1、第第1 1章章 電力電子器件電力電子器件 電子技術(shù)的基礎(chǔ)電子技術(shù)的基礎(chǔ) 電子器件：晶體管和集成電電子器件：晶體管和集成電路路 電力電子電路的基礎(chǔ)電力電子電路的基礎(chǔ) 電力電子器件電力電子器件 本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容： 概述電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類等問題。概述電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類等問題。 介紹常用電力電子器件的工作原理、基本特性、介紹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)注意問題。主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意問題。第第1 1章章 電力電子器件電力電子器件引言引言1.1 電力電子器件概述電力電子器件概述1 1概念概念: :電力電子器件電力電子器件Pow

2、er Electronic DevicePower Electronic Device） 可直接用于主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控可直接用于主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。制的電子器件。主電路主電路Main Power CircuitMain Power Circuit） 電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變電氣設(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。換或控制任務(wù)的電路。2 2分類分類: : 電真空器件電真空器件 ( (汞弧整流器、閘流管汞弧整流器、閘流管) ) 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 ( (采用的主要材料硅仍然采用的主要材料硅仍然1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力

3、電子器件的概念和特征電力電子器件電力電子器件能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于處理信息能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。的電子器件。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。電力電子器件往往需要由信息電子電路來控電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。制。電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。子器件，一般都要安裝散熱器。1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征3同處理信息的電子器件相比的一般特征：同處理信息的電子器件相比的一般特征： 通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。通

4、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)損耗可能成為器件功率損器件開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。耗的主要因素。主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗關(guān)斷損耗開通損耗1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征 電力電子器件的損耗電力電子器件的損耗電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路 和以電力電子器件為核心的主電路組成。和以電力電子器件為核心的主電路組成。圖1-1 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2保護(hù)電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力

5、電子器件和整個(gè)系統(tǒng)正常可靠運(yùn)行1.1.2 應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成電氣隔離控制電路半控型器件半控型器件Thyristor） 通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。控制其關(guān)斷。全控型器件全控型器件IGBT,MOSFET) 通過控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控通過控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)制其關(guān) 斷，又稱自關(guān)斷器件。斷，又稱自關(guān)斷器件。不可控器件不可控器件(Power Diode) 不能用控制信號(hào)來控制其通斷不能用控制信號(hào)來控制其通斷, 因此也因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。就不需要驅(qū)動(dòng)電路。1.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類

6、 按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：電流驅(qū)動(dòng)型電流驅(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)通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者通或者 關(guān)斷的控制。關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的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。電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。1.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類 按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)，分為兩按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：類：本章內(nèi)容本章內(nèi)容: :介紹各種器件的工作原理、基本特性、主要參介紹各種器件的工作原理、基本特性、主要參

7、數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。集中講述電力電子器件的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和串、并集中講述電力電子器件的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和串、并聯(lián)使用這三個(gè)問題。聯(lián)使用這三個(gè)問題。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。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)掌握電力電子器件的型號(hào)命名法，以及其參數(shù)和特性曲線的意義。和特性曲線的意義。1.1.4 本章學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)要點(diǎn)本章學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)要點(diǎn)1.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管 Power Diode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。快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，分別在

8、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。1.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管引言引言整流二極管及模塊 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。 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) 構(gòu)造 c) 電氣圖形符號(hào)1.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原結(jié)與電力二極管的工作原理理AKAKa)IKAPNJb)c)AK 狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷壕S持1V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單

9、向?qū)щ娦赃@一主要特征。 PN結(jié)的反向擊穿兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿均可能導(dǎo)致熱擊穿1.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原結(jié)與電力二極管的工作原理理 PN結(jié)的狀態(tài)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。電容影響PN結(jié)的工作頻率，尤其是高速的開關(guān)狀態(tài)。1.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原結(jié)與電力二極管的工作原理理 PN結(jié)的電容效應(yīng)：主要指其伏安特性主要指其伏安特性門檻電壓門檻電壓UTO，正向電流，正向電流IF開始明顯增加所對(duì)應(yīng)開始明顯增加所對(duì)應(yīng)的電壓。的電壓。與與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩對(duì)應(yīng)的電力二

10、極管兩端的電壓即為其正向電端的電壓即為其正向電壓降壓降UF 。承受反向電壓時(shí)，只有微承受反向電壓時(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏小而數(shù)值恒定的反向漏電流。電流。圖1-4 電力二極管的伏安特性1.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性IOIFUTOUFU2) 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 反映通態(tài)和斷態(tài)之間反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的開關(guān)特性轉(zhuǎn)換過程的開關(guān)特性1.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5 電力二極管的動(dòng)態(tài)過程波形 a) 正向偏置轉(zhuǎn)換

11、為反向偏置 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置延遲時(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。v正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過沖UFP，經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值如 2V）。v正向恢復(fù)時(shí)間tfr。v電流上升率越大，UFP越高 。UFPuiiFuFtfrt02V圖1-5(b)開通過程1.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 開通過程：開通過程： 關(guān)斷過程關(guān)斷過程須經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重新須經(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)瞰@得反向阻

12、斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。態(tài)。關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。并伴隨有明顯的反向電壓過沖。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5(b)關(guān)斷過程額定電流額定電流在指定的管殼溫度和散熱條件下，在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，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。并應(yīng)留有一定的裕量。1.

13、2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)1) 正向平均電流正向平均電流IF(AV)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。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。3 3） 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRMURRM對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。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。使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。 4 4反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr trr= td+ tf trr= td+ tf1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)2正向壓降正向壓降UF結(jié)溫是指管芯結(jié)溫是指管芯P

14、N結(jié)的平均溫度，用結(jié)的平均溫度，用TJ表示。表示。TJM是指在是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在通常在125175C范圍之內(nèi)。范圍之內(nèi)。6) 浪涌電流浪涌電流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。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。 1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)5最高工作結(jié)溫最高工作結(jié)溫TJM1) 普通二極管普通二極管General Purpose Diode）又稱整流二極管又稱整流二極管Rectifier Diode）多用于開關(guān)頻率不高多用于開關(guān)頻

15、率不高1kHz以下的整流電路以下的整流電路其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型簡(jiǎn)稱快速二極管快恢復(fù)外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短可低于50ns）， UF也很低0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下。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trr為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns2) 快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管 （Fast Recovery DiodeFRD）肖

16、特基二極管的弱點(diǎn)反向耐壓提高時(shí)正向壓降會(huì)提高，多用于200V以下。反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴(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1040ns）。正向恢復(fù)過程中也不會(huì)有明顯的電壓過沖。反向耐壓較低時(shí)其正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管。效率高，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型3. 肖特基二極管肖特基二極管 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)壘二極管管稱為肖特基勢(shì)壘二極管Schottky Barrier Diode SBD）。）。1.3 半控器件半控器件晶閘管晶

17、閘管1.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管引言引言1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管。1957年美國(guó)通用電氣公司開發(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。 晶閘管晶閘管ThyristorThyristor）：晶體閘流管，可控硅整）：晶體閘流管，可控硅整流器流器Silicon Controlled RectifierSCRSilicon Controlled RectifierSCR）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

18、) 構(gòu)造 c) 電氣圖形符號(hào)1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝。有三個(gè)聯(lián)接端。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。平板型晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。AAGGKKb )c )a )AGKKGAP1N1P2N2J1J2J31.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理式中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。由以上式可得 ：圖1-7

19、 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 按晶體管的工作原理 ，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（1-5）1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 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。 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。 開通狀態(tài)：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，將趨近于無窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外

20、電路決定。1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 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Light Triggered ThyristorLTT）。 只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。 其他幾種可能導(dǎo)通的情況：其他幾種可能導(dǎo)通的情況：1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性承受反向電壓時(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

21、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 。晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性（1正向特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過正向轉(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。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1 1） 靜態(tài)特性靜態(tài)特性圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 反

22、向特性類似二極管的反向特性。 反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過。 當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2反向特性反向特性1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性1) 開通過程延遲時(shí)間td (0.51.5s)上升時(shí)間tr (0.53s)開通時(shí)間tgt以上兩者之和， tgt=td+ tr （1-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 關(guān)斷過程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tg

23、r關(guān)斷時(shí)間tq以上兩者之和tq=trr+tgr （1-7)普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒2） 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性圖1-9 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門極斷路而結(jié)溫為額在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。正向峰值電壓。 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。向峰值電壓。 通態(tài)峰值電壓通態(tài)峰值電壓UT 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)晶閘管通以某一規(guī)定倍

24、數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。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23倍。使用注意：使用注意：1電壓定額電壓定額1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AVIT(AV）在環(huán)境溫度為在環(huán)境溫度為4040C C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫和規(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)。平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。使

25、用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取晶閘管。使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取晶閘管。維持電流維持電流 IH IH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。擎住電流擎住電流 IL IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后， 能維持能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來說，通常導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來說，通常ILIL約為約為IHIH的的2424倍。倍。浪涌電流浪涌電流ITSMITSM指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流不重復(fù)性最大正向過載電流

26、 。2 2電流定額電流定額1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 除開通時(shí)間除開通時(shí)間tgttgt和關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間tqtq外，還有：外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt du/dt 指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通閘管從斷態(tài)到通 態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。 電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通閘管誤導(dǎo)通 。 通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dtdi/dt 指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響指在規(guī)定條件

27、下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。的最大通態(tài)電流上升率。 如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。管損壞。3 3動(dòng)態(tài)參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù)1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件有快速晶閘管和高頻晶閘管。有快速晶閘管和高頻晶閘管。開關(guān)時(shí)間以及開關(guān)時(shí)間以及du/dt和和di/dt耐量都有明顯改善。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。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。高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易

28、做高。由于工作頻率較高，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。由于工作頻率較高，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。1 1快速晶閘管快速晶閘管Fast Switching Thyristor Fast Switching Thyristor FST)FST)1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件2 2雙向晶閘管雙向晶閘管Triode AC SwitchTRIACTriode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristorBidirectional triode thyristor）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

29、特性a)b)IOUIG=0GT1T2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。在第和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管Reverse Conducting ThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG=0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)。1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件光控晶閘管光控晶

30、閘管Light Triggered ThyristorLTT）AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA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。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。1.4 典型全控型器件典型全控型器件1.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代。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。1.4 典型全控型器件

31、典型全控型器件引言引言常用的典型全控型器件常用的典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 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。 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管Gate-Turn-Off Thyristor GTO）1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管構(gòu)造：構(gòu)造：與普通晶閘管的相同點(diǎn)：與普通晶閘管的相同點(diǎn)： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同

32、點(diǎn)：和普通晶閘管的不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集是一種多元的功率集成器件。成器件。圖1-13 GTO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)1GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 工作原理：工作原理： 與普通晶閘管一樣，可以用圖與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來所示的雙晶體管模型來分析。分析。 RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 1+1+ 2=1

33、2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。是器件臨界導(dǎo)通的條件。 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 。1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 GTO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： 設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控 制靈敏，易于GTO。 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。 RN P NP N PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b )圖1-7 晶閘管的工作原理1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管GTO導(dǎo)通過程與

34、普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。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) 。 由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管開通過程：與普通晶閘管開通過程：與普通晶閘管相同相同關(guān)斷過程：與普通晶閘管關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同有所不同儲(chǔ)存時(shí)間儲(chǔ)存時(shí)間ts，使等效晶體，使等效晶體管退出飽和。管退出飽和。下降時(shí)間下降時(shí)間tf 尾部時(shí)間尾部時(shí)間tt 殘存載流子殘存載流子復(fù)合。復(fù)合。通常通常tf比比ts小得多，而小得多，而tt比比ts要長(zhǎng)。要長(zhǎng)。門極負(fù)脈沖電流幅值越大，門極負(fù)脈沖電流幅值

35、越大，ts越短。越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 圖1-14 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形 GTO的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) 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)陽極電流的增大而增大。 一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。下降時(shí)間一般小于2s。（2） 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff（1開通時(shí)間開通時(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) 。 許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，以下只介

36、紹意義不同的參數(shù)。1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管（3最大可關(guān)斷陽極電流最大可關(guān)斷陽極電流IATO（4） 電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益off off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。 最大可關(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）GMATOoffII1.4.2 電力晶體管電力晶體管電力晶體管電力晶體管Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管）直譯為巨型晶體管） 。耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管Bipolar Junct

37、ion TransistorBJT），），英文有時(shí)候也稱為英文有時(shí)候也稱為Power BJT。 應(yīng)用應(yīng)用20世紀(jì)世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和和電力電力MOSFET取代。取代。 術(shù)語用法：術(shù)語用法：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 。1.4.2 電力晶體管電力晶體管1GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-15 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)

38、 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)1.4.2 電力晶體管電力晶體管 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） 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。bcii空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib1GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理1.4.2 電力晶體管電力晶體管 (1) 靜態(tài)特性

39、靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)、放大出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。區(qū)和飽和區(qū)。在電力電子電路中在電力電子電路中GTR工工作在開關(guān)狀態(tài)。作在開關(guān)狀態(tài)。在開關(guān)過程中，即在截止在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時(shí)，區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時(shí)，要經(jīng)過放大區(qū)。要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。實(shí)際使用時(shí)，最高工作電壓要比實(shí)際使用時(shí)，最高工作電壓要比BUceo低得多。低得多。3GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù)1.4.2 電力晶體管電力晶體管通常規(guī)定為直流電流放大系數(shù)通常規(guī)定為直流電流放大系數(shù)

40、hFE下降到規(guī)定值的下降到規(guī)定值的1/21/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(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)。的一半或稍多一點(diǎn)。 3) 集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率。最高工作溫度下允許的耗散功率。產(chǎn)品說明書中給產(chǎn)品說明書中給PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫時(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度，間接表示了最高工作溫度 。 2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流IcM1.4.2 電力晶體管電力晶體管一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大。迅速增大。只要只要Ic不

41、超過限度，不超過限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。變。 二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時(shí)，二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時(shí)，Ic突然急劇上升，電壓突突然急劇上升，電壓突然下降。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常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變變 。 安全工作區(qū)安全工作區(qū)Safe Operating AreaSOA） 最高電壓最高電壓UceM、集電極最、集電極最大電流大電流IcM、最大耗散功率、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。、二次擊穿臨界線限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖1-18 GTR的安全工作區(qū) GTR的二次

42、擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)1.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 分為結(jié)型和絕緣柵型 通常主要指絕緣柵型中的MOS型Metal Oxide Semiconductor FET） 簡(jiǎn)稱電力MOSFETPower MOSFET） 結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管Static Induction TransistorSIT） 特點(diǎn)用柵極電壓來控制漏極電流 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 。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電

43、力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力電力MOSFET的種類的種類 按導(dǎo)電溝道可分為按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和溝道和N溝道。溝道。 耗盡型耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。間就存在導(dǎo)電溝道。 增強(qiáng)型增強(qiáng)型對(duì)于對(duì)于NP溝道器件，柵極溝道器件，柵極電壓大于小于零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道。電壓大于小于零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道。 電力電力MOSFET主要是主要是N溝道增強(qiáng)型。溝道增強(qiáng)型。1電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理1.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是單極型晶體管。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。采用多元集成結(jié)構(gòu)，不

44、同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計(jì)。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖1-19 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)1.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFETVertical MOSFET）。 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和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFETVertical Double-diffused MOSFET）。 這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論。電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)1.4.3 電力場(chǎng)效

45、應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS當(dāng)UGS大于UT時(shí)，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，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 。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖1-19 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)電力電力MOSFET的工作原理的工作原理1.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性漏極電流漏極電流ID和柵源間電壓和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性

46、。的轉(zhuǎn)移特性。ID較大時(shí)，較大時(shí)，ID與與UGS的關(guān)的關(guān)系近似線性，曲線的斜率系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)定義為跨導(dǎo)Gfs。010203050402468a)10203050400b)10 20 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖1-20 電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性2電力電力MOSFET的基本特性的基本特性1.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管截止區(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)GTR的飽和區(qū)）

47、工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。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1-20電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性MOSFET的漏極伏安特性：的漏極伏安特性：010203050402468a)10203050400b)10 20 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A1.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管開通過程開通過程開通延遲時(shí)間開通延遲時(shí)間td(on) 上升時(shí)

48、間上升時(shí)間tr開通時(shí)間開通時(shí)間ton開通延開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之遲時(shí)間與上升時(shí)間之和和關(guān)斷過程關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)下降時(shí)間下降時(shí)間tf關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff關(guān)斷延關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之遲時(shí)間和下降時(shí)間之和和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號(hào)+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf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(2) 動(dòng)態(tài)特性1.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 MOSFET的開關(guān)速度和的開

49、關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系。充放電有很大關(guān)系。 可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度。減小時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度。 不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，關(guān)斷過程非常迅速。不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，關(guān)斷過程非常迅速。 開關(guān)時(shí)間在開關(guān)時(shí)間在10100ns之間，工作頻率可達(dá)之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，以上，是主要電力電子器件中最高的。是主要電力電子器件中最高的。 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。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。開關(guān)頻

50、率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。MOSFET的開關(guān)速度的開關(guān)速度1.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管3) 電力電力MOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù) 電力MOSFET電壓定額(1) 漏極電壓漏極電壓UDS (2) 漏極直流電流漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值和漏極脈沖電流幅值IDM電力MOSFET電流定額(3) 柵源電壓柵源電壓UGS UGS20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 。 除跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有： (4) 極間電容極間電容極間電容CGS、CGD和CDS1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-M

51、OS器件絕緣柵雙極晶體管Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。1986年投入市場(chǎng)，是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。 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。1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管1) IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極三端器件：柵極G、集電極

52、、集電極C和發(fā)射極和發(fā)射極EEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā) 射 極 柵 極集 電 極注 入 區(qū)緩 沖 區(qū)漂 移 區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)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)1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 圖1-22aN溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT。 IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強(qiáng)的通流能力。 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

53、。 RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā) 射 極柵 極集 電 極注 入 區(qū)緩 沖 區(qū)漂 移 區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)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) IGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 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。導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓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。通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小

54、，使通態(tài)壓降減小。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。 IGBT的原理的原理a)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管2) IGBT的基本特性的基本特性 (1) IGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性圖1-23 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IC與與UGE間的關(guān)系間的關(guān)系(開啟開啟電壓電壓UGE(th)輸出特性輸出特性分為三個(gè)區(qū)域：正分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)向阻斷區(qū)、有源區(qū)和

55、飽和區(qū)。和飽和區(qū)。1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖1-24 IGBT的開關(guān)過程 IGBT的開通過程的開通過程 與與MOSFET的相似的相似 開通延遲時(shí)間開通延遲時(shí)間td(on) 電流上升時(shí)間電流上升時(shí)間tr 開通時(shí)間開通時(shí)間ton uCE的下降過程分為的下降過程分為tfv1和和tfv2兩段。兩段。 t f v 1 I G B T 中中MOSFET單獨(dú)工作的電單獨(dú)工作的電壓下降過程；壓下降

56、過程； tfv2MOSFET和和PNP晶體管同時(shí)工作的晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程。電壓下降過程。 (2) IGBT的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管圖1-24 IGBT的開關(guān)過程v關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(off）v電流下降時(shí)間電流下降時(shí)間v 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toffv電流下降時(shí)間又可分為電流下降時(shí)間又可分為tfi1和和tfi2兩段。兩段。vtfi1IGBT器件內(nèi)部器件內(nèi)部的的MOSFET的關(guān)斷過程，的關(guān)斷過程，iC下降較快。下降較快。vtfi2IGBT內(nèi)部的內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢。下降較慢。 IGBT的關(guān)斷過程的關(guān)斷過

57、程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管3) IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)正常工作溫度下允許的最大功耗 。(3) 最大集電極功耗最大集電極功耗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) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如

58、下：的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：v 開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。 v 相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR大，且 具有耐脈沖電流沖擊能力。v 通態(tài)壓降比VDMOSFET低。v 輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。v 與MOSFET和GTR相比，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) 。 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)： IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件 。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確定。 反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)RBSOA）最大集電

59、極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。 正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)FBSOA） 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小。 擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高，20世紀(jì)90年代中后期開始逐漸解決。NPN晶體管基極與發(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)施加正偏壓，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。1.5 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件1.5.1 MOS控制晶閘管控制晶閘管MCT MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)： 承受極高di/dt和du/dt，快速的開關(guān)過程，開關(guān)損耗小。 高電壓，大電流、高載流密度，低

60、導(dǎo)通壓降。 一個(gè)MCT器件由數(shù)以萬計(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)問題沒有大的突破，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。 MCTMOS Controlled Thyristor）MOSFET與晶閘管的復(fù)合與晶閘管的復(fù)合1.5.2 靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶體管SIT多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場(chǎng)合。在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。缺點(diǎn)：柵極不加信號(hào)時(shí)導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時(shí)