電工學第2章 電力電子器件課件

第2章電力電子器件

2.1電力電子器件概述

2.2不可控器件——電力二極管

2.3半控型器件——晶閘管

2.4典型全控型器件

2.5其他新型電力電子器件

2.6功率集成電路與集成電力電子模塊

本章小結(jié)

1引言■模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ)

——晶體管和集成電路等電子器件

電力電子電路的基礎(chǔ)

——電力電子器件■本章主要內(nèi)容：◆對電力電子器件的概念、特點和分類等問題作了簡要概述?！舴謩e介紹各種常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應注意的一些問題。

22.1電力電子器件概述

2.1.1電力電子器件的概念和特征

2.1.2應用電力電子器件的系統(tǒng)組成

2.1.3電力電子器件的分類

2.1.4本章內(nèi)容和學習要點32.1.1電力電子器件的概念和特征■電力電子器件同信息電子器件相比，具有如下特征的特征：

◆所能處理電功率的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)，一般都遠大于處理信息的電子器件?！魹榱藴p小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開關(guān)狀態(tài)?！綦娏﹄娮悠骷尚畔㈦娮与娐穪砜刂?/p>

,而且需要驅(qū)動電路。

◆自身的功率損耗通常仍遠大于信息電子器件，在其工作時一般都需要安裝散熱器。

52.1.1電力電子器件的概念和特征?通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。?當器件的開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。

通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗開通損耗關(guān)斷損耗?電力電子器件的功率損耗在器件關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗導通時器件上有一定的通態(tài)壓降阻斷時器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過

在器件開通的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗6

2.1.2應用電力電子器件的系統(tǒng)組成

■電力電子器件在實際應用中，一般是由控制電路、驅(qū)動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。

電氣隔離圖2-1電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成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系統(tǒng)正?？煽窟\行驅(qū)動電路主電路控制電路7有的電力電子系統(tǒng)中，還需要有檢測電路。廣義上往往其和驅(qū)動電路這些主電路之外的電路都歸為控制電路，從而粗略地說電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成的?？刂齐娐窓z測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2保護電路控制電路

2.1.2應用電力電子器件的系統(tǒng)組成

9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)動電路與主電路的連接處，或者驅(qū)動電路與控制信號的連接處，以及主電路與檢測電路的連接處，一般需要進行電氣隔離，通過其它手段如光、磁等來傳遞信號?？刂齐娐窓z測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2保護電路電氣隔離控制電路

2.1.2應用電力電子器件的系統(tǒng)組成

10由于主電路中往往有電壓和電流的過沖，而電力電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴，但承受過電壓和過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電路，以保證電力電子器件和整個電力電子系統(tǒng)正?？煽窟\行，也往往是非常必要的。控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2保護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系統(tǒng)正常可靠運行控制電路

2.1.2應用電力電子器件的系統(tǒng)組成

112.1.3電力電子器件的分類■按照能夠被控制電路信號所控制的程度◆半控型器件

?主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。?其特征是：控制極只能控制器件導通，不能控制關(guān)斷。器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。

◆全控型器件?目前最常用的是

IGBT和PowerMOSFET。

?通過控制信號既可以控制其導通，又可以控制其關(guān)斷。

◆不可控器件

?電力二極管（PowerDiode）?不能用控制信號來控制其通斷。132.1.3電力電子器件的分類■按照驅(qū)動信號的性質(zhì)◆電流驅(qū)動型

?通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導通或者關(guān)斷的控制。

◆電壓驅(qū)動型

?僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導通或者關(guān)斷的控制?！霭凑镇?qū)動信號的波形（電力二極管除外）◆脈沖觸發(fā)型

?通過在控制端施加一個電壓或電流的脈沖信號來實現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制。

◆電平控制型

?必須通過持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號來使器件開通并維持在導通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。

142.1.3電力電子器件的分類■按照載流子參與導電的情況◆單極型器件

?由一種載流子參與導電。◆雙極型器件

?由電子和空穴兩種載流子參與導電。

◆復合型器件

?由單極型器件和雙極型器件集成混合而成，也稱混合型器件。

152.2不可控器件——電力二極管

2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理

2.2.2電力二極管的基本特性

2.2.3電力二極管的主要參數(shù)

2.2.4電力二極管的主要類型172.2不可控器件——電力二極管·引言■電力二極管（PowerDiode）自20世紀50年代初期就獲得應用，但其結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二極管仍然大量應用于許多電氣設(shè)備當中?！鲈诓捎萌匦推骷碾娐分须娏ΧO管往往是不可缺少的，特別是開通和關(guān)斷速度很快的快恢復二極管和肖特基二極管，具有不可替代的地位。

整流二極管及模塊18AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理■電力二極管是以半導體PN結(jié)為基礎(chǔ)的,實際上是由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，可以有螺栓型、平板型等多種封裝。圖2-2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a)外形b)基本結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號19

◆PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿。

?按照機理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式。

?反向擊穿發(fā)生時，只要外電路采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復原來的狀態(tài)。?否則PN結(jié)因過熱而燒毀，這就是熱擊穿。

21電力二極管的結(jié)構(gòu)不同于信息電子電路二極管的特征：

–垂直導電結(jié)構(gòu)

–漂移區(qū)(p-i-n二極管)

–電導調(diào)制效應250μm此厚度決定擊穿電壓10μm-陽極陰極（漂移區(qū)）（襯底）22正向偏置時的電力二極管電導調(diào)制效應少子注入232.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理■PN結(jié)的電容效應◆稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容◆按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴散電容CD

?勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。在正向偏置時，當正向電壓較低時，勢壘電容為主。

?擴散電容僅在正向偏置時起作用。正向電壓較高時，擴散電容為結(jié)電容主要成分?！艚Y(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作?52.2.2電力二極管的基本特性■靜態(tài)特性◆主要是指其伏安特性

◆正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO

），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導通狀態(tài)。與IF對應的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF。

◆承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。IOIFUTOUFU圖2-5電力二極管的伏安特性26

■靜態(tài)特性具有單向?qū)щ娦哉珪r：二極管導通，通態(tài)壓降1V左右。通態(tài)損耗：（表現(xiàn)形式為發(fā)熱）反偏時：在達到擊穿電壓前，僅有很小的反向漏電流流過。在達到擊穿電壓后，反向電流急劇增加。2.2.2電力二極管的基本特性272.2.2電力二極管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V圖2-6電力二極管的動態(tài)過程波形正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置

零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置

■動態(tài)特性

◆由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置

?電力二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(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沖。?延遲時間：td=t1-t0

電流下降時間：tf=t2-t1

反向恢復時間：trr=td+tf

恢復特性的軟度：tf

/td，或稱恢復系數(shù)，用Sr表示。t0:正向電流降為零的時刻t1:反向電流達最大值的時刻t2:電流變化率接近于零的時刻?關(guān)斷損耗：一個開關(guān)周期內(nèi)關(guān)斷過程產(chǎn)生的損耗T為開關(guān)周期292.2.2電力二極管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V◆由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置

?先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如2V）。

?正向恢復時間tfr

?出現(xiàn)電壓過沖的原因:電導調(diào)制效應起作用所需的大量少子需要一定的時間來儲存，在達到穩(wěn)態(tài)導通之前管壓降較大；正向電流的上升會因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高。

圖2-6電力二極管的動態(tài)過程波形b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置

30?開通過程電壓與電流的乘積形成開通損耗：其中：T為開關(guān)周期2.2.2電力二極管的基本特性312.2.3電力二極管的主要參數(shù)■正向平均電流IF(AV)◆指電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。

◆IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，使用時應按有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。32對于正弦半波電流，假定其電流峰值為IM，則其平均值為

其正弦半波電流的有效值為定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個電流的波形系數(shù)，用表示，即2.2.3電力二極管的主要參數(shù)33正弦半波電流的波形系數(shù)實際使用中，流過二極管的電流波形形狀并不是一定的，各種周期性的電流波形都有一個電流有效值，依據(jù)有效值相等的原則，如果功率二極管所流過的最大電流有效值為I，則其二極管額定電流一般選擇為

式中的系數(shù)是安全系數(shù)，系數(shù)1.57為正弦半波的波形系數(shù)。

2.2.3電力二極管的主要參數(shù)34■正向壓降UF◆指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應的正向壓降?！龇聪蛑貜头逯惦妷篣RRM

◆指對電力二極管所能重復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，往往按照電路中功率二極管可能承受的反向最高峰值電壓的2倍左右來選定

。

2.2.3電力二極管的主要參數(shù)352.2.3電力二極管的主要參數(shù)■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125～175C范圍之內(nèi)?！龇聪蚧謴蜁r間trr

◆反向恢復時間是指功率二極管從正向電流降至零起到恢復反向阻斷能力為止的時間。■浪涌電流IFSM

◆指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。36

電力二極管的選擇原則

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管子在電路中實際可能通過的最大電流有效值即可。考慮元件的過載能力，實際選擇時應有1.5~2倍的安全裕量。計算公式為：■選擇額定正向平均電流的原則37選擇功率二極管的反向重復峰值電壓等級（額定電壓）的原則應為管子在所工作的電路中可能承受的最大反向瞬時值電壓的2~3倍，即■選擇額定電壓的原則

電力二極管的選擇原則

38課堂思考：半波整流電路，輸入正弦電壓值100V，頻率

10kHz，電流有效值10A，如何選擇二極管？39選擇要點：耐壓選擇：擊穿電壓大于280V正向開通時間、反向恢復時間：遠小于100μs通態(tài)平均電流：按有效值相等原則，選擇電流值并留有一定余量。402.2.4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，特別是反向恢復特性的不同，介紹幾種常用的電力二極管。

◆普通二極管（GeneralPurposeDiode）

?又稱整流二極管（RectifierDiode），多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。

?其反向恢復時間較長，一般在5s以上。

?其正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高，分別可達數(shù)千安和數(shù)千伏以上。

412.2.4電力二極管的主要類型◆快恢復二極管（FastRecoveryDiode——FRD）?恢復過程很短，特別是反向恢復過程很短（一般在5s以下）。

?快恢復外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），采用外延型P-i-N結(jié)構(gòu)，其反向恢復時間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右）。?從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到20~30ns。422.2.4電力二極管的主要類型◆肖特基二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD）

?優(yōu)點在于：反向恢復時間很短（10~40ns），正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管；因此，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。

?弱點在于：當所能承受的反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場合；反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。432.3半控型器件——晶閘管

2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理

2.3.2晶閘管的基本特性

2.3.3晶閘管的主要參數(shù)

2.3.4晶閘管的派生器件442.3半控器件—晶閘管·引言■晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被簡稱為可控硅。

■1956年美國貝爾實驗室（BellLaboratories）發(fā)明了晶閘管，到1957年美國通用電氣公司（GeneralElectric）開發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化?！鲇捎谄淠艹惺艿碾妷汉碗娏魅萘咳匀皇悄壳半娏﹄娮悠骷凶罡叩?，而且工作可靠，因此在大容量的應用場合仍然具有比較重要的地位。晶閘管及模塊452.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■晶閘管的結(jié)構(gòu)◆從外形上來看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu)?！粢鲫枠OA、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端?！魞?nèi)部是PNPN四層半導體結(jié)構(gòu)。圖2-7晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號

46■晶閘管基本工作特性◆當SCR的陽極和陰極電壓，即EA下正上負(與圖示方向相反)時，無論門極G是否有電流，白熾燈不亮，說明SCR始終處于關(guān)斷狀態(tài)；◆當時，即EA上正下負(與圖示方向相同)，只有時，白熾燈才能點亮。說明SCR沒有門極電流觸發(fā)時，具有正向阻斷能力；當滿足，條件時可以導通?！鬝CR一旦導通，此時去掉EG（即再令），白熾燈仍保持點亮，說明SCR仍保持導通狀態(tài)。導通后SCR的管壓降為1V左右，主電路中的電流IA由白熾燈內(nèi)阻、RW和EA的大小決定?！粼贗A逐漸降低（通過調(diào)整RW）至某一個小數(shù)值時，剛剛能夠維持SCR導通；此時如果繼續(xù)降低IA，則SCR會關(guān)斷，該小電流稱為SCR的維持電流。動畫2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理47■晶閘管正常工作時的特性總結(jié)如下：2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理

?當晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通。

?當晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。

?晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導通。?若要使已導通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。從這個角度可以看出，SCR是一種電流控制型的電力電子器件。48圖2-8晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b)工作原理在分析SCR的工作原理時，常將其等效為兩個晶體管V1和V2串級而成。其工作過程如下：

UGK>0→產(chǎn)生IG→V2通→產(chǎn)生IC2→V1通→IC1↗→IC2↗→出現(xiàn)強烈的正反饋，G極失去控制作用，V1和V2完全飽和，SCR飽和導通。晶閘管導通后，即使去掉門極電流，仍能維持導通?！鼍чl管工作機理的等效電路說明動畫2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理49

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：圖1-7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）50

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，實現(xiàn)飽和導通。IA實際由外電路決定。512.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■除門極觸發(fā)外其他幾種可能導通的情況◆陽極電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應

◆陽極電壓上升率du/dt過高

◆結(jié)溫較高◆光觸發(fā)■這些情況除了光觸發(fā)由于可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應用于高壓電力設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以應用于實踐。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。

522.3.2晶閘管的基本特性■靜態(tài)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。532.3.2晶閘管的基本特性?正向特性

√當IG=0時，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過。

√如果正向電壓超過臨界極限即正向轉(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。

√如果門極電流為零，并且陽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。

圖2-9晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG

正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+542.3.2晶閘管的基本特性?反向特性

√其伏安特性類似二極管的反向特性。

√晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反向漏電流通過。

√當反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增大，導致晶閘管發(fā)熱損壞。

圖2-9晶閘管的伏安特性 IG2>IG1>IG正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+552.3.2晶閘管的基本特性■動態(tài)特性◆開通過程

?由于晶閘管內(nèi)部的正反饋過程需要時間，再加上外電路電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽極電流的增長不可能是瞬時的。?延遲時間td

(0.5~1.5s)上升時間tr(0.5~3s)開通時間tgt=td+tr?延遲時間隨門極電流的增大而減小,上升時間除反映晶閘管本身特性外，還受到外電路電感的嚴重影響。提高陽極電壓,延遲時間和上升時間都可顯著縮短。

圖2-10晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形陽極電流穩(wěn)態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽極電流穩(wěn)態(tài)值的10%562.3.2晶閘管的基本特性◆關(guān)斷過程

?由于外電路電感的存在，原處于導通狀態(tài)的晶閘管當外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r，其陽極電流在衰減時必然也是有過渡過程的。

?反向阻斷恢復時間trr正向阻斷恢復時間tgr?在正向阻斷恢復時間內(nèi)如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向?qū)?，而不是受門極電流控制而導通。圖2-10晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形100%反向恢復電流最大值尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA57?實際應用中，應對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。?關(guān)斷時間tq：trr與tgr之和，即

tq=trr+tgr

普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒，這是設(shè)計反向電壓設(shè)計時間的依據(jù)。2.3.2晶閘管的基本特性58◆斷態(tài)重復峰值電壓UDRM

——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓，一般為正向轉(zhuǎn)折電壓的80％◆反向重復峰值電壓URRM

——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓，一般為反向擊穿電壓的80％。◆通態(tài)（峰值）電壓UT

——晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓（一般為2V）。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。使用注意：■電壓定額(重點)2.3.3晶閘管的主要參數(shù)592.3.3晶閘管的主要參數(shù)

■電流定額(重點)

◆通態(tài)平均電流IT(AV）

?國標規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。

?按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應來定義的。?一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應相等（即有效值相等）的原則所得計算結(jié)果的1.5~2倍。

60對于一只額定電流IT(AV)=100A的晶閘管，允許的電流有效值應該為157A（考慮正弦半波波形系數(shù)）。對于特定電流波形，其有效值和平均值的比值為波形系數(shù)Kf=Irms/IAV，按有效值相等原則選擇晶閘管時遵循：例：當三個不同的電流波形，分別流經(jīng)額定電流為IT(AV)=100A的晶閘管時，其允許的電流平均值為IAV不同。2.3.3晶閘管的主要參數(shù)61（1）正弦半波整流電流波形狀態(tài)2.3.3晶閘管的主要參數(shù)62實際波形的平均值:實際波形的有效值:波形系數(shù):100A的器件允許的電流平均值:這時100A的器件只能當作70A(平均值)使用.2.3.3晶閘管的主要參數(shù)63（2）正弦全波整流電流波形狀態(tài)2.3.3晶閘管的主要參數(shù)64實際波形的平均值:實際波形的有效值:實際波形的波形系數(shù):100A的器件允許的電流平均值:

這時100A的器件可當作140A(平均值)使用2.3.3晶閘管的主要參數(shù)65（3）方波半波整流電流波形狀態(tài)2.3.3晶閘管的主要參數(shù)66實際波形的平均值:實際波形的有效值:實際波形的波形系數(shù):100A的器件允許的電流平均值:這時100A的器件只能當作90A(平均值)使用.2.3.3晶閘管的主要參數(shù)672.3.3晶閘管的主要參數(shù)◆維持電流IH

?維持電流是指使晶閘管維持導通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。?結(jié)溫越高，則IH越小。

◆擎住電流IL?擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導通所需的最小電流。

?約為IH的2~4倍

◆浪涌電流ITSM

?指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復性最大正向過載電流。682.3.3晶閘管的主要參數(shù)■動態(tài)參數(shù)

◆開通時間tgt和關(guān)斷時間tq

◆斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

?在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。

?電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導通。使用中實際電壓上升率必須低于此臨界值。

◆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，則晶閘管剛一開通便會有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。69開通條件與關(guān)斷條件舉例一70開通條件與關(guān)斷條件舉例二71晶閘管應用要點：1、觸發(fā)導通條件：

UAK>0，UGK>0（或IGK>0），并有足夠的觸發(fā)功率。

一旦器件導通，門極電流就不再具有控制作用。因此，門極觸發(fā)電流可用脈沖電流，無需用直流。2、晶閘管的關(guān)斷方法：

自然關(guān)斷：在導通期間，如果要求器件返回到正向阻斷狀態(tài)，必須令門極電流為零，且將陽極電流降低到一個稱為維持電流的臨界極限值以下，并保持一段時間。

強迫關(guān)斷：通過加一反向電壓UAK<0，并保持一段時間使其關(guān)斷。在實際電路中是采用陽極電壓反向、增大回路阻抗等方式，使陽極電流小于維持電流，使晶閘管關(guān)斷。72晶閘管應用要點：3、晶閘管可靠關(guān)斷的條件：關(guān)斷時間tq：恢復晶閘管電壓阻斷能力所需的最小電路換流反壓時間?？煽筷P(guān)斷的條件：

UAK<0(或IA<IH)，并保持一段時間（t>

tq）。

由于在觸發(fā)導通時積累的非平衡載流子需要恢復時間，使其可靠關(guān)斷，因此需要在t>

tq之后再施加正向電壓而不會導通。73

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際可能通過的最大電流有效值即可?？紤]元件的過載能力，實際選擇時應有1.5~2倍的安全裕量。計算公式為：然后取相應標準系列值。74（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為管子在所工作的電路中可能承受的最大反向瞬時值電壓的2~3倍，即然后取相應標準系列值。752.3.4晶閘管的派生器件■快速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST）

◆有快速晶閘管和高頻晶閘管。

◆快速晶閘管的開關(guān)時間以及du/dt和di/dt的耐量都有了明顯改善。

◆從關(guān)斷時間來看，普通晶閘管一般為數(shù)百微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管則為10s左右。

◆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，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態(tài)平均電流時不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應。

762.3.4晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2■雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）◆可以認為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成?！糸T極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導通，所以在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性?！襞c一對

反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟的，且控制電路簡單

◆雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。圖2-11雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性

772.3.4晶閘管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0■逆導晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）

◆是將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。

◆具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。

◆額定電流有兩個，一個是晶閘管電流，一個是與之反并聯(lián)的二極管的電流圖2-12逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性

782.3.4晶閘管的派生器件AGKa)AK光強度強弱b)OUIA■光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）

◆又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導通的晶閘管。

◆由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在高壓大功率的場合。圖2-13光控晶閘管的電氣圖形符 號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性

792.4典型全控型器件

2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管

2.4.2電力晶體管

2.4.3電力場效應晶體管

2.4.4絕緣柵雙極晶體管802.4典型全控型器件·引言■門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。■20世紀80年代以來，電力電子技術(shù)進入了一個嶄新時代?！龅湫痛怼T極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力MOSFETIGBT單管及模塊812.4.1門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）

■晶閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。

■GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆GTO的結(jié)構(gòu)?是PNPN四層半導體結(jié)構(gòu)。?是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出3個極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。

圖2-14GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號各單元的陰極、門極間隔排列的圖形

并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖電氣圖形符號

82◆晶閘管的一種派生器件，當UAK>0，UGK>0（或IGK>0），可以觸發(fā)導通?！艨梢酝ㄟ^在門極施加負的脈沖電流（IGK<0）使其關(guān)斷，屬于全控型器件（通過控制極可以控制開通、也可以控制關(guān)斷）?！鬐TO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用。2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管■門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）83■結(jié)構(gòu)與普通晶閘管的相同點：

PNPN四層半導體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點：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，而普通晶閘管是獨立元件結(jié)構(gòu)。圖2-14GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號KGA2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管84■工作原理與普通晶閘管一樣，可以用圖所示的雙晶體管模型來分析。

晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管85

GTO也可等效成兩個晶體管P1N1P2和N1P2N2互連，GTO與晶閘管最大區(qū)別就是導通后回路增益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，因而GTO導通程度不深，處于臨界飽和狀態(tài)，這為門極負脈沖關(guān)斷陽極電流提供有利條件。■工作原理◆開通過程

2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管86

當GTO已處于導通狀態(tài)時，對門極加負的關(guān)斷脈沖，形成－IG，相當于將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，這是一個正反饋過程。當IC2和IC1的減小使α1+α2<1時，等效晶體管N1P2N2和P1N1P2退出飽和，GTO不滿足維持導通條件，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?！龉ぷ髟怼絷P(guān)斷過程

2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管872.4.1門極可關(guān)斷晶閘管?GTO的導通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導通時飽和程度較淺。

?而關(guān)斷時，給門極加負脈沖，即從門極抽出電流，當兩個晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使1+2<1時，器件退出飽和而關(guān)斷。

?GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管開通過程更快，承受di/dt的能力增強。

882.4.1門極可關(guān)斷晶閘管■GTO的動態(tài)特性

◆開通過程與普通晶閘管類似。

◆關(guān)斷過程與普通晶閘管有所不同

?儲存時間ts—使等效晶體管退出飽和。下降時間tf—等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)尾部時間tt—殘存載流子復合。?通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。?門極負脈沖電流幅值越大，前沿越陡，

ts就越短。圖2-15GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形

Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導通時儲存的大量載流子的時間等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小時間

殘存載流子復合所需時間

892.4.1門極可關(guān)斷晶閘管■GTO的主要參數(shù)◆GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應的參數(shù)意義相同。

◆最大可關(guān)斷陽極電流IATO?指用門極電流可以重復關(guān)斷的陽極峰值電流，也稱可關(guān)斷陽極峰值電流?用來標稱GTO額定電流。

◆電流關(guān)斷增益off

?最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負脈沖電流最大值IGM之比。

?off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。

◆開通時間ton

?延遲時間與上升時間之和。?延遲時間一般約1~2s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大。

90

◆關(guān)斷時間toff

?一般指儲存時間和下降時間之和，而不包括尾部時間。

?儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于2s?！霾簧貵TO都制造成逆導型，類似于逆導晶閘管。當需要承受反向電壓時，應和電力二極管串聯(lián)使用。

2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管912.4.2電力晶體管■電力晶體管（GiantTransistor——GTR）按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT）

■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。也有三個電極，分別為B(基極)、C(集電極)、E(發(fā)射極)，有兩種基本類型，NPN型和PNP型，基本結(jié)構(gòu)及電氣符號如下圖所示。

◆最主要的特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。

92GTR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。GTR已實現(xiàn)了大功率、模塊化、廉價化。2.4.2電力晶體管93◆

GTR的結(jié)構(gòu)

?采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)，并采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。

?

GTR是由三層半導體（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成的兩個PN結(jié)（集電結(jié)和發(fā)射結(jié)）構(gòu)成，多采用NPN結(jié)構(gòu)。2.4.2電力晶體管圖2-16GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號c)內(nèi)部載流子的流動+表示高摻雜濃度，-表示低摻雜濃度942.4.2電力晶體管空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib圖2-16c)內(nèi)部載流子的流動

?在應用中，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

稱為GTR的電流放大系數(shù)，它反映了基極電流對集電極電流的控制能力。當考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關(guān)系為?單管GTR的

值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為10左右，采用達林頓接法可以有效地增大電流增益。(2-9)(2-10)952.4.2電力晶體管■GTR的基本特性◆靜態(tài)特性

?在共發(fā)射極接法時的典型輸出特性分為截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)三個區(qū)域。

?在電力電子電路中，GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)。

?在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，一般要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖2-17共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性962.4.2電力晶體管◆動態(tài)特性?開通過程

√需要經(jīng)過延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。√增大基極驅(qū)動電流ib的幅值并增大dib/dt，可以縮短延遲時間，同時也可以縮短上升時間，從而加快開通過程。

ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖2-18GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形主要是由發(fā)射結(jié)勢壘電容和集電結(jié)勢壘電容充電產(chǎn)生的。

是用來除去飽和導通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時間的主要部分。

97ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖2-18GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形主要是由發(fā)射結(jié)勢壘電容和集電結(jié)勢壘電容充電產(chǎn)生的。

是用來除去飽和導通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時間的主要部分。

◆動態(tài)特性

?關(guān)斷過程

√需要經(jīng)過儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關(guān)斷時間toff。

√ts是用來除去飽和導通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時間的主要部分

√減小導通時的飽和深度以減小儲存的載流子，或者增大基極抽取負電流Ib2的幅值和負偏壓，可以縮短儲存時間，從而加快關(guān)斷速度?！虦p小導通時的飽和深度的負面作用是會使集電極和發(fā)射極間的飽和導通壓降UCES增加，從而增大通態(tài)損耗?GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。982.4.2電力晶體管■GTR的主要參數(shù)◆直流電流增益hFE

?在直流工作的情況下，集電極電流與基極電流之比。一般可認為≈hFE

◆最高工作電壓

?GTR上所加的電壓超過規(guī)定值時，就會發(fā)生擊穿。?擊穿電壓不僅和晶體管本身的特性有關(guān)，還與外電路的接法有關(guān)。

?發(fā)射極開路時集電極和基極間的反向擊穿電壓BUcbo基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUceo發(fā)射極與基極間用電阻聯(lián)接或短路聯(lián)接時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcer和BUces發(fā)射結(jié)反向偏置時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcex

且存在以下關(guān)系：

?實際使用GTR時，為了確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。992.4.2電力晶體管◆集電極最大允許電流IcM?規(guī)定直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定的1/2~1/3時所對應的Ic。?實際使用時要留有較大裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點。◆集電極最大耗散功率PcM

?指在最高工作溫度下允許的耗散功率。?產(chǎn)品說明書中在給出PcM時總是同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。

1002.4.2電力晶體管■GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)◆當GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時，集電極電流迅速增大，這種首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿?！舭l(fā)現(xiàn)一次擊穿發(fā)生時如不有效地限制電流，Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升，同時伴隨著電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。

◆出現(xiàn)一次擊穿后，GTR一般不會損壞，二次擊穿常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對GTR危害極大。

SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖2-19GTR的安全工作區(qū)二次擊穿功率

◆安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）

?將不同基極電流下二次擊穿的臨界點連接起來，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。?GTR工作時不僅不能超過最高電壓

UceM，集電極最大電流IcM和最大耗散功率PcM，也不能超過二次擊穿臨界線。101■應用20世紀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和電力MOSFET取代。2.4.2電力晶體管

?

電力電子器件都有安全工作區(qū)，通常由最大工作電流、最大耗散功率、最高工作電壓構(gòu)成。實際應用時器件必須工作于安全工作區(qū)的范圍內(nèi)，以免損壞。

1022.4.3電力場效應晶體管■分為結(jié)型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）,簡稱電力MOSFET（PowerMOSFET）?！鲭娏OSFET是用柵極電壓來控制漏極電流的，它的特點有：◆驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。

◆開關(guān)速度快，工作頻率高。

◆熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR，無二次擊穿現(xiàn)象。

◆電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過10kW的電力電子裝置。

1032.4.3電力場效應晶體管■電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理◆電力MOSFET的種類

?按導電溝道可分為P溝道和N溝道。?當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道的稱為耗盡型。

?對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道的稱為增強型。

?在電力MOSFET中，主要是N溝道增強型。

1042.4.3電力場效應晶體管◆電力MOSFET的結(jié)構(gòu)

?導通時只有一種載流子參與導電，是單極型晶體管。?結(jié)構(gòu)上與小功率MOS管有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?，而目前電力MOSFET大都采用了垂直導電結(jié)構(gòu)，所以又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET），這大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。?按垂直導電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導電的VVMOSFET（VerticalV-grooveMOSFET）和具有垂直導電雙擴散MOS結(jié)構(gòu)的DMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。?電力MOSFET也是多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計。圖2-20電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號105電力MOSFET的多元集成結(jié)構(gòu)，一個器件由許多個小MOSFET元組成。每個元的形狀和排列方法，不同廠家采用了不同的設(shè)計國際整流器公司（InternationalRectifier）的HEXFET采用了六邊形單元西門子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形單元摩托羅拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列不管名稱怎樣變，垂直導電的基本思想沒有變。2.4.3電力場效應晶體管1062.4.3電力場效應晶體管◆電力MOSFET的工作原理?截止：當漏源極間接正電壓，柵極和源極間電壓為零（UDS>0，UGS=0)時，漏源極之間無電流流過。

?導通

√在柵極和源極之間加一正電壓UGS

√當UGS大于某一電壓值UT時，漏極和源極導電。

√UT稱為開啟電壓（或閾值電壓），UGS超過UT越多，導電能力越強，漏極電流ID越大。

107■電力MOSFET的基本特性

◆靜態(tài)特性

?轉(zhuǎn)移特性√指漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系，反映了輸入電壓和輸出電流的關(guān)系。

√ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率被定義為MOSFET的跨導Gfs，即

2.4.3電力場效應晶體管圖2-21電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性(2-11)√是電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。1082.4.3電力場效應晶體管?輸出特性

√是MOSFET的漏極伏安特性?！探刂箙^(qū)（對應于GTR的截止區(qū)）、飽和區(qū)（對應于GTR的放大區(qū)）、非飽和區(qū)（對應于GTR的飽和區(qū)）三個區(qū)域，飽和是指漏源電壓增加時漏極電流不再增加，非飽和是指漏源電壓增加時漏極電流相應增加。

√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。?本身結(jié)構(gòu)所致，漏極和源極之間形成了一個與MOSFET反向并聯(lián)的寄生二極管。無反向阻斷能力，漏源極間加反向電壓時器件導通，可看作是逆導器件。?通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。

圖2-21電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性b)輸出特性109◆動態(tài)特性

?開通過程

√開通延遲時間td(on)

電流上升時間tr開通時間ton=td(on)+tr

?關(guān)斷過程

√關(guān)斷延遲時間td(off)

電流下降時間tfi

關(guān)斷時間toff=td(off)+tfi2.4.3電力場效應晶體管信號iDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tfRsRGRFRLiDuGSupiD+UE圖2-22電力MOSFET的開關(guān)過程a)測試電路b)開關(guān)過程波形up為矩形脈沖電壓信號源，Rs為信號源內(nèi)阻，RG為柵極電阻，RL為漏極負載電阻，RF用于檢測漏極電流。

(a)(b)1102.4.3電力場效應晶體管?MOSFET的開關(guān)速度和Cin電容的充放電有很大關(guān)系。使用者無法降低Cin，但可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度。?不存在少子儲存效應，因而其關(guān)斷過程是非常迅速的。?開關(guān)時間在10~100ns之間，其工作頻率可100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。?在開關(guān)過程中需要對輸入電容充放電，仍需要一定的驅(qū)動功率，開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。

1112.4.3電力場效應晶體管■電力MOSFET的主要參數(shù)

◆漏極電壓UDS

??標稱電力MOSFET電壓定額的參數(shù)?！袈O直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM

?標稱電力MOSFET電流定額的參數(shù)。

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

在UGS＝0時漏極和源極所能承受的最高電壓——漏極直流電流ID是指在最大導通壓降UDS(on)時，產(chǎn)生的功率損耗使MOS管節(jié)點溫度上升到最大值150℃（外殼溫度為100℃）時的漏極直流電流?！O脈沖電流幅值IDM是脈沖運行狀態(tài)下MOS管漏極最大允許峰值電流。112■電力MOSFET的主要參數(shù)

◆柵源電壓UGS

?柵源之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導致絕緣層擊穿。

◆極間電容

?P-MOSFET的三個極之間分別存在極間電容CGS、CGD和CDS，一般廠家提供的是漏源極短路時的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容Crss，它們之間的關(guān)系是：Ciss=CGS+CGDCrss=CGDCoss=CDS+CGD

輸入電容可近似用Ciss代替，但這些電容都是非線性的。

2.4.3電力場效應晶體管113■電力MOSFET的主要參數(shù)◆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)。

2.4.3電力場效應晶體管1142.4.4絕緣柵雙極晶體管■兩類器件取長補短結(jié)合而成的復合器件—IGBT■絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）◆GTR和MOSFET復合，結(jié)合二者的優(yōu)點?！?986年投入市場，是中小功率電力電子設(shè)備的主導器件?！衾^續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。GTR的特點——雙極型，電流驅(qū)動，通流能力很強，但開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復雜。MOSFET的優(yōu)點——單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。1152.4.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆IGBT的結(jié)構(gòu)

?是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。?由N溝道VDMOSFET與雙極型晶體管組合而成的IGBT，比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，實現(xiàn)對漂移區(qū)電導率進行調(diào)制，使得IGBT具有很強的通流能力。?簡化等效電路表明，IGBT是用GTR與MOSFET組成的達林頓結(jié)構(gòu)，相當于一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。

圖2-23IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。

1162.4.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的工作原理

?IGBT的驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，是一種場控器件。

?其開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。

√當UGE為正且大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進而使IGBT導通。

√當柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷。

?電導調(diào)制效應使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。

1172.4.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的基本特性

◆靜態(tài)特性

?轉(zhuǎn)移特性

√描述的是集電極電流IC與柵射電壓UGE之間的關(guān)系?！涕_啟電壓UGE(th)是IGBT能實現(xiàn)電導調(diào)制而導通的最低柵射電壓，隨溫度升高而略有下降。

（a）圖2-24IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性

1182.4.4絕緣柵雙極晶體管?輸出特性（伏安特性）

√描述的是以柵射電壓為參考變量時，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系。

√分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。

√當UCE<0時，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。

√在電力電子電路中，IGBT工作在開關(guān)狀態(tài)，因而是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。

(b)圖2-24IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性b)輸出特性

1192.4.4絕緣柵雙極晶體管◆動態(tài)特性

?開通過程√開通延遲時間td(on)

電流上升時間tr

電壓下降時間tfv開通時間ton=td(on)+tr+

tfv√tfv分為tfv1和tfv2兩段。

?關(guān)斷過程

√關(guān)斷延遲時間td(off)

電壓上升時間trv

電流下降時間tfi

關(guān)斷時間toff=td(off)+trv+tfi

√tfi分為tfi1和tfi2兩段

?引入了少子儲存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度要低于電力MOSFET。

圖2-25IGBT的開關(guān)過程