1、1第1章 電力電子器件l1.1 電力電子器件概述l1.2 電力二極管l1.3 晶閘管及其派生器件l1.4 門極可關斷晶閘管 l1.5 電力晶體管 l1.6 功率場效應晶體管 l1.7 絕緣柵雙極性晶體管 l1.8 其他新型電力電子器件 l 本章小結21.1 電力電子器件概述1.1.1 電力電子器件的概念和特征1.1.2 電力電子器件的基本類型1.1.3 電力電子器件的模塊化與集成化1.1.4 電力電子器件的應用領域31.1.1 電力電子器件的概念和特征1.1.概念概念主電路（主電路（Power CircuitPower Circuit） 在電氣設備或電在電氣設備或電力系統中，直接承擔電能的變化

2、或控制任務的力系統中，直接承擔電能的變化或控制任務的電路。電路。電力電子器件（電力電子器件（Power Electronic Device)Power Electronic Device) 直直接用于處理電能的主電路中，以開關方式實現接用于處理電能的主電路中，以開關方式實現電能的變換或控制的電子器件。電能的變換或控制的電子器件。4電力電子器件是功率半導體器件。電力電子器件是功率半導體器件。 1 1）電力電子器件所能處理電功率的大小，是其最重要的）電力電子器件所能處理電功率的大小，是其最重要的 參數。其處理電功率的能力一般遠大于處理信息的電參數。其處理電功率的能力一般遠大于處理信息的電 子器件。

3、子器件。2 2）電力電子器件因處理電功率較大，為了減小本身的損）電力電子器件因處理電功率較大，為了減小本身的損 耗、提高效率，一般都工作在開關狀態。耗、提高效率，一般都工作在開關狀態。3 3）電力電子器件在實際應用中往往由信息電子電路來控）電力電子器件在實際應用中往往由信息電子電路來控 制。信息電子電路是電力電子器件的驅動電路。制。信息電子電路是電力電子器件的驅動電路。4 4）電力電子器件盡管工作在開關狀態，但是自身的功率）電力電子器件盡管工作在開關狀態，但是自身的功率 損耗通常仍遠大于信息電子器件，為了保證不至于因損耗通常仍遠大于信息電子器件，為了保證不至于因 損耗散發的熱量導致器件溫度過高

4、而損壞，不僅在器損耗散發的熱量導致器件溫度過高而損壞，不僅在器 件封裝上考慮散熱設計，而且在其工作時一般都還需件封裝上考慮散熱設計，而且在其工作時一般都還需 要設計安裝散熱器。要設計安裝散熱器。2 .2 .特征特征51.1.2 電力電子器件的基本類型1.1.按照電力電子器件的可控程度按照電力電子器件的可控程度半控型器件全控型器件通過控制信號可控制通過控制信號可控制其導通而其導通而不不能能控制其關斷控制其關斷晶閘管晶閘管及其派生器件及其派生器件關關 斷斷主主電電路路電電流流電電壓壓通過控制信號即可控制通過控制信號即可控制其導通又其導通又能能控制其關斷控制其關斷絕緣柵雙極晶體絕緣柵雙極晶體管管電力

5、場效應晶體電力場效應晶體管管門極可關斷晶閘門極可關斷晶閘管管自關斷器件門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管處理兆瓦級處理兆瓦級大功率電能大功率電能6不能不能用用控制信號控制控制信號控制其通斷，其通斷，不需要不需要驅動電路驅動電路電力二極電力二極管管不控型器件主主電電路路通通 斷斷電電流流電電壓壓只有兩個端子只有兩個端子2. 2. 按照驅動電路加在電力電子器件上驅動信號的性質按照驅動電路加在電力電子器件上驅動信號的性質電流驅動型電壓驅動型控控制制端端通通 斷斷注注入入電電流流 抽抽出出電電流流電壓信號電壓信號公公共共端端控控制制端端73.按照器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況按照器件內部電子

6、和空穴兩種載流子參與導電的情況單極型器件由一種載流子參與導電的器件由一種載流子參與導電的器件雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件復合型器件單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件81.1.3 電力電子器件的模塊化與集成化電力電子器件 最初是單管結構、分立器件電力電子設備 電力電子器件及其散熱器、驅動、保護等電路結構松散、體積大、可靠性差、成本高電力電子器件的模塊化與集成化 結構緊湊、體積小、可靠性高、成本低9功率模塊由若干功率開關器件與快速二極管組合而成由若干功率開關器件與快速二極管組合而成單片集成式模塊功率

7、器件、驅動、保護等電路集成于一個硅片功率器件、驅動、保護等電路集成于一個硅片智能功率模塊將具有驅動、自保護、自診斷功能的集成芯片將具有驅動、自保護、自診斷功能的集成芯片再度與電力電子器件集成再度與電力電子器件集成10表1-1 電力電子器件類 型名稱中文名稱英文名稱分立器件不可控器件電力二極管Power Diode半控型器件晶閘管(可控硅)Thyristor (SCR)全控型器件電流控制器件電力晶體管(雙極型晶體管)GTR (BJT)門極可關斷晶閘管GTO電壓控制器件電力場效應晶體管Power MOSFET絕緣柵雙極型晶體管IGBT場控晶閘管MCT靜電感應晶體管SIT靜電感應晶閘管SITH集成模

8、塊功率模塊Power Module單片集成模塊System on a Chip智能功率模塊IPM111.1.4 電力電子器件的應用領域電力電子器件 應用廣泛電力電子器件允許的開關頻率與允許功率范圍及主要應用領域121.2 電力二極管結構和原理簡單結構和原理簡單工作可靠工作可靠現在仍大量應用于許多電氣設備現在仍大量應用于許多電氣設備電力二極管電力二極管（半導體整流管）（半導體整流管）2020世紀世紀5050年代年代初獲得應用初獲得應用應用應用快恢復二極管快恢復二極管肖特基二極管肖特基二極管斬波、逆變斬波、逆變高頻低壓儀表、高頻低壓儀表、開關電源開關電源131.2 1.2 電力二極管電力二極管l1

9、.2.1 PN結的工作原理l1.2.2 電力二極管的結構與基本特性 l1.2.3 電力二極管的主要參數 l1.2.4 電力二極管的主要類型141.2.1 PN結的工作原理 電力二極管在本質電力二極管在本質上是一個上是一個PNPN節，只節，只是加上電極引線、是加上電極引線、管殼封裝。管殼封裝。PNPN節的節的工作原理已經在模工作原理已經在模擬電子技術課程中擬電子技術課程中涉及，不再展開討涉及，不再展開討論。論。圖1-2 電力二極管的外形、結構和電氣 圖形符號 a) 外形 b) 結構 c) 電氣圖形符號15PNPN結的單向導電性：承受正向結的單向導電性：承受正向電壓導通，承受反向電壓截止電壓導通，

10、承受反向電壓截止PNPN結的正向導通狀態結的正向導通狀態 PN結在正向電流很大時壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結表現為低阻狀態。PNPN結的反向截止狀態結的反向截止狀態 微弱的反向電流。16PNPN結反向擊穿結反向擊穿施加PN結反向電壓過大反向電流急劇增大破壞PN結的反向截止狀態PNPN結反向擊穿結反向擊穿反向電流急劇增大17181.2.2 電力二極管的結構與基本特性1.1.靜態特性靜態特性UIIFUFUT O0IFtr rtfIR PUR Pt0t1t2d i / d tRd i / d tFURttiFUF P2 Vtf r0UF( a )( b )( c )圖1-4 電

11、力二極管的伏安特性電力二極管電力二極管靜態特性靜態特性伏安特性伏安特性正向電壓為零，電流為零。正向電壓較小，正向電流很小，幾乎為零。正向電壓升高至UTO，正向電流明顯增加。門檻、閾值電壓正向電壓大于UTO，正向電流線性增長。191.2.2 電力二極管的結構與基本特性1.1.靜態特性靜態特性UIIFUFUT O0IFtr rtfIR PUR Pt0t1t2d i / d tRd i / d tFURttiFUF P2 Vtf r0UF( a )( b )( c )圖1-4 電力二極管的伏安特性電力二極管電力二極管靜態特性靜態特性伏安特性伏安特性值定一到大壓電向正承受反向電壓時只有微小而數值恒定的

12、反向漏電流。正向電流IF對應的電力二極管兩端的電壓UF為其正向電壓降。20零偏置正向偏置反向偏置過渡過程中，其電壓電流關系隨時間而變化2.2.動態特性動態特性電力二極管的動態狀態電力二極管的動態狀態反映通態和斷態之間轉換過程的開關特性21電力二極管的關斷電力二極管的關斷在tF時刻外加電壓突然反向。經過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態。td= t1-t0延遲時間tf= t2-t1電流下降時間trr=td+tf反向恢復時間普通： 5幾十微秒快速： 幾百納秒肖特基：幾十納秒a)IFtdtrrtfIRPt1 t2UFURtdtdiFtF t0 dtdiRURP在關斷之前有較大的反向

13、電流，伴隨明顯的反向電壓過沖。22 注意：電流、電壓反向問題注意：電流、電壓反向問題 過沖過沖正偏壓時，正向偏壓降約為1V左右；導通時，二極管看成是理想開關元件，因為它的開通時間很短；但在關斷時，它需要一個反向恢復時間（reverser-recovery time）。影響二極管開關速度的主要因素是反向恢復時間。231.2.3 電力二極管的主要參數正向平均電流正向平均電流IF(AV) 在規定的管殼溫度和散熱條件下，所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。 正向平均電流按照電流的發熱效應定義，使用時應按有效值相等的原則選取電力二極管的電流額定值，應留有一定的裕量。 正向壓降正向壓降UF 電力二極

14、管在正向電流導通時二極管上的正向壓降。241.2.3 電力二極管的主要參數浪涌電流浪涌電流最高工作結溫最高工作結溫反向恢復時間反向恢復時間反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓URRM 對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓。額定電壓。23倍裕量。251.2.4 電力二極管的主要類型普通二極管普通二極管( (整流二極管）整流二極管）多用于開關頻率多用于開關頻率不高（不高（1 1kHz以下）以下）的整流電路中的整流電路中 反向恢復時間長反向恢復時間長一般在一般在5s以上以上正向電流定額和正向電流定額和反向電壓定額很反向電壓定額很高，分別可達數高，分別可達數千安和數千伏以上千安和數千伏以上 26快恢

15、復二極管快恢復二極管恢復過程很短，特別是反向恢復過程很短（ 5s以下，數百ns）的二極管，簡稱快速二極管 。27肖特基二極管肖特基二極管導通壓降只有0.30.6V ，反向恢復時間短，1040ns。缺點：漏電流很大、耐壓低。281.3 晶閘管及其派生器件l1.3.1 1.3.1 晶閘管的結構及工作原理晶閘管的結構及工作原理l1.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性及主要參數晶閘管的基本特性及主要參數 l1.3.3 1.3.3 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件291.3.1晶閘管的結構與工作原理P1N1P2N2J1J2J3AGKA AK KG圖 1-6 晶閘管外形、結構和電氣圖形符號 a)外形 b

16、)結構 c)電氣圖形符號 a)c)b)AGKGKA30 晶閘管屬于電流驅動、雙極型、半控型器件，可等效為可控的單向導電開關。 反向承受一定電壓，處于阻斷（截止）狀態。 正向承受一定電壓，兩個穩定的工作狀態：高阻抗的阻斷工作狀態和低阻抗的導通工作狀態。 31RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖1-7 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)產生注入門極的觸發電流IG的電路觸發觸發門極觸發電路門極觸發電路對晶閘管的驅動反向截止反向截止正向阻斷正向阻斷32晶閘管工作原理如以下方程所示晶閘管工作原理如以下方程所示

17、Ic1 = a1IA + ICBO1 (1-1)Ic2 = a2IK + ICBO2 (1-2)IK = IA + IG (1-3) IA = IC1 + IC2 (1-4)a1和a2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。由式（1-1）式（1-4）得：)(121212aaIIIaICBOCBOGA(1-5)33晶體管的特性是：晶體管的特性是：在低發射極電流下 是很小的，而當發射極電流建立起來之后， 迅速增大。阻斷狀態阻斷狀態：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和。開通（門極觸發）：開通（門極觸發）：注入觸發

18、電流使晶體管的發射極電流增大以致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，實現飽和導通。IA實際由外電路決定。34晶閘管的開通、關斷規律：晶閘管的開通、關斷規律：承受反向電壓時，不論門極是否有觸發電流，晶閘管均不導通。承受正向電壓時，僅在門極有觸發電流的情況下晶閘管開通。晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用。即使去除門極觸發信號，仍然維持導通。自鎖、掣住要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以下 。維持電流351.3.2 晶閘管的基本特性及主要參數1.1.陽極伏安特性及靜態參數陽極伏安特性及靜態參數IG2IG1 IG 第象限是正向特性第象限是反向特性3

19、6 IG=0時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉折電壓UDB，則漏電流急劇增大，器件開通。 隨著門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低。 導通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。 晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。 導通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態。IH稱為維持維持電流。電流。37 晶閘管上施加反向電壓時，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時，只有極小的反向漏電流流過。 當反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增加

20、，導致晶閘管反向擊穿、損壞。3839晶閘管的靜態參數lUDB、URB 正向轉折電壓和反向擊穿電壓；UDSM、 UDRM 正向斷態不重復峰值電壓和重復峰值電壓；lURSM、 URRM 反向不重復峰值電壓和重復峰值電壓；l不重復峰值電壓是指不造成正向轉折和反向擊穿的最大電壓，一l般不允許多次施加。l重復電壓是指晶閘管在開通和關斷的過渡過程中，可重復經受的l最大瞬時電壓。l取正、反向不重復峰值電壓的90%作為正、反向重復峰值電壓。l取正、反向重復峰值電壓中的較小者作為晶閘管的額定電壓。 40晶閘管的靜態參數l 取晶閘管的UDRM和URRM中較小者作為額定電壓。額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為

21、正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的23倍。l正向通態電壓正向通態電壓 指晶閘管通過額定電流時陽極與陰極間的l電壓降，也稱管壓降，該參數直接反映了器件的通態損l耗特性。若通過晶閘管的電流為通態平均電流，則電壓l降為通態平均管壓降。41l額定電流、通額定電流、通態平均電流態平均電流I IT(AVT(AV) ) l晶閘管在環境溫度為40C和規定的冷卻條件下，穩定結溫不超l過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。 l晶閘管的額定電流以工作波形的平均值定義。選擇晶閘管時根l據有效值相等的原則，在選擇晶閘管定額電流時，通常需要根l據電流波形，做平均值與有效值的換算。以正弦半波為例。l考慮到實際

22、散熱條件、過載現象，留有1.52倍的裕度。42l維持電流維持電流 I IH H l晶閘管維持導通所必需的最小電流。l若晶閘管陽極電流小于維持電流，則晶閘管進入阻斷狀態。l掣住電流掣住電流I IL Ll晶閘管剛從斷態轉入通態并移除觸發信號后， 能維持其導通所l必需的最小陽極電流。對同一晶閘管來說，通常 I IL L 約為 I IH H 的l24倍。lIL是晶閘管的臨界開通電流，若陽極電流IA未達到IL時就去掉門l極信號，晶閘管將自動返回阻斷狀態。在感性負載電路中，由l于陽極電流上升到IL需要一定的時間，若門極信號持續時間低l于此值，晶閘管則不能維持住導通狀態。432.2.動態特性及其參數動態特性

23、及其參數 動態特性：晶閘管在阻斷、導通這兩種狀態變換過程動態特性：晶閘管在阻斷、導通這兩種狀態變換過程中所體現的特性，包括開通特性和關斷特性。中所體現的特性，包括開通特性和關斷特性。開通特性：晶閘管在正向偏置并受到理想電流觸發時開通特性：晶閘管在正向偏置并受到理想電流觸發時的導通情況。的導通情況。關斷特性：已導通的晶閘管在施加反向電壓時的關斷關斷特性：已導通的晶閘管在施加反向電壓時的關斷情況。情況。44開通過程開通過程延遲時間延遲時間td 從門極電流階躍時刻開始，陽極電流上升到額定值的10%所需時間上升時間上升時間tr陽極電流從額定值10%上到90%所需時間開通時間開通時間tgt tgt=td

24、+tr 普通晶閘管的延遲時間為0.5us，上升時間為0.53us。其延遲時間隨門極電流的增大而減小。強觸發45關斷過程關斷過程反反向恢復時間向恢復時間trr 正向電流降為零到反向恢復電流衰減至近于零的時間。恢復對反向電壓的阻斷能力。門極門極恢復時間恢復時間tgr晶閘管完全關斷至恢復阻斷能力所需時間。恢復對正向電壓的阻斷能力。關斷時間關斷時間tq tq=trr+tgr普通晶閘管的時間約為幾百微秒46l斷態電壓臨界上升率斷態電壓臨界上升率du/dtdu/dt l在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態到通態轉換的外加電壓最大上升率。過大，誤導通l通態電流臨界上升率通態電流臨界上升率di/d

25、tdi/dt l在規定條件下，晶閘管能承受的最大通態電流上升率。過大，門極局部過熱471.3.3 晶閘管的派生器件快速、逆倒、雙向、光控晶閘管快速、逆倒、雙向、光控晶閘管481.4 門極可關斷晶閘管晶閘管由于耐壓高、電流大和相對較強的過載能力，在高壓大功率領域將繼續廣泛應用。 半控型器件，如何關斷即換流？ 必須借助外部手段使其電流小于維持電流。為此必須附加強迫換流電路，使電力電子裝置復雜化。為滿足現場實際的需要，在晶閘管基礎之上研制成功門極可關斷晶閘管，GTO。 全控型器件電壓、電流容量高于其它全控型器件，但驅動技術復雜、價位高，使其推廣受到限制。 491.4 1.4 門極可關斷晶閘管門極可關

26、斷晶閘管l1.4.1 結構與工作原理l1.4.2 動態特性 l1.4.3 主要參數501.4 門極可關斷晶閘管1.4.1 GTO GTO的結構和工作原理的結構和工作原理結構結構N1P1 P2AKGN2N2N2AGK51與晶閘管的相同點與晶閘管的相同點PNPN四層半導體結構陽極A、陰極K、門極G不同點不同點多元功率集成器件 內部包含數百個小GTO元GTO元陽極共有GTO元陰極、門極在器件內部并聯陰極呈島狀結構，周圍被門極所包圍，以減小門極和陰極之間的距離。陰極寬度越窄、門極與陰極距離越短（橫向電阻小），越利于關斷。 N1P1 P2AKGN2N2N252GTO導通過程與普通晶閘管相同，如何？只是導

27、通時飽和程度較淺、臨界飽和狀態。工作原理工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2導通： V1、V2飽和1+21，1+21；關斷： V1、V2是不飽和的，1+21臨界飽和： 1+21晶閘管導通時 1+21.15GTO 導通時 1+21.0553GTO關斷過程：強烈正反饋門極加負脈沖即從門極抽出電流，則IB2減小，使IK和IC2減小，IC2的減小又使 IA和IC1減小，又進一步減小V2的基極電流。當IA和IK的減小使1+2UT（UT為開啟電壓或閾值為開啟電壓或閾值電壓）時，漏極和源極導電，流過漏電壓）時，漏極和源極導電，流過漏極電流。極電流。 671.6.2 特性、

28、1.6.3 參數與MOSFET類似，不再展開討論。68絕緣柵雙極晶體管，是一種復合型電壓控制器件。絕緣柵雙極晶體管，是一種復合型電壓控制器件。1.7 絕緣柵雙極晶體管IGBT顯著優點：顯著優點：它將它將MOSFET 和和GTR的優點集于一身，的優點集于一身，耐壓高、電流大、工作頻率高、通態壓降低、驅動功耐壓高、電流大、工作頻率高、通態壓降低、驅動功率小、無二次擊穿、安全工作區寬、熱穩定性好率小、無二次擊穿、安全工作區寬、熱穩定性好 。中小功率電力電子設備的主導器件，隨著其電壓和電中小功率電力電子設備的主導器件，隨著其電壓和電流容量的不斷升高，有進一步取代流容量的不斷升高，有進一步取代GTO的趨

29、勢的趨勢 。 691.7 絕緣柵雙極晶體管l1.7.1 結構與工作原理l1.7.2 特性 l1.7.3 參數l1.7.4 掣住效應與安全工作區701.7.1 結構和工作原理N溝道溝道MOSFET與雙極型晶體管復合而成與雙極型晶體管復合而成 ；以；以GTR為主導元件、為主導元件、N溝道溝道MOSFET為驅動元件的達林頓結為驅動元件的達林頓結構。等效電路中構。等效電路中Rdr是是GTR基區內的擴展電阻。基區內的擴展電阻。 71IGBT的開通與關斷由柵極電壓控制。以的開通與關斷由柵極電壓控制。以N溝道溝道IGBT為為例，柵極施以正電壓時，例，柵極施以正電壓時，MOSFET內形成導電溝道，為內形成導電

30、溝道，為PNP晶體管提供基極電流，晶體管提供基極電流，IGBT導通。在柵極施以負導通。在柵極施以負壓時，壓時，MOSFET內導電溝道消失，內導電溝道消失，PNP晶體管無基極電晶體管無基極電流，流，IGBT關斷。關斷。 GEC+-+-+-IDRdrICUJ1GCEUdr721.7.2 1.7.2 特性特性靜態特性靜態特性輸出特性輸出特性 以柵射電壓以柵射電壓UGE為參變量，反為參變量，反映集電極電流映集電極電流IC與集電極、發射極電壓與集電極、發射極電壓UCE間關系的曲線族間關系的曲線族 0放大區截止區飽和區ICUCEUTUGE增加UGE1UGE2UGE3擊穿區73當當UGEUT時，時，IGBT

31、處于放大區。集電極電流處于放大區。集電極電流I IC C大小大小幾乎不隨幾乎不隨u uCECE而變化，其大小取決于而變化，其大小取決于u uGEGE，正常情況下，正常情況下不會進入擊穿區。不會進入擊穿區。 0放大區截止區飽和區ICUCEUTUGE增加UGE1UGE2UGE3擊穿區75當當UGEUT，集電極電流，集電極電流I IC C與與u uCECE成線性關系，不隨成線性關系，不隨u uGEGE而變化，而變化， IGBT處于飽和區，導通壓降較小。處于飽和區，導通壓降較小。UT=26V，UGE=15V0放大區截止區飽和區ICUCEUTUGE增加UGE1UGE2UGE3擊穿區761.7.2 1.7

32、.2 特性特性靜態特性靜態特性轉移特性轉移特性 集電極電流集電極電流IC和柵射電壓和柵射電壓UGE的的關系，它表征關系，它表征UGE對對IC的控制能力。的控制能力。ICUTUGEO77當當UGE小于開啟電壓時，小于開啟電壓時，IGBT處于關斷狀態；當處于關斷狀態；當UGE大大于開啟電壓時，于開啟電壓時，IGBT 開通，導通后，開通，導通后，IC 與與UGE 基本呈基本呈線性關系。線性關系。ICUTUGEO781.7.2 1.7.2 特性特性動態特性動態特性 輸入電壓（輸入電壓（uGE）和集電極電流（）和集電極電流（IC）、輸出電）、輸出電壓（壓（uCE）的關系）的關系 ttt10%90%10%

33、90%uCEiC00uGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2tstftdtrUCE(on)UGEMUGEMICMICM079ttt10%90%10%90%uCEiC00uGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2tstftdtrUCE(on)UGEMUGEMICMICM0延遲時間延遲時間td 從驅動電壓uGE的前沿上升至其幅值10%時刻開始，到集電極電流iC上升至其幅值的10%所需時間上升時間上升時間tr集電極電流iC從其幅值10%上升至90%所需時間開通時間開通時間ton ton=td+tr 80ttt10%90%10%90%u

34、CEiC00uGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2tstftdtrUCE(on)UGEMUGEMICMICM0集射電壓集射電壓uCE的的下降過程分為下降過程分為tfv1和和tfv2兩段。兩段。tfv1 MOSFET單獨工作時的電壓下降時間 tfv2 MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降時間只有在tfv2段結束時，IGBT才完全進入飽和狀態81ttt10%90%10%90%uCEiC00uGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2tstftdtrUCE(on)UGEMUGEMICMICM0關斷延遲時間關斷延遲時間ts 從驅

35、動電壓uGE的后沿下降至其幅值90%時刻開始，到集電極電流iC下降至其幅值的90%所需時間電流下降時間電流下降時間tf集電極電流iC從其幅值90%下降至10%所需時間關斷時間關斷時間toff toff=ts+tf 82ttt10%90%10%90%uCEiC00uGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2tstftdtrUCE(on)UGEMUGEMICMICM0集電極電流集電極電流iC的的下降過程分為下降過程分為tfi1和和tfi2兩段。兩段。tfi1 對應對應MOSFET的關斷過程 tfi2 對應PNP晶體管的關斷過程，集電極電流集電極電流iC下下降較慢。集射

36、電降較慢。集射電壓壓uCE建立，功建立，功耗較大耗較大開通開通 tfv2831.7.3 主要參數 集射極擊穿電壓集射極擊穿電壓UCES 決定器件的最高工作電壓，由內部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓確定。隨溫度的升高而增大。 最大柵射極電壓最大柵射極電壓 柵射極電壓是由柵極氧化層的厚度和特性所限制的，為了限制故障電流、確保長期使用的可靠性，應將柵極電壓限制在20V之內，其最佳值一般取15V左右 。84 集電極連續電流集電極連續電流IC 、集電極峰值電流、集電極峰值電流ICM 表征電流容量，額定電流。集電極連續電流IC主要受結溫限制。集電極峰值電流ICM為避免掣住效應而定義。只要不超過額定結溫，

37、IGBT可以工作在峰值電流范圍內，峰值電流大約是額定值的2倍。 最大集電極功率最大集電極功率PCM 在正常工作溫度下允許的最大耗散功率 。 85掣住效應（自鎖效應）掣住效應（自鎖效應） IGBT內部存在寄生晶閘管，若集電極電流過大 或duCE/dt過大 ，寄生晶閘管將開通，柵極就失去對集電極電流的控制作用，導致集電極電流增大，造成器件損壞。這種電流失控現象被稱為掣住效應或自鎖效應。靜態、動態。溫度升高動態掣住效應比靜態掣住效應所允許的集電極電流小。因此IGBT所允許的最大集電極電流實際上根據動態掣住效應確定。限制電流容量原因之一1.7.4 IGBT1.7.4 IGBT的掣住效應和安全區的掣住效

38、應和安全區861.7.4 IGBT1.7.4 IGBT的掣住效應和安全區的掣住效應和安全區正向偏置安全工作區正向偏置安全工作區 規范開通過程、通態工作點規范開通過程、通態工作點最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定IGBT在導通工作狀態的參數極限 范圍。反向偏置安全工作區反向偏置安全工作區 規范關斷過程、斷態工作點規范關斷過程、斷態工作點最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大最大允許電壓上升率確定IGBT在阻斷工作狀態的參數極限 范圍。871.8 其他新型電力電子器件1.8.11.8.1 靜電感應晶體管靜電感應晶體管SITSIT1.8.2 MOS1.8.2 MOS控制晶閘管控制晶

39、閘管MCTMCT1.8.3 1.8.3 集成門極換向型晶閘管集成門極換向型晶閘管IGCTIGCT1.8.4 1.8.4 電力電子器件的發展趨勢電力電子器件的發展趨勢881.8.1 1.8.1 靜電感應晶體管靜電感應晶體管SITSITl多子導電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合。l在雷達通信設備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應加熱等領域獲得應用。l缺點缺點：l柵極不加信號時導通，加負偏壓時關斷，稱為正常導通正常導通型型器件，使用不太方便。l通態電阻較大，通態損耗也大，因而還未在大多數電力電子設備中得到廣泛應用。SITSIT 結型場效應晶體管結型場效應晶體管891.8.2 MOS1.8.2 MOS控制晶體管控制晶體管MCTMCTlMCT結合了二者的優點：l承受極高di/dt和du/dt，快速的開關過程，開關損耗小。l高電壓，大電流、高載流密度，低導通壓降。l一個MCT器件由數以萬計的MCT元組成。l每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關斷的MOSFET。l其關鍵技術問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠未達到預期的數值，未能投入實際應用。 MCTMCT MOS