電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2023/12/27電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章引言■模擬和數字電子電路的基礎

——晶體管和集成電路等電子器件

電力電子電路的基礎

——電力電子器件■本章主要內容：◆對電力電子器件的概念、特點和分類等問題作了簡要概述。◆分別介紹各種常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數以及選擇和使用中應注意的一些問題。

2電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章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應用電力電子器件的系統組成

2.1.3電力電子器件的分類

2.1.4本章內容和學習要點3電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章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（PowerElectronicDevice）是指可直接用于處理電能的主電路中，實現電能的變換或控制的電子器件。

?主電路：在電氣設備或電力系統中，直接承擔電能的變換或控制任務的電路。

?廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導體器件兩類，目前往往專指電力半導體器件。

4電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章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，一般都遠大于處理信息的電子器件。

◆為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開關狀態。

◆由信息電子電路來控制

,而且需要驅動電路。

◆自身的功率損耗通常仍遠大于信息電子器件，在其工作時一般都需要安裝散熱器。

5電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.1.1電力電子器件的概念和特征?通態損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。?當器件的開關頻率較高時，開關損耗會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。

通態損耗斷態損耗開關損耗開通損耗關斷損耗?電力電子器件的功率損耗6電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章

2.1.2應用電力電子器件的系統組成

■電力電子器件在實際應用中，一般是由控制電路、驅動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統。

電氣隔離圖2-1電力電子器件在實際應用中的系統組成7電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.1.3電力電子器件的分類■按照能夠被控制電路信號所控制的程度◆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PowerMOSFET。

?通過控制信號既可以控制其導通，又可以控制其關斷。

◆不可控器件

?電力二極管（PowerDiode）?不能用控制信號來控制其通斷。8電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.1.3電力電子器件的分類■按照驅動信號的性質◆電流驅動型

?通過從控制端注入或者抽出電流來實現導通或者關斷的控制。

◆電壓驅動型

?僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現導通或者關斷的控制?！霭凑镇寗有盘柕牟ㄐ危娏ΧO管除外

）◆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。

◆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。

9電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.1.3電力電子器件的分類■按照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。◆雙極型器件

?由電子和空穴兩種載流子參與導電。

◆復合型器件

?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。

10電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.1.4本章內容和學習要點■本章內容◆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、主要參數以及選擇和使用中應注意的一些問題。■學習要點

◆最重要的是掌握其基本特性。◆掌握電力電子器件的型號命名法，以及其參數和特性曲線的使用方法。

◆了解電力電子器件的半導體物理結構和基本工作原理。

◆了解某些主電路中對其它電路元件的特殊要求。11電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.2不可控器件——電力二極管

2.2.1PN結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

2.2.4電力二極管的主要類型12電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.2不可控器件——電力二極管·引言■電力二極管（PowerDiode）自20世紀50年代初期就獲得應用，但其結構和原理簡單，工作可靠，直到現在電力二極管仍然大量應用于許多電氣設備當中。■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，特別是開通和關斷速度很快的快恢復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13電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1PN結與電力二極管的工作原理■電力二極管是以半導體PN結為基礎的,實際上是由一個面積較大的PN結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、結構和電氣圖形符號a)外形b)基本結構c)電氣圖形符號14電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.2.1PN結與電力二極管的工作原理■二極管的基本原理——PN結的單向導電性◆當PN結外加正向電壓（正向偏置）時，在外電路上則形成自P區流入而從N區流出的電流，稱為正向電流IF，這就是PN結的正向導通狀態。

◆當PN結外加反向電壓時（反向偏置）時，反向偏置的PN結表現為高阻態，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止狀態。

◆PN結具有一定的反向耐壓能力，但當施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞PN結反向偏置為截止的工作狀態，這就叫反向擊穿。

?按照機理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式。

?反向擊穿發生時，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內，PN結仍可恢復原來的狀態。?否則PN結因過熱而燒毀，這就是熱擊穿。

15電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.2.1PN結與電力二極管的工作原理■PN結的電容效應◆稱為結電容CJ，又稱為微分電容◆按其產生機制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴散電容CD

?勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。在正向偏置時，當正向電壓較低時，勢壘電容為主。

?擴散電容僅在正向偏置時起作用。正向電壓較高時，擴散電容為結電容主要成分?！艚Y電容影響PN結的工作頻率，特別是在高速開關的狀態下，可能使其單向導電性變差，甚至不能工作。16電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.2.2電力二極管的基本特性■靜態特性◆主要是指其伏安特性

◆正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO

），正向電流才開始明顯增加，處于穩定導通狀態。與IF對應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，只有少子引起的微小而數值恒定的反向漏電流。IOIFUTOUFU圖2-5電力二極管的伏安特性17電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.2.2電力二極管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V圖2-6電力二極管的動態過程波形正向偏置轉換為反向偏置零偏置轉換為正向偏置

■動態特性

◆因為結電容的存在，電壓—電流特性是隨時間變化的，這就是電力二極管的動態特性，并且往往專指反映通態和斷態之間轉換過程的開關特性。

◆由正向偏置轉換為反向偏置

?電力二極管并不能立即關斷，而是須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。

?在關斷之前有較大的反向電流出現，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。?延遲時間：td=t1-t0

電流下降時間：tf=t2-t1

反向恢復時間：trr=td+tf

恢復特性的軟度：tf

/td，或稱恢復系數，用Sr表示。t0:正向電流降為零的時刻t1:反向電流達最大值的時刻t2:電流變化率接近于零的時刻18電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.2.2電力二極管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V◆由零偏置轉換為正向偏置

?先出現一個過沖UFP，經過一段時間才趨于接近穩態壓降的某個值（如2V）。

?正向恢復時間tfr

?出現電壓過沖的原因:電導調制效應起作用所需的大量少子需要一定的時間來儲存，在達到穩態導通之前管壓降較大；正向電流的上升會因器件自身的電感而產生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高。

圖2-6電力二極管的動態過程波形b)零偏置轉換為正向偏置

19電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.2.3電力二極管的主要參數■正向平均電流IF(AV)◆指電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）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值。

◆IF(AV)是按照電流的發熱效應來定義的，使用時應按有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量?！稣驂航礥F◆指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩態正向電流時對應的正向壓降?！龇聪蛑貜头逯惦妷篣RRM

◆指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓?！羰褂脮r，應當留有兩倍的裕量。

20電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.2.3電力二極管的主要參數■最高工作結溫TJM

◆結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示。

◆最高工作結溫是指在PN結不致損壞的前提下所能承受的最高平均溫度。

◆TJM通常在125～175

C范圍之內?！龇聪蚧謴蜁r間trr■浪涌電流IFSM

◆指電力二極管所能承受最大的連續一個或幾個工頻周期的過電流。21電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.2.4電力二極管的主要類型■按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復特性的不同，介紹幾種常用的電力二極管。

◆普通二極管（GeneralPurposeDiode）

?又稱整流二極管（RectifierDiode），多用于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。

?其反向恢復時間較長，一般在5

s以上。

?其正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高。

22電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.2.4電力二極管的主要類型◆快恢復二極管（FastRecoveryDiode——FRD）?恢復過程很短，特別是反向恢復過程很短（一般在5

s以下）。

?快恢復外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），采用外延型P-i-N結構，其反向恢復時間更短（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和超快速恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到20~30ns。23電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.2.4電力二極管的主要類型◆肖特基二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD）?屬于多子器件

?優點在于：反向恢復時間很短（10~40ns），正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管；因此，其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率高。

?弱點在于：當所能承受的反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場合；反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩態損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。24電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.3半控型器件——晶閘管

2.3.1晶閘管的結構與工作原理

2.3.2晶閘管的基本特性

2.3.3晶閘管的主要參數

2.3.4晶閘管的派生器件25電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.3半控器件—晶閘管·引言■晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被簡稱為可控硅。

■1956年美國貝爾實驗室（BellLaboratories）發明了晶閘管，到1957年美國通用電氣公司（GeneralElectric）開發出了世界上第一只晶閘管產品，并于1958年使其商業化?！鲇捎谄淠艹惺艿碾妷汉碗娏魅萘咳匀皇悄壳半娏﹄娮悠骷凶罡叩模夜ぷ骺煽浚虼嗽诖笕萘康膽脠龊先匀痪哂斜容^重要的地位。晶閘管及模塊26電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.3.1晶閘管的結構與工作原理■晶閘管的結構◆從外形上來看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結構?！粢鲫枠OA、陰極K和門極（控制端）G三個聯接端?！魞炔渴荘NPN四層半導體結構。圖2-7晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號a)外形b)結構c)電氣圖形符號

27電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.3.1晶閘管的結構與工作原理圖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：（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）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。28電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.3.1晶閘管的結構與工作原理◆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?！粼诰w管阻斷狀態下，IG=0，而

1+

2是很小的。由上式可看出，此時流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個晶體管漏電流之和。

◆如果注入觸發電流使各個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，從而實現器件飽和導通?！粲捎谕怆娐坟撦d的限制，IA實際上會維持有限值。

由以上式（2-1）~（2-4）可得(2-5)29電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.3.1晶閘管的結構與工作原理■除門極觸發外其他幾種可能導通的情況◆陽極電壓升高至相當高的數值造成雪崩效應

◆陽極電壓上升率du/dt過高

◆結溫較高◆光觸發■這些情況除了光觸發由于可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應用于高壓電力設備中之外，其它都因不易控制而難以應用于實踐。只有門極觸發是最精確、迅速而可靠的控制手段。

30電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.3.2晶閘管的基本特性■靜態特性

◆正常工作時的特性

?當晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發電流，晶閘管都不會導通。

?當晶閘管承受正向電壓時，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存在，晶閘管都保持導通。?若要使已導通的晶閘管關斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以下。

31電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.3.2晶閘管的基本特性◆晶閘管的伏安特性

?正向特性

√當IG=0時，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，只有很小的正向漏電流流過。

√如果正向電壓超過臨界極限即正向轉折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。√隨著門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。

√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稱為維持電流。

圖2-9晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG

正向轉折電壓Ubo正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+32電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.3.2晶閘管的基本特性?反向特性

√其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通過。

√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大，導致晶閘管發熱損壞。

圖2-9晶閘管的伏安特性 IG2>IG1>IG正向轉折電壓Ubo正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+33電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.3.2晶閘管的基本特性■動態特性◆開通過程

?由于晶閘管內部的正反饋過程需要時間，再加上外電路電感的限制，晶閘管受到觸發后，其陽極電流的增長不可能是瞬時的。?延遲時間td

(0.5~1.5

s)上升時間tr(0.5~3

s)開通時間tgt=td+tr?延遲時間隨門極電流的增大而減小,上升時間除反映晶閘管本身特性外，還受到外電路電感的嚴重影響。提高陽極電壓,延遲時間和上升時間都可顯著縮短。

圖2-10晶閘管的開通和關斷過程波形陽極電流穩態值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽極電流穩態值的10%34電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.3.2晶閘管的基本特性◆關斷過程

?由于外電路電感的存在，原處于導通狀態的晶閘管當外加電壓突然由正向變為反向時，其陽極電流在衰減時必然也是有過渡過程的。

?反向阻斷恢復時間trr正向阻斷恢復時間tgr關斷時間tq=trr+tgr?關斷時間約幾百微秒。

?在正向阻斷恢復時間內如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向導通，而不是受門極電流控制而導通。圖2-10晶閘管的開通和關斷過程波形100%反向恢復電流最大值尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA35電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.3.3晶閘管的主要參數■電壓定額◆斷態重復峰值電壓UDRM?是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓（見圖2-9）。

?國標規定斷態重復峰值電壓UDRM為斷態不重復峰值電壓（即斷態最大瞬時電壓）UDSM的90%。

?斷態不重復峰值電壓應低于正向轉折電壓Ubo。◆反向重復峰值電壓URRM

?是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓（見圖2-8）。

?規定反向重復峰值電壓URRM為反向不重復峰值電壓（即反向最大瞬態電壓）URSM的90%。?反向不重復峰值電壓應低于反向擊穿電壓。36電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.3.3晶閘管的主要參數

◆通態（峰值）電壓UT?晶閘管通以某一規定倍數的額定通態平均電流時的瞬態峰值電壓。

◆通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2~3倍?！鲭娏鞫~

◆通態平均電流IT(AV）

?國標規定通態平均電流為晶閘管在環境溫度為40

C和規定的冷卻狀態下，穩定結溫不超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。

?按照正向電流造成的器件本身的通態損耗的發熱效應來定義的。?一般取其通態平均電流為按發熱效應相等（即有效值相等）的原則所得計算結果的1.5~2倍。

37電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.3.3晶閘管的主要參數◆維持電流IH

?維持電流是指使晶閘管維持導通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。?結溫越高，則IH越小。

◆擎住電流IL?擎住電流是晶閘管剛從斷態轉入通態并移除觸發信號后，能維持導通所需的最小電流。

?約為IH的2~4倍

◆浪涌電流ITSM

?指由于電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流。38電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.3.3晶閘管的主要參數■動態參數

◆開通時間tgt和關斷時間tq

◆斷態電壓臨界上升率du/dt

?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。

?電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導通。

◆通態電流臨界上升率di/dt

?在規定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態電流上升率。

?如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。39電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.3.4晶閘管的派生器件■快速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST）

◆有快速晶閘管和高頻晶閘管。

◆快速晶閘管的開關時間以及du/dt和di/dt的耐量都有了明顯改善。

◆從關斷時間來看，普通晶閘管一般為數百微秒，快速晶閘管為數十微秒，而高頻晶閘管則為10

s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平均電流時不能忽略其開關損耗的發熱效應。

40電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.3.4晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2■雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）◆可以認為是一對反并聯聯接的普通晶閘管的集成。◆門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發導通，在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性。

◆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表示其額定電流值。圖2-11雙向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

41電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.3.4晶閘管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0■逆導晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）

◆是將晶閘管反并聯一個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通。

◆具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優點，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。

圖2-12逆導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

42電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.3.4晶閘管的派生器件AGKa)AK光強度強弱b)OUIA■光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）

◆是利用一定波長的光照信號觸發導通的晶閘管。

◆由于采用光觸發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合。圖2-13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

43電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4典型全控型器件

2.4.1門極可關斷晶閘管

2.4.2電力晶體管

2.4.3電力場效應晶體管

2.4.4絕緣柵雙極晶體管44電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4典型全控型器件·引言■門極可關斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現?！?0世紀80年代以來，電力電子技術進入了一個嶄新時代。■典型代表——門極可關斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力MOSFETIGBT單管及模塊45電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.1門極可關斷晶閘管■晶閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷，因而屬于全控型器件。

■GTO的結構和工作原理

◆GTO的結構?是PNPN四層半導體結構。?是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出個極，但內部則包含數十個甚至數百個共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內部并聯在一起。

圖2-14GTO的內部結構和電氣圖形符號各單元的陰極、門極間隔排列的圖形并聯單元結構斷面示意圖電氣圖形符號

46電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.1門極可關斷晶閘管圖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分析，V1、V2的共基極電流增益分別是

1、

2。

1+

2=1是器件臨界導通的條件，大于1導通，小于1則關斷。

?GTO與普通晶閘管的不同√設計

2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關斷?！虒〞r

1+

2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。

47電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.1門極可關斷晶閘管?GTO的導通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導通時飽和程度較淺。

?而關斷時，給門極加負脈沖，即從門極抽出電流，當兩個晶體管發射極電流IA和IK的減小使

1+

2<1時，器件退出飽和而關斷。

?GTO的多元集成結構使得其比普通晶閘管開通過程更快，承受di/dt的能力增強。

48電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.1門極可關斷晶閘管■GTO的動態特性

◆開通過程與普通晶閘管類似。

◆關斷過程

?儲存時間ts下降時間tf尾部時間tt?通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。?門極負脈沖電流幅值越大，前沿越陡，

ts就越短。使門極負脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍能保持適當的負電壓，則可以縮短尾部時間。圖2-15GTO的開通和關斷過程電流波形

Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導通時儲存的大量載流子的時間等效晶體管從飽和區退至放大區，陽極電流逐漸減小時間

殘存載流子復合所需時間

49電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.1門極可關斷晶閘管■GTO的主要參數◆GTO的許多參數都和普通晶閘管相應的參數意義相同。

◆最大可關斷陽極電流IATO?用來標稱GTO額定電流。

◆電流關斷增益

off

?最大可關斷陽極電流IATO與門極負脈沖電流最大值IGM之比。

?

off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。

◆開通時間ton

?延遲時間與上升時間之和。?延遲時間一般約1~2

s，上升時間則隨通態陽極電流值的增大而增大。

◆關斷時間toff

?一般指儲存時間和下降時間之和，而不包括尾部時間。

?儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于2

s。■不少GTO都制造成逆導型，類似于逆導晶閘管。當需要承受反向電壓時，應和電力二極管串聯使用。

50電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.2電力晶體管■電力晶體管（GiantTransistor——GTR）按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT）

■GTR的結構和工作原理

◆與普通的雙極結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、開關特性好。

51電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章◆

GTR的結構

?采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結構，并采用集成電路工藝將許多這種單元并聯而成。

?

GTR是由三層半導體（分別引出集電極、基極和發射極）形成的兩個PN結（集電結和發射結）構成，多采用NPN結構。2.4.2電力晶體管圖2-16GTR的結構、電氣圖形符號和內部載流子的流動a)內部結構斷面示意圖b)電氣圖形符號c)內部載流子的流動+表示高摻雜濃度，-表示低摻雜濃度52電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.2電力晶體管空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib圖2-16c)內部載流子的流動

?在應用中，GTR一般采用共發射極接法。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，它反映了基極電流對集電極電流的控制能力。當考慮到集電極和發射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關系為?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，采用達林頓接法可以有效地增大電流增益。(2-9)(2-10)53電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.2電力晶體管■GTR的基本特性◆靜態特性

?在共發射極接法時的典型輸出特性分為截止區、放大區和飽和區三個區域。

?在電力電子電路中，GTR工作在開關狀態，即工作在截止區或飽和區。

?在開關過程中，即在截止區和飽和區之間過渡時，一般要經過放大區。截止區放大區飽和區OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖2-17共發射極接法時GTR的輸出特性54電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.2電力晶體管◆動態特性?開通過程

√需要經過延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。√增大基極驅動電流ib的幅值并增大dib/dt，可以縮短延遲時間，同時也可以縮短上升時間，從而加快開通過程。?關斷過程√需要經過儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關斷時間toff?！虦p小導通時的飽和深度以減小儲存的載流子，或者增大基極抽取負電流Ib2的幅值和負偏壓，可以縮短儲存時間，從而加快關斷速度。?GTR的開關時間在幾微秒以內，比晶閘管和GTO都短很多。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖2-18GTR的開通和關斷過程電流波形主要是由發射結勢壘電容和集電結勢壘電容充電產生的。

是用來除去飽和導通時儲存在基區的載流子的，是關斷時間的主要部分。

55電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.2電力晶體管■GTR的主要參數◆電流放大倍數

、直流電流增益hFE、集電極與發射極間漏電流Iceo、集電極和發射極間飽和壓降Uces、開通時間ton和關斷時間toff

◆最高工作電壓?GTR上所加的電壓超過規定值時，就會發生擊穿。?擊穿電壓不僅和晶體管本身的特性有關，還與外電路的接法有關。

?發射極開路時集電極和基極間的反向擊穿電壓BUcbo基極開路時集電極和發射極間的擊穿電壓BUceo發射極與基極間用電阻聯接或短路聯接時集電極和發射極間的擊穿電壓BUcer和BUces發射結反向偏置時集電極和發射極間的擊穿電壓BUcex

且存在以下關系：

?實際使用GTR時，為了確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。56電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.2電力晶體管◆集電極最大允許電流IcM?規定直流電流放大系數hFE下降到規定的1/2~1/3時所對應的Ic。?實際使用時要留有較大裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點?！艏姌O最大耗散功率PcM

?指在最高工作溫度下允許的耗散功率。?產品說明書中在給出PcM時總是同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。

57電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.2電力晶體管■GTR的二次擊穿現象與安全工作區◆當GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時，集電極電流迅速增大，這種首先出現的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿。◆發現一次擊穿發生時如不有效地限制電流，Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升，同時伴隨著電壓的陡然下降，這種現象稱為二次擊穿。

◆出現一次擊穿后，GTR一般不會損壞，二次擊穿常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對GTR危害極大。

SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖2-19GTR的安全工作區二次擊穿功率

◆安全工作區（SafeOperatingArea——SOA）

?將不同基極電流下二次擊穿的臨界點連接起來，就構成了二次擊穿臨界線。?GTR工作時不僅不能超過最高電壓

UceM，集電極最大電流IcM和最大耗散功率PcM，也不能超過二次擊穿臨界線。58電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.3電力場效應晶體管■分為結型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）,簡稱電力MOSFET（PowerMOSFET）?！鲭娏OSFET是用柵極電壓來控制漏極電流的，它的特點有：◆驅動電路簡單，需要的驅動功率小。

◆開關速度快，工作頻率高。

◆熱穩定性優于GTR。

◆電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過10kW的電力電子裝置。

59電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.3電力場效應晶體管■電力MOSFET的結構和工作原理◆電力MOSFET的種類

?按導電溝道可分為P溝道和N溝道。?當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道的稱為耗盡型。

?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的稱為增強型。

?在電力MOSFET中，主要是N溝道增強型。

60電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.3電力場效應晶體管◆電力MOSFET的結構

?是單極型晶體管。?結構上與小功率MOS管有較大區別，小功率MOS管是橫向導電器件，而目前電力MOSFET大都采用了垂直導電結構，所以又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET），這大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。?按垂直導電結構的差異，分為利用V型槽實現垂直導電的VVMOSFET（VerticalV-grooveMOSFET）和具有垂直導電雙擴散MOS結構的DMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。?電力MOSFET也是多元集成結構。圖2-20電力MOSFET的結構和電氣圖形符號內部結構斷面示意圖b)電氣圖形符號61電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.3電力場效應晶體管◆電力MOSFET的工作原理?截止：當漏源極間接正電壓，柵極和源極間電壓為零時，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。

?導通

√在柵極和源極之間加一正電壓UGS，正電壓會將其下面P區中的空穴推開，而將P區中的少子——電子吸引到柵極下面的P區表面。

√當UGS大于某一電壓值UT時，使P型半導體反型成N型半導體，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電。

√UT稱為開啟電壓（或閾值電壓），UGS超過UT越多，導電能力越強，漏極電流ID越大。

62電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章■電力MOSFET的基本特性

◆靜態特性

?轉移特性√指漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系，反映了輸入電壓和輸出電流的關系。

√ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率被定義為MOSFET的跨導Gfs，即

2.4.3電力場效應晶體管圖2-21電力MOSFET的轉移特性和輸出特性a)轉移特性(2-11)√是電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。63電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.3電力場效應晶體管?輸出特性

√是MOSFET的漏極伏安特性。√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（對應于GTR的飽和區）三個區域，飽和是指漏源電壓增加時漏極電流不再增加，非飽和是指漏源電壓增加時漏極電流相應增加。

√工作在開關狀態，即在截止區和非飽和區之間來回轉換。?本身結構所致，漏極和源極之間形成了一個與MOSFET反向并聯的寄生二極管。?通態電阻具有正溫度系數，對器件并聯時的均流有利。

圖2-21電力MOSFET的轉移特性和輸出特性b)輸出特性64電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章◆動態特性

?開通過程

√開通延遲時間td(on)

電流上升時間tr電壓下降時間tfv開通時間ton=td(on)+tr+

tfv

?關斷過程

√關斷延遲時間td(off)

電壓上升時間trv

電流下降時間tfi

關斷時間toff=td(off)+trv+tfi?MOSFET的開關速度和其輸入電容的充放電有很大關系，可以降低柵極驅動電路的內阻Rs，從而減小柵極回路的充放電時間常數，加快開關速度。2.4.3電力場效應晶體管信號RsRGRFRLiDuGSupiD+UE圖2-22電力MOSFET的開關過程a)測試電路b)開關過程波形up為矩形脈沖電壓信號源，Rs為信號源內阻，RG為柵極電阻，RL為漏極負載電阻，RF用于檢測漏極電流。

(a)(b)65電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.3電力場效應晶體管?不存在少子儲存效應，因而其關斷過程是非常迅速的。?開關時間在10~100ns之間，其工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。?在開關過程中需要對輸入電容充放電，仍需要一定的驅動功率，開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。

66電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.3電力場效應晶體管■電力MOSFET的主要參數◆跨導Gfs、開啟電壓UT以及開關過程中的各時間參數?！袈O電壓UDS

?標稱電力MOSFET電壓定額的參數?！袈O直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM

?標稱電力MOSFET電流定額的參數。

◆柵源電壓UGS

?柵源之間的絕緣層很薄，

UGS

>20V將導致絕緣層擊穿。

◆極間電容

?

CGS、CGD和CDS?！袈┰撮g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。

67電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.4絕緣柵雙極晶體管■GTR和GTO是雙極型電流驅動器件，由于具有電導調制效應，其通流能力很強，但開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。而電力MOSFET是單極型電壓驅動器件，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。絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）綜合了GTR和MOSFET的優點，因而具有良好的特性。

68電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的結構和工作原理

◆IGBT的結構

?是三端器件，具有柵極G、集電極C和發射極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，實現對漂移區電導率進行調制，使得IGBT具有很強的通流能力。?簡化等效電路表明，IGBT是用GTR與MOSFET組成的達林頓結構，相當于一個由MOSFET驅動的厚基區PNP晶體管。

圖2-23IGBT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RN為晶體管基區內的調制電阻。

69電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的工作原理

?IGBT的驅動原理與電力MOSFET基本相同，是一種場控器件。

?其開通和關斷是由柵極和發射極間的電壓UGE決定的。

√當UGE為正且大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，并為晶體管提供基極電流進而使IGBT導通。

√當柵極與發射極間施加反向電壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關斷。

?電導調制效應使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態壓降。

70電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的基本特性

◆靜態特性

?轉移特性

√描述的是集電極電流IC與柵射電壓UGE之間的關系。√開啟電壓UGE(th)是IGBT能實現電導調制而導通的最低柵射電壓，隨溫度升高而略有下降。

（a）圖2-24IGBT的轉移特性和輸出特性a)轉移特性

71電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章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，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關系。

√分為三個區域：正向阻斷區、有源區和飽和區。

√當UCE<0時，IGBT為反向阻斷工作狀態。

√在電力電子電路中，IGBT工作在開關狀態，因而是在正向阻斷區和飽和區之間來回轉換。

(b)圖2-24IGBT的轉移特性和輸出特性b)輸出特性

72電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.4絕緣柵雙極晶體管◆動態特性

?開通過程√開通延遲時間td(on)

電流上升時間tr

電壓下降時間tfv開通時間ton=td(on)+tr+

tfv√tfv分為tfv1和tfv2兩段。

?關斷過程

√關斷延遲時間td(off)

電壓上升時間trv

電流下降時間tfi

關斷時間toff=td(off)+trv+tfi

√tfi分為tfi1和tfi2兩段

?引入了少子儲存現象，因而IGBT的開關速度要低于電力MOSFET。

圖2-25IGBT的開關過程73電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的主要參數◆前面提到的各參數。◆最大集射極間電壓UCES

?由器件內部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓所確定的。

◆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。

74電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.4絕緣柵雙極晶體管◆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。

?在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。

?通態壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區域。

?輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。?與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的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。

75電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的擎住效應和安全工作區◆IGBT的擎住效應?在IGBT內部寄生著一個N-PN+晶體管和作為主開關器件的P+N-P晶體管組成的寄生晶閘管。其中NPN晶體管的基極與發射極之間存在體區短路電阻，P形體區的橫向空穴電流會在該電阻上產生壓降，相當于對J3結施加一個正向偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控，這種現象稱為擎住效應或自鎖效應。

?引發擎住效應的原因，可能是集電極電流過大（靜態擎住效應），dUCE/dt過大（動態擎住效應），或溫度升高。

?動態擎住效應比靜態擎住效應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際上是根據動態擎住效應而確定的。76電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.4.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的安全工作區

?正向偏置安全工作區（ForwardBiasedSafeOperatingArea——FBSOA）

√根據最大集電極電流、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（ReverseBiasedSafeOperatingArea——RBSOA）

√根據最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率dUCE/dt。

77電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.5其他新型電力電子器件

2.5.1MOS控制晶閘管MCT

2.5.2靜電感應晶體管SIT

2.5.3靜電感應晶閘管SITH

2.5.4集成門極換流晶閘管IGCT

2.5.5基于寬禁帶半導體材料的電力

電子器件78電力電子技術西安交通大學第四版王兆安第2章2.5.1MOS控制晶閘管MCT■MCT（MOSControlledThyristor）是將MOSFET與晶閘管組合而成的復合型器件。

■結合了MOSFET的高輸入阻抗、低驅動功率、快速的開關過程和晶閘管的高電壓大電流、低導通壓降的特點。