电力电子技术：2 电力电子器件2

1、第2章 电力电子器件(II)2目 录2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块32.4 典型全控型器件门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。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。全控型电力电子器件的典型代表 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。电力MOSFETIGBT单管及模块42.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）晶闸管的

2、一种派生器件；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。5GTO的结构与普通晶闸管的相同点： 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：GTO是一种多元的功率集成器件6GTO的工作原理与普通晶闸管一样，可以用双晶体管模型来分析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7GTO的工作原理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：（1）设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断；（2）导通时

3、1+2更接近1（1.05），GTO导通时饱和不深，接近临界饱和，有利于门极控制关断，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。8GTO的工作原理GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅关断过程门极加负脉冲，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。 9GTO的动态特性开通过程：与普通晶闸管类似，需经过

4、延迟时间td和上升时间tr关断过程：与普通晶闸管有所不同通常下降时间tf 储存时间ts BUcex BUces BUcer BUceo实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。19GTR的主要参数 集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic；实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。 集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率；产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度 。20GTR的二次击穿现象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，被称为一次击穿；出现一次击穿后，只要Ic

5、不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。21GTR的二次击穿现象二次击穿一次击穿发生时，如不有效地限制电流，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，这种现象称为二次击穿；二次击穿常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。注：从上而下分别表示发射结处于正向偏置、开路和反向偏置情况下的二次击穿特性22GTR的安全工作区安全工作区（Safe Operating Area SOA）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；临界线上的点反应了二次击穿功率PSB；最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM不能超过二次击穿临界线限定。G

6、TR的安全工作区SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM二次击穿功率232.4.3 电力场效应晶体管类似小功率的用于信息处理的场效应晶体管（Field Effect TransistorFET），电力场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型；电力场效应晶体管通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称电力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 Induction Transistor SIT）；242.4.3 电力场效应晶体管电力MOSFET 的特点 用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简

7、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。25电力MOSFET的结构按导电沟道可分为P沟道和N沟道耗尽型 当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道增强型 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力MOSFET主要是N沟道增强型三端器件：漏极（D），源极（S）和栅极（G）26电力MOSFET的结构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；小功率MOS管是横向导电器件；电力MOSFET大都采用垂直导电结构，大大提高了 M

8、OSFET器件的耐压和耐电流能力电力MOSFET是多元集成结构，由许多个小MOSFET单元组成。27电力MOSFET的工作原理截止：漏源极间（DS）加正电压，栅源极间（GS）电压为零，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS，当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，使P型半导体反型成N型半导体，形成反型层，使PN结J1消失，漏极和源极导电 。一般电力MOSFET的耐压能力在1000V以下28电力MOSFET的基本特性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是电压控制型器件，其输入

9、阻抗极高，输入电流非常小。29电力MOSFET的基本特性 MOSFET的漏极伏安特性截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应于GTR的饱和区）电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换电力MOSFET的输出特性30电力MOSFET的基本特性电力MOSFET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。电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。两个器件并联，若R1 I2。正温度特性导致R1 R2，最后使R1R2，I1I2，均流！31电力MOSFET的基本特性2)动态特性开关过程a) 测试电路 b) 开关过程波

10、形up为矩形脉冲电压信号源，Rs为信号源内阻，RG为栅极电阻，RL为漏极负载电阻，RF用于检测漏极电流。32电力MOSFET的基本特性MOSFET的开关速度MOSFET的开关速度和输入电容的充放电有很大关系Cin无法降低，但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度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电力MOSFET是场控器件，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33电力MOSFET的主要参数跨导Gfs、开启电压UT以及td(

11、on)、tr、td(off)和tf漏极电压UDS 电力MOSFET电压定额漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM 电力MOSFET电流定额栅源电压UGSUGS20V将导致绝缘层击穿极间电容MOSFET三个电极之间分别存在极间电容CGS、CGD和CDS漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区；电力MOSFET一般不存在二次击穿问题342.4.4 绝缘栅双极晶体管GTR和GTO的特点 双极型，电流驱动，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

12、简单；绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT）综合了 GTR和电力MOSFET二者的优点，具有良好的特性；351.4.4 绝缘栅双极晶体管IGBT于1986年投入市场后，取代了GTR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；继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。36IGBT的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极EN沟道VDMOSFET与GTR组合 N沟道IGBT（N-IGBT）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

13、为晶体管基区内的调制电阻。 37IGBT的工作原理驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导通：uGE大于开启电压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：电导调制效应使调制电阻RN减小，使通态压降小关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断38IGBT的基本特性1) IGBT的静态特性转移特性 IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似开启电压UGE(th) IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25C时，U

14、GE(th)的值一般为26V39IGBT的基本特性输出特性（伏安特性） 以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态40IGBT的基本特性2)IGBT的动态特性IGBT的开通过程与MOSFET的相似开通时，uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。前者为IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；后者为MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。41IGBT的基本特性 IGBT的关断过程电流下降分为两段。第一段对应IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；

15、第二段对应IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。关断延迟时间与电流下降时间之和为关断时间toff42IGBT的主要参数1) 最大集射极间电压UCES由内部PNP晶体管的击穿电压确定2)最大集电极电流包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP3) 最大集电极功耗PCM 正常工作温度下允许的最大功耗43IGBT的特性和特点开关速度高，开关损耗小。 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；通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域；输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似；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

16、频率高的特点。IGBT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。 442.5 其他新型电力电子器件 2.5.1 MOS控制晶闸管MCT2.5.2 静电感应晶体管SIT2.5.3 静电感应晶闸管SITH2.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT2.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件452.5.1 MOS控制晶闸管MCT MCT（MOS Controlled Thyristor） MOSFET与晶闸管的复合 MCT结合了二者的优点： MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程； 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MCT曾一度被认

17、为是一种最有发展前途的电力电子器件。但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。462.5.2 静电感应晶体管SITSIT（Static Induction Transistor），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，工作频率与电力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；缺点栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太方便通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用472.5.3 静电感应晶闸管SITHSIT

18、H（Static Induction Thyristor），在SIT的漏极层上附加一层与漏极层导电类型不同的发射极层而得到；工作原理与SIT类似，门极和阳极电压均能通过电场控制阳极电流，因此SITH又被称为场控晶闸管（Field Controlled Thyristor FCT）；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拓展。482.5.4 集成门极换流晶闸管IGCTIGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）

19、，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。492.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件典型的是碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石等材料。特点：具有高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力特别适合制作高温、高频及大功率器件又称为高温半导体材料宽禁带半导体器件的发展一直佑于材料的提炼和制造以及随后的半导体制造工

20、艺的困难。 502.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件基于宽禁带半导体材料的电力电子器件具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和射线辐射的能力，许多方面的性能都是成数量级的提高。以碳化硅为例最高工作温度有可能超过600度击穿电场强度是硅的8倍电子饱和漂移速度是硅的2倍工作频率可达硅器件的10倍以上512.6 功率集成电路与集成电力电子模块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；可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性；对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求；

21、将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（Power Integrated Circuit PIC）。522.6 功率集成电路与集成电力电子模块实际应用电路 高压集成电路（High Voltage ICHVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率集成电路（Smart Power ICSPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPM）专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。 532.6 功率集成电路与集成电力电子模块发展现状功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以