第4講-全控型器件課件

第四講全控型器件及其他新型電力電子器件教師：孔祥新地點(diǎn)：JC202曲阜師范大學(xué)電氣信息與自動(dòng)化學(xué)院1第四講全控型器件及其他新型教師：孔祥新曲阜師范大學(xué)電氣信息回顧----整流器件的應(yīng)用功率二極管的基本特性：PNAKAKVD具有單向?qū)щ娦?回顧----整流器件的應(yīng)用功率二極管的基本特性：PNAKAK功率二極管的類(lèi)型整流二極管：通態(tài)正向壓降很低，反向阻斷電壓和工作電流可以高達(dá)幾千伏和幾千安，但反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。多用于開(kāi)關(guān)頻率不高的場(chǎng)合，一般在1KHz以下?？焖倩謴?fù)二極管：恢復(fù)時(shí)間短，尤其是反向恢復(fù)時(shí)間短，一般在5微秒以內(nèi)，多用于與可控開(kāi)關(guān)配合的高頻電路中。肖特基二極管是以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管，其反向恢復(fù)的時(shí)間更短。適用于較低輸出電壓和要求較低正向管壓降的換流電路中。3功率二極管的類(lèi)型整流二極管：3二極管的應(yīng)用續(xù)流限幅鉗位穩(wěn)壓整流倍壓整流4二極管的應(yīng)用續(xù)流44.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管結(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(yáng)極、陰極和門(mén)極。和普通晶閘管的不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件。圖1-13GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)各單元的陰極、門(mén)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54.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管結(jié)構(gòu)：圖1-13GTO的內(nèi)部結(jié)4.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來(lái)分析。

圖1-7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

。64.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管工作原理：圖1-7晶閘管的雙晶4.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO能夠通過(guò)門(mén)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(mén)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(mén)極抽出較大電流。

圖1-7晶閘管的工作原理74.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO能夠通過(guò)門(mén)極關(guān)斷的原因是其與4.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO導(dǎo)通過(guò)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(guò)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(kāi)通過(guò)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：84.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：4.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管開(kāi)通過(guò)程：與普通晶閘管相同關(guān)斷過(guò)程：與普通晶閘管有所不同儲(chǔ)存時(shí)間ts，使等效晶體管退出飽和。下降時(shí)間tf尾部時(shí)間tt

—?dú)埓孑d流子復(fù)合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長(zhǎng)。門(mén)極負(fù)脈沖電流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6圖1-14

GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形GTO的動(dòng)態(tài)特性94.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管開(kāi)通過(guò)程：與普通晶閘管相同Ot0t4.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù)——延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約1~2s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流的增大而增大?！话阒竷?chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。下降時(shí)間一般小于2s。（2）關(guān)斷時(shí)間toff（1）開(kāi)通時(shí)間ton

不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類(lèi)似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)

。許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。104.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù)——延遲時(shí)間與4.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（3）最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO（4）

電流關(guān)斷增益off

off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門(mén)極負(fù)脈沖電流峰值要200A。——GTO額定電流?！畲罂申P(guān)斷陽(yáng)極電流與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。（1-8）114.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（3）最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO（4.2電力晶體管電力晶體管（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。DATASHEET1

2

應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來(lái)，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。術(shù)語(yǔ)用法：124.2電力晶體管術(shù)語(yǔ)用法：12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(kāi)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。4.2

電力晶體管1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-15GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)

a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號(hào)c)內(nèi)部載流子的流動(dòng)13與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。4.2電力晶4.2電力晶體管在應(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（1-9）

——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（1-10）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144.2電力晶體管在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法4.2電力晶體管

(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(kāi)關(guān)狀態(tài)。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖1-16共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性2）GTR的基本特性154.2電力晶體管截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib24.2電力晶體管開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開(kāi)通時(shí)間ton。加快開(kāi)通過(guò)程的辦法。關(guān)斷過(guò)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(kāi)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1-17GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形(2)

動(dòng)態(tài)特性164.2電力晶體管開(kāi)通過(guò)程ibIb1Ib2Icsic04.2電力晶體管前已述及：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(kāi)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff

(此外還有)：

1)

最高工作電壓

GTR上電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿。擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)。BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>Buceo。實(shí)際使用時(shí)，最高工作電壓要比BUceo低得多。3）GTR的主要參數(shù)174.2電力晶體管3）GTR的主要參數(shù)174.2電力晶體管通常規(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(shuō)明書(shū)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IcM184.2電力晶體管2)

集電極最大允許電流IcM184.2電力晶體管一次擊穿：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(guò)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。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖1-18GTR的安全工作區(qū)GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)194.2電力晶體管一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)4.3電力場(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)稱電力MOSFET（PowerMOSFET）結(jié)型電力場(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(lái)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(kāi)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(guò)10kW的電力電子裝置。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管204.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型

特點(diǎn)——用柵4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力MOSFET的種類(lèi)

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。

電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。DATASHEET1）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理214.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力MOSFET的種類(lèi)1）電力M4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力MOSFET的結(jié)構(gòu)是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計(jì)。圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)224.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力MOSFET的結(jié)構(gòu)是單極型晶4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷ｋ娏OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET）。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論。電力MOSFET的結(jié)構(gòu)234.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?。?.3電力場(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(wú)電流流過(guò)。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1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)電力MOSFET的工作原理244.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管圖1-19電力MOSFET的4.3電力場(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1-20電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性2）電力MOSFET的基本特性254.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

(1)靜態(tài)特性0102034.3電力場(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(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。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。通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。圖1-20電力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/A264.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管圖1-20電力MOSFET的轉(zhuǎn)移4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)

上升時(shí)間tr開(kāi)通時(shí)間ton——開(kāi)通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)下降時(shí)間tf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1-21電力MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程a)測(cè)試電路b)開(kāi)關(guān)過(guò)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274.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管a）b)RsRGRFRLiDuG4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系。可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開(kāi)關(guān)速度。不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，關(guān)斷過(guò)程非常迅速。開(kāi)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(kāi)關(guān)過(guò)程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。MOSFET的開(kāi)關(guān)速度284.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET的開(kāi)關(guān)速度284.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管3)電力MOSFET的主要參數(shù)

——電力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——電力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(kāi)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CDS294.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管3)電力MOSFET的主要參數(shù)4.4絕緣柵雙極晶體管兩類(lèi)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）(DATASHEET1

2)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(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。MOSFET的優(yōu)點(diǎn)——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。304.4絕緣柵雙極晶體管GTR和G4.4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1-22IGBT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)314.4絕緣柵雙極晶體管1)IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原4.4絕緣柵雙極晶體管圖1-22a—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1-22IGBT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)324.4絕緣柵雙極晶體管圖1-22a—N溝道VDMOS4.4絕緣柵雙極晶體管

驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE大于開(kāi)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334.4絕緣柵雙極晶體管

驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFETa)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4.4絕緣柵雙極晶體管2)IGBT的基本特性(1)

IGBT的靜態(tài)特性圖1-23IGBT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(kāi)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)。34a)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)4.4絕緣柵雙極晶體管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖1-24IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程IGBT的開(kāi)通過(guò)程

與MOSFET的相似開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)

電流上升時(shí)間tr

開(kāi)通時(shí)間tonuCE的下降過(guò)程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1——IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程；tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過(guò)程。(2)

IGBT的動(dòng)態(tài)特性354.4絕緣柵雙極晶體管ttt10%90%10%90%4.4絕緣柵雙極晶體管圖1-24IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off）電流下降時(shí)間

關(guān)斷時(shí)間toff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(guò)程，iC下降較快。tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過(guò)程，iC下降較慢。IGBT的關(guān)斷過(guò)程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM364.4絕緣柵雙極晶體管圖1-24IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)4.4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。(3)

最大集電極功耗PCM——包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。

(2)

最大集電極電流——由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1)

最大集射極間電壓UCES374.4絕緣柵雙極晶體管3)IGBT的主要參數(shù)——4.4絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。通態(tài)壓降比VDMOSFET低。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類(lèi)似。與MOSFET和GTR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)。384.4絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總4.4絕緣柵雙極晶體管擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：IGBT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?！畲蠹姌O電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。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集電極功耗確定。正偏安全工作區(qū)（FBSOA）動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小。擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高，20世紀(jì)90年代中后期開(kāi)始逐漸解決。——NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)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)J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開(kāi)通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控。394.4絕緣柵雙極晶體管擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：IGBT1.5其他新型電力電子器件1.5.1MOS控制晶閘管MCT1.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT1.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH1.5.4集成門(mén)極換流晶閘管IGCT1.5.5功率模塊與功率集成電路401.5其他新型電力電子器件1.5.1MOS控制晶閘1.5.1MOS控制晶閘管MCTMCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)：承受極高di/dt和du/dt，快速的開(kāi)關(guān)過(guò)程，開(kāi)關(guān)損耗小。高電壓，大電流、高載流密度，低導(dǎo)通壓降。一個(gè)MCT器件由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的MCT元組成。每個(gè)元的組成為：一個(gè)PNPN晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開(kāi)通的MOSFET，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。其關(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)用。MCT（MOSControlledThyristor）——MOSFET與晶閘管的復(fù)合(DATASHEET)411.5.1MOS控制晶閘管MCTMCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)1.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力MOSFET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。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。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，稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便。通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。SIT（StaticInductionTransistor）——結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管421.5.2靜電感應(yīng)晶體管SITSIT（StaticI1.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITH是兩種載流子導(dǎo)電的雙