电子技术基础(电力半导体器件)

1-1电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。图1-1

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保护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行第三节电力半导体器件电气隔离控制电路1-2不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。半控型器件（Thyristor）

——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（IGBT,MOSFET)——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。电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：｛晶闸管及其派生器件｛绝缘栅双极晶体管电力效应晶体管门极可关断晶体管门极可关断晶体管处理兆瓦级大功率电能电力二极管只有两个端子1-3单极型

——有一种载流子参与导电。如功率晶体管（GTR）、门极可关断晶闸管（GTO）。双极型

——电子和空穴两种载流子参与导电。如功率场效应晶体管（MODFET）混合型

——单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。如晶闸管（SCR）电力电子器件的分类

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：1-4

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—功率二极管整流二极管及模块1-5基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。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PN结与电力二极管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK1-6

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

晶闸管的结构与工作原理外形有螺栓型和平板型两种封装。有三个联接端。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。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。半控器件—晶闸管1-7

晶闸管的结构与工作原理式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式可得：

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

按晶体管的工作原理，得：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）（1-5）1-8

晶闸管的结构与工作原理在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。

阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。1-9

晶闸管的结构与工作原理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du/dt过高结温较高光触发光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。其他几种可能导通的情况：1-10

晶闸管的基本特性承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。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。晶闸管一旦导通，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零的某一数值以下。晶闸管正常工作时的特性总结如下：1-11

晶闸管的基本特性（1）正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1）静态特性图9.3-4晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG1-12

晶闸管的基本特性反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。图9.3-4晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性1-13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点：GTO是一种内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元的多元的功率集成器件。GTO元的阴极和门极在器件内部并联在一起。图9.3-13GTO的内部结构和电气图形符号

a)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c)电气图形符号1）GTO的结构和工作原理

门极可关断晶闸管1-14工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图9.3-14所示的双晶体管模型来分析。

图9.3-14晶闸管的双晶体管模型及其工作原理

1+2=1是器件临界导通的条件。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

。

门极可关断晶闸管1-15GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO。导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。

多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。

图9.3-14晶闸管的工作原理

门极可关断晶闸管1-16GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程中有强烈正反馈使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。

由上述分析我们可以得到以下结论：

门极可关断晶闸管1-17功率晶体管功率晶体管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）。耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有时候也称为PowerBJT。

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。术语用法：1-18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。功率晶体管1）GTR的结构和工作原理1-19功率晶体管在应用中，GTR一般采用共发射极接法。集电极电流ic与基极电流ib之比为

——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力。当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为ic=ib+Iceo

单管GTR的

值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。空穴流电子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib1）GTR的结构和工作原理1-20功率晶体管

(1)

静态特性共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。在电力电子电路中GTR工作在开关状态。在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce图9.4-4共发射极接法时GTR的输出特性2）GTR的基本特性1-21功率晶体管开通过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。加快开通过程的办法。关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff

。加快关断速度的办法。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd图9.4-5GTR的开通和关断过程电流波形(2)

动态特性1-22功率晶体管前已述及：电流放大倍数（）、直流电流增益hFE()、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff

(此外还有)：（1)

最高工作电压

3）GTR的主要参数1-23功率晶体管通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3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。

3)

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。

2)

集电极最大允许电流IcM1-24功率晶体管一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。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：一次击穿发生时，Ic突然急剧上升，电压陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。安全工作区（SafeOperatingArea——SOA）最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceMGTR的安全工作区GTR的二次击穿现象与安全工作区功率场效应晶体管1-26功率场效应晶体管分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）简称功率MOSFET（PowerMOSFET）结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor——SIT）

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。功率场效应晶体管1-27功率场效应晶体管功率MOSFET的种类

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。

功率MOSFET主要是N沟道增强型。一、功率MOSFET的结构和工作原理1-28

功率场效应晶体管截止：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。导电：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。图9.5-1功率MOSFET的结构和电气图形符号功率MOSFET的工作原理1-29

功率场效应晶体管

(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)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图9.5-2

功率MOSFET的转移特性和输出特性

a)转移特性b)输出特性2）功率MOSFET的基本特性GSDVGS+-VDS+-n-channel1-30

功率场效应晶体管截止区（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。图9.5-2功率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：010203050402468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A漏源电压增加时漏极电流不再增加饱和非饱和漏源电压增加时漏极电流相应增加1-31

功率场效应晶体管开通过程开通延迟时间td(on):从uP前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的这段时间上升时间tr:uGS从开启电压上升到MOSFET进入非饱和区的栅压uGSP的时间开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图9.5-5

功率MOSFET的开关过程a)测试电路b)开关过程波形up—脉冲信号源，Rs—信号源内阻，RG—栅极电阻，RL—负载电阻，RF—检测漏极电流(2)

动态特性ton=td(on)+tr1-32

功率场效应晶体管关断过程关断延迟时间td(off):从脉冲电压up下降到零时，栅极输入电容Cin通过信号源内阻RG(》RS)和栅极电阻开始放电，栅极电压uGS按指数曲线下降，下降到uGSP时，漏极电流iD开始减小的这段时间.下降时间tf:Cin继续放电，uGS从继续下降，iD减小，到

uSG<UT时沟道消失，iD下降到零的时间.a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图9.5-5

功率MOSFET的开关过程a)测试电路b)开关过程波形up—脉冲信号源，Rs—信号源内阻，RG—栅极电阻，RL—负载电阻，RF—检测漏极电流(2)

动态特性1-33

功率场效应晶体管关断过程关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图9.5-5

功率MOSFET的开关过程a)测试电路b)开关过程波形up—脉冲信号源，Rs—信号源内阻，RG—栅极电阻，RL—负载电阻，RF—检测漏极电流(2)

动态特性toff=td(off)+tf1-34

功率场效应晶体管

MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。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，关断过程非常迅速。开关时间在10~100ns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。MOSFET的开关速度1-35

功率场效应晶体管3)功率MOSFET的主要参数

——功率MOSFET电压定额(1)

漏极电压UDS

(2)

漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM——功率MOSFET电流定额(3)

栅源电压UGS——UGS>20V将导致绝缘层击穿。

除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：

(4)

极间电容——极间电容CGS、CGD和CDS1-36绝缘栅双极晶体管两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。1986年投入市场，是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。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单。1-37绝缘栅双极晶体管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E图9.6-1IGBT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1-38绝缘栅双极晶体管图a—N沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，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。图9.6-1IGBT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IGBT的结构1-39绝缘栅双极晶体管

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。属于电压控制型功率器件。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。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。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。IGBT的原理1-40a)b)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加绝缘栅双极晶体管2)IGBT的基本特性(1)

IGBT的静态特性图9.6-2IGBT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。1-41绝缘栅双极晶体管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM图9.6-4IGBT的开关过程IGBT的开通过程

与MOSFET的相似开通延迟时间td(on):驱动电压uGE前沿上升至幅值的10%到集电极电流iC上升至幅值的10%的时间电流上升时间tr:集电极电流iC从10%ICM上升90%ICM的时间开通时间ton:

ton=td(on)+tr

(2)

IGBT的动态特性1-42绝缘栅双极晶体管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM图9.6-4IGBT的开关过程IGBT的开通过程

与MOSFET的相似uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。

tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；

tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。(2)

IGBT的动态特性1-43绝缘栅双极晶体管图9.6-4IGBT的开关过程关断延迟时间td(off）:驱动电压uGE后沿下降至幅值的90%到集电极电流iC下降至幅值的90%的时间电流下降时间:集电极电流iC从90%ICM下降至10%ICM的时间

关断时间toff:

toff=td(off)+tf

IGBT的关断过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1-44绝缘栅双极晶体管图9.6-4IGBT的开关过程电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1——IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。IGBT的关断过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1-45绝缘栅双极晶体管图9.6-4IGBT的开关过程IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数。高压器件的N基区必须有足够宽度和较高的电阻率，这会引起通态压降的增大和关断时间的延长。ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1-46绝缘栅双极晶体管3)IGBT的主要参数正常工作温度下允许的最大功耗。(4)

最大集电极功耗PCM管子导通是允许流过的最大持续电流，包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。

(3)

最大集电极电流

由内部PNP晶体管的击穿电压确定，通常是栅发极短路时，集射间的耐压值。(1)

最大集射极间电压UCES绝缘栅双极晶体管器件优点缺点应用领域GTR耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低开关速度低，电流驱动型需要驱动功率大，驱动电路复杂，存在2次击穿问题UPS、空调等中小功率中频场合GTO电压、电流容量很大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强电流关断增益小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低高压直流输电、高压静止无功补偿、高压电机驱动、电力机车地铁等高压大功率场合。MOSFET开关速度快，开关损耗小，工作频率高，门极输入阻抗高，热稳定性好，驱动功率小，驱动电路简单，没有2次击穿电流容量小，耐压低，通态损耗较大，一般适合于高频小功率场合开关电源、日用电气、民用军用高频电子产品IGBT开关速度高，开关损耗小，通态压降低，电压、电流容量较高。门极输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单开关速度不及电力MOSFET，电压、电流容量不及GTO。电机调速，逆变器、变频器等中等功率、中等频率的场合，已取代GTR。应用最广泛的电力电子器件。

电力电子器件的选用和保护电力电子器件的选用和保护电力电子器件的串联和并联使用静态均压措施选用参数和特性尽量一致的器件采用电阻均压，Rp的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多晶闸管的串联动态均压措施动态不均压——由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压。如开通时间或反向恢复时间的偏差引起的分压不均。动态均压措施：选择动态参数和特性尽量一致的器件用RC并联支路作动态均压采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间上的差异2.12.1晶闸管的串联均流措施:挑选特性参数尽量一致的器件在SCR支路上串联电抗用门极强脉冲触发也有助于动态均流当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接晶闸管的并联在使用电力电子器件时，除了要注意选择参数合适的器件、设计有效的驱动电路，还要采取必要的措施，进行过电压保护和过电流保护，同时还要抑制过大的di/dt和du/dt。电力电子器件的保护电力电子装置可能的过电压—外因过电压和内因过电压外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外因雷击过电压：由雷击引起操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起。电力电子器件的保护

内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程

1）换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大