[优选文档]器件全控型器件PPT.ppt

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1、器件全控型器件2.2 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO(Gate-Turned-Off Thyristor)一、结构与工作原理一、结构与工作原理1 1、结构：、结构：多元集成元件，放射门极结构。它可以等效成多个小GTO元的集成(并联)-可实现门极控制关断。对比晶闸管：中央门极结构22 2、工作原理、工作原理与普通晶闸管相同，可采用双晶体管模型分析。开关速度高于普通晶闸管，di/dt承受能力大于晶闸管。3 3、电气符号、电气符号 晶闸管？3二、工作特性二、工作特性1 1、特点、特点1 1）门极可以控制开通，也可以控制关断；-全控型 流控型器件 脉冲控制型2）开通条件：正向阳极电压，正向门极

2、电压；关断条件：门极加负脉冲（不能通过门极电流为零关断）3）开关速度及di/dt承受能力高于晶闸管4）单向导电性。2、静态特性、静态特性伏安特性同晶闸管43、动态特性、动态特性1 1）开通过程：）开通过程：开通时间：ton=td+trOt0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取饱和导通时储存抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间的大量载流子的时间等效晶体管从饱和区等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电退至放大区，阳极电流逐渐减小时间流逐渐减小时间 残存载流残存载流子复合所子复合所需时间需时间 5tfv1:IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程;

3、由MOSFET和双极性晶体管组合而成。tf：集电极电流下降时间2）开通条件：正向阳极电压，正向门极电压；三、可关断晶闸管的主要参数伏安特性：反映集电极电流Ic与集射极电压之间的关系。3）开关速度及di/dt承受能力高于晶闸管若使门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍能保持适当的负电压，则tt越小。无拖尾-开关速度快，在80年代是主要的功率控制器件-全控型 流控型器件 电平控制型uGSP：非饱和栅压。门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡。2、静态特性上升时间tri:0.它是GTO的额定电流。IGBT为三端四层器件。拖尾时间tt:远大ts2 2）关断过程：）关断过程：关断时间:toff=ts+tf+t

4、t 存储时间ts:IA0.9IA 下降时间tf:0.9IA0.1IA 拖尾时间tt:远大ts 门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡。抽走存储载流子的速度越快，ts越小。若使门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍能保持适当的负电压，则tt越小。三三、可关断晶闸管的主要参数、可关断晶闸管的主要参数1、开通时间、开通时间ton2、关断时间、关断时间toff63、最大可关断阳极电流、最大可关断阳极电流IATO GTO通过负脉冲能够关断的最大阳极电流。它是GTO的额定电流。4、电流关断增益、电流关断增益off最大可关断电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比。一般很小，510。若1000A的GTO，门极负脉冲为

5、200100A，很大，这是GTO的缺点。Back71 1、结构、结构普通晶体管结构GTR结构符号2.3 2.3 电力晶体管电力晶体管GTRGTR(Giant TransistorPower BJT)(Giant TransistorPower BJT)一、结构与工作原理一、结构与工作原理由至少两个晶体管按达林顿接法组成，同GTO一样采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。2 2、工作原理、工作原理 同普通的双极结型晶体管3 3、电气符号、电气符号Bipolar junction transistor8二、工作特性二、工作特性2、静态特性、静态特性3）开关频率较高、动态性能好、承受功耗小、控制方

6、便。阻断能力差、瞬态过电压及过载能力差。1、特点、特点1）门极可以控制开通，也可以控制关断；-全控型 流控型器件 电平控制型2）开通条件：正向集射极电压，正向基极电流；关断条件：基极加负脉冲 截止区，饱和区，放大区。92）开通条件：正向阳极电压，正向门极电压；duCE/dt过大（动态擎住效应）。最大可关断电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比。上升时间tri:0.2、工作原理 同普通的双极结型晶体管关断延迟（存储时间）td(off):0.UCEO 基极开路，集电极电流较大时，集射极间的击穿电压。tf：集电极电流下降时间安全工作区SOA(Safe Operation Area)是指在输出特性曲线图

7、上GTR能够安全运行的电流、电压的极限范围。电力电子器件的现状和发展趋势1）栅极可以控制开通，也可以控制关断；由至少两个晶体管按达林顿接法组成，同GTO一样采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。1）栅极可以控制开通，也可以控制关断；1）栅极可以控制开通，也可以控制关断；根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率dUCE/dt。无二次击穿，安全工作区宽显然，PNP的存在带来了电导调制效应的好处，但引入了少子储存现象，使IGBT开关速度慢于MOSFET。它可以等效成多个小GTO元的集成(并联)-可实现门极控制关断。3 3、动态特性、动态特性 ts：存储时间tf：集电极电流下降时间

8、开通时间：ton=td+trtd：延迟时间；tr：集电极电流上升时间；关断时间：toff=ts+tf无拖尾-开关速度快，在80年代是主要的功率控制器件101 1）一次击穿一次击穿 一次击穿后，无措施，集电极电流继续增大到某值，集射极电压陡然下降，产生局部过热击穿，称二次击穿二次击穿，元件损坏。4 4、二次击穿与安全工作区、二次击穿与安全工作区 集射极电压升至某一值时，集电极电流迅速增大，产生雪崩击穿，此时集电极电流不超过允许电流，称一次击穿一次击穿。即：AB段。2 2）二次击穿二次击穿3 3）二次击穿临界线二次击穿临界线114 4）安全工作区安全工作区 安全工作区SOA(Safe Operat

9、ion Area)SOA(Safe Operation Area)是指在输出特性曲线图上GTR能够安全运行的电流、电压的极限范围。最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。12三、主要参数三、主要参数（1 1）最高工作电压）最高工作电压 集电极额定电压集电极额定电压 UCEM 应 小于 UCEO UCEO 基极开路，集电极电流较大时，集射极间的击穿电压。（2 2）集电极额定电流）集电极额定电流 集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM。（3 3）集电极最大耗散功率）集电极最大耗散功率P PCMCM Back132.4 2.4 电力电力MOSFETMOSF

10、ET(Power Metal Oxide Semiconductor(Power Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor)Field Effect Transistor)一、结构与工作原理一、结构与工作原理1 1、结构、结构 多元集成结构，一个器件由许多小的MOSFET元的集成，栅极绝缘。有N沟道和P沟道之分。内部集成寄生二极管142 2、工作原理、工作原理导导通通条条件件：漏源电压为正，栅源电压大于开启电压。即：uDS0，uGSuT.关关断断条条件件：(漏源极电压为正)，栅源极电压小于开启电压。即uGSuT.漏源极加反压，就为二极管特

11、性。二、工作特性二、工作特性1）栅极可以控制开通，也可以控制关断；-全控型 电压控制型器件 电平控制型2）导通条件：正向漏源电压，正向栅源电压；关断条件：栅源电压小于开启电压。3、电气符号、电气符号1、特点、特点3)驱动功率小，开关速度高，安全工作区宽。阀值电压15 反映漏源电压与漏极电流之间的关系。截止区，饱和区，非饱和区 伏安特性伏安特性(输出特性）输出特性）2 2、工作特性、工作特性 1 1）静态特性）静态特性表示栅源电压与漏极电流ID之间的关系2)2)转移特性转移特性 开启电压开启电压uT:163)3)动态特性动态特性 为多数载流子器件，没有存储效应，开关时间短为20ns左右。开通时间

12、：ton=td（on）+tri+tfv关断时间：toff=td(off)+trv+tfi uGSP：非饱和栅压。密勒平台密勒平台开通延迟电流上升电压下降关断延迟电压上升电流下降17三、主要参数三、主要参数1、漏极电压 UDS2、电流定额 ID3、栅源电压 UGS 栅源之间很薄，一般电压绝对值小于20V。4、安全工作区 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。Back18 1 1、结构、结构 2.5 2.5 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor)(Insulated-Gate

13、Bipolar Transistor)一、结构与工作原理一、结构与工作原理 IGBT为三端四层器件。由MOSFET和双极性晶体管组合而成。即在MOSFET的N+层上再加一层P型区。分N沟道IGBT，记为N-IGBT；和P沟道IGBT，记为P-IGBT。192、工作原理、工作原理 导通条件导通条件：集射电压大于零，栅射电压大于开启电压uth；关断条件：关断条件：栅射电压小于开启电压。3、电气符号、电气符号RN为晶体管基为晶体管基区内的调制电阻区内的调制电阻20 2 2、静态特性、静态特性二、工作特性二、工作特性1、特点、特点1）栅极可以控制开通，也可以控制关断；-全控型 电压控制型器件 电平控制

14、型2）开通条件：正向集射极电压，正向栅射极电压；关断条件：栅射极电压小于开启电压。3)驱动功率小，开关速度高于晶闸管、GTO器件，低于MOSFET器件。无二次击穿，安全工作区宽 转移特性：反映集电极电流Ic与栅射极电压之间的关系。21 伏安特性：反映集电极电流Ic与集射极电压之间的关系。有正向阻断区，饱和区，有源区，反向阻断区3 3、动态特性、动态特性 1）开通过程 开通时间：ton=td+tri+tfv 延迟时间td:00.1Ic；上升时间tri:0.10.9Ic IGBT开关过程图与MOSFET差别开通延迟电流上升电压下降22IGBT开关过程图开通时UCE下降时间分为两部分，tfv1和tf

15、v2：tfv1:IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程;tfv2：MOSFET和PNP同时工作的电压下降过程，tfv2结束后IGBT才完全进入饱和区。2）关断过程）关断过程：关断时间：toff=ts+tf=td(off)+trv+tfi1+tfi2;关断延迟（存储时间）td(off):0.9UGEM0.9UcE;下降时间:0.9Ic0.1Ic;tfi=tfi1+tfi2;tfi1:IGBT内MOSFET关断过程。tfi2:IGBT内PNP的关断过程。显然，PNP的存在带来了电导调制效应的好处，但引入了少子储存现象，使IGBT开关速度慢于MOSFET。关断延迟电压上升电流下降234 4、I

16、GBTIGBT的安全工作区的安全工作区 正向偏置安全工作区（正向偏置安全工作区（Forward Biased SafeForward Biased Safe Operating AreaFBSOA Operating AreaFBSOA）根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。电极功耗确定。反向偏置安全工作区（反向偏置安全工作区（Reverse Biased Safe Reverse Biased Safe Operating AreaRBSOA Operating AreaRBSOA）根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允根

17、据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率许电压上升率d dU UCECE/dt/dt。245 5、擎住效应、擎住效应 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J3J3结施加正偏压，一旦J3J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。引发擎柱效应的原因：集电极电流过大（静态擎住效应）；duCE/dt过大（动态擎住效应）。25三、主要参数三、主要参数1、最大集射极电压 UCE2、最大集电极电流 IC4、栅射电压 UGE 栅源之间很薄，一般电压绝对值小于20V。3、最大集电极耗散功率 PCMBack26电力电子器件的

18、现状和发展趋势电力电子器件的现状和发展趋势 2020世纪世纪9090年代中期以来，逐渐形成了小功率（年代中期以来，逐渐形成了小功率（10kW10kW以下）以下）场合以电力场合以电力MOSFETMOSFET为主，中、大功率场合以为主，中、大功率场合以IGBTIGBT为主的为主的压倒性局面，在压倒性局面，在10MVA10MVA以上或者数千伏以上的应用场合，以上或者数千伏以上的应用场合，如果不需要自关断能力，那么晶闸管仍然是目前的首选如果不需要自关断能力，那么晶闸管仍然是目前的首选器件器件。电力电力MOSFETMOSFET和和IGBTIGBT中的技术创新仍然在继续，中的技术创新仍然在继续，IGBTIGBT还在还在不断夺取传统上属于晶闸管的应用领域不断夺取传统上属于晶闸管的应用领域。宽禁带半导体材料由于其各方面性能都优于硅材料，因宽禁带半导体材料由于其各方面性能都优于硅材料，因而是很有前景的电力半导体材料而是很有前景的电力半导体材料。常用器件使用频率及功率比较：2728感谢观看