電力電子器件大全及使用方法詳解

1、電力電子技術(shù)教案第1章 電力電子器件主要內(nèi)容：各種二極管、半控型器件-晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)，器件的選取原則，典型全控型器件：GTO、電力MOSFET、IGBT，功率集成電路和智能功率模塊，電力電子器件的串并聯(lián)、電力電子器件的保護(hù)，電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路。重點(diǎn)：晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)，器件的選取原則，典型全控型器件。難點(diǎn)：晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)?；疽螅赫莆瞻肟匦推骷?晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)，熟練掌握器件的選取原則，掌握典型全控型器件，了解電力電子器件的串并聯(lián)，了解電力電子

2、器件的保護(hù)。1 電力電子器件概述(1) 電力電子器件的概念和特征主電路（main power circuit）-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；電力電子器件（power electronic device）-可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件；廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類。兩類中，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，真空管僅在頻率很高（如微波）的大功率高頻電源中還在使用，而電力半導(dǎo)體器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、閘流管（Thyratron）等電真空器件，成為絕對(duì)主力。因此，電力電子器件目前也往

3、往專指電力半導(dǎo)體器件。電力半導(dǎo)體器件所采用的主要材料仍然是硅。同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征：a. 能處理電功率的大小，即承受電壓和電流的能力，是最重要的參數(shù)；其處理電功率的能力小至毫瓦級(jí)，大至兆瓦級(jí)，大多都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。b. 電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)；導(dǎo)通時(shí)（通態(tài)）阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，而電流由外電路決定；阻斷時(shí)（斷態(tài)）阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決定；電力電子器件的動(dòng)態(tài)特性（也就是開(kāi)關(guān)特性）和參數(shù)，也是電力電子器件特性很重要的方面，有些時(shí)候甚至上升為第一位的重要問(wèn)題。作電路分析時(shí)，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)往往用理想開(kāi)關(guān)來(lái)

4、代替c. 實(shí)用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制。在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對(duì)控制電路的信號(hào)進(jìn)行放大，這就是電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路。d. 為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過(guò)高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計(jì)，在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器。導(dǎo)通時(shí)器件上有一定的通態(tài)壓降，形成通態(tài)損耗阻斷時(shí)器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過(guò)，形成斷態(tài)損耗在器件開(kāi)通或關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗，總稱開(kāi)關(guān)損耗對(duì)某些器件來(lái)講，驅(qū)動(dòng)電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小，因而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因器件開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)隨之增

5、大而可能成為器件功率損耗的主要因素(2) 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成?？刂齐娐钒聪到y(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷，來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。有的電力電子系統(tǒng)中，還需要有檢測(cè)電路。廣義上往往其和驅(qū)動(dòng)電路等主電路之外的電路都?xì)w為控制電路，從而粗略地說(shuō)電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成的。主電路中的電壓和電流一般都較大，而控制電路的元器件只能承受較小的電壓和電流，因此在主電路和控制電路連接的路徑上，如驅(qū)動(dòng)電路與主電路的連接處，或者驅(qū)動(dòng)電路與控制信號(hào)的連接處，以及主電路與檢測(cè)電路的連接處，一般需

6、要進(jìn)行電氣隔離，而通過(guò)其它手段如光、磁等來(lái)傳遞信號(hào)。由于主電路中往往有電壓和電流的過(guò)沖，而電力電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴，但承受過(guò)電壓和過(guò)電流的能力卻要差一些，因此，在主電路和控制電路中附加一些保護(hù)電路，以保證電力電子器件和整個(gè)電力電子系統(tǒng)正常可靠運(yùn)行，也往往是非常必要的。器件一般有三個(gè)端子（或稱極），其中兩個(gè)聯(lián)結(jié)在主電路中，而第三端被稱為控制端（或控制極）。器件通斷是通過(guò)在其控制端和一個(gè)主電路端子之間加一定的信號(hào)來(lái)控制的，這個(gè)主電路端子是驅(qū)動(dòng)電路和主電路的公共端，一般是主電路電流流出器件的端子。(3) 電力電子器件的分類按照器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，分為以下三類：a.

7、 半控型器件-通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定b. 全控型器件-通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件是絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar Transistor-IGBT）電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power MOSFET，簡(jiǎn)稱為電力MOSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor-GTO）c. 不可控器件-不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷，因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路電力二極管（Power Diode）只有兩個(gè)端子，器件的通和斷是由其在主

8、電路中承受的電壓和電流決定的按照驅(qū)動(dòng)電路加在器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：電流驅(qū)動(dòng)型-通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制電壓驅(qū)動(dòng)型-僅通過(guò)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)斷的控制電壓驅(qū)動(dòng)型器件實(shí)際上是通過(guò)加在控制端上的電壓在器件的兩個(gè)主電路端子之間產(chǎn)生可控的電場(chǎng)來(lái)改變流過(guò)器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱為場(chǎng)控器件，或場(chǎng)效應(yīng)器件按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類：?jiǎn)螛O型器件-由一種載流子參與導(dǎo)電的器件雙極型器件-由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件復(fù)合型器件-由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件2 不可控器件-電

9、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） PN結(jié)與電力二極管的工作原理 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 以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ) 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1-1 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)，PN結(jié)的單向?qū)щ娦?；PN結(jié)的反向擊穿：有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導(dǎo)致熱擊穿。PN結(jié)的電容效應(yīng)：PN

10、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勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。勢(shì)壘電容的大小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層厚度成反比而擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開(kāi)關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作，?yīng)用時(shí)應(yīng)加以注意。造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素： 正向?qū)〞r(shí)要流過(guò)很大的電流，其電流密度較大，因而額外

11、載流子的注入水平較高，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略 引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響 承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應(yīng)也會(huì)有較大影響 為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大（2） 電力二極管的基本特性a 靜態(tài)特性主要指其伏安特性當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開(kāi)始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當(dāng)電力二極管承受反向電壓時(shí)，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。b 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性-因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，此過(guò)程中的電壓-電流特性是隨時(shí)

12、間變化的開(kāi)關(guān)特性-反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程關(guān)斷過(guò)程： 須經(jīng)過(guò)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)顟B(tài) 在關(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(guò)沖圖1-2 反向恢復(fù)過(guò)程中電流和電壓波形(3) 電力二極管的主要參數(shù)a. 正向平均電流IF(AV)額定電流-在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值 正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，因此使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。 當(dāng)用在頻率較高的場(chǎng)合時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略 當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時(shí)，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱

13、效應(yīng)也不小b. 正向壓降UF 指電力二極管在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降 有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過(guò)某一瞬態(tài)正向大電流時(shí)器件的最大瞬時(shí)正向壓降c. 反向重復(fù)峰值電壓URRM 指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓 通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3 使用時(shí)，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來(lái)選定d. 最高工作結(jié)溫TJM 結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示 最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度 TJM通常在125175C范圍之內(nèi)e. 反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr= td+ tf ，關(guān)斷過(guò)程中，電流降到0起到

14、恢復(fù)反響阻斷能力止的時(shí)間f. 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(guò)電流。(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(fù)特性的不同介紹 在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)合的不同要求，選擇不同類型的電力二極管 性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的a. 普通二極管（General Purpose Diode） 又稱整流二極管（Rectifier Diode） 多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中 其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5s以上，這在開(kāi)關(guān)頻率不高時(shí)并不重要 正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和

15、數(shù)千伏以上b. 快恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode-FRD） 恢復(fù)過(guò)程很短特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短（5s以下）的二極管，也簡(jiǎn)稱快速二極管 工藝上多采用了摻金措施 有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu) 有的采用改進(jìn)的PiN結(jié)構(gòu) 采用外延型PiN結(jié)構(gòu)的的快恢復(fù)外延二極管（Fast Recovery Epitaxial Diodes-FRED），其反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在400V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)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。圖1-3 快速整流二極管的正向恢復(fù)

16、特性a） 管壓降隨時(shí)間變化的曲線 b) 二極管開(kāi)通電流波形c. 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)的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管（Schottky Barrier Diode-SBD），簡(jiǎn)稱為肖特基二極管20世紀(jì)80年代以來(lái)，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)： 反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns）； 正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)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(fù)二極管； 其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。肖特基二極管的弱點(diǎn)： 當(dāng)反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于200V以下； 反向漏電流

17、較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。3 半控型器件-晶閘管基本要求：掌握半控型器件-晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)，熟練掌握器件的選取原則。重點(diǎn)：晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)，器件的選取原則。難點(diǎn)：晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)。晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier-SCR） 1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Laboratories）發(fā)明了晶閘管 1957年美國(guó)通用電氣公司（General Electric

18、Company）開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品 1958年商業(yè)化 開(kāi)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(lái)，開(kāi)始被性能更好的全控型器件取代 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往往專指晶閘管的一種基本類型-普通晶閘管廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件(1) 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖1-4 晶閘管的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和模塊外形a) 晶閘管外形 b) 內(nèi)部結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào) d) 模塊外形 外形有螺栓型和平板型兩種封裝 引出陽(yáng)極A、陰極K和門極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端 對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器緊密聯(lián)接且

19、安裝方便 平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1）Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2）IK=IA+IG （1-3）IA=IC1+IC2 （1-4）圖1-5 晶閘管工作條件的實(shí)驗(yàn)電路圖1-6 晶閘管的雙晶體管模型式中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。晶體管的特性是：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(lái)之后，迅速增大。阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和開(kāi)通（門極觸發(fā)）：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

20、話，流過(guò)晶閘管的電流IA（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。其他幾種可能導(dǎo)通的情況： 陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng) 陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高 結(jié)溫較高 光直接照射硅片，即光觸發(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)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐，稱為光控晶閘管（Light Triggered Thyristor-LTT）只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段（2 ）晶閘管的基本特性a. 靜態(tài)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

21、晶閘管才能開(kāi)通； 晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用； 要使晶閘管關(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。晶閘管的伏安特性：第I象限的是正向特性；第III象限的是反向特性； IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過(guò)，正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通； 隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低； 導(dǎo)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(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維持電流。 晶閘管上施加反向電壓時(shí)，

22、伏安特性類似二極管的反向特性。圖1-7 晶閘管的伏安特性IG2 IG1 IG 晶閘管的門極觸發(fā)電流從門極流入晶閘管，從陰極流出， 陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端，。 門極觸發(fā)電流也往往是通過(guò)觸發(fā)電路在門極和陰極之間施加觸發(fā)電壓而產(chǎn)生的。 晶閘管的門極和陰極之間是PN結(jié)J3，其伏安特性稱為門極伏安特性。為保證可靠、安全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應(yīng)限制在可靠觸發(fā)區(qū)。b. 動(dòng)態(tài)特性圖1-8 晶閘管的動(dòng)態(tài)過(guò)程及相應(yīng)的損耗1) 開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td：門極電流階躍時(shí)刻開(kāi)始，到陽(yáng)極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時(shí)間；上升時(shí)間tr：陽(yáng)極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間；開(kāi)通時(shí)間t

23、gt：以上兩者之和，tgt= td + tr （1-6）普通晶閘管延遲時(shí)間為0.5-1.5s，上升時(shí)間為0.5-3s。2) 關(guān)斷過(guò)程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間；正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間； 在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)ǎ?實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。關(guān)斷時(shí)間tq：trr與tgr之和，即 tq=trr+tgr （1-7）普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。(3) 晶閘管的主要參數(shù)a. 電壓定

24、額1) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。2) 反向重復(fù)峰值電壓URRM在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。3) 通態(tài)（峰值）電壓UTM晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。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)，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓的23倍，b. 電流定額1) 通態(tài)平均電流IT(AV) （額定電流）晶閘管在環(huán)境溫度為40(C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。 使

25、用時(shí)應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管 應(yīng)留一定的裕量，一般取1.5-2倍正弦半波電流平均值IT (AV)、電流有效值IT 和電流最大值Im三者的關(guān)系為： （1.1） （1.2）各種有直流分量的電流波形，其電流波形的有效值I與平均值Id之比，稱為這個(gè)電流的波形系數(shù)，用K f 表示。因此，在正弦半波情況下電流波形系數(shù)為： （1.3）所以，晶閘管在流過(guò)任意波形電流并考慮了安全裕量情況下的額定電流IT(AV) 的計(jì)算公式為： （1.4）在使用中還應(yīng)注意，當(dāng)晶閘管散熱條件不滿足規(guī)定要求時(shí)，則元件的額定電流應(yīng)立即降低使用，否則元件會(huì)由于結(jié)溫超過(guò)允許值而損壞。2) 維持電流IH使晶閘管

26、維持導(dǎo)通所必需的最小電流 一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH越小3) 擎住電流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，能維持導(dǎo)通所需的最小電流 對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的24倍4) 浪涌電流ITSM指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流c. 動(dòng)態(tài)參數(shù)除開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有：a.） 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt指在額定結(jié)溫和門極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率 在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)電容的J2結(jié)會(huì)有充電電流流過(guò)，被稱為位移電流。此電流流經(jīng)J3結(jié)時(shí)，起到類

27、似門極觸發(fā)電流的作用。如果電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通b.） 通態(tài)電流臨界上升率di/dt指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率 如果電流上升太快，則晶閘管剛一開(kāi)通，便會(huì)有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞(4) 晶閘管的派生器件a. 快速晶閘管（Fast Switching Thyristor-FST） 包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管 管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt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10s左右

28、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，選擇通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)b. 雙向晶閘管（Triode AC Switch-TRIAC或Bidirectional triode thyristor）圖1-9 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) 伏安特性 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 正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第和第III象限有對(duì)稱的伏安特性 與一對(duì)反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡(jiǎn)單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（Solid State Relay-SSR）和交流電機(jī)調(diào)

29、速等領(lǐng)域應(yīng)用較多 通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。c. 逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting Thyristor-RCT） 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) 逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個(gè)，一個(gè)是晶閘管電流，一個(gè)是反并聯(lián)二極管的電流圖1-10 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) 伏安特性圖1-11 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d. 光控晶閘管（Light Triggered Thyristor-LTT） 又稱光觸

30、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 小功率光控晶閘管只有陽(yáng)極和陰極兩個(gè)端子 大功率光控晶閘管則還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器 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，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位。4 典型全控型器件基本要求：掌握典型全控型器件重點(diǎn)：典型全控型器件 門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。 20世紀(jì)80年代以來(lái)，信息電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合高頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，從而將電力電子技術(shù)又帶入了一個(gè)嶄新時(shí)代典型代表門極可

31、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) 門極可關(guān)斷晶閘管 門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off ThyristorGTO） 晶閘管的一種派生器件 可以通過(guò)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（2） 電力晶體管電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時(shí)候也稱為Power BJT，在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個(gè)名稱等效。 應(yīng)用：20世紀(jì)

32、80年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代；a. GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理與普通的雙極結(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(kāi)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）產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中通常給直流電流增益hFE在直流工作情況下集電極電流與基極電流之比。一般可認(rèn)為

33、hFE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b. GTR的基本特性圖1.12 共發(fā)射極接法時(shí)GTR的靜態(tài)特性(1) 靜態(tài)特性 共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū) 在電力電子電路中GTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū) 在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，要經(jīng)過(guò)放大區(qū)(2) 動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通過(guò)程圖1.13 GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開(kāi)通時(shí)間tontd主要是由發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電產(chǎn)生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時(shí)間，同時(shí)可縮短上升時(shí)間，從而加快開(kāi)通

34、過(guò)程 關(guān)斷過(guò)程儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toffts是用來(lái)除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時(shí)間的主要部分減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減小儲(chǔ)存的載流子，或者增大基極抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓，可縮短儲(chǔ)存時(shí)間，從而加快關(guān)斷速度負(fù)面作用是會(huì)使集電極和發(fā)射極間的飽和導(dǎo)通壓降Uces增加，從而增大通態(tài)損耗 GTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多c. GTR的主要參數(shù)前已述及：電流放大倍數(shù)(、直流電流增益hFE、集射極間漏電流Iceo、集射極間飽和壓降Uces、開(kāi)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff此外還有：1) 最高工作電壓 GTR上電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿擊穿電

35、壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)BUcbo BUcex BUces BUcer BUceo實(shí)際使用時(shí)，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多2) 集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/21/3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IcM的一半或稍多一點(diǎn)3) 集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中給PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度d. GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū) 一次擊穿： 集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿； 只要Ic不超過(guò)限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。 二次擊穿： 一

36、次擊穿發(fā)生時(shí)Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降， 常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。 安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA）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。圖1-14 GTR的安全工作區(qū)(3) 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 也分為結(jié)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(jiǎn)稱電力MOSFET（Power 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（S

37、tatic Induction TransistorSIT） 特點(diǎn)用柵極電壓來(lái)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(kāi)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(guò)10kW的電力電子裝置a. 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 電力MOSFET的種類 按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道 耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道增強(qiáng)型對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道 電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型 電力MOSFET的結(jié)構(gòu) 導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，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

38、有較大區(qū)別 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VMOSFET（Vertical MOSFET）大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力 按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，又分為利用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VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET） 這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論 電力MOSFET的多元集成結(jié)構(gòu) 國(guó)際整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六邊形單元 西門子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形單元圖1-

39、15 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào) 摩托羅拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列 電力MOSFET的工作原理截止：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(wú)電流流過(guò) 導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS 柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過(guò)。但柵極的正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開(kāi)，而將P區(qū)中的少子電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面 當(dāng)UGS大于UT（開(kāi)啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過(guò)空穴濃度，使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

40、消失，漏極和源極導(dǎo)電圖1-16 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b. 電力MOSFET的基本特性1) 靜態(tài)特性 漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs MOSFET的漏極伏安特性（輸出特性）： 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)于GTR的飽和區(qū)）圖1-17 電力MOSFET的動(dòng)態(tài)特性波形電力MOSFET工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換電力MOSFET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 電力MOSF

41、ET的通態(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2) 動(dòng)態(tài)特性u(píng)p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 開(kāi)通過(guò)程 開(kāi)通延遲時(shí)間td(on) up前沿時(shí)刻到uGS=UT并開(kāi)始出現(xiàn)iD的時(shí)刻間的時(shí)間段 上升時(shí)間tr uGS從uT上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時(shí)間段iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負(fù)載電阻決定UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)UGS達(dá)到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變 開(kāi)通時(shí)間ton開(kāi)通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和 開(kāi)通過(guò)程 關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) up下降到零起，Cin通過(guò)Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲

42、線下降到UGSP時(shí)，iD開(kāi)始減小止的時(shí)間段 下降時(shí)間tf uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿4) 極間電容 極間電容CGS、CGD和CDS 廠家提供：漏源極短路時(shí)的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容CrssCiss= CGS+ CGD （1-14）Crss= CGD （1-15）Coss= CDS+ CGD （1-16） 輸入電容可近似用Ciss代替 這些電容都是非線性的 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(qū) 一般來(lái)說(shuō)，電力MOSFET不存在二次擊穿問(wèn)題，這是它的一大優(yōu)點(diǎn) 實(shí)際使用中仍應(yīng)注意留適當(dāng)?shù)?/p>

43、裕量(4) 絕緣柵雙極晶體管 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(kāi)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(kāi)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 兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOS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)，具有良好的特性 1986年投入市場(chǎng)后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場(chǎng)，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

44、a. IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E圖1-18 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) 圖1-19aN溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT（N-IGBT） IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個(gè)大面積的P+N結(jié)J1使IGBT導(dǎo)通時(shí)由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT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 RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻 I

45、GBT的原理 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(kāi)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 導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小 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b. IGBT的基本特性1) IGBT的靜態(tài)特性圖1-19 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IC與UGE間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似開(kāi)啟電壓UGE(th)IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓UGE(th)隨溫度

46、升高而略有下降，在+25(C時(shí)，UGE(th)的值一般為26V 輸出特性（伏安特性）以UGE為參考變量時(shí)，IC與UCE間的關(guān)系圖1-20 IGBT的動(dòng)態(tài)特性分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對(duì)應(yīng)uCE0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)2) IGBT的動(dòng)態(tài)特性IGBT的開(kāi)通過(guò)程 與MOSFET的相似，因?yàn)殚_(kāi)通過(guò)程中IGBT在大部分時(shí)間作為MOSFET運(yùn)行 開(kāi)通延遲時(shí)間td(on) 從uGE上升至其幅值10%的時(shí)刻，到iC上升至10% ICM 電流上升時(shí)間tr iC從10%ICM上升至90%ICM所需時(shí)間 開(kāi)通時(shí)間ton開(kāi)通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和 u

47、CE的下降過(guò)程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程；tfv2MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過(guò)程 IGBT的關(guān)斷過(guò)程 關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) 從uGE后沿下降到其幅值90%的時(shí)刻起，到iC下降至90%ICM 電流下降時(shí)間iC從90%ICM下降至10%ICM 關(guān)斷時(shí)間toff關(guān)斷延遲時(shí)間與電流下降時(shí)間之和 電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過(guò)程，iC下降較快；tfi2IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過(guò)程，iC下降較慢 IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來(lái)了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也

48、引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開(kāi)關(guān)速度低于電力MOSFET IGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時(shí)間也是需要折衷的參數(shù)c. IGBT的主要參數(shù)1) 最大集射極間電壓UCES 由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定2) 最大集電極電流 包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP3) 最大集電極功耗PCM 正常工作溫度下允許的最大功耗IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)(1) 開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng)(2) 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(3) 通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域

49、(4) 輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似(5) 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(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)圖1-22 具有寄生晶閘管的IGBT等效電路d. IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)圖1-23 IGBT安全工作區(qū)a) FBSOA b) RBSOA寄生晶閘管由一個(gè)N-PN+晶體管和作為主開(kāi)關(guān)器件的P+N-P晶體管組成 擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：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(kāi)通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控 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 正

50、偏安全工作區(qū)（FBSOA）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(qū)（RBSOA）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(kāi)始逐漸解決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5 其他新型電力電子器件(1) MOS控制晶閘管MCTMCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET與晶閘管的復(fù)合MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)：MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率、快速的開(kāi)關(guān)過(guò)程晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降一個(gè)MCT器件由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的MCT元組

51、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(kāi)通的MOSFET，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFETMCT曾一度被認(rèn)為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器件。因此，20世紀(jì)80年代以來(lái)一度成為研究的熱點(diǎn)。但經(jīng)過(guò)十多年的努力，其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)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(2) 靜電感應(yīng)晶體管SITSIT（Static Induction Transistor）1970年，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管小功率SIT器件的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)改為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，即可制成大功率的SIT器件多子導(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

52、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)關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用(3) 靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITH（Static Induction Thyristor）1972年，在SIT的漏極層上附加一層與漏極層導(dǎo)電類型不同的發(fā)射極層而得到，因其工作原理與SIT類似，門極和陽(yáng)極電壓均能通過(guò)電場(chǎng)控制陽(yáng)極電流，因此SITH又被稱為場(chǎng)控晶閘管（Field Controlled ThyristorFCT）比SIT多了一個(gè)具有少子注入功能的PN結(jié)， SITH是兩

53、種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)。其很多特性與GTO類似，但開(kāi)關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件 SITH一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，其制造工藝比GTO復(fù)雜得多，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展(4) 集成門極換流晶閘管IGCTIGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor），也稱GCT（Gate-Commutated Thyristor），20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點(diǎn)，容量與GTO相當(dāng)，開(kāi)關(guān)速度快10倍，且可省去GTO龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過(guò)所需的驅(qū)動(dòng)功率仍很大目前正在與IGBT等新型器件激烈競(jìng)爭(zhēng)，試圖最終取代GTO在大功率場(chǎng)合的位置(5