电力电子器件58753PPT课件

1、 第第2章章 电力电子器件2.1 电力电子器件概述2.2 功率二极管2.3 晶闸管2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件第1页/共97页2.1 电力电子器件的概述电力电子系统组成电力电子器件的概念和特征电力电子器件的分类第2页/共97页一. 电力电子系统组成电力电子系统电力电子系统：由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路及缓冲保护电路主电路及缓冲保护电路组成图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2锁闭电路第3页/共97页二. 电力电子器件的概念和特电力电子器件的概念和特征征电力电子器件的概念主电路（main

2、 power circuit）电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路电力电子器件（power electronic device）可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件 电力电子器件的特征电力电子器件的特征 电真空器件电真空器件 (汞弧整流器、闸流管等电真空器件) 半导体器件半导体器件 (采用的主要材料仍然是硅)第4页/共97页能处理的电功率大，即器件承受电压和电流的能力大。电力电子器件一般都工作在开关状态。实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都

3、要安装散热器（自冷、油冷、水冷、风冷等）。 电力电子器件的特征电力电子器件的特征第5页/共97页主主要要损损耗耗通态损耗：通态损耗：导通时器件上有一定的通态压降断态损耗：断态损耗：阻断时器件上有微小的断态漏电流流过开关损耗：开关损耗：开通损耗：开通损耗：在器件开通的转换过程中产生的损耗关断损耗：关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损耗 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗通态损耗 是器件功率损耗的主要成因 器件开关频率较高时，开关损耗开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素 电力电子器件的损耗第6页/共97页三. 电力电子器件的分类按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，

4、分为以下三类：1)半控型器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）电力场效应晶体管（Power-MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）3）不可控器件功率二极管（Power Diode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电 流决定的。通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断。晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定2)全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。第7页/共97页 按照驱动电路加在器件控制端和

5、公共端之间信号的性质，分为两类： 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类： 1) 电流驱动型 1) 单极型器件电力电子器件的分类2)电压驱动型 （场效应）通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制 2) 双极型器件3) 复合型器件由一种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件 第8页/共97页2.2 功率二极管功率二极管的结构与原理 功率二极管的基本特性 功率二极管的主要类型第9页/共97页第10页/共97页一. 功率二极管结构与原理 结构、

6、符号与外形 基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样，以半导体PN结为基础，由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。 从外形上看，主要有塑封、螺栓型和平板型三种封装AKAKa)IKAPNJb)c)图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号第11页/共97页工作原理 PN结的正向导通状态 电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。 PN结的反向截止状态 PN结的单向导电性。 二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。功率二极管结构与原理第12页/共97页二. 功率

7、二极管的基本特性静态伏安特性图2-3 功率二极管的伏安特性 当功率二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO)，正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的功率二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当功率二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。第13页/共97页三. 功率二极管的主要类型1. 普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中其反向恢复时间较长，一般在5 s以上，这在开关频率不高时并不重要。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别

8、可达数千安和数千伏以上。第14页/共97页2. 快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）功率二极管的主要类型恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5s以下）的二极管，也简称快速二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。 工艺上多采用了掺金措施、改进的PiN结构等 第15页/共97页3. 肖特基二极管功率二极管的主要类型肖特基二极管反向恢复时间很短(1040ns)，正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管。开关过程中损耗小肖特基二极管

9、适用于较低输出电压（200V以下）和要求较低正向管压降的换流器电路中。 第16页/共97页17功率二极管的主要应用 整流 续流第17页/共97页2.3 晶闸管 晶闸管及其工作原理 晶闸管的基本特性 晶闸管的主要参数 晶闸管的派生器件第18页/共97页晶闸管（Thyristor）：硅晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品，1958年商业化开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代能承受的电压和电流容量大，工作可靠，在大容量的场合具

10、有重要地位晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件 一. 晶闸管及其工作原理第19页/共97页1.晶闸管外型、结构及符号外形有塑封式、螺栓型和平板型三种封装形式引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3 晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号第20页/共97页2.晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理门级控制开通原理IG Ib2IC2=Ib1IC

11、1 - 形成正反馈工作过程，很快使两个晶体管都转为饱和导通状态，晶闸管开通。晶闸管开通后门级失去控制作用。当S闭合，形成门级电流第21页/共97页 触发导通：如果晶闸管阳极电压UAK为正值，且注入足够的门极电流，从而使器件进入饱和导通，称为晶闸管的触发导通； 触发导通条件： UAK0，UGK0，并有足够的触发功率； 一旦器件导通，门极电流就不再具有控制作用。因此，门极触发电流可用脉冲电流，无需用直流。晶闸管触发导通第22页/共97页 阻断特性 正向阻断 IG=0，UAK为正， 反向阻断 UAK为负， 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理晶闸管的工作原理第23页/共

12、97页正向转折现象 Ic1=1 IA （1-1） Ic2=2 IK （1-2） IK=IA+IG （1-3） IA=Ic1+Ic2 + Ic0 （1-4） 式中1和2分别是晶体管V1和V2的电流增益，随射级电流变化而变化。 Ic0 是漏电流。由以上式（1-1）（1-4）可得 （1-5） 2 GC0A121 ()III晶闸管的工作原理第24页/共97页晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理2GC0A121 ()IIIGAIKIC0 正 向阻断UAK IC0 1、2IA2 UAK达到某一电压，使晶闸管由阻断状态转为导通状态，称为正向转折现象 正向转折现象虽然不会损坏器件，但属于失控，使用中要避免第25页

13、/共97页晶闸管的工作原理 晶闸管的关断 由式：当： 1+2 1，晶闸管便可恢复关断。维持电流：能维持晶闸管导通的最小电流称为维持电流 IH使主电路电流 IA IH 可实现关断2GC0A121 ()III第26页/共97页 自然关断：在导通期间，如果要求器件返回到正向阻断状态，必须令门极电流为零，且将阳极电流降低到一个称为维持电流的临界极限值以下，并保持一段时间。 强迫关断：通过加一反向电压UAKIG1IG二. 晶闸管的基本特性第31页/共97页晶闸管的伏安特性1) 正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏

14、电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。晶闸管的伏安特性正向正向导通导通雪崩雪崩击穿击穿O+UA- -UA- -IAIAIHIG2IG1IG= =0UboUDSMUDRMURRMURSM第32页/共97页晶闸管的伏安特性1) 正向特性晶闸管本身的压降很小，在1V左右。导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。晶闸管的伏安特性正向正向导通导通雪崩雪崩击穿击穿O+UA- -UA- -IAIAIHIG2IG1IG= =0UboUDSMUDRMURRMURSM

15、第33页/共97页2) 反向特性晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。 晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。正向正向导通导通雪崩雪崩击穿击穿O+UA- -UA- -IAIAIHIG2IG1IG= =0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性第34页/共97页 动态特性100100% %9090% %1010% %uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的基本特性IG第35页/共97页

16、1) 开通过程延迟时间延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。上升时间上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。开通时间开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+ tr （1-6）普通晶闸管延迟时为 0.51.5 s，上升时间为0.53 s。普通晶闸管开通时间开通时间约：约：5 s100100% %9090% %1010% %uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管的开通和关断过程波形动态特性IG第36页/共97页 2) 关断过程反向阻断恢复时间trr： 正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间正向阻断恢复时间tg

17、r： 晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间关断时间tq：trr与tgr之和，即 tq=trr+tgr （1-7)） 普通晶闸管的关断时间约几百微秒。100100% %9090% %1010% %u uAKAKt tt tO O0 0t td dt tr rt trrrrt tgrgrU URRMRRMI IRMRMi iA A晶闸管的开通和关断过程波形动态特性IG第37页/共97页1. 电压定额三. 晶闸管的主要参数在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的最大正向峰值电压。通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量,一般

18、取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的最大反向峰值电压。晶闸管通以某一规定倍 数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。1) 断态重复峰值电压UDRM2) 反向重复峰值电压URRM3) 通态（峰值）电压UTM第38页/共97页2. 电流定额1) 通态平均电流 ITa 晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流在一个周期内的平均值，称为晶闸管的额定电流。 该参数是按照正向电流造成器件本身的通态发热效应来定义的。使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管。应留一定的

19、裕量，一般取1.52倍。整流二级管有类似定义：正向平均电流晶闸管的主要参数TVTRu1u2uVTudid第39页/共97页01sin2mTamIIItdt2VT0VT1sin22mmTaIIItdtII为与对应的电流有效值VT1.572TaTaIII 晶闸管电流定额可按下式计算选择：Ta(1.5 2)1.57VTII晶闸管的主要参数晶闸管电流定额选择第40页/共97页晶闸管的主要参数2) 维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安，与结温有关。结温越高，则IH越小。3) 掣住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需的最小阳极电流，对同一晶

20、闸管来说，通常IL约为IH的24倍。4) 浪涌电流ITSM 指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流第41页/共97页3. 动态参数晶闸管的主要参数指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。指在规定条件下，晶闸管能承受最大通态电流上升率。 如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏 。 (2) 通态电流临界上升率di/dt 在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流流经J3结时，起到类似门极触

21、发电流的作用。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 (1) 断态电压临界上升率du/dt 除开通时间tgt和关断时间tq外，还有： 第42页/共97页如何选择晶闸管？(2 3)()(2 3)mUUUm式中，为晶闸管实际承受的 断态或反向 重复最大电压； 为安全裕量 晶闸管电流定额可按下式计算选择： 在实际应用中，选择晶闸管时，应从额定电压和额定电在实际应用中，选择晶闸管时，应从额定电压和额定电流两方面共同计算选择。流两方面共同计算选择。 由于晶闸管承受瞬间过电压能力较差，因此选择晶闸管额定电压时，应留有充分的安全裕量，可按下式计算选择：(1.5 2)1.57(1.5 2

22、)VTTaTaVTIIII式中，为晶闸管通态平均电流；为安全裕量； 为晶闸管实际通过电流的有效值第43页/共97页第44页/共97页三三. . 晶闸管的派生器晶闸管的派生器件件1. 快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST)包括所有专为快速应用(400HZ以上)而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管。管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10 s左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。第

23、45页/共97页2.双向晶闸管（Bidirectional triode thyristor）双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号b) 伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2晶闸管的派生器晶闸管的派生器件件 有两个主电极T1和T2，一个门极G。 正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第和第III象限 有对称的伏安特性。 与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流 调压电路、固态继电器（SSR）和交流电机调速等领域应用较多。 通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。第46页/共97页3. 逆导晶闸管（Reverse Conducting T

24、hyristor）晶闸管的派生器晶闸管的派生器件件 将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。 具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。 逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联 二极管的电流。第47页/共97页4. 光控晶闸管（Light Triggered Thyristor）光强度强弱b)AGKa)OUAKIAa) 电气图形符号 b) 伏安特性晶闸管的派生器件 又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。 大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二 极管或半导体激光器。 光触发保证了主电路与控制电路之间的

25、绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。第48页/共97页2.4 典型全控型器件 门极可关断晶闸管 电力晶体管 功率场效应管 绝缘栅双极晶体管第49页/共97页 20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代。 典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、功率场效应管、绝缘栅双极晶体管。典型全控型器典型全控型器件件第50页/共97页门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyr

26、istor GTO）门极可关断晶闸管是晶闸管的一种派生器件, 在晶闸管问世后不久出现。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用第51页/共97页GTO的结构和工作原理结构：结构：与普通晶闸管的相同点相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同点不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK GTO的内部结构和电气图形符号的内部结构和

27、电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号电气图形符号门极可关断晶闸管第52页/共97页工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图所示的双晶体管模型来分析。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b) 由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2。 1+ 2=1是器件临界导通的条件。当 1+ 21时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当 1+ 21时，不能维持饱和导通而关断。门极可关断晶闸管2

28、 GC0A121 ()III第53页/共97页GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)（1）设计2较大，使晶体管V2控制灵 敏，易于GTO关断。（2）导通时1+2更接近1（1.05，普通晶闸管1+21.15）导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。 （3）多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流 。门极可关断晶闸管第54页/共97页 由上述分析我们可以得到以下结论：GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。G

29、TO关断过程：强烈正反馈门极加负脉冲即从门极抽出电流，则Ib2减小，使IK和Ic2减小，Ic2的减小又使 IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流。当IA和IK的减小使1+21时，器件退出饱和而关断。多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强 。关断时门极电流负脉冲峰值大，驱动电路复杂门极可关断晶闸管第55页/共97页第56页/共97页术语用法：电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT。在电力电子技术的范围

30、内，GTR与BJT这两个名称等效。 应用20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和功率MOSFET取代。电力晶体管第57页/共97页电力晶体管第58页/共97页1. GTR的结构和工作原理电力晶体管与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。一般采用共发射级接法（c）达林顿管第59页/共97页(1)截止区，iB0,UBC0,UBE0，开关处于断态(2)放大区， UBC0，ICIB(3)饱和区， UBC0,UBE0，导通电压和电流增益很

31、小，开关通态共射极电路的输出特性曲线 第60页/共97页2. GTR的二次击穿现象 一次击穿一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿。只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。 二次击穿二次击穿一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。电力晶体管第61页/共97页 3. 动态特性开通过程开通过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间开通时间ton。td主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间

32、，从而加快开通过程 。图1-17ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd图 GTR的开通和关断过程电流波形电力晶体管第62页/共97页关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间关断时间toff 。ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流Ib 2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多 。图1-17ibIb1Ib2Icsic0090%Ib

33、110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd GTR的开通和关断过程电流波形电力晶体管第63页/共97页4.GTR的主要额定参数(1)电压参数：电压参数体现了GTR的耐压能力(2)集电极电流额定值(3)最大耗散功率 (4)直流电流增益 (5)开关频率(6)最高结温额定值电力晶体管CBE第64页/共97页iCtO+UCCRBRCC1C2T+uo+uBEuCEiCiBiEui+电力晶体管全控器件也只能通过单方向电流，在信息电子里也是如此第65页/共97页5. 安全工作区（SOA）定义：能够保证器件在电路中安全工作的范围，其大小由各种额定约束值决定

34、的GTR安全工作区分为正向偏置SOA和反向偏置SOA。GTR的正向偏置安全工作区是由最大集电极电流ICM、集电极最大允许耗散功率PCM、二次击穿限制值PSB和集射极最大电压UCEmax所组成的区域安全工作区是： A-B-C-E-F-O围成区域。电力晶体管 GTR的正向偏置安全工作区第66页/共97页分为结型和绝缘栅型（类似小功率Field Effect TransistorFET）,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）简称功率MOSFET（Power MOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Inducti

35、on TransistorSIT）功率场效应管功率场效应管 特点用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小。 开关速度快，工作频率高。 热稳定性优于GTR。 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 。 导通时器件通态压降大第67页/共97页1. 功率MOSFET的结构和工作原理 功率MOSFET的种类按导电沟道可分为P P沟道沟道（载流子空穴）和N N沟道沟道（载流子电子），），每类又分为 耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之 间就存在导电沟道 增强型增强型对于N（P）沟道器件，栅极 电压大于（小于）零时才存在 导电沟道 电子的导电作用比空穴大，功率MO

36、SFET主要是N N沟道增强型沟道增强型 功率场效应管功率场效应管第68页/共97页功率MOSFET的结构功率场效应管功率场效应管导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。功率MOSFET的多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。 国际整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六边形单元 西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元 摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列 N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)G

37、SDN沟道图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号第69页/共97页 功率MOSFET的工作原理截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。 P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导通：在栅源极间加正电压UGS 栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面。当UG S大于UT（开启电压或阈值电压）时，PN节消失，漏极和源极导通 。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19功率MOSFET的结构和电气图形符号功率场效应管功率场效应管第70页/共97页

38、 (1) 静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。010203050402468a)ID/AUTUGS/V10203050400b)1020 305040饱和区非饱和区截止区UDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性2 电力MOSFET的基本特性第71页/共97页饱和指漏源电压增加时漏极电流不增加截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应GTR

39、的饱和区）工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。无二次击穿现象。电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性MOSFET的漏极伏安特性的漏极伏安特性：010203050402468a)10203050400b)10 20 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A第72页/共97页MOSFET的开关速度 MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻R R

40、s s减小时间常数，加快开关速度。MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速。开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。功率场效应管功率场效应管第73页/共97页绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简

41、单。 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 （ I n s u l a t e d - g a t e B i p o l a r Transistor IGBT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性。1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场, 中小功率电力电子设备的主导器件。 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。第74页/共97页1. IGBT的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极EEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)图2-2

42、2 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号绝缘栅双极晶体管E第75页/共97页IGBT的结构N沟道MOSFET与GTR组合N沟道IGBT（N-IGBT）IGBT比MOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1。使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。 RN为晶体管基区内的调制电阻。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极 栅极集电极

43、注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)EIGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号绝缘栅双极晶体管第76页/共97页IGBT的原理 驱动原理与功率MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导通导通：uGE大于开启电压开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。导通压降导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。关 断关 断 ： 栅 射 极 间 施 加 反 压 或 不 加 信 号 时 ，MOSFET内的沟道消失，晶体

44、管的基极电流被切断，IGBT关断。绝缘栅双极晶体管第77页/共97页a)b)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加2) IGBT的基本特性 (1) IGBT的静态特性IGBT的转移特性和输出特性a) 转移特性 b) 输出特性转移特性IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th)输出特性分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。第78页/共97页79什么是擎住效应：v 集电极电流iC过大（静态擎住效应）；v 集电极电压过高（静态擎住效应） ；v 关断速度过快，即duCE/dt过大（动态擎住效应）；Rbr上的电压过大，可使T2导通，

45、使IGBT失去关断能力。引发擎住效应的原因：(2) IGBT的擎住效应第79页/共97页IGBT的特点可以总结如下：绝缘栅双极晶体管(1) 开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时， 开关损耗只有GTR的1/10，与功率MOSFET相当。(2) 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且 具有耐脉冲电流冲击能力。(3) 通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。(4) 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。(5) 与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以 进一步提高，同时保持开关频率高的特点 。 第80页/共97页2.5 其他新型电力电子器件 MOS控制晶闸管M

46、CT 静电感应晶体管SIT 静电感应晶闸管SITH 集成门极换流晶闸管IGCT 功率模块与功率集成电路第81页/共97页MOS控制晶闸管MCTMCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET与晶闸管的复合 MCT结合了二者的优点：u MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程。u 晶闸管的高电压大电流、低导通压降。一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。MCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。因此，20世纪80年代以来一度成为研究的热点。但经

47、过十多年的努力，其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。第82页/共97页静电感应晶体管SITSIT（Static Induction Transistor）1970年，结型场效应晶体管小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制成大功率的SIT器件。多子导电的器件，工作频率与功率MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。u缺点： 栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型正常导通型器件，使用不太方便。 通态电阻较大，通态损耗也大，因而

48、还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。第83页/共97页静电感应晶闸管SITHSITH（Static Induction Thyristor）1972年，又 被 称 为 场 控 晶 闸 管 （ F i e l d C o n t r o l l e d ThyristorFCT）。 比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结， SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。 SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待

49、拓展。第84页/共97页集成门极换流晶闸管IGCT IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor），也称GCT（Gate-Commutated Thyristor）20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大。目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。第85页/共97页功率模块与功率集成电路20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块(Power Module)。可缩小装置体积，降低成本，提