第1章 電力電子器件改

電力電子器件第1章不可控二極管半控晶閘管全控型器件新型電力電子器件電力電子器件的概述電子電路的基礎(chǔ)介紹各種常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題簡(jiǎn)要概述電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類等問題本章主要內(nèi)容：

電力電子器件

電力電子電路的基礎(chǔ)電子器件：晶體管和集成電路電力電子器件第1章電力電子器件的概述1.1.1電力電子器件的概念和特征1.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成1.1.3電力電子器件的分類1.1.4本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)

1.1電力電子器件的概念和特征電力電子電路的基礎(chǔ)——電力電子器件1.概念:電力電子器件（powerelectronicdevice）——可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件1.1.12.分類:電真空器件

(汞弧整流器、閘流管等電真空器件)

半導(dǎo)體器件

(采用的主要材料仍然是硅)主電路（mainpowercircuit）——承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路3.

同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征：能處理電功率的大小，即承受電壓和電流的能力，是最重要的參數(shù)。該能力遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。實(shí)用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制(驅(qū)動(dòng)電路)。為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計(jì)，在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器。電力電子器件的概念和特征1.1.1主要損耗通態(tài)損耗：斷態(tài)損耗：開關(guān)損耗：開通損耗：在器件開通的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗關(guān)斷損耗：在器件關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小，因而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因器件開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素電力電子器件的概念和特征1.1.1導(dǎo)通時(shí)器件上有一定的通態(tài)壓降阻斷時(shí)器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過對(duì)某些器件來講，驅(qū)動(dòng)電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成控制電路檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2圖1-1電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成1.1.2電氣隔離控制端主電路端子控制電路按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷，來完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。還包括檢測(cè)電路等主電路之外的所有電路。主電路中的電壓和電流一般都較大，而控制電路的元器件只能承受較小的電壓和電流，因此在主電路和控制電路連接的路徑上，如驅(qū)動(dòng)電路與主電路的連接處，或者驅(qū)動(dòng)電路與控制信號(hào)的連接處，以及主電路與檢測(cè)電路的連接處，一般需要進(jìn)行電氣隔離，而通過其它手段如光、磁等來傳遞信號(hào)應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成1.1.2由于主電路中往往有電壓和電流的過沖，而電力電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴，但承受過電壓和過電流的能力卻要差一些，因此，在主電路和控制電路中附加一些保護(hù)電路，以保證電力電子器件和整個(gè)電力電子系統(tǒng)正常可靠運(yùn)行，也往往是非常必要的。器件一般有三個(gè)端子（或稱極或管角），其中兩個(gè)聯(lián)結(jié)在主電路中，而第三端被稱為控制端（或控制極）。器件通斷是通過在其控制端和一個(gè)主電路端子之間加一定的信號(hào)來控制的，這個(gè)主電路端子是驅(qū)動(dòng)電路和主電路的公共端，一般是主電路電流流出器件的端子。應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成1.1.2電力電子器件的分類按照器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，分為以下三類：半控型器件1.1.3絕緣柵雙極晶體管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）不可控器件電力二極管（PowerDiode）。它只有兩個(gè)端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。通過控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件，它的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定全控型器件通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。不能用控制信號(hào)來控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。按照驅(qū)動(dòng)電路加在器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類：

1)電流驅(qū)動(dòng)型

1)單極型器件電力電子器件的分類1.1.32)電壓驅(qū)動(dòng)型通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制2)雙極型器件3)復(fù)合型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn):

最重要的是掌握其基本特性掌握電力電子器件的型號(hào)命名法，以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法，這是在實(shí)際中正確應(yīng)用電力電子器件的兩個(gè)基本要求由于電力電子電路的工作特點(diǎn)和具體情況的不同，可能會(huì)對(duì)與電力電子器件用于同一主電路的其它電路元件，如變壓器、電感、電容、電阻等，有不同于普通電路的要求1.1.4本章內(nèi)容:介紹各種器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。不可控器件—電力二極管1.2.1

PN結(jié)與電力二極管的工作原理1.2.2電力二極管的基本特性1.2.3電力二極管的主要參數(shù)1.2.4電力二極管的主要類型1.2

PowerDiode結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用?？旎謴?fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場(chǎng)合，具有不可替代的地位。不可控器件—電力二極管1.2PN結(jié)與電力二極管的工作原理基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝圖1-2電力二極管的外形、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)1.2.1N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié)。圖1-3PN結(jié)的形成

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或勢(shì)壘區(qū)?？臻g電荷建立的電場(chǎng)被稱為內(nèi)電場(chǎng)或自建電場(chǎng)，其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的，另一方面又吸引對(duì)方區(qū)內(nèi)的少子（對(duì)本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運(yùn)動(dòng)，即漂移運(yùn)動(dòng)。交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，到對(duì)方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負(fù)電荷但不能任意移動(dòng)的雜質(zhì)離子。這些不能移動(dòng)的正、負(fù)電荷稱為空間電荷。PN結(jié)與電力二極管的工作原理

1.2.1PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)。PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。PN結(jié)的反向擊穿

有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導(dǎo)致熱擊穿。PN結(jié)的電容效應(yīng)：PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD

。PN結(jié)與電力二極管的工作原理

1.2.1勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用。外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。勢(shì)壘電容的大小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層厚度成反比。PN結(jié)與電力二極管的工作原理

1.2.1擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主；正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分。結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作，?yīng)用時(shí)應(yīng)加以注意。電力二極管的基本特性1.靜態(tài)特性（伏安特性）圖1-4電力二極管的伏安特性1.2.2門檻電壓正向電壓降2.動(dòng)態(tài)特性電力二極管的基本特性1.2.2動(dòng)態(tài)特性（開關(guān)特性）——反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程關(guān)斷過程：須經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。

因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個(gè)過渡過程，相應(yīng)的電壓—電流特性是隨時(shí)間變化的。電力二極管的基本特性2.動(dòng)態(tài)特性1.2.2反電壓過沖正向平均電流延遲時(shí)間：td=t1-t0，電流下降時(shí)間：tf=t2-t1反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td+tf恢復(fù)特性的軟度：下降時(shí)間與延遲時(shí)間的比值tf/td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示電力二極管的基本特性1.2.2正向恢復(fù)時(shí)間正向壓降的過沖開通過程：

電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時(shí)間來儲(chǔ)存大量少子，達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大。正向電流的上升會(huì)因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高。電力二極管的主要參數(shù)正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，因此使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。當(dāng)用在頻率較高的場(chǎng)合時(shí)，開關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時(shí)，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小1.2.31.正向平均電流IF(AV)在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值對(duì)應(yīng)的有效值為1.57IF(AV)2.正向壓降UF指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流時(shí)器件的最大瞬時(shí)正向壓降電力二極管的主要參數(shù)1.2.33.

反向重復(fù)峰值電壓URRM指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3使用時(shí)，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定4.最高工作結(jié)溫TJM結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125~175C范圍之內(nèi)。電力二極管的主要參數(shù)1.2.35.反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr=td+tf

，關(guān)斷過程中，電流降到零起到恢復(fù)反響阻斷能力止的時(shí)間。6.浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。電力二極管的主要類型關(guān)注正向壓降、反向耐壓、反向漏電流，特別是反向恢復(fù)特性。在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)合的不同要求選擇不同類型的電力二極管。性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的。1.

普通二極管（GeneralPurposeDiode）又稱整流二極管（RectifierDiode）多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5s以上，這在開關(guān)頻率不高時(shí)并不重要。正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。1.2.42.快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode——FRD）電力二極管的主要類型1.2.4恢復(fù)過程很短特別是反向恢復(fù)過程很短（5s以下）的二極管，也簡(jiǎn)稱快速二極管從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20~30ns。工藝上多采用了摻金措施，有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)，有的采用改進(jìn)的PiN結(jié)構(gòu)采用外延型PiN結(jié)構(gòu)的的快恢復(fù)外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下3.

肖特基二極管以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD），簡(jiǎn)稱為肖特基二極管20世紀(jì)80年代以來，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用電力二極管的主要類型1.2.4肖特基二極管的弱點(diǎn)當(dāng)反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于200V以下反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)反向恢復(fù)時(shí)間很短（10~40ns）正向恢復(fù)過程中也不會(huì)有明顯的電壓過沖在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高半控器件—晶閘管

1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.3.2晶閘管的基本特性

1.3.3晶閘管的主要參數(shù)

1.3.4晶閘管的派生器件1.31956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLab）發(fā)明了晶閘管1957年美國(guó)通用電氣公司（GE）開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品1958年商業(yè)化開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代20世紀(jì)80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場(chǎng)合具有重要地位半控器件—晶閘管1.3晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型——普通晶閘管晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間1.3.1圖1-6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)Ic1=1IA+ICBO1（1-1）Ic2=2IK+ICBO2（1-2）IK=IA+IG

（1-3）

IA=Ic1+Ic2

（1-4）

圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理1.3.1由以上四式可得（1-5）V2V1IGIC2=IB1IC1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)射極電流建立起來之后，迅速增大。晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理1.3.1開通（門極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。實(shí)際由外電路負(fù)載決定，維持有限值其他幾種可能導(dǎo)通的情況：陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)陽極電壓上升率du/dt過高結(jié)溫較高光直接照射硅片，即光觸發(fā)光觸發(fā)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，稱為光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）。晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理1.3.1只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段晶閘管的基本特性1.靜態(tài)特性簡(jiǎn)單歸納晶閘管正常工作時(shí)的特性如下：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。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。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下；或者去掉陽極所加的正向電壓，或者給陽極施加反向電壓。1.3.2晶閘管的伏安特性

圖1-8晶閘管的伏安特性晶閘管的基本特性1.3.2正向轉(zhuǎn)折電壓維持電流IG2>IG1>IG2.動(dòng)態(tài)特性圖1-9晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形晶閘管的基本特性1.3.21)開通過程晶閘管的基本特性1.3.2普通晶閘管延遲時(shí)為0.5~1.5s，上升時(shí)間為0.5~3s。上升時(shí)間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間。開通時(shí)間tgt以上兩者之和

tgt=td+tr

（1-6）延遲時(shí)間td：門極電流階躍時(shí)刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的

10%的時(shí)間。2)

關(guān)斷過程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間晶閘管的基本特性1.3.2普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。關(guān)斷時(shí)間tq：trr與tgr之和，即

tq=trr+tgr

正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，電路才能可靠工作。

1.電壓定額晶閘管的主要參數(shù)

1.3.3

——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許加在器件上的正向峰值電壓。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)，額定電壓要留有一定裕量,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?！陂T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。——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。1)

斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM2)

反向重復(fù)峰值電壓URRM3)

通態(tài)（峰值）電壓UTM頻率為50HZ，每次持續(xù)時(shí)間不超過10ms重復(fù)2.電流定額晶閘管的主要參數(shù)

1.3.3

——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)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)?！咕чl管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)。結(jié)溫越高，則IH越小?！чl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。對(duì)同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍?！赣捎陔娐樊惓Ｇ闆r引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流。

4)

浪涌電流ITSM3)

擎住電流IL

2)

維持電流IH

——使用時(shí)應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管。應(yīng)留一定的裕量，一般取1.5~2倍。1)

通態(tài)平均電流IT(AV)

對(duì)應(yīng)的有效值為1.57IT(AV)返回晶閘管的主要參數(shù)3.動(dòng)態(tài)參數(shù)

1.3.3

——指在額定結(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?！冈谝?guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。(2)通態(tài)電流臨界上升率di/dt(1)

斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt除開通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有：晶閘管的派生器件1.快速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST)包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管。管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，開關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管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)。1.3.42.雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）圖1-10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)伏安特性晶閘管的派生器件1.3.4可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G。正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第Ｉ和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。與一對(duì)反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡(jiǎn)單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（SSR）和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多。通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。3.逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）圖1-11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)伏安特性晶閘管的派生器件1.3.4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。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)。逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個(gè)，一個(gè)是晶閘管電流，一個(gè)是反并聯(lián)二極管的電流。4.光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）圖1-12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)伏安特性晶閘管的派生器件1.3.4又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個(gè)端子。大功率光控晶閘管則還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器。光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響，因此目前在高壓大功率的場(chǎng)合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位。典型全控型器件

1.4.1門極可關(guān)斷晶閘管

1.4.2電力晶體管

1.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

1.4.4絕緣柵雙極晶體管1.4全控型電力電子器件的典型代表——門極可關(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。典型全控型器件1.420世紀(jì)80年代以來，信息電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合——高頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，從而將電力電子技術(shù)又帶入了一個(gè)嶄新時(shí)代。門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）晶閘管的一種派生器件可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用1.4.1和普通晶閘管的不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽極的小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1-13GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形b)并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖c)電氣圖形符號(hào)門極可關(guān)斷晶閘管1.4.11.GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點(diǎn)：PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來分析。圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理

1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。

當(dāng)1+2>1時(shí)，兩個(gè)等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通；

當(dāng)1+2<1時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益1和2。門極可關(guān)斷晶閘管1.4.1GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：門極可關(guān)斷晶閘管1.4.1

（1）設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷。(2)導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1（1.05，普通晶閘管1+21.15），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。

（3）多元集成結(jié)構(gòu)使GTO元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。門極可關(guān)斷晶閘管GTO關(guān)斷過程：強(qiáng)烈正反饋——門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流，則Ib2

IK和Ic2

IA和Ic1

V2的基極電流。當(dāng)IA和IK的減小使1+2<1時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷。1.4.1由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強(qiáng)。2.

GTO的動(dòng)態(tài)特性開通過程：與普通晶閘管類似，需經(jīng)過延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr。圖1-14GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形門極可關(guān)斷晶閘管1.4.1關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子——儲(chǔ)存時(shí)間ts，使等效晶體管退出飽和。等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小——下降時(shí)間tf

。殘存載流子復(fù)合——尾部時(shí)間tt

。GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形門極可關(guān)斷晶閘管1.4.1通常tf<<ts，tt>>ts。

門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，抽走儲(chǔ)存載流子的速度越快，

ts越短。3.

GTO的主要參數(shù)門極可關(guān)斷晶閘管1.4.1——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)陽極電流值的增大而增大?！话阒竷?chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。GTO的儲(chǔ)存時(shí)間隨陽極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般小于2s。關(guān)斷時(shí)間toff開通時(shí)間ton

不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)。以下只介紹意義與普通晶閘管不同的參數(shù)。注意門極可關(guān)斷晶閘管最大可關(guān)斷陽極電流IATO（與普通晶閘管不同）1.4.1電流關(guān)斷增益offoff一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要200A。

——GTO額定電流。利用門級(jí)負(fù)電流脈沖可以關(guān)斷的最大陽極電流的限制，由GTO的臨界飽和導(dǎo)通條件所限制?！畲罂申P(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。（1-8）術(shù)語用法：電力晶體管（GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時(shí)候也稱為PowerBJT。在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個(gè)名稱等效。

應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。電力晶體管（GTR或BJT）1.4.21.

GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-15GTR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)電力晶體管1.4.2與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。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（1-9）

——GTR的電流放大系數(shù)，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 ic=ib+Iceo（1-10）電力晶體管1.4.2產(chǎn)品說明書中通常給直流電流增益hFE

——在直流工作情況下集電極電流與基極電流之比。一般可認(rèn)為hFE。單管GTR的值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益。2.GTR的基本特性(1)

靜態(tài)特性在電力電子電路中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)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時(shí)，要經(jīng)過放大區(qū)圖1-16共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性電力晶體管1.4.2(2)

動(dòng)態(tài)特性開通過程延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開通時(shí)間ton。td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。增大ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時(shí)間。圖1-17GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形電力晶體管1.4.2關(guān)斷過程儲(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。電力晶體管1.4.2GTR的開關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子,是關(guān)斷時(shí)間的主體縮短儲(chǔ)存時(shí)間——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?？s短儲(chǔ)存時(shí)間的負(fù)面作用是會(huì)使集電極和發(fā)射極間的飽和導(dǎo)通壓降Uces增加，從而增大通態(tài)損耗。3.GTR的主要參數(shù)1)

最高工作電壓

GTR上電壓超過規(guī)定值時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)。BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>BUceo實(shí)際使用時(shí)，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。電力晶體管1.4.23)

集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率產(chǎn)品說明書中給PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。電力晶體管1.4.22)

集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。4.GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿。只要Ic不超過限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。

二次擊穿一次擊穿發(fā)生時(shí)Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。電力晶體管1.4.2安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。圖1-18GTR的安全工作區(qū)電力晶體管1.4.2電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

特點(diǎn)——用柵極電壓(UGS)來控制漏極電流(ID)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，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。1.4.3絕緣柵型結(jié)型主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）,簡(jiǎn)稱電力MOSFET（PowerMOSFET）似小功率(FieldEffectTransistor——FET）一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）耗盡型——當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道增強(qiáng)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

電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.31.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

電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型電力MOSFET的結(jié)構(gòu)電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.3導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。電力MOSFET的多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計(jì)。國(guó)際整流器公司（InternationalRectifier）的HEXFET采用了六邊形單元西門子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形單元摩托羅拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷娏OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET）——大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.3按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，又分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。電力MOSFET的工作原理截止：UDS>0,UGS=0;導(dǎo)電：UDS>0,UGS>0(UT);圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.31)

靜態(tài)特性圖1-20電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性

a)轉(zhuǎn)移特性2.電力MOSFET的基本特性電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.3ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)GfsMOSFET的漏極伏安特性：截止區(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)）電力MOSFET工作時(shí)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。電力MOSFET的輸出特性b)輸出特性電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.3電力MOSFET漏源極之間有反向的寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。電力MOSFET的通態(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。上升時(shí)間tr——uGS從uT上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時(shí)間段。iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負(fù)載電阻決定。UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)UGS達(dá)到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變。圖1-21電力MOSFET的開關(guān)過程a)測(cè)試電路b)開關(guān)過程波形up—脈沖信號(hào)源，Rs—信號(hào)源內(nèi)阻，RG—柵極電阻，RL—負(fù)載電阻，RF—檢測(cè)漏極電流電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.32)

動(dòng)態(tài)特性開通過程開通延遲時(shí)間td(on)——up前沿時(shí)刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時(shí)刻間的時(shí)間段。開通時(shí)間ton——開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。下降時(shí)間tf——uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS<UT時(shí)溝道消失，iD下降到零為止的時(shí)間段。圖1-21電力MOSFET的開關(guān)過程a)測(cè)試電路b)開關(guān)過程波形電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.3關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)——up下降到零起，Cin通過Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時(shí)，iD開始減小的時(shí)間段。關(guān)斷時(shí)間toff——關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和。柵極輸入電容MOSFET的開關(guān)速度

MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系。使用者無法降低Cin，但可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.3ＭＯＳＦＥＴ存在的輸入電容場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速。開關(guān)時(shí)間在10～100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。3.電力MOSFET的主要參數(shù)

電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.3——電力MOSFET電壓定額1)

漏極電壓UDS

2)

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM——電力MOSFET電流定額——與電力晶體管不同。電力晶體管的IC過大時(shí)，β迅速下降，它的下降程度限制了IC的最大允許值；而MOSFET中的Gfs則是隨著ID的增大而增大，直至達(dá)到穩(wěn)定值。故這兩個(gè)參數(shù)主要受溫升的限制。3)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。4)

極間電容輸入電容可近似用Ciss代替。這些電容都是非線性的。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.3

極間電容CGS、CGD和CDS

廠家提供：漏源極短路時(shí)的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容CrssCiss=CGS+CGD（1-14）Crss=CGD（1-15）Coss=CDS+CGD（1-16）漏源間的耐壓、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)。

實(shí)際使用中仍應(yīng)注意留適當(dāng)?shù)脑Ａ俊?/p>

一般來說，電力MOSFET不存在二次擊穿問題，這是它的一大優(yōu)點(diǎn)。絕緣柵雙極晶體管GTR和GTO的特點(diǎn)——雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，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。MOSFET的優(yōu)點(diǎn)——單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，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。兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件—Bi-MOS器件

絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）

1986年投入市場(chǎng)后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場(chǎng)，中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。

繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。1.4.4GTRMOSFET1.IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E圖1-22IGBT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)絕緣柵雙極晶體管1.4.4EIGBT的結(jié)構(gòu)圖1-22a—N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT（N-IGBT）圖1-22

IGBT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)絕緣柵雙極晶體管1.4.4E簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個(gè)大面積的P+N結(jié)J1。——使IGBT導(dǎo)通時(shí)由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對(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。晶體管基區(qū)內(nèi)調(diào)制電阻IGBT的原理

驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。絕緣柵雙極晶體管1.4.4導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小。導(dǎo)通：uGE>UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。2.IGBT的基本特性1)

IGBT的靜態(tài)特性圖1-23IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性絕緣柵雙極晶體管1.4.4輸出特性（伏安特性）——以UGE為參考變量時(shí)，IC與UCE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)。分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對(duì)應(yīng)。圖1-23IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性絕緣柵雙極晶體管1.4.4轉(zhuǎn)移特性——IC與UGE間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似。開啟電壓UGE(th)——IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓。

UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25C時(shí)，UGE(th)的值一般為2~6V。uCE<0時(shí)，IGBT反向阻斷工作狀態(tài)2)

IGBT的動(dòng)態(tài)特性圖1-24

IGBT的開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管1.4.4

IGBT的開通過程

圖1-24IGBT的開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管1.4.4——與MOSFET的相似，因?yàn)殚_通過程中IGBT在大部分時(shí)間作為MOSFET運(yùn)行

開通延遲時(shí)間td(on)——從uGE上升至其幅值10%的時(shí)刻，到iC上升至10%ICM

。

開通時(shí)間ton——開通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和。

電流上升時(shí)間tr

——iC從10%ICM上升至90%ICM所需時(shí)間。uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1——IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過程；tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程。IGBT的關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)——從uGE后沿下降到其幅值90%的時(shí)刻起，到iC下降至90%ICM。圖1-24

IGBT的開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管1.4.4電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快；tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢。電流下降時(shí)間tf——iC從90%ICM下降至10%ICM。關(guān)斷時(shí)間toff——關(guān)斷延遲時(shí)間與電流下降之和。IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度低于電力MOSFET。IGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時(shí)間也是需要折衷的參數(shù)。絕緣柵雙極晶體管1.4.4通過對(duì)IGBT的基本特性的分析，可以看出：3.IGBT的主要參數(shù)絕緣柵雙極晶體管1.4.4——正常工作溫度下允許的最大功耗。3)最大集電極功耗PCM——包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。

2)

最大集電極電流——由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。1)最大集射極間電壓UCESIGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：絕緣柵雙極晶體管1.4.4(1)

開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時(shí)，開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng)。(2)

相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比G