電力電子第二章電力電子器件

1、第二章第二章 電力電子器件電力電子器件 2.1 2.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 2.2 2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.5 2.5 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件 2.6 2.6 功率集成電路與集成電力電子模塊功率集成電路與集成電力電子模塊 本章小結(jié)本章小結(jié) 2.1 2.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征 1、概念、概念(1) 主電路主電路電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，

2、直接承擔(dān)電能 的變換或控制任務(wù)的電路的變換或控制任務(wù)的電路(2) 電力電子器件電力電子器件可直接用于處理電能的主電路中，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實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件2.1 2.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 2、特征、特征1) 能處理能處理電功率電功率的大小，也就是其承受電壓和電流的的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)，一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電能力，是其最重要的參數(shù)，一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。子器件。2)為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)狀態(tài)狀態(tài)3) 需要由信

3、息電子電路來(lái)控制。在主電路和控制電路需要由信息電子電路來(lái)控制。在主電路和控制電路之間，需要中間電路之間，需要中間電路驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)控制電路的信號(hào)對(duì)控制電路的信號(hào)進(jìn)行放大。進(jìn)行放大。 4) 工作時(shí)一般都要安裝工作時(shí)一般都要安裝散熱器散熱器2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征 一般是由一般是由控制電路控制電路、驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心和以電力電子器件為核心的的主電路主電路組成一個(gè)系統(tǒng)。組成一個(gè)系統(tǒng)。 電氣隔離電氣隔離2.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成電氣隔離電氣隔離 保護(hù)電路保護(hù)電路2.1 2.1 電力電子器件概述電力電子

4、器件概述 2.1.3 電力電子器件的分類(lèi)電力電子器件的分類(lèi)1、按照器件按照器件被控制電路信號(hào)所控制的程度被控制電路信號(hào)所控制的程度，分為三類(lèi)：，分為三類(lèi)： 1）不可控器件）不可控器件2) 半控型器件半控型器件 3) 全控型器件全控型器件 2、按照按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類(lèi)：，分為兩類(lèi)： 1）電流驅(qū)動(dòng)型）電流驅(qū)動(dòng)型 2）電壓驅(qū)動(dòng)型）電壓驅(qū)動(dòng)型 3、按照按照器件內(nèi)部載流子參與導(dǎo)電的情況器件內(nèi)部載流子參與導(dǎo)電的情況，分為三類(lèi)分為三類(lèi)1) 單極型器件單極型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件2) 雙極型器件雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)由電子和空穴兩種載流子

5、參與導(dǎo)電的器件電的器件3) 復(fù)合型器件復(fù)合型器件由單極型器件和雙極型器件集成由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件混合而成的器件 2.1 2.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 2.2 2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管電力二極管（電力二極管（Power Diode）自自20世紀(jì)世紀(jì)50年代初期就獲得年代初期就獲得應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二極管仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。極管仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)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在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可

6、缺少的，特別是開(kāi)通和關(guān)斷速度很快的的，特別是開(kāi)通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管和和肖特基肖特基二極管二極管，具有不可替代的地位。，具有不可替代的地位。 由一個(gè)面積較大的由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線(xiàn)以及封裝組成的結(jié)和兩端引線(xiàn)以及封裝組成的 2.2 2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理 1、結(jié)構(gòu)、外形、符號(hào)、結(jié)構(gòu)、外形、符號(hào) 外形：螺栓型、平板型外形：螺栓型、平板型 2、原理：與信息電子中類(lèi)似、原理：與信息電子中類(lèi)似單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦訮N結(jié)的正向?qū)顟B(tài)結(jié)的正向?qū)顟B(tài)：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) PN結(jié)的反

7、向截止?fàn)顟B(tài)結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài) PN結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿 結(jié)電容的影響：結(jié)電容影響結(jié)電容的影響：結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是結(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娦宰儾钤诟咚匍_(kāi)關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理 2.2 2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管3、造成電力二極管和普通二極管區(qū)別的一些因素：、造成電力二極管和普通二極管區(qū)別的一些因素：1)正向?qū)〞r(shí)要流過(guò)很大的電流，其電流密度較大，因而正向?qū)〞r(shí)要流過(guò)很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注入水平較高，額外載流子的注入水平較高，

8、電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略。2)因?yàn)橐驗(yàn)殡娏鞔笠€(xiàn)和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響。電流大引線(xiàn)和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響。3)承受的電流變化率承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線(xiàn)和器件自身的較大，因而其引線(xiàn)和器件自身的電感效應(yīng)也會(huì)有較大影響。電感效應(yīng)也會(huì)有較大影響。4)為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大 2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理 2.2 2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管2.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性1、靜態(tài)特性（伏安特性圖）、靜態(tài)

9、特性（伏安特性圖） 2.2 2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管2、動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程 1)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)沖伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖 2.2 2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管2.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性延遲時(shí)間延遲時(shí)間電流下降電流下降時(shí)間時(shí)間反向恢復(fù)反向恢復(fù)時(shí)間時(shí)間開(kāi)通時(shí)出現(xiàn)電壓過(guò)

10、沖的原因：開(kāi)通時(shí)出現(xiàn)電壓過(guò)沖的原因：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存大量少子，達(dá)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存大量少子，達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大。到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大。正向電流的上升會(huì)因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。正向電流的上升會(huì)因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，電流上升率越大，UFP越高越高 。2) 開(kāi)通過(guò)程（開(kāi)通過(guò)程（ 零偏零偏正偏）正偏） 電力二極管的正向壓降先電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò)一段，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)降的某時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)降的某個(gè)值個(gè)值 2.2 2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管2、動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)

11、特性反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程 正向恢復(fù)正向恢復(fù)時(shí)間時(shí)間2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過(guò)的最在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大大工頻正弦半波電流工頻正弦半波電流的平均值的平均值使用時(shí)應(yīng)按使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定裕量應(yīng)留有一定裕量1. 正向通態(tài)平均電流正向通態(tài)平均電流IF(AV)（額定電流額定電流）2. 正向壓降正向壓降UF 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)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。應(yīng)的正

12、向壓降。 2.2 2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管3. 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM 所能重復(fù)施加在管子上的反向最高峰值電壓。所能重復(fù)施加在管子上的反向最高峰值電壓。通常是其雪崩擊穿電壓通常是其雪崩擊穿電壓UB的的2/3。4. 最高工作結(jié)溫最高工作結(jié)溫TJM5. 浪涌電流浪涌電流IFSM指在指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度 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。的過(guò)電流。 2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)2.2 2.2 不可控器

13、件不可控器件電力二極管電力二極管2.2.4 電力二極管的主要類(lèi)型電力二極管的主要類(lèi)型2. 快恢復(fù)二極管（快恢復(fù)二極管（FRD） 1. 普通二極管（普通二極管（整流二極管）整流二極管） （General Purpose Diode） 其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)（5us以上）以上） ，多用于開(kāi)關(guān)頻率，多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（不高（1kHz以下）的整流電路中。正向電流定額和反以下）的整流電路中。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)千安和數(shù)千伏向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上以上 恢復(fù)過(guò)程很短特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短（恢復(fù)過(guò)程很短特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短（5us以下）

14、的以下）的二極管二極管2.2 2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管分為分為快速恢復(fù)快速恢復(fù)和和超快速恢復(fù)超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。兩個(gè)等級(jí)。快速恢復(fù)：反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)快速恢復(fù)：反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)超快速恢復(fù)：在超快速恢復(fù)：在100ns以下，甚至達(dá)到以下，甚至達(dá)到2030ns。3. 肖特基二極管肖特基二極管（Schottky Barrier DiodeSBD）以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):反向恢復(fù)時(shí)間很短（反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns），正向恢復(fù)過(guò)程中），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

15、低的情況也不會(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，其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗下其正向壓降也很小，其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高都比快速二極管還要小，效率高 弱點(diǎn)：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(mǎn)足當(dāng)反向耐壓提高時(shí)，其正向壓降也會(huì)高得不能滿(mǎn)足要求，因此多用于要求，因此多用于200V以下以下反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗反向漏電流較大且對(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。不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。 2.2.4 電力二極管的主要類(lèi)型電力二極管的主要類(lèi)型2.2 2.2 不可控器件不

16、可控器件電力二極管電力二極管2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 晶閘管（晶閘管（Thyristor）又稱(chēng)可控硅（）又稱(chēng)可控硅（SCR） 1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明 其能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中其能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高，且工作可靠，因此在大容量的應(yīng)用場(chǎng)合仍然具有最高，且工作可靠，因此在大容量的應(yīng)用場(chǎng)合仍然具有比較重要的地位。比較重要的地位。2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理1. 結(jié)構(gòu)、符號(hào)、外形結(jié)構(gòu)、符號(hào)、外形四層三端結(jié)構(gòu)四層三端結(jié)構(gòu) 螺栓型、

17、平板型螺栓型、平板型 2、工作原理、工作原理晶閘管正偏或反偏時(shí)，晶閘管正偏或反偏時(shí)，3個(gè)個(gè)PN結(jié)中總有反偏，故總處于阻斷狀結(jié)中總有反偏，故總處于阻斷狀態(tài)態(tài) 導(dǎo)通后若撤掉導(dǎo)通后若撤掉IG,正反饋仍會(huì)維持導(dǎo)通狀態(tài)（半控型器件）正反饋仍會(huì)維持導(dǎo)通狀態(tài)（半控型器件） 晶閘管正偏時(shí)，從門(mén)極注入晶閘管正偏時(shí)，從門(mén)極注入IG,則則IB2IC2(IB1)IC1IB2，形成，形成強(qiáng)烈的強(qiáng)烈的正反饋正反饋直至晶閘管導(dǎo)通直至晶閘管導(dǎo)通晶閘管的雙晶體管模型晶閘管的雙晶體管模型2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管其他幾種可能導(dǎo)通的情況：晶閘管其他

18、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)極電壓上升率陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高過(guò)高結(jié)溫較高結(jié)溫較高光直接照射硅片，即光觸發(fā)光直接照射硅片，即光觸發(fā)只有門(mén)極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的只有門(mén)極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段控制手段 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性1. 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 承受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶承受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶 閘管才能開(kāi)通閘管才能開(kāi)通 晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用晶閘管一旦導(dǎo)通

19、，門(mén)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)值以下零的某一數(shù)值以下 承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘 管都不會(huì)導(dǎo)通管都不會(huì)導(dǎo)通 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管正向轉(zhuǎn)折正向轉(zhuǎn)折電壓電壓2. 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性在正向阻斷恢復(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)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)ǘ皇荛T(mén)極控制。重新正向?qū)ǘ皇?/p>

20、門(mén)極控制。 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間tq=trr+tgr1) 開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程 2) 關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間tgt=td+tr延遲時(shí)延遲時(shí)間間上升時(shí)上升時(shí)間間反向阻反向阻斷恢復(fù)斷恢復(fù)時(shí)間時(shí)間正向阻正向阻斷恢復(fù)斷恢復(fù)時(shí)間時(shí)間2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)1. 電壓定額電壓定額 (1)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM (2)反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM (3)通態(tài)（峰值）電壓通態(tài)（峰值）電壓UTM 額定電壓額定電壓: 通常取晶閘管的通常取晶閘管的UDRM和和URRM中較

21、小的標(biāo)值作為該器件中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓的額定電壓 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管2. 電流定額電流定額 (1)通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AV) （額定電流額定電流）晶閘管在環(huán)境溫度為晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)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波電流的平均值 （舉例見(jiàn)下頁(yè)）（舉例見(jiàn)下頁(yè)） (2) 維持電流維持電流 IH 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一

22、般為幾十到幾百毫安。幾百毫安。與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH越小。越小。2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管舉例舉例:圖圖3. 圖圖1-43中陰影部分為晶閘管處于通態(tài)區(qū)間的電流波形，各波形的中陰影部分為晶閘管處于通態(tài)區(qū)間的電流波形，各波形的電流最大值均為電流最大值均為Im，試計(jì)算各波形的電流平均值，試計(jì)算各波形的電流平均值Id1、Id2、Id3與電與電流有效值流有效值I1、I2、I3。 4. 上題中如果不考慮安全裕量上題中如果不考慮安全裕量,問(wèn)問(wèn)100A的晶閘管能送出的平均電流的晶閘管能送出的平均電流Id1、Id2、Id3各為多少？這時(shí)，相應(yīng)的電流最大值各為多

23、少？這時(shí)，相應(yīng)的電流最大值Im1、Im2、Im3各為多少各為多少?圖圖1-43 晶閘管導(dǎo)電波形晶閘管導(dǎo)電波形 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管2. 電流定額電流定額 (3) 擎住電流擎住電流 IL (4)浪涌電流浪涌電流ITSM 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫不指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流重復(fù)性最大正向過(guò)載電流 。 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，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)，通常導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管

24、來(lái)說(shuō)，通常IL約為約為IH的的24倍。倍。2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管3. 動(dòng)態(tài)參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù)(1) 斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從在額定結(jié)溫和門(mén)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斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率 (2) 通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dt 在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最 大通態(tài)電流上升率大通態(tài)電流上升率 如果電流上升太快會(huì)造成局部如果電流上升太快會(huì)造成局部過(guò)熱過(guò)熱而使晶閘管損壞而使晶閘管損壞 如果電

25、壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶如果電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管閘管誤導(dǎo)通誤導(dǎo)通 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管2.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件1、快速晶閘管、快速晶閘管 分快速晶閘管和高頻晶閘管分快速晶閘管和高頻晶閘管普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，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，高頻晶閘管高頻晶閘管10s左右左右2、雙向晶閘管、雙向晶閘管 可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成 與一對(duì)反并聯(lián)晶閘管相與一對(duì)反并聯(lián)晶閘管相

26、比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡(jiǎn)單路簡(jiǎn)單 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 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)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)額定電流有兩個(gè)：一是晶閘管電流，一是反并聯(lián)二極管的電流。額定電流有兩個(gè)：一是晶閘管電流，一是反并聯(lián)二極管的電流。3、逆導(dǎo)晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管2.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管小功率光控晶閘管只有陽(yáng)極和陰極兩個(gè)端子小功率光

27、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大功率光控晶閘管則還帶有光纜 光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣絕緣，且可避免，且可避免電磁干擾的影響，因此目前在電磁干擾的影響，因此目前在高壓大功率高壓大功率的場(chǎng)合，如高的場(chǎng)合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位4、光控晶閘管、光控晶閘管2.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件20世紀(jì)世紀(jì)80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代。年代以來(lái)，電

28、力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代。典型代表典型代表門(mén)極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效門(mén)極可關(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。應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力電力MOSFETIGBT單管及模塊單管及模塊2.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件通過(guò)在門(mén)極施加通過(guò)在門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷使其關(guān)斷電壓、電流容量較大，在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用電壓、電流容量較大，在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)GTO是一種是一種多元多元的功率集成器件的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至

29、數(shù)百個(gè)共陽(yáng)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小極的小GTO元元,這些元的陰極和這些元的陰極和門(mén)極則在器件內(nèi)門(mén)極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起部并聯(lián)在一起多元集成結(jié)構(gòu)還使多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程快，承受比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程快，承受di/dt能力強(qiáng)能力強(qiáng) 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件GTO能夠通過(guò)門(mén)極關(guān)斷的原因能夠通過(guò)門(mén)極關(guān)斷的原因：1) 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)2較大較大，使晶體管，使晶體管V2控制靈敏，易于控制靈敏，易于GTO關(guān)斷關(guān)斷2、工作原理（用雙晶體管模型來(lái)分析）、工作原理（用雙晶體管模型來(lái)分析）)(1IIII212CBO1CBOG2A2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.1 門(mén)

30、極可關(guān)斷晶閘管（門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）2) 導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí)1+2更接近更接近1，導(dǎo)通時(shí)飽和不深導(dǎo)通時(shí)飽和不深，接近臨界飽和，接近臨界飽和， 有利門(mén)極控制關(guān)斷，但導(dǎo)有利門(mén)極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大通時(shí)管壓降增大 GTO能夠通過(guò)門(mén)極關(guān)斷的原因能夠通過(guò)門(mén)極關(guān)斷的原因：)(1IIII212CBO1CBOG2A2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2、工作原理（用雙晶體管模型來(lái)分析）、工作原理（用雙晶體管模型來(lái)分析）2.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）3) 多元集成結(jié)構(gòu)使多元集成結(jié)構(gòu)使GTO元陰極面積很小，門(mén)、陰極間距大為縮元陰極面積很小，門(mén)、陰極間距大為縮短，使得短，使

31、得P2基區(qū)橫向電阻很小基區(qū)橫向電阻很小，能從門(mén)極抽出較大電流，能從門(mén)極抽出較大電流GTO能夠通過(guò)門(mén)極關(guān)斷的原因能夠通過(guò)門(mén)極關(guān)斷的原因：)(1IIII212CBO1CBOG2A2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2、工作原理（用雙晶體管模型來(lái)分析）、工作原理（用雙晶體管模型來(lái)分析）2.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）導(dǎo)通過(guò)程導(dǎo)通過(guò)程：與普通晶閘管一樣，有強(qiáng)烈正反饋，只是導(dǎo)：與普通晶閘管一樣，有強(qiáng)烈正反饋，只是導(dǎo)通時(shí)通時(shí)飽和程度較淺飽和程度較淺關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程：門(mén)極加負(fù)脈沖即從門(mén)極抽出電流：門(mén)極加負(fù)脈沖即從門(mén)極抽出電流強(qiáng)烈強(qiáng)烈正反饋。當(dāng)正反饋。當(dāng)IA和和IK的減小到一定

32、程度時(shí)，器件退出飽的減小到一定程度時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷和而關(guān)斷 2、工作原理（用雙晶體管模型來(lái)分析）、工作原理（用雙晶體管模型來(lái)分析）2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）3、GTO的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性 關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程: 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff =ts+tfts: 隨陽(yáng)極電流的增大隨陽(yáng)極電流的增大而增大而增大;門(mén)極負(fù)脈沖電門(mén)極負(fù)脈沖電流越大，流越大，前沿前沿越陡，越陡，ts就越短。使門(mén)極負(fù)脈就越短。使門(mén)極負(fù)脈沖的沖的后沿后沿緩慢衰減，緩慢衰減，tt階段保持階段保持負(fù)壓負(fù)壓，則可，則可以縮短以縮短尾部時(shí)間尾部時(shí)間。2.4 2.4

33、 典型全控型器件典型全控型器件2.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 儲(chǔ)存時(shí)間儲(chǔ)存時(shí)間抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子的時(shí)間的大量載流子的時(shí)間 下降時(shí)間下降時(shí)間等效晶體管從飽和區(qū)等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小時(shí)間流逐漸減小時(shí)間 尾部時(shí)間尾部時(shí)間殘存載流子復(fù)殘存載流子復(fù)合所需時(shí)間合所需時(shí)間 通常通常tfts BUcex BUces BUcer BUceo 為確保安全，實(shí)際使用時(shí)最高工作電壓要比為確保安全，實(shí)際使用時(shí)最高工作電壓要比BUceo低

34、得多低得多 2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流ICM 通常規(guī)定為通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的下降到規(guī)定值的1/21/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic 3) 集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率PCM 最高工作溫度下允許的耗散功率最高工作溫度下允許的耗散功率 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.2 電力晶體管（電力晶體管（GTR 、BJT）5、GTR的二次擊穿現(xiàn)象的二次擊穿現(xiàn)象一次擊穿：一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，電壓時(shí)，Ic迅速增大，迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿出現(xiàn)雪崩擊穿 二次擊穿：二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時(shí)一次擊穿發(fā)生時(shí)Ic增大到增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)

35、會(huì)突然急劇某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然上升，并伴隨電壓的陡然下降，將導(dǎo)致器件的永久下降，將導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯損壞，或者工作特性明顯衰變衰變 。2.4.2 電力晶體管（電力晶體管（GTR 、BJT）2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件出現(xiàn)一次擊穿后，出現(xiàn)一次擊穿后，GTR一般不一般不會(huì)損壞，二次擊穿會(huì)導(dǎo)致器件的會(huì)損壞，二次擊穿會(huì)導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而危害極大。變，因而危害極大。6、安全工作區(qū)（、安全工作區(qū)（ Safe Operating Area SOA ）由最高電壓由最高電壓UceM、集電極最大電流、

36、集電極最大電流IcM、最大耗散功、最大耗散功率率PcM、二次擊穿臨界線(xiàn)限定、二次擊穿臨界線(xiàn)限定 2.4.2 電力晶體管（電力晶體管（GTR 、BJT）2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn)連接起來(lái)，將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn)連接起來(lái)，構(gòu)成二次擊穿臨界線(xiàn)。構(gòu)成二次擊穿臨界線(xiàn)。二次擊二次擊穿功率穿功率2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）結(jié)型結(jié)型一般稱(chēng)作靜電感應(yīng)晶體管一般稱(chēng)作靜電感應(yīng)晶體管 絕緣柵型絕緣柵型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管主要指主要指MOS型型 特點(diǎn)特點(diǎn)用柵極電壓來(lái)控制漏極電流用柵極電壓來(lái)控制漏極電流

37、驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高 熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)于熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)于GTR 電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)超過(guò)10kW的電力電子裝置的電力電子裝置 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件1、結(jié)構(gòu)及工作原理、結(jié)構(gòu)及工作原理 耗盡型耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在 導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道 增強(qiáng)型增強(qiáng)型對(duì)于對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于）溝道器件，柵極電壓大于 （小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道 電力電力MOSFET的種類(lèi)的種類(lèi) 按導(dǎo)電溝道可

38、分為按導(dǎo)電溝道可分為P P溝道溝道和和N N溝道溝道 均含有耗盡型、增強(qiáng)型均含有耗盡型、增強(qiáng)型 電力電力MOSFET主要是主要是N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型 2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件1、結(jié)構(gòu)及工作原理、結(jié)構(gòu)及工作原理 導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電， 是單極型晶體管是單極型晶體管 導(dǎo)電機(jī)理與小功率導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大 區(qū)別區(qū)別 2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）2.4

39、 2.4 典型全控型器件典型全控型器件1、結(jié)構(gòu)及工作原理、結(jié)構(gòu)及工作原理 電力電力MOSFET的多元集成結(jié)構(gòu)的多元集成結(jié)構(gòu) 小功率小功率MOS管是管是橫向橫向?qū)щ娖骷?dǎo)電器件 電力電力MOSFET大都采用大都采用垂直導(dǎo)電垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱(chēng)為結(jié)構(gòu)，又稱(chēng)為VMOSFET，大，大大提高大提高M(jìn)OSFET器件的耐壓和耐電流能力器件的耐壓和耐電流能力 按結(jié)構(gòu)分：利用按結(jié)構(gòu)分：利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET 具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的VDMOSFETN+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-192.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

40、（電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件1、結(jié)構(gòu)及工作原理、結(jié)構(gòu)及工作原理 電力電力MOSFET的工作原理的工作原理 截止：截止：柵源極間電壓為零，漏源極間加正電源柵源極間電壓為零，漏源極間加正電源 P基區(qū)與基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)結(jié)J1反偏，漏反偏，漏 源極之間無(wú)電流流過(guò)源極之間無(wú)電流流過(guò) N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN 溝道圖1-192.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 導(dǎo)通：導(dǎo)通：在柵源極間加正電壓在

41、柵源極間加正電壓UGS UGS大于大于UT（開(kāi)啟電壓）時(shí)，柵極下（開(kāi)啟電壓）時(shí)，柵極下P區(qū)反型成區(qū)反型成N型型而成為而成為反型層反型層，使，使PN結(jié)結(jié)J1消失，漏、源極導(dǎo)電消失，漏、源極導(dǎo)電 N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN 溝道圖1-191、結(jié)構(gòu)及工作原理、結(jié)構(gòu)及工作原理 電力電力MOSFET的工作原理的工作原理2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2、電力、電力MOSFET的基本特性的基本特性1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性:轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性輸出特性輸出特性01020305040圖1-2

42、02468a)10203050400b)1020 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A 漏極電流漏極電流ID和柵源間電壓和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱(chēng)為的關(guān)系稱(chēng)為MOSFET的的轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 漏極電流漏極電流ID和漏源間電壓和漏源間電壓UDS的關(guān)系稱(chēng)為的關(guān)系稱(chēng)為MOSFET的的輸出特性輸出特性 2、電力、電力MOSFET的基本特性的基本特性1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性:轉(zhuǎn)

43、移特性轉(zhuǎn)移特性輸出特性輸出特性01020305040圖1-202468a)10203050400b)1020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A 電力電力MOSFET工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽工作在開(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)換和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換 電力電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間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)通加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通 2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）2.4 2.4 典

44、型全控型器件典型全控型器件2) 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性: 開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程 開(kāi)通延遲時(shí)間開(kāi)通延遲時(shí)間td(on) up前沿時(shí)刻到前沿時(shí)刻到uGS=UT并開(kāi)始并開(kāi)始出現(xiàn)出現(xiàn)iD的時(shí)刻間的時(shí)間段的時(shí)刻間的時(shí)間段2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2、電力、電力MOSFET的基本特性的基本特性2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）上升時(shí)間上升時(shí)間tr uGS從從uT上升到上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時(shí)間段的時(shí)間段UGS達(dá)到達(dá)到UGSP后，在后，在up作用下繼續(xù)升高直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但作用下繼續(xù)升高直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變已不變2

45、) 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性: 開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2、電力、電力MOSFET的基本特性的基本特性2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間ton開(kāi)通延遲時(shí)間開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)與上升時(shí)間與上升時(shí)間tr之和之和2) 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性: 開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2、電力、電力MOSFET的基本特性的基本特性2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）2) 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性: 關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間t d(off) up下降到零起，

46、下降到零起，Cin通過(guò)通過(guò)Rs和和RG 放電，放電，uGS按指數(shù)曲線(xiàn)下降到按指數(shù)曲線(xiàn)下降到UGSP 時(shí)，時(shí)，iD開(kāi)始減小的時(shí)間段開(kāi)始減小的時(shí)間段2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2、電力、電力MOSFET的基本特性的基本特性2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）2) 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性: 關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程下降時(shí)間下降時(shí)間tf uGS從從UGSP繼續(xù)下降起，繼續(xù)下降起，iD減小，到減小，到uGS20V將導(dǎo)致絕緣層將導(dǎo)致絕緣層擊穿。擊穿。 極間電容極間電容 CGS、CGD和和CDS 漏源間的漏源間的耐壓耐壓、漏極最大允許、漏極最大允許電流電流和最大和最大

47、耗散功率耗散功率決決定了電力定了電力MOSFET的安全工作區(qū)。的安全工作區(qū)。 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 GTR和和GTO的特點(diǎn)：的特點(diǎn)： 雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，導(dǎo)通壓降雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，導(dǎo)通壓降 低，通流能力很強(qiáng)，低，通流能力很強(qiáng)， 開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)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)雜動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜 MOSFET的特點(diǎn)的特點(diǎn)： 單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，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 容量小、耐壓低、導(dǎo)通電阻大容量

48、小、耐壓低、導(dǎo)通電阻大 將以上兩類(lèi)器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合起來(lái)，形成復(fù)合器件，將以上兩類(lèi)器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合起來(lái)，形成復(fù)合器件， 稱(chēng)為稱(chēng)為Bi-MOS器件器件 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 （Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或或IGT ） 由由GTR和和MOSFET復(fù)合，結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)，具有復(fù)合，結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)，具有 良好的特性良好的特性 1986年投入市場(chǎng)后，取代了年投入市場(chǎng)后，取代了GTR和一部分和一部分MOSFET 的市場(chǎng)，成為中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件的市場(chǎng)，成為中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件 有待

49、繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代有待繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的的 地位地位2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件1、IGBT的結(jié)構(gòu)及工作原理的結(jié)構(gòu)及工作原理 IGBT比比VDMOSFET多一層多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個(gè)注入?yún)^(qū)，形成了一個(gè)大面積的大面積的PN結(jié)結(jié)J1，使，使IGBT導(dǎo)通時(shí)由導(dǎo)通時(shí)由P+注入?yún)^(qū)向注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)基區(qū)發(fā)射少子，而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得高耐壓射少子，而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得高耐壓IGBT具有很強(qiáng)的通流能力具有很強(qiáng)的通流能力 三端器件：柵極三端器件：柵極G、集電極、集電極C和發(fā)射極和發(fā)射極E

50、 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-191、IGBT的結(jié)構(gòu)及工作原理的結(jié)構(gòu)及工作原理EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc) 簡(jiǎn)化等效電路表明，簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是是GTR與與MOSFET組成的組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管晶體管 RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻 2.4

51、2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管晶體管基區(qū)晶體管基區(qū)調(diào)制電阻調(diào)制電阻 導(dǎo)通導(dǎo)通：uGEUGE(th)時(shí)，時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，提供基極電流，IGBT導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小減小，使通態(tài)壓降小關(guān)斷關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷關(guān)斷1、IGBT的結(jié)構(gòu)及工作原理的結(jié)構(gòu)及工作原理EGCN+N-a)PN+N+PN

52、+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管2、IGBT的基本特性的基本特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性 開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓UGE(th)能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵 射電壓，隨溫度升高而略有下降射電壓，隨溫度升高而略有下降 UGE(th) 在在+25C時(shí)，值一般為時(shí)，值一般為26V2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 2、IGBT的基本特性的基本特性靜態(tài)

53、特性靜態(tài)特性 分三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)、飽和區(qū)。分三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)、飽和區(qū)。 uCE0時(shí)，時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)為反向阻斷工作狀態(tài) 輸出特性輸出特性2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管3、IGBT的基本特性的基本特性 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程 開(kāi)通延遲時(shí)間開(kāi)通延遲時(shí)間td(on) 電流上升時(shí)間電流上升時(shí)間tri 電壓下降時(shí)間電壓下降時(shí)間tfv 開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間ton= td(on)+tri+ tfv 關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程 關(guān)斷

54、延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) 電壓上升時(shí)間電壓上升時(shí)間trv 電流下降時(shí)間電流下降時(shí)間tfi 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff = td(off) +trv+tfi 有少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而有少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而 IGBT的開(kāi)關(guān)速度要低于的開(kāi)關(guān)速度要低于電力電力MOSFET。 4、IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES 由內(nèi)部由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定晶體管的擊穿電壓確定 最大集電極電流最大集電極電流 包括額定直流電流包括額定直流電流IC和和1ms脈寬最大電流脈寬最大電流ICP 最大集電極功耗最大集電極功耗PCM 正常工作溫度下允許的最大功耗正常工作溫度下允許的最

55、大功耗2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管5、IGBT的的特性和參數(shù)特點(diǎn)特性和參數(shù)特點(diǎn) (1) 開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小 在電壓在電壓1000V以上時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗只有以上時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗只有GTR的的1/10，與電，與電 力力MOSFET相當(dāng)，開(kāi)關(guān)速度低于電力相當(dāng)，開(kāi)關(guān)速度低于電力MOSFET(2) 相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR大，且具大，且具 有耐脈沖電流沖擊能力有耐脈沖電流沖擊能力(3) 通態(tài)壓降比通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域低，特別是在電流較大的區(qū)域(4

56、) 輸入阻抗高，輸入特性與輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類(lèi)似類(lèi)似(5) 與與MOSFET和和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一相比，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)步提高，同時(shí)保持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn) 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管擎住效應(yīng)擎住效應(yīng)：NPN晶體管基極與發(fā)射晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻極之間存在體區(qū)短路電阻Rs，P區(qū)區(qū)的橫向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生的橫向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)壓降，相當(dāng)于對(duì)J3結(jié)施加正偏壓，結(jié)施加正偏壓，一旦一旦J3開(kāi)通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電開(kāi)通，柵極就會(huì)

57、失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控極電流的控制作用，電流失控6、IGBT的擎住效應(yīng)的擎住效應(yīng) 簡(jiǎn)化等效電路簡(jiǎn)化等效電路寄生晶閘管寄生晶閘管由一個(gè)由一個(gè)N-PN+晶體晶體管和作為主開(kāi)關(guān)器件的管和作為主開(kāi)關(guān)器件的P+N-P晶體晶體管組成管組成動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比比靜態(tài)擎住效應(yīng)靜態(tài)擎住效應(yīng)所允所允許的集電極電流小許的集電極電流小 擎住效應(yīng)曾限制擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高電流容量提高2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管7、IGBT的的安全工作區(qū)安全工作區(qū) 正偏安全工作區(qū)（正偏安全工作區(qū)（FBSOA） 最大集電極電流、最大集射極間電壓和

58、最大集電最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定極功耗確定 反向偏置安全工作區(qū)（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壓上升率duCE /dt確定確定 IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件模塊，成為逆導(dǎo)器件 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管2.5 2.5 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件2.5.1 MOS控制晶閘管（控制晶閘管（ MOS Controlled

59、Thyristor MCT） MOSFET與晶閘管的復(fù)合與晶閘管的復(fù)合 MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)：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)的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率、快速的開(kāi)關(guān)過(guò)程過(guò)程 晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降 一個(gè)一個(gè)MCT器件由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的器件由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的MCT元組成元組成 MCT曾一度被認(rèn)為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器曾一度被認(rèn)為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器件。但關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有大的突破，電壓和電流容量件。但關(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)都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。

60、用。 SIT（Static Induction Transistor） 是一種結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是一種結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管， 1970年出現(xiàn)年出現(xiàn) 工作頻率與電力工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至更高，功率容相當(dāng)，甚至更高，功率容 量更大，因而適用于高頻大功率場(chǎng)合量更大，因而適用于高頻大功率場(chǎng)合 在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大在雷達(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)用和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用 缺點(diǎn)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(chēng)為：柵極不加信號(hào)時(shí)導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，稱(chēng)為 正常導(dǎo)通型正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便器件，使用不太方便 通態(tài)