电力电子第二章电力电子器件

1、第二章第二章 电力电子器件电力电子器件 2.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 2.2 2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.5 2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 2.6 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块功率集成电路与集成电力电子模块 本章小结本章小结 2.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 1、概念、概念(1) 主电路主电路电气设备或电力系统中，直接承担电能电气设备或电力系统中，

2、直接承担电能 的变换或控制任务的电路的变换或控制任务的电路(2) 电力电子器件电力电子器件可直接用于处理电能的主电路中，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实现电能的变换或控制的电子器件2.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 2、特征、特征1) 能处理能处理电功率电功率的大小，也就是其承受电压和电流的的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。子器件。2)为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关开关状态状态3) 需要由信

3、息电子电路来控制。在主电路和控制电路需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需要中间电路之间，需要中间电路驱动电路，驱动电路，对控制电路的信号对控制电路的信号进行放大。进行放大。 4) 工作时一般都要安装工作时一般都要安装散热器散热器2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 一般是由一般是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和以电力电子器件为核心的的主电路主电路组成一个系统。组成一个系统。 电气隔离电气隔离2.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成电气隔离电气隔离 保护电路保护电路2.1 2.1 电力电子器件概述电力电子

4、器件概述 2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类1、按照器件按照器件被控制电路信号所控制的程度被控制电路信号所控制的程度，分为三类：，分为三类： 1）不可控器件）不可控器件2) 半控型器件半控型器件 3) 全控型器件全控型器件 2、按照按照驱动信号的性质驱动信号的性质，分为两类：，分为两类： 1）电流驱动型）电流驱动型 2）电压驱动型）电压驱动型 3、按照按照器件内部载流子参与导电的情况器件内部载流子参与导电的情况，分为三类分为三类1) 单极型器件单极型器件由一种载流子参与导电的器件由一种载流子参与导电的器件2) 双极型器件双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导由电子和空穴两种载流子

5、参与导电的器件电的器件3) 复合型器件复合型器件由单极型器件和双极型器件集成由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件混合而成的器件 2.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 2.2 2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管电力二极管（电力二极管（Power Diode）自自20世纪世纪50年代初期就获得年代初期就获得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。极管仍然大量应用于许多电气设备当中。在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可

6、缺少的，特别是开通和关断速度很快的的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管快恢复二极管和和肖特基肖特基二极管二极管，具有不可替代的地位。，具有不可替代的地位。 由一个面积较大的由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的结和两端引线以及封装组成的 2.2 2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 1、结构、外形、符号、结构、外形、符号 外形：螺栓型、平板型外形：螺栓型、平板型 2、原理：与信息电子中类似、原理：与信息电子中类似单向导电性单向导电性PN结的正向导通状态结的正向导通状态：电导调制效应电导调制效应 PN结的反

7、向截止状态结的反向截止状态 PN结的反向击穿结的反向击穿 结电容的影响：结电容影响结电容的影响：结电容影响PN结的工作频率，特别是结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差 2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 2.2 2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管3、造成电力二极管和普通二极管区别的一些因素：、造成电力二极管和普通二极管区别的一些因素：1)正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，额外载流子的注入水平较高，

8、电导调制效应不能忽略电导调制效应不能忽略。2)因为因为电流大引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响。电流大引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响。3)承受的电流变化率承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响。电感效应也会有较大影响。4)为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大 2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 2.2 2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1、静态特性（伏安特性图）、静态

9、特性（伏安特性图） 2.2 2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管2、动态特性动态特性反映通态和断态之间的转换过程反映通态和断态之间的转换过程 1)关断过程：须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断关断过程：须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态在关断之前有较大的反向电流出现，并能力，进入截止状态在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲伴随有明显的反向电压过冲 2.2 2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性延迟时间延迟时间电流下降电流下降时间时间反向恢复反向恢复时间时间开通时出现电压过

10、冲的原因：开通时出现电压过冲的原因：电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。到稳态导通前管压降较大。正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，电流上升率越大，UFP越高越高 。2) 开通过程（开通过程（ 零偏零偏正偏）正偏） 电力二极管的正向压降先电力二极管的正向压降先出现一个过冲出现一个过冲UFP，经过一段，经过一段时间才趋于接近稳态降的某时间才趋于接近稳态降的某个值个值 2.2 2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管2、动态特性动态

11、特性反映通态和断态之间的转换过程反映通态和断态之间的转换过程 正向恢复正向恢复时间时间2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大大工频正弦半波电流工频正弦半波电流的平均值的平均值使用时应按使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取电流定额，并来选取电流定额，并应留有一定裕量应留有一定裕量1. 正向通态平均电流正向通态平均电流IF(AV)（额定电流额定电流）2. 正向压降正向压降UF 在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。应的正

12、向压降。 2.2 2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管3. 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 所能重复施加在管子上的反向最高峰值电压。所能重复施加在管子上的反向最高峰值电压。通常是其雪崩击穿电压通常是其雪崩击穿电压UB的的2/3。4. 最高工作结温最高工作结温TJM5. 浪涌电流浪涌电流IFSM指在指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度 电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。的过电流。 2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2.2 2.2 不可控器

13、件不可控器件电力二极管电力二极管2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型2. 快恢复二极管（快恢复二极管（FRD） 1. 普通二极管（普通二极管（整流二极管）整流二极管） （General Purpose Diode） 其反向恢复时间较长其反向恢复时间较长（5us以上）以上） ，多用于开关频率，多用于开关频率不高（不高（1kHz以下）的整流电路中。正向电流定额和反以下）的整流电路中。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上以上 恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5us以下）

14、的以下）的二极管二极管2.2 2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管分为分为快速恢复快速恢复和和超快速恢复超快速恢复两个等级。两个等级。快速恢复：反向恢复时间为数百纳秒或更长快速恢复：反向恢复时间为数百纳秒或更长超快速恢复：在超快速恢复：在100ns以下，甚至达到以下，甚至达到2030ns。3. 肖特基二极管肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD）以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管优点优点:反向恢复时间很短（反向恢复时间很短（1040ns），正向恢复过程中），正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲，在反向耐压较

15、低的情况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，其开关损耗和正向导通损耗下其正向压降也很小，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高都比快速二极管还要小，效率高 弱点：弱点：当反向耐压提高时，其正向压降也会高得不能满足当反向耐压提高时，其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于要求，因此多用于200V以下以下反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。 2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型2.2 2.2 不可控器件不

16、可控器件电力二极管电力二极管2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 晶闸管（晶闸管（Thyristor）又称可控硅（）又称可控硅（SCR） 1956年美国贝尔实验室发明年美国贝尔实验室发明 其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高，且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有最高，且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。比较重要的地位。2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理1. 结构、符号、外形结构、符号、外形四层三端结构四层三端结构 螺栓型、

17、平板型螺栓型、平板型 2、工作原理、工作原理晶闸管正偏或反偏时，晶闸管正偏或反偏时，3个个PN结中总有反偏，故总处于阻断状结中总有反偏，故总处于阻断状态态 导通后若撤掉导通后若撤掉IG,正反馈仍会维持导通状态（半控型器件）正反馈仍会维持导通状态（半控型器件） 晶闸管正偏时，从门极注入晶闸管正偏时，从门极注入IG,则则IB2IC2(IB1)IC1IB2，形成，形成强烈的强烈的正反馈正反馈直至晶闸管导通直至晶闸管导通晶闸管的双晶体管模型晶闸管的双晶体管模型2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶闸管其他几种可能导通的情况：晶闸管其他

18、几种可能导通的情况：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高过高结温较高结温较高光直接照射硅片，即光触发光直接照射硅片，即光触发只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段控制手段 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1. 静态特性静态特性 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶 闸管才能开通闸管才能开通 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用晶闸管一旦导通

19、，门极就失去控制作用 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于 零的某一数值以下零的某一数值以下 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸 管都不会导通管都不会导通 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管正向转折正向转折电压电压2. 动态特性动态特性在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通而不受门极控制。重新正向导通而不受

20、门极控制。 关断时间关断时间tq=trr+tgr1) 开通过程开通过程 2) 关断过程关断过程 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性开通时间开通时间tgt=td+tr延迟时延迟时间间上升时上升时间间反向阻反向阻断恢复断恢复时间时间正向阻正向阻断恢复断恢复时间时间2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数1. 电压定额电压定额 (1)断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM (2)反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM (3)通态（峰值）电压通态（峰值）电压UTM 额定电压额定电压: 通常取晶闸管的通常取晶闸管的UDRM和和URRM中较

21、小的标值作为该器件中较小的标值作为该器件的额定电压的额定电压 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管2. 电流定额电流定额 (1)通态平均电流通态平均电流 IT(AV) （额定电流额定电流）晶闸管在环境温度为晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳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的平均值波电流的平均值 （举例见下页）（举例见下页） (2) 维持电流维持电流 IH 2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一

22、般为几十到几百毫安。几百毫安。与结温有关，结温越高，则与结温有关，结温越高，则IH越小。越小。2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管举例举例:图图3. 图图1-43中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为电流最大值均为Im，试计算各波形的电流平均值，试计算各波形的电流平均值Id1、Id2、Id3与电与电流有效值流有效值I1、I2、I3。 4. 上题中如果不考虑安全裕量上题中如果不考虑安全裕量,问问100A的晶闸管能送出的平均电流的晶闸管能送出的平均电流Id1、Id2、Id3各为多少？这时，相应的电流最大值各为多

23、少？这时，相应的电流最大值Im1、Im2、Im3各为多少各为多少?图图1-43 晶闸管导电波形晶闸管导电波形 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管2. 电流定额电流定额 (3) 擎住电流擎住电流 IL (4)浪涌电流浪涌电流ITSM 2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温不指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温不重复性最大正向过载电流重复性最大正向过载电流 。 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常导通所需的最小电流。对同一晶闸管

24、来说，通常IL约为约为IH的的24倍。倍。2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管3. 动态参数动态参数(1) 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从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断态到通态转换的外加电压最大上升率 (2) 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最 大通态电流上升率大通态电流上升率 如果电流上升太快会造成局部如果电流上升太快会造成局部过热过热而使晶闸管损坏而使晶闸管损坏 如果电

25、压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管闸管误导通误导通 2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件1、快速晶闸管、快速晶闸管 分快速晶闸管和高频晶闸管分快速晶闸管和高频晶闸管普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管高频晶闸管10s左右左右2、双向晶闸管、双向晶闸管 可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成 与一对反并联晶闸管相与一对反并联晶闸管相

26、比是经济的，且控制电比是经济的，且控制电路简单路简单 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 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、额定结温高等优点额定电流有两个：一是晶闸管电流，一是反并联二极管的电流。额定电流有两个：一是晶闸管电流，一是反并联二极管的电流。3、逆导晶闸管、逆导晶闸管2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子小功率光

27、控晶闸管只有阳极和阴极两个端子大功率光控晶闸管则还带有光缆大功率光控晶闸管则还带有光缆 光触发保证了主电路与控制电路之间的光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘绝缘，且可避免，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率高压大功率的场合，如高的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位4、光控晶闸管、光控晶闸管2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件20世纪世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。年代以来，电

28、力电子技术进入了一个崭新时代。典型代表典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。应晶体管、绝缘栅双极晶体管。电力电力MOSFETIGBT单管及模块单管及模块2.4.1 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件通过在门极施加通过在门极施加负的脉冲电流负的脉冲电流使其关断使其关断电压、电流容量较大，在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用电压、电流容量较大，在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用1、结构、结构GTO是一种是一种多元多元的功率集成器件的功率集成器件，内部包含数十个内部包含数十个甚至

29、数百个共阳甚至数百个共阳极的小极的小GTO元元,这些元的阴极和这些元的阴极和门极则在器件内门极则在器件内部并联在一起部并联在一起多元集成结构还使多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强能力强 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件GTO能够通过门极关断的原因能够通过门极关断的原因：1) 设计设计2较大较大，使晶体管，使晶体管V2控制灵敏，易于控制灵敏，易于GTO关断关断2、工作原理（用双晶体管模型来分析）、工作原理（用双晶体管模型来分析）)(1IIII212CBO1CBOG2A2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.1 门

30、极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）2) 导通时导通时1+2更接近更接近1，导通时饱和不深导通时饱和不深，接近临界饱和，接近临界饱和， 有利门极控制关断，但导有利门极控制关断，但导通时管压降增大通时管压降增大 GTO能够通过门极关断的原因能够通过门极关断的原因：)(1IIII212CBO1CBOG2A2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2、工作原理（用双晶体管模型来分析）、工作原理（用双晶体管模型来分析）2.4.1 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）3) 多元集成结构使多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得短，使

31、得P2基区横向电阻很小基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流，能从门极抽出较大电流GTO能够通过门极关断的原因能够通过门极关断的原因：)(1IIII212CBO1CBOG2A2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2、工作原理（用双晶体管模型来分析）、工作原理（用双晶体管模型来分析）2.4.1 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）导通过程导通过程：与普通晶闸管一样，有强烈正反馈，只是导：与普通晶闸管一样，有强烈正反馈，只是导通时通时饱和程度较浅饱和程度较浅关断过程关断过程：门极加负脉冲即从门极抽出电流：门极加负脉冲即从门极抽出电流强烈强烈正反馈。当正反馈。当IA和和IK的减小到一定

32、程度时，器件退出饱的减小到一定程度时，器件退出饱和而关断和而关断 2、工作原理（用双晶体管模型来分析）、工作原理（用双晶体管模型来分析）2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.1 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）3、GTO的动态特性的动态特性 关断过程关断过程: 关断时间关断时间toff =ts+tfts: 随阳极电流的增大随阳极电流的增大而增大而增大;门极负脉冲电门极负脉冲电流越大，流越大，前沿前沿越陡，越陡，ts就越短。使门极负脉就越短。使门极负脉冲的冲的后沿后沿缓慢衰减，缓慢衰减，tt阶段保持阶段保持负压负压，则可，则可以缩短以缩短尾部时间尾部时间。2.4 2.4

33、 典型全控型器件典型全控型器件2.4.1 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 储存时间储存时间抽取饱和导通时储存抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间的大量载流子的时间 下降时间下降时间等效晶体管从饱和区等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电退至放大区，阳极电流逐渐减小时间流逐渐减小时间 尾部时间尾部时间残存载流子复残存载流子复合所需时间合所需时间 通常通常tfts BUcex BUces BUcer BUceo 为确保安全，实际使用时最高工作电压要比为确保安全，实际使用时最高工作电压要比BUceo低

34、得多低得多 2) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM 通常规定为通常规定为hFE下降到规定值的下降到规定值的1/21/3时所对应的时所对应的Ic 3) 集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率PCM 最高工作温度下允许的耗散功率最高工作温度下允许的耗散功率 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.2 电力晶体管（电力晶体管（GTR 、BJT）5、GTR的二次击穿现象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集电极电压升高至击穿电压时，电压时，Ic迅速增大，迅速增大，出现雪崩击穿出现雪崩击穿 二次击穿：二次击穿：一次击穿发生时一次击穿发生时Ic增大到增大到某个临界点时

35、会突然急剧某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然上升，并伴随电压的陡然下降，将导致器件的永久下降，将导致器件的永久损坏，或者工作特性明显损坏，或者工作特性明显衰变衰变 。2.4.2 电力晶体管（电力晶体管（GTR 、BJT）2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件出现一次击穿后，出现一次击穿后，GTR一般不一般不会损坏，二次击穿会导致器件的会损坏，二次击穿会导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰永久损坏，或者工作特性明显衰变，因而危害极大。变，因而危害极大。6、安全工作区（、安全工作区（ Safe Operating Area SOA ）由最高电压由最高电压UceM、集电极最大电流、

36、集电极最大电流IcM、最大耗散功、最大耗散功率率PcM、二次击穿临界线限定、二次击穿临界线限定 2.4.2 电力晶体管（电力晶体管（GTR 、BJT）2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件将不同基极电流下二次击穿的临界点连接起来，将不同基极电流下二次击穿的临界点连接起来，构成二次击穿临界线。构成二次击穿临界线。二次击二次击穿功率穿功率2.4.3 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（Power MOSFET）结型结型一般称作静电感应晶体管一般称作静电感应晶体管 绝缘栅型绝缘栅型电力场效应晶体管电力场效应晶体管主要指主要指MOS型型 特点特点用栅极电压来控制漏极电流用栅极电压来控制漏极电流

37、驱动功率小，驱动电路简单驱动功率小，驱动电路简单开关速度快，工作频率高开关速度快，工作频率高 热稳定性优于热稳定性优于GTR 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过超过10kW的电力电子装置的电力电子装置 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件1、结构及工作原理、结构及工作原理 耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在当栅极电压为零时漏源极之间就存在 导电沟道导电沟道 增强型增强型对于对于N（P）沟道器件，栅极电压大于）沟道器件，栅极电压大于 （小于）零时才存在导电沟道（小于）零时才存在导电沟道 电力电力MOSFET的种类的种类 按导电沟道可

38、分为按导电沟道可分为P P沟道沟道和和N N沟道沟道 均含有耗尽型、增强型均含有耗尽型、增强型 电力电力MOSFET主要是主要是N沟道增强型沟道增强型 2.4.3 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（Power MOSFET）2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件1、结构及工作原理、结构及工作原理 导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电， 是单极型晶体管是单极型晶体管 导电机理与小功率导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大管相同，但结构上有较大 区别区别 2.4.3 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（Power MOSFET）2.4

39、 2.4 典型全控型器件典型全控型器件1、结构及工作原理、结构及工作原理 电力电力MOSFET的多元集成结构的多元集成结构 小功率小功率MOS管是管是横向横向导电器件导电器件 电力电力MOSFET大都采用大都采用垂直导电垂直导电结构，又称为结构，又称为VMOSFET，大，大大提高大提高MOSFET器件的耐压和耐电流能力器件的耐压和耐电流能力 按结构分：利用按结构分：利用V型槽实现垂直导电的型槽实现垂直导电的VVMOSFET 具有垂直导电双扩散结构的具有垂直导电双扩散结构的VDMOSFETN+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-192.4.3 电力场效应晶体管

40、（电力场效应晶体管（Power MOSFET）2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件1、结构及工作原理、结构及工作原理 电力电力MOSFET的工作原理的工作原理 截止：截止：栅源极间电压为零，漏源极间加正电源栅源极间电压为零，漏源极间加正电源 P基区与基区与N漂移区之间形成的漂移区之间形成的PN结结J1反偏，漏反偏，漏 源极之间无电流流过源极之间无电流流过 N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN 沟道图1-192.4.3 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（Power MOSFET）2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 导通：导通：在栅源极间加正电压在

41、栅源极间加正电压UGS UGS大于大于UT（开启电压）时，栅极下（开启电压）时，栅极下P区反型成区反型成N型型而成为而成为反型层反型层，使，使PN结结J1消失，漏、源极导电消失，漏、源极导电 N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN 沟道图1-191、结构及工作原理、结构及工作原理 电力电力MOSFET的工作原理的工作原理2.4.3 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（Power MOSFET）2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2、电力、电力MOSFET的基本特性的基本特性1) 静态特性静态特性:转移特性转移特性输出特性输出特性01020305040图1-2

42、02468a)10203050400b)1020 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A 漏极电流漏极电流ID和栅源间电压和栅源间电压UGS的关系称为的关系称为MOSFET的的转移特性转移特性2.4.3 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（Power MOSFET）2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 漏极电流漏极电流ID和漏源间电压和漏源间电压UDS的关系称为的关系称为MOSFET的的输出特性输出特性 2、电力、电力MOSFET的基本特性的基本特性1) 静态特性静态特性:转

43、移特性转移特性输出特性输出特性01020305040图1-202468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A 电力电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱工作在开关状态，即在截止区和非饱 和区之间来回转换和区之间来回转换 电力电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间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加反向电压时器件导通 2.4.3 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（Power MOSFET）2.4 2.4 典

44、型全控型器件典型全控型器件2) 动态特性动态特性: 开通过程开通过程 开通延迟时间开通延迟时间td(on) up前沿时刻到前沿时刻到uGS=UT并开始并开始出现出现iD的时刻间的时间段的时刻间的时间段2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2、电力、电力MOSFET的基本特性的基本特性2.4.3 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（Power MOSFET）上升时间上升时间tr uGS从从uT上升到上升到MOSFET进入非饱和区的栅压进入非饱和区的栅压UGSP的时间段的时间段UGS达到达到UGSP后，在后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变已不变2

45、) 动态特性动态特性: 开通过程开通过程2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2、电力、电力MOSFET的基本特性的基本特性2.4.3 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（Power MOSFET）开通时间开通时间ton开通延迟时间开通延迟时间td(on)与上升时间与上升时间tr之和之和2) 动态特性动态特性: 开通过程开通过程2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2、电力、电力MOSFET的基本特性的基本特性2.4.3 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（Power MOSFET）2) 动态特性动态特性: 关断过程关断过程关断延迟时间关断延迟时间t d(off) up下降到零起，

46、下降到零起，Cin通过通过Rs和和RG 放电，放电，uGS按指数曲线下降到按指数曲线下降到UGSP 时，时，iD开始减小的时间段开始减小的时间段2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2、电力、电力MOSFET的基本特性的基本特性2.4.3 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（Power MOSFET）2) 动态特性动态特性: 关断过程关断过程下降时间下降时间tf uGS从从UGSP继续下降起，继续下降起，iD减小，到减小，到uGS20V将导致绝缘层将导致绝缘层击穿。击穿。 极间电容极间电容 CGS、CGD和和CDS 漏源间的漏源间的耐压耐压、漏极最大允许、漏极最大允许电流电流和最大和最大

47、耗散功率耗散功率决决定了电力定了电力MOSFET的安全工作区。的安全工作区。 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 GTR和和GTO的特点：的特点： 双极型，电流驱动，有电导调制效应，导通压降双极型，电流驱动，有电导调制效应，导通压降 低，通流能力很强，低，通流能力很强， 开关速度较低，所需驱开关速度较低，所需驱 动功率大，驱动电路复杂动功率大，驱动电路复杂 MOSFET的特点的特点： 单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，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单热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单 容量小、耐压低、导通电阻大容量

48、小、耐压低、导通电阻大 将以上两类器件取长补短结合起来，形成复合器件，将以上两类器件取长补短结合起来，形成复合器件， 称为称为Bi-MOS器件器件 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 （Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或或IGT ） 由由GTR和和MOSFET复合，结合了二者的优点，具有复合，结合了二者的优点，具有 良好的特性良好的特性 1986年投入市场后，取代了年投入市场后，取代了GTR和一部分和一部分MOSFET 的市场，成为中小功率电力电子设备的主导器件的市场，成为中小功率电力电子设备的主导器件 有待

49、继续提高电压和电流容量，以期再取代有待继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的的 地位地位2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件1、IGBT的结构及工作原理的结构及工作原理 IGBT比比VDMOSFET多一层多一层P+注入区，形成了一个注入区，形成了一个大面积的大面积的PN结结J1，使，使IGBT导通时由导通时由P+注入区向注入区向N基区发基区发射少子，而对漂移区电导率进行调制，使得高耐压射少子，而对漂移区电导率进行调制，使得高耐压IGBT具有很强的通流能力具有很强的通流能力 三端器件：栅极三端器件：栅极G、集电极、集电极C和发射极和发射极E

50、 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-191、IGBT的结构及工作原理的结构及工作原理EGCN+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) 简化等效电路表明，简化等效电路表明，IGBT是是GTR与与MOSFET组成的组成的达林顿结构，一个由达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区驱动的厚基区PNP晶体管晶体管 RN为晶体管基区内的调制电阻为晶体管基区内的调制电阻 2.4

51、2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管晶体管基区晶体管基区调制电阻调制电阻 导通导通：uGEUGE(th)时，时，MOSFET内形成沟道，为晶体管内形成沟道，为晶体管提供基极电流，提供基极电流，IGBT导通导通导通压降导通压降：电导调制效应使电阻：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小减小，使通态压降小关断关断：栅射极间施加反压或不加信号时，：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断关断1、IGBT的结构及工作原理的结构及工作原理EGCN+N-a)PN+N+PN

52、+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2、IGBT的基本特性的基本特性静态特性静态特性 开启电压开启电压UGE(th)能实现电导调制而导通的最低栅能实现电导调制而导通的最低栅 射电压，随温度升高而略有下降射电压，随温度升高而略有下降 UGE(th) 在在+25C时，值一般为时，值一般为26V2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管转移特性转移特性 2、IGBT的基本特性的基本特性静态

53、特性静态特性 分三个区域：正向阻断区、有源区、饱和区。分三个区域：正向阻断区、有源区、饱和区。 uCE0时，时，IGBT为反向阻断工作状态为反向阻断工作状态 输出特性输出特性2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管3、IGBT的基本特性的基本特性 动态特性动态特性2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管开通过程开通过程 开通延迟时间开通延迟时间td(on) 电流上升时间电流上升时间tri 电压下降时间电压下降时间tfv 开通时间开通时间ton= td(on)+tri+ tfv 关断过程关断过程 关断

54、延迟时间关断延迟时间td(off) 电压上升时间电压上升时间trv 电流下降时间电流下降时间tfi 关断时间关断时间toff = td(off) +trv+tfi 有少子储存现象，因而有少子储存现象，因而 IGBT的开关速度要低于的开关速度要低于电力电力MOSFET。 4、IGBT的主要参数的主要参数 最大集射极间电压最大集射极间电压UCES 由内部由内部PNP晶体管的击穿电压确定晶体管的击穿电压确定 最大集电极电流最大集电极电流 包括额定直流电流包括额定直流电流IC和和1ms脉宽最大电流脉宽最大电流ICP 最大集电极功耗最大集电极功耗PCM 正常工作温度下允许的最大功耗正常工作温度下允许的最

55、大功耗2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管5、IGBT的的特性和参数特点特性和参数特点 (1) 开关速度高，开关损耗小开关速度高，开关损耗小 在电压在电压1000V以上时，开关损耗只有以上时，开关损耗只有GTR的的1/10，与电，与电 力力MOSFET相当，开关速度低于电力相当，开关速度低于电力MOSFET(2) 相同电压和电流定额时，安全工作区比相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具大，且具 有耐脉冲电流冲击能力有耐脉冲电流冲击能力(3) 通态压降比通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域低，特别是在电流较大的区域(4

56、) 输入阻抗高，输入特性与输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似类似(5) 与与MOSFET和和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一相比，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步提高，同时保持开关频率高的特点 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管擎住效应擎住效应：NPN晶体管基极与发射晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻极之间存在体区短路电阻Rs，P区区的横向空穴电流会在该电阻上产生的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对压降，相当于对J3结施加正偏压，结施加正偏压，一旦一旦J3开通，栅极就会失去对集电开通，栅极就会

57、失去对集电极电流的控制作用，电流失控极电流的控制作用，电流失控6、IGBT的擎住效应的擎住效应 简化等效电路简化等效电路寄生晶闸管寄生晶闸管由一个由一个N-PN+晶体晶体管和作为主开关器件的管和作为主开关器件的P+N-P晶体晶体管组成管组成动态擎住效应动态擎住效应比比静态擎住效应静态擎住效应所允所允许的集电极电流小许的集电极电流小 擎住效应曾限制擎住效应曾限制IGBT电流容量提高电流容量提高2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管7、IGBT的的安全工作区安全工作区 正偏安全工作区（正偏安全工作区（FBSOA） 最大集电极电流、最大集射极间电压和

58、最大集电最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定极功耗确定 反向偏置安全工作区（反向偏置安全工作区（RBSOA） 最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率压上升率duCE /dt确定确定 IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件模块，成为逆导器件 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2.5 2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件2.5.1 MOS控制晶闸管（控制晶闸管（ MOS Controlled

59、Thyristor MCT） MOSFET与晶闸管的复合与晶闸管的复合 MCT结合了二者的优点：结合了二者的优点： MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程过程 晶闸管的高电压大电流、低导通压降晶闸管的高电压大电流、低导通压降 一个一个MCT器件由数以万计的器件由数以万计的MCT元组成元组成 MCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。但关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量件。但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，未能投入实际应都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。

60、用。 SIT（Static Induction Transistor） 是一种结型场效应晶体管，是一种结型场效应晶体管， 1970年出现年出现 工作频率与电力工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容相当，甚至更高，功率容 量更大，因而适用于高频大功率场合量更大，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和高频感应加热等领域获得应用 缺点缺点：栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为：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，使用不太方便器件，使用不太方便 通态