第一章功率半導(dǎo)體器件

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第一章 功率半導(dǎo)體器件1.1 概述1.1.1 功率半導(dǎo)體器件的定義圖1-1為電力電子裝置的示意圖，輸入電功率經(jīng)功率變換器變換后輸出至負載。功率變換器即為通常所說的電力電子電路（也稱主電路），它由電力電子器件構(gòu)成。目前，除了在大功率高頻微波電路中仍使用真空管（電真空器件）外，其余的電力電子電路均由功率半導(dǎo)體器件組成。圖1-1 電力電子裝置示意圖一個理想的功率半導(dǎo)體器件、應(yīng)該具有好的靜態(tài)和動態(tài)特性，在截止?fàn)顟B(tài)時能承受高電壓且漏電流要??；在導(dǎo)通狀態(tài)時，能流過大電流和很低的管壓降；在開關(guān)轉(zhuǎn)換時，具有短的開、關(guān)時間；通態(tài)損耗、斷態(tài)損耗和開關(guān)損耗均要小。同時能承受高的di/dt和

2、du/dt以及具有全控功能。1.1.2 功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展功率半導(dǎo)體器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，也是電力電子技術(shù)發(fā)展的“龍頭”。從1958年美國通用電氣公司研制出世界上第一個工業(yè)用普通晶閘管開始，電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)的變流機組和靜止的離子變流器進入由功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成的變流器時代。功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展經(jīng)歷了以下階段：大功率二極管產(chǎn)生于20世紀40年代，是功率半導(dǎo)體器件中結(jié)構(gòu)最簡單、使用最廣泛的一種器件。目前已形成整流二極管（Rectifier Diode）、快恢復(fù)二極管（Fast Recovery DiodeFRD）和肖特基二極管（Schottky Barrier DiodeSBD）等3種主

3、要類型。晶閘管（Thyristor, or Silicon Controlled RectifierSCR）可以算作是第一代電力電子器件，它的出現(xiàn)使電力電子技術(shù)發(fā)生了根本性的變化。但它是一種無自關(guān)斷能力的半控器件，應(yīng)用中必須考慮關(guān)斷方式問題，電路結(jié)構(gòu)上必須設(shè)置關(guān)斷（換流）電路，大大復(fù)雜了電路結(jié)構(gòu)、增加了成本、限制了在頻率較高的電力電子電路中的應(yīng)用。此外晶閘管的開關(guān)頻率也不高，難于實現(xiàn)變流裝置的高頻化。晶閘管的派生器件有逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管等。20世紀70年代出現(xiàn)了稱之為第二代的自關(guān)斷器件，如門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off ThyristorGTO），大功率雙極型晶體

4、管（Bipolar Junction TransistorBJT, or Giant TransistorGTR），功率場效應(yīng)管（Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect TransistorPower MOSFET）等。20世紀80年代出現(xiàn)了以絕緣柵極雙極型晶體管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT, or IGT）為代表的第三代復(fù)合導(dǎo)電機構(gòu)的場控半導(dǎo)體器件。20世紀80年代后期，功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展趨勢為模塊化、集成化，按照電力電子電路的各種拓樸結(jié)構(gòu)，將多個相同的功率半導(dǎo)體器件或不同的功率半導(dǎo)體器件封裝

5、在一個模塊中，這樣可縮小器件體積、降低成本、提高可靠性。值得指出的是新的一代器件的出現(xiàn)并不意味著老的器件被淘汰，世界上SCR產(chǎn)量仍占全部功率半導(dǎo)體器件總數(shù)的一半，是目前高壓、大電流裝置中不可替代的元件。1.1.3 功率半導(dǎo)體器件的分類功率半導(dǎo)體器件可按可控性、驅(qū)動信號類型來進行分類。1按可控性分類根據(jù)能被驅(qū)動（觸發(fā)）電路輸出控制信號所控制的程度，可將功率半導(dǎo)體器件分為不控型器件、半控型器件、全控型器件等3種。（1）不控型器件不能用控制信號來控制開通、關(guān)斷的功率半導(dǎo)體器件。（2）半控型器件能利用控制信號控制其導(dǎo)通，但不能控制其關(guān)斷的功率半導(dǎo)體器件稱為半控型器件。（3）全控型器件能利用控制信號控制

6、其導(dǎo)通，也能控制其關(guān)斷的功率半導(dǎo)體器件稱為全控型器件，通常也稱為自關(guān)斷器件。2按驅(qū)動信號類型分類（1）電流驅(qū)動型通過在控制端注入或抽出電流來實現(xiàn)開通或關(guān)斷的器件稱為電流驅(qū)動型功率半導(dǎo)體器件。GTO、GTR為電流驅(qū)動型功率半導(dǎo)體器件。（2）電壓驅(qū)動型通過在控制端和另一公共得端加入一定的電壓信號來實現(xiàn)開通或關(guān)斷的器件稱為電壓驅(qū)動型功率半導(dǎo)體器件。P-MOSFET、IGBT為電壓驅(qū)動型功率半導(dǎo)體器件。1.2 大功率二極管1.2.1 大功率二極管的結(jié)構(gòu)大功率二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個具有型及型兩層半導(dǎo)體、一個PN結(jié)和陽極A、陰極K的兩層兩端半導(dǎo)體器件，其符號表示如圖1-2a）所示。  

7、          a） 符號 b） 螺旋式 c） 平板式                               圖1-2 大功率二極管從外部構(gòu)成看，也分成管芯和散熱器兩部分。這是由于二極管工作時管芯中要

8、通過強大的電流，而PN結(jié)又有一定的正向電阻，管芯要因損耗而發(fā)熱。為了管芯的冷卻，必須配備散熱器。一般情況下，200A以下的管芯采用螺旋式（圖1-2b），200A以上則采用平板式（圖1-2c）。1.2.2 大功率二極管的特性1大功率二極管的伏安特性二極管陽極和陰極間的電壓Uak與陽極電流ia間的關(guān)系稱為伏安特性，如圖1-3所示。第象限為正向特性區(qū)，表現(xiàn)為正向?qū)顟B(tài)。第象限為反向特性區(qū)，表現(xiàn)為反向阻斷狀態(tài)。 a）實際特性 b）理想特性圖1-3 大功率二極管的伏安特性 2大功率二極管的開通、關(guān)斷特性大功率二極管具有延遲導(dǎo)通和延遲關(guān)斷的特征，關(guān)斷時會出現(xiàn)瞬時反向電流和瞬時反向過電壓。（1）大功率二極

9、管的開通過程大功率二極管的開通需一定的過程，初期出現(xiàn)較高的瞬態(tài)壓降，過一段時間后才達到穩(wěn)定，且導(dǎo)通壓降很小。圖1-4為大功率二極管開通過程中的管壓降uD和正向電流iD的變化曲線。由圖可見，在正向恢復(fù)時間tfr內(nèi)，正在開通的大功率二極管上承受的峰值電壓UDM比穩(wěn)態(tài)管壓降高的多，在有些二極管中的峰值電壓可達幾十伏。圖1-4 大功率二極管的開通過程 圖1-5 大功率二極管的關(guān)斷過程（2）大功率二極管的關(guān)斷過程圖1-5為大功率二極管關(guān)斷過程電壓、電流波形。大功率二極管應(yīng)用在低頻整流電路時可不考慮其動態(tài)過程，但在高頻逆變器、高頻整流器、緩沖電路等頻率較高的電力電子電路中就要考慮大功率二極管的開通、關(guān)斷等

10、動態(tài)過程。1.2.3 大功率二極管的主要參數(shù)1、額定正向平均電流（額定電流）IF指在規(guī)定40的環(huán)境溫度和標(biāo)準散熱條件下，元件結(jié)溫達額定且穩(wěn)定時，容許長時間連續(xù)流過工頻正弦半波電流的平均值。將此電流整化到等于或小于規(guī)定的電流等級，則為該二極管的額定電流。在選用大功率二極管時，應(yīng)按元件允許通過的電流有效值來選取。對應(yīng)額定電流IF的有效值為1.57IF。2、反向重復(fù)峰值電壓（額定電壓）RRM在額定結(jié)溫條件下，元件反向伏安特性曲線（第象限）急劇拐彎處于所對應(yīng)的反向峰值電壓稱為反向不重復(fù)峰值電壓URSM。反向不重復(fù)峰值電壓值的80稱為反向重復(fù)峰值電壓URRM。再將URRM整化到等于或小于該值的電壓等級，

11、即為元件的額定電壓。3、反向漏電流IRR對應(yīng)于反向重復(fù)峰值電壓URRM下的平均漏電流稱為反向重復(fù)平均電流IRR。4、正向平均電壓UF在規(guī)定的40環(huán)境溫度和標(biāo)準的散熱條件下，元件通以工頻正弦半波額定正向平均電流時，元件陽、陰極間電壓的平均值，有時亦稱為管壓降。元件發(fā)熱與損耗與UF有關(guān)，一般應(yīng)選用管壓降小的元件以降低元件的導(dǎo)通損耗。5、大功率二極管的型號普通型大功率二極管型號用ZP表示，其中Z代表整流特性，P為普通型。普通型大功率二極管型號可表示如下ZP電流等級電壓等級/100通態(tài)平均電壓組別如型號為ZP5016的大功率二極管表示：普通型大功率二極管，額定電流為50A，額定電壓為1600V。1.3

12、 晶閘管（SCR）1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是大功率的半導(dǎo)體器件，從總體結(jié)構(gòu)上看，可區(qū)分為管芯及散熱器兩大部分，分別如圖1-6及圖1-7所示。           a） 螺栓型 b）平板型 c）符號圖1-6 晶閘管管芯及電路符號表示 管芯是晶閘管的本體部分，由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，具有三個與外電路可以連接的電極：陽極，陰極和門極（或稱控制極），其電路圖中符號表示如圖1-6c）所示。散熱器則是為了將管芯在工作時由損耗產(chǎn)生的熱量帶走而設(shè)置的冷卻器。按照晶閘管管芯與散熱器間的安裝方式，晶閘管可分為螺栓型

13、與平板型兩種。螺栓型（圖1-6a）依靠螺栓將管芯與散熱器緊密連接在一起，并靠相互接觸的一個面?zhèn)鬟f熱量。a）自冷 b）風(fēng)冷 c）水冷                        圖1-7 晶閘管的散熱器晶閘管管芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，是一個四層（P1N1P2N2）三端（A、K、G）的功率半導(dǎo)體器件。它是在N型的硅基片（N1）的兩邊擴散型半導(dǎo)體雜質(zhì)層（P1、P2），

14、形成了兩個PN結(jié)J1、J2。再在P2層內(nèi)擴散型半導(dǎo)體雜質(zhì)層N2又形成另一個PN結(jié)J3。然后在相應(yīng)位置放置鉬片作電極，引出陽極A，陰極K及門極G，形成了一個四層三端的大功率電子元件。這個四層半導(dǎo)體器件由于有三個PN結(jié)的存在，決定了它的可控導(dǎo)通特性。圖1-8 晶閘管管芯結(jié)構(gòu)原理圖 1.3.2 晶閘管的工作原理通過理論分析和實驗驗證表明：1） 只有當(dāng)晶閘管同時承受正向陽極電壓和正向門極電壓時晶閘管才能導(dǎo)通，兩者不可缺一。2） 晶閘管一旦導(dǎo)通后門極將失去控制作用，門極電壓對管子隨后的導(dǎo)通或關(guān)斷均不起作用，故使晶閘管導(dǎo)通的門極電壓不必是一個持續(xù)的直流電壓，只要是一個具有一定寬度的正向脈沖電壓即可，脈沖的

15、寬度與晶閘管的開通特性及負載性質(zhì)有關(guān)。這個脈沖常稱之為觸發(fā)脈沖。3） 要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，必須使陽極電流降低到某一數(shù)值之下（約幾十毫安）。這可以通過增大負載電阻，降低陽極電壓至接近于零或施加反向陽極電壓來實現(xiàn)。這個能保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流稱為維持電流，是晶閘管的一個重要參數(shù)。晶閘管為什么會有以上導(dǎo)通和關(guān)斷的特性，這與晶閘管內(nèi)部發(fā)生的物理過程有關(guān)。晶閘管是一個具有P1N1P2N2四層半導(dǎo)體的器件，內(nèi)部形成有三個PN結(jié)J1、J2、J3，晶閘管承受正向陽極電壓時，其中J1、J3承受反向阻斷電壓，J2承受正向阻斷電壓。這三個PN結(jié)的功能可以看作是一個PNP型三極管VT1（P1N1P2）和一個NP

16、N型三極管VT2（N1P2N2）構(gòu)成的復(fù)合作用，如圖1-9所示。圖1-9 晶閘管的等效復(fù)合三極管效應(yīng)可以看出，兩個晶體管連接的特點是一個晶體管的集電極電流就是另一個晶體管的基極電流，當(dāng)有足夠的門極電流Ig流入時，兩個相互復(fù)合的晶體管電路就會形成強烈的正反饋，導(dǎo)致兩個晶體管飽和導(dǎo)通，也即晶閘管的導(dǎo)通。如果晶閘管承受的是反向陽極電壓，由于等效晶體管VT1、VT2均處于反壓狀態(tài)，無論有無門極電流Ig，晶閘管都不能導(dǎo)通。1.3.3 晶閘管的基本特性1靜態(tài)特性靜態(tài)特性又稱伏安特性，指的是器件端電壓與電流的關(guān)系。這里介紹陽極伏安特性和門極伏安特性。（1） 陽極伏安特性晶閘管的陽極伏安特性表示晶閘管陽極與陰

17、極之間的電壓Uak與陽極電流ia之間的關(guān)系曲線，如圖1-10所示。圖1-10 晶閘管陽極伏安特性 正向阻斷高阻區(qū)；負阻區(qū)；正向?qū)ǖ妥鑵^(qū)；反向阻斷高阻區(qū)陽極伏安特性可以劃分為兩個區(qū)域：第象限為正向特性區(qū)，第象限為反向特性區(qū)。第象限的正向特性又可分為正向阻斷狀態(tài)及正向?qū)顟B(tài)。（2） 門極伏安特性晶閘管的門極與陰極間存在著一個PN結(jié)J3，門極伏安特性就是指這個PN結(jié)上正向門極電壓Ug與門極電流Ig間的關(guān)系。由于這個結(jié)的伏安特性很分散，無法找到一條典型的代表曲線，只能用一條極限高阻門極特性和一條極限低阻門極特性之間的一片區(qū)域來代表所有元件的門極伏安特性，如圖1-11陰影區(qū)域所示。圖1-11 晶閘管

18、門極伏安特性2動態(tài)特性晶閘管常應(yīng)用于低頻的相控電力電子電路時，有時也在高頻電力電子電路中得到應(yīng)用，如逆變器等。在高頻電路應(yīng)用時，需要嚴格地考慮晶閘管的開關(guān)特性，即開通特性和關(guān)斷特性。（1）開通特性晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的過程為開通過程。圖1-12給出了晶閘管的開關(guān)特性。在晶閘管處在正向阻斷的條件下突加門極觸發(fā)電流，由于晶閘管內(nèi)部正反饋過程及外電路電感的影響，陽極電流的增長需要一定的時間。從突加門極電流時刻到陽極電流上升到穩(wěn)定值IT的10%所需的時間稱為延遲時間td，而陽極電流從10%IT上升到90%IT所需的時間稱為上升時間tr，延遲時間與上升時間之和為晶閘管的開通時間 tgt=td+

19、tr，普通晶閘管的延遲時間為0.51.5s，上升時間為0.53s。延遲時間隨門極電流的增大而減少，延遲時間和上升時間隨陽極電壓上升而下降。圖1-12 晶閘管的開關(guān)特性（2）關(guān)斷特性通常采用外加反壓的方法將已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。反壓可利用電源、負載和輔助換流電路來提供。要關(guān)斷已導(dǎo)通的晶閘管，通常給晶閘管加反向陽極電壓。晶閘管的關(guān)斷，就是要使各層區(qū)內(nèi)載流子消失，使元件對正向陽極電壓恢復(fù)阻斷能力。突加反向陽極電壓后，由于外電路電感的存在，晶閘管陽極電流的下降會有一個過程，當(dāng)陽極電流過零，也會出現(xiàn)反向恢復(fù)電流，反向電流達最大值IRM后，再朝反方向快速衰減接近于零，此時晶閘管恢復(fù)對反向電壓的阻斷能力。1.

20、3.4 晶閘管的主要參數(shù)要正確使用一個晶閘管，除了了解晶閘管的靜態(tài)、動態(tài)特性外，還必須定量地掌握晶閘管的一些主要參數(shù)。現(xiàn)對經(jīng)常使用的幾個晶閘管的參數(shù)作一介紹。1電壓參數(shù)（1） 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 門極開路，元件額定結(jié)溫時，從晶閘管陽極伏安特性正向阻斷高阻區(qū)（圖1-10中的曲線）漏電流急劇增長的拐彎處所決定的電壓稱斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDSM，“不重復(fù)”表明這個電壓不可長期重復(fù)施加。取斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓的90定義為斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM，“重復(fù)”表示這個電壓可以以每秒50次，每次持續(xù)時間不大于10ms的重復(fù)方式施加于元件上。（2） 反向重復(fù)峰值電壓URRM 門極開路，元件額定結(jié)溫時，從晶閘

21、管陽極伏安特性反向阻斷高阻區(qū)（圖1-10中曲線）反向漏電流急劇增長的拐彎處所決定的的電壓稱為反向不重復(fù)峰值電壓URSM，這個電壓是不能長期重復(fù)施加的。取反向不重復(fù)峰值電壓的90定義為反向重復(fù)峰值電壓URRM，這個電壓允許重復(fù)施加。（3） 晶閘管的額定電壓UR 取UDRM和URRM中較小的一個，并整化至等于或小于該值的規(guī)定電壓等級上。電壓等級不是任意決定的，額定電壓在1000以下是每100一個電壓等級，1000至3000則是每200一個電壓等級。由于晶閘管工作中可能會遭受到一些意想不到的瞬時過電壓，為了確保管子安全運行，在選用晶閘管時應(yīng)使其額定電壓為正常工作電壓峰值UM的23倍，以作安全余量。U

22、R =（23）UM （1-4）（4） 通態(tài)平均電壓UT（AV）指在晶閘管通過單相工頻正弦半波電流，額定結(jié)溫、額定平均電流下，晶閘管陽極與陰極間電壓的平均值，也稱之為管壓降。在晶閘管型號中，常按通態(tài)平均電壓的數(shù)值進行分組，以大寫英文字母AI表示。通態(tài)平均電壓影響元件的損耗與發(fā)熱，應(yīng)該選用管壓降小的元件來使用。2電流參數(shù)（1） 通態(tài)平均電流IT（AV） 在環(huán)境溫度為40、規(guī)定的冷卻條件下，晶閘管元件在電阻性負載的單相、工頻、正弦半波、導(dǎo)通角不小于170°的電路中，當(dāng)結(jié)溫穩(wěn)定在額定值125時所允許的通態(tài)時的最大平均電流稱為額定通態(tài)平均電流IT（AV）。選用晶閘管時應(yīng)根據(jù)有效電流相等的原則來

23、確定晶閘管的額定電流。由于晶閘管的過載能力小，為保證安全可靠工作，所選用晶閘管的額定電流IT（AV）應(yīng)使其對應(yīng)有效值電流為實際流過電流有效值的1.52倍。按晶閘管額定電流的定義，一個額定電流為100A的晶閘管，其允許通過的電流有效值為157A。晶閘管額定電流的選擇可按下式計算。 （1-5）（2） 維持電流IH 維持電流是指晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。維持電流與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，維持電流越小，晶閘管越難關(guān)斷。（3） 掣住電流IL 晶閘管剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)并撤除門極觸發(fā)信號，此時要維持元件導(dǎo)通所需的最小陽極電流稱為掣住電流。一般掣住電流比維持電流大（24）倍。3

24、晶閘管的型號普通型晶閘管型號可表示如下KP電流等級電壓等級/100通態(tài)平均電壓組別其中其中K代表閘流特性，P為普通型。如KP50015型號的晶閘管表示其通態(tài)平均電流（額定電流）IT（AV）為500A，正反向重復(fù)峰值電壓（額定電壓）UR為1500V，通態(tài)平均電壓組別以英文字母標(biāo)出，小容量的元件可不標(biāo)。1.4 大功率晶體管（GTR）1.4.1 結(jié)構(gòu)從工作原理和基本特性上看，大功率晶體管與普通晶體管并無本質(zhì)上的差別，但它們在在工作特性的側(cè)重面上有較大的差別。對于普通晶體管，所被注重的特性參數(shù)為電流放大倍數(shù)、線性度、頻率響應(yīng)、噪聲、溫漂等；而對于大功率晶體管，重要參數(shù)是擊穿電壓、最大允許功耗、開關(guān)速度

25、等。為了承受高壓大電流、大功率晶體管不僅尺寸要隨容量的增加而加大，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外形也需作相應(yīng)的變化。a）普通晶體管結(jié)構(gòu) b）GTR結(jié)構(gòu) c）符號圖1-19 GTR的結(jié)構(gòu)與符號普通晶體管的結(jié)構(gòu)已在模擬電子技術(shù)中作過專門介紹，它是由兩個PN結(jié)相間而成。圖1-19a）為NPN型普通晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1-19b）為GTR的結(jié)構(gòu)原理圖，一個GTR芯片包含大量的并聯(lián)晶體管單元，這些晶體管單元共用一個大面積集電極，而發(fā)射極和基極則被化整為零。這種結(jié)構(gòu)可以有效解決所謂的發(fā)射極電流聚邊現(xiàn)象。圖1-19c）為GTR的標(biāo)識符號，與普通晶體管完全相同。1.4.2 工作特性1靜態(tài)特性GTR的靜態(tài)特性可分為輸入特性和

26、輸出特性：（1）輸入特性輸入特性如圖1-20a）所示，它表示UCE一定時，基極電流IB與基極發(fā)射極UBE之間的函數(shù)關(guān)系，它與二極管PN結(jié)的正向伏安特性相似。當(dāng)UCE增大時，輸入特性右移。一般情況下，GTR的正向偏壓UBE大約為1V。a） 輸入特性 b） 輸出特性                            &

27、#160;              圖1-20 GTR的輸入、輸出特性（2）輸出特性大功率晶體管運行時常采用共射極接法，共射極電路的輸出特性是指集電極電流IC和集電極發(fā)射極電壓UCE的函數(shù)關(guān)系，如圖1-20b）所示。由圖中可以看出，GTR的工作狀態(tài)可以分成四個區(qū)域：截止區(qū)（也稱阻斷區(qū)）、線性放大區(qū)、準飽和區(qū)和飽和區(qū)（也稱深飽和區(qū)）。截止區(qū)對應(yīng)于基極電流IB等于零的情況，在該區(qū)域中，GTR承受高電壓，僅有很小的漏電流存在，相當(dāng)于開關(guān)處于斷態(tài)的情況。該區(qū)的特點是發(fā)射結(jié)

28、和集電結(jié)均為反向偏置。在線性放大區(qū)中，集電極電流與基極電流呈線性關(guān)系，特性曲線近似平直。該區(qū)的特點是集電結(jié)反向偏置、發(fā)射結(jié)正向偏置。對工作于開關(guān)狀態(tài)的GTR來說，應(yīng)當(dāng)盡量避免工作于線性放大區(qū)，否則由于工作在高電壓大電流下，功耗會很大。準飽和區(qū)是指線性放大區(qū)和飽和區(qū)之間的區(qū)域，正是輸出特性中明顯彎曲的部分。在此區(qū)域中，隨著基區(qū)電流的增加，開始出現(xiàn)基區(qū)寬調(diào)制效應(yīng)，電流增益開始下降，集電極電流與基區(qū)電流之間不再呈線性關(guān)系，但仍保持著發(fā)射結(jié)正偏、集電極反偏。而在飽和區(qū)中，在基極電流變化時，集電極電流卻不再隨之變化。此時，該區(qū)域的電流增益與導(dǎo)通電壓均很小，相當(dāng)于處于通態(tài)的開關(guān)。此區(qū)的特點是發(fā)射結(jié)和集電結(jié)

29、均處于 正向偏置狀態(tài)。2動態(tài)特性GTR主要工作在截止區(qū)及飽和區(qū)，切換過程中快速通過放大區(qū)，這個開關(guān)過程即反映了GTR的動態(tài)特性。當(dāng)在GTR基極施以脈沖驅(qū)動信號時，GTR將工作在開關(guān)狀態(tài)，如圖1-21所示。在t0時刻加入正向基極電流，GTR經(jīng)延遲和上升階段后達到飽和區(qū)，故開通時間ton為延遲時間td與上升時間tr之和，其中td是由基極與發(fā)射極間結(jié)電容Cbe充電而引起，tr是由基區(qū)電荷儲存需要一定時間而造成的。當(dāng)反向基極電流信號加到基極時，GTR經(jīng)存儲和下降階段才返回載止區(qū)，則關(guān)斷時間toff為存儲時間ts與下降時間tf之和，其中ts是除去基區(qū)超量儲存電荷過程引起的，tf是基極與發(fā)射極間結(jié)電容Cb

30、e放電而產(chǎn)生的結(jié)果。在實際應(yīng)用時，增大驅(qū)動電流，可使td和tr都減小，但電流也不能太大，否則將增大存儲時間。在關(guān)斷GTR時，加反向基極電壓可加快電容上電荷的釋放，從而減少ts與tf，但基極電壓不能太大，以免使發(fā)射結(jié)擊穿。為提高GTR的開關(guān)速度，可選用結(jié)電容比較小的快速開關(guān)晶體管，也可利用加速電容來改善GTR的開關(guān)特性。在GTR基極電路電阻Rb兩端并聯(lián)一電容Cs，利用換流瞬間其上電壓不能突變的特性可改善晶體管的開關(guān)特性。圖1-21 GTR動態(tài)等值電路及開關(guān)特性1.4.3 主要參數(shù)1電壓參數(shù)（1） 集電極額定電壓UCEM加在GTR上的電壓如超過規(guī)定值時，會出現(xiàn)電壓擊穿現(xiàn)象。擊穿電壓與GTR本身特性

31、及外電路的接法有關(guān)。各種不同接法時的擊穿電壓的關(guān)系如下BUCBOBUCEXBUCESBUCERBUCEO其中，BUCBO為發(fā)射極開路，集電極與基極間的反向擊穿電壓；BUCEX為發(fā)射極反向偏置時集電極與發(fā)射極間的擊穿電壓；BUCES、BUCER分別為發(fā)射極與基極間用電阻聯(lián)接或短路連接時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓；BUCEO為基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。GTR的最高工作電壓UCEM應(yīng)比最小擊穿BUCEO低，從而保證元件工作安全。（2） 飽和壓降UCES單個GTR的飽和壓降一般不超過11.5V，UCES隨集電極電流ICM的增大而增大。2電流參數(shù)（1） 連續(xù)（直流）額定（集電極）電流IC連續(xù)

32、（直流）額定電流指只要保證結(jié)溫不超過允許的最大結(jié)溫、晶體管所允許連續(xù)通過的直流電流值。（2） 集電極額定電流（最大允許電流）ICM 集電極額定電流是取決于最高允許結(jié)溫下引線、硅片等的破壞電流，超過這一額定值必將導(dǎo)致晶體管內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的燒毀。在實際使用中可以利用熱容量效應(yīng)，根據(jù)占空比來增大連續(xù)電流，但不能超過峰值額定電流。（3） 基極電流最大允許值IBM基極電流最大允許值比集電極額定電流的數(shù)值要小得多，通常IBM=（1/21/10）ICM，而基極發(fā)射極間的最大電壓額定值通常只有幾伏。（4） 集電極最大耗散功率PCM集電極最大耗散功率是指最高工作溫度下允許的耗散功率。它受結(jié)溫的限制，由集電極工作電壓

33、和電流的乘積所決定。1.4.4 二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)1二次擊穿現(xiàn)象二次擊穿是GTR突然損壞的主要原因之一，成為影響其安全可靠使用的一個重要因素。二次擊穿現(xiàn)象可以用圖1-22來說明。當(dāng)集電極電壓UCE增大到集射極間的擊穿電壓UCEO時，集電極電流iC將急劇增大，出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，如圖1-22a）的AB段所示。這是首次出現(xiàn)正常性質(zhì)的雪崩現(xiàn)象，稱為一次擊穿，一般不會損壞GTR器件。一次擊穿后如繼續(xù)增大外加電壓UCE，電流iC將持續(xù)增長。當(dāng)達到圖示的C點時仍繼續(xù)讓GTR工作時，由于UCE高，將產(chǎn)生相當(dāng)大的能量，使集電結(jié)局部過熱。當(dāng)過熱持續(xù)時間超過一定程度時，UCE會急劇下降至某一低電壓值，如果沒有限流

34、措施，則將進入低電壓、大電流的負阻區(qū)CD段，電流增長直至元件燒毀。這種向低電壓大電流狀態(tài)的躍變稱為二次擊穿，C點為二次擊穿的臨界點。所以二次擊穿是在極短的時間內(nèi)（納秒至微秒級），能量在半導(dǎo)體處局部集中，形成熱斑點，導(dǎo)致熱電擊穿的過程。          a） b）圖1-22 GTR的二次擊穿現(xiàn)象二次擊穿在基極正偏（IB0）、反偏（IB0）及基極開路的零偏狀態(tài)下均成立，如圖1-22b）所示。把不同基極偏置狀態(tài)下開始發(fā)生二次擊穿所對應(yīng)的臨界點連接起來，可形成二次擊穿臨界線。由于正偏時二次擊穿所需功率往往小于元

35、件的功率容量PCM，故正偏對GTR安全造成的威脅最大。反偏工作時盡管集電極電流很小，但在電感負載下關(guān)斷時將有感應(yīng)電勢迭加在電源電壓上形成高壓，也能使瞬時功率超過元件的功率容量而造成二次擊穿。為了防止發(fā)生二次擊穿，重要的是保證GTR開關(guān)過程中瞬時功率不要超過允許的功率容量PCM，這可通過規(guī)定GTR的安全工作區(qū)及采用緩沖（吸收）電路來實現(xiàn)。2安全工作區(qū)二次擊穿在基極正偏（IB0）、反偏（IB<0）及基極開路的零偏狀態(tài)下均成立，把不同基極偏置狀態(tài)下開始發(fā)生二次擊穿所對應(yīng)的臨界點連接起來，可形成二次擊穿臨界線。因此，GTR在工作時不能超過最高工作電壓UCEM、峰值脈沖額定（集電極）電流ICM、最

36、大耗散功率PCM及二次擊穿臨界線。這些限制條件構(gòu)成了GTR的安全工作區(qū)SOA（Safe Operating Area）。安全工作區(qū)在基極正向偏置時稱為正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA）,如圖1-23a）所示；安全工作區(qū)在基極反向偏置時稱為反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA），如圖1-23b）所示。a） FBSOA b） RBSOA圖1-23 GTR的安全工作區(qū)1.5 功率場效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）1.5.1 結(jié)構(gòu)與工作原理1結(jié)構(gòu)MOSFET的類型很多，按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道；根據(jù)柵極電壓與導(dǎo)電溝道出現(xiàn)的關(guān)系可分為耗盡型和增強型。功率場效應(yīng)晶體管一般為N溝道增強型。從結(jié)構(gòu)上看，功率場效應(yīng)

37、晶體管與小功率的MOS管有比較大的差別。小功率MOS管的導(dǎo)電溝道平行于芯片表面，是橫向?qū)щ娖骷?。而P-MOSFET常采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，稱VMOSFET（Vertical MOSFET），這種結(jié)構(gòu)可提高MOSFET器件的耐電壓、耐電流的能力。圖1-24給出了具有垂直導(dǎo)電雙擴散MOS結(jié)構(gòu)的VD-MOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）單元的結(jié)構(gòu)圖及電路符號。一個MOSFET器件實際上是由許多小單元并聯(lián)組成。a） 結(jié)構(gòu)圖 b） 符號（N溝道） c） 符號（P溝道）圖1-24 MOSFET的結(jié)構(gòu)圖及電路符號2工作原理如圖1-24所示，MOSFET的三個極分別為柵極

38、G、漏極D和源極S。當(dāng)漏極接正電源，源極接負電源，柵源極間的電壓為零時，P基區(qū)與N區(qū)之間的PN結(jié)反偏，漏源極之間無電流通過。如在柵源極間加一正電壓UGS，則柵極上的正電壓將其下面的P基區(qū)中的空穴推開，而將電子吸引到柵極下的P基區(qū)的表面，當(dāng)UGS大于開啟電壓UT時，柵極下P基區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，從而使P型半導(dǎo)體反型成N型半導(dǎo)體，成為反型層，由反型層構(gòu)成的N溝道使PN結(jié)消失，漏極和源極間開始導(dǎo)電。UGS數(shù)值越大，P-MOSFET導(dǎo)電能力越強，ID也就越大。1.5.2 工作特性1靜態(tài)特性（1）漏極伏安特性漏極伏安特性也稱輸出特性，如圖1-25所示，可以分為三個區(qū)：可調(diào)電阻區(qū)，飽和區(qū)，擊穿

39、區(qū)。在區(qū)內(nèi)，固定柵極電壓UGS，漏源電壓UDS從零上升過程中，漏極電流iD首先線性增長，接近飽和區(qū)時，iD變化減緩，而后開始進入飽和。達到飽和區(qū)后，此后雖UDS增大，但iD維持恒定。從這個區(qū)域中的曲線可以看出，在同樣的漏源電壓UDS下，UGS越高，因而漏極電流iD也大。當(dāng)UDS過大時，元件會出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，進入擊穿區(qū)。（2）、轉(zhuǎn)移特性漏極電流ID與柵源極電壓UGS反映了輸入電壓和輸出電流的關(guān)系，稱為轉(zhuǎn)移特性，如圖1-26所示。當(dāng)ID較大時，該特性基本上為線性。曲線的斜率gID/UGS稱為跨導(dǎo)，表示P-MOSFET柵源電壓對漏極電流的控制能力，與GTR的電流增益含義相似。圖中所示的UGS（th）為

40、開啟電壓，只有UGS>UGS（th）時才會出現(xiàn)導(dǎo)電溝道，產(chǎn)生柵極電流ID。圖1-25 漏極伏安特性 圖1-26 轉(zhuǎn)移特性2開關(guān)特性P-MOSFET是多數(shù)載流子器件，不存在少數(shù)載流子特有的存貯效應(yīng)，因此開關(guān)時間很短，典型值為20ns，而影響開關(guān)速度的主要是器件極間電容。圖1-27為元件極間電容的等效電路，從中可以求得器件輸入電容為CinCGSCGD。正是Cin在開關(guān)過程中需要進行充、放電，影響了開關(guān)速度。同時也可看出，靜態(tài)時雖柵極電流很小，驅(qū)動功率小，但動態(tài)時由于電容充放電電流有一定強度，故動態(tài)驅(qū)動仍需一定的柵極功率。開關(guān)頻率越高，柵極驅(qū)動功率也越大。P-MOSFET的開關(guān)過程如圖1-28

41、所示，其中UP為驅(qū)動電源信號，UGS為柵極電壓，iD為漏極電流。當(dāng)UP信號到來時，輸入電容Cin有一充電過程，使柵極電壓UGS只能按指數(shù)規(guī)律上升。P-MOSFET的開通時間為tontd(on)tr。當(dāng)UP信號下降為零后，柵極輸入電容in上貯存的電荷將通過信號源進行放電，使柵極電壓UGS按指數(shù)下降，到UP結(jié)束后的td(off)時刻，iD電流才開始減小，故td(off)稱為關(guān)斷延遲時間。P-MOSFET的關(guān)斷時間應(yīng)為tofftd(off)tf。圖1-27 輸入電容等效電路 圖1-28 開關(guān)特性1.5.3 主要參數(shù)與安全工作區(qū)1主要參數(shù)（1）漏極電壓UDS 漏極電壓UDS為P-MOSFET的電壓定額

42、。（2） 電流定額ID電流定額ID為漏極直流電流，IDM為漏極脈沖電流幅值。（3） 柵源電壓UGS柵源間加的電壓不能大于此電壓，否則將擊穿元件。2安全工作區(qū)P-MOSFET是多數(shù)載流子工作的器件，元件的通態(tài)電阻具有正的溫度系數(shù)，即溫度升高通態(tài)電阻增大，使漏極電流能隨溫度升高而下降，因而不存在電流集中和二次擊穿的限制，有較寬的安全工作區(qū)。P-MOSFET的正向偏置安全工作區(qū)由四條邊界包圍框成，如圖1-29所示。其中為漏源通態(tài)電阻限制線；為最大漏極電流IDM限制線；為最大功耗限制線；為最大漏源電壓限制線。圖1-29 P-MOSFET正向偏置安全工作區(qū) 1.6 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）1.6.

43、1 結(jié)構(gòu)與工作原理1結(jié)構(gòu)IGBT的基本結(jié)構(gòu)如圖1-30a）所示，與P-MOSFET結(jié)構(gòu)十分相似，相當(dāng)于一個用MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。仔細觀察發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部實際上包含了兩個雙極型晶體管P+NP及N+PN，它們又組合成了一個等效的晶閘管。這個等效晶閘管將在IGBT器件使用中引起一種“擎住效應(yīng)”，會影響IGBT的安全使用。a） 結(jié)構(gòu)示意圖 b） 等效電路 c） 符號圖1-30 IGBT示意圖2工作原理IGBT的等效電路如圖1-30b）所示，是以PNP型厚基區(qū)GTR為主導(dǎo)元件、N溝道MOSFET為驅(qū)動元件的達林頓電路結(jié)構(gòu)器件，Rdr為GTR基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。圖1-30c）則是IGBT的電路符

44、號。IGBT的開通與關(guān)斷由柵極電壓控制。柵極上加正向電壓時MOSFET內(nèi)部形成溝道，使IGBT高阻斷態(tài)轉(zhuǎn)入低阻通態(tài)。在柵極加上反向電壓后，MOSFET中的導(dǎo)電溝道消除，PNP型晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。1.6.2 工作特性1靜態(tài)特性IGBT的靜態(tài)特性主要有輸出特性及轉(zhuǎn)移特性，如圖1-31所示。輸出特性表達了集電極電流IC與集電極發(fā)射極間電壓UCE之間的關(guān)系，分飽和區(qū)、放大區(qū)及擊穿區(qū)。IGBT的轉(zhuǎn)移特性表示了柵極電壓UG對集電極電流IC的控制關(guān)系。在大部分范圍內(nèi)，IC與UG呈線性關(guān)系。         a

45、） 輸出特性 b） 轉(zhuǎn)移特性圖1-31 IGBT的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性2動態(tài)特性IGBT的動態(tài)特性即開關(guān)特性，如圖1-32所示，其開通過程主要由其MOSFET結(jié)構(gòu)決定。當(dāng)柵極電壓UG達開啟電壓UG（th）后，集電極電流IC迅速增長，其中柵極電壓從負偏置值增大至開啟電壓所需時間td（on）為開通延遲時間；集電極電流由10額定增長至90額定所需時間為電流上升時間tri，故總的開通時間為tontd（on）tri。IGBT的關(guān)斷過程較為復(fù)雜，其中UG由正常15V降至開啟電壓UT所需時間為關(guān)斷延遲時間td（off），自此IC開始衰減。集電極電流由90額定值下降至10額定所需時間為下降時間tfitfi1tf

46、i2，其中tfi1對應(yīng)器件中MOSFET部分的關(guān)斷過程，tfi2對應(yīng)器件中PNP晶體管中存貯電荷的消失過程。由于經(jīng)tfi1時間后MOSFET結(jié)構(gòu)已關(guān)斷，IGBT又未承受反壓，器件內(nèi)存貯電荷難以被迅速消除，所以集電極電流需較長時間下降，形成電流拖尾現(xiàn)象。由于此時集射極電壓Uce已建立，電流的過長拖尾將形成較大功耗使結(jié)溫升高?？偟年P(guān)斷時間則為tofftd（off）tfi。圖1-32 IGBT的開關(guān)特性1.6.3 擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)1擎住效應(yīng)如前所述，在IGBT管內(nèi)存在一個由兩個晶體管構(gòu)成的寄生晶閘管，同時P基區(qū)內(nèi)存在一個體區(qū)電阻Rbr，跨接在N+PN晶體管的基極與發(fā)射極之間，P基區(qū)的橫向空穴電流

47、會在其上產(chǎn)生壓降，在J3結(jié)上形成一個正向偏置電壓。若IGBT的集電極電流IC大到一定程度，這個Rbr上的電壓足以使N+PN晶體管開通，經(jīng)過連鎖反應(yīng)，可使寄生晶閘管導(dǎo)通，從而IGBT柵極對器件失去控制，這就是所謂的擎住效應(yīng)。它將使IGBT集電極電流增大，產(chǎn)生過高功耗導(dǎo)致器件損壞。擎住現(xiàn)象有靜態(tài)與動態(tài)之分。靜態(tài)擎住指通態(tài)集電極電流大于某臨界值ICM后產(chǎn)生的擎住現(xiàn)象，對此規(guī)定有IGBT最大集電極電流ICM的限制。動態(tài)擎住現(xiàn)象是指關(guān)斷過程中產(chǎn)生的擎住現(xiàn)象。IGBT關(guān)斷時，MOSFET結(jié)構(gòu)部分關(guān)斷速度很快，J2結(jié)的反壓迅速建立，反壓建立速度與IGBT所受重加dUCE/dt大小有關(guān)。dUCE/dt越大，J

48、2結(jié)反壓建立越快，關(guān)斷越迅速，但在J2結(jié)上引起的位移電流CJ2·（dUCE/dt）也越大。此位移電流流過體區(qū)電阻Rbr時可產(chǎn)生足以使N+PN管導(dǎo)通的正向偏置電壓，使寄生晶閘管開通，即發(fā)生動態(tài)擎住現(xiàn)象。由于動態(tài)擎住時所允許的集電極電流比靜態(tài)擎住時小，故器件的ICM應(yīng)按動態(tài)擎住所允許的數(shù)值來決定。為了避免發(fā)生擎住現(xiàn)象，使用中應(yīng)保證集電極電流不超過ICM，或者增大柵極電阻RG以減緩IGBT的關(guān)斷速度，減小重加dUCE/dt值?？傊?，使用中必須避免發(fā)生擎住效應(yīng)，以確保器件的安全。2安全工作區(qū)IGBT開通與關(guān)斷時，均具有較寬的安全工作區(qū)。IGBT開通時對應(yīng)正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA），如圖

49、1-33a）所示。它是由避免動態(tài)擎住而確定的最大集電極電流ICM、器件內(nèi)P+NP晶體管擊穿電壓確定的最大允許集射電極電壓UCE0、以及最大允許功耗線所框成。值得指出的是，由于飽和導(dǎo)通后集電極電流IC與集射極間電壓UCE無關(guān)，其大小由柵極電壓UG決定（圖1-31a），故可通過控制UG來控制IC，進而避免擎住效應(yīng)發(fā)生，因此還可確定出與最大集電極電流ICM相應(yīng)的最大柵極電壓UGM這個參數(shù)。a） FBSOA b） RBSOA               

50、                                                  圖1-33

51、 IGBT的安全工作區(qū)IGBT關(guān)斷時所對應(yīng)的為反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA），如圖1-33b）所示。它是隨著關(guān)斷時的重加電壓上升率dUCE/dt變化，dUCE/dt越大，越易產(chǎn)生動態(tài)擎住效應(yīng)，安全工作區(qū)越小。一般可以通過選擇適當(dāng)柵極電壓UG和柵極驅(qū)動電阻RG來控制dUCE/dt，避免擎住效應(yīng)，擴大安全工作區(qū)。1.7  其他新型功率開關(guān)器件1.7.1  靜電感應(yīng)晶體管和靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(yīng)晶體管（SIT）和靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）是兩種結(jié)構(gòu)與原理有許多相似之處的新型高頻大功率電力電子器件，是利用靜電感應(yīng)原理控制工作電流的功率開關(guān)器件。SIT和SITH具有功耗低，開關(guān)速度

52、高，輸入阻抗高，可用柵壓控制開關(guān)的優(yōu)點，在感應(yīng)加熱、超聲波加工、廣播發(fā)射等高頻大功率裝置以及逆變電源、開關(guān)電源、放電設(shè)備電源等新型電源的應(yīng)用中具有很強的優(yōu)勢。1靜電感應(yīng)晶體管（SIT）圖1-34a）為SIT的結(jié)構(gòu)原理圖，圖1-34b）和圖1-34c）分別為SIT和SITH的符號。a）                            

53、      b）                                  c）            

54、;       圖1-34  SIT的結(jié)構(gòu)和符號靜電感應(yīng)晶體管（SIT）是一種結(jié)型場效應(yīng)晶體管，于1970年已開始研制。SIT的結(jié)構(gòu)如圖1-34a）所示。在一塊摻雜濃度很高的N型半導(dǎo)體兩側(cè)有P型半導(dǎo)體薄層，分別引出漏極D、源極S和柵極G。當(dāng)G、S之間電壓UGS=0時，電源US可以經(jīng)很寬的N區(qū)（有多數(shù)載流子電子可導(dǎo)電）流過電流，N區(qū)通道的等效電阻不大，SIT處于通態(tài)。如果在G、S兩端外加負電壓，即UGS<0，即圖中半導(dǎo)體N接正電壓，半導(dǎo)體P接負電壓，P1N與P2N這兩個PN結(jié)都加了反向電壓，則會形成兩個耗盡層A1和A2（

55、耗盡層中無載流子，不導(dǎo)電），使原來可以導(dǎo)電的N區(qū)變窄，等效電阻加大。當(dāng)G、S之間的反偏電壓大到一定的臨界值以后，兩側(cè)的耗盡層變寬到連在一起時，可使導(dǎo)電的N區(qū)消失，則漏極D和源極S之間的等效電阻變?yōu)闊o限大而使SIT轉(zhuǎn)為斷態(tài)。由于耗盡層是由外加反偏電壓形成外靜電場而產(chǎn)生的，通過外加電壓形成靜電場作用控制管子的通、斷狀態(tài)，故稱之為靜電感應(yīng)晶體管SIT。SIT在電路中的開關(guān)作用類似于一個繼電器的常閉觸點，G、S兩端無外加電壓UGS=0時SIT處于通態(tài)（閉合）接通電路，有外加電壓UGS作用后SIT由通態(tài)（閉合）轉(zhuǎn)為斷態(tài)（斷開）。2靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）又稱為場控晶閘管FCT

56、（Field Controlled Thyristor），其通斷控制機理與SIT類似。結(jié)構(gòu)上的差別僅在于SITH是在SIT結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了一個PN結(jié)，而在內(nèi)部多形成了一個三極管，兩個三極管構(gòu)成一個晶閘管而成為靜電感應(yīng)晶閘管。柵極不加電壓時，SITH與SIT一樣也處于通態(tài)，外加?xùn)艠O負電壓時由通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)。由于SITH比SIT多了一個具有少子注入功能的PN結(jié)，所以SITH屬于兩種載流子導(dǎo)電的雙極型功率器件。實際使用時，為了使器件可靠地導(dǎo)通，常取56V的正柵壓而不是零柵壓以降低器件通態(tài)壓降。一般關(guān)斷SIT和SITH需要幾十伏的負柵壓。1.7.2  MOS控制晶閘管和集成門極換流晶閘管1MO

57、S控制晶閘管（MCT）MOS控制晶閘管（MCT）的靜態(tài)特性與晶閘管相似，由于它的輸入端由MOS管控制，MCT屬場控型器件,其開關(guān)速度快，驅(qū)動電路比GTO的驅(qū)動電路要簡單；MCT的輸出端為晶閘管結(jié)構(gòu)，其通態(tài)壓降較低，與SCR相當(dāng)，比IGBT和GTR都要低。MCT出現(xiàn)于20世紀80年代，開始發(fā)展很快，但其結(jié)構(gòu)和制造工藝比較復(fù)雜，成品率不高，由于這些關(guān)鍵技術(shù)問題沒有得到很好的解決，目前MCT沒能投入實際使用。MCT的結(jié)構(gòu)類似于IGBT，是一種復(fù)合型大功率器件，它將P-MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動功率及快開關(guān)速度和晶閘管的高電壓、大電流、低導(dǎo)通壓降的特點結(jié)合起來。其等值電路和符號如圖1-35所示。

58、2集成門極換流晶閘管（IGCT）集成門極換流晶閘管（IGCT）于20世紀90年代開始出現(xiàn)。IGCT的結(jié)構(gòu)是將GTO芯片與反并聯(lián)二極管和門極驅(qū)動電路集成在一起，再將其門極驅(qū)動器在外部以低電感方式連接成環(huán)狀的門電極。IGCT具有大電流、高電壓、高開關(guān)頻率（比GTO高10倍）、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好、損耗低、制造成品率高等特點。目前，IGCT已在電力系統(tǒng)中得到應(yīng)用，以后有可能取代GTO在大功率場合應(yīng)用的地位。a） MCT等值電路               

59、;                  b） 符號             圖1-35  MCT等值電路及符號1.7.3  功率模塊與功率集成電路近十多年來，功率半導(dǎo)體器件研制和開發(fā)中的一個共同趨勢是模塊化。功率半導(dǎo)體開關(guān)模塊（功率模塊）是把同類的開關(guān)器件或不同類的一個或多個開關(guān)器件，按一定的電路拓撲結(jié)構(gòu)連接并封裝在一起的開關(guān)器件組合體。模塊化可以縮小開關(guān)電路裝置的體積，降低成本，提高可靠性，便于電力電子電路的設(shè)計、研制，更重要的是由于各開關(guān)器件之間的連線緊湊，減小了線路電感，在高頻工作時可以簡化對保護、緩沖電路的要求。功率模塊（Power Module）最常見的拓撲結(jié)構(gòu)有串聯(lián)、并聯(lián)、單相橋、三相橋以及它們的子電路，而同類開關(guān)器件的串、并聯(lián)目的是要提高整體額定電壓、電流。如將功率半導(dǎo)體器件與電力電子裝置控制系統(tǒng)中的檢測環(huán)節(jié)、驅(qū)動電路、故障保護、緩沖環(huán)節(jié)、自診斷等電