第1章 电力电子器件改

电力电子器件第1章不可控二极管半控晶闸管全控型器件新型电力电子器件电力电子器件的概述电子电路的基础介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题简要概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题本章主要内容：

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第1章电力电子器件的概述1.1.1电力电子器件的概念和特征1.1.2应用电力电子器件的系统组成1.1.3电力电子器件的分类1.1.4本章内容和学习要点

1.1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1.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1.1.12.分类: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)主电路（mainpowercircuit）——承担电能的变换或控制任务的电路3.

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。该能力远大于处理信息的电子器件。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(驱动电路)。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1.1.1主要损耗通态损耗：断态损耗：开关损耗：开通损耗：在器件开通的转换过程中产生的损耗关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损耗通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是器件功率损耗的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的主要因素电力电子器件的概念和特征1.1.1导通时器件上有一定的通态压降阻断时器件上有微小的断态漏电流流过对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一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图1-1电力电子器件在实际应用中的系统组成1.1.2电气隔离控制端主电路端子控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能。还包括检测电路等主电路之外的所有电路。主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔离，而通过其它手段如光、磁等来传递信号应用电力电子器件的系统组成1.1.2由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行，也往往是非常必要的。器件一般有三个端子（或称极或管角），其中两个联结在主电路中，而第三端被称为控制端（或控制极）。器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。应用电力电子器件的系统组成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1.1.3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）。它只有两个端子，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，它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：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1.1.32)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本章内容和学习要点学习要点:

最重要的是掌握其基本特性掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法，这是在实际中正确应用电力电子器件的两个基本要求由于电力电子电路的工作特点和具体情况的不同，可能会对与电力电子器件用于同一主电路的其它电路元件，如变压器、电感、电容、电阻等，有不同于普通电路的要求1.1.4本章内容:介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。不可控器件—电力二极管1.2.1

PN结与电力二极管的工作原理1.2.2电力二极管的基本特性1.2.3电力二极管的主要参数1.2.4电力二极管的主要类型1.2

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1.2PN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图1-2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1.2.1N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。图1-3PN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

1.2.1PN结的正向导通状态PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。PN结的反向截止状态PN结的单向导电性。二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。PN结的反向击穿

有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。PN结的电容效应：PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD

。PN结与电力二极管的工作原理

1.2.1势垒电容只在外加电压变化时才起作用。外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。PN结与电力二极管的工作原理

1.2.1扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。结电容影响PN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，甚至不能工作，应用时应加以注意。电力二极管的基本特性1.静态特性（伏安特性）图1-4电力二极管的伏安特性1.2.2门槛电压正向电压降2.动态特性电力二极管的基本特性1.2.2动态特性（开关特性）——反映通态和断态之间的转换过程关断过程：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。

因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，相应的电压—电流特性是随时间变化的。电力二极管的基本特性2.动态特性1.2.2反电压过冲正向平均电流延迟时间：td=t1-t0，电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示电力二极管的基本特性1.2.2正向恢复时间正向压降的过冲开通过程：

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。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，UFP越高。电力二极管的主要参数正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小1.2.31.正向平均电流IF(AV)在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值对应的有效值为1.57IF(AV)2.正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降电力二极管的主要参数1.2.33.

反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压通常是其雪崩击穿电压UB的2/3使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定4.最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125~175C范围之内。电力二极管的主要参数1.2.35.反向恢复时间trrtrr=td+tf

，关断过程中，电流降到零起到恢复反响阻断能力止的时间。6.浪涌电流IFSM指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。电力二极管的主要类型关注正向压降、反向耐压、反向漏电流，特别是反向恢复特性。在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管。性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。1.

普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（RectifierDiode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要。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以上。1.2.42.快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）电力二极管的主要类型1.2.4恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5s以下）的二极管，也简称快速二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。工艺上多采用了掺金措施，有的采用PN结型结构，有的采用改进的PiN结构采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下3.

肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD），简称为肖特基二极管20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用电力二极管的主要类型1.2.4肖特基二极管的弱点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200V以下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肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（10~40ns）正向恢复过程中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，明显低于快恢复二极管其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高半控器件—晶闸管

1.3.1晶闸管的结构与工作原理

1.3.2晶闸管的基本特性

1.3.3晶闸管的主要参数

1.3.4晶闸管的派生器件1.31956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品1958年商业化开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位半控器件—晶闸管1.3晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管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引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端对于螺栓型封装，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封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间1.3.1图1-6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Ic1=1IA+ICBO1（1-1）Ic2=2IK+ICBO2（1-2）IK=IA+IG

（1-3）

IA=Ic1+Ic2

（1-4）

图1-7晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的结构与工作原理1.3.1由以上四式可得（1-5）V2V1IGIC2=IB1IC1晶体管的特性是：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。晶闸管的结构与工作原理1.3.1开通（门极触发）：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（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。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。实际由外电路负载决定，维持有限值其他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上升率du/dt过高结温较高光直接照射硅片，即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）。晶闸管的结构与工作原理1.3.1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晶闸管的基本特性1.静态特性简单归纳晶闸管正常工作时的特性如下：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；或者去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加反向电压。1.3.2晶闸管的伏安特性

图1-8晶闸管的伏安特性晶闸管的基本特性1.3.2正向转折电压维持电流IG2>IG1>IG2.动态特性图1-9晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的基本特性1.3.21)开通过程晶闸管的基本特性1.3.2普通晶闸管延迟时为0.5~1.5s，上升时间为0.5~3s。上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。开通时间tgt以上两者之和

tgt=td+tr

（1-6）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的

10%的时间。2)

关断过程反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间晶闸管的基本特性1.3.2普通晶闸管的关断时间约几百微秒。关断时间tq：trr与tgr之和，即

tq=trr+tgr

正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，电路才能可靠工作。

1.电压定额晶闸管的主要参数

1.3.3

——在门极断路而结温为额定值时，允许加在器件上的正向峰值电压。通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。1)

断态重复峰值电压UDRM2)

反向重复峰值电压URRM3)

通态（峰值）电压UTM频率为50HZ，每次持续时间不超过10ms重复2.电流定额晶闸管的主要参数

1.3.3

——晶闸管在环境温度为40C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波电流的平均值。标称其额定电流的参数。——使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安，与结温有关。结温越高，则IH越小。——晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍。——指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。

4)

浪涌电流ITSM3)

擎住电流IL

2)

维持电流IH

——使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管。应留一定的裕量，一般取1.5~2倍。1)

通态平均电流IT(AV)

对应的有效值为1.57IT(AV)返回晶闸管的主要参数3.动态参数

1.3.3

——指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。——指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。(2)通态电流临界上升率di/dt(1)

断态电压临界上升率du/dt除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：晶闸管的派生器件1.快速晶闸管（FastSwitchingThyristor——FST)包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，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耐量都有明显改善。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。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。1.3.42.双向晶闸管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）图1-10双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性晶闸管的派生器件1.3.4可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（SSR）和交流电机调速等领域应用较多。通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。3.逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor——RCT）图1-11逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性晶闸管的派生器件1.3.4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。逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管的电流。4.光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）图1-12光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性晶闸管的派生器件1.3.4又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。小功率光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，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器。光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。典型全控型器件

1.4.1门极可关断晶闸管

1.4.2电力晶体管

1.4.3电力场效应晶体管

1.4.4绝缘栅双极晶体管1.4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。典型全控型器件1.420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。门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）晶闸管的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1.4.1和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。图1-13GTO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)电气图形符号门极可关断晶闸管1.4.11.GTO的结构和工作原理结构：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。工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。图1-7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。

当1+2>1时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；

当1+2<1时，不能维持饱和导通而关断。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1.4.1GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：门极可关断晶闸管1.4.1

（1）设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断。(2)导通时1+2更接近1（1.05，普通晶闸管1+21.15），接近临界饱和，有利门极控制关断，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。门极可关断晶闸管GTO关断过程：强烈正反馈——门极加负脉冲即从门极抽出电流，则Ib2

IK和Ic2

IA和Ic1

V2的基极电流。当IA和IK的减小使1+2<1时，器件退出饱和而关断。1.4.1由上述分析我们可以得到以下结论：GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。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。2.

GTO的动态特性开通过程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间tr。图1-14GTO的开通和关断过程电流波形门极可关断晶闸管1.4.1关断过程：与普通晶闸管有所不同抽取饱和导通时储存的大量载流子——储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小——下降时间tf

。残存载流子复合——尾部时间tt

。GTO的开通和关断过程电流波形门极可关断晶闸管1.4.1通常tf<<ts，tt>>ts。

门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡，抽走储存载流子的速度越快，

ts越短。3.

GTO的主要参数门极可关断晶闸管1.4.1——延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1~2s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。——一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s。关断时间toff开通时间ton

不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联。以下只介绍意义与普通晶闸管不同的参数。注意门极可关断晶闸管最大可关断阳极电流IATO（与普通晶闸管不同）1.4.1电流关断增益offoff一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A。

——GTO额定电流。利用门级负电流脉冲可以关断的最大阳极电流的限制，由GTO的临界饱和导通条件所限制。——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。（1-8）术语用法：电力晶体管（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。在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。

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和电力MOSFET取代。电力晶体管（GTR或BJT）1.4.21.

GTR的结构和工作原理图1-15GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动

a)内部结构断面示意图b)电气图形符号c)内部载流子的流动电力晶体管1.4.2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。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（1-9）

——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（1-10）电力晶体管1.4.2产品说明书中通常给直流电流增益hFE

——在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比。一般可认为hFE。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。2.GTR的基本特性(1)

静态特性在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区图1-16共发射极接法时GTR的输出特性电力晶体管1.4.2(2)

动态特性开通过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。td主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可缩短延迟时间。图1-17GTR的开通和关断过程电流波形电力晶体管1.4.2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。电力晶体管1.4.2GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。除去饱和导通时储存在基区的载流子,是关断时间的主体缩短储存时间——减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压。缩短储存时间的负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加，从而增大通态损耗。3.GTR的主要参数1)

最高工作电压

GTR上电压超过规定值时会发生击穿击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。BUcbo>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。电力晶体管1.4.23)

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。电力晶体管1.4.22)

集电极最大允许电流IcM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。4.GTR的二次击穿现象与安全工作区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。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。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。电力晶体管1.4.2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。图1-18GTR的安全工作区电力晶体管1.4.2电力场效应晶体管

特点——用栅极电压(UGS)来控制漏极电流(ID)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。1.4.3绝缘栅型结型主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）,简称电力MOSFET（PowerMOSFET）似小功率(FieldEffectTransistor——FET）一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor——SIT）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

电力场效应晶体管1.4.31.电力MOSFET的结构和工作原理

电力MOSFET的种类

按导电沟道可分为P沟道和N沟道

电力MOSFET主要是N沟道增强型电力MOSFET的结构电力场效应晶体管1.4.3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。图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。电力MOSFET的多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。国际整流器公司（InternationalRectifier）的HEXFET采用了六边形单元西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列小功率MOS管是横向导电器件电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（VerticalMOSFET）——大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。电力场效应晶体管1.4.3按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。电力MOSFET的工作原理截止：UDS>0,UGS=0;导电：UDS>0,UGS>0(UT);图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号电力场效应晶体管1.4.31)

静态特性图1-20电力MOSFET的转移特性

a)转移特性2.电力MOSFET的基本特性电力场效应晶体管1.4.3ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导GfsMOSFET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工作时，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET的输出特性b)输出特性电力场效应晶体管1.4.3电力MOSFET漏源极之间有反向的寄生二极管，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。上升时间tr——uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段。iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和iD的稳态值有关UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。图1-21电力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—检测漏极电流电力场效应晶体管1.4.32)

动态特性开通过程开通延迟时间td(on)——up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段。开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和。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下降到零为止的时间段。图1-21电力MOSFET的开关过程a)测试电路b)开关过程波形电力场效应晶体管1.4.3关断过程关断延迟时间td(off)——up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小的时间段。关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和。栅极输入电容MOSFET的开关速度

MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。电力场效应晶体管1.4.3ＭＯＳＦＥＴ存在的输入电容场控器件，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只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速。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。3.电力MOSFET的主要参数

电力场效应晶体管1.4.3——电力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——电力MOSFET电流定额——与电力晶体管不同。电力晶体管的IC过大时，β迅速下降，它的下降程度限制了IC的最大允许值；而MOSFET中的Gfs则是随着ID的增大而增大，直至达到稳定值。故这两个参数主要受温升的限制。3)栅源电压UGS——栅源之间的绝缘层很薄，UGS>20V将导致绝缘层击穿。4)

极间电容输入电容可近似用Ciss代替。这些电容都是非线性的。电力场效应晶体管1.4.3

极间电容CGS、CGD和CDS

厂家提供：漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容CrssCiss=CGS+CGD（1-14）Crss=CGD（1-15）Coss=CDS+CGD（1-16）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。

实际使用中仍应注意留适当的裕量。

一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点。绝缘栅双极晶体管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。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）

1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场，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。1.4.4GTRMOSFET1.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1-22IGBT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)电气图形符号绝缘栅双极晶体管1.4.4EIGBT的结构图1-22a—N沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT（N-IGBT）图1-22

IGBT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)电气图形符号绝缘栅双极晶体管1.4.4E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。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1。——使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。晶体管基区内调制电阻IGBT的原理

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。绝缘栅双极晶体管1.4.4导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。导通：uGE>UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。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。2.IGBT的基本特性1)

IGBT的静态特性图1-23IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性绝缘栅双极晶体管1.4.4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。图1-23IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性绝缘栅双极晶体管1.4.4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，UGE(th)的值一般为2~6V。uCE<0时，IGBT反向阻断工作状态2)

IGBT的动态特性图1-24

IGBT的开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM绝缘栅双极晶体管1.4.4

IGBT的开通过程

图1-24IGBT的开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM绝缘栅双极晶体管1.4.4——与MOSFET的相似，因为开通过程中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%的时刻，到iC上升至10%ICM

。

开通时间ton——开通延迟时间与电流上升时间之和。

电流上升时间tr

——iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间。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。IGBT的关断过程关断延迟时间td(off)——从uGE后沿下降到其幅值90%的时刻起，到iC下降至90%ICM。图1-24

IGBT的开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM绝缘栅双极晶体管1.4.4电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1——IGBT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。电流下降时间tf——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。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。绝缘栅双极晶体管1.4.4通过对IGBT的基本特性的分析，可以看出：3.IGBT的主要参数绝缘栅双极晶体管1.4.4——正常工作温度下允许的最大功耗。3)最大集电极功耗PCM——包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。

2)

最大集电极电流——由内部PNP晶体管的击穿电压确定。1)最大集射极间电压UCESIGBT的特性和参数特点可以总结如下：绝缘栅双极晶体管1.4.4(1)

开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当。(2)

相同电压和电流定额时，安全工作区比G