電力電子器件

第2章電力電子器件Chapter2:PowerElectronicDevices/PowerSemiconductorDevices12/28/20231第2章電力電子器件12/28/202322.1電力電子器件概述

12/28/202332.1.1電力電子器件的概念和特征■電力電子器件的概念◆電力電子器件：可直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。?主電路(MainPowerCircuit)：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。?電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類，目前往往專指電力半導(dǎo)體器件。12/28/202342.1.1電力電子器件的概念和特征■電力電子器件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。為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。

由信息電子電路來控制,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。12/28/202352.1.1電力電子器件的概念和特征電力電子器件的功率損耗12/28/20236通態(tài)損耗Von×Io斷態(tài)損耗Voff×Ileak開關(guān)損耗開通損耗Won關(guān)斷損耗Woff損耗2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成12/28/20237■電力電子器件在實際應(yīng)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(yīng)用中的系統(tǒng)組成2.1.3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

12/28/20238晶閘管〔Thyristor,SiliconControlledRectifier,SCR〕及其大局部派生器件半控型器件器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。全控型器件絕緣柵雙極性晶體管〔Insulated-GateBipolarTransistor,IGBT〕電力場效應(yīng)晶體管〔PowerMOSFET〕通過控制信號既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。不能用控制信號來控制其通斷。不可控器件電力二極管〔PowerDiode〕2.1.3電力電子器件的分類12/28/20239■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(dǎo)通或者關(guān)斷的控制?！綦妷候?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(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。SCR,GTO,GTR電力MOSFET,IGBT,IGCT,IEGT,MCT■按照驅(qū)動信號的波形◆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?！綦娖娇刂菩捅仨毻ㄟ^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使器件開通并維持在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。SCRGTO,GTR,電力MOSFET,IGBT等2.1.3電力電子器件的分類12/28/202310■按照載流子參與導(dǎo)電的情況◆單極型器件多子(Majority)器件，由一種載流子(carrier)參與導(dǎo)電?！綦p極型器件少子(Minority)器件，由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。電力MOSFET,Schottky二極管SCR,GTO,GTR◆復(fù)合型器件單極型器件和雙極型器件集成混合而成，也稱混合型器件。IGBT,MCT2.1.4本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點■本章內(nèi)容◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的順序，分別介紹各種電力電子器件的工作原理、根本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題?！鰧W(xué)習(xí)要點◆最重要的是掌握其根本特性?！袅私怆娏﹄娮悠骷男吞柮?，掌握其參數(shù)和特性曲線的使用方法?！袅私怆娏﹄娮悠骷陌雽?dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和根本工作原理。◆了解某些主電路中對其它電路元件的特殊要求。12/28/2023112.2不可控器件——電力二極管12/28/202312電力二極管〔PowerDiode〕自20世紀50年代初期就獲得應(yīng)用，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(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。SemiconductorRectifier,SR取代汞弧整流器在采用全控型器件的電路中電力二極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(fù)二極管和肖特基二極管，具有不可替代的地位。續(xù)流，鉗位2.2不可控器件——電力二極管12/28/2023132.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理根本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。電力二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)為根底的，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。12/28/202314AKAKa)IKAPNJb)c)AK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)根本結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理PN結(jié)12/28/202315圖2-3PN結(jié)的形成二極管的根本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理二極管的根本原理——PN結(jié)的單向?qū)щ娦?2/28/202316狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷壕S持約1V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)——PN結(jié)的反向擊穿〔兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿均可能導(dǎo)致熱擊穿2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理電力二極管與信息電子中普通二極管區(qū)別垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)提高二極管通流能力P-i-N結(jié)構(gòu)提高二極管反向耐壓電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)降低二極管通態(tài)壓降12/28/202317圖2-4電力二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理PN結(jié)的電容效應(yīng)稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容按其產(chǎn)生機制和作用的差異分為勢壘電容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。擴散電容僅在正向偏置時起作用。在正向偏置時，當(dāng)正向電壓較低時，勢壘電容為主。正向電壓較高時，擴散電容為結(jié)電容主要成分。結(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娦宰儾睿踔敛荒芄ぷ鳌?2/28/2023182.2.2電力二極管的根本特性靜態(tài)特性--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(dǎo)通狀態(tài)。與IF對應(yīng)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。12/28/202319圖2-5電力二極管的伏安特性2.2.2電力二極管的根本特性動態(tài)特性定義：二極管的電壓--電流特性是隨時間變化。〔專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的開關(guān)特性〕因為結(jié)電容的存在，必然引入的過渡過程。由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置--關(guān)斷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(fù)時間：trr=td+tf恢復(fù)特性的軟度：tf/td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示。12/28/202320

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2.2.2電力二極管的根本特性由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置--開通先出現(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(fù)時間tfr

出現(xiàn)電壓過沖的原因：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量少子需要一定的時間來儲存，在到達穩(wěn)態(tài)導(dǎo)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。12/28/202321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2.2.3電力二極管的主要參數(shù)1〕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(50Hz)正弦半波電流的平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時應(yīng)按有效值相等的原那么來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。換算關(guān)系：正弦半波電流的有效值IFrms和平均值IF(AV)之比：12/28/2023222.2.3電力二極管的主要參數(shù)12/28/202323換算關(guān)系推導(dǎo)

正弦半波電流的有效值:正弦半波電流的平均值：IFrms和平均值IF(AV)之比：2.2.3電力二極管的主要參數(shù)2〕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(yīng)的正向壓降。3〕反向重復(fù)峰值電壓URRM指對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最頂峰值電壓。使用時，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。4〕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)。5〕反向恢復(fù)時間trr： trr=td+tf6〕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。12/28/2023242.2.4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(fù)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(fù)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到達很高。12/28/2023252.2.4電力二極管的主要類型快恢復(fù)二極管〔FastRecoveryDiode——FRD〕恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短〔一般在5s以下〕?？旎謴?fù)外延二極管〔FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED〕，采用外延型P-i-N結(jié)構(gòu)，其反向恢復(fù)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(fù)和超快速恢復(fù)兩個等級。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者那么在100ns以下，甚至到達20~30ns。12/28/2023262.2.4電力二極管的主要類型肖特基二極管〔SchottkyBarrierDiode——SBD〕屬于多子器件優(yōu)點在于：反向恢復(fù)時間很短〔10~40ns〕，正向恢復(fù)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(fù)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(dāng)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。12/28/2023272.2.4電力二極管的主要類型12/28/202328類型普通二極管快恢復(fù)二極管超快恢復(fù)二極管肖特基二極管原理PiN結(jié)PiN結(jié)、摻金、外延PiN結(jié)、摻金、外延金屬與半導(dǎo)體接觸反向耐壓高較高較高低正向壓降高較高較低低正向電流大大較大小反向恢復(fù)時間>5uS<5uS<100ns10~40ns2.3半控型器件—晶閘管晶閘管〔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〕創(chuàng)造了晶閘管。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。開辟了電力電子技術(shù)迅速開展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代。20世紀80年代以來，開始被全控型器件取代。由于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的，而且工作可靠，因此在大容量的應(yīng)用場合仍然具有比較重要的地位。12/28/2023292.3半控型器件——晶閘管12/28/2023302.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理12/28/202331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)。三個聯(lián)接端：陽極A(Anode)、陰極K(Kathode)和門極〔控制端〕G(Gate)。內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)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)電氣圖形符號晶閘管及模塊2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理12/28/202332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)工作原理晶閘管的工作原理按照晶體管工作原理，可列出如下方程：（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）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。2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理12/28/202333晶體管的特性：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，恒小于1。阻斷狀態(tài)：IG=0，而1+2是很小的。由(2-5)式可看出，此時流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個晶體管漏電流之和。導(dǎo)通狀態(tài)：注入觸發(fā)電流使各個晶體管的發(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〔陽極電流〕將趨近于無窮大，從而實現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通。由于外電路負載的限制，IA實際上會維持有限值。由以上式〔2-1〕~〔2-4〕可得：(2-5)2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理12/28/202334其它幾種可能導(dǎo)通的情況：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。2.3.2晶閘管的根本特性晶閘管正常工作時的特性當(dāng)晶閘管承受反向電壓時，不管門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。當(dāng)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(dǎo)通，門極就失去控制作用，不管門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。假設(shè)要使已導(dǎo)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。12/28/2023352.3.2晶閘管的根本特性12/28/202336晶閘管靜態(tài)特性--伏安特性1〕正向特性當(dāng)IG=0時，如果在器件兩端施加正向電壓，那么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，那么漏電流急劇增大，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〔IG=0〕，并且陽極流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，那么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

2.3.2晶閘管的根本特性12/28/2023372〕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(dāng)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，那么反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。

圖2-9晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG2.3.2晶閘管的根本特性12/28/202338動態(tài)特性 1〕開通過程由于晶閘管內(nèi)部的正反響過程需要時間，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100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.3.2晶閘管的根本特性12/28/2023392〕關(guān)斷過程由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)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(fù)時間--trr正向阻斷恢復(fù)時間--tgr關(guān)斷時間--tq=trr+tgr關(guān)斷時間--約幾百微秒。在正向阻斷恢復(fù)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(dǎo)通。圖2-10晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形100%反向恢復(fù)電流最大值尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.3.3晶閘管的主要參數(shù)電壓定額1〕斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓〔見圖2-9〕。國標規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓〔即斷態(tài)最大瞬時電壓〕UDSM的90%。斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo。2〕反向重復(fù)峰值電壓URRM是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓〔見圖2-8〕。規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓〔即反向最大瞬態(tài)電壓〕URSM的90%。反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓。12/28/2023402.3.3晶閘管的主要參數(shù)3〕通態(tài)〔峰值〕電壓UTM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。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。電流定額1〕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。同電力二極管的正向平均電流一樣，這個參數(shù)也是按正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來定義的。使用時，一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等〔即有效值相等〕的原那么所得計算結(jié)果的1.5~2倍。12/28/2023412.3.3晶閘管的主要參數(shù)2〕維持電流IH維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。結(jié)溫越高，那么IH越小。3〕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(dǎo)通所需的最小電流。約為IH的2~4倍4〕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(fù)性最大正向過載電流。12/28/2023422.3.3晶閘管的主要參數(shù)動態(tài)參數(shù)

開通時間=tgt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(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。電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通。

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，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。12/28/2023432.3.4晶閘管的派生器件1〕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，而高頻晶閘管那么為10s左右。高頻晶閘管的缺乏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(yīng)。12/28/2023442.3.4晶閘管的派生器件12/28/2023452〕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。門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性。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。a)b)IOUIG=0GT1T2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2.3.4晶閘管的派生器件12/28/2023463〕逆導(dǎo)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。a)KGAb)UOIIG=0圖2-12逆導(dǎo)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2.3.4晶閘管的派生器件12/28/2023474〕光控晶閘管〔LightTriggeredThyristor——LTT〕是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)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，而且可以防止電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前應(yīng)用在高壓大功率的場合。AGKa)AK光強度強弱b)OUIA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2.4典型全控型器件12/28/202348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。典型代表——門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力MOSFETIGBT單管及模塊2.4典型全控型器件12/28/2023492.4.1門極可關(guān)斷晶閘管GTO12/28/202350門極可關(guān)斷晶閘管〔GateTurnOffThyristor,GTO〕晶閘管的一種派生器件?？梢酝ㄟ^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(yīng)用GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理GTO的結(jié)構(gòu)是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。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)部那么包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極那么在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管GTO12/28/202351

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GTO的工作原理仍然可以用如圖2-8所示的雙晶體管模型來分析，V1、V2的共基極電流增益分別是1、2。1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件，大于1導(dǎo)通，小于1那么關(guān)斷。GTO與普通晶閘管的不同設(shè)計2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷。導(dǎo)通時1+2更接近1，導(dǎo)通時接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大。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。2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管GTO結(jié)論:導(dǎo)通：GTO的導(dǎo)通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導(dǎo)通時飽和程度較淺。關(guān)斷：門極加負脈沖，即從門極抽出電流，當(dāng)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。多元集成結(jié)構(gòu)：使得GTO比普通晶閘管開通過程更快，承受di/dt的能力增強。12/28/2023522.4.1門極可關(guān)斷晶閘管GTO12/28/202353GTO的動態(tài)特性開通過程與普通晶閘管類似。關(guān)斷過程儲存時間=ts下降時間=tf尾部時間=tt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。門極負脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍能保持適當(dāng)?shù)呢撾妷?，那么可以縮短尾部時間tt。圖2-15GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導(dǎo)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(fù)合所需時間2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管GTOGTO的主要參數(shù)GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同。其它參數(shù)最大可關(guān)斷陽極電流IATO；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。12/28/2023542.4.1門極可關(guān)斷晶閘管GTO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，上升時間那么隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大。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。不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管。當(dāng)需要承受反向電壓時，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)使用。12/28/202355電力晶體管〔GiantTransistor——GTR〕按英文直譯為巨型晶體管。GTR是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管〔BipolarJunctionTransistor——BJT〕，有時英文也稱為PowerBJT。20世紀80年代以來，GTR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12/28/202356GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理

2.4.2電力晶體管12/28/202357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，-表示低摻雜濃度與普通的雙極結(jié)型晶體管根本原理是一樣的。主要的特性：耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。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(dǎo)體構(gòu)成，多采用NPN結(jié)構(gòu)。2.4.2電力晶體管12/28/202358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(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：

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(dāng)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)2.4.2電力晶體管12/28/202359GTR的根本特性靜態(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2.4.2電力晶體管12/28/202360動態(tài)特性—開關(guān)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(dǎo)通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時間的主要部分。2.4.2電力晶體管12/28/202361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。減小導(dǎo)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。GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。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(dǎo)通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時間的主要部分。2.4.2電力晶體管12/28/202362GTR的主要參數(shù)電流放大倍數(shù)

直流電流增益hFE集電極與發(fā)射極間漏電流Iceo集電極和發(fā)射極間飽和壓降Uces開通時間ton關(guān)斷時間toff

2.4.2電力晶體管12/28/202363GTR其它主要參數(shù)1〕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這些擊穿電壓間存在以下關(guān)系：實際使用GTR時，為了確保平安，最高工作電壓要比BUceo低得多。

2.4.2電力晶體管12/28/2023642)集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時，所對應(yīng)的Ic

。實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點。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時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。

2.4.2電力晶體管12/28/202365GTR的二次擊穿現(xiàn)象與平安工作區(qū)一次擊穿：當(dāng)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。二次擊穿：發(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(dǎo)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。2.4.2電力晶體管12/28/202366圖2-19GTR的安全工作區(qū)二次擊穿功率

平安工作區(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。2.4.3電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型主要指絕緣柵型中的MOS型〔MetalOxideSemiconductorFET〕,簡稱電力MOSFET〔PowerMOSFET〕。結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管〔StaticInductionTransistor——SIT〕電力MOSFET是用柵極電壓來控制漏極電流的，其特點：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。電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過10kW的電力電子裝置。12/28/2023672.4.3電力場效應(yīng)晶體管電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理電力MOSFET的種類按導(dǎo)電溝道： 分為P溝道和N溝道。按導(dǎo)電溝道形成條件： 分為耗盡型和增強型。耗盡型：當(dāng)柵極電壓為零時，漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型。增強型：對于N〔P〕溝道器件，柵極電壓大于〔小于〕零時，才存在導(dǎo)電溝道的稱為增強型。在電力MOSFET中，主要是N溝道增強型。12/28/202368圖2-20電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號2.4.3電力場效應(yīng)晶體管12/28/202369電力MOSFET的結(jié)構(gòu)是單極型晶體管。導(dǎo)電機理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別：小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?；電力MOSFET大都采用了垂直導(dǎo)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(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET〔VerticalV-grooveMOSFET〕和具有垂直導(dǎo)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)。2.4.3電力場效應(yīng)晶體管電力MOSFET的工作原理截止：當(dāng)漏源極間接正電壓，柵極和源極間電壓為零時，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)通：在柵極和源極之間加一正電壓UGS，正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子—電子吸引到柵極下面的P區(qū)外表。當(dāng)UGS大于某一電壓值UT時，使P型半導(dǎo)體反型成N型半導(dǎo)體，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。UT稱為開啟電壓〔或閾值電壓〕，UGS超過UT越多，導(dǎo)電能力越強，漏極電流ID越大。12/28/2023702.4.3電力場效應(yīng)晶體管12/28/202371電力MOSFET的根本特性靜態(tài)特性–伏安特性轉(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(dǎo)Gfs，即

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。2.4.3電力場效應(yīng)晶體管12/28/202372輸出特性是MOSFET的漏極伏安特性。三個區(qū)域：截止區(qū)〔GTR的截止區(qū)〕、飽和區(qū)〔GTR的放大區(qū)〕、非飽和區(qū)〔GTR的飽和區(qū)〕。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(yīng)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。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2.4.3電力場效應(yīng)晶體管12/28/2023動態(tài)特性—開關(guān)過程開通過程: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)+tri+

tfv

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+tfiMOSFET的開關(guān)速度和其輸入電容Cin的充放電有很大關(guān)系。降低柵極驅(qū)動電路的內(nèi)阻Rs，從而減小柵極回路的充放電時間常數(shù)，可以加快開關(guān)速度。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732.4.3電力場效應(yīng)晶體管不存在少子儲存效應(yīng)，因而其關(guān)斷過程是非常迅速的。開關(guān)時間在10~100ns之間，其工作頻率可達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。12/28/2023742.4.3電力場效應(yīng)晶體管電力MOSFET的主要參數(shù)跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及開關(guān)過程中的各時間參數(shù)。漏極電壓UDS標稱電力MOSFET電壓定額的參數(shù)。漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM標稱電力MOSFET電流定額的參數(shù)。柵源電壓UGS柵源之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。極間電容CGS、CGD和CDS。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的平安工作區(qū)。12/28/202375COOLMOS12/28/202376COOLMOS也有叫superjunctionmosfet的。一種基于電子科技大學(xué)陳星弼院士創(chuàng)造專利，打破傳統(tǒng)功率MOSFET理論極限，被國際上盛譽為功率MOSFET領(lǐng)域里程碑的新型功率MOSFET-CoolMOS于1998年問世并很快走向市場。2.4.4絕緣柵雙極晶體管GTR和GTO是雙極型電流驅(qū)動器件，由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強，但開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。電力MOSFET是單極型電壓驅(qū)動器件，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。絕緣柵雙極晶體管〔Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT〕綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點，因而具有良好的特性。12/28/202377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。

2.4.4絕緣柵雙極晶體管12/28/202378IGBT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(dǎo)率進行調(diào)制，使得IGBT具有很強的通流能力。簡化等效電路說明，IGBT是用GTR與MOSFET組成的達林頓結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。2.4.4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根本相同，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(dāng)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(dǎo)通。當(dāng)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(dǎo)調(diào)制效應(yīng)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。12/28/2023792.4.4絕緣柵雙極晶體管12/28/202380IGBT的根本特性靜態(tài)特性—伏安特性轉(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。開啟電壓UGE(th)是IGBT能實現(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。（a）圖2-24IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性2.4.4絕緣柵雙極晶體管12/28/202381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(dāng)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2.4.4絕緣柵雙極晶體管12/28/202382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+

tfvtfv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+tfitfi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2.4.4絕緣柵雙極晶體管IGBT的主要參數(shù)前面提到的各參數(shù)。最大集射極間電壓UCES由器件內(nèi)部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓所確定的。最大集電極電流包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。最大集電極功耗PCM

在正常工作溫度下，允許的最大耗散功率。

12/28/2023832.4.4絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結(jié)如下：開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的平安工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。

輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點。12/28/2023842.4.4絕緣柵雙極晶體管IGBT的擎住效應(yīng)和平安工作區(qū)IGBT的擎住效應(yīng)在IGBT內(nèi)部寄生著一個N-PN+晶體管和作為主開關(guān)器件的P+N-P晶體管組成的寄生晶閘管。其中NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對J3結(jié)施加一個正向偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控，這種現(xiàn)象稱為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)。引發(fā)擎住效應(yīng)的原因，可能是集電極電流過大〔靜態(tài)擎住效應(yīng)〕，dUCE/dt過大〔動態(tài)擎住效應(yīng)〕，或溫度升高。動態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流還要小，因此所允許的最大集電極電流實際上是根據(jù)動態(tài)擎住效應(yīng)而確定的。12/28/2023852.4.4絕緣柵雙極晶體管IGBT的平安工作區(qū)正向偏置平安工作區(qū)〔ForwardBiasedSafeOperatingArea——FBSOA〕根據(jù)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。反向偏置平安工作區(qū)〔ReverseBiasedSafeOperatingArea——RBSOA〕根據(jù)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dUCE/dt確定。12/28/2023862.5其他新型電力電子器件12/28/2023872.5.1MOS控制晶閘管MCTMCT〔MOSControlledThyristor〕是將MOSFET與晶閘管組合而成的復(fù)合型器件。結(jié)合了MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動功率、快速的開關(guān)過程和晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降的特點。由數(shù)以萬計的MCT元組成，每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠未到達預(yù)期的數(shù)值，未能投入實際應(yīng)用。12/28/2023882.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT(StaticInductionTransistor,SIT)，是一種結(jié)型場效應(yīng)晶體管。是一種多子導(dǎo)電的器件，其工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至超過電力MOSFET，而功率容量也比電力MOSFET大，因而適用于高頻大功率場合。柵極不加任何信號時是導(dǎo)通的，柵極加負偏壓時關(guān)斷，這被稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便，此外SIT通態(tài)電阻較大，使得通態(tài)損耗也大，因而SIT