電力電子器件課件

1/892.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■晶閘管的結(jié)構(gòu)◆從外形上來(lái)看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu)?！粢鲫?yáng)極A、陰極K和門極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端。◆內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。圖2-7晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)

1/892.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■晶閘管的結(jié)構(gòu)2/892.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖2-8晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b)工作原理

■晶閘管的工作原理

◆按照晶體管工作原理，可列出如下方程：（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。2/892.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖2-8晶閘管3/892.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理◆晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下

是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后，

迅速增大?！粼诰w管阻斷狀態(tài)下，IG=0，而1+2是很小的。由上式可看出，此時(shí)流過(guò)晶閘管的漏電流只是稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。

◆如果注入觸發(fā)電流使各個(gè)晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過(guò)晶閘管的電流IA（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，從而實(shí)現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通?！粲捎谕怆娐坟?fù)載的限制，IA實(shí)際上會(huì)維持有限值。

由以上式（2-1）~（2-4）可得(2-5)3/892.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理◆晶體管的特性是：4/892.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■除門極觸發(fā)外其他幾種可能導(dǎo)通的情況◆陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)

◆陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高

◆結(jié)溫較高◆光觸發(fā)■這些情況除了光觸發(fā)由于可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。

4/892.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■除門極觸發(fā)外其他5/892.3.2晶閘管的基本特性■靜態(tài)特性

◆正常工作時(shí)的特性

?當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。

?當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。

?晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。?若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。

5/892.3.2晶閘管的基本特性■靜態(tài)特性6/892.3.2晶閘管的基本特性◆晶閘管的伏安特性

?正向特性

√當(dāng)IG=0時(shí)，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過(guò)。

√如果正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通?！屉S著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。

√如果門極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)，IH稱為維持電流。

圖2-9晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG

正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+6/892.3.2晶閘管的基本特性◆晶閘管的伏安特性7/892.3.2晶閘管的基本特性?反向特性

√其伏安特性類似二極管的反向特性。

√晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反向漏電流通過(guò)。

√當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。

圖2-9晶閘管的伏安特性 IG2>IG1>IG正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+7/892.3.2晶閘管的基本特性?反向特性圖2-98/892.3.2晶閘管的基本特性■動(dòng)態(tài)特性◆開通過(guò)程

?由于晶閘管內(nèi)部的正反饋過(guò)程需要時(shí)間，再加上外電路電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽(yáng)極電流的增長(zhǎng)不可能是瞬時(shí)的。?延遲時(shí)間td

(0.5~1.5s)上升時(shí)間tr(0.5~3s)開通時(shí)間tgt=td+tr?延遲時(shí)間隨門極電流的增大而減小,上升時(shí)間除反映晶閘管本身特性外，還受到外電路電感的嚴(yán)重影響。提高陽(yáng)極電壓,延遲時(shí)間和上升時(shí)間都可顯著縮短。

圖2-10晶閘管的開通和關(guān)斷過(guò)程波形陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的10%8/892.3.2晶閘管的基本特性■動(dòng)態(tài)特性圖2-109/892.3.2晶閘管的基本特性◆關(guān)斷過(guò)程

?由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，其陽(yáng)極電流在衰減時(shí)必然也是有過(guò)渡過(guò)程的。

?反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr關(guān)斷時(shí)間tq=trr+tgr?關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。

?在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)?，而不是受門極電流控制而導(dǎo)通。圖2-10晶閘管的開通和關(guān)斷過(guò)程波形100%反向恢復(fù)電流最大值尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA9/892.3.2晶閘管的基本特性◆關(guān)斷過(guò)程圖2-1010/892.3.3晶閘管的主要參數(shù)■電壓定額◆斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM?是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓（見圖2-9）。

?國(guó)標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓）UDSM的90%。

?斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo。◆反向重復(fù)峰值電壓URRM

?是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓（見圖2-8）。

?規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%。?反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓。10/892.3.3晶閘管的主要參數(shù)■電壓定額11/892.3.3晶閘管的主要參數(shù)

◆通態(tài)（峰值）電壓UT?晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。

◆通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2~3倍?！鲭娏鞫~◆通態(tài)平均電流IT(AV）

?國(guó)標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。

?按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的。?一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的原則所得計(jì)算結(jié)果的1.5~2倍。

11/892.3.3晶閘管的主要參數(shù)◆通態(tài)（峰值）電壓U12/892.3.3晶閘管的主要參數(shù)◆維持電流IH

?維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。?結(jié)溫越高，則IH越小。

◆擎住電流IL?擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。

?約為IH的2~4倍

◆浪涌電流ITSM

?指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流。12/892.3.3晶閘管的主要參數(shù)◆維持電流IH13/892.3.3晶閘管的主要參數(shù)■動(dòng)態(tài)參數(shù)

◆開通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq

◆斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

?在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。

?電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。

◆通態(tài)電流臨界上升率di/dt

?在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率。

?如果電流上升太快，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。13/892.3.3晶閘管的主要參數(shù)■動(dòng)態(tài)參數(shù)14/892.3.4晶閘管的派生器件■快速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST）

◆有快速晶閘管和高頻晶閘管。

◆快速晶閘管的開關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt的耐量都有了明顯改善。

◆從關(guān)斷時(shí)間來(lái)看，普通晶閘管一般為數(shù)百微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管則為10s左右。

◆高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。

◆由于工作頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。

14/892.3.4晶閘管的派生器件■快速晶閘管（Fast15/892.3.4晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2■雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）◆可以認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成?！糸T極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第Ｉ和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。

◆雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。圖2-11雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性

15/892.3.4晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=016/892.3.4晶閘管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0■逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）

◆是將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。

◆具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。

圖2-12逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性

16/892.3.4晶閘管的派生器件a)KGAb)UOII17/892.3.4晶閘管的派生器件AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA■光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）

◆是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。

◆由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在高壓大功率的場(chǎng)合。圖2-13光控晶閘管的電氣圖形符 號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性

17/892.3.4晶閘管的派生器件AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)18/892.4典型全控型器件

2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管

2.4.2電力晶體管

2.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

2.4.4絕緣柵雙極晶體管18/892.4典型全控型器件19/892.4典型全控型器件·引言■門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)?！?0世紀(jì)80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代?！龅湫痛怼T極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力MOSFETIGBT單管及模塊19/892.4典型全控型器件·引言■門極可關(guān)斷晶閘管在晶20/892.4.1門極可關(guān)斷晶閘管■晶閘管的一種派生器件，但可以通過(guò)在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。

■GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆GTO的結(jié)構(gòu)?是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。?是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出個(gè)極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。

圖2-14GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖電氣圖形符號(hào)

20/892.4.1門極可關(guān)斷晶閘管■晶閘管的一種派生器件21/892.4.1門極可關(guān)斷晶閘管圖2-8晶閘管的雙晶體管模型 及其工作原理a)雙晶體管模型b)工作原理◆GTO的工作原理

?仍然可以用如圖2-8所示的雙晶體管模型來(lái)分析，V1、V2的共基極電流增益分別是1、2。1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件，大于1導(dǎo)通，小于1則關(guān)斷。

?GTO與普通晶閘管的不同√設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷?！虒?dǎo)通時(shí)1+2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。

√多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。

21/892.4.1門極可關(guān)斷晶閘管圖2-8晶閘管22/892.4.1門極可關(guān)斷晶閘管?GTO的導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管是一樣的，只不過(guò)導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。

?而關(guān)斷時(shí)，給門極加負(fù)脈沖，即從門極抽出電流，當(dāng)兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使1+2<1時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷。

?GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管開通過(guò)程更快，承受di/dt的能力增強(qiáng)。

22/892.4.1門極可關(guān)斷晶閘管?GTO的導(dǎo)通過(guò)程與普23/892.4.1門極可關(guān)斷晶閘管■GTO的動(dòng)態(tài)特性

◆開通過(guò)程與普通晶閘管類似。

◆關(guān)斷過(guò)程

?儲(chǔ)存時(shí)間ts下降時(shí)間tf尾部時(shí)間tt?通常tf比ts小得多，而tt比ts要長(zhǎng)。?門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，

ts就越短。使門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍能保持適當(dāng)?shù)呢?fù)電壓，則可以縮短尾部時(shí)間。圖2-15GTO的開通和關(guān)斷過(guò)程電流波形

Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子的時(shí)間等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小時(shí)間

殘存載流子復(fù)合所需時(shí)間

23/892.4.1門極可關(guān)斷晶閘管■GTO的動(dòng)態(tài)特性圖224/892.4.1門極可關(guān)斷晶閘管■GTO的主要參數(shù)◆GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同。

◆最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO?用來(lái)標(biāo)稱GTO額定電流。

◆電流關(guān)斷增益off

?最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。

?off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。

◆開通時(shí)間ton

?延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。?延遲時(shí)間一般約1~2s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流值的增大而增大。

◆關(guān)斷時(shí)間toff

?一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，而不包括尾部時(shí)間。

?儲(chǔ)存時(shí)間隨陽(yáng)極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般小于2s?！霾簧貵TO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管。當(dāng)需要承受反向電壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)使用。

24/892.4.1門極可關(guān)斷晶閘管■GTO的主要參數(shù)25/892.4.2電力晶體管■電力晶體管（GiantTransistor——GTR）按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT）

■GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。

◆最主要的特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。

25/892.4.2電力晶體管■電力晶體管（GiantT26/89◆

GTR的結(jié)構(gòu)

?采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)，并采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。

?

GTR是由三層半導(dǎo)體（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成的兩個(gè)PN結(jié)（集電結(jié)和發(fā)射結(jié)）構(gòu)成，多采用NPN結(jié)構(gòu)。2.4.2電力晶體管圖2-16GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號(hào)c)內(nèi)部載流子的流動(dòng)+表示高摻雜濃度，-表示低摻雜濃度26/89◆GTR的結(jié)構(gòu)2.4.2電力晶體管圖2-1627/892.4.2電力晶體管空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib圖2-16c)內(nèi)部載流子的流動(dòng)

?在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為

稱為GTR的電流放大系數(shù)，它反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為?單管GTR的

值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可以有效地增大電流增益。(2-9)(2-10)27/892.4.2電力晶體管空穴流電子流c)EbEcib28/892.4.2電力晶體管■GTR的基本特性◆靜態(tài)特性

?在共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性分為截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)三個(gè)區(qū)域。

?在電力電子電路中，

GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)。

?在開關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，一般要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖2-17共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性28/892.4.2電力晶體管■GTR的基本特性截止區(qū)放大29/892.4.2電力晶體管◆動(dòng)態(tài)特性?開通過(guò)程

√需要經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開通時(shí)間ton?！淘龃蠡鶚O驅(qū)動(dòng)電流ib的幅值并增大dib/dt，可以縮短延遲時(shí)間，同時(shí)也可以縮短上升時(shí)間，從而加快開通過(guò)程。?關(guān)斷過(guò)程√需要經(jīng)過(guò)儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff。√減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減小儲(chǔ)存的載流子，或者增大基極抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓，可以縮短儲(chǔ)存時(shí)間，從而加快關(guān)斷速度。?GTR的開關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖2-18GTR的開通和關(guān)斷過(guò)程電流波形主要是由發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電產(chǎn)生的。

是用來(lái)除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時(shí)間的主要部分。

29/892.4.2電力晶體管◆動(dòng)態(tài)特性ibIb1Ib2I30/892.4.2電力晶體管■GTR的主要參數(shù)◆電流放大倍數(shù)、直流電流增益hFE、集電極與發(fā)射極間漏電流Iceo、集電極和發(fā)射極間飽和壓降Uces、開通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff

◆最高工作電壓?GTR上所加的電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)，就會(huì)發(fā)生擊穿。?擊穿電壓不僅和晶體管本身的特性有關(guān)，還與外電路的接法有關(guān)。

?發(fā)射極開路時(shí)集電極和基極間的反向擊穿電壓BUcbo基極開路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUceo發(fā)射極與基極間用電阻聯(lián)接或短路聯(lián)接時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcer和BUces發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcex

且存在以下關(guān)系：

?實(shí)際使用GTR時(shí)，為了確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。30/892.4.2電力晶體管■GTR的主要參數(shù)31/892.4.2電力晶體管◆集電極最大允許電流IcM?規(guī)定直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定的1/2~1/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic。?實(shí)際使用時(shí)要留有較大裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)?！艏姌O最大耗散功率PcM

?指在最高工作溫度下允許的耗散功率。?產(chǎn)品說(shuō)明書中在給出PcM時(shí)總是同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。

31/892.4.2電力晶體管◆集電極最大允許電流IcM32/892.4.2電力晶體管■GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)◆當(dāng)GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，集電極電流迅速增大，這種首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿?！舭l(fā)現(xiàn)一次擊穿發(fā)生時(shí)如不有效地限制電流，Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，同時(shí)伴隨著電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。

◆出現(xiàn)一次擊穿后，GTR一般不會(huì)損壞，二次擊穿常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對(duì)GTR危害極大。

SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖2-19GTR的安全工作區(qū)二次擊穿功率

◆安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）

?將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn)連接起來(lái)，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。?GTR工作時(shí)不僅不能超過(guò)最高電壓

UceM，集電極最大電流IcM和最大耗散功率PcM，也不能超過(guò)二次擊穿臨界線。32/892.4.2電力晶體管■GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全33/892.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管■分為結(jié)型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）,簡(jiǎn)稱電力MOSFET（PowerMOSFET）?！鲭娏OSFET是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流的，它的特點(diǎn)有：◆驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。

◆開關(guān)速度快，工作頻率高。

◆熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。

◆電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置。

33/892.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管■分為結(jié)型和絕緣柵型，34/892.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管■電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理◆電力MOSFET的種類

?按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。?當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型。

?對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道的稱為增強(qiáng)型。

?在電力MOSFET中，主要是N溝道增強(qiáng)型。

34/892.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管■電力MOSFET的結(jié)35/892.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管◆電力MOSFET的結(jié)構(gòu)

?是單極型晶體管。?結(jié)構(gòu)上與小功率MOS管有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?，而目前電力MOSFET大都采用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所以又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET），這大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。?按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用

V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET（VerticalV-grooveMOSFET）和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的DMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。?電力MOSFET也是多元集成結(jié)構(gòu)。圖2-20電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號(hào)35/892.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管◆電力MOSFET的結(jié)36/8936/8937/8937/8938/892.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管◆電力MOSFET的工作原理?截止：當(dāng)漏源極間接正電壓，柵極和源極間電壓為零時(shí)，P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。

?導(dǎo)通

√在柵極和源極之間加一正電壓UGS，正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子——電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。

√當(dāng)UGS大于某一電壓值UT時(shí)，使P型半導(dǎo)體反型成N型半導(dǎo)體，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。

√UT稱為開啟電壓（或閾值電壓），UGS超過(guò)UT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流ID越大。

38/892.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管◆電力MOSFET的工39/89■電力MOSFET的基本特性

◆靜態(tài)特性

?轉(zhuǎn)移特性√指漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系，反映了輸入電壓和輸出電流的關(guān)系。

√ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率被定義為MOSFET的跨導(dǎo)Gfs，即

2.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管圖2-21電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性(2-11)√是電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。39/89■電力MOSFET的基本特性2.4.3電力場(chǎng)效40/892.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管?輸出特性

√是MOSFET的漏極伏安特性?！探刂箙^(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)）、飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)）、非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）三個(gè)區(qū)域，飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極電流不再增加，非飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極電流相應(yīng)增加。

√工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。?本身結(jié)構(gòu)所致，漏極和源極之間形成了一個(gè)與MOSFET反向并聯(lián)的寄生二極管。?通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。

圖2-21電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性b)輸出特性40/892.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管?輸出特性圖2-2141/89◆動(dòng)態(tài)特性

?開通過(guò)程

√開通延遲時(shí)間td(on)

電流上升時(shí)間tr電壓下降時(shí)間tfv開通時(shí)間ton=td(on)+tr+

tfv

?關(guān)斷過(guò)程

√關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)

電壓上升時(shí)間trv

電流下降時(shí)間tfi

關(guān)斷時(shí)間toff=td(off)+trv+tfi?MOSFET的開關(guān)速度和其輸入電容的充放電有很大關(guān)系，可以降低柵極驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻Rs，從而減小柵極回路的充放電時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度。2.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管信號(hào)RsRGRFRLiDuGSupiD+UE圖2-22電力MOSFET的開關(guān)過(guò)程a)測(cè)試電路b)開關(guān)過(guò)程波形up為矩形脈沖電壓信號(hào)源，Rs為信號(hào)源內(nèi)阻，RG為柵極電阻，RL為漏極負(fù)載電阻，RF用于檢測(cè)漏極電流。

(a)(b)41/89◆動(dòng)態(tài)特性2.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管信號(hào)RsRG42/8942/8943/8943/8944/892.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管?不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而其關(guān)斷過(guò)程是非常迅速的。?開關(guān)時(shí)間在10~100ns之間，其工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。?在開關(guān)過(guò)程中需要對(duì)輸入電容充放電，仍需要一定的驅(qū)動(dòng)功率，開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。

44/892.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管?不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，45/892.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管■電力MOSFET的主要參數(shù)◆跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及開關(guān)過(guò)程中的各時(shí)間參數(shù)?！袈O電壓UDS

?標(biāo)稱電力MOSFET電壓定額的參數(shù)?！袈O直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM

?標(biāo)稱電力MOSFET電流定額的參數(shù)。

◆柵源電壓UGS

?柵源之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。

◆極間電容

?

CGS、CGD和CDS?！袈┰撮g的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區(qū)。

45/892.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管■電力MOSFET的主46/892.4.4絕緣柵雙極晶體管■GTR和GTO是雙極型電流驅(qū)動(dòng)器件，由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)，但開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。而電力MOSFET是單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。

46/892.4.4絕緣柵雙極晶體管■GTR和GTO是雙極47/892.4.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆IGBT的結(jié)構(gòu)

?是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。?由N溝道VDMOSFET與雙極型晶體管組合而成的IGBT，比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流能力。?簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是用GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個(gè)由

MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。

圖2-23IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡(jiǎn)化等效電路c)電氣圖形符號(hào)RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。

47/892.4.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的結(jié)構(gòu)和工作48/892.4.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的工作原理

?IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，是一種場(chǎng)控器件。

?其開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。

√當(dāng)UGE為正且大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。

√當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷。

?電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。

48/892.4.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的工作原理49/892.4.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的基本特性

◆靜態(tài)特性

?轉(zhuǎn)移特性

√描述的是集電極電流

IC與柵射電壓UGE之間的關(guān)系?！涕_啟電壓UGE(th)是IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓，隨溫度升高而略有下降。

（a）圖2-24IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性

49/892.4.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的基本特性（50/892.4.4絕緣柵雙極晶體管?輸出特性（伏安特性）

√描述的是以柵射電壓為參考變量時(shí)，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系。

√分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。

√當(dāng)UCE<0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。

√在電力電子電路中，IGBT工作在開關(guān)狀態(tài)，因而是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。

(b)圖2-24IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性b)輸出特性

50/892.4.4絕緣柵雙極晶體管?輸出特性（伏安特性）51/892.4.4絕緣柵雙極晶體管◆動(dòng)態(tài)特性

?開通過(guò)程√開通延遲時(shí)間td(on)

電流上升時(shí)間tr

電壓下降時(shí)間tfv開通時(shí)間ton=td(on)+tr+

tfv√tfv分為tfv1和tfv2兩段。

?關(guān)斷過(guò)程

√關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)

電壓上升時(shí)間trv

電流下降時(shí)間tfi

關(guān)斷時(shí)間toff=td(off)+trv+tfi

√tfi分為tfi1和tfi2兩段

?引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度要低于電力MOSFET。

圖2-25IGBT的開關(guān)過(guò)程51/892.4.4絕緣柵雙極晶體管◆動(dòng)態(tài)特性圖2-2552/892.4.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的主要參數(shù)◆前面提到的各參數(shù)?！糇畲蠹錁O間電壓UCES

?由器件內(nèi)部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓所確定的。

◆最大集電極電流

?包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。

◆最大集電極功耗PCM

?在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。

52/892.4.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的主要參數(shù)53/892.4.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：

?開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。

?在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。

?通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。

?輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。?與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn)。

53/892.4.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的特性和參數(shù)54/892.4.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)◆IGBT的擎住效應(yīng)?在IGBT內(nèi)部寄生著一個(gè)N-PN+晶體管和作為主開關(guān)器件的P+N-P晶體管組成的寄生晶閘管。其中NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)J3結(jié)施加一個(gè)正向偏壓，一旦J3開通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控，這種現(xiàn)象稱為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)。

?引發(fā)擎住效應(yīng)的原因，可能是集電極電流過(guò)大（靜態(tài)擎住效應(yīng)），dUCE/dt過(guò)大（動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)），或溫度升高。

?動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流還要小，因此所允許的最大集電極電流實(shí)際上是根據(jù)動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)而確定的。54/892.4.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的擎住效應(yīng)和55/892.4.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的安全工作區(qū)

?正向偏置安全工作區(qū)（ForwardBiasedSafeOperatingArea——FBSOA）

√根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。

?反向偏置安全工作區(qū)（ReverseBiasedSafeOperatingArea——RBSOA）

√根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率dUCE/dt。

55/892.4.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的安全工作56/892.5其他新型電力電子器件

2.5.1MOS控制晶閘管MCT

2.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT

2.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH

2.5.4集成門極換流晶閘管IGCT

2.5.5基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力

電子器件56/892.5其他新型電力電子器件57/892.5.1MOS控制晶閘管MCT■MCT（MOSControlledThyristor）是將MOSFET與晶閘管組合而成的復(fù)合型器件。

■結(jié)合了MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率、快速的開關(guān)過(guò)程和晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降的特點(diǎn)?！鲇蓴?shù)以萬(wàn)計(jì)的MCT元組成，每個(gè)元的組成為：一個(gè)PNPN晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。

■其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。

57/892.5.1MOS控制晶閘管MCT■MCT（MOS58/892.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT■是一種結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管?！鍪且环N多子導(dǎo)電的器件，其工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至超過(guò)電力MOSFET，而功率容量也比電力MOSFET大，因而適用于高頻大功率場(chǎng)合?！鰱艠O不加任何信號(hào)時(shí)是導(dǎo)通的，柵極加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，這被稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便，此外SIT通態(tài)電阻較大，使得通態(tài)損耗也大，因而SIT還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

58/892.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT■是一種結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)59/892.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH■可以看作是SIT與GTO復(fù)合而成。■又被稱為場(chǎng)控晶閘管（FieldControlledThyristor——FCT），本質(zhì)上是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)?！銎浜芏嗵匦耘cGTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件?！鲆话阋彩钦?dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。

59/892.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH■可以看作是SI60/892.5.4集成門極換流晶閘管IGCT■是將一個(gè)平板型的GTO與由很多個(gè)并聯(lián)的電力MOSFET器件和其它輔助元件組成的GTO門極驅(qū)動(dòng)電路采用精心設(shè)計(jì)的互聯(lián)結(jié)構(gòu)和封裝工藝集成在一起?！鋈萘颗c普通GTO相當(dāng)，但開關(guān)速度比普通的GTO快10倍，而且可以簡(jiǎn)化普通GTO應(yīng)用時(shí)龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過(guò)其所需的驅(qū)動(dòng)功率仍然很大。■目前正在與IGBT等新型器件激烈競(jìng)爭(zhēng)。60/892.5.4集成門極換流晶閘管IGCT■是將一個(gè)平61/892.5.5基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件■硅的禁帶寬度為1.12電子伏特（eV），而寬禁帶半導(dǎo)體材料是指禁帶寬度在3.0電子伏特左右及以上的半導(dǎo)體材料，典型的是碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、金剛石等材料?！龌趯捊麕О雽?dǎo)體材料（如碳化硅）的電力電子器件將具有比硅器件高得多的耐受高電壓的能力、低得多的通態(tài)電阻、更好的導(dǎo)熱性能和熱穩(wěn)定性以及更強(qiáng)的耐受高溫和射線輻射的能力，許多方面的性能都是成數(shù)量級(jí)的提高?！鰧捊麕О雽?dǎo)體器件的發(fā)展一直受制于材料的提煉和制造以及隨后的半導(dǎo)體制造工藝的困難。

61/892.5.5基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件■硅62/892.6功率集成電路與集成電力電子模塊■基本概念◆20世紀(jì)80年代中后期開始，模塊化趨勢(shì)，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱為功率模塊。

◆可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性?！魧?duì)工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡(jiǎn)化對(duì)保護(hù)和緩沖電路的要求?！魧⑵骷c邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測(cè)、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（PowerIntegratedCircuit——PIC）。62/892.6功率集成電路與集成電力電子模塊■基本概念63/892.6功率集成電路與集成電力電子模塊■實(shí)際應(yīng)用電路

◆高壓集成電路（HighVoltageIC——HVIC）?一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。

◆智能功率集成電路（SmartPowerIC——SPIC）?一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。

◆智能功率模塊（IntelligentPowerModule——IPM）?專指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片集成，也稱智能IGBT（IntelligentIGBT）。

63/892.6功率集成電路與集成電力電子模塊■實(shí)際應(yīng)用電64/892.6功率集成電路與集成電力電子模塊■發(fā)展現(xiàn)狀◆功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)：高低壓電路之間的絕緣問(wèn)題以及溫升和散熱的處理。

◆以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在中小功率應(yīng)用場(chǎng)合?！糁悄芄β誓K在一定程度上回避了上述兩個(gè)難點(diǎn),最近幾年獲得了迅速發(fā)展。

◆功率集成電路實(shí)現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機(jī)電一體化的理想接口。64/892.6功率集成電路與集成電力電子模塊■發(fā)展現(xiàn)狀65/89本章小結(jié)■將各種主要電力電子器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性和主要參數(shù)等問(wèn)題作了全面的介紹?！鲭娏﹄娮悠骷w類◆按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況?單極型：肖特基二極管、電力MOSFET和SIT等。

?雙極型：基于PN結(jié)的電力二極管、晶閘管、GTO和GTR等。

?復(fù)合型：IGBT、SITH和MCT等。

圖2-26電力電子器件分類“樹”65/89本章小結(jié)■將各種主要電力電子器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原66/89本章小結(jié)◆按驅(qū)動(dòng)類型

?電壓驅(qū)動(dòng)型器件

√單極型器件和復(fù)合型器件?！坦餐攸c(diǎn)是：輸入阻抗高，所需驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高。

?電流驅(qū)動(dòng)型器件

√雙極型器件。

√共同特點(diǎn)是：具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，因而通態(tài)壓降低，導(dǎo)通損耗小，但工作頻率較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路也比較復(fù)雜?！舭纯刂菩盘?hào)的波形

?電平控制型器件

√電壓驅(qū)動(dòng)型器件和部分電流驅(qū)動(dòng)型器件（如GTR）

?脈沖觸發(fā)型器件

√部分電流驅(qū)動(dòng)型器件（如晶閘管和GTO）

66/89本章小結(jié)◆按驅(qū)動(dòng)類型67/89本章小結(jié)■電力電子器件的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

◆20世紀(jì)90年代中期以來(lái)，逐漸形成了小功率（10kW以下）場(chǎng)合以電力MOSFET為主，中、大功率場(chǎng)合以IGBT為主的壓倒性局面，在10MVA以上或者數(shù)千伏以上的應(yīng)用場(chǎng)合，如果不需要自關(guān)斷能力，那么晶閘管仍然是目前的首選器件

。

◆電力MOSFET和IGBT中的技術(shù)創(chuàng)新仍然在繼續(xù)，IGBT還在不斷奪取傳統(tǒng)上屬于晶閘管的應(yīng)用領(lǐng)域

。

◆寬禁帶半導(dǎo)體材料由于其各方面性能都優(yōu)于硅材料，因而是很有前景的電力半導(dǎo)體材料。67/89本章小結(jié)■電力電子器件的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)68/892.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■晶閘管的結(jié)構(gòu)◆從外形上來(lái)看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu)?！粢鲫?yáng)極A、陰極K和門極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端?！魞?nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。圖2-7晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)

1/892.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■晶閘管的結(jié)構(gòu)69/892.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖2-8晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b)工作原理

■晶閘管的工作原理

◆按照晶體管工作原理，可列出如下方程：（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。2/892.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖2-8晶閘管70/892.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理◆晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下

是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后，

迅速增大?！粼诰w管阻斷狀態(tài)下，IG=0，而1+2是很小的。由上式可看出，此時(shí)流過(guò)晶閘管的漏電流只是稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。

◆如果注入觸發(fā)電流使各個(gè)晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過(guò)晶閘管的電流IA（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，從而實(shí)現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通?！粲捎谕怆娐坟?fù)載的限制，IA實(shí)際上會(huì)維持有限值。

由以上式（2-1）~（2-4）可得(2-5)3/892.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理◆晶體管的特性是：71/892.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■除門極觸發(fā)外其他幾種可能導(dǎo)通的情況◆陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)

◆陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高

◆結(jié)溫較高◆光觸發(fā)■這些情況除了光觸發(fā)由于可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。

4/892.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■除門極觸發(fā)外其他72/892.3.2晶閘管的基本特性■靜態(tài)特性

◆正常工作時(shí)的特性

?當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。

?當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。

?晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。?若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。

5/892.3.2晶閘管的基本特性■靜態(tài)特性73/892.3.2晶閘管的基本特性◆晶閘管的伏安特性

?正向特性

√當(dāng)IG=0時(shí)，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過(guò)。

√如果正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。√隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。

√如果門極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)，IH稱為維持電流。

圖2-9晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG

正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+6/892.3.2晶閘管的基本特性◆晶閘管的伏安特性74/892.3.2晶閘管的基本特性?反向特性

√其伏安特性類似二極管的反向特性。

√晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反向漏電流通過(guò)。

√當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。

圖2-9晶閘管的伏安特性 IG2>IG1>IG正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+7/892.3.2晶閘管的基本特性?反向特性圖2-975/892.3.2晶閘管的基本特性■動(dòng)態(tài)特性◆開通過(guò)程

?由于晶閘管內(nèi)部的正反饋過(guò)程需要時(shí)間，再加上外電路電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽(yáng)極電流的增長(zhǎng)不可能是瞬時(shí)的。?延遲時(shí)間td

(0.5~1.5s)上升時(shí)間tr(0.5~3s)開通時(shí)間tgt=td+tr?延遲時(shí)間隨門極電流的增大而減小,上升時(shí)間除反映晶閘管本身特性外，還受到外電路電感的嚴(yán)重影響。提高陽(yáng)極電壓,延遲時(shí)間和上升時(shí)間都可顯著縮短。

圖2-10晶閘管的開通和關(guān)斷過(guò)程波形陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的10%8/892.3.2晶閘管的基本特性■動(dòng)態(tài)特性圖2-1076/892.3.2晶閘管的基本特性◆關(guān)斷過(guò)程

?由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，其陽(yáng)極電流在衰減時(shí)必然也是有過(guò)渡過(guò)程的。

?反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr關(guān)斷時(shí)間tq=trr+tgr?關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。

?在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)?，而不是受門極電流控制而導(dǎo)通。圖2-10晶閘管的開通和關(guān)斷過(guò)程波形100%反向恢復(fù)電流最大值尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA9/892.3.2晶閘管的基本特性◆關(guān)斷過(guò)程圖2-1077/892.3.3晶閘管的主要參數(shù)■電壓定額◆斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM?是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓（見圖2-9）。

?國(guó)標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓）UDSM的90%。

?斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo?！舴聪蛑貜?fù)峰值電壓URRM

?是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓（見圖2-8）。

?規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%。?反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓。10/892.3.3晶閘管的主要參數(shù)■電壓定額78/892.3.3晶閘管的主要參數(shù)

◆通態(tài)（峰值）電壓UT?晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。

◆通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2~3倍?！鲭娏鞫~◆通態(tài)平均電流IT(AV）

?國(guó)標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。

?按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的。?一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的原則所得計(jì)算結(jié)果的1.5~2倍。

11/892.3.3晶閘管的主要參數(shù)◆通態(tài)（峰值）電壓U79/892.3.3晶閘管的主要參數(shù)◆維持電流IH

?維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。?結(jié)溫越高，則IH越小。

◆擎住電流IL?擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。

?約為IH的2~4倍

◆浪涌電流ITSM

?指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流。12/892.3.3晶閘管的主要參數(shù)◆維持電流IH80/892.3.3晶閘管的主要參數(shù)■動(dòng)態(tài)參數(shù)

◆開通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq

◆斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

?在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。

?電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。

◆通態(tài)電流臨界上升率di/dt

?在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率。

?如果電流上升太快，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。13/892.3.3晶閘管的主要參數(shù)■動(dòng)態(tài)參數(shù)81/892.3.4晶閘管的派生器件■快速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST）

◆有快速晶閘管和高頻晶閘管。

◆快速晶閘管的開關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt的耐量都有了明顯改善。

◆從關(guān)斷時(shí)間來(lái)看，普通晶閘管一般為數(shù)百微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管則為10s左右。

◆高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。

◆由于工作頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。

14/892.3.4晶閘管的派生器件■快速晶閘管（Fast82/892.3.4晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2■雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）◆可以認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成?！糸T極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第Ｉ和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。

◆雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。圖2-11雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性

15/892.3.4晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=083/892.3.4晶閘管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0■逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）

◆是將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。

◆具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。

圖2-12逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性

16/892.3.4晶閘管的派生器件a)KGAb)UOII84/892.3.4晶閘管的派生器件AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA■光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）

◆是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。

◆由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在高壓大功率的場(chǎng)合。圖2-13光控晶閘管的電氣圖形符 號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性

17/892.3.4晶閘管的派生器件AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)85/892.4典型全控型器件

2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管