电力电子半导体器件(GTR)(1).ppt

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第四章电力晶体管,4.1GTR结构,双极型大功率、高反压晶体管GTR(巨型晶体管)GiantTransistor三层半导体材料,两个PN结NPN型、PNP型。,一、工艺特点三重扩散;叉指型基极和发射极;特点发射区高浓度掺杂基区很薄(几um几十um),N-掺杂浓度低,提高耐压能力,,N集电区收集电子,,使用时要求发射结正偏,集电结反偏。,二、GTR与普通晶体管区别,,1.普通晶体管信号晶体管,用于放大信号;要求增益适当,fT高,噪声系数低,线性度好,温度漂移和时间漂移小。工作于放大区,以载流子运动为出发点,分析载流子扩散、漂移、复合现象。电流控制特性为线性关系。2.GTR用于功率开关;要求容量足够大,高电压,大电流,适当增益,较高工作速度,较低功率损耗。3.大电流工作下,普通晶体管出现的新特点①基区大注入效应引起电流增益下降。②基区扩展效应使基区注入效率降低,增益β下降,fT减小。③发射极电流集边效应引起电流局部集中,产生局部过热。因此,GTR在结构上应采取适当措施,减小上述效应。,三、单管GTR,采用三重扩散,台面型结构;可靠性高,对二次击穿特性有改善,易于提高耐压,易于耗散体内热量。增加N-漂移区,由它的电阻率和厚度决定器件阻断能力,但阻断能力提高,使饱和导通电阻增大,电流增益降低。一般β约1020工作状态开关状态(导通、截止;开通、关断),,饱和压降低,,漏电流小,,,,时间短,四、达林顿GTR,为提高电流增益,由两个或两个以上晶体管复合组成。,NPN型,PNP型,特点①电流增益β增大β≈β1β2,达几十倍~几千倍;②饱和压降VCES增大VCES≈VCES1VBES2V2管无法饱和导通,VCE2VCES1,反偏状态;导通损耗增大。③开关速度慢开通时,V1驱动V2;关断时,V1先关断,V2才能关断,且V2关断无泻流通路。改进,R1、R2稳定电阻,提高温度稳定性和电流通路。VD1引入,加速V2、V1的同时关断,引出B2极可另外控制。,五、GTR模块将GTR管芯、稳定电阻R1R2、加速二极管VD1、续流二极管VD2组成一个单元。将几个单元组合在一个外壳内模块。利用集成工艺将上述单元集成于同一硅片上,器件集成度高,小型轻量化,性能/价格比高。,单臂桥式电路模块,单相桥式电路模块;三相桥式电路模块;,4.2GTR特性与参数,一、静态特性与参数1.共射输出特性,发射结正偏集电结反偏VCES很小,,临界饱和,,断态,漏电流很小,,放大区严禁工作,,2.饱和压降如图GTR深饱和时,等效电路;,VBES基极正向压降通态下,B-E极电压;,VCES饱和压降通态下,C-E极电压;,一般,由于发射区高浓度掺杂,rES可忽略;VCES的大小,关系器件导通功率损耗。达林顿管,VCES、VBES较大。,TC35-400型GTR电流50A,β5;VCES随IC电流增大而增大;IC不变时,随温度增加而增加。VBES随IC电流增大而增大;小电流下,随温度增大而减小,PN结负温度系数。大电流下,随温度增大而增大。,饱和压降特性曲线,基极正向压降特性曲线,,3.共射电流增益β反映GTR的电流放大能力,IC与IB比值。,①GTR正向偏置时,βF随IC减小而减小,基区复合电流占的比例增大。②随IC增大,β增大,IC增大到一定程度ββmax,IC再增大,由于基区大注入效应、基区扩展效应,β开始下降。,③管子温度相同时,VCE越大,β越大。④β随温度增加而增加,大电流下,β随温度增加而减小。⑤GTR反接时,β很小。,4.最大额定值极限参数由GTR材料、结构、设计水平、制造工艺决定。①最高电压额定值BVCEO,BVCBO,BVCES,BVCER,BVCEXO另一极开路;S短路;R外接电阻;X反向偏置;,VaIB0时,IC电流急剧增加时电压;VbIE0时,IC电流急剧增加时电压;,一般,另BVEBO集电极开路时,发射结最高反向偏置电压。几伏,典型值8V。,②最大电流额定值大电流下,三种物理效应会使GTR电气性能变差,甚至损坏器件。集电极电流最大额定值ICMICM定义a.以β值下降到额定值1/2到1/3时,对应IC值。b.以结温和耗散功率为尺度确定ICM。最大脉冲电流额定值直流ICM的1.5~3倍定额;引起内部引线熔断的集电极电流;引起集电结损坏的集电极电流。基极电流最大额定值IBM内部引线允许流过的最大基极电流,约为(1/2~1/6)ICM,③最高结温TJM塑封,硅管1250~1500C;金属封装,硅管1500~1750C;高可靠平面管1750~2000C;④最大功耗PCMPCMVCEIC受结温限制,使用时注意散热条件。例3DF20型GTR各最大额定值参数,二、动态特性与参数动态特性是GTR开关过程的瞬态性能,称开关特性;主要受结电容(势垒电容、扩散电容)充、放电和两种载流子运动影响。如图TC40U400型GTR动态特性实验电路和电流波形,电路参数VCC200V;RC10Ω;RB14.7Ω;RB21.2Ω;,1.开通时间tontontdtr(ns级,很小)td延迟时间,基极电流向发射结电容充电。大小取决于结电容大小、驱动电流大小和上升率,及反偏时电压大小。tr上升时间,取决于稳定电流和驱动电流大小。2.关断时间tofftofftstfts存储时间,过剩载流子从体内抽走时间,由反向驱动电流大小决定。3~8ustf下降时间,取决于结电容、正向集电极电流大小。1us说明为加速开通,采用过驱动方法,但基区过剩大量载流子,关断时,载流子耗散严重影响关断时间;减小关断时间,可选用电流增益小的器件,防止深饱和,增加反向驱动电流。,3.集电极电压上升率dv/dt对GTR的影响当GTR用于桥式变换电路时,如图,dv/dt产生的过损耗现象严重威胁器件和电路安全;当基极开路时,dv/dt通过集电结寄生电容产生容性位移电流,注入发射结形成基极电流,放大β倍后,形成集电极电流,使GTR进入放大区,因瞬时电流过大引起二次击穿。在GTR换流关断时,dv/dt会引起正在关断的GTR误导通,造成桥臂直通。抑制dv/dt,可在集射极间并联RCD缓冲网络进行吸收。,三、二次击穿与安全工作区(一)二次击穿现象一次击穿电压BVCEO;发生一次击穿后,电流急剧增大,若外接有限流电阻,不会损坏GTR。否则,集电极电流继续增大,在某电压、电流点产生向低阻抗区高速移动的负阻现象,称为二次击穿。用S/B表示。二次击穿时间很短,纳秒到微秒数量级,短时间内的大电流会使器件内出现明显的电流集中和过热点(热斑),轻者使GTR耐压降低,性能变差;严重时,集电结、发射结熔通,永久损坏。二次击穿按偏置状态分为两种正偏二次击穿和反偏二次击穿。,1.正偏二次击穿B-E结正偏,GTR工作于放大区。,如图,GTR正偏时,由于基极与发射极在同一平面,基区电阻存在,使发射结各点的偏置电压不同,边缘大而中心小。同时存在的集射电场将电流集中到发射极边缘下很窄的区域内,造成电,流局部集中,电流密度大,温度升高,出现负阻现象,严重时造成热点、热斑,使PN结失效。热点严重程度与基区宽度成反比;与集电极外加电压成正比。,2.反偏二次击穿GTR导通→截止变化时,发射结反偏。存储电荷存在,使CE间仍流过电流,由于基区电阻存在,使发射极与基极相接的周边反偏电压大,中心反偏很弱,甚至仍为正偏。造成发射极下,基区的横向电场由中心指向边缘,形成集电极电流被集中于发射结中心很小局部的不均匀现象。在该局部电流密度很高,形成二次击穿热点。一般,比正向偏置时低很多的能量水平下,即可发生二次击穿。影响二次击穿的因素集电极电压、电流;负载性质;导通脉冲宽度;基极电路的配置、材料和工艺等。二次击穿由于器件芯片局部过热引起,热点形成需要能量积累,需要一定的电压、电流数值和一定的时间。,二次击穿特性曲线,IS/B二次击穿触发电流PS/B二次击穿触发功率PS/BIS/B*VCE,,集射极保持电压,外加电压越高,电流更易集中而产生热点,IS/B下降。,(二)安全工作区SOAGTR运行中受电压、电流、功率损耗和二次击穿定额限制的安全工作范围。,正向偏置安全工作区FBSOA,反向偏置安全工作区RBSOA,,反向关断电流,,脉冲宽度,直流安全工作区,,四、温度特性与散热半导体器件特性参数随温度升高而变差,如耐压降低,VCES升高、IC增大、输出功率下降,PCM和PS/B下降,安全区面积缩小。为保证GTR不超过规定的结温,应根据容量等级配以相应的散热器和采用相应的冷却方式。否则,会因结温过高导致热损坏。减小GTR的发热,应从根本上减小功耗。在开关状态下工作的GTR,功耗由静态导通功耗、动态开关损耗和基极驱动功耗三部分。减小导通压降,采用缓冲电路、改变主电路形式(谐振型)均可减小功耗,减少发热。,GTR静态参数,GTR动态参数,4.3GTR驱动和保护,一、驱动电路设计原则1.GTR的特点全控型器件,功率大,热容量小,过载能力低。与SCR相比,具有自关断能力,使DCAC,DCDC,ACAC变换电路的变换方式灵活,控制方便,主电路结构简单。但GTR驱动方式直接影响管子工作状态和管子特性。如过驱动(驱动电流大)可减小开通损耗,降低导通压降,但对关断不利,增加关断损耗,对管子di/dt影响很大。GTR过载/短路时,us级时间内,结温会超过最大允许值,导致器件损坏,不能用快速熔断器、过流继电器(ms级)进行主电路切断保护。在系统出现故障时,需快速检测,对控制信号加以关断(缓关断),因此驱动与保护密切联系。,2.驱动电路设计原则①最优化驱动特性应提高开关速度,减小开关损耗。,开通时基极电流上升沿快速且短时过冲,加速开通。导通后VCES较低,导通损耗小。为减小关断时间,应工作在准饱和状态。关断时提供反向驱动电流,加速载流子耗散,缩短关断时间,减小关断损耗。,②驱动方式由主电路结构决定直接驱动简单驱动、推挽驱动、抗饱和驱动隔离驱动光电隔离、电磁隔离③快速保护功能GTR故障时,自动关断基极驱动信号,保护GTR。如抗饱和、退抗饱和、过流、过压、过热、脉宽限制、智能化自保护能力。,二、基极驱动电路基本形式(一)恒流驱动电路基极电流恒定,不随IC电流变化而变化。IBICmax/β问题空载、轻载时,饱和深度加剧,存储时间大,关断时间长。改进1.抗饱和电路(贝克嵌位电路),VD2存在,使GTR导通时b-c结处于零偏或轻微正偏,基极多余电流由VD2从集电极流出,管子处于准饱和状态。VCESVBEVD1-VD2VBEVD1、VD2抗饱和二极管;根据不同情况调整VD1数量,控制VCES大小。,VD2应选快速二极管,耐压与GTR一致,电流IB′VD1、VD3为普通二极管,VD1反向恢复有助于GTR关断。缺点导通损耗增大。,2.截止反偏驱动电路目的关断时加反偏驱动,迅速抽出基区过剩载流子,减小存储时间,加速GTR关断。①单极性脉冲变压器驱动电路,缺点变压器单边工作,有直流磁化现象,铁心体积大。反偏电压大小随导通时间变化。,②电容储能式驱动电路工作原理Vi高电平,*端为正,W2经GTR的B-E结、C、VD2使GTR导通,V截止,电容C充电。Vi低电平,*端为负,VD2截止,W2经还在导通的B-E结、R2、V发射结、C使V迅速饱和导通,电容C上电压反加于GTR的B-E结,GTR迅速截止。下一次导通前,C上电压经VD1、R1、R2、V发射结放电完毕。,③固定反偏互补驱动电路,(二)比例驱动电路使GTR基极电流正比于集电极电流变化,在不同负载时,管子饱和深度基本相同,而且轻载时,驱动功率大大减小。1.反激式比例驱动电路,特点靠正反馈加速GTR开通,当工作频率较高时,分布参数影响使开通速度变慢。,2.具有强制开通、强制关断的比例驱动电路,特点电路复杂。,三、过电流检测与保护GTR运行时,过流检测能保证管子正常工作。要求检测电路灵敏度高,响应快。(一)状态识别法GTR过载或短路时,集电极电流急剧变化,引起基极电压VBE,集电极电压VCE相应变化。,管子开通时,电流上升越快,VBE变化越大。如GTR短路时开通,监测VBE变化,确认故障快。但导通后,较轻过载时,监测VBE灵敏度低。但VCE电压监测适合过载电流保护,但不适合短路电流保护,二者结合,效果较好。,VBE识别电路,VCE识别电路,存在问题保护电路存在盲区,等GTR开通后,保护电路才能使用。,典型VCE识别电路,GTR,VCE,(二)桥臂互锁保护法,,,检测电路,检测电路,当逆变器运行时,由于GTR关断时间过长、驱动信号失误重叠、或某一GTR损坏,导致桥臂直通,损坏器件。利用互锁可保证管子一个关断后,另一个才能开通。,1.电流法检测电路电流互感器,LEM霍尔元件其中LEM是磁场平衡式霍尔电流传感器,反映速度1us,一次、二次绝缘电压2KV,无惯性、线性度好、使用简单、方便。利用电流法判断时,存在问题,如特定负载下,GTR导通,但无集电极电流,判断发生错误。2.电压法检测电路由VBE电压判断管子状态,更加可靠。,(三)实用驱动电路要求信号隔离,过电流保护,过电压保护,抗饱和导通,信号互锁等。常用由小规模集成电路构成的专用驱动电路混合微膜组件驱动电路(三菱M57917L)集成化驱动电路(法国UAA4002),4.4缓冲电路,一、概述缓冲电路也称吸收电路,在电力半导体器件应用中有着极其重要的作用。开关元件开通时,流过大电流;关断时,承受高反压;开关转换瞬间,电路中各种储能元件能量释放,导致器件冲击很大,造成器件超出安全工作区而损坏。吸收电路用来减小器件在电路中承受的各种应力(电、热),如浪涌电压、dv/dt、di/dt等。应力越低,器件可靠性越高。吸收电路还能减少开关损耗,避免二次击穿,抑制电磁干扰,提高可靠性。,1.GTR开关波形及缓冲电路作用,无缓冲电路,,图b为复合缓冲电路,LS开通保护,限制di/dt;CS、VDS缓冲电路,限制dv/dt;RD放电回路,消耗能量。,2.种类①耗能式缓冲电路用电阻消耗缓冲电路吸收的开关损耗,简单,效率低。②馈能式缓冲电路将开关损耗以一定方式送至负载或回馈给电源,复杂,效率高。,二、耗能式缓冲电路(一)关断缓冲电路,电容为0,电容较小,电容较大,缓冲电容越大,关断损耗越小,关断时间长同时,CS上储存的能量,必须在GTR开通时,经RS放掉,消耗在电阻上;CS越大,RS功率越大。,(二)开通缓冲电路,LS缓冲电感,限制di/dt;VDS续流二极管,GTR关断时,LS中能量由VDS和电感内阻消耗掉。VDS上串联电阻、稳压管可加速耗散过程。LS采用饱和电抗器,效果更好。大电流时,饱和,储能小。,(三)复合缓冲电路,三、馈能式缓冲电路无源馈能;有源馈能(一)馈能式关断缓冲电路,实现能量回馈,,,,开关电源,供电电源,(二)馈能式开通缓冲电路,N越大,集电极电压越低,GTR耐压低,但二次侧电压更高,D2耐压要求高。,(三)馈能式复合缓冲电路,4.5GTR应用,一、脉宽调制(PWM)技术GTR全控型器件的出现,使逆变电路结构简化,控制策略变为脉宽调制技术。PWM技术可以有效地进行谐波抑制,在频率、效率各方面优势明显。使逆变电路技术性能和可靠性大大提高。在同一电路既可实现调压,又可实现调频。PWM技术,就是在周期不变的条件下,利用改变脉冲宽度,甚至将脉冲波形斩切为若干段,以达到抑制谐波,实现电压、频率变换的一种方法。,PWM技术抑制谐波的效果和PWM脉冲的形式有很大关系。谐波抑制PWM法谐波最小,由计算求得斩切角来实现PWM。(实现困难),正弦PWM法SPWM,SPWM专用集成电路HEF4752三相SPWM波形生成电路SLE4520德国西门子MA818英国Marconi,SPWM脉冲产生方法模拟电路三角波法模拟、数字混合电路EPROM“Δ”叠加法软件生成方法,二、PWMDCAC逆变器1.单相逆变器,2.三相逆变器,3.准谐振型开关变流器ZCS零电流开关ZVS零电压开关,
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