電力電子器件(11)

1、第2章 電力電子器件 2.1 電力電子器件概述 2.2 不可控器件電力二極管 2.3 半控型器件晶閘管 2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型電力電子器件 2.6 功率集成電路與集成電力電子模塊 本章小結(jié),2/89,引言,模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ) 晶體管和集成電路等電子器件 電力電子電路的基礎(chǔ) 電力電子器件 本章主要內(nèi)容： 對(duì)電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類(lèi)等問(wèn)題作了簡(jiǎn)要概述 。 分別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(wèn)題。,3/89,2.1 電力電子器件概述,2.1.1 電力電子器件的概念和特征 2.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 2.1.

2、3 電力電子器件的分類(lèi) 2.1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn),4/89,2.1.1 電力電子器件的概念和特征,電力電子器件的概念 電力電子器件（Power Electronic Device）是指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。 主電路：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。 廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類(lèi)，目前往往專(zhuān)指電力半導(dǎo)體器件。,5/89,2.1.1 電力電子器件的概念和特征,電力電子器件的特征 所能處理電功率的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)，一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。 為了減小本身的損耗，提

3、高效率，一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 由信息電子電路來(lái)控制 ,而且需要驅(qū)動(dòng)電路。 自身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工作時(shí)一般都需要安裝散熱器。,6/89,2.1.1 電力電子器件的概念和特征,通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。 當(dāng)器件的開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)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。,通態(tài)損耗,斷態(tài)損耗,開(kāi)關(guān)損耗,開(kāi)通損耗,關(guān)斷損耗,電力電子器件的功率損耗,7/89,2.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成,電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動(dòng) 電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個(gè)系統(tǒng)。,電氣隔離,圖2-1 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成

4、,8/89,2.1.3 電力電子器件的分類(lèi),按照能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度 半控型器件 主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。 器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。 全控型器件 目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 通過(guò)控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。 不可控器件 電力二極管（Power Diode） 不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷。,9/89,2.1.3 電力電子器件的分類(lèi),按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì) 電流驅(qū)動(dòng)型 通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 電壓驅(qū)動(dòng)型 僅通過(guò)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

5、或者關(guān)斷的控制。 按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形（電力二極管除外 ） 脈沖觸發(fā)型 通過(guò)在控制端施加一個(gè)電壓或電流的脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的開(kāi)通或者關(guān)斷的控制。 電平控制型 必須通過(guò)持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號(hào)來(lái)使器件開(kāi)通并維持在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。,10/89,2.1.3 電力電子器件的分類(lèi),按照載流子參與導(dǎo)電的情況 單極型器件 由一種載流子參與導(dǎo)電。 雙極型器件 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。 復(fù)合型器件 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成， 也稱混合型器件。,11/89,2.1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn),本章內(nèi)容 按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型

6、器件的順序，分別介紹各種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(wèn)題。 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。 了解電力電子器件的半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和基本工作原理。 了解某些主電路中對(duì)其它電路元件的特殊要求。,12/89,2.2 不可控器件電力二極管,2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理 2.2.2 電力二極管的基本特性 2.2.3 電力二極管的主要參數(shù) 2.2.4 電力二極管的主要類(lèi)型,13/89,2.2 不可控器件電力二極管引言,電力二極管（Power Diode）自20世紀(jì)50年代初期就獲得 應(yīng)用

7、，但其結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二 極管仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。 在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少 的，特別是開(kāi)通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管和肖特基 二極管，具有不可替代的地位。,整流二極管及模塊,14/89,2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理,電力二極管是以半 導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的, 實(shí)際上是由一個(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，可以有 螺栓型、平板型等多 種封裝。,圖2-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 基本結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào),15/89,2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理,二極管的

8、基本原理PN結(jié)的單向?qū)щ娦?當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時(shí)，在外電路上則形成自P區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF，這就是PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。 當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)（反向偏置）時(shí)，反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，被稱為反向截止?fàn)顟B(tài)。 PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過(guò)大，反向電流將會(huì)急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿。,16/89,2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理,按照機(jī)理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式 。 反向擊穿發(fā)生時(shí)，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)。 否則PN結(jié)因過(guò)熱而燒毀

9、，這就是熱擊穿。,17/89,2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理,PN結(jié)的電容效應(yīng) 稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容 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 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。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主。 擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。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(kāi)關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾睿踔敛荒芄ぷ鳌?18/89,2.2.2 電力二極管的基本特性,靜態(tài)特性 主要是指其伏安特性 正向電壓大到一定值（門(mén)檻 電壓UTO ），正向電流才開(kāi)始

10、 明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。 與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的 電壓即為其正向電壓降UF。 承受反向電壓時(shí)，只有少子 引起的微小而數(shù)值恒定的反向 漏電流。,圖2-5 電力二極管的伏安特性,19/89,2.2.2 電力二極管的基本特性,u,圖2-6 電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置,動(dòng)態(tài)特性 因?yàn)榻Y(jié)電容的存在，電壓電流特性是隨時(shí)間變化的，這就是電力二極管的動(dòng)態(tài)特性，并且往往專(zhuān)指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過(guò)程的開(kāi)關(guān)特性。 由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 電力二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)過(guò)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)。 在關(guān)斷之前有較大的反向電流出

11、現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖。 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： tf /td，或稱恢復(fù)系 數(shù)，用Sr表示。,t0:正向電流降為零的時(shí)刻,t1:反向電流達(dá)最大值的時(shí)刻,t2:電流變化率接近于零的時(shí)刻,20/89,2.2.2 電力二極管的基本特性,由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò) 一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降 的某個(gè)值（如2V）。 正向恢復(fù)時(shí)間tfr 出現(xiàn)電壓過(guò)沖的原因:電 導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量 少子需要一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存， 在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較 大；正向電流的上升會(huì)因器件 自身的電感

12、而產(chǎn)生較大壓降。 電流上升率越大，UFP越高。,圖2-6 電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置,21/89,2.2.3 電力二極管的主要參數(shù),正向平均電流IF(AV) 指電力二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，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(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。 IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。 正向壓降UF 指電力二極管在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。 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。 使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。

13、,22/89,2.2.3 電力二極管的主要參數(shù),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125175C范圍之內(nèi)。 反向恢復(fù)時(shí)間trr 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(guò)電流。,23/89,2.2.4 電力二極管的主要類(lèi)型,按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性 能，特別是反向恢復(fù)特性的不同，介紹幾種常用 的電力二極管。 普通二極管（General Purpose Diode） 又稱整流二極管（Rectifier Diode），多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下

14、）的整流電路中。 其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5s以上 。 其正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高。,24/89,2.2.4 電力二極管的主要類(lèi)型,快恢復(fù)二極管（Fast Recovery DiodeFRD） 恢復(fù)過(guò)程很短，特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短（一 般在5s以下） 。 快恢復(fù)外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED） ，采用外延型P-i-N結(jié)構(gòu) ，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）。 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2030ns。,

15、25/89,2.2.4 電力二極管的主要類(lèi)型,肖特基二極管（Schottky Barrier DiodeSBD） 屬于多子器件 優(yōu)點(diǎn)在于：反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns），正向恢 復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)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；因此， 其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率 高。 弱點(diǎn)在于：當(dāng)所能承受的反向耐壓提高時(shí)其正向壓降 也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場(chǎng) 合；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。,26/89,2.3 半控型器件晶閘管,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)

16、與工作原理 2.3.2 晶閘管的基本特性 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 2.3.4 晶閘管的派生器件,27/89,2.3 半控器件晶閘管引言,晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，又稱作可控硅整流器 （Silicon Controlled RectifierSCR），以前被簡(jiǎn)稱為可控硅。 1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Laboratories）發(fā)明了晶閘管，到 1957年美國(guó)通用電氣公司（General Electric）開(kāi)發(fā)出了世界上第一只 晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化。 由于其能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高 的，而且工作可靠，因此在大容量的應(yīng)用場(chǎng)

17、合仍然具有比較重要的地 位。,晶閘管及模塊,28/89,2.3.1 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) 。 引出陽(yáng)極A、陰極K和門(mén)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),29/89,2.3.1 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：,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V

18、1和V2的共基極漏電流。,30/89,2.3.1 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。 在晶體管阻斷狀態(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。 由于外電路負(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),31/89,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,除門(mén)極觸發(fā)外其他幾種可能導(dǎo)通的

19、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(mén)極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。,32/89,2.3.2 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(mén)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(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通 。 晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用，不論門(mén)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

20、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。,33/89,2.3.2 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(kāi)通 。 隨著門(mén)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(mén)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,34/89,2.3.2 晶閘管的基本特性,反向特性

21、 其伏安特性類(lèi)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 IG2IG1IG,35/89,2.3.2 晶閘管的基本特性,動(dòng)態(tài)特性 開(kāi)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 (0.51.5s) 上升時(shí)間tr (0.53s) 開(kāi)通時(shí)間tgt=td+tr 延遲時(shí)間隨門(mén)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

22、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(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形,36/89,2.3.2 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(mén)極電 流控制而導(dǎo)通。,圖2-10 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形,100%,37/89,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),電壓定額 斷態(tài)重復(fù)

23、峰值電壓UDRM 是在門(mén)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(jiàn)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(mén)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(jiàn)圖2-9）。 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。,38/89,2.3.3 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

24、 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23倍。 電流定額 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1.52倍（安全裕量）。,39/89,2.3.3 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。

25、 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24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。,40/89,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),動(dòng)態(tài)參數(shù) 開(kāi)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(mén)極開(kāi)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

26、造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。,41/89,2.3.4 晶閘管的派生器件,快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST） 有快速晶閘管和高頻晶閘管。 快速晶閘管的開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。,42/89,2.3.4 晶閘管的派生器件,雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectio

27、nal triode thyristor） 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。 門(mén)極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第和第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,43/89,2.3.4 晶閘管的派生器件,a),K,G,A,逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 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(kāi)通。 具有正向壓降小、

28、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,44/89,2.3.4 晶閘管的派生器件,A,G,K,a),AK,光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT） 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,45/89,課堂練習(xí)：某電路中，流過(guò)晶閘管的電流的有

29、效值為314A，可能承受的峰值電壓為150V,考慮安全裕量，則應(yīng)該選取額定值電流、額定電壓分別為多少的晶閘管？,46/89,2.4 典型全控型器件,2.4.1 門(mén)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,47/89,2.4 典型全控型器件引言,門(mén)極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。 20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。 典型代表門(mén)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MOSFET,IGBT單管及模塊,48/89,2.4.1 門(mén)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(mén)極

30、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，雖然外部同樣引出三個(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(mén) 極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。,圖2-14 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) 各單元的陰極、門(mén)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),49/89,2.4.1 門(mén)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

31、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。 導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門(mén)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(mén)極抽出較大電流。,50/89,2.4.1 門(mén)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(mén)極加負(fù)脈沖，即從門(mén)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+21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(kāi)通過(guò)程更快，承受di

32、/dt的能力增強(qiáng)。,51/89,2.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管,GTO的動(dòng)態(tài)特性 開(kāi)通過(guò)程與普通晶閘管類(lèi)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(mén)極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡， ts就越短。使門(mén)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2-15 GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形,52/89,2.4.1 門(mén)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(mén)極負(fù)脈沖

33、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(kāi)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12s，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。 不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類(lèi)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。,53/89,作業(yè),P42 2 、3 4、5,54/89,2.4.2 電力晶體管,電力晶體管（Giant TransistorGTR） 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

34、體管（Bipolar Junction TransistorBJT） 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(kāi)關(guān) 特性好。,55/89, 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2-16 GTR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

35、雜濃度,56/89,2.4.2 電力晶體管,圖2-16 c) 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),57/89,2.4.2 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(kāi)關(guān)狀態(tài)，即工

36、作在截止區(qū)或飽和區(qū)。 在開(kāi)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)。,圖2-17 共發(fā)射極接法時(shí) GTR的輸出特性,58/89,2.4.2 電力晶體管,動(dòng)態(tài)特性 開(kāi)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(kāi)通時(shí)間ton。 增大基極驅(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(kāi)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(kāi)關(guān)時(shí)間在幾

37、微秒以內(nèi)， 比晶閘管和GTO都短很多。,圖2-18 GTR的開(kāi)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。,59/89,2.4.2 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(kāi)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(kāi)路時(shí)集電極和基極間的反向擊穿電壓BUcbo 基極開(kāi)路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電

38、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。,60/89,2.4.2 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 1/21/3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)。 集電極最大耗散功率PcM 指在最高工作溫度下允許的耗散功率。 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)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。,61/89,2.4.2 電

39、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。 發(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。,圖2-19 GTR的安全工作區(qū),二次擊穿功率,安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA） 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

40、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。,62/89,作業(yè),思考：P42 6,63/89,2.4.3 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（Metal Oxide Semiconductor FET）,簡(jiǎn) 稱電力MOSFET（Power MOSFET）。 電力MOSFET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(kāi)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。,64/89,2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管,電力MO

41、SFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 電力MOSFET的種類(lèi) 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。,65/89,2.4.3 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?，?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（Vertical MOSFET），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

42、用 V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET （Vertical V-groove MOSFET）和具有 垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)VDMOSFET （Vertical Double-diffused MOSFET）。 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),66/89,2.4.3 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

43、推開(kāi)，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(kāi)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。,67/89,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),

44、是電壓控制型器件，其輸入阻 抗極高，輸入電流非常小。,68/89,2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管,輸出特性 是MOSFET的漏極伏安特性。 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)）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(kāi)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。 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。 (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。),圖2-21 電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 b) 輸出特性,69/89,動(dòng)態(tài)特性 開(kāi)

45、通過(guò)程 開(kāi)通延遲時(shí)間td(on) 電流上升時(shí)間tri 電壓下降時(shí)間tfv 開(kāi)通時(shí)間ton= td(on)+tri+ 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(kāi)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(kāi)關(guān)速度。,2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管,信號(hào),圖2-22 電力MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程 a)測(cè)試電路 b) 開(kāi)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

46、檢測(cè)漏極電流。,(a),(b),70/89,2.4.3 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(kāi)關(guān)時(shí)間在10100ns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(kāi)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(kāi)關(guān)頻率越高，所需 要的驅(qū)動(dòng)功率越大。,71/89,2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管,電力MOSFET的主要參數(shù) 跨導(dǎo)Gfs、開(kāi)啟電壓UT以及開(kāi)關(guān)過(guò)程中的各時(shí)間參數(shù)。 漏極電壓UDS 標(biāo)稱電力MOSFET電壓定額的參數(shù)。 漏極直流電流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

47、間的絕緣層很薄，UGS20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。 極間電容 CGS、CGD和CDS。 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)。,72/89,73/89,2.4.4 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(kāi)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(kāi)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-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）綜合了GTR 和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因

48、而具有良好的特性。,74/89,2.4.4 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 區(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2-23 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),RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。,7

49、5/89,2.4.4 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(kāi)通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。 導(dǎo)通：當(dāng)UGE為正且大于開(kāi)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。 關(guān)斷：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。,76/89,2.4.4 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

50、射電壓UGE之間的 關(guān)系。 開(kāi)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2-24 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性,77/89,2.4.4 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)UCE0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(kāi)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2-24 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 b) 輸出特性,78/89,2.4.4 絕

51、緣柵雙極晶體管,動(dòng)態(tài)特性 開(kāi)通過(guò)程 開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)速度要低于電力 MOSFET。,圖2-25 IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程,79/89,2.4.4 絕緣柵雙極晶體管,IGBT的主要參數(shù) 前面提到的各參數(shù)。 最大集射極間電壓UCES 由器件內(nèi)部的PNP晶體管所能承受的擊

52、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。,80/89,2.4.4 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(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)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(lèi) 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(kāi)關(guān)頻率高 的特點(diǎn)。,81/89,2.4.4 絕緣柵雙極晶

53、體管,IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū) IGBT的擎住效應(yīng)(或叫自鎖效應(yīng)） 在IGBT內(nèi)部寄生著一個(gè)N-PN+晶體管和作為主開(kāi) 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(kāi)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

54、據(jù)動(dòng)態(tài) 擎住效應(yīng)而確定的。,82/89,2.4.4 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)（Forward Biased Safe Operating AreaFBSOA） 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)（Reverse Biased Safe Operating AreaRBSOA） 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。,83/89,2.5 其他新型電力電子器件,2.5.1 MOS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(mén)極

55、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,84/89,2.5.1 MOS控制晶閘管MCT,MCT（MOS Controlled Thyristor）是將 MOSFET與晶閘管組合而成的復(fù)合型器件。 結(jié)合了兩者優(yōu)點(diǎn) MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率、快速的開(kāi)關(guān)過(guò)程 晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降的特點(diǎn)。 由數(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(kāi)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。,85/89,2.5.2 靜電感應(yīng)晶

56、體管SIT,是一種結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。 是一種多子導(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。 柵極不加任何信號(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。,86/89,2.5.3 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（Field Controlled ThyristorFCT），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

57、降低、 通流能力強(qiáng)。 其很多特性與GTO類(lèi)似，但開(kāi)關(guān)速度比GTO高 得多，是大容量的快速器件。 一般也是正常導(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。,87/89,2.5.4 集成門(mén)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(mén)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。 容量與普通GTO相當(dāng)，但開(kāi)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)。,88/89,2.5.5 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