第1章電力電子器件2

第1章電力電子器件

本章要點(diǎn)功率二極管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性、參數(shù)，選用原則；晶閘管、雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性、參數(shù)，選用原則；可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）、功率場效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性、參數(shù)；1.1功率二極管1.1.1功率二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理1、元件結(jié)構(gòu)

圖1-1圖1-2

2、工作原理由于PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕远O管是一個(gè)正方向單向?qū)щ?、反方向阻斷的電力電子器件?.1.2功率二極管的伏安特性圖1-31.1.3功率二極管的主要參數(shù)1、正向平均電流（額定電流）指在規(guī)定的環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，管子允許長期通過的最大工頻半波電流的平均值。元件標(biāo)稱的額定電流就是這個(gè)電流。2、正向壓降（管壓降）是指在規(guī)定溫度下，流過某一穩(wěn)定正向電流時(shí)所對應(yīng)的正向壓降。

3、反向重復(fù)峰值電壓（額定電壓）反向重復(fù)峰值電壓URRM是功率二極管能重復(fù)施加的反向最高電壓。一般在選用功率二極管時(shí)，以其在電路中可能承受的反向峰值電壓的兩倍來選擇反向重復(fù)峰值電壓。URRM=0.8URSM

4、反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間是指功率二極管從正向電流降至零起,到恢復(fù)反向阻斷能力為止的時(shí)間。1.1.4功率二極管的型號和選擇原則

1、功率二極管的型號

2.功率二極管的選擇原則

（1）選擇額定正向平均電流IdD的原則在規(guī)定的室溫和冷卻條件下，只要所選管子的額定電流IdD對應(yīng)的有效值IDM大于管子在電路中實(shí)際可能通過的最大電流有效值IDm即可?？紤]元件的過載能力，實(shí)際選擇時(shí)應(yīng)有1.5~2倍的安全裕量。計(jì)算公式為：取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)系列值（2）選擇額定電壓的原則選擇功率二極管的反向重復(fù)峰值電壓等級（額定電壓）的原則應(yīng)為管子在所工作的電路中可能承受的最大反向瞬時(shí)值電壓的2~3倍，即取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)系列值二極管的基本應(yīng)用1．續(xù)流如圖1－2(a)所示，為防止在開關(guān)器件S切斷電感電路時(shí)，電感產(chǎn)生的反向電勢與電源疊加很大而對開關(guān)器件造成損壞，特接入二極管，給電感電流提供一個(gè)繼續(xù)流動(dòng)的回路，以保證開關(guān)管S在關(guān)斷時(shí)其兩端電壓不超過電源電壓US，從而有效地避免因電感關(guān)斷而在開關(guān)器件兩端出現(xiàn)的高壓。

2．限幅如圖1-2（b）所示，當(dāng)輸入信號US變化范圍很大時(shí)，利用二極管可以使信號電壓的幅值限制在某個(gè)范圍之內(nèi)。設(shè)二極管的閾值電壓為Uth，當(dāng)US<Uth時(shí)二極管截止不導(dǎo)通，信號全部輸出，當(dāng)US>Uth時(shí)二極管導(dǎo)通，二極管被限制為正向?qū)妷?。硅管的?dǎo)通電壓為0.7V，鍺管的導(dǎo)通電壓為0.3V。通過把幾個(gè)二極管串聯(lián)起來就可以得到不同的限副值。

3．鉗位如圖1-2（c）所示，當(dāng)負(fù)載RL改變時(shí)，只要二極管處于正偏導(dǎo)通時(shí)（電壓高），則輸出電壓將UO等于電源電壓Us和二極管UF的壓降之和，與負(fù)載RL無關(guān)。即被鉗位到。當(dāng)二極管反偏截止時(shí)（電壓低），將隨RL的改變而改變，鉗位電路失去作用。

4．穩(wěn)壓穩(wěn)壓管的正常工作區(qū)是在反向擊穿區(qū)，當(dāng)二極管被反向擊穿后，反向端電壓基本不變。如圖1-2（d）所示，當(dāng)電源電壓改變時(shí)，通過穩(wěn)壓二極管的反向電流改變，使串聯(lián)電阻R上的壓降改變，而使負(fù)載電壓UO基本不變。

5．整流利用二極管正偏時(shí)導(dǎo)通、反偏時(shí)截止的特性可實(shí)現(xiàn)整流變換。由于二極管的通斷只能由電源控制，

半波整流電路

單相橋式整流電路

（三種畫法）1.2晶閘管晶閘管是一種能夠用控制信號控制其導(dǎo)通，但不能控制其關(guān)斷的半控型器件。其導(dǎo)通時(shí)刻可控，滿足了調(diào)壓要求。它具有體積小、重量輕、效率高、動(dòng)作迅速、維護(hù)簡單、操作方便和壽命長等特點(diǎn)，獲得了廣泛的應(yīng)用。晶閘管也有許多派生器件，如快速晶閘管（FST）、雙向晶閘管（TRIAC）、逆導(dǎo)晶閘管（RCT）和光控晶閘管（LATT）等。1.2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)

1、晶閘管的結(jié)構(gòu)具有四層PNPN結(jié)構(gòu)、三端引出線(A、K、G)的器件。常見的外形有兩種：螺栓型和平板型。

圖1-42、結(jié)構(gòu)和圖形符號

圖1-41.2.2晶閘管的工作原理

1、晶閘管的導(dǎo)通、關(guān)斷實(shí)驗(yàn)由電源、晶閘管的陽極和陰極、白熾燈組成晶閘管主電路；由電源、開關(guān)S、晶閘管的門極和陰極組成控制電路（觸發(fā)電路）。

（a）(b)(c)圖1-5

圖1-5實(shí)驗(yàn)順序?qū)嶒?yàn)前燈的情況實(shí)驗(yàn)時(shí)晶閘管條件實(shí)驗(yàn)后燈的情況結(jié)論陽極電壓UA門極電壓UG導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)1暗反向反向暗晶閘管在反向陽極電壓作用下，不論門極為何電壓，它都處于關(guān)斷狀態(tài)。2暗反向零暗3暗反向正向暗1暗正向反向暗晶閘管在正向陽極電壓與正向門極電壓的共同作用下，才能導(dǎo)通。圖62暗正向零暗3暗正向正向亮關(guān)斷實(shí)驗(yàn)1亮正向正向亮圖6已導(dǎo)通的晶閘管在正向陽極作用下，門極失去控制作用。2亮正向零亮3亮正向反向亮4亮正向（逐漸減小到接近于零）任意暗晶閘管在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，當(dāng)陽極電壓減小到接近于零時(shí)，晶閘管關(guān)斷。2、實(shí)驗(yàn)說明3、實(shí)驗(yàn)結(jié)論通過上述實(shí)驗(yàn)可知，晶閘管導(dǎo)通必須同時(shí)具備兩個(gè)條件:

（1）晶閘管主電路加正向電壓。（2）晶閘管控制電路加合適的正向電壓。

晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。為使晶閘管關(guān)斷，必須使其陽極電流減小到一定數(shù)值以下，這只有通過使陽極電壓減小到零或反向的方法來實(shí)現(xiàn)。

4、晶閘管的導(dǎo)通關(guān)斷原理

當(dāng)晶閘管陽極承受正向電壓，控制極也加正向電壓時(shí)，形成了強(qiáng)烈的正反饋，正反饋過程如下：IG↑→IB2↑→IC2(IB1)↑→IC1↑→IB2↑

圖1-6

晶閘管導(dǎo)通之后，它的導(dǎo)通狀態(tài)完全依靠管子本身的正反饋?zhàn)饔脕砭S持，即使控制極電流消失，晶閘管仍將處于（飽和）導(dǎo)通狀態(tài)。因此，控制極的作用僅是觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通，導(dǎo)通之后，控制極就失去了控制作用。要想關(guān)斷晶閘管可采用的方法有:將陽極電源斷開；改變晶閘管的陽極電壓的方向，即在陽極和陰極間加反向電壓。P121.2.3晶閘管的特性

1、晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性是晶閘管陽極與陰極間電壓UAK和晶閘管陽極電流IA之間的關(guān)系特性。圖1-7

（1）正向特性在門極電流IG=0情況下，晶閘管處于斷態(tài)，只有很小的正向漏電流；隨著正向陽極電壓的增加，達(dá)到正向轉(zhuǎn)折電壓UBO時(shí)，漏電流突然劇增，特性從正向阻斷狀態(tài)突變?yōu)檎驅(qū)顟B(tài)。正常工作時(shí)，不允許把正向電壓加到轉(zhuǎn)折值UBO，而是從門極輸入觸發(fā)電流IG，使晶閘管導(dǎo)通。門極電流愈大陽極電壓轉(zhuǎn)折點(diǎn)愈低。晶閘管正向?qū)ê螅咕чl管恢復(fù)阻斷，只有逐步減少陽極電流。當(dāng)IA小到等于維持電流IH時(shí)，晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)樽钄唷?/p>

（2）反向特性是指晶閘管的反向陽極電壓與陽極漏電流的伏安特性。晶閘管的反向特性與一般二極管的反向特性相似。當(dāng)晶閘管承受反向陽極電壓時(shí)，晶閘管總是處于阻斷狀態(tài)。當(dāng)反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向漏電流增加較快。再繼續(xù)增大反向陽極電壓，會(huì)導(dǎo)致晶閘管反向擊穿，造成晶閘管的損壞。

2、晶閘管的開關(guān)特性(簡介)P13晶閘管的開關(guān)特性如圖所示。圖1-8ton=td+tr

toff=trr+tgr

晶閘管開關(guān)特性的說明第一段延遲時(shí)間td。陽極電流上升到10％所需時(shí)間，此時(shí)J2結(jié)仍為反偏，晶閘管的電流不大。第二段上升時(shí)間tr，陽極電流由0.1上升到0.9所需時(shí)間，這時(shí)靠近門極的局部區(qū)域已經(jīng)導(dǎo)通，相應(yīng)的J2結(jié)已由反偏轉(zhuǎn)為正偏，電流迅速增加。通常定義器件的開通時(shí)間ton為延遲時(shí)間td與上升時(shí)間tr之和。即

ton=td+tr電源電壓反向后，從正向電流降為零起到能重新施加正向電壓為止定義為器件的電路換向關(guān)斷時(shí)間toff。反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr與正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr之和。

toff=trr+tgr

1.2.4晶閘管的主要參數(shù)1.2.4晶閘管的主要參數(shù)(簡介)

1、額定電壓UTn(重點(diǎn))（1）正向重復(fù)峰值電壓UDRM在控制極斷路和正向阻斷條件下，可重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。規(guī)定此電壓為正向不重復(fù)峰值電壓UDSM的80%。（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM在控制極斷路時(shí)，以重復(fù)加在晶閘管兩端的反向峰值電壓。此電壓取反向不重復(fù)峰值電壓URSM的80%。晶閘管的額定電壓則取UDRM和URRM的較小值且靠近標(biāo)準(zhǔn)電壓等級所對應(yīng)的電壓值。P14EXAMPLE選擇管子的額定電壓UTn應(yīng)為晶閘管在電路中可能承受的最大峰值電壓的2~3倍。額定電壓以電壓等級給出，通常標(biāo)準(zhǔn)電壓等級規(guī)定為：電壓在1000V以下，每100V為一級；1000V到3000V，每200V為一級。

晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電壓等級2、額定電流IT(AV)(重點(diǎn))是指：在環(huán)境溫度為+40度和規(guī)定的散熱條件下，晶閘管在電阻性負(fù)載時(shí)的單相、工頻（50Hz）、正弦半波（導(dǎo)通角不小于170度）的電路中，結(jié)溫穩(wěn)定在額定值125度時(shí)所允許的通態(tài)平均電流。注意：晶閘管是以電流的平均值而非有效值作為它的電流定額，這是因?yàn)榫чl管較多用于可控整流電路，而整流電路往往按直流平均值來計(jì)算。

它的通態(tài)平均電流IT(AV)和正弦電流最大值Im之間的關(guān)系表示為：

正弦半波電流的有效值為：

式中Kf―為波形系數(shù)P15

流過晶閘管的電流波形不同，其波形系數(shù)也不同，實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)電流有效值相同的原則進(jìn)行換算，通常選用晶閘管時(shí)，電流選擇應(yīng)取(1.5～2)倍的安全裕量。P15E1-1

3、維持電流IH

在室溫和門極斷路時(shí)，晶閘管已經(jīng)處于通態(tài)后，從較大的通態(tài)電流降至維持通態(tài)所必須的最小陽極電流。

4、擎住電流IL

晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)時(shí)移去觸發(fā)信號之后，要器件維持通態(tài)所需要的最小陽極電流。對于同一個(gè)晶閘管來說，通常擎住電流IL約為維持電流IH的(2～4)倍。IL=（2-4）

IH5、門極觸發(fā)電流IGT在室溫且陽極電壓為6V直流電壓時(shí)，使晶閘管從阻斷到完全開通所必需的最小門極直流電流。6、門極觸發(fā)電壓UGT

對應(yīng)于門極觸發(fā)電流時(shí)的門極觸發(fā)電壓。觸發(fā)電路給門極的電壓和電流應(yīng)適當(dāng)?shù)卮笥谒?guī)定的UGT和IGT上限，但不應(yīng)超過其峰值IGFM和UGFM。范圍：IGT--IGFM

UGT--UGFM

7、斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

在額定結(jié)溫和門極斷路條件下，不導(dǎo)致器件從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最大電壓上升率。過大的斷態(tài)電壓上升率會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。P17

8、通態(tài)電流臨界上升率di/dt

在規(guī)定條件下，由門極觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通時(shí)，晶閘管能夠承受而不導(dǎo)致?lián)p壞的通態(tài)電流的最大上升率。在晶閘管開通時(shí)，如果電流上升過快，會(huì)使門極電流密度過大，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞。1.2.5晶閘管的型號、選擇原則

1、普通晶閘管的型號KP[額定電流等級]-[額定電壓等級][通態(tài)平均電壓組別]其中K代表晶閘管，P代表類型為普通型，可以替換為S（雙向型），G（可關(guān)斷型），N（逆導(dǎo)型）。額定電壓值為額定電壓等級乘以100，當(dāng)額定電流小于100A時(shí)，通態(tài)平均電壓組別可以不標(biāo)。

組別ABCDE通態(tài)平均電壓（V）UT≤0.40.4＜UT≤0.50.5＜UT≤0.60.6＜UT≤0.70.7＜UT≤0.8組別FGHI通態(tài)平均電壓（V）0.8＜UT≤0.90.9＜UT≤1.01.0＜UT≤1.11.1＜UT≤1.2晶閘管通態(tài)平均電壓分組

例如：KP100-12G，表示額定電流為100A，額定電壓為1200V，通態(tài)平均電壓小于1V的普通型晶閘管。

2、普通晶閘管的選擇原則

（1）選擇額定電流的原則在規(guī)定的室溫和冷卻條件下，只要所選管子的額定電流有效值大于等于管子在電路中實(shí)際可能通過的最大電流有效值即可?？紤]元件的過載能力，實(shí)際選擇時(shí)應(yīng)有1.5~2倍的安全裕量。計(jì)算公式為：然后取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)系列值。（2）選擇額定電壓的原則選擇普通晶閘管額定電壓的原則應(yīng)為管子在所工作的電路中可能承受的最大反向瞬時(shí)值電壓的2~3倍，即然后取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)系列值。P17E1-2例1一晶閘管接在220V交流回路中，通過器件的電流有效值為50Ａ，額定電壓電流均考慮2倍的余量，問應(yīng)選擇多大的晶閘管？解：晶閘管額定電壓

按晶閘管參數(shù)系列取700V，即7級。

晶閘管的額定電流

按晶閘管參數(shù)系列取100Ａ，所以選取晶閘管型號為KP100-7。到目前為止，世界上普通晶閘管的最大額定電流可達(dá)4000A，最大額定電壓可達(dá)7000V，導(dǎo)通壓降在1000V額定電壓時(shí)為1.5V，在5000V額定電壓時(shí)僅為3V。

1．快速晶閘管(FST)快速晶閘管通常是指那些關(guān)斷時(shí)間toff≤50、響應(yīng)速度快的晶閘管。它的基本結(jié)構(gòu)、伏安特性和符號與普通晶閘管完全一樣；它的特點(diǎn)是：開通速度快，關(guān)斷時(shí)間短，一般開通時(shí)間約為1～2，關(guān)斷時(shí)間約為數(shù)微秒，比普通晶閘管快一個(gè)數(shù)量級。通態(tài)壓降低，開關(guān)損耗小。有較高的通態(tài)電流臨界上升率山及斷態(tài)電壓臨界上升率。使用頻率范圍廣，幾十至幾千赫茲。這種快速晶閘管主要應(yīng)用于直流電源供電的逆變器的斬波器中?？焖倬чl管的型號用KK表示。

1.2.6晶閘管的其它派生元件(簡介)

2．逆導(dǎo)型晶閘管(RCT)

普通晶閘管表現(xiàn)為正向可控閘流特性，反向高阻特性，稱為逆阻型器件。而逆導(dǎo)型晶閘管是一個(gè)反向?qū)ǖ木чl管，是將一個(gè)晶閘管與一個(gè)續(xù)流二極管反并聯(lián)集成在同一硅片上構(gòu)成的新器件，如圖1－17所示。逆導(dǎo)型晶閘管正向表現(xiàn)為晶閘管正向伏安特性，反向表現(xiàn)為二極管特性。與普通晶閘管相比，逆導(dǎo)型晶閘管有如下特點(diǎn)：正向轉(zhuǎn)折電壓比普通晶閘管高，電流容量大，易于提高開關(guān)速度，高溫特性好(允許結(jié)溫可達(dá)150℃以上)，減小了接線電感，縮小了裝置體積。逆導(dǎo)型晶閘管的型號用KN表示。

圖1-17

逆導(dǎo)晶閘管

4.TRIAC雙向晶閘管從結(jié)構(gòu)和特性來說，都可以看成是一對反向并聯(lián)的普通晶閘管。在主電極的正、反兩個(gè)方向均可用交流或直流電流觸發(fā)導(dǎo)通。圖1-1212塑封式圖1-11P20圖1-13雙向晶閘管(TRIAC)p20雙向晶閘管TRIAC是一個(gè)NPNPN五層三端器件，有兩個(gè)主電極T1、T2和一個(gè)門極G，觸發(fā)信號加在T1極和門極G之間，它在正反兩個(gè)方向電壓下均可用同一門極控制觸發(fā)導(dǎo)通。對雙向晶閘管在門極G和主電極T1之間送入正觸發(fā)脈沖電流(IG從G流入)或負(fù)脈沖電流(IG從G流出)均能使雙向晶閘管導(dǎo)通。根據(jù)T1、T2間電壓極性的不同及門極信號極性的不同，雙向晶閘管有4種觸發(fā)和開通方式。雙向晶閘管在第Ⅰ和第Ⅲ象限有對稱的伏安特性。圖1-14(1)主電極T1相對T2電位為正的情況下，門極G和T1之間加正觸發(fā)脈沖電壓、電流，這時(shí)雙向晶閘管導(dǎo)通工作在第一象限，稱為I+觸發(fā)方式。(2)主電極T1相對T2電位為正的情況下，門極G和T1之間加負(fù)觸發(fā)脈沖電壓、電流，這時(shí)雙向晶閘管導(dǎo)通工作在第一象限，稱為I—觸發(fā)方式。(3)主電極T2相對T1電位為正的情況下，門極G和T1之間加正觸發(fā)脈沖電壓、電流，這時(shí)雙向晶閘管導(dǎo)通工作在第三象限，稱為Ⅲ+觸發(fā)方式。(4)主電極T2相對T1電位為正的情況下，門極G和T1之間加負(fù)觸發(fā)脈沖電壓、電流，這時(shí)雙向晶閘管導(dǎo)通也工作在第三象限，稱為Ⅲ—觸發(fā)方式。

雙向晶閘管主要應(yīng)用在交流調(diào)壓電路中采用，正、負(fù)半波都工作；所以通態(tài)時(shí)的額定電流不像二極管和晶閘管那樣按正弦半波電流平均值定義，而是用有效值來定義。由額定電流的定義可知：在交流電流中一只有效值為IT的雙向晶閘管能承載全波負(fù)載電流有效值為IT，半波負(fù)載電流為IT／2；若用普通晶閘管，其額定電流應(yīng)為0.45IT,。因此，電流為IT的雙向晶閘管可代替兩只并聯(lián)的電流額定值為0.45IT的普通型晶閘管。p21雙向晶閘管的型號用KS表示。

雙向晶閘管的型號表1-6雙向晶閘管的主要參數(shù)1.3門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）

1.3.1GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理1、GTO的結(jié)構(gòu)GTO為四層PNPN結(jié)構(gòu)、三端引出線（A、K、G）的器件。和晶閘管不同的是：GTO內(nèi)部是由許多四層結(jié)構(gòu)的小晶閘管并聯(lián)而成，這些小晶閘管的門極和陰極并聯(lián)在一起，成為GTO元，而普通晶閘管是獨(dú)立元件結(jié)構(gòu)。下圖是GTO的結(jié)構(gòu)示意圖、等效電路及電氣符號。圖1-15圖1-15圖1-15

2、GTO的工作原理

（1）開通過程GTO也可等效成兩個(gè)晶體管P1N1P2和N1P2N2互連，GTO與晶閘管最大區(qū)別就是導(dǎo)通后回路增益α1+α2數(shù)值不同，其中α1和α2分別為P1N1P2和N1P2N2的共基極電流放大倍數(shù)。晶閘管的回路增益α1+α2常為1.15左右，而GTO的α1+α2非常接近1(1.05)。因而GTO處于臨界飽和狀態(tài)。這為門極負(fù)脈沖關(guān)斷陽極電流提供有利條件。

（2）關(guān)斷過程當(dāng)GTO已處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，對門極加負(fù)的關(guān)斷脈沖，形成－IG，相當(dāng)于將IC1的電流抽出，使晶體管N1P2N2的基極電流減小，使IC2和IK隨之減小，IC2減小又使IA和IC1減小，這是一個(gè)正反饋過程。當(dāng)IC2和IC1的減小使α1+α2<1時(shí)，等效晶體管N1P2N2和P1N1P2退出飽和，GTO不滿足維持導(dǎo)通條件，陽極電流下降到零而關(guān)斷。由于GTO處于臨界飽和狀態(tài)，用抽走陽極電流的方法破壞臨界飽和狀態(tài)，能使器件關(guān)斷。而晶閘管導(dǎo)通之后，處于深度飽和狀態(tài)，用抽走陽極電流的方法不能使其關(guān)斷。1.3.2GTO的特性和主要參數(shù)

(簡介)

1、陽極伏安特性

2、開通特性

開通時(shí)間ton由延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr組成

3、關(guān)斷特性

GTO的關(guān)斷過程有三個(gè)不同的時(shí)間，即存儲(chǔ)時(shí)間ts、下降時(shí)間tf及尾部時(shí)間tt。存儲(chǔ)時(shí)間ts：對應(yīng)著從關(guān)斷過程開始，到陽極電流開始下降到90%IA為止的一段時(shí)間間隔。下降時(shí)間tf：對應(yīng)著陽極電流迅速下降，陽極電壓不斷上升和門極反電壓開始建立的過程。尾部時(shí)間tt：則是指從陽極電流降到極小值時(shí)開始，直到最終達(dá)到維持電流為止的時(shí)間。

GTO的關(guān)斷特性(開關(guān)電壓、電流及門極電流波形)圖1-16

4、主要參數(shù)(簡介)與晶閘管不同的參數(shù)。p25（1）最大可關(guān)斷陽極電流IATO（2）關(guān)斷增益off（3）陽極尖峰電壓（4）維持電流（5）擎住電流1.4電力晶體管（GTR）

電力晶體管也稱巨型晶體管（GTR—GiantTransistor），是一種雙極型、大功率、高反壓晶體管(BipolarJunctionTransistor-BJT)。GTR和GTO一樣具有自關(guān)斷能力，屬于電流控制型自關(guān)斷器件。GTR可通過基極電流信號方便地對集電極-發(fā)射極的通斷進(jìn)行控制，并具有飽和壓降低、開關(guān)性能好、電流較大、耐壓高等優(yōu)點(diǎn)。GTR已實(shí)現(xiàn)了大功率、模塊化、廉價(jià)化。

1.4.1GTR的結(jié)構(gòu)與工作原理1、GTR的結(jié)構(gòu)P25F1-17結(jié)構(gòu)與小功率晶體管相似，也有三個(gè)電極，分別為B(基極)、C(集電極)、E(發(fā)射極)。GTR屬三端三層兩結(jié)的雙極型晶體管，有兩種基本類型，NPN型和PNP型。GTR的基本結(jié)構(gòu)及電氣符號如下圖所示。圖1-182、GTR的工作原理以NPN型晶體管為例，若外電源使UBC<0,則集電結(jié)的PN結(jié)處于反偏狀態(tài)；若UBE>0，則發(fā)射結(jié)的PN結(jié)處于正偏狀態(tài)。此時(shí)晶體管內(nèi)部電流分布為：（1）由于UBC<0，集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，形成反向飽和電流ICBO從N區(qū)流向P區(qū)。（2）由于UBE>0，發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，P區(qū)的多數(shù)載流子空穴不斷地向N區(qū)擴(kuò)散形成空穴電流IPE，N區(qū)的多數(shù)載流子電子不斷地向P區(qū)擴(kuò)散形成電子電流INE。1.4.2GTR的特性與主要參數(shù)(簡介)

1、GTR的靜態(tài)（輸出）特性晶體管有放大、飽和與截止三種工作狀態(tài)。①截止區(qū)：GTR的e結(jié)和c結(jié)均承受高反偏電壓，相當(dāng)于開關(guān)斷開。②放大區(qū)：e結(jié)正偏、c結(jié)反偏，此時(shí)GTR功耗很大。③飽和區(qū)：特點(diǎn)是e結(jié)和c結(jié)均正偏。GTR飽和導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)閉合。GTR作開關(guān)時(shí)，其斷態(tài)工作點(diǎn)須在截止區(qū)，通態(tài)工作點(diǎn)須在飽和區(qū)。共射極電路的輸出特性曲線

圖1-19

2、GTR的動(dòng)態(tài)（開關(guān)）特性

晶體管有線性和開關(guān)兩種工作方式。當(dāng)只需要導(dǎo)通和關(guān)斷作用時(shí)采用開關(guān)工作方式。GTR主要應(yīng)用于開關(guān)工作方式。在開關(guān)工作方式下，用一定的正向基極電流IB1去驅(qū)動(dòng)GTR導(dǎo)通，而用另一反向基極電流IB2迫使GTR關(guān)斷，由于GTR不是理想開關(guān)，故在開關(guān)過程中總存在著一定的延時(shí)和存儲(chǔ)時(shí)間。GTR的開關(guān)響應(yīng)特性延遲時(shí)間td：加入IB1后一段時(shí)間里，iC仍保持為截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的很小電流，直到iC上升到0.1I

CS上升時(shí)間tr：iC不斷上升，直到iC=ICS，GTR進(jìn)入飽和狀態(tài)。tr指iC從0.1ICS上升到0.9ICS所需要的時(shí)間。GTR的開通時(shí)間ton：延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr之和。即

ton=td+tr圖1-20當(dāng)基極電流突然從正向IB1變?yōu)榉聪騃B2時(shí)，GTR的集電極電流iC并不立即減小，仍保持ICS，要經(jīng)過一段時(shí)間才下降。存儲(chǔ)時(shí)間ts：把基極電流從正向IB1變?yōu)榉聪騃B2時(shí)到iC下降到0.9ICS所需的時(shí)間。下降時(shí)間tf：iC從0.9ICS下降到0.1ICS所需的時(shí)間。此后，iC繼續(xù)下降，一直到接近反向飽和電流為止，這時(shí)BJT完全恢復(fù)到截止?fàn)顟B(tài)。BJT的關(guān)斷時(shí)間toff：存儲(chǔ)時(shí)間ts和下降時(shí)間tf之和，即

toff=ts+tf

3、GTR的主要參數(shù)(簡介)(1)電壓參數(shù)集電極的額定電壓UCEM既集電極的最高工作電壓不可超過規(guī)定值，否則會(huì)出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，它與GTR的本身特性及外電路的接法有關(guān)。常用BUCBO、BUCEO、BUCES、BUCER和BUCEX表示。BUCBO為發(fā)射結(jié)開路時(shí)集基極的擊穿電壓；BUCEO為發(fā)射結(jié)開路時(shí)集射極的擊穿電壓；BUCES為發(fā)射結(jié)短路時(shí)集射極的擊穿電壓；BUCER表示基射間并聯(lián)電阻時(shí)的基射擊穿電壓，隨并聯(lián)電阻的減小而增大；BUCEX表示基射極施加反偏電壓時(shí)的集射極擊穿電壓。一般情況下BUCEO

＞BUCEX＞BUCES＞BUCER＞BUCEO，GTR的最高工作電壓UCEM應(yīng)比最小擊穿電壓BUCEO低，從而保證元器件的工作安全。

飽和壓降UCES單個(gè)GTR的飽和壓降一般不超過1～1.5V，UCES隨集電極電流的增大而增大。（2）最大電流額定值ICM和IBM一般將電流放大倍數(shù)β下降到額定值的1/2～1/3時(shí)集電極電流IC的值定為集電極最大電流ICM，使用時(shí)絕不能讓IC值達(dá)到ICM，否則前面所說的三種物理效應(yīng)會(huì)使GTR的電氣性能變差，甚至于使器件損壞?；鶚O電流的最大額定值IBM規(guī)定為內(nèi)引線允許流過的最大基極電流，通常取IBM=(1/2～1/6)

ICM。

（3）集電極最大耗散功率PCM

PCM即GTR在最高允許結(jié)溫TjM時(shí)所對應(yīng)的耗散功率，它等于集電極工作電壓與集電極工作電流的乘積。這部分能量轉(zhuǎn)化為熱能使GTR發(fā)熱，在使用中要特別注意GTR的散熱。

如果散熱條件不好，器件會(huì)因溫度過高而使迅速損壞。所以GTR使用時(shí)必須選配合適的散熱器。

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，是它在使用中最大的弱點(diǎn)。二次擊穿現(xiàn)象可以用圖來說明。處于工作狀態(tài)的GTR，當(dāng)其集電極反偏電壓UCE逐漸增加到最大電壓BUCEO時(shí)，集電極電流IC急劇增大，出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象,但此時(shí)集電結(jié)的電壓基本保持不變，這叫一次擊穿。這一擊穿可用外接串聯(lián)電阻的辦法加以控制，只要進(jìn)入擊穿區(qū)的時(shí)間不長，一般不會(huì)引起晶體管的特性變壞。但是，一次擊穿出現(xiàn)后若繼續(xù)增大偏壓UCE，而外接限流電阻又不變，則當(dāng)IC上升到某一數(shù)值時(shí)(A點(diǎn))，UCE突然下降，而IC繼續(xù)增大（負(fù)阻效應(yīng)），這時(shí)進(jìn)入低壓大電流段，在極短的時(shí)間內(nèi)，將使器件內(nèi)出現(xiàn)明顯的電流集中和過熱點(diǎn)，導(dǎo)致管子被燒壞，這個(gè)現(xiàn)象稱為二次擊穿。為了防止發(fā)生二次擊穿，重要的是保證GTR開關(guān)過程中的瞬時(shí)功率不要超過集電極最大耗散功率PCM。一般說來，工作在正常開關(guān)狀態(tài)的GTR是不會(huì)發(fā)生二次擊穿現(xiàn)象的。

1.4.3GTR的二次擊穿與安全工作區(qū)GTR的二次擊穿

2．安全工作區(qū)安全工作區(qū)SOA（SafeOperationArea）是指在輸出特性曲線圖上GTR能夠安全運(yùn)行的電流電壓的極限范圍，它受到GTR的直流極限參數(shù)ICM、PCM、電壓容量BＵCEO及二次擊穿等問題的限制，并由這四條限制界線所圍成，如圖1-21所示，陰影部分即為SOA。

圖1－21GTR安全工作區(qū)

1.5功率場效應(yīng)晶體管

功率場效應(yīng)晶體管，簡稱P-MOSFET。特點(diǎn)是：屬電壓全控型器件、控制極靜態(tài)內(nèi)阻極高、驅(qū)動(dòng)功率很小、工作頻率高、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿、安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性度高等。但P-MOSFET的電流容量小、耐壓低、功率不易做得過大。常用于中小功率開關(guān)電路中。根據(jù)導(dǎo)電溝道的類型可分為N溝道和P溝道兩大類；根據(jù)零柵壓時(shí)器件的導(dǎo)電狀態(tài)分為耗盡型和增強(qiáng)型兩類；目前功率MOSFET的容量水平為50A／500V，頻率為100kHz。1.5.1P-MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

1、P-MOSFET的結(jié)構(gòu)P-MOSFET和小功率MOS管導(dǎo)電機(jī)理相同，但在結(jié)構(gòu)上有較大的區(qū)別。小功率MOS管是一次擴(kuò)散形成的器件，其柵極G、源極S和漏極D在芯片的同一側(cè)。而P-MOSFET主要采用立式結(jié)構(gòu)，其三個(gè)外引電極與小功率MOS管相同，為柵極G、源極S和漏極D，但不在芯片的同一側(cè)。功率場效應(yīng)管的導(dǎo)電溝道分為N溝道和P溝道，柵偏壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型，柵偏壓大于零（N溝道）才存在導(dǎo)電溝道的稱為增強(qiáng)型。下圖是P-MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和電氣圖形符號。P-MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖P-MOSFET的電氣符號圖1-22圖1-24下圖是P-MOSFET的電氣圖形符號，圖a表示N溝道功率場效應(yīng)管，電子流出源極；圖b表示P溝道功率場效應(yīng)管，空穴流入源極。從結(jié)構(gòu)上看，P-MOSFET還含有一個(gè)寄生二極管，該寄生二極管的陽極和陰極就是功率MOSFET的S極和D極，它是與MOSFET不可分割的整體，使P-MOSFET無反向阻斷能力。圖中所示虛線為寄生二極管。2、P-MOSFET的工作原理(1)柵源極電壓UGS＝0時(shí)，柵極下的P型區(qū)表面呈現(xiàn)空穴堆積狀態(tài)，不可能出現(xiàn)反型層，無法溝通漏源。此時(shí)，即使在漏源之間施加電壓，MOS管也不會(huì)導(dǎo)通。如圖1-22a所示。(2)當(dāng)柵源極電壓UGS＞0且不夠充分時(shí)，柵極下面的P型區(qū)表面呈現(xiàn)耗盡狀態(tài)，還是無法溝通漏源，此時(shí)MOS管仍保持關(guān)斷狀態(tài)。如圖1-22b所示。(3)當(dāng)柵源極電壓UGS達(dá)到或超過一定值時(shí)，柵極下面的硅表面從P型反型成N型，形成N型溝道把源區(qū)和漏區(qū)聯(lián)系起來，從而把漏源溝通，使MOS管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。如圖1-22c所示。1.5.2P-MOSFET的特性和參數(shù)(簡介)

1、轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性是指在輸出特性的飽和區(qū)內(nèi)，UDS維持不變時(shí)，UGS與ID之間的關(guān)系曲線，如右圖所示。轉(zhuǎn)移特性表征器件輸入電壓對輸出電流的控制作用和放大能力。圖中UT是P-MOSFET的開啟電壓(又稱閥值電壓)。圖1-252、P-MOSFET的輸出特性圖1-25P-MOSFET輸出特性反映的是：當(dāng)UGS一定時(shí)，ID與UDS間的關(guān)系曲線族.它分為三個(gè)區(qū)域，即線性導(dǎo)電區(qū)I，飽和恒流區(qū)II和雪崩擊穿區(qū)III。在線性導(dǎo)電區(qū)Ⅰ內(nèi)，ID與UDS幾乎呈線性關(guān)系。在飽和恒流區(qū)Ⅱ中，當(dāng)UGS不變時(shí)，ID趨于不變。當(dāng)UDS增大至使漏極PN結(jié)反偏電壓過高，發(fā)生雪崩擊穿，ID突然增加，此時(shí)進(jìn)入雪崩區(qū)Ⅲ，直至器件損壞。當(dāng)P-MOSFET用作電子開關(guān)時(shí)，導(dǎo)通時(shí)它必須工作在線性導(dǎo)電區(qū)I。P-MOSFET無反向阻斷能力，在D-S極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通，可看作是逆導(dǎo)器件。3、P-MOSFET的開關(guān)特性

驅(qū)動(dòng)信號因?yàn)镸OSFET存在輸入電容Ci，Ci有充電過程，柵極電壓UGS呈指數(shù)曲線上升,當(dāng)UGS上升到開啟電壓UT時(shí)，開始出現(xiàn)漏極電流iD，從脈沖電壓的前沿到iD出現(xiàn)，這段時(shí)間稱為開通延遲時(shí)間td。隨著UGS增加，iD上升，從有iD到iD達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所用時(shí)間稱為上升時(shí)間tr。開通時(shí)間ton可表示為ton＝td＋tr當(dāng)脈沖電壓下降到零時(shí)，柵極輸入電容Ci通過信號源內(nèi)阻RS和柵極電阻RG開始放電，柵極電壓UGS按指數(shù)曲線下降，當(dāng)下降到UGSP時(shí)，漏極電流才開始減小，這段時(shí)間稱為關(guān)斷延遲時(shí)間ts。之后，Ci繼續(xù)放電，從iD減小，到UGS＜UT溝道關(guān)斷，iD下降到零。這段時(shí)間稱為下降時(shí)間tf。關(guān)斷時(shí)間toff可表示為toff＝ts＋tf由上分析可知，改變信號源內(nèi)阻RS，可改變Ci充、放電時(shí)間常數(shù)，影響開關(guān)速度。圖1-26

4、P-MOSFET的(簡介)

（1）漏源擊穿電壓BUDS。（2）柵源擊穿電壓BUGS。（3）漏極最大電流ID。（4）開啟電壓UT。（5）通態(tài)電阻Ron。（6）極間電容。4、P-MOSFET的主要參數(shù)

（1）漏源擊穿電壓BUDS：該電壓決定了P-MOSFET的最高工作電壓。（2）柵源擊穿電壓BUGS：該電壓表征了P-MOSFET柵源之間能承受的最高電壓。（3）漏極最大電流ID：表征P-MOSFET的電流容量。（4）開啟電壓UT：又稱閾值電壓，它是指P-MOSFET流過一定量的漏極電流時(shí)的最小柵源電壓。（UT=2--4V）

（5）通態(tài)電阻Ron：通態(tài)電阻Ron是指在確定的柵源電壓UGS下，功率MOSFET處于恒流區(qū)時(shí)的直流電阻，是影響最大輸出功率的重要參數(shù)。

（6）極間電容：P-MOSFET的極間電容是影響其開關(guān)速度的主要因素。其極間電容分為兩類；一類為CGS和CGD，它們由MOS結(jié)構(gòu)的絕緣層形成，其電容量的大小由柵極的幾何形狀和絕緣層的厚度決定；另一類是CDS，它由PN結(jié)構(gòu)成，其數(shù)值大小由溝道面積和有關(guān)結(jié)的反偏程度決定。廠家提供的是漏源短路時(shí)的輸入電容Ci、共源極輸出電容Cout及反饋電容Cf，它們與各極間電容關(guān)系表達(dá)式為Ci＝CGS＋CGD；Cout＝CDS＋CGD；Cf＝CGD顯然，Ci﹑Cout和Cf均與漏源電容CGD有關(guān)。

5、安全工作區(qū)(SOA)

功率MOSFET沒有二次擊穿問題，具有非常寬的安全工作區(qū)，特別是在高電壓范圍內(nèi)，但是P-MOSFET的通態(tài)電阻比較大，所以在低壓部分不僅受最大電流的限制，還要受到自身功耗的限制。正向偏置安全工作區(qū)正向偏置安全工作區(qū)(FBSOA)：由四條邊界極限所包圍的區(qū)域。漏源通態(tài)電阻線，最大漏極電流線，最大功耗限制線和最大漏源電壓線。1.6絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）絕緣柵雙極型晶體管，簡稱IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)。是由P-MOSFET與雙極晶體管混合組成的電壓控制的雙極型自關(guān)斷器件。它將P-MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身，既具有P-MOSFET輸入阻抗高、開關(guān)速度快、工作頻率高、熱穩(wěn)定性好、無二次擊穿和驅(qū)動(dòng)電路簡單的長處，又有GTR通態(tài)壓降低、耐壓高和承受電流大的優(yōu)點(diǎn)。IGBT的發(fā)展方向有兩個(gè)：一是追求更低損耗和更高速度；二是追求更大容量。1.6.1IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理1、IGBT的基本結(jié)構(gòu)IGBT是在P-MOSFET基礎(chǔ)上發(fā)展起來的集成新型器件，其結(jié)構(gòu)是以P-MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件，GTR為主導(dǎo)元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的復(fù)合器件。其結(jié)構(gòu)、電路符號、等效電路如下圖示。外部有三個(gè)電極(G門極、C集電極、E發(fā)射極)。圖1-27

2、IGBT的工作原理當(dāng)IGBT門極加上正電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，使IGBT導(dǎo)通；當(dāng)IGBT門極加上負(fù)電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)溝道消失，IGBT關(guān)斷。當(dāng)UCE＜0時(shí)，J3的PN結(jié)處于反偏，IGBT呈反向阻斷狀態(tài)。當(dāng)UCE＞0時(shí)，分兩種情況：（1）若門極電壓UGE＜UT（開啟電壓），溝道不能形成，IGBT呈正向阻斷狀態(tài)。（2）若門極電壓UGE>UT，門極下的溝道形成，從而使IGBT導(dǎo)通。此時(shí)，空穴從P+區(qū)注入到N基區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少N基區(qū)電阻RN的值，使得IGBT也具有很低的通態(tài)壓降。1.6.2IGBT的特性與參數(shù)1、靜態(tài)特性IGBT的靜態(tài)特性主要有輸出（伏安）特性及轉(zhuǎn)移特性，如下圖所示。

（1）IGBT的輸出（伏安）特性是以柵射電壓UGE為參變量，集電極電流IC和集射電壓UCE間的關(guān)系曲線。IGBT的輸出特性也分為飽和區(qū)、放大區(qū)和擊穿區(qū)三個(gè)部分。在正向?qū)ǖ拇蟛糠謪^(qū)域內(nèi)，IC與UCE呈線性關(guān)系，此時(shí)IGBT工作于放大區(qū)內(nèi)。對應(yīng)著輸出特性的彎曲部分，IC與UCE呈非線性關(guān)系，此時(shí)IGBT工作于飽和區(qū)。開關(guān)器件IGBT常工作于飽和狀態(tài)和阻斷狀態(tài)，若IGBT工作于放大狀態(tài)將會(huì)增大IGBT的損耗。IGBT的輸出（伏安）特性和轉(zhuǎn)移特性圖1-28（UT=UGEth）（2）IGBT的轉(zhuǎn)移特性

是指輸出集電極電流IC與柵射控制電壓UGE之間的關(guān)系曲線。當(dāng)柵射電壓UGE＜UGEth時(shí)，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)UGE＞UGEth時(shí)，IGBT導(dǎo)通。IGBT導(dǎo)通后的大部分集電極電流范圍內(nèi)，IC與UGE呈線性關(guān)系。

2、IGBT動(dòng)態(tài)特性

IGBT的動(dòng)態(tài)特性包括開通和關(guān)斷過程兩方面，如下圖示。IGBT的開通過程是從正向阻斷狀態(tài)到正向?qū)ǖ倪^程。在開通過程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET來運(yùn)行的。td為開通延遲時(shí)間，tr為電流上升時(shí)間，開通時(shí)間為：ton=td+tr。而集射電壓UCE下降分為tfu1和tfu2兩段。tfu1段為MOSFET單獨(dú)工作時(shí)的電壓下降時(shí)間；tfu2為MOSFET和PNP管兩個(gè)器件同時(shí)工作，PNP管從放大進(jìn)入飽和時(shí)的電壓下降時(shí)間。IGBT的關(guān)斷過程是從正向?qū)顟B(tài)轉(zhuǎn)換到正向阻斷狀態(tài)的過程，關(guān)斷時(shí)間為：toff=ts+tf式中ts——關(guān)斷儲(chǔ)存時(shí)間；

tf——電流下降時(shí)間。又可分為tf1和tf2兩段，tf1對應(yīng)MOSFET的關(guān)斷過程；tf2對應(yīng)于PNP晶體管的關(guān)斷過程。IGBT動(dòng)態(tài)特性圖1-29

3、IGBT的主要參數(shù)

（1）集射極額定電壓UCES

柵射極短路時(shí)的IGBT最大耐壓值。（2）柵射極額定電壓UGESUGES是柵極的電壓控制信號額定值。只有柵射極電壓小于額定電壓值，才能使IGBT導(dǎo)通而不致?lián)p壞。（3）柵射極開啟電壓UT

（UT=UGEth）使IGBT導(dǎo)通所需的最小柵-射極電壓。（4）集電極額定電流IC

在額定的測試溫度(殼溫為25℃)條件下，IGBT所允許的集電極最大連續(xù)電流（5）通態(tài)壓降UCE(on)指IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)集射極間的導(dǎo)通壓降。1.6.3IGBT的擎住效應(yīng)與安全工作區(qū)1、IGBT的擎住效應(yīng)

IGBT為四層結(jié)構(gòu)，存在一個(gè)寄生晶閘管，在NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間存在一個(gè)體區(qū)短路電阻，P型體區(qū)的橫向空穴流過此電阻會(huì)產(chǎn)生一定壓降，對J3結(jié)相當(dāng)于一個(gè)正偏置電壓。在規(guī)定的集電極電流范圍內(nèi)，這個(gè)正偏置電壓不會(huì)使NPN晶體管導(dǎo)通；當(dāng)IC大到一定程度時(shí)，該偏置電壓使NPN晶體管開通，進(jìn)而使NPN和PNP晶體管處于飽和狀態(tài)。于是柵極失去控制作用，這就是擎住效應(yīng)。

2、安全工作區(qū)

IGBT開通時(shí)的正向偏置安全工作區(qū)由電流、電壓和功耗三條邊界極限包圍而成。最大集電極電流ICM是根據(jù)避免動(dòng)態(tài)擎住而確定的，最大集射極電壓UCEM是由IGBT中PNP晶體管的擊穿電壓所確定；最大功耗則由最高允許結(jié)溫所決定。IGBT關(guān)斷時(shí)的反向偏置安全工作區(qū)與IGBT關(guān)斷時(shí)的du/dt有關(guān)，du/dt越高，RBSOA越窄。2.IGBT的安全工作區(qū)圖1-31IGBT開通時(shí)的正向偏置安全工作區(qū)由電流、電壓和功耗三條邊界極限包圍而成。最大集電極電流ICM是根據(jù)避免動(dòng)態(tài)擎住而確定的，最大集射極電壓UCEM是由IGBT中PNP晶體管的擊穿電壓所確定；最大功耗則由最高允許結(jié)溫所決定。IGBT關(guān)斷時(shí)的反向偏置安全工作區(qū)與IGBT關(guān)斷時(shí)的du/dt有關(guān)，du/dt越高，RBSOA越窄。1.7.1MOS控制晶閘管(MCT)MOS控制晶閘管(MOSControlledThyristor，MCT)是在晶閘管結(jié)構(gòu)中引進(jìn)一對MOSFET管而構(gòu)成的，通過這一對MOSFET管來控制晶閘管的開通和關(guān)斷。其等效電路模型和符號如圖1－38所示。MCT的靜態(tài)特性與晶閘管相似，使MCT開通的MOSFET稱為ON－FET，使MCT關(guān)斷的MOSFET稱為OFF－FET。當(dāng)正電壓加在MCT開關(guān)管陽極A、陰極K之間時(shí)，如果門極G相對于陽極A加負(fù)脈沖電壓驅(qū)動(dòng)信號，則P溝道的ON－FET導(dǎo)電，從而引發(fā)MCT中晶閘管導(dǎo)通，最終導(dǎo)致MCT開通。一旦晶閘管導(dǎo)通后，撤除ON－FET的門極控制電壓，MCT繼續(xù)導(dǎo)通。當(dāng)門極G相對于陽極A加正脈沖電壓信號時(shí)，使N溝道的OFF－FET管開通，最終導(dǎo)致MCT從通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)。

1.7其他電力電子器件

圖1－38MCT的等效電路模型和符號(a)等效電路模型；(b)符號

1.7.2集成門極換流晶閘管（IGCT）集成門極換流晶閘管（IGCT）是一種新型的大功率復(fù)合器件，是把GTO芯片與反并聯(lián)二極管和門極驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，再將其門極驅(qū)動(dòng)器在外部以低電感方式連接成環(huán)狀的門電極。圖1－39為IGCT的原理框圖。IGCT兼有IGBT和GTO的優(yōu)點(diǎn)，具有大電流，高電壓，高開關(guān)頻率(比GTO高10倍)，可靠性好，損耗低，制造成品率高等特點(diǎn)。與常規(guī)GTO晶閘管相比，IGCT具有不用緩沖電路即可實(shí)現(xiàn)可靠控制，存儲(chǔ)時(shí)間短，開通能力強(qiáng)，關(guān)斷門極電荷少等優(yōu)良的特性。在大功率MCT未問世以前，IGCT可望成為高功率高電壓低頻變流器的優(yōu)選功率器件之一。

圖1－39IGCT的原理框圖

1.7.3功率集成電路（PIC）和智能功率模塊（IPM）近些年來，功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的一個(gè)重要趨勢是將功率半導(dǎo)體電力開關(guān)器件與其驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路、檢測電路、控制和保護(hù)電路等集成在一塊芯片上，采用模塊化的結(jié)構(gòu)，構(gòu)成一個(gè)功率集成電路(PowerIntegratedCircuit，PIC)。PIC器件不僅方便了使用，而且使系統(tǒng)成本降低，重量減輕，體積縮小，把寄生電感減小到幾乎為零，大大提高了電力電子變換和控制的可靠性，從而開辟了電力電子器件智能化的方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。

智能功率模塊(IntelligentPowerModule，IPM)又稱智能集成電路，是功率集成電路中典型的例子，近年來得到了較為廣泛的應(yīng)用。IPM除了集成功率器件和驅(qū)動(dòng)電路以外，還集成了緩沖環(huán)節(jié)、過壓、過流、過熱等自診斷檢測電路，并可將監(jiān)測信號傳送至CPU，以保證IPM自身不受損壞，也避免了由于分布參數(shù)、保護(hù)延遲所帶來的一系列技術(shù)難題。IPM的封裝剖面示意圖如圖1－40所示。

圖1－40IPM的封裝剖面示意圖

三菱電機(jī)公司在1991年推出的智能功率模塊(IPM)是較為先進(jìn)的混合集成功率器件，采用高速、低功耗的IGBT芯片和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)高效的過流保護(hù)和短路保護(hù)。其基本結(jié)構(gòu)如圖1－41所示。IPM集成了過熱和欠壓鎖定保護(hù)電路，系統(tǒng)的可靠性得到進(jìn)一步提高。

圖1－41IPM的原理框圖

IPM的特點(diǎn)為：①采用低飽和壓降、高開關(guān)速度、內(nèi)設(shè)低損耗電流傳感器的IGBT功率器件；②采用單電源，邏輯電平輸入，優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)；③實(shí)行實(shí)時(shí)邏輯柵壓控制模式，以嚴(yán)密的時(shí)序邏輯，對過電流、欠電壓、短路、過熱等故障進(jìn)行監(jiān)控保護(hù)；④提供系統(tǒng)故障輸出，向系統(tǒng)控制器提供報(bào)警信號；⑤對輸出三相故障，如橋臂直通、三相短路、對地短路故障也提供了良好的保護(hù)。目前，IPM已經(jīng)在中頻(<20kHz)、中功率范圍內(nèi)取得了應(yīng)用上的成功。IPM的應(yīng)用比較方便，對于其中的每一個(gè)IGBT器件，只需一個(gè)+15V的單電源即可。但它也往往存在著內(nèi)部死區(qū)時(shí)間及過流、短路保護(hù)閾值不可由用戶調(diào)節(jié)的缺陷。1.7.4靜電感應(yīng)晶體管（SIT）靜電感應(yīng)晶體管（StaticInductionTransistor，SIT)，是一種多子導(dǎo)電的單極電壓型控制器件。SIT是采用垂直導(dǎo)電型式的多胞集成結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)與電路圖形符號如圖1－36所示。SIT有漏極Ｄ、柵極Ｇ和源極S三極，分為N溝道和P溝道兩種。SIT為常開器件，以N－SIT為例，當(dāng)柵－源電壓UGS大于或等于零，漏－源電壓UDS為正向電壓時(shí)，兩柵極之間的導(dǎo)電溝道使漏－源之間導(dǎo)通。一旦加上負(fù)柵－源電壓UGS時(shí)，柵源間PN結(jié)產(chǎn)生耗盡層，隨著負(fù)偏壓UGS的增加，其耗盡層加寬，漏－源間導(dǎo)電溝道變窄。當(dāng)UGS=UGS(off)（夾斷電壓）時(shí)，導(dǎo)電溝道被耗盡層夾斷，SIT關(guān)斷。

圖1－36SIT的結(jié)構(gòu)及其符號(a)結(jié)構(gòu)；(b)符號

SIT具有輸出功率大，輸入阻抗高，開關(guān)特性好，熱穩(wěn)定性好以及抗幅射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。SIT已廣泛用于開關(guān)電源、超聲波功率放大、雷達(dá)通信和高頻感應(yīng)加熱等方面?，F(xiàn)已商品化的SIT可工作在10MHz，電流達(dá)300A，

電壓達(dá)2000V水平。

1.7.5靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）靜電感應(yīng)晶閘管（StaticInductionThyristor,SITH)的通、斷控制機(jī)理與SIT類似。結(jié)構(gòu)上的差別僅在于SITH是在SIT結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)PN結(jié)，而在內(nèi)部多形成了一個(gè)三極管，兩個(gè)三極管構(gòu)成一個(gè)晶閘管而成為靜電感應(yīng)晶閘管，所以SITH又稱為場控晶閘管（FCT）。其基本結(jié)構(gòu)與電路圖形符號如圖1－37所示，三個(gè)電極為陽極A、陰極K和柵極（門極）G。

圖1－37SITH的結(jié)構(gòu)及其符號(a)結(jié)構(gòu)；(b)符號

1.8、電力電子器件的驅(qū)動(dòng)

晶閘管、GTO、GTR、P-MOSFET、IGBT等電力電子器件要正常工作，必須在其門(控制)極加驅(qū)動(dòng)信號，各種器件對驅(qū)動(dòng)信號的要求是不一樣的，必須分別或分類討論。晶閘管的門極驅(qū)動(dòng)又稱為觸發(fā)，相應(yīng)的門極驅(qū)動(dòng)電路又稱觸發(fā)電路。

1.8.1晶閘管的門極驅(qū)動(dòng)（觸發(fā)）

晶閘管陽極加正向電壓后，還須在門極與陰極間加上觸發(fā)電壓，才能從阻斷變?yōu)閷?dǎo)通。1、對觸發(fā)電路的要求1）為減小門極損耗，應(yīng)采用脈沖觸發(fā)信號。2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率，并留有一定的裕量。3）脈沖應(yīng)有一定的寬度，前沿盡可能陡，使元件在觸發(fā)導(dǎo)通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導(dǎo)通。對感性負(fù)載，觸發(fā)脈沖應(yīng)為寬脈沖或雙窄脈沖；有些需強(qiáng)觸發(fā)脈沖。4）觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。

2、常用的觸發(fā)脈沖信號圖1-34（a）為正弦波觸發(fā)脈沖信號。前沿不陡，觸發(fā)準(zhǔn)確性差，僅用在觸發(fā)要求不高的場合；（b）尖脈沖。生成較容易，電路簡單，也用于觸發(fā)要求不高的場合；（c）矩形脈沖；（d）強(qiáng)觸發(fā)脈沖。前沿陡，寬度可變，有強(qiáng)觸發(fā)功能，適用于大功率場合；（e）雙窄脈沖。有強(qiáng)觸發(fā)功能，變壓器耦合效率高，用于控制精度較高，感性負(fù)載的裝置；（f）脈沖列。具有雙窄脈沖的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。3、脈沖觸發(fā)電路與晶閘管的連接方式

1.直接連接：操作不安全，主電路干擾觸發(fā)電路。

2.光耦合器連接：輸入和輸出間電隔離，絕緣性能好，抗干

擾能力強(qiáng)。

3.脈沖變壓器耦合連接：有良好的電氣絕緣。圖1-351.8.2電流型全控電力電子器件的門極驅(qū)動(dòng)

GTO和GTR都是電流驅(qū)動(dòng)型器件。1、GTO的門極驅(qū)動(dòng)（1）GTO的門極驅(qū)動(dòng)信號GTO的門極電流、電壓控制波形對GTO的特性有很大影響。GTO門極電流、電壓控制波形分開通和關(guān)斷兩部分，推薦的波形形狀如圖1-36所示。圖中實(shí)線為門極電流波形，虛線為門極電壓波形。為正向直流觸發(fā)電流，為最大反向門極電流。

開通時(shí)，門極電流脈沖前沿陡度大，一般為5～10A/μS，門極正脈沖電流的幅度比規(guī)定的額定直流觸發(fā)電流應(yīng)大3～10倍，正脈沖寬度一般為10～60μS，而后沿應(yīng)盡量平緩些。關(guān)斷時(shí)，關(guān)斷脈沖電流上升率一般為10～50A/μS。脈沖應(yīng)具有一定的寬度，關(guān)斷脈沖電流的幅度一般為(1/8～1/3)，其后沿也應(yīng)盡量平緩些。圖1-36實(shí)線為門極電流波形，虛線為門極電壓波形(2)GTO的門控驅(qū)動(dòng)電路圖1-37圖1-37為一雙電源供電的門極驅(qū)動(dòng)電路。該電路由門極導(dǎo)通電路、門極關(guān)斷電路和門極反偏電路組成。該電路可用于三相GTO逆變電路。2、GTR的基極驅(qū)動(dòng)（1）GTR的基極驅(qū)動(dòng)電流信號為減少開關(guān)損耗，提高開關(guān)速度，GTR要求的比較理想的基極電流波形如圖1-38所示。

圖1-38

使GTR開通的基極驅(qū)動(dòng)電流信號應(yīng)使GTR工作在準(zhǔn)飽和狀態(tài)，避免其進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū)。關(guān)斷GTR時(shí)，施加一定的負(fù)基極驅(qū)動(dòng)電流有利于減小開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗，關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負(fù)偏壓。用于GTR開通和關(guān)斷的正、負(fù)驅(qū)動(dòng)電流的前沿上升時(shí)間應(yīng)小于1微秒，以保證它能快速導(dǎo)通和關(guān)斷。

2）GTR的驅(qū)動(dòng)電路圖1-39給出了一種GTR的驅(qū)動(dòng)電路。它包括電氣隔離和晶體管放大兩個(gè)部分。

圖1-39GTR固定反偏互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路如圖示。當(dāng)ui為高電平時(shí)，晶體管V1及V2導(dǎo)通，正電源+VCC經(jīng)過電阻R3及V2向GTR提供正向基極電流，使GTR導(dǎo)通。當(dāng)ui為低電平時(shí)，V1及V2截止而V3導(dǎo)通，負(fù)電源-VCC加于GTR的發(fā)射結(jié)上，GTR迅速關(guān)斷。GTR1.8.3電壓型全控電力電子器件