性,图212 电力MOSFET的开关过程 a) 测试电路 b) 开关过程波形 up脉冲信号源，Rs信号源内阻，RG栅极电阻，RL负载电阻，RF检测漏极电流,2.3.3 电力MOSFET的基本特性,开通过程（开关过程图） 开通延迟时间td(on) up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段 上升时间tr uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段 iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定 UGSP的大小和iD的稳态值有关 UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变 开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和,2.3.3 电力MOSFET的基本特性,关断过程（开关过程图） 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uGSUT时沟道消失，iD下降到零为止的时间段 关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和,2.3.3 电力MOSFET的基本特性,MOSFET的开关速度 MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系 使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度 MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速 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。,2.3.4 电力MOSFET的主要参数,除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之还有: 1) 漏极电压UDS 电力MOSFET电压定额 2) 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM 电力MOSFET电流定额 3) 栅源电压UGS 栅源之间的绝缘层很薄，UGS20V将导致绝缘层击穿 4) 极间电容 极间电容CGS、CGD和CDS,返回,2.3.4 电力MOSFET的主要参数,厂家提供：漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss Ciss= CGS+ CGD （1-14） Crss= CGD （1-15） Coss= CDS+ CGD （1-16） 输入电容可近似用Ciss代替 这些电容都是非线性的,2.3.4 电力MOSFET的主要参数,漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区 一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点 实际使用中仍应注意留适当的裕量,图213 MOSFET正向偏置安全工作区（图中的时间表示脉冲宽度）,2.3.5 电力MOSFET的驱动,栅源间、栅射间有数千皮法的电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。 使MOSFET开通的驱动电压一般1015V，使IGBT开通的驱动电压一般15 20V。 关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取 5-15V）有利于减小关断时间和关断损耗。 在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。 典型的电力MOSFET的驱动电路如图214所示。,返回,2.3.5 电力MOSFET的驱动,无输入信号时高速放大器A输出负电平,V3导通输出负驱动电压 当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压 专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。,图214 电力MOSFET的一种驱动电路,2.4 绝缘栅双极晶体管,2.4.1 概述 2.4.2 IGBT的结构和工作原理 2.4.3 IGBT的基本特性 2.4.4 IGBT的主要参数 2.4.5 IGBT的擎住效应和安全工作区 2.4.6 IGBT的驱动,返回,2.4.1 概述,GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱 动功率大，驱动电路复杂 MOSFET的优点单极型，电压驱动，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,返回,2.4.1 概述,绝缘栅双极晶体管（IGBT或IGT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性 1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位,2.4.2 IGBT的结构和工作原理,IGBT是三端器件：栅极G、集电极C和发射极E,图215 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号,返回,2.4.2 IGBT的结构和工作原理,IGBT的结构（显示图） 图215（a）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 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管 RN为晶体管基区内的调制电阻,2.4.2 IGBT的结构和工作原理,IGBT的原理 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：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小 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,2.4.3 IGBT的基本特性,1) IGBT的静态特性,图216 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,返回,2.4.3 IGBT的基本特性,转移特性IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似 开启电压UGE(th)IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压 UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25C时，UGE(th)的值一般为26V 输出特性（伏安特性）以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系 分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应 uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态,2.4.3 IGBT的基本特性,2) IGBT的动态特性,图217 IGBT的开关过程,2.4.3 IGBT的基本特性,IGBT的开通过程 （开关过程图） 与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行 开通延迟时间td(on) 从uGE上升至其幅值10%的时刻，到iC上升至10% ICM² 电流上升时间tr iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间 开通时间ton开通延迟时间与电流上升时间之和 uCE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,2.4.3 IGBT的基本特性,IGBT的关断过程（开关过程图） 关断延迟时间td(off) 从uGE后沿下降到其幅值90%的时刻起，到iC下降至90%ICM 电流下降时间tfiC从90%ICM下降至10%ICM 关断时间toff关断延迟时间与电流下降之和 电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。 tfi1IGBT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,2.4.3 IGBT的基本特性,IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数,2.4.4 IGBT的主要参数,1) 最大集射极间电压UCES 由内部PNP晶体管的击穿电压确定 2) 最大集电极电流 包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 3)最大集电极功耗PCM 正常工作温度下允许的最大功耗,返回,2.4.4 IGBT的主要参数,IGBT的特性和参数特点 开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当 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VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似 与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,2.4.5 IGBT的擎住效应和安全工作区,图215 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号,返回,2.4.5 IGBT的擎住效应和安全工作区,寄生晶闸管由一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成 正偏安全工作区最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定 反向偏置安全工作区最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定,2.4.5 IGBT的擎住效应和安全工作区,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，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J3结施加正偏压，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 动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小 擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决 IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件,2.4.6 IGBT的驱动,IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器 常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851） 内部具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号 M57962L输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为10V。 M57962L型IGBT驱动器的内部结构 和外部接线如图218所示。,返回,2.4.6 IGBT的驱动,图218 M57962L型IGBT驱动器的内部结构和外部接线图,2.5 MOS控制晶闸管,2.5.1 概述 2.5.2 MCT的结构和工作原理 2.5.3 MCT的基本特性 2.5.4 MCT的主要参数 2.5.5 MCT的门极驱动,返回,2.5.1 概述,综合利用晶闸管高电压、大电流技术与MOSFET控制技术，研制出MOS控制晶闸管复合器件。这种复合器件的基本结构是一个晶闸管与一个或几个MOSFET的集成。根据门极控制方法的不同，MOS晶闸管可分为MOSGTO(MCT)和MOS光控晶闸管。MCT将MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率与快的开关速度和SCR的高压大电流结合在一起，成为80年代末最热门的器件之一。,返回,2.5.2 MCT的结构和工作原理,MCT是在SCR结构中集成了一对MOSFET，通过MOSFET来控制SCR的导通与关断。 使MCT导通的P沟道MOSFET称为ONFET。 使MCT关断的N沟道MOSFET称为OFFFET。 MCT是采用DMOSFET集成电路工艺制成的。一个MCT大约105个单胞。每个单胞含有一个宽基区的NPN晶体管和一个窄基区PNP晶体管以及一个OFFFET。 OFFFET连接在PNP晶体管的基射极之间，另有4的单胞含有ONFET，连接在PNP晶体管的集射极之间，这两组的MOSFET栅极连接在一起，构成MCT的单门极。含有ONFET的MCT单胞如图219所示。,返回,2.5.2 MCT的结构和工作原理,图219 MCT的典型结构,2.5.2 MCT的结构和工作原理,MCT的等效电路和符号如图220所示,图220 MCT的等效电路与符号,2.5.2 MCT的结构和工作原理,在结构上MCT需要用双门极控制，对外只有单门极，门极信号以阳极为基准而不是以阴极为基准。 当门极相对阳极加负脉冲电压时，ONFET导通它的漏极电流使NPN晶体管导通。 NPN晶体管又使PNP晶体管导通，并且形成正反馈触发过程。通过正反馈的循环使PNP+NPN1，于是，MCT导通。 当门极相对阳极加正脉冲电压时，OFFFET导通， PNP晶体管基极电流中断， PNP晶体管被切断，破坏了正反馈过程，于是，MCT关断。 一般来说，5V10V脉冲电压可使MCT导通，10V脉冲电压可使MCT关断。,2.5.3 MCT的基本特性,静态正向特性 MCT实质上是一个MOS控制的晶闸管。在静态时，其内含的MOSFET不起作用，MCT相当于晶闸管，因此具有高的阻断电压和低的通态压降。其正向伏安特性如图217所示。 MCT的正向伏安特性随温度升高左移，也就是说，温度升高管压降减小，但反向漏电流增大。 MCT的实际工作温度一般在55oC150oC。 MCT的正向伏安特性类似于二极管，在很大的电流下，通态电压仅有一定程度的增加，十分适合于大电流场合。同时，MCT又是双注入器件，通态电压随阻断电压的升高变化不大，所以，在高电压场合更具优势。,返回,2.5.3 MCT的基本特性,图221 MCT正向伏安特性,2.5.3 MCT的基本特性,开关特性 MCT由内含的MOSFET控制其开通与关断，开关机理与晶闸管不同。特别是在MCT中，无论是开通或关断，都是在芯片各个部分同时进行的，与晶闸管相比，MCT具有较快的开关速度。MCT典型的感性开关电路与相应的开关波形如图222所示。,图222（a） MCT典型的感性开关电路,2.5.3 MCT的基本特性,图222（b） MCT开关波形,2.5.3 MCT的基本特性,MCT的关断有两个过程：先破坏晶闸管的擎住条件，然后使器件两个基区中的过剩载流子复合。表征关断过程的参数主要是关断时间和关断损耗。 关断时间由关断延时时间TD（off）I和关断电流下降时间TFI组成，如图222（b）所示。 关断损耗Eoff的定义则是，从VG上升变化10的时刻起到IK0的时间内，瞬时功耗VKAIK对时间的积分。,2.5.3 MCT的基本特性,MCT的关断特性与阴极电流、阴阳极电压和温度等有关。 阴极电流增大，关断延时时间TD（off）I减小；关断电流下降时间TFI略微增大。 阴阳极电压数值增大，关断延时时间TD（off）I增大；关断电流下降时间TFI减小。 温度升高，关断延时时间TD（off）I、关断电流下降时间TFI、关断损耗均增大。,2.5.3 MCT的基本特性,MCT开通过程中的参数变化远没有关断过程那样剧烈。阴极电流上升的同时，阳阴极之间的电压是在减小的，可避免开通过程中同时产生峰值电流和峰值电压，并使开通损耗减小。表征开通特性的参数开通时间TON和开通损耗EON。 开通时间TON包括开通延迟时间TD（ON）I和开通电流上升时间TRI，其定义如图222（b）所示。 开通损耗EON的定义则是，从VG下降变化10的时刻起到VKA=VTM的时间内，瞬时功耗VKAIK对时间的积分。（VTM是MCT的通态压降）,2.5.3 MCT的基本特性,MCT的关断特性与阴极电流、阴阳极电压等有关。 阴极电流增大，开通延时时间TD（ON）I增大；开通电流上升时间TRI略微增大。 阴阳极电压数值增大，开通延时时间TD（ON）I增大；开通电流上升时间TRI减小。,2.5.3 MCT的基本特性,安全工作区 MCT无正偏安全工作区。在没有吸收电路时的反偏安全工作区，也即是MCT关断时的电流与电压极限容量，如图223所示。它们与结温、电流和工作周期等有关。 当工作电流超出安全工作区时，MCT可能失效。但是当峰值可控电流超出安全工作区时，MCT不会像GTO那样损坏，而只是不能用门极信号关断而已。,2.5.3 MCT的基本特性,图223 MCT的安全工作区,2.5.4 MCT的主要参数,MCT的特性参数分为两大类：绝对最大额定值和电特性值。 绝对最大额定值：在任何情况下都不能超越，否则器件讲损坏。 电特性值：一般已最小值、典型值、最大值的形式给出，它们与测试方法和应用条件密切相关。在实际应用中，若特性值应用，器件本省不一定损坏，单可能导致电路的工作失常。 MCT的主要参数包括：断态峰值电压VDRM、反向峰值电压VRRM、阴极连续电流IKXX、阴极非重复峰值电流ITSM、峰值可控制电流ITC、门阳极电压（连续）VGA、门阳极电压（峰值）VGAM、电流变化率di/dt、最大功耗PT、工作与储存温度Tj，Tstg和最大引线焊接温度TL。,返回,2.5.4 MCT的主要参数,MCT是非反向阻断器件，反向峰值电流VRRM很低（大约5V左右，MCT35P60F1），但是使用时还需反并联二极管。 阴极非重复峰值电流ITSM是通态脉宽下所允许的流过器件的最大电流限制允许峰值电流和脉宽的是结温。 当MCT门极通过换向信号时额定关断的最大阴极电流称器件的峰值可控制电流ITC。 美国Harris公司生产的型号为MCT35P60F1的MCT的主要参数见表21所示。,2.5.4 MCT的主要参数,表21 MCTG35P60F1的 最大额定值,2.5.5 MCT的门极驱动,MCT具有MOS门极，因而门极驱动比较容易实