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來源: 發(fā)布時間:2024-09-26

認識半導(dǎo)體晶閘管晶閘管又被稱做可控硅整流器,以前被簡稱為可控硅。1957年美國通用電氣公司開發(fā)出世界上第1款晶閘管產(chǎn)品,并于1958年將其商業(yè)化。晶閘管是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),形成三個PN結(jié),分別稱:陽極,陰極和控制極。圖1晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管在工作過程中,它的陽極(A)和陰極(K)與電源和負載連接,組成晶閘管的主電路。晶閘管的門極G和陰極K與控制晶閘管的裝置連接,組成晶閘管的控制電路。工作過程加正向電壓且門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才導(dǎo)通,這是晶閘管的閘流特性,即可控特性。若晶閘管承受反向陽極電壓時,不管門極承受何種電壓,晶閘管都處于反向阻斷狀態(tài)。晶閘管在導(dǎo)通情況下,當(dāng)主回路電壓(或電流)減小到接近于零時,晶閘管關(guān)斷。晶閘管的種類1.雙向晶閘管雙向晶閘管有極外G,其他兩個極稱為主電極Tl和T2。結(jié)構(gòu)是一種N—P—N—P—N型五層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件。雙向晶閘管不象普通晶閘管那樣,必須在陽極和陰極之間加上正向電壓,管子才能導(dǎo)通。它無所謂陽極和陰極,不管觸發(fā)信號的極性如何,雙向晶閘管都能被觸發(fā)導(dǎo)通。這個特點是普通晶閘管所沒有的。2.快速晶閘管人們在普通晶閘管的制造工藝和結(jié)構(gòu)上采取了一些改進措施。在IGBT導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi),Id與Ugs呈線性關(guān)系。天津哪里有SEMIKRON西門康IGBT模塊推薦貨源

[1]維持電流I:是指晶閘管維持導(dǎo)通所必需的**小電流,一般為幾十到幾百毫安。IH與結(jié)溫有關(guān),結(jié)溫越高,則I越小。擎住電流I:是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后,能維持導(dǎo)通所需的**小電流。對同一晶閘管來說,通常I約為I的2~4倍。[1]浪涌電流I:浪涌電流是指由于電路異常情況引起的使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性**大正向過載電流。斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt:是指在額定結(jié)溫、門極開路的情況下,不能使晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓**大上升率。通態(tài)電流臨界上升率di/dt:指在規(guī)定條件下,晶閘管能承受的**大通態(tài)電流上升率。如果di/dt過大,在晶閘管剛開通時會有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi),從而造成局部過熱而使晶閘管損壞。[1]觸發(fā)技術(shù)晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖,使得晶閘管在需要時正常開通。晶閘管觸發(fā)電路必須滿足以下幾點要求:①觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)足夠?qū)捠沟镁чl管可靠導(dǎo)通;②觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度,對一些溫度較低的場合,脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件**大觸發(fā)電流的3~5倍,脈沖的陡度也需要增加,一般需達1~2A/μs;③所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額。青海哪里有SEMIKRON西門康IGBT模塊哪家好IGBT的開關(guān)速度低于MOSFET,但明顯高于GTR。

使正向電流低于維持電流IH,或施以反向電壓強迫關(guān)斷。這就需要增加換向電路,不*使設(shè)備的體積重量增大,而且會降低效率,產(chǎn)生波形失真和噪聲??申P(guān)斷晶閘管克服了上述缺陷,它既保留了普通晶閘管耐壓高、電流大等優(yōu)點,以具有自關(guān)斷能力,使用方便,是理想的高壓、大電流開關(guān)器件。GTO的容量及使用壽命均超過巨型晶體管(GTR),只是工作頻率比GTR低。目前,GTO已達到3000A、4500V的容量。大功率可關(guān)斷晶閘管已***用于斬波調(diào)速、變頻調(diào)速、逆變電源等領(lǐng)域,顯示出強大的生命力??申P(guān)斷晶閘管也屬于PNPN四層三端器件,其結(jié)構(gòu)及等效電路和普通晶閘管相同,因此圖1*繪出GTO典型產(chǎn)品的外形及符號。大功率GTO大都制成模塊形式。盡管GTO與SCR的觸發(fā)導(dǎo)通原理相同,但二者的關(guān)斷原理及關(guān)斷方式截然不同。這是由于普通晶閘管在導(dǎo)通之后即處于深度飽和狀態(tài),而GTO在導(dǎo)通后只能達到臨界飽和,所以GTO門極上加負向觸發(fā)信號即可關(guān)斷。GTO的一個重要參數(shù)就是關(guān)斷增益,βoff,它等于陽極**大可關(guān)斷電流IATM與門極**大負向電流IGM之比,有公式βoff=IATM/IGMβoff一般為幾倍至幾十倍。βoff值愈大,說明門極電流對陽極電流的控制能力愈強。很顯然,βoff與昌盛的hFE參數(shù)頗有相似之處。

分兩種情況:②若柵-射極電壓UGE<Uth,溝道不能形成,IGBT呈正向阻斷狀態(tài)。②若柵-射極電壓UGE>Uth,柵極溝道形成,IGBT呈導(dǎo)通狀態(tài)(正常工作)。此時,空穴從P+區(qū)注入到N基區(qū)進行電導(dǎo)調(diào)制,減少N基區(qū)電阻RN的值,使IGBT通態(tài)壓降降低。IGBT各世代的技術(shù)差異回顧功率器件過去幾十年的發(fā)展,1950-60年代雙極型器件SCR,GTR,GTO,該時段的產(chǎn)品通態(tài)電阻很小;電流控制,控制電路復(fù)雜且功耗大;1970年代單極型器件VD-MOSFET。但隨著終端應(yīng)用的需求,需要一種新功率器件能同時滿足:驅(qū)動電路簡單,以降低成本與開關(guān)功耗、通態(tài)壓降較低,以減小器件自身的功耗。1980年代初,試圖把MOS與BJT技術(shù)集成起來的研究,導(dǎo)致了IGBT的發(fā)明。1985年前后美國GE成功試制工業(yè)樣品(可惜后來放棄)。自此以后,IGBT主要經(jīng)歷了6代技術(shù)及工藝改進。從結(jié)構(gòu)上講,IGBT主要有三個發(fā)展方向:1)IGBT縱向結(jié)構(gòu):非透明集電區(qū)NPT型、帶緩沖層的PT型、透明集電區(qū)NPT型和FS電場截止型;2)IGBT柵極結(jié)構(gòu):平面柵機構(gòu)、Trench溝槽型結(jié)構(gòu);輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs的控制,Ugs越高,Id越大。

對其在脈沖脈沖功率電源領(lǐng)域中的應(yīng)用研究很少,尚處于試驗探索階段。[1]在大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件中,晶閘管是具有**高耐壓容量與**大電流容量的器件。國內(nèi)外主要制作的大功率晶閘管都是應(yīng)用在高壓直流輸電中。所制造出的大功率晶閘管,**大直徑可達6英寸,單閥片耐壓值**高可達11KV,的通流能力**高可達4500A。在該領(lǐng)域比較**的有瑞士的ABB以及國內(nèi)的株洲南車時代。[1]為提高晶閘管的通流能力、開通速度、di/dt承受能力,國外在普通晶閘管的基礎(chǔ)上研制出了兩種新型的晶閘管:門極關(guān)斷晶閘管GTO以及集成門極換流晶閘管IGCT。這兩種器件都已經(jīng)在國外投入實際使用。其中GTO的單片耐壓可達,工況下通流能力可達4kA,而目前研制出的在電力系統(tǒng)中使用的IGCT的**高耐壓可達10kV,通流能力可達。[1]針對脈沖功率電源中應(yīng)用的晶閘管,國內(nèi)還沒有廠家在這方面進行研究,在國際上具有**技術(shù)的是瑞士ABB公司。他們針對脈沖功率電源用大功率晶閘管進行了十?dāng)?shù)年的研究。目前采用的較成熟的器件為GTO,其直徑為英寸,單片耐壓為,通常3個閥片串聯(lián)工作??梢猿惺艿碾娏鞣逯禐?20kA/90us,電流上升率di/dt**高可承受。門極可承受觸發(fā)電流**大值為800A,觸發(fā)電流上升率di/dt**大為400A/us。在截止狀態(tài)下的IGBT,正向電壓由J2結(jié)承擔(dān),反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。湖北哪里有SEMIKRON西門康IGBT模塊推薦貨源

IGBT在關(guān)斷時不需要負柵壓來減少關(guān)斷時間,但關(guān)斷時間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。天津哪里有SEMIKRON西門康IGBT模塊推薦貨源

不論漏極-源極電壓VDS之間加多大或什么極性的電壓,總有一個pn結(jié)處于反偏狀態(tài),漏、源極間沒有導(dǎo)電溝道,器件無法導(dǎo)通。但如果VGS正向足夠大,此時柵極G和襯底p之間的絕緣層中會產(chǎn)生一個電場,方向從柵極指向襯底,電子在該電場的作用下聚集在柵氧下表面,形成一個N型薄層(一般為幾個nm),連通左右兩個N+區(qū),形成導(dǎo)通溝道,如圖中黃域所示。當(dāng)VDS>0V時,N-MOSFET管導(dǎo)通,器件工作。了解完以PNP為例的BJT結(jié)構(gòu)和以N-MOSFET為例的MOSFET結(jié)構(gòu)之后,我們再來看IGBT的結(jié)構(gòu)圖↓IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)及符號黃塊表示IGBT導(dǎo)通時形成的溝道。首先看黃色虛線部分,細看之下是不是有一絲熟悉之感?這部分結(jié)構(gòu)和工作原理實質(zhì)上和上述的N-MOSFET是一樣的。當(dāng)VGE>0V,VCE>0V時,IGBT表面同樣會形成溝道,電子從n區(qū)出發(fā)、流經(jīng)溝道區(qū)、注入n漂移區(qū),n漂移區(qū)就類似于N-MOSFET的漏極。藍色虛線部分同理于BJT結(jié)構(gòu),流入n漂移區(qū)的電子為PNP晶體管的n區(qū)持續(xù)提供電子天津哪里有SEMIKRON西門康IGBT模塊推薦貨源