全控器件和其他新型器件第1頁，課件共49頁，創作于2023年2月第一章電力電子器件好學力行河南理工大學明德任責內容提要1.1電力二極管（POWERDIODE）1.2晶閘管（THYRISTOR） 1.3全控型電力電子器件 1.4其他類型電力電子器件第2頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.3典型全控型器件1.3.1

門極可關斷晶閘管1.3.2

電力晶體管1.3.3

電力場效應晶體管1.3.4

絕緣柵雙極晶體管第一章電力電子器件第3頁，課件共49頁，創作于2023年2月常用的典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊1.3典型全控型器件第4頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.3.1門極可關斷晶閘管(GTO)晶閘管的一種派生器件。可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷。GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用。門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor）1.3典型全控型器件第5頁，課件共49頁，創作于2023年2月結構：與普通晶閘管的相同點：PNPN四層半導體結構，外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點：GTO是一種多GTO元并聯的功率集成器件。1.GTO的結構和工作原理1.3典型全控型器件1.3.1門極可關斷晶閘管(GTO)

工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用雙晶體管

模型來分析。第6頁，課件共49頁，創作于2023年2月圖

晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理

β1+β2=1是器件臨界導通的條件。由P1N1P2和N1P2N2構成的兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益β1和β2

。1.3典型全控型器件1.3.1門極可關斷晶閘管(GTO)第7頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.3.1門極可關斷晶閘管GTO能夠通過門極關斷的原因：設計β2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于關斷。導通時β1+β2更接近1，導通時接近臨界飽和，有利門極控制關斷，但導通時管壓降增大。

多元集成結構，使得P2基區橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。

1.3典型全控型器件β1+β<1時關斷關斷正反饋第8頁，課件共49頁，創作于2023年2月開通過程：與普通晶閘管相同；ton=td+tr關斷過程：不同于晶閘管

儲存時間ts，抽少子使等效晶體管退出飽和。下降時間tf：由飽和轉至放大區；尾部時間tt

—殘存載流子復合。toff=ts+tfOt0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6

圖

GTO的開通和關斷過程電流波形2.GTO的動態特性1.3典型全控型器件1.3.1門極可關斷晶閘管第9頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.3.1門極可關斷晶閘管3.GTO的主要參數

（2）關斷時間toff在幾十us.

（1）開通時間ton，在幾個us.

許多參數和普通晶閘管相應的參數意義相同，以下只介紹意義不同的參數。1.3典型全控型器件（3）最大可關斷陽極電流IATO—額定電流不少GTO都制造成逆導型，類似于逆導晶閘管，需承受反壓時，應和電力二極管串聯

。逆導型第10頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.3.1門極可關斷晶閘管1.3典型全控型器件（4）

電流關斷增益off

off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。1000A的GTO關斷時門極負脈沖電流峰值要200A

。

最大可關斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關斷增益。第11頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.3.2電力晶體管（GTR）電力晶體管:（GiantTransistor巨型晶體管）

耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管。應用20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。因此不作為重點，只了解基本概念和思想。1.3典型全控型器件第12頁，課件共49頁，創作于2023年2月與普通的雙極結型晶體管基本原理是一樣的，多采用NPN。主要特性是耐壓高、電流大、開關特性好。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯而成。比普通三極管增加了一個低摻雜N區，提高耐壓能力。1.3.2電力晶體管1.GTR的結構和工作原理1.3典型全控型器件存在電導調制效應，從而流過大電流時通態壓降也比較小，從而具有強的流通電流的能力。第13頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.3.2電力晶體管

(1)

靜態特性共發射極接法時的典型輸出特性：截止區、放大區和飽和區。在電力電子電路中GTR工作在開關狀態。在開關過程中，即在截止區和飽和區之間過渡時，要經過放大區。截止區放大區飽和區OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖

共發射極接法時GTR的輸出特性2.GTR的基本特性1.3典型全控型器件第14頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.3.2電力晶體管ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtdGTR的開通和關斷過程電流波形(2)

動態特性1.3典型全控型器件開關過程與GTO的異同點：基本相同；開通不能用脈沖觸發，需用持續電流驅動。GTR的開關時間在幾微秒以內，比晶閘管和GTO都短很多。第15頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.3.2電力晶體管一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大。不損壞。二次擊穿：一次擊穿發生后，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。永久損壞，或者工作特性明顯衰變。安全工作區（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。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM3.GTR的二次擊穿現象與安全工作區二次擊穿功率耗散功率1.3典型全控型器件第16頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.3.3電力場效應晶體管分為結型和絕緣柵型通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）簡稱電力MOSFET（PowerMOSFET）結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）

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，工作頻率高。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。1.3典型全控型器件第17頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.3.3電力場效應晶體管電力MOSFET的種類

按導電溝道可分為P溝道和N溝道。

耗盡型——當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道。

增強型——對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道。

電力MOSFET主要是N溝道增強型。1.電力MOSFET的結構和工作原理1.3典型全控型器件第18頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.3.3電力場效應晶體管電力MOSFET的結構導電機理與小功率MOS管相同，但結構上有較大區別。增加了低摻雜N區，提高耐壓能力；但無電導調制效應。采用垂直導電結構，流通電流能力提高；采用多元集成結構，不同的生產廠家采用了不同設計。1.3典型全控型器件第19頁，課件共49頁，創作于2023年2月截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區與N漂移區之間形成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流流過。導電：在柵源極間加正電壓UGS當UGS大于UT時，P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N導電溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電。電力MOSFET的工作原理1.3典型全控型器件1.3.3電力場效應晶體管柵極絕緣第20頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.3.3電力場效應晶體管

(1)靜態特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉移特性。ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導Gfs，反映了柵極的控制能力。電力MOSFET的轉移特性2.電力MOSFET的基本特性1.3典型全控型器件第21頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.3.3電力場效應晶體管截止區（對應于GTR的截止區）飽和區（對應于GTR的放大區）非飽和區（對應GTR的飽和區）工作在開關狀態，即在截止區和非飽和區之間來回轉換。漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導通。通態電阻具有正溫度系數，對器件并聯時的均流有利。電力MOSFET的輸出特性MOSFET的漏極伏安特性：1.3典型全控型器件第22頁，課件共49頁，創作于2023年2月開通過程開通延遲時間td(on)

上升時間tr開通時間ton=td(on)+tr關斷過程關斷延遲時間td(off)下降時間tf關斷時間toff=td(off)+tf(2)

動態特性1.3典型全控型器件1.3.3電力場效應晶體管圖1-PowerMOSFET的開關過程波形電平驅動、壓控方式、只有一種載流子導電第23頁，課件共49頁，創作于2023年2月

MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關系。可降低驅動電路內阻減小時間常數，加快開關速度。不存在少子儲存效應，關斷過程非常迅速。開關時間在10~100ns之間，工作頻率可達500kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場控器件，靜態時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率，但很小。開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。MOSFET的開關速度1.3典型全控型器件1.3.3電力場效應晶體管第24頁，課件共49頁，創作于2023年2月3.電力MOSFET的主要參數——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(3)

柵源電壓UGS——UGS>20V將導致絕緣層擊穿。除跨導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CGS、CGD和CDS1.3典型全控型器件(5)

通態電阻Ron越小越好，反映損耗。1.3.3電力場效應晶體管第25頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.3.4

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor）GTR和MOSFET復合，結合二者的優點。Bi-MOS器件1986年投入市場，是中高功率電力電子設備的主導器件仍在提高電壓和電流容量。GTR和GTO的特點——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，驅動電路復雜。

MOSFET的優點——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。1.3典型全控型器件第26頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.IGBT的結構和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發射極E圖1-19IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內部結構斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號E1.3典型全控型器件1.3.4

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）第27頁，課件共49頁，創作于2023年2月N溝道MOSFET與GTR組合——N溝道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入區，從而具有電導調制效應，具有很強的通流能力。簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結構，一個由MOSFET驅動的厚基區PNP晶體管。RN為晶體管基區內的調制電阻。1.3典型全控型器件1.3.4

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）第28頁，課件共49頁，創作于2023年2月

驅動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通(電壓驅動功率小)。通態壓降：電導調制效應使電阻RN減小，通態壓降減小。關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。IGBT的原理1.3典型全控型器件1.3.4

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）第29頁，課件共49頁，創作于2023年2月a)b)O有源區正向阻斷區飽和區反向阻斷區ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加2.IGBT的基本特性

(1)

IGBT的靜態特性圖1-20IGBT的轉移特性和輸出特性a)轉移特性b)輸出特性1.3典型全控型器件1.3.4

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）與MOS管的異同點。第30頁，課件共49頁，創作于2023年2月ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖1-21IGBT的開關過程IGBT的開通過程

開通延遲時間td(on)

電流上升時間tr

開通時間tonuCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。

tfv1——IGBT中MOS單獨工作的電壓下降過程；(2)

IGBT的動態特性1.3典型全控型器件tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。第31頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.3.4

絕緣柵雙極晶體管圖1-21IGBT的開關過程關斷延遲時間td(off）電流下降時間關斷時間toff電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT器件內部的MOSFET的關斷過程，iC下降較快。tfi2——IGBT內部的PNP晶體管的關斷過程，iC下降較慢。拖尾電流。IGBT的關斷過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1.3典型全控型器件第32頁，課件共49頁，創作于2023年2月3)IGBT的主要參數——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ICM——由內部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1)

最大集射極間電壓UCES1.3典型全控型器件(4)

最大柵極電壓UGS——UGS>20V將導致絕緣層擊穿。1.3.4

絕緣柵雙極晶體管第33頁，課件共49頁，創作于2023年2月IGBT的特性和參數特點可以總結如下：開關速度高，開關損耗小。相同電壓和電流定額時，安全工作區比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。通態壓降比VDMOSFET低。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。與MOSFET和GTR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。IGBT往往與反并聯的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導器件。1.3典型全控型器件1.3.4

絕緣柵雙極晶體管第34頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.4其他新型電力電子器件1.4.1MOS控制晶閘管MCT1.4.2靜電感應晶體管SIT1.4.3靜電感應晶閘管SITH1.4.4集成門極換流晶閘管IGCT1.4.5基于寬禁帶半導體材料的電力電子器件第一章電力電子器件第35頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.4.1MOS控制晶閘管MCTMCT結合了二者的優點：承受極高di/dt和du/dt，快速的開關過程，開關損耗小。高電壓，大電流、高載流密度，低導通壓降。其關鍵技術問題沒有大的突破，亦未能投入實際應用。MCT（MOSControlledThyristor）

——MOSFET與晶閘管的復合1.4其他新型電力電子器件第36頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.4.2靜電感應晶體管SIT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。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。缺點：柵極不加信號時導通，加負偏壓時關斷，稱為正常導通型器件，使用不太方便。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。SIT（StaticInductionTransistor）——結型感應晶體管,本質上也還是MOS管。1.4其他新型電力電子器件第37頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.4.3靜電感應晶閘管SITH可看作是SIT和GTO的復合，工作原理和SIT類似。SITH是兩種載流子導電的雙極型器件，具有電導調制效應，通態壓降低、通流能力強。其很多特性與GTO類似，但開關速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。

SITH一般也是正常導通型。此外，電流關斷增益較小，且工藝復雜，因而其應用范圍還有待拓展。SITH（StaticInductionThyristor）——場控晶閘管（FieldControlledThyristor—FCT）1.4其他新型電力電子器件第38頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.4.4集成門極換流晶閘管IGCT20世紀90年代后期出現，容量與GTO相當，開關速度快10倍，功耗也大為降低。可省去GTO復雜的緩沖電路，但驅動功率仍很大。目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的位置。IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）1.4其他新型電力電子器件新半導體材料做成的器件：具有更好的性能。重點是SiC，目前已有SiC肖特基二極管產品。第39頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.5功率集成電路與集成電力電子模塊20世紀80年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個器件封裝在一個模塊中，稱為功率模塊。可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性。對工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對保護和緩沖電路的要求。將器件與邏輯、控制、保護、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（PowerIntegratedCircuit——PIC）。基本概念第一章電力電子器件第40頁，課件共49頁，創作于2023年2月第一章電力電子器件智能功率模塊第41頁，課件共49頁，創作于2023年2月不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信號來控制其通斷,因此也就不需要驅動電路（如大功率二極管）。半控型器件（Thyristor）

——通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷。（晶閘管及其派生器件，GTO除外）全控型器件（IGBT,MOSFET)——通過控制信號既可控制其導通又可控制其關斷，又稱自關斷器件。（其他器件，如IGBT等）1.6

電力電子器件的分類按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：第一章電力電子器件第42頁，課件共49頁，創作于2023年2月脈沖觸發型

——通過在控制端施加一個電壓或電流的脈沖信號來實現器件的開通或者關斷的控制。(半控器件)電平控制型

——必須通過持續在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號來使器件開通并維持在導通狀態或者關斷并維持在阻斷狀態。按照驅動信號的波形分類（電力二極管除