变频器主电路常用电力半导体器件

变频器主电路

常用的电力半导体器件电力、电子器件

电子技术的基础电力电子器件电力电子电路的基础电子器件：晶体管和集成电路电力电子器件的概念和特征

电力电子电路的基础——电力电子器件概念:电力电子器件（powerelectronicdevice）——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主电路（mainpowercircuit）——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广义上分为两类:电真空器件

(汞弧整流器、闸流管等电真空器件)

半导体器件

(采用的主要材料仍然是硅)同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数。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，在其工作时一般都要安装散热器。

电力电子器件的概念和特征应用电力电子器件的系统组成电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2电力电子器件在实际应用中的系统组成1.1.2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，分为以下三类：半控型器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）不可控器件电力二极管（PowerDiode）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，又称自关断器件。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。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按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：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PowerDiode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。不可控器件—电力二极管PN结与电力二极管的工作原理

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，主要有螺栓型和平板型两种封装电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。PN结的形成扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。PN结与电力二极管的工作原理

PN结的正向向导通状态电导调制效应应使得PN结结在正向电流流较大时压降降仍然很低，，维持在1V左右，所以以正向偏置的的PN结表现现为低阻态。。PN结的反向向截止状态PN结的单向向导电性。二极管的基本本原理就在于于PN结的单单向导电性这这一主要特征征。PN结的反向向击穿有雪崩击穿和和齐纳击穿两两种形式，可可能导致热击击穿。PN结的电容容效应：PN结的电荷荷量随外加电电压而变化，，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。结电容按其产产生机制和作作用的差别分分为势垒电容CB和扩散电容CD。PN结与电力力二极管的工工作原理造成电力二极极管和信息电电子电路中的的普通二极管管区别的一些因素：：正向导通时要要流过很大的的电流，其电电流密度较大大，因而额外外载流子的注注入水平较高高，电导调制制效应不能忽忽略。引线和焊接电电阻的压降等等都有明显的的影响。承受的电流变变化率di/dt较大，因而其其引线和器件件自身的电感感效应也会有有较大影响。。为了提高反向向耐压，其掺掺杂浓度低也也造成正向压压降较大。PN结与电力力二极管的工工作原理电力二极管的的基本特性1.静态特特性主要指其伏安特性电力二极管的的伏安特性当电力二极管管承受的正向向电压大到一一定值（门槛电压UTO），正向电流流才开始明显显增加，处于于稳定导通状状态。与正向向电流IF对应的电力二二极管两端的的电压UF即为其正向电电压降。当电电力二极管承承受反向电压压时，只有少少子引起的微微小而数值恒恒定的反向漏漏电流。2.动态特特性电力二极管的的基本特性动态特性关断过程：开关特性须经过一段短短暂的时间才才能重新获得得反向阻断能能力，进入截截止状态。反映通态和断断态之间的转转换过程因结电容的存存在，三种状状态之间的转转换必然有一一个过渡过程程，此过程中中的电压—电电流特性是随随时间变化的的。开通过程：电力二极管的的正向压降先先出现一个过过冲UFP，经过一段时时间才趋于接接近稳态压降降的某个值（（如2V））。这一动态态过程时间被被称为正向恢恢复时间tfr。电导调制效应应起作用需一一定的时间来来储存大量少少子，达到稳稳态导通前管管压降较大。。正向电流的上上升会因器件件自身的电感感而产生较大大压降。电流流上升率越大大，UFP越高。2.动态特性电力二极管的的基本特性晶闸管（Thyristor））：晶体闸流流管，可控硅硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1956年美美国贝尔实验验室（BellLab）发明了晶晶闸管1957年美美国通用电气气公司（GE）开发出第第一只晶闸管管产品1958年商商业化开辟了电力电电子技术迅速速发展和广泛泛应用的崭新新时代20世纪80年代以来，，开始被性能能更好的全控控型器件取代代能承受的电压压和电流容量量最高，工作作可靠，在大大容量的场合合具有重要地地位晶闸管往往专专指晶闸管的的一种基本类类型——普通通晶闸管，广广义上讲，晶晶闸管还包括括其许多类型型的派生器件件半控器件—晶晶闸管晶闸管的结构构与工作原理理外形有螺栓型型和平板型两两种封装引出阳极A、、阴极K和门门极（控制端端）G三个联联接端对于螺栓型封封装，通常螺螺栓是其阳极极，能与散热热器紧密联接接且安装方便便平板型封装的的晶闸管可由由两个散热器器将其夹在中中间晶闸管的外形形、结构和电电气图形符号号a)外形b)结结构c)电气图形形符号螺栓型晶闸管管晶闸管模块平板型晶闸管管外形及结构构常用晶闸管的结构构晶闸管的结构构与工作原理理Ic1=1IA+ICBO1Ic2=2IK+ICBO2IK=IA+IGIA=Ic1+Ic2式中1和2分别是晶体管管V1和V2的共基极电流流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电电流。由以上上式可得晶闸管的双晶晶体管模型及及其工作原理理a)双晶体体管模型b)工作作原理晶闸管的结构构与工作原理理晶体管的特性性是：在低发射极电电流下是很小的，而而当发射极电电流建立起来来之后，迅速增大。阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶晶闸管的漏电电流稍大于两两个晶体管漏漏电流之和。。开通（门极触触发）：注入触发电流流使晶体管的的发射极电流流增大以致1+2趋近于1的话话，流过晶闸闸管的电流IA（阳极电流））将趋近于无无穷大，实现现饱和导通。。IA实际由外电路路决定。晶闸管的结构构与工作原理理其他几种可能能导通的情况况：阳极电压升高高至相当高的的数值造成雪雪崩效应阳极电压上升升率du/dt过高结温较高光直接照射硅硅片，即光触发光触发可以保保证控制电路路与主电路之之间的良好绝绝缘而应用于于高压电力设设备中，其它它都因不易控控制而难以应应用于实践，，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）。只有门极触发发（包括光触触发）是最精精确、迅速而而可靠的控制制手段晶闸管的结构构与工作原理理晶闸管的基本本特性1.静态特特性总结前面介绍绍的工作原理理，可以简单单归纳晶闸管管正常工作时时的特性如下下：承受反向电压压时，不论门门极是否有触触发电流，晶晶闸管都不会会导通。承受正向电压压时，仅在门门极有触发电电流的情况下下晶闸管才能能开通。晶闸管一旦导导通，门极就就失去控制作作用。要使晶闸管关关断，只能使使晶闸管的电电流降到接近近于零的某一一数值以下。。晶闸管的伏安安特性第I象限的是是正向特性第III象限限的是反向特特性晶闸管的伏安安特性IG2>IG1>IG晶闸管的基本本特性1)正向特性IG=0时，器件件两端施加正正向电压，正正向阻断状态态，只有很小小的正向漏电电流流过，正正向电压超过过临界极限即即正向转折电电压Ubo，则漏电流急急剧增大，器器件开通。随着门极电流流幅值的增大大，正向转折折电压降低。。导通后的晶闸闸管特性和二二极管的正向向特性相仿。。晶闸管本身的的压降很小，，在1V左右右。导通期间，如如果门极电流流为零，并且且阳极电流降降至接近于零零的某一数值值IH以下，则晶闸闸管又回到正正向阻断状态态。IH称为维持电流流。晶闸管的伏安安特性晶闸管的基本本特性2)反向特性晶闸管上施加加反向电压时时，伏安特性性类似二极管管的反向特性性。晶闸管处于反反向阻断状态态时，只有极极小的反相漏漏电流流过。。当反向电压超超过一定限度度，到反向击击穿电压后，，外电路如无无限制措施，，则反向漏电电流急剧增加加，导致晶闸闸管发热损坏坏。晶闸管的伏安安特性晶闸管的基本本特性2.动态特特性晶闸管的开通通和关断过程程波形晶闸管的基本本特性1)开通过过程延迟时间td：门极电流阶阶跃时刻开始始，到阳极电电流上升到稳稳态值的10%的时间。上升时间tr：阳极电流从从10%上升升到稳态值的的90%所需的时间。。开通时间tgt以上两者之和和，tgt=td+tr普通晶闸管延延迟时为0.5~1.5s，上升时间为为0.5~3s。晶闸管的开通通和关断过程程波形晶闸管的基本本特性2)关断过过程反向阻断恢复复时间trr：正向电流降降为零到反向向恢复电流衰衰减至接近于于零的时间正向阻断恢复复时间tgr：晶闸管要恢恢复其对正向向电压的阻断断能力还需要要一段时间在正向阻断恢恢复时间内如如果重新对晶晶闸管施加正正向电压，晶晶闸管会重新新正向导通。。实际应用中，，应对晶闸管管施加足够长长时间的反向向电压，使晶晶闸管充分恢恢复其对正向向电压的阻断断能力，电路路才能可靠工工作。关断时间tq：trr与tgr之和，即tq=trr+tgr普通晶闸管的的关断时间约约几百微秒。。晶闸管的开通通和关断过程程波形晶闸管的基本本特性晶闸管的派生生器件1.快速晶晶闸管（FastSwitchingThyristor———FST)包括所有专为为快速应用而而设计的晶闸闸管，有快速速晶闸管和高高频晶闸管。。管芯结构和制制造工艺进行行了改进，开开关时间以及及du/dt和di/dt耐量都有明显显改善。普通晶闸管关关断时间数百百微秒，快速速晶闸管数十十微秒，高频频晶闸管10s左右。高频晶闸管的的不足在于其其电压和电流流定额都不易易做高。由于工作频率率较高，选择择通态平均电电流时不能忽忽略其开关损损耗的发热效效应。2.双向晶闸闸管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor））图1-10双双向晶闸闸管的电气图图形符号和伏伏安特性a)电气图图形符号b)伏安安特性晶闸管的派生生器件可认为是一对对反并联联接接的普通晶闸闸管的集成。。有两个主电极极T1和T2，一个门极G。正反两方向均均可触发导通通，所以双向向晶闸管在第第Ｉ和第III象限有对对称的伏安特特性。与一对反并联联晶闸管相比比是经济的，，且控制电路路简单，在交交流调压电路路、固态继电电器（SSR）和交流电电机调速等领领域应用较多多。通常用在交流流电路中，因因此不用平均值而而用有效值来来表示其额定定电流值。3.逆导晶晶闸管（ReverseConductingThyristor——RCT）逆导晶闸管的的电气图形符符号和伏安特特性a)电气图图形符号b)伏安安特性晶闸管的派生生器件将晶闸管反并并联一个二极极管制作在同同一管芯上的的功率集成器器件。具有正向压降降小、关断时时间短、高温温特性好、额额定结温高等等优点。逆导晶晶闸管管的额额定电电流有有两个个，一一个是是晶闸闸管电电流，，一个个是反反并联联二极极管的的电流流。4.光光控控晶闸闸管（（LightTriggeredThyristor———LTT）光控晶晶闸管管的电电气图图形符符号和和伏安安特性性a)电电气图图形符符号b)伏伏安安特性性晶闸管管的派派生器器件又称光光触发发晶闸闸管，，是利利用一一定波波长的的光照照信号号触发发导通通的晶晶闸管管。小功率率光控控晶闸闸管只只有阳阳极和和阴极极两个个端子子。大功率率光控控晶闸闸管则则还带带有光光缆，，光缆缆上装装有作作为触触发光光源的的发光光二极极管或或半导导体激激光器器。光触发发保证证了主主电路路与控控制电电路之之间的的绝缘缘，且且可避避免电电磁干干扰的的影响响，因因此目目前在在高压压大功功率的的场合合，如如高压压直流流输电电和高高压核核聚变变装置置中，，占据据重要要的地地位。。门极可可关断断晶闸闸管———在在晶闸闸管问问世后后不久久出现现。20世世纪80年年代以以来，，信息息电子子技术术与电电力电电子技技术在在各自自发展展的基基础上上相结结合———高高频化化、全全控型型、采采用集集成电电路制制造工工艺的的电力力电子子器件件，从从而将将电力力电子子技术术又带带入了了一个个崭新新时代代。典型代代表———门门极可可关断断晶闸闸管、、电力力晶体体管、、电力力场效效应晶晶体管管、绝绝缘栅栅双极极晶体体管。。典型全全控型型器件件门极可可关断断晶闸闸管门极可可关断断晶闸闸管（（Gate-Turn-OffThyristor——GTO）晶闸管管的一一种派派生器器件可以通通过在在门极极施加加负的的脉冲冲电流流使其其关断断GTO的电电压、、电流流容量量较大大，与与普通通晶闸闸管接接近，，因而而在兆兆瓦级级以上上的大大功率率场合合仍有有较多多的应应用1.GTO的的结构构和工工作原原理结构：：与普通通晶闸闸管的的相同点点：PNPN四四层半半导体体结构构，外外部引引出阳阳极、、阴极极和门门极。。和普通通晶闸闸管的的不同点点：GTO是是一种种多元元的功功率集集成器器件，，内部部包含含数十十个甚甚至数数百个个共阳阳极的的小GTO元，，这些些GTO元元的阴阴极和和门极极则在在器件件内部部并联联在一一起。。GTO的内内部结结构和和电气气图形形符号号a)各各单单元的的阴极极、门门极间间隔排排列的的图形形b)并并联单单元结结构断断面示示意图图c)电电气图图形符符号门极可可关断断晶闸闸管工作原原理：：与普通通晶闸闸管一一样，，可以以用图图1示示的双双晶体体管模模型来来分析析。晶闸管管的双双晶体体管模模型及及其工工作原原理1+2=1是器件件临界界导通通的条条件。当1+2>1时时，两两个等等效晶晶体管管过饱饱和而而使器器件导导通；；当1+2<1时时，不不能维维持饱饱和导导通而而关断断。由P1N1P2和N1P2N2构成成的的两两个个晶晶体体管管V1、V2分别别具具有有共共基基极极电电流流增增益益α1和α2。门极极可可关关断断晶晶闸闸管管GTO能能够够通通过过门门极极关关断断的的原原因因是是其其与与普普通通晶晶闸闸管管有有如如下下区别别：门极极可可关关断断晶晶闸闸管管（1））设计计2较大大，，使使晶晶体体管管V2控制灵灵敏敏，，易易于于GTO关关断断。。（2）导导通通时时1+2更接接近近1（（1.05，，普普通通晶晶闸闸管管1+21.15））导导通通时时饱饱和和不不深深，，接接近近临临界界饱饱和和，，有有利利门门极极控控制制关关断断，，但但导导通通时时管管压压降降增增大大。。（3））多元元集集成成结结构构使使GTO元元阴阴极极面面积积很很小小，，门门、、阴阴极极间间距距大大为为缩缩短短，，使使得得P2基区横向向电阻很很小，能能从门极极抽出较较大电流流。。晶闸管的的工作原原理由上述分分析我们们可以得得到以下下结论：GTO导导通过程程与普通通晶闸管管一样，，只是导导通时饱和程度度较浅。GTO关关断过程程：强烈烈正反馈馈——门门极加负负脉冲即即从门极极抽出电电流，则则Ib2减小，使使IK和Ic2减小，Ic2的减小又又使IA和Ic1减小，又又进一步步减小V2的基极电电流。当当IA和IK的减小使使1+2<1时，，器件退退出饱和和而关断断。多元集成成结构还还使GTO比普普通晶闸闸管开通通过程快快，承受受di/dt能力强。。门极可关关断晶闸闸管术语用法法：电力晶体体管（GiantTransistor——GTR，，直译为为巨型晶晶体管））耐高电压压、大电电流的双双极结型型晶体管管（BipolarJunctionTransistor———BJT），英英文有时时候也称称为PowerBJT。在电力电电子技术术的范围围内，GTR与与BJT这两个个名称等等效。应用20世纪纪80年年代以来来，在中中、小功功率范围围内取代代晶闸管管，但目目前又大大多被IGBT和电力力MOSFET取代。。电力晶体体管电力晶体体管GTR有有三种类类型*单管非非隔离型型*非隔离离型达林林顿电力力晶体管管*模块型型电力晶晶体管一单元结结构二单元结结构四单元结结构六单元结结构一单元结结构就是是在一个个模块内内有一个个电力晶晶体管和和一个续续流二极极管反向向并联1.GTR的的结构和和工作原原理电力晶体体管与普通的的双极结结型晶体体管基本本原理是是一样的的。主要特性性是耐压压高、电电流大、、开关特特性好。。通常采用用至少由由两个晶晶体管按按达林顿顿接法组组成的单单元结构构。采用集成成电路工工艺将许许多这种种单元并并联而成成。在应用中中，GTR一般般采用共共发射极极接法。。集电极电电流ic与基极电电流ib之比为——GTR的电流放大大系数，反映了了基极电电流对集集电极电电流的控控制能力力当考虑到到集电极极和发射射极间的的漏电流流Iceo时，ic和ib的关系为为ic=ib+Iceo产品说明明书中通通常给直直流电流流增益hFE——在直直流工作作情况下下集电极极电流与与基极电电流之比比。一般般可认为为hFE。单管GTR的值比小功功率的晶晶体管小小得多，，通常为为10左左右，采采用达林林顿接法法可有效效增大电电流增益益。电力晶体体管2.GTR的的基本特特性(1)静态特性性共发射极极接法时时的典型型输出特特性：截止区、放大区和饱和区。。在电力电电子电路路中GTR工作作在开关关状态，，即工作作在截止止区或饱饱和区在开关过过程中，，即在截截止区和和饱和区区之间过过渡时，，要经过过放大区区共发射极极接法时时GTR的输出出特性电力晶体体管(2)动态特性性开通过程程延迟时间间td和上升时时间tr，二者之之和为开通时间间ton。td主要是由由发射结结势垒电电容和集集电结势势垒电容容充电产产生的。。增大ib的幅值并并增大dib/dt，可缩短短延迟时时间，同同时可缩缩短上升升时间，，从而加加快开通通过程。。GTR的的开通和和关断过过程电流流波形电力晶体体管关断过程程储存时间间ts和下降时时间tf，二者之之和为关断时间间toff。ts是用来除除去饱和和导通时时储存在在基区的的载流子子的，是是关断时时间的主主要部分分。减小导通通时的饱饱和深度度以减小小储存的的载流子子，或者者增大基基极抽取取负电流流Ib2的幅值和和负偏压压，可缩缩短储存存时间，，从而加加快关断断速度。。负面作用用是会使使集电极极和发射射极间的的饱和导导通压降降Uces增加，从从而增大大通态损损耗。GTR的的开关时时间在几几微秒以以内，比比晶闸管管和GTO都短短很多。。GTR的的开通和和关断过过程电流流波形电力晶体体管GTR主主要参数数开路阻断断电压UCEO——基极极开路时时，集电电极与发发射极间间能承受受的持续续电压。。反映GTR的耐耐压能力力集电极最最大持续续电流ICM——当基基极正向向偏置时时集电极极能流入入的最大大电流。。开断阻断断电压和和集电极极最大持持续电流流体现了GTR的的容量GTR主主要参数数电流增益益HFE——电流流放大倍倍数。数值越大大，管子驱驱动电路路功率越越小，则则越好开关频率率——通通过开通通时间、、存储时时间、下下降时间间估算出出GTR的最高高工作频频率。电力晶体体管一次击穿穿：集电极电电压升高高至击穿穿电压时时，Ic迅速增大大。只要Ic不超过限限度，GTR一般不会会损坏，，工作特特性也不不变。二次击穿穿：一次击穿穿发生时时，如不不能有效效的限制制电流，，Ic突然急剧剧上升，，电压陡陡然下降降。常常立即即导致器器件的永永久损坏坏，或者者工作特特性明显显衰变。。安全工作作区（SafeOperatingArea——SOA）最高电压压UceM、集电极极最大电电流IcM、最大耗耗散功率率PcM、二次击击穿临界界线限定定。GTR的二次击击穿现象象与安全全工作区区GTR的的选择方方法开路阻断断电压UCEO选择方法法——通通常按电电源线电电压峰值2倍倍选择。集电极电电流最大大电流ICM选选择方法法——按按额定电流峰值值的2倍倍进行选选择GTR的的一种驱驱动电路路，包括括电气隔隔离和晶晶体管放放大电路路两部分分二极管VD2和电位补补偿二极极管VD3构成贝克箝位位电路，也即一一种抗饱和电路，负负载较轻轻时，如如V5发射极电电流全注注入V，，会使V过饱和和。有了了贝克箝箝位电路路，当V过饱和和使得集集电极电电位低于于基极电电位时，，VD2会自动导导通，使使多余的的驱动电电流流入入集电极极，维持持Ubc≈0。C2为加速开开通过程程的电容容。开通通时，R5被C2短路。可可实现驱驱动电流流的过冲冲，并增增加前沿沿的陡度度，加快快开通。。图1-31GTR的的一种驱驱动电路路典型全控控型器件件的驱动动电路1.6.3电力场效效应晶体体管-PowerMOSFET特点:PowerMOSFET用用栅极电压压来控制漏漏极电流流驱动电路路简单，，需要的的驱动功功率小开关速度度快，工工作频率率高热稳定性性优于GTR电流容量量小，耐耐压低，，一般只只适用于于功率不不超过10kW的电力力电子装装置分类结型绝缘栅型型主要指绝缘栅型型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）一般称作作静电感感应晶体体管（StaticInductionTransistor——SIT绝缘栅双极晶体体管IGBTGTR和和GTO的特点点——双双极型，，电流驱驱动，有有电导调调制效应应，通流流能力很很强，开开关速度度较低，，所需驱驱动功功率大，，驱动电电路复杂杂MOSFET的的优点———单极极型，电电压驱动动，开关关速度快快，输入入阻抗高高，热稳稳定性好好，所需需驱动功功率小而而且驱动动电路简简单两类器件件取长补补短结合合而成的的复合器器件—Bi-MOS器器件绝缘栅双双极晶体体管(Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT））是GTR和和MOSFET复合合，结合二二者的优点点，具有好好的特性1986年年投入市场场后，取代代了GTR和一部分分MOSFET的市市场,中小小功率电力力电子设备备的主导器器件继续提高电电压和电流流容量，以以期再取代代GTO的的地位绝缘栅双极晶体管管1.IGBT的结结构和工作作原理三端器件：：栅极G、、集电极C和发射极极EIGBT的的结构、简简化等效电电路和电气气图形符号号a)内部部结构断面面示意图b)简简化等效效电路c)电电气图形符符号绝缘栅双极极晶体管IGBT的的结构图1-22a—N沟沟道VDMOSFET与GTR组合———N沟道道IGBT（N-IGBT））IGBT比比VDMOSFET多一层P+注入区，形形成了一个个大面积的的P+N结J1。——使IGBT导通通时由P+注入区向N基区发射射少子，从从而对漂移移区电导率率进行调制制，使得IGBT具具有很强的的通流能力力。简化等效电电路表明，，IGBT是GTR与MOSFET组组成的达林林顿结构，，一个由MOSFET驱动的的厚基区PNP晶体体管。RN为晶体管基基区内的调调制电阻。。IGBT的的结构、简简化等效电电路和电气气图形符号号a)内部部结构断面面示意图b)简简化等效效电路c)电电气图形符符号绝缘栅双极极晶体管IGBT的的原理驱动原理与与电力MOSFET基本相同同，场控器器件，通断断由栅射极极电压uGE决定。导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内内形成沟道道，为晶体体管提供基基极电流，，IGBT导通。导通压降：电导调制制效应使电电阻RN减小，使通通态压降小小。关断：栅射极间间施加反压压或不加信信号时，MOSFET内的沟沟道消失，，晶体管的的基极电流流被切断，，IGBT关断。绝缘栅双极极晶体管2.IGBT的基基本特性1)IGBT的的静态特性性IGBT的的转移特性性和输出特特性a)转移移特性b)输输出特性绝缘栅双极极晶体管转移特性———IC与UGE间的关系，，与MOSFET转转移特性类类似。开启电压UGE(th)——IGBT能实现现电导调制制而导通的的最低栅射射电压。UGE(th)随温度升高高而略有下下降，在+25C时，UGE(th)的值一般为为2~6V。输出特性（伏安特性性）——以以UGE为参考变量量时，IC与UCE间的关系。。分为三个区区域：正向向阻断区、、有源区和和饱和区。。分别与GTR的截截止区、放放大区和饱饱和区相对对应。uCE<0时，IGBT为反向阻断工工作状态。IGBT的转转移特性和输输出特性a)转移特特性b)输出特性性绝缘栅双极晶晶体管2)IGBT的动动态特性IGBT的开开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM绝缘栅双极晶晶体管IGBT的开开通过程与MOSFET的相似，，因为开通过过程中IGBT在大部分分时间作为MOSFET运行。开通延迟时间间td(on)——从uGE上升至其幅值值10%的时时刻，到iC上升至10%ICM²。电流上升时间间tr——iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间。开通时间ton——开通延迟迟时间与电流流上升时间之之和。uCE的下降过程分分为tfv1和tfv2两段。tfv1——IGBT中MOSFET单独工工作的电压下下降过程；tfv2——MOSFET和PNP晶体管同同时工作的电电压下降过程程。IGBT的开开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM绝缘栅双极晶晶体管IGBT的关关断过程关断延迟时间间td(off)——从uGE后沿下降到其其幅值90%的时刻起，，到iC下降至90%ICM。电流下降时间间——iC从90%ICM下降至10%ICM。关断时间toff——关断延迟迟时间与电流流下降之和。。电流下降时间间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1——IGBT内部的MOSFET的的关断过程，，iC下降较快；tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的的关断过程，，iC下降较慢。IGBT的开开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM绝缘栅双极晶晶体管IGBT中双双极型PNP晶体管的存存在，虽然带带来了电导调调制效应的好好处，但也引引入了少子储储存现象，因因而IGBT的开关速度度低于电力MOSFET。IGBT的击击穿电压、通通态压降和关关断时间也是是需要折衷的的参数。高压压器器件件的的N基基区区必必须须有有足足够够宽宽度度和和较较高高的的电电阻阻率率，，这这会会引引起起通通态态压压降降的的增增大大和和关关断断时时间间的的延延长长。。绝缘缘栅栅双双极极晶晶体体管管通过过对对IGBT的基基本本特特性性的的分分析析，，可可以以看看出出：：IGBT的主主要要参参数数集电电极极————发发射射极极额额定定电电压压UCES：栅栅极极与与发发射射极极短短路路时时，，IGBT能能承承受受的的耐耐压压。。栅极极————发发射射极极额额定定电电压压UGES：：栅栅极极控控制制信信号号的的额额定定值值额定定集集电电极极电电流流：：IGBT在在导导通通时时能能流流过过管管子子的的持持续续最最大大电电流流。。集电电极极————发发射射极极饱饱和和电电压压：：此此值值越越小小，，管管子子损损耗耗越越小小。。开通通时时间间和和关关断断时时间间：：与与GTR的的定定义义基基本本相相同同绝缘缘栅栅双双极极晶晶体体管管IGBT的的特特性性和和参参数数特特点点可可以以总总结结如如下下：：绝缘缘栅栅双双极极晶晶体体管管(1)开关关速速度度高高，，开开关关损损耗耗小小。。在在电电压压1000V以以上上时时，，开开关关损损耗耗只只有有GTR的的1/10，，与与电电力力MOSFET相相当当。。(2)相同同电电压压和和电电流流定定额额时时，，安安全全工工作作区区比比GTR大大，，且且具具有有耐耐脉脉冲冲电电流流冲冲击击能能力力。。(3)通态态压压降降比比VDMOSFET低低，，特特别别是是在在电电流流较较大大的的区区域域。。(4)输入入阻阻抗抗高高，，输输入入特特性性与与MOSFET类类