電子技術(shù)基礎(chǔ)(電力半導(dǎo)體器件)

1-1電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。圖1-1

電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2保護(hù)電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個(gè)系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行第三節(jié)電力半導(dǎo)體器件電氣隔離控制電路1-2不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信號(hào)來控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。半控型器件（Thyristor）

——通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件（IGBT,MOSFET)——通過控制信號(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。電力電子器件的分類按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：｛晶閘管及其派生器件｛絕緣柵雙極晶體管電力效應(yīng)晶體管門極可關(guān)斷晶體管門極可關(guān)斷晶體管處理兆瓦級(jí)大功率電能電力二極管只有兩個(gè)端子1-3單極型

——有一種載流子參與導(dǎo)電。如功率晶體管（GTR）、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）。雙極型

——電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。如功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MODFET）混合型

——單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件。如晶閘管（SCR）電力電子器件的分類

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：1-4

PowerDiode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?？旎謴?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。不可控器件—功率二極管整流二極管及模塊1-5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。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。

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)與電力二極管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK1-6

晶閘管的外形、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)

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝。有三個(gè)聯(lián)接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。半控器件—晶閘管1-7

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理式中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。由以上式可得：

晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b)工作原理

按晶體管的工作原理，得：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）（1-5）1-8

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理在低發(fā)射極電流下是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后，迅速增大。

阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。開通狀態(tài)：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的話，流過晶閘管的電流IA，將趨近于無窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。1-9

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)陽極電壓上升率du/dt過高結(jié)溫較高光觸發(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，稱為光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。其他幾種可能導(dǎo)通的情況：1-10

晶閘管的基本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)電流的情況下晶閘管才能開通。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。晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：1-11

晶閘管的基本特性（1）正向特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1）靜態(tài)特性圖9.3-4晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG1-12

晶閘管的基本特性反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過。當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。圖9.3-4晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性1-13結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點(diǎn)：PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點(diǎn)：GTO是一種內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽極的小GTO元的多元的功率集成器件。GTO元的陰極和門極在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。圖9.3-13GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

a)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形b)并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖c)電氣圖形符號(hào)1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理

門極可關(guān)斷晶閘管1-14工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖9.3-14所示的雙晶體管模型來分析。

圖9.3-14晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理

1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益1和2

。

門極可關(guān)斷晶閘管1-15GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO。導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。

多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。

圖9.3-14晶閘管的工作原理

門極可關(guān)斷晶閘管1-16GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強(qiáng)。

由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：

門極可關(guān)斷晶閘管1-17功率晶體管功率晶體管（GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管）。耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時(shí)候也稱為PowerBJT。

應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和功率MOSFET取代。術(shù)語用法：1-18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。功率晶體管1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理1-19功率晶體管在應(yīng)用中，GTR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

——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

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?？昭麟娮恿鱟)EbEcibic=bibie=(1+b)ib1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理1-20功率晶體管

(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工作在開關(guān)狀態(tài)。在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時(shí)，要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖9.4-4共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性2）GTR的基本特性1-21功率晶體管開通過程延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開通時(shí)間ton。加快開通過程的辦法。關(guān)斷過程儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff

。加快關(guān)斷速度的辦法。GTR的開關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖9.4-5GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形(2)

動(dòng)態(tài)特性1-22功率晶體管前已述及：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、開通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff

(此外還有)：（1)

最高工作電壓

3）GTR的主要參數(shù)1-23功率晶體管通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3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)品說明書中給PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。

2)

集電極最大允許電流IcM1-24功率晶體管一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大。只要Ic不超過限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。

二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時(shí)，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。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)（SafeOperatingArea——SOA）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。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceMGTR的安全工作區(qū)GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管1-26功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）簡(jiǎn)稱功率MOSFET（PowerMOSFET）結(jié)型功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）

特點(diǎn)——用柵極電壓來控制漏極電流驅(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10kW的電力電子裝置。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管1-27功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率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。

功率MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。一、功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1-28

功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管截止：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，漏源極之間無電流流過。導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS當(dāng)UGS大于UT時(shí)，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消失，漏極和源極導(dǎo)電。圖9.5-1功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)功率MOSFET的工作原理1-29

功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管

(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。010203050402468a)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圖9.5-2

功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性2）功率MOSFET的基本特性GSDVGS+-VDS+-n-channel1-30

功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管截止區(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)GTR的飽和區(qū)）工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。圖9.5-2功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性MOSFET的漏極伏安特性：010203050402468a)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漏源電壓增加時(shí)漏極電流不再增加飽和非飽和漏源電壓增加時(shí)漏極電流相應(yīng)增加1-31

功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管開通過程開通延遲時(shí)間td(on):從uP前沿時(shí)刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的這段時(shí)間上升時(shí)間tr:uGS從開啟電壓上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓uGSP的時(shí)間開通時(shí)間ton——開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號(hào)+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖9.5-5

功率MOSFET的開關(guān)過程a)測(cè)試電路b)開關(guān)過程波形up—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(2)

動(dòng)態(tài)特性ton=td(on)+tr1-32

功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off):從脈沖電壓up下降到零時(shí)，柵極輸入電容Cin通過信號(hào)源內(nèi)阻RG(》RS)和柵極電阻開始放電，柵極電壓uGS按指數(shù)曲線下降，下降到uGSP時(shí)，漏極電流iD開始減小的這段時(shí)間.下降時(shí)間tf:Cin繼續(xù)放電，uGS從繼續(xù)下降，iD減小，到

uSG<UT時(shí)溝道消失，iD下降到零的時(shí)間.a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號(hào)+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖9.5-5

功率MOSFET的開關(guān)過程a)測(cè)試電路b)開關(guān)過程波形up—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(2)

動(dòng)態(tài)特性1-33

功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管關(guān)斷過程關(guān)斷時(shí)間toff——關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號(hào)+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖9.5-5

功率MOSFET的開關(guān)過程a)測(cè)試電路b)開關(guān)過程波形up—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(2)

動(dòng)態(tài)特性toff=td(off)+tf1-34

功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管

MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系?？山档万?qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度。不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，關(guān)斷過程非常迅速。開關(guān)時(shí)間在10~100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。MOSFET的開關(guān)速度1-35

功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管3)功率MOSFET的主要參數(shù)

——功率MOSFET電壓定額(1)

漏極電壓UDS

(2)

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM——功率MOSFET電流定額(3)

柵源電壓UGS——UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。

除跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有：

(4)

極間電容——極間電容CGS、CGD和CDS1-36絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長(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-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。1986年投入市場(chǎng)，是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。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。1-37絕緣柵雙極晶體管1)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9.6-1IGBT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)1-38絕緣柵雙極晶體管圖a—N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，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。圖9.6-1IGBT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)1-39絕緣柵雙極晶體管

驅(qū)動(dòng)原理與功率MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。屬于電壓控制型功率器件。導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓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。通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。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。IGBT的原理1-40a)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加絕緣柵雙極晶體管2)IGBT的基本特性(1)

IGBT的靜態(tài)特性圖9.6-2IGBT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(開啟電壓UGE(th))輸出特性分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。1-41絕緣柵雙極晶體管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖9.6-4IGBT的開關(guān)過程IGBT的開通過程

與MOSFET的相似開通延遲時(shí)間td(on):驅(qū)動(dòng)電壓uGE前沿上升至幅值的10%到集電極電流iC上升至幅值的10%的時(shí)間電流上升時(shí)間tr:集電極電流iC從10%ICM上升90%ICM的時(shí)間開通時(shí)間ton:

ton=td(on)+tr

(2)

IGBT的動(dòng)態(tài)特性1-42絕緣柵雙極晶體管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖9.6-4IGBT的開關(guān)過程IGBT的開通過程

與MOSFET的相似uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。

tfv1——IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過程；

tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程。(2)

IGBT的動(dòng)態(tài)特性1-43絕緣柵雙極晶體管圖9.6-4IGBT的開關(guān)過程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off）:驅(qū)動(dòng)電壓uGE后沿下降至幅值的90%到集電極電流iC下降至幅值的90%的時(shí)間電流下降時(shí)間:集電極電流iC從90%ICM下降至10%ICM的時(shí)間

關(guān)斷時(shí)間toff:

toff=td(off)+tf

IGBT的關(guān)斷過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1-44絕緣柵雙極晶體管圖9.6-4IGBT的開關(guān)過程電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT器件內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快。tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢。IGBT的關(guān)斷過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1-45絕緣柵雙極晶體管圖9.6-4IGBT的開關(guān)過程IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(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)。高壓器件的N基區(qū)必須有足夠?qū)挾群洼^高的電阻率，這會(huì)引起通態(tài)壓降的增大和關(guān)斷時(shí)間的延長(zhǎng)。ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1-46絕緣柵雙極晶體管3)IGBT的主要參數(shù)正常工作溫度下允許的最大功耗。(4)

最大集電極功耗PCM管子導(dǎo)通是允許流過的最大持續(xù)電流，包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。

(3)

最大集電極電流

由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定，通常是柵發(fā)極短路時(shí)，集射間的耐壓值。(1)

最大集射極間電壓UCES絕緣柵雙極晶體管器件優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域GTR耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，通流能力強(qiáng)，飽和壓降低開關(guān)速度低，電流驅(qū)動(dòng)型需要驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，存在2次擊穿問題UPS、空調(diào)等中小功率中頻場(chǎng)合GTO電壓、電流容量很大，適用于大功率場(chǎng)合，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)電流關(guān)斷增益小，關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流大，開關(guān)速度低，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，開關(guān)頻率低高壓直流輸電、高壓靜止無功補(bǔ)償、高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電力機(jī)車地鐵等高壓大功率場(chǎng)合。MOSFET開關(guān)速度快，開關(guān)損耗小，工作頻率高，門極輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，沒有2次擊穿電流容量小，耐壓低，通態(tài)損耗較大，一般適合于高頻小功率場(chǎng)合開關(guān)電源、日用電氣、民用軍用高頻電子產(chǎn)品IGBT開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，通態(tài)壓降低，電壓、電流容量較高。門極輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單開關(guān)速度不及電力MOSFET，電壓、電流容量不及GTO。電機(jī)調(diào)速，逆變器、變頻器等中等功率、中等頻率的場(chǎng)合，已取代GTR。應(yīng)用最廣泛的電力電子器件。

電力電子器件的選用和保護(hù)電力電子器件的選用和保護(hù)電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用靜態(tài)均壓措施選用參數(shù)和特性盡量一致的器件采用電阻均壓，Rp的阻值應(yīng)比器件阻斷時(shí)的正、反向電阻小得多晶閘管的串聯(lián)動(dòng)態(tài)均壓措施動(dòng)態(tài)不均壓——由于器件動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓。如開通時(shí)間或反向恢復(fù)時(shí)間的偏差引起的分壓不均。動(dòng)態(tài)均壓措施：選擇動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件用RC并聯(lián)支路作動(dòng)態(tài)均壓采用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時(shí)間上的差異2.12.1晶閘管的串聯(lián)均流措施:挑選特性參數(shù)盡量一致的器件在SCR支路上串聯(lián)電抗用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)也有助于動(dòng)態(tài)均流當(dāng)需要同時(shí)串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時(shí)，通常采用先串后并的方法聯(lián)接晶閘管的并聯(lián)在使用電力電子器件時(shí)，除了要注意選擇參數(shù)合適的器件、設(shè)計(jì)有效的驅(qū)動(dòng)電路，還要采取必要的措施，進(jìn)行過電壓保護(hù)和過電流保護(hù)，同時(shí)還要抑制過大的di/dt和du/dt。電力電子器件的保護(hù)電力電子裝置可能的過電壓—外因過電壓和內(nèi)因過電壓外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外因雷擊過電壓：由雷擊引起操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起。電力電子器件的保護(hù)

內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程

1）換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后不能立刻恢復(fù)阻斷，因而有較大