器件原理市公开课一等奖省赛课获奖课件

第二章

电力电子器件原理与特征10/10/1北京交通大学电气工程学院器件原理第1页要求及重点要求：了解电力电子器件发展、分类与应用；了解和掌握功率二极管、SCR、GTO、MOSFET和IGBT等惯用器件工作原理、电气特征和主要参数。重点：各种电力电子器件原理、性能上不一样点，各自应用场所（可工作区域）。10/10/2北京交通大学电气工程学院器件原理第2页本章内容2.1电力电子器件概述2.2电力（功率）二极管2.3晶闸管（SCR）2.4可关断晶闸管（GTO）2.6电力场效应晶体管（电力MOSFET）2.7绝缘栅双极晶体管（IGBT）2.8其它新型场控器件10/10/3北京交通大学电气工程学院器件原理第3页2.1电力电子器件概述1、电力电子器件概念电力电子器件是指可直接用于处理电能，实现电能变换或控制电子器件，通常专指电力半导体器件。和普通半导体器件一样，当前电力半导体器件所用主要材料依然是——硅。10/10/4北京交通大学电气工程学院器件原理第4页2、主要损耗通态损耗：导通时器件上有一定通态压降。断态损耗：阻断时器件上有微小断态漏电流流过。开关损耗开通损耗：在器件开通转换过程中产生损耗；关断损耗：在器件关断转换过程中产生损耗。对一些器件来讲，驱动电路向其注入功率也是造成器件发烧原因之一。通常电力电子器件断态漏电流极小，因而通态损耗是器件功率损耗主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗主要原因。10/10/5北京交通大学电气工程学院器件原理第5页3、电力电子器件特征（与普通半导体器件相比）功率远大于信息电子器件，从mW~MW。电压和电流等级是其最主要参数；工作在开关状态（相当于普通晶体管饱和与截止状态），因而动态特征（开关特征）也是很主要参数，有时甚至是最主要参数；需要用驱动电路驱动；需要装散热器散热；10/10/6北京交通大学电气工程学院器件原理第6页4、电力电子器件发展概况第一代电力电子器件无关断能力SCR（1957年美国GE企业创造）第二代电力电子器件相关断能力GTO、GTR等第三代电力电子器件性能优异复合型器件如（IGBT）和智能器件IPM(IntelligentPowerModule)等10/10/7北京交通大学电气工程学院器件原理第7页电力电子器件发展目标和评价标准70年代—大容量（电压、电流）80年代—高频化（功率、频率）90年代—高性能化（大容量、高频率、易驱动、低损耗）评价标准：功率容量、开关速度、通态压降、驱动功率、驱动信号现在—集成化、模块化、智能化10/10/8北京交通大学电气工程学院器件原理第8页5、分类按其开关控制性能分类：不控型器件：无控制极，器件导通与关断完全由其在主电路中承受电压和电流决定，正偏置导通、反偏置关断，如电力二极管(D)半控型器件：控制极（门极）只能控制管子导通而不能控制管子关断，器件关断完全由其在主电路中承受电压和电流决定，如晶闸管(SCR)及其家族器件（FST、RCT、TRIAC、LCT）全控型器件：经过控制极（门极或基极或柵极）是否施加驱动信号既能控制管子导通又能控制管子关断，如GTO、GTR、IGBT、MOSFET及其它新型场控器件MCT、IGCT、SIT、SITH、IPM等10/10/9北京交通大学电气工程学院器件原理第9页按器件内部载流子参加导电种类分类：单极型器件：只有一个载流子参加导电，如MOSFET、SIT等

双极型器件：有两种载流子参加导电，如二极管、晶闸管、GTO、GTR、IGCT、SITH等。

复合型器件：由MOSFET与晶体管、晶闸管复合而成，如IGBT、IPM、MCT等。10/10/10北京交通大学电气工程学院器件原理第10页双极型器件通态压降较低、阻断电压高、电流容量大单极型器件开关时间短、输入阻抗高（电压控制型）电流含有负温度特征，二次击穿可能性很小。通态压降高、电压和电流定额较小。复合型器件现有电流密度高、导通压降低优点；又有输入阻抗高、响应速度快优点。10/10/11北京交通大学电气工程学院器件原理第11页按门极驱动信号种类（电流、电压）分类：电流控制型器件如晶闸管、GTO、GTR、IGCT、SITH等

电压控制型器件如MOSFET、IGBT、IPM、SIT、MCT等——电压控制型器件驱动功率要远小于电流控制型器件，驱动电路也简单，而且工作频率高。10/10/12北京交通大学电气工程学院器件原理第12页6、应用场所（可工作区域）决定应用场所基本原因：输出容量和工作频率SCRGTOGTRIGBT电力MOSEFTMOSEFT10/10/13北京交通大学电气工程学院器件原理第13页本章内容2.1电力电子器件概述2.2电力（功率）二极管2.3晶闸管（SCR）2.4可关断晶闸管（GTO）2.6电力场效应晶体管（电力MOSFET）2.7绝缘栅双极晶体管（IGBT）2.8其它新型场控器件10/10/14北京交通大学电气工程学院器件原理第14页2.2电力（功率）二极管一、工作原理（基本与普通二极管相同）PN结：正向导通

反向截止

二、外形10/10/15北京交通大学电气工程学院器件原理第15页三、特征1、静态特征伏安特征电力二极管承受正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始显著增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应电力二极管两端电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，有微小反向漏电流。电力二极管伏安特征10/10/16北京交通大学电气工程学院器件原理第16页1、静态特征（续）理想伏安特征1在以后电路分析中，我们均采取理想伏安特征1来简化二极管。理想伏安特征210/10/17北京交通大学电气工程学院器件原理第17页2、动态特征电力电子器件工作状态转换并非瞬间完成，需要一定时间。动态特征是指器件在通态和断态之间转换过程中开关特征（电压—电流特征）。对工频整流电路来说可认为器件是理想开关（瞬间开通/瞬间关断）。对高频电路来说，需要考虑动态特征。10/10/18北京交通大学电气工程学院器件原理第18页正向恢复时间：tfr延迟时间：td=t1-t0,电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf恢复特征软度：下降时间与延迟时间比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示a)正向偏置转换为反向偏置b)零偏置转换为正向偏置10/10/19北京交通大学电气工程学院器件原理第19页（1）关断过程：须经过一段短暂时间才能重新取得反向阻断能力，进入截止状态。在关断之前有较大反向电流出现，并伴随有显著反向电压过冲。（2）开经过程：电力二极管正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于靠近稳态压降某个值（如2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。储存大量少子10/10/20北京交通大学电气工程学院器件原理第20页四、主要参数:正向平均电流

IF（AV）：指在要求管壳温度（TC）和散热条件下，允许流过最大工频正弦半波电流平均值。正向压降UF：指在要求温度下流过某一指定稳态电流时对应正向压降。反向重复峰值电压

URRM：指电力二极管所能重复施加反向最高峰值电压。

——通常是其雪崩击穿电压UB2/3

——使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受反向最高峰值电压两倍来选定。10/10/21北京交通大学电气工程学院器件原理第21页四、主要参数（续）最高工作结温TJM：指在PN结不致损坏前提下，PN结所能承受最高平均结温。——通常在1250C~1750C之间。浪涌电流IFSM：指电力二极管所能承受最大连续一个或几个工频周期过电流。反向恢复时间trr：关断过程中，电流降到零起到完全恢复反向阻断能力止时间。10/10/22北京交通大学电气工程学院器件原理第22页五、电力二极管主要类型:整流二极管：trr>5us，普通用于开关频率1KHz以下整流电路（低频、大容量）。——正向电流定额和反向电压定额能够到达很高，分别可达数千安和数千伏以上。快恢复二极管：指反向恢复时间很短二极管（trr=几十~几百ns）。普通用于高频电路。

——性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。肖特基二极管：反向恢复时间很短（trr=10~40ns）正向压降较低，普通用于高频、低电压电路。10/10/23北京交通大学电气工程学院器件原理第23页六、基本应用整流续流限幅钳位稳压10/10/24北京交通大学电气工程学院器件原理第24页2.1、2.2小结1、电力电子器件特征（与普通电子器件不一样点）2、电力电子器件分类（3种分类方法）3、电力电子器件主要损耗（3种）4、电力电子器件所能到达功率等级、开关频率比较5、电力二极管工作原理、静态特征与信息二极管工作原理、静态特征基本相同6、电力二极管：从断态到通态存在正向电压过冲从通态到断态存在反向电压过冲和反向恢复电流（造成电压过冲得原因现有器件内部原因也有外部电路原因，改进方法是加阻容保护电路）7、电力二极管主要应用：整流、续流8、电力二极管主要类型及应用场所9、电力二极管主要参数10/10/25北京交通大学电气工程学院器件原理第25页本章内容2.1电力电子器件概述2.2电力（功率）二极管2.3晶闸管（SCR）2.4可关断晶闸管（GTO）2.6电力场效应晶体管（电力MOSFET）2.7绝缘栅双极晶体管（IGBT）2.8其它新型场控器件10/10/26北京交通大学电气工程学院器件原理第26页2.3晶闸管一、名称晶闸管

（Thyristor）可控硅

（SCR）二、外形与符号螺栓式结构(<200A)平板式结构(>200A)10/10/27北京交通大学电气工程学院器件原理第27页三、SCR工作原理内部结构：PNPN四层结构；P1区引出阳极A，P2区引出门极G，N2区引出阴极K；四个区形成三个PN结J1、J2、J3。10/10/28北京交通大学电气工程学院器件原理第28页三、SCR工作原理（续）工作原理1、阻断状态A、K两端承受正向电压时：J2反偏阻断；A、K两端承受反向电压时：J1、J3反偏阻断。（1）IG→iB2↑→IC2

↑→IC1(IA)↑形成正反馈（机制） ↑————————↓这表明：假如在SCR导通后撤除触发脉冲IG，那么因为SCR内部正反馈作用，SCR仍可能维持导通！2、导通原理SCR可看作是由P1N1P2和N1P2N2组成两个晶体管T1、T2，假如外电路向门极注入驱动电流IG，则：10/10/29北京交通大学电气工程学院器件原理第29页三、SCR工作原理（续）（2）按晶体管原理可得：其中：α1、α2分别是晶体管T1、T2共基极电流增益；ICBO1、ICBO2分别是晶体管T1、T2共基极漏电流。上式表明：假如能使1+2趋近于1话，流过晶闸管电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大（这种情况下，IA实际上由外电路决定），实现饱和导通。晶闸管导通后，即使撤除触发脉冲IG，仍能维持导通。——含有闸流特征。10/10/30北京交通大学电气工程学院器件原理第30页三、SCR工作原理（续）含有闸流特征必要条件：α1+α2>1晶体管特征：低发射极电流下，α很小；发射极电流建立起来后，α快速增大。普通在设计时，使将SCR1+2

1.15，即SCR1+2能够到达大于1.15。满足上述条件。阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。10/10/31北京交通大学电气工程学院器件原理第31页三、SCR工作原理（续）造成SCR导通几个情况（外部条件）：正向转折导通：UAK↑→J2击穿→IA

↑↑

高温导通：温度↑→ICBO1、ICBO2↑→IA

↑↑

dUAK/dt导通：dUAK/dt

↑→iJ

↑→IA

↑↑

上述几个情况属于非正常导通，应该防止！门极触发导通：注入IG

→IA

↑↑

光注入导通：光照→ICBO1、ICBO2↑→IA

↑↑这两种情况属于正常导通10/10/32北京交通大学电气工程学院器件原理第32页三、SCR工作原理（续）3、SCR关断若要关断已导通SCR，能够经过外部条件使：IA

↓→(α1+α2)↓，当满足(α1+α2)

0时，SCR便又恢复阻断。4、SCR反向阻断当A、K两端加上反向电压时，SCR处于反向阻断状态。这时门极加触发脉冲只能增加SCR反向漏电流。10/10/33北京交通大学电气工程学院器件原理第33页四、SCR基本特征1、总结前面工作原理，能够简单归纳SCR正常工作（导通/关断）特征：当SCR承受反向阳极电压时，不论门是否有触发电流，SCR均处于阻断状态。当SCR承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压（有触发电流）情况下SCR才能导通。SCR在导通后，只要有一定维持导通电流，不论门极电压怎样，SCR仍能导通。SCR在导通情况下，当流过电流减小到一定程度时，SCR恢复为阻断。10/10/34北京交通大学电气工程学院器件原理第34页四、SCR基本特征（续）2、SCR伏安特征UDSM:正向不重复峰值电压URSM:反向不重复峰值电压IH：维持电流UBO:转折电压10/10/35北京交通大学电气工程学院器件原理第35页（1）正向特征IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小正向漏电流流过，正向电压超出临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。伴随门极电流幅值增大，正向转折电压降低。导通后晶闸管特征和二极管正向特征相仿。晶闸管本身压降很小，在1V左右。导通期间，假如门极电流为零，而且阳极电流降至靠近于零某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。10/10/36北京交通大学电气工程学院器件原理第36页（2）反向特征晶闸管上施加反向电压时，伏安特征类似二极管反向特征。

晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小反向漏电流流过。当反向电压超出一定程度，到反向击穿电压后，外电路如无限制办法，则反向漏电流急剧增加，造成晶闸管发烧损坏。10/10/37北京交通大学电气工程学院器件原理第37页四、SCR基本特征（续）3、SCR（正常）导通条件和关断条件导通条件：同时满足①阳极—阴极间加正向电压UAK②门极—阴极间加足够高正向电压，并有足够大触发电流IG。关断条件：阳极电流小于其维持电流，即iA<IH关断方法：

①阳极—阴极间加反向电压（惯用方法）。②减小阳极—阴极间电压、增大回路阻抗。10/10/38北京交通大学电气工程学院器件原理第38页四、SCR基本特征（续）4、SCR动态特征10/10/39北京交通大学电气工程学院器件原理第39页（1）开经过程延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值10%时间。上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值90%所需时间。开通时间tgt：tgt=td+tr

普通晶闸管延迟时为0.5~1.5s，上升时间上升时间为0.5~3s。10/10/40北京交通大学电气工程学院器件原理第40页（2）关断过程反向阻断恢复时间trr：从正向电流降为零到反向恢复电流衰减至靠近于零时间。正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压阻断能力还需要一段时间。关断时间tq：

tq=trr+tgr

普通晶闸管关断时间约几百微秒。10/10/41北京交通大学电气工程学院器件原理第41页五、SCR主要参数1、SCR电压定额断态（正向）重复峰值电压UDRM值：在门极开路（IG=0）且额定结温时，允许重复加在元件上工频正弦半波正向峰值电压。要求UDRM=90%UDSM（断态）反向重复峰值电压URRM值：在门极开路（IG=0）且额定结温时，允许重复加在元件上工频正弦半波反向峰值电压。要求URRM=90%URSM额定电压UR值：定义UR=MIN（UDRM，URRM）——选取时，额定电压要留有一定裕量,普通取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。通态（峰值）电压UTM值：SCR中流过某一要求倍数（如π倍）额定通态平均电流时管压降峰值。10/10/42北京交通大学电气工程学院器件原理第42页五、SCR主要参数（续）2、SCR电流定额额定电流IR（或IAV）：晶闸管在环境温度为40C和要求冷却状态下，稳定结温不超出额定结温时所允许流过最大工频正弦半波电流平均值。标称其额定电流参数。IAV10/10/43北京交通大学电气工程学院器件原理第43页五、SCR主要参数（续）正弦半波有效值（均方根值）为：由（2-7）、（2-8）得到有效值为：——使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等标准来选取晶闸管。应留一定裕量，普通取1.5~2倍。——IR是按照正向电流造成器件本身发烧来定义。——产品手册中要求IR=IAV，表示它能够流过任意波形、有效值为1.57IR电流。10/10/44北京交通大学电气工程学院器件原理第44页五、SCR主要参数（续）流过任意波形电流时，SCR额定电流参数计算：①依据阳极电流波形计算其有效值（均方根值）：②求SCR额定电流：10/10/45北京交通大学电气工程学院器件原理第45页课堂思考经过SCR电流波形

如图所表示，Im＝300A

试选取SCRIAV解：电流有效值

10/10/46北京交通大学电气工程学院器件原理第46页五、SCR主要参数（续）浪涌电流ITSM：结温为额定值时，晶闸管在要求极短时间内（工频正弦波半周期内）晶闸管能承受最大过载电流值。（通常为4IAV或更多）——浪涌次数有一定限制，不可重复出现。维持电流IH：在室温和门极开路时，SCR从较大通态电流降至维持通态所需要最小通态电流。

——

IH普通为几十到几百毫安，与结温相关。结温越高，则IH越小。擎住电流IL：SCR经触发从断态变换到通态之后马上撤除触发信号，在此情况下SCR要维持通态所需要最小通态电流。

——对同一晶闸管来说，通常IL约为IH2~4倍。10/10/47北京交通大学电气工程学院器件原理第47页课堂思考调试如图所表示晶闸管电路，在断开Rd测量输出电压Vd是否正确可调时，发觉电压表V读数不正常，接上Rd后一切正常，为何？（触发脉冲一直正常工作）10/10/48北京交通大学电气工程学院器件原理第48页课堂思考1、若流过晶闸管电流有效值是157A，则其额定电流为

。若该晶闸管阳、阴极间电压为60sinωtV，则其额定电压应为

。（不考虑晶闸管电流、电压裕量）2、当晶闸管电流上升到其

电流后，去掉门极触发信号，晶闸管仍能维持导通。3、某晶闸管，若其断态重复峰值电压为500V，反向重复峰值电压为700V，则该晶闸管得额定电压是（）。10/10/49北京交通大学电气工程学院器件原理第49页五、SCR主要参数（续）3、动态参数断态电压临界上升率du/dt：在要求条件下（门极开路且额定结温），不会造成从断态到通态转换最大阳极电压上升率。过大du/dt下会引发误导通通态电流临界上升率di/dt：在要求条件下，晶闸管能够承受而不致损害通态电流最大上升率。

过大di/dt可使晶闸管内部局部过热而损坏10/10/50北京交通大学电气工程学院器件原理第50页六、晶闸管家族其它器件1、快速晶闸管（KK、FST）包含全部专为快速应用而设计晶闸管，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耐量都有显著改进。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10s左右。高频晶闸管不足在于其电压和电流定额都不易做高。因为工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗发烧效应。10/10/51北京交通大学电气工程学院器件原理第51页六、晶闸管家族其它器件（续）2、逆导型晶闸管RCT（ReverseConductingThyristor）RCT主要用于逆变电路和斩波电路中将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上功率集成器件。含有正向压降小、关断时间短、高温特征好、额定结温高等优点。逆导晶闸管额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管电流。10/10/52北京交通大学电气工程学院器件原理第52页六、晶闸管家族其它器件（续）3、双向晶闸管TRIAC（Bi-directionalThyristor）TRIAC主要用于交流电力控制电路，如交流调压、交流调功电路。正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第Ｉ和第III象限有对称伏安特征。通惯用在交流电路中，所以不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。10/10/53北京交通大学电气工程学院器件原理第53页六、晶闸管家族其它器件（续）4、光控晶闸管LCT触发信号：激光脉冲光触发确保了主电路与控制电路之间绝缘，且可防止电磁干扰影响，所以当前在高压大功率场所，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据主要地位。10/10/54北京交通大学电气工程学院器件原理第54页2.3小结1、SCR内部结构为PNPN四层半导体结构，这种结构决定了在外电路向其门极注入驱动电流IG情况下，SCR内部电流会形成正反馈，这使得在SCR触发导通后即使撤除IG，SCR依然可能导通。使这种可能性变成事实必要条件是：α1+α2>1

实际上制作工艺确保了SCRα1+α2≈1.15，满足上述条件，所以从工作原理上讲，只需要一个窄触发脉冲就能导通。2、SCR（正常）导通条件和关断条件。3、SCR流过任意波形电流时，额定电流计算。4、若SCR承受电压UAK过高、或结温过高、或dUAK/dt过大，都可能引发误导通。5、在正向阻断没恢复之前，假如重加UAK，SCR会重新导通，不受IG控制。10/10/55北京交通大学电气工程学院器件原理第55页本章内容2.1电力电子器件概述2.2电力（功率）二极管2.3晶闸管（SCR）2.4可关断晶闸管（GTO）2.6电力场效应晶体管（电力MOSFET）2.7绝缘栅双极晶体管（IGBT）2.8其它新型场控器件10/10/56北京交通大学电气工程学院器件原理第56页2.4可关断晶闸管（GTO）一、名称GateTurnoffThyristor，简称GTO二、符号10/10/57北京交通大学电气工程学院器件原理第57页GTO结构与工作原理三、GTO结构与普通晶闸管相同点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管不一样点：GTO是一个多元功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极小GTO元，这些GTO元阴极和门极则在器件内部并联在一起。10/10/58北京交通大学电气工程学院器件原理第58页四、GTO工作原理与普通晶闸管一样，能够用双晶体管模型来分析。10/10/59北京交通大学电气工程学院器件原理第59页1、GTO开通原理GTO导经过程

α1+α2=1为临界导通状态，它所对应阳极电流为临界导通电流，定义为GTO擎住电流。Ic1↑、Ic2↑→α1↑、α2↑，当1+2>1时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通。GTO导通条件（内部条件）10/10/60北京交通大学电气工程学院器件原理第60页2、GTO关断原理GTO关断过程-IG→iB2↓→IC2↓→IC1↓

↑——————↓GTO关断条件（内部条件）：α1+α2<1电流关断增益βoff=IATO/|-IGM|

其中：IATO——被关断最大阳极电流-IGM——关断IATO需抽出最大门极电流Ic1↓、Ic2↓→α1↓、α2↓，当1+2<1时，不能维持饱和导通，从而关断。10/10/61北京交通大学电气工程学院器件原理第61页3、GTO之所以能够经过门极关断，是因为它与普通晶闸管有以下区分：导通时1+2更靠近1（1.05，普通晶闸管1+21.15）导通时饱和不深，靠近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大；设计2较大，使晶体管T2控制灵敏，易于GTO关断；多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，能从门极抽出较大电流，易于GTO关断。10/10/62北京交通大学电气工程学院器件原理第62页五、GTO特征与参数1、静态特征阳极伏安特征与SCR相同!10/10/63北京交通大学电气工程学院器件原理第63页2、GTO动态特征（1）开通特征与SCR类似!ton:开通时间td:延迟时间tr:上升时间ton=td+tr10/10/64北京交通大学电气工程学院器件原理第64页（2）关断特征toff:关断时间存放时间(ts)：抽取饱和导通时储存大量载流子。下降时间(tf)：等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐步减小。尾部时间(tt)：残余载流子复合。toff=ts+tf

10/10/65北京交通大学电气工程学院器件原理第65页3、GTO主要参数

许多参数和普通晶闸管对应参数意义相同，以下只介绍意义不一样主要参数。最大可关断阳极电流IATO——GTO额定电流。电流关断增益off——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。

off普通很小，只有5左右，这是GTO一个主要缺点。1000AGTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A。10/10/66北京交通大学电气工程学院器件原理第66页2.4小结1、GTO内部结构也为PNPN四层半导体结构，其开通原理、开通特征、静态特征与SCR相同。2、GTO本身也属于SCR派生器件，所以其大部分参数含义与SCR相同。3、与SCR所不一样是：GTO能够自关断，而SCR不能。这主要因二者制作工艺不一样所造成。GTO导通时处于临界饱和状态（1+21.05，普通晶闸管1+21.15）有利于门极控制关断；2较大，使晶体管T2控制灵敏，易于GTO关断；多元集成结构,易于GTO关断。10/10/67北京交通大学电气工程学院器件原理第67页2.5电力晶体管（GTR/BJT）名称巨型晶体管（GiantTransistor）电力晶体管符号特点（双极型器件）饱和压降低开关时间较短安全工作区宽10/10/68北京交通大学电气工程学院器件原理第68页GTR结构形式单管电力晶体管（BJT）达林顿管电流增益大，

输出管不会饱和关断时间较长达林顿模块10/10/69北京交通大学电气工程学院器件原理第69页GTR输出特征基本上同三极管（Ⅰ）截止区（Ⅱ）放大区（Ⅲ）临界饱和区（Ⅳ）深饱和区10/10/70北京交通大学电气工程学院器件原理第70页GTR二次击穿原因元件内部局部

温度过高，引

起电流急剧增

长。性质热击穿10/10/71北京交通大学电气工程学院器件原理第71页本章内容2.1电力电子器件概述2.2电力（功率）二极管2.3晶闸管（SCR）2.4可关断晶闸管（GTO）2.6电力场效应晶体管（电力MOSFET）2.7绝缘栅双极晶体管（IGBT）2.8其它新型场控器件10/10/72北京交通大学电气工程学院器件原理第72页2.6电力场效应晶体管（电力MOSFET）一、概述1、分类P沟道N沟道

增强型耗尽型绝缘栅型结型场效应晶体管N沟道增强型绝缘栅金属氧化物半导体场效应晶体管——简称：电力MOSFET或MOS管10/10/73北京交通大学电气工程学院器件原理第73页2、工作原理：

由栅极(Gate)电压来改变导电沟道，从而控制漏极(Drain)、源极(Source)之间电流和等效电阻，使场效应管处于截止或导通状态。3、导通、关断条件导通条件：栅极加正电压关断条件：栅极电压为零或加负电压（-5V）10/10/74北京交通大学电气工程学院器件原理第74页4、特点优点电流增益大，驱动功率小，驱动电路简单;开关速度很快，工作频率很高;正电阻温度特征（负电流温度特征），易并联均流。缺点通态电阻较大，通态损耗对应也大；单管容量难以提升，只适合小功率（10KW以下）。10/10/75北京交通大学电气工程学院器件原理第75页二、电力MOSFET静态特征与参数1、转移特征ID=f（UGS）ID较大时，ID与UGS关系近似线性。跨导gm=diD/duGS反应UGS对ID控制能力UGSth

开启电压（2~4V）10/10/76北京交通大学电气工程学院器件原理第76页2、输出特征（Ⅰ）截止区（Ⅱ）饱和恒流区（Ⅲ）线性导电区（Ⅳ）雪崩区通态电阻：Ron=UDSC/IDsat10/10/77北京交通大学电气工程学院器件原理第77页3、静态参数正向通态电阻Ron、跨导gm、栅极开启电压UGSth

漏极电压UDS：电力MOSFET电压定额。漏极电流ID、最大漏极电流IDM：电力MOSFET电流定额。漏极击穿电压UBDS：它决定了电力MOSFET最高工作电压。栅源击穿电压UBGS：普通为±20V。

10/10/78北京交通大学电气工程学院器件原理第78页三、电力MOSFET动态特征与参数1、开经过程开通延迟时间td(on)

——up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD时刻间时间段。上升时间tr

——uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区栅压UGSP时间段。开通时间tonTon＝td(on)

＋tr

10/10/79北京交通大学电气工程学院器件原理第79页三、电力MOSFET动态特征与参数（续）2、关断过程关断延迟时间td(off)——up下降到零起，Cin经过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小止时间段。下降时间tf——uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS<UT时沟道消失，iD下降到零为止时间段。关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和。10/10/80北京交通大学电气工程学院器件原理第80页3、动态参数极间电容输入电容：Ciss输出电容：Coss反馈电容：Crss几点说明：①电力MOSFET开关速度取决于栅极驱动电阻RG与栅极输入电容Ciss充放电时间。②使用时，栅极不能开路。③因为存在寄生反并二极管，所以无反向阻断能力，不能承受反压。10/10/81北京交通大学电气工程学院器件原理第81页四、电力MOSFET安全工作区漏源通态电阻Ron限制线1最大漏极电流IDM限制线2最大功耗PDM限制线3最大漏源电压UDSM限制线410/10/82北京交通大学电气工程学院器件原理第82页本章内容2.1电力电子器件概述2.2电力（功率）二极管2.3晶闸管（SCR）2.4可关断晶闸管（GTO）2.6电力场效应晶体管（电力MOSFET）2.7绝缘栅双极晶体管（IGBT）2.8其它新型场控器件10/10/83北京交通大学电气工程学院器件原理第83页2.7绝缘栅双极晶体管（IGBT）一、符号二、等效电路：由电力MOSFET和GTR复合而成三、工作原理工作原理原理与电力MOSFET基本相同，开通/关断由栅极和发射极电压UGE决定。10/10/84北京交通大学电气工程学院器件原理第84页四、IGBT特征1、静态特征转移特征：与电力MOSFET类似。含有正电阻温度系数（IC增大时，管压降大），易于并联使用。输出特征：与GTR类似，只是参变量不一样。分四个区：正向阻断区、线性导电区I、在恒流饱和区II和雪崩区Ⅲ。10/10/85北京交通大学电气工程学院器件原理第85页IGBT开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM2、动态特征10/10/86北京交通大学电气工程学院器件原理第86页(1)IGBT开经过程

与MOSFET相同，因为开经过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行。开通延迟时间td(on)——从uGE上升至其幅值10%时刻，到iC上升至10%ICM²

。

电流上升时间tr

——iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间。开通时间ton——开通延迟时间与电流上升时间之和。uCE下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1——IGBT中MOSFET单独工作电压下降过程；tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作电压下降过程。

IGBT开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM10/10/87北京交通大学电气工程学院器件原理第87页(2)IGBT关断过程关断延迟时间td(off)——从uGE后沿下降到其幅值90%时刻起，到iC下降至90%ICM。电流下降时间——iC从90%ICM下降至10%ICM。关断时间toff——关断延迟时间与电流下降之和。电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1——IGBT内部MOSFET关断过程，iC下降较快；tfi2——IGBT内部PNP晶体管关断过程，iC下降较慢。IGBT开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM10/10/88北京交通大学电气工程学院器件原理第88页MOSFET、IGBT开关过程对比ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT开关过程电力MOSFET开关过程10/10/89北京交通大学电气工程学院器件原理第89页五、IGBT擎住效应擎住效应：因内部寄生晶体管（NPN）导通使门极G失去控制作用，因而IGBT不能截止，这种现象称为擎住效应。产生原因集电极电流IC过大

超出ICM集电极电源电压过高

使PNP管漏电流过大关断过快duCE/dt过大，使结电容电流很大10/10/90北京交通大学电气工程学院器件原理第90页五、IGBT擎住效应（续）防止出现擎住效应方法是： ①在c、e极间并电容，以减小关断时dUce/dt； ②增大栅极驱动电阻RG，方便减慢关断速度，从而减小dUce/dt。 另外，要确保Ic、Uce在额定范围内。10/10/91北京交通大学电气工程学院器件原理第91页六、IGBT安全工作区正向安全工作区：受ICM、UCEM和PCM限制反向安全工作区：受ICM、UCEM和dUCE/dt限制10/10/92北京交通大学电气工程学院器件原理第92页七、IGBT主要参数最大集射极间电压UCES——由内部PNP晶体管击穿电压确定。最大集电极电流——包含额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。

最大集电极功耗PCM——正常工作温度下允许最大功耗。10/10/93北京交通大学电气工程学院器件原理第93页2.6、2.7小结1、电力MOSFET是一个N沟道增强型绝缘栅型场效应晶体管（P—MOSFET），属单极型器件；IGBT是结合电力MOSFET与GTR（大功率晶体管）二者优点复合型器件。2、电力MOSFET和IGBT都属于电压控制型全控器件，工作原理与大功率晶体管类似，但与大功率晶体管相比含有①驱动功率小、驱动电路简单；②开关时间短、工作频率高；③含有正电阻温度特征（负电流温度特征）、易于并联应用等优点。3、二者相比：工作频率 电力MOSFET>IGBT 通态电阻 电力MOSFET>IGBT 器件容量 电力MOSFET<IGBT4、二者开关速度与Ciss充放电相关，使用者虽无法减小Ciss，但能够经过减小驱动电阻RG来减小充放电时间常数，提升开关速度。10/10/94北京交通大学电气工程学院器件原理第94页2.6、2.7小结（续）5、二者在使用时，栅极不能开路。6、电力MOSFETD—S极之间存在一个反并寄生二极管，所以无反向阻断能力。7、IGBT本身有反向阻断能力，但IGBT模块普通带反并二极管，所以IGBT模块也无反向阻断能力。8、IGBT模块内部存在一个寄生NPN三极管和体躯电阻，假如Ic过大、或Uce过高、或关断过快（即dUce/dt过大），很可能会出现擎住效应，使极失去控制作用。防止出现擎住效应方法是： ①在c、e极间并电容，以减小关断时dUce/dt； ②增大栅极驱动电阻RG，方便减慢关断速度，从而减小dUce/dt。 另外，要确保Ic、Uce