1、楊淑英合肥工業大學電氣與自動化工程學院安徽省高等學校精品課程電 力 電 子 技 術Power Electronic Technology上次課主要內容回顧上次課主要內容回顧上次課主要內容回顧上次課主要內容回顧P1AGKN1P2P2N1N2J2J1J3上次課主要內容回顧上次課主要內容回顧晶閘管工作特性：晶閘管工作特性：承受反向電壓時，不論門極是否有觸發電流，晶閘管都不會導通承受反向電壓時，不論門極是否有觸發電流，晶閘管都不會導通承受正向電壓時，僅在門極有觸發電流的情況下晶閘管才能開通承受正向電壓時，僅在門極有觸發電流的情況下晶閘管才能開通晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極觸發電流是否還

2、晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極觸發電流是否還存在，晶閘管都將保持導通存在，晶閘管都將保持導通要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以下，即維持電流以下。下，即維持電流以下。 上次課主要內容回顧上次課主要內容回顧上次課主要內容回顧上次課主要內容回顧上次課主要內容回顧上次課主要內容回顧晶閘管的分類：1、快速晶閘管FST上次課主要內容回顧上次課主要內容回顧2、雙向晶閘管TRIAC3、逆導晶閘管RCT4、光控晶閘管LTT光控晶閘管光控晶閘管Light Triggered ThyristorLight Trigge

3、red ThyristorLTTLTT）1.3.4 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件光強度強弱b)AGKa)OUAKIA圖1-12 光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性1又稱之為光觸發晶閘管，利用一定波長的光照信號觸發導通的晶閘管2大功率LTT裝有光纜，光纜上裝有發光二極管或半導體激光器3提供了電氣隔離，避免電磁干擾的影響4多用于高壓大功率場合1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件 門極可關斷晶閘管GTO） 電力晶體管GTR） 電力場效應晶體管PMOSFET） 絕緣柵雙極晶體管IGBT）1.4.1 1

4、.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管Gate-Turn-Off Thyristor (GTO)Gate-Turn-Off Thyristor (GTO)1.4.1 1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管GTOGTO） GTO的結構和工作原理 GTO的動態特性 GTO的主要參數門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管Gate-Turn-Off Thyristor Gate-Turn-Off Thyristor GTOGTO）晶閘管的一種派生器件，在晶閘管問世后不久出現晶閘管的一種派生器件，在晶閘管問世后不久出現可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷GTO

5、GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管GTO）構造：構造：與普通晶閘管的相同點：與普通晶閘管的相同點： PNPNPNPN四層半導體結構，外四層半導體結構，外部引出陽極、陰極和門極部引出陽極、陰極和門極和普通晶閘管的不同：和普通晶閘管的不同：GTOGTO是一種多元的功率集成器是一種多元的功率集成器件，內部包含數十個甚至件，內部包含數十個甚至數百個共陽極的小數百個共陽極的小GTOGTO元，元，這些這些GTOGTO元的陰極和門

6、極則元的陰極和門極則在器件內部并聯在一起在器件內部并聯在一起1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管GTO）結構和工作原理結構和工作原理c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKN1P1 P2AKGN2N2N2工作原理：工作原理：與普通晶閘管一樣：與普通晶閘管一樣：1 1可以用下圖所示的雙晶體管模型來分析可以用下圖所示的雙晶體管模型來分析2 2 ）1 +1 +2 = 12 = 1 是 器 件 臨 界 導 通 的 條 件 。 當是 器 件 臨 界 導 通 的 條 件 。 當1+1+2121時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導通；當通；當1+1

7、+2121時，不能維持飽和導通而關斷時，不能維持飽和導通而關斷RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管GTO）結構和工作原理結構和工作原理 GTOGTO能夠通過門極關斷的原因是其能夠通過門極關斷的原因是其與普通晶閘管有如下區別：與普通晶閘管有如下區別： 1 1設計設計2 2較大，使晶體管較大，使晶體管V2V2控制控制靈敏，易于靈敏，易于GTOGTO關斷關斷 2 2 導 通 時 導 通 時1 +1 +2 2 更 接 近更 接 近 1 1（1 . 0 51 . 0 5 ， 普 通 晶 閘 管，

8、普 通 晶 閘 管1+1+2 21.151.15導通時飽和不深，導通時飽和不深，接近臨界飽和，有利門極控制關斷，接近臨界飽和，有利門極控制關斷，但導通時管壓降增大但導通時管壓降增大 3 3多元集成結構使多元集成結構使GTOGTO元陰極面積元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使很小，門、陰極間距大為縮短，使得得P2P2基區橫向電阻很小，能從門極基區橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流抽出較大電流c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管GTO）結構和工作原理結構和工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P

9、1AGKN1P2P2N1N2a)b) 導通過程導通過程: :與普通晶閘管一樣，只是導與普通晶閘管一樣，只是導通時飽和程度較淺通時飽和程度較淺 關斷過程：關斷過程： 強烈正反饋強烈正反饋門極加負脈沖即從門極抽門極加負脈沖即從門極抽出電流，則出電流，則Ib2Ib2減小，使減小，使IKIK和和Ic2Ic2減小，減小，Ic2Ic2的減小又使的減小又使IAIA和和Ic1Ic1減小，又進一步減小，又進一步減小減小V2V2的基極電流的基極電流 當當IAIA和和IKIK的減小使的減小使1+1+212 BUcex BUces BUcer BUceo 實際使用時，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多1.4

10、.2 電力晶體管電力晶體管Giant Transistor）GTR主要參數主要參數2)2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流IcMIcM通常規定為通常規定為hFEhFE下降到規定值的下降到規定值的1/2-1/31/2-1/3時所對應的時所對應的IcIc實際使用時要留有裕量，只能用到實際使用時要留有裕量，只能用到IcMIcM的一半或稍的一半或稍多一點多一點3) 3) 集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率PcMPcM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品說明書中給產品說明書中給PcMPcM時同時給出殼溫時同時給出殼溫TCTC，間接表示，間接表示了最高工作溫度了最高工作溫度

11、 1.4.2 電力晶體管電力晶體管Giant Transistor）GTR主要參數主要參數一次擊穿一次擊穿電壓承受能力是電力電子器件的重要工作特電壓承受能力是電力電子器件的重要工作特性之一。性之一。GTRGTR在其開關應用中的電壓承受能在其開關應用中的電壓承受能力主要由它的集電結擊穿特性決定的。力主要由它的集電結擊穿特性決定的。1.4.2 電力晶體管電力晶體管Giant Transistor）GTR二次擊穿現象二次擊穿現象集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，出現雪崩擊穿只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變1.4.2 電力晶體管電力晶體管Giant Transistor）

12、GTR二次擊穿現象二次擊穿現象二次擊穿二次擊穿一次擊穿發生時一次擊穿發生時IcIc增大到某個臨增大到某個臨界點時會突然急劇上升，并伴隨界點時會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降電壓的陡然下降常常立即導致器件的永久損壞，常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，再經數或者工作特性明顯衰變，再經數次類似過程之后必永久損壞。次類似過程之后必永久損壞。 實際應用中，二次擊穿并不總是實際應用中，二次擊穿并不總是發生在一次擊穿之后。發生在一次擊穿之后。安全工作區安全工作區Safe Operating AreaSOASafe Operating AreaSOA）最高電壓最高電壓UceMUceM、集電

13、極最大電流、集電極最大電流IcMIcM、最大耗、最大耗散功率散功率PcMPcM、二次擊穿臨界線限定、二次擊穿臨界線限定1.4.2 電力晶體管電力晶體管Giant Transistor）GTR安全工作區安全工作區SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 （Power Field Effect Transistor）1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管Power Field Effect Transistor） 電力MOSFET的結構和工作原理 電力MOSFET的基本特性 電力MOSFET的主要參數1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管

14、Power Field Effect Transistor） 場效應晶體管：有電壓信號控制電流的半導體器件。 場效應晶體管分為結型和絕緣柵型 結型：利用PN結的反向電壓對耗盡層厚度的控制來改變漏、源極之間導電溝道的寬度，從而控制漏、源極之間的等效電阻和電流的大小。1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管Power Field Effect Transistor） 場效應晶體管：有電壓信號控制電流的半導體器件。 場效應晶體管分為結型和絕緣柵型 絕緣柵型：利用柵極、源極之間電壓形成電場來改變半導體表面感生電荷的多少，改變導電溝道的導電能力，控制漏、源極之間的等效電阻和電流SiO2絕緣層 電力場

15、效應管也分為結型和絕緣柵型類似小功率Field Effect TransistorFET） 但通常主要指絕緣柵型中的MOS型Metal Oxide Semiconductor FET） 簡稱 電力MOSFETPower MOSFET） 結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管Static Induction TransistorSIT）1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管Power Field Effect Transistor）1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管Power Field Effect Transistor）1、結構和工作原理、結構和工作原理 電力電力MOSF

16、ETMOSFET的種類的種類 按導電溝道可分為按導電溝道可分為 P P溝道溝道 和和N N溝道溝道 耗盡型耗盡型當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道 增強型增強型對于對于N NP P溝道器件，柵極電壓大于小于零溝道器件，柵極電壓大于小于零時才存在導電溝道時才存在導電溝道 電力電力MOSFETMOSFET主要是主要是N N溝道增強型溝道增強型1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管結構和工作原理結構和工作原理電子載流子具有更高的遷移率，利于提高電流密度1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管結構和工作原理結構和工作原理1.4.3 電力場效應晶體

17、管電力場效應晶體管結構和工作原理結構和工作原理 電力電力MOSFETMOSFET的結構的結構 非電力MOS管，即小功率MOS管采用的是平面水平溝道作用，電流方向與芯片表面平行。 電力MOSFET具有垂直于芯片表面的導電路徑，也稱VMOS。其源極和漏極分置于芯片兩個表面，具有較高的通流能力和耐壓能力。1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管結構和工作原理結構和工作原理 按垂直導電結構的差異，電力MOSFET又分為：利用V型槽實現垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散結構的VDMOSFETVertical Double-diffused MOSFET）電場集中 由于電力MOS是多元集成

18、結構，可按器件單元的平面布局特征取名。如 International Rectifier的HEXFET采用正六邊形結構 Siemens的SIPMOSFET采用了正方形結構 Motorola的TMOS采用矩形單元的“品字形排列 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管結構和工作原理結構和工作原理1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管結構和工作原理結構和工作原理電力電力MOSFETMOSFET的結構的結構1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管結構和工作原理結構和工作原理電力電力MOSFETMOSFET的結構的結構 截止：漏源極間加正電源，截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零柵源

19、極間電壓為零 P基區與基區與N區之間形成的區之間形成的PN結反偏，漏源極之間無電結反偏，漏源極之間無電流流過流流過1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管結構和工作原理結構和工作原理電力電力MOSFETMOSFET的結構的結構 導電：在柵源極間加正電壓導電：在柵源極間加正電壓UGS 柵極是絕緣的，所以不會有柵柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面會將其下面P區中的空穴推開，區中的空穴推開，而將而將P區中的少子區中的少子電子吸引電子吸引到柵極下面的到柵極下面的P區表面區表面1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管結構和工作原理結構和工作原

20、理電力電力MOSFETMOSFET的結構的結構 導電：在柵源極間加正電壓導電：在柵源極間加正電壓UGS 當當UGS大于大于UT開啟電壓或閾開啟電壓或閾值電壓時，柵極下值電壓時，柵極下P區表面的區表面的電子濃度將超過空穴濃度，使電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導體反型成型半導體反型成N型而成為反型而成為反型層，該反型層形成型層，該反型層形成N溝道而溝道而使使PN結消失，漏極和源極導電結消失，漏極和源極導電1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管結構和工作原理結構和工作原理電力電力MOSFETMOSFET的結構的結構MOSFET是電壓控制型器件場控器件），其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。驅動電

21、路簡單，需要的驅動功率小導通時只有一種極性的載流子多子參與導電，是單極型器件；1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管結構和工作原理結構和工作原理1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管2 電力電力MOSFET的基本特性的基本特性1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管1) 1) 靜態特性靜態特性 可以用轉移特性和輸出特性表述可以用轉移特性和輸出特性表述01020305040圖1-202468a)10203050400b)1020305040飽和區非飽和區截止區ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖1

22、-20 電力MOSFET的轉移特性和輸出特性 a) 轉移特性 b) 輸出特性1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管PMOSFET基本特性基本特性 漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉移特性，表征MOSFET的放大能力。 曲線的斜率定義為 跨導Gfs ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，在一定范圍內UGS越高，通態時MOSFET的等效電阻越小，管壓降UDS也小些，為保證通態時漏-源極之間的等效電阻、管壓降盡可能小， UGS通常設計為大于10V。1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管PMOSFET基本特性基本特性 MOSFETMOSFET漏極伏安特性輸出特性）：

23、漏極伏安特性輸出特性）： 指在一定的指在一定的UGSUGS時，漏極電流時，漏極電流IDID與漏與漏- -源電壓源電壓UDSUDS之間的關系曲線。之間的關系曲線。 當UGSUT時，器件處于截止狀態。 當外加UDS超過擊穿折轉電壓UBR時，器件被擊穿，使ID急劇增大。應避免該情況。1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管PMOSFET基本特性基本特性GTR的截止區GTR的放大區GTR的飽和區1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管PMOSFET基本特性基本特性寄生二極管只有反向電壓達到一定值后反向二極管才會導通1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管PMOSFET基本特性基本特性電力M

24、OSFET的通態電阻具有正溫度系數，對器件并聯時的均流有利正溫度系數：發熱越大，通態電阻就加大，從而限制電流的加大，有利于均流。正溫度系數的原因：在于其單極性，即其導電靠多數載流子的遷移，溫度越高載流子的遷移率越低，電阻越高。正溫度系數消除了器件熱點二次擊穿現象2) 動態特性圖1-21 電力MOSFET的開關過程a) 測試電路 b) 開關過程波形up脈沖信號源，Rs信號源內阻，RG柵極電阻，RL負載電阻，RF檢測漏極電流1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管PMOSFET基本特性基本特性 開通過程開通過程 開通延遲時間開通延遲時間td(on) td(on) ：從從upup前沿到前沿到UG

25、S=UTUGS=UT并開并開始出現始出現iDiD 原因：柵極電容充電所原因：柵極電容充電所致致 影響因素：輸入電容、影響因素：輸入電容、信號源內阻信號源內阻 上升時間上升時間trtr：UGSUGS從開從開啟電壓上升到啟電壓上升到MOSMOS管進管進入非飽和區時對應的電入非飽和區時對應的電壓壓uGSPuGSP 開通時間開通時間ton=+td+ trton=+td+ tr1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管PMOSFET基本特性基本特性iD穩態值由漏極電源電壓穩態值由漏極電源電壓UE和漏和漏極負載電阻極負載電阻RL決定決定uGS達到達到uGSP后，在后，在up作用下繼續作用下繼續升高直至達

26、到穩態，但升高直至達到穩態，但iD已不變已不變關斷過程關斷過程關斷延遲時間關斷延遲時間td(off) td(off) ：upup下降到零起，下降到零起，CinCin通過通過RsRs和和RGRG放電，放電，uGSuGS按指數按指數曲線下降到曲線下降到UGSPUGSP時，時，iDiD開開始減小止的時間段始減小止的時間段原因：柵極輸入電容通過原因：柵極輸入電容通過輸入電阻放電。輸入電阻放電。1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管PMOSFET基本特性基本特性下降時間下降時間tf uGS從從UGSP繼續下降起，繼續下降起，iD減小，到減小，到uGS20V20V將導將導致絕緣層擊穿致絕緣層擊穿4)

27、4) 極間電容極間電容 極間電容極間電容CGSCGS、CGDCGD和和CDSCDS1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管PMOSFET主要參數主要參數 廠家提供：漏源極短路時的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉移電容Crss Ciss= CGS+ CGD Crss= CGD Coss= CDS+ CGD 輸入電容可近似用Ciss代替 這些電容都是非線性的1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管PMOSFET主要參數主要參數 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 一般來說，電力MOSFET不存在二次擊穿問題，這是它的一大優點1.4

28、.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管PMOSFET主要參數主要參數 特點用柵極電壓來控制漏極電流 驅動電路簡單，需要的驅動功率小 開關速度快，開關時間短，一般為納秒級，工作頻率高 熱穩定性優于GTR熱電反饋二次擊穿） 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 電力場效應晶體管電力場效應晶體管Power Field Effect Transitor）1 IGBT1 IGBT的結構和工作原理的結構和工作原理2 IGBT2 IGBT的基本特性的基本特性3 IGBT3 IGBT的主要參數的主要參數4 IGBT4 IGBT的擎住效應和安全工作區的擎住效應和安全工作區

29、1.4.4 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 GTRGTR和和GTOGTO的特點的特點雙極型，電流驅動，有電導調制效應，雙極型，電流驅動，有電導調制效應，通流能力很強，開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路通流能力很強，開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。復雜。 MOSFETMOSFET的優點的優點單極型，電壓驅動，開關速度快，輸入阻單極型，電壓驅動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單。但抗高，熱穩定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單。但是導通壓降大。是導通壓降大。 兩類器件取長補短結合而成的復合器件兩類器件取長補短結合而成的復合器件Bi-

30、MOSBi-MOS器件器件1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 根據開關狀態的控制方式的不同，有不同類型的Bi-MOS器件。 比如有將單、雙極器件按達林頓方式結合在一起的利用MOS器件的漏極電流控制雙極器件開關狀態的電流型控制方式器件集成），也有直接利用MOS柵控制雙極器件導電溝道的電壓型控制方式。 電壓控制型：只能控制開通的MOS柵晶體管MGT），能控制通斷的絕緣柵晶體管IGBT，以及由IGBT引出的一些新型器件如MOS控制的晶閘管MCT）。 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 絕 緣 柵 雙 極 晶 體 管 絕 緣 柵 雙 極 晶 體 管 I n s u l a t e

31、d - g a t e B i p o l a r I n s u l a t e d - g a t e B i p o l a r TransistorIGBTTransistorIGBT或或IGTIGT） GTRGTR和和MOSFETMOSFET復合，結合二者的優點，具有好的特性。復合，結合二者的優點，具有好的特性。 19861986年投入市場后，取代了年投入市場后，取代了GTRGTR和一部分和一部分MOSFETMOSFET的市場，中的市場，中小功率電力電子設備的主導器件。小功率電力電子設備的主導器件。繼續提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極

32、晶體管IGBT的結構和工作原理1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管結構和工作原理結構和工作原理IGBTIGBT的結構的結構N N溝道溝道VDMOSFETVDMOSFET與與GTRGTR組合組合N N溝道溝道IGBTIGBTN-IGBTN-IGBT）P P溝道溝道VDMOSFETVDMOSFET與與GTRGTR組合組合P P溝道溝道IGBTIGBTP-IGBTP-IGBT）IGBTIGBT比比VDMOSFETVDMOSFET多一層多一層P+P+注入注入區，形成了一個大面積的區，形成了一個大面積的P+NP+N結結J1J1，使得，使得IGBTIGB

33、T具有很強的通流能具有很強的通流能力力1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管結構和工作原理結構和工作原理 IGBTIGBT的原理的原理 驅動原理與電力驅動原理與電力MOSFETMOSFET基本相同，通斷由柵射極基本相同，通斷由柵射極電壓電壓uGEuGE決定決定 導通：導通：uGEuGE大于開啟電壓大于開啟電壓UGE(th)UGE(th)時，時，MOSFETMOSFET內形成內形成溝道，為晶體管提供基極溝道，為晶體管提供基極電流，電流，IGBTIGBT導通導通, ,導通后的導通后的N N飄逸區電導調制效應，減飄逸區電導調制效應，減小了電阻小了電阻RNRN，使得高耐壓，使得高耐壓IGBTIG

34、BT的通態壓降也較低。的通態壓降也較低。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發射極柵極集電極注入區緩沖區漂移區J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管結構和工作原理結構和工作原理 IGBTIGBT的原理的原理 驅 動 原 理 與 電 力驅 動 原 理 與 電 力MOSFETMOSFET基本相同，通斷由基本相同，通斷由柵射極電壓柵射極電壓uGEuGE決定決定 關斷：柵射極間施加反壓關斷：柵射極間施加反壓或撤除或撤除uGEuGE時，時，MOSFETMOSFET內的內的溝道消失，晶體管的基極溝道消失，晶體管的基極電流被切

35、斷，使得電流被切斷，使得VJ1VJ1截止，截止，IGBTIGBT關斷關斷EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發射極柵極集電極注入區緩沖區漂移區J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管結構和工作原理結構和工作原理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1 1IGBTIGBT的靜態特性的靜態特性同樣可以用轉移特性和輸出特性表述同樣可以用轉移特性和輸出特性表述O有源區正向阻斷區飽和區反向阻斷區a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加圖1-23 IGBT的轉

36、移特性和輸出特性a) 轉移特性 b) 輸出特性1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管基本特性基本特性1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管基本特性基本特性 轉移特性轉移特性IC與與UGE間的關系，與間的關系，與MOSFET轉移特性類轉移特性類似似開啟電壓開啟電壓UGE(th)：IGBT能實現電導調能實現電導調制而導通的最低柵射制而導通的最低柵射電壓電壓 UGE(th)隨溫度升高隨溫度升高略有降低略有降低 UGE最大值限制最大值限制EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發射極柵極集電極注入區緩沖區漂移區J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc) 輸出特

37、性伏安特性）輸出特性伏安特性）UGE一定時，一定時，IC與與UCE間的關系間的關系 分為三個區域：正向阻斷區、有源區和飽和區。分別與分為三個區域：正向阻斷區、有源區和飽和區。分別與GTR的截止區、放大區和飽和區相對應的截止區、放大區和飽和區相對應 uCE0時，時，IGBT為反向阻斷工作狀態為反向阻斷工作狀態1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管基本特性基本特性P+N+的正向偏壓所致IGBT不適合要求器件壓降低于0.7V的場合使用通態壓降通態壓降:VDC(on)=VJ1+VN+IDRon1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管基本特性基本特性EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發

38、射極柵極集電極注入區緩沖區漂移區J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc) =(1+)DSDPNPDPNPDIIII電流分配電流分配:高壓IGBT中PNP的電流放大倍數小于1，因而，流過M O S 管的 電 流 構 成IGBT電流的主要部分。 2) IGBT的動態特性的動態特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM IGBT的開通過程與的開通過程與MOSFET的相似，的相似，因為開通過程中因為開通過程中IGBT

39、在大部分時間在大部分時間作為作為MOSFET運行運行 開通延遲時間開通延遲時間td(on) 從從UGE上升上升至其幅值至其幅值10%的時刻，到的時刻，到iC上升至上升至10%ICM 電流上升時間電流上升時間tr iC從從10%ICM上上升至升至90%ICM所需時間所需時間1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管基本特性基本特性 2) IGBT的動態特性的動態特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM IGBT的開通過程與的開通過程與M

40、OSFET的相似，的相似，因為開通過程中因為開通過程中IGBT在大部分時間在大部分時間作為作為MOSFET運行運行 開通時間開通時間ton開通延遲時間與電開通延遲時間與電流上升時間之和流上升時間之和 uCE的下降過程分為的下降過程分為tfv1和和tfv2兩段。兩段。tfv1IGBT中中MOSFET單獨工作單獨工作的電壓下降過程；的電壓下降過程；tfv2MOSFET和和PNP晶體管同時工作的電壓下降過晶體管同時工作的電壓下降過程程1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管基本特性基本特性 IGBT的關斷過程的關斷過程 關斷延遲時間關斷延遲時間td(off) 從從UGE后沿后沿下降到其幅值下降到

41、其幅值90%的時刻起，到的時刻起，到iC下下降至降至90%ICM 電流下降時間電流下降時間tfiC從從90%ICM下下降至降至10%ICM 關斷時間關斷時間toff關斷延遲時間與電關斷延遲時間與電流下降之和流下降之和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基本特性基本特性 2) IGBT的動態特性的動態特性 IGBT的關斷過程的關斷過程 電流下降時間又可分為電流下降時間又可分為tfi1和和tfi2

42、兩段。兩段。 tfi1IGBT內部內部MOSFET的關斷過的關斷過程，程，iC下降較快；下降較快； tfi2IGBT內部內部PNP晶體管的關斷晶體管的關斷過程，過程，iC下降較慢非平衡載流子的下降較慢非平衡載流子的復合過程）復合過程）ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM 2) IGBT的動態特性的動態特性1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管基本特性基本特性 IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導調制效應的好處，但也引

43、入了少子儲存現象，因而IGBT的開關速度低于電力MOSFET。 IGBT的擊穿電壓、通態壓降和關斷時間是互相矛盾的參數。實際應用中，需根據具體情況合理選擇。1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管基本特性基本特性 IGBT的開關時間與漏極電流、門極電阻以及結溫等參數有關。1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管基本特性基本特性3、IGBT的主要參數1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管1 1最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES UCES ：內部：內部PNPPNP晶體管所能承晶體管所能承受的擊穿電壓受的擊穿電壓2 2最大集電極電流：允許通過集電極的最大電流。最大集電極電流：允許

44、通過集電極的最大電流。包括額定直流電流包括額定直流電流ICIC和和1ms1ms脈寬最大電流脈寬最大電流ICPICP3 3最大集電極功耗最大集電極功耗PCM PCM ：正常工作溫度下允許的最：正常工作溫度下允許的最大耗散功率大耗散功率 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管主要參數主要參數IGBTIGBT的特性和參數特點的特性和參數特點開關速度高，開關損耗小。在電壓開關速度高，開關損耗小。在電壓1000V1000V以上時，開關損耗以上時，開關損耗只有只有GTRGTR的的1/101/10，與電力，與電力MOSFETMOSFET相當相當相同電壓和電流定額時，安全工作區比相同電壓和電流定額時，安

45、全工作區比GTRGTR大，且具有耐脈大，且具有耐脈沖電流沖擊能力沖電流沖擊能力通態壓降比通態壓降比VDMOSFETVDMOSFET低，特別是在電流較大的區域低，特別是在電流較大的區域輸入阻抗高，輸入特性與輸入阻抗高，輸入特性與MOSFETMOSFET類似類似與與MOSFETMOSFET和和GTRGTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關頻率高的特點同時保持開關頻率高的特點1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管主要參數主要參數4 4、IGBTIGBT的擎住效應和安全工作區的擎住效應和安全工作區1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管

46、寄生晶閘管寄生晶閘管 該晶閘管由寄該晶閘管由寄生三極管生三極管Vj2Vj2和和VJ1VJ1組成。組成。RbrRbr為為Vj2Vj2的基極和的基極和發射極間的體發射極間的體區電阻。區電阻。RbrRbr上上的電壓降作為的電壓降作為一個正向偏壓一個正向偏壓加在加在Vj2Vj2的基極的基極和發射極之間。和發射極之間。 當IGBT處于截止態和正常穩定通態時，Rbr上的壓降都很小，不足以產生Vj2的基極電流， Vj2不起作用。1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管擎住效應和安全工作區擎住效應和安全工作區寄生晶閘管寄生晶閘管但是如果ic瞬時過大，Rbr上壓降過大，則可能使Vj2導通，一旦Vj2通，即使

47、撤除柵極電壓，IGBT仍會像晶閘管一樣處于通態，使柵極G失去控制作用。這種現象稱為擎住效應。1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管擎住效應和安全工作區擎住效應和安全工作區 擎住效應：靜態擎住效應和擎住效應：靜態擎住效應和動態擎住效應動態擎住效應 靜態擎住效應：發生于導通狀態的靜態擎住效應：發生于導通狀態的IGBT中。即流過中。即流過IGBT的電流過大，的電流過大，致使致使Rbr上的壓降足以使上的壓降足以使VJ2的發射的發射結導通。結導通。 動態擎住效應：發生于發生于動態擎住效應：發生于發生于IGBT的關斷過程中。的關斷過程中。MOS管迅速管迅速關斷，關斷，J2結反向電壓迅速建立，此時會發

48、生結反向電壓迅速建立，此時會發生J2結電容電壓變化結電容電壓變化引起位移電流，該位移電流同樣會在體電阻引起位移電流，該位移電流同樣會在體電阻Rbr上產生壓降。上產生壓降。1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管擎住效應和安全工作區擎住效應和安全工作區A動態擎住效應主要由電壓變化率決定，還受集電極電流和結溫的影響。他比靜態擎住效應所容許的電流更小 IGBTIGBT安全工作區：正向偏置安全工作區安全工作區：正向偏置安全工作區FBSOAFBSOA和反向偏和反向偏置安全工作區置安全工作區RBSOARBSOA） 正向偏置安全工作區正向偏置安全工作區FBSOA) FBSOA) 導通工作狀態的參數極限導

49、通工作狀態的參數極限范圍：最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極范圍：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功耗確定 反向偏置安全工作區反向偏置安全工作區RBSOARBSOA）阻斷工作狀態的參數極限阻斷工作狀態的參數極限范圍：最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電范圍：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壓上升率duCE/dtduCE/dt確定確定1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管擎住效應和安全工作區擎住效應和安全工作區GTOGTO：管壓降較大，容量較大通流和耐壓能力），：管壓降較大，容量較大通流和耐壓能力）， fsfs較低，只能用于工頻場合

50、，電流驅動，驅動電較低，只能用于工頻場合，電流驅動，驅動電路復雜所有全控型器件中最復雜），驅動電流路復雜所有全控型器件中最復雜），驅動電流很大。很大。GTRGTR：電流驅動，容量中等，管壓降較低，開關頻率：電流驅動，容量中等，管壓降較低，開關頻率中等，驅動較復雜中等，驅動較復雜IGBTIGBT：與：與GTRGTR比，容量和管壓降差不多，但是比，容量和管壓降差不多，但是fsfs明顯明顯增加，開通損耗也更小。增加，開通損耗也更小。MOSFETMOSFET： fsfs最高，但是通流容量較小，承受電壓較最高，但是通流容量較小，承受電壓較低低各類全控型器件的總結各類全控型器件的總結IGBT的常見封裝的常見封裝1.5 1.5 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件 MOS控制晶閘管MCT 靜電感應晶體