电力电子技术讲义

第2章电力电子器件2.1电力电子器件概述2.2不可控器件—电力二极管2.3半控型器件—晶闸管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第2章电力电子器件概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。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问题。本章主要内容：电力电子电路的基础

——电力电子器件模拟和数字电子电路的基础——晶体管和集成电路等电子器件引言2.1电力电子器件概述电力电子器件——可直接用于处理电能的主电路中，实现电能变换或控制的电子器件。主电路——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。广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前专指电力半导体器件。电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。2.1.1电力电子器件的概念和特征(1)电力电子器件的概念

1）其处理电功率的能力一般都远大于处理信息的电子器件。(2)电力电子器件的特征2）为了减小本身的损耗，提高效率，电力电子器件一般都工作在开关状态。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替。3）实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。4）自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，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。2.1.1电力电子器件的概念和特征主要损耗通态损耗：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

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电力电子器件的损耗2.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子系统：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2-1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电气隔离控制电路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。2.1电力电子器件概述2.1.2应用电力电子器件系统组成(1)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。2.1.3电力电子器件的分类2.1电力电子器件概述(2)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：

1)电流驱动型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2.1.3电力电子器件的分类(3)按照驱动信号的波形（电力二极管除外

）◆脉冲触发型

☞通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。

◆电平控制型

☞必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。

(4)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)单极型器件

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

2.1.3电力电子器件的分类■电力二极管（PowerDiode）自20世纪50年代初期就获得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。■在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基二极管，具有不可替代的地位。

整流二极管及模块2.2不可控器件——电力二极管AKAKa)IKAPNJb)c)图2-2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2.2不可控器件——电力二极管ZP[电流]─[电压/100][]2.2.1PN结与电力二极管的工作原理电力二极管是以半导体PN结为基础的,实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。2.2.1PN结与电力二极管的工作原理■二极管的基本原理——PN结的单向导电性◆当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF，这就是PN结的正向导通状态。

◆当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。

◆PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。

☞按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。

☞反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。☞否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。

门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF

。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。图1-4电力二极管的伏安特性1)静态特性IOIFUTOUFU2.2不可控器件——电力二极管2.2.2电力二极管的基本特性主要指其伏安特性当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。1.正向平均电流IF(AV)额定电流——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。正向平均电流IF(AV)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。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。3.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。额定电压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。2.2.3电力二极管的主要参数2.2不可控器件——电力二极管

1.普通二极管又称整流二极管（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。

2.快恢复二极管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。3.肖特基二极管反向恢复时间很短（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。弱点在于：当所能承受的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以下的低压场合；2.2.4电力二极管的主要类型2.2不可控器件——电力二极管2.3半控型器件——晶闸管引言2.3.1晶闸管的结构与工作原理晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被简称为可控硅。1956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。2.3半控型器件——晶闸管(1)常用晶闸管的外形外形有螺栓型和平板型两种封装对于螺栓型封装，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。引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。内部是PNPN四层半导体结构。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b)c)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J32.3.1晶闸管的结构与工作原理AAGGKKa)A螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管2.3半控型器件—晶闸管(2)常用晶闸管的外形晶闸管是内部是PNPN四层半导体结构,具有三个PN结。G控制极K阴极阳极

AP1P2N1N2四层半导体三个

PN

结P1P2N1N2K

GAP1N1N2P2AGKN1P2KAT2T1+_P2N1N2IGIAP1N1P2IKG2.3.1晶闸管的结构与工作原理T1T2A

在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。形成正反馈过程KGEA>0、EG>0EGEA+_R晶闸管导通后，去掉EG，依靠正反馈，仍可维持导通状态。2.3.1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：图1-7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）2.3.1晶闸管的结构与工作原理晶体管的特性是：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。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（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。IA实际由外电路决定。（1-5）2.3.1晶闸管的结构与工作原理除门极触发外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

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。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之外，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）2.3.1晶闸管的结构与工作原理晶闸管导通的条件(1、2同时满足)：

1.晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。2.晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉冲(正向触发电压)。

晶闸管导通后，控制极便失去作用。

依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管关断的条件：使流过晶闸管的阳极电流小于晶闸管规定的维持电流。

⒈减小阳极电压⒉增大负载电阻⒊加反向阳极电压1)晶闸管正常工作时的特性关断实现的方式：维持晶闸管导通的条件：保持流过晶闸管的阳极电流在其维持电流以上(1)静态特性2.3.2晶闸管的基本特性图1-8晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。反向特性正向特性1）静态特性IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压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。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。2.3.2晶闸管的基本特性1)

断态重复峰值电压UDRM2.3半控型器件——晶闸管2.3.3晶闸管的主要参数(1）

电压定额——在门极断路而结温为额定值时，允许重复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。2)

反向重复峰值电压URRM3)

通态（峰值）电压UTM2.3半控型器件——晶闸管2.3.3晶闸管的主要参数(2）电流定额——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。3)

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)

平均电流：（额定电流）额定有效电流：波形系数：（额定情况下）2.3半控型器件——晶闸管晶闸管额定电流计算实际电流（电流波形不一定为正弦半波）的平均电流的确定:则：波形系数：某电流波形的有效值与平均值之比。Kf即：有效值相等的原则2.3半控型器件——晶闸管例：晶闸管通态平均电流（额定电流）IT(AV)＝100A，当流过晶闸管的实际电流如下图所示，求允许通过的平均电流值（不考虑环境温度与安全裕量）。2.3半控型器件——晶闸管根据有效值相等的原则:波形系数:例：通过一只晶闸管的实际电流额定有效值为157A,则额定电流？（考虑1.5~2.0的安全裕量）选择晶闸管的额定电流时，还要有一定的安全裕量，通常取1.5~~2.0。2.3半控型器件——晶闸管晶闸管型号及其含义导通时平均电压组别共九级,用字母A~I表示0.4~1.2V额定电压,用百位或千位数表示取UFRM或URRM较小者额定正向平均电流(IF)KP如KP5-7表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。2.3半控型器件——晶闸管注意，普通晶闸管只有以下系列：选择晶闸管时，电压、电流都要取比实际计算的数值大的整数值，但必须要对应相应的型号。则其型号选为KP50-4。2.3.4晶闸管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2■双向晶闸管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）◆可以认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。◆门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。

◆双向晶闸管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。图2-11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

2）双向晶闸管引言2.4典型全控型器件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。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。2.4典型全控型器件是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，因而属于全控型器件。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。2.4.1门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）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：是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出三个极，但内部则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。1）GTO的结构图2-14GTO的内部结构和电气图形符号并联单元结构断面示意图电气图形符号a)b)图2-8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

☞仍然可以用如图2-8所示的双晶体管模型来分析，V1、V2的共基极电流增益分别是1、2。1+2=1是器件临界导通的条件，大于1导通，小于1则关断。

☞GTO与普通晶闸管的不同√设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断。√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。

2.4.1门极可关断晶闸管2）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。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：2.4.1门极可关断晶闸管2.4.2电力晶体管2.4典型全控型器件电力晶体管术语用法：电力晶体管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）是一种耐高电压、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。2.4.2电力晶体管图2-16GTR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+表示高掺杂浓度，-表示低掺杂浓度(1）GTR的结构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。空穴流电子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib图2-16c)内部载流子的流动

☞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

称为GTR的电流放大系数，它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☞单管GTR的

值比处理信息用的小功率晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可以有效地增大电流增益。(2-9)(2-10)2.4.2电力晶体管(2）工作原理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，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(3）GTR的基本特性1）静态特性1.4.2电力晶体管图2-17共发射极接法时GTR的输出特性前已述及：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

2)

集电极最大允许电流IcM3)集电极最大耗散功率PcM(4）

GTR的主要参数2.4.2电力晶体管2.4典型全控型器件分为结型和绝缘栅型（类似小功率FieldEffectTransistor—FET）通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）简称电力MOSFET（PowerMOSFET）结型电力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。2.4.3电力场效应晶体管

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。电力MOSFET的种类2.4.3电力场效应晶体管

☞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。☞结构上与小功率MOS管有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，而目前电力MOSFET大都采用了垂直导电结构，所以又称为VMOSFET（VerticalMOSFET），这大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。☞按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET（VerticalV-grooveMOSFET）和具有垂直导电双扩散MOS结构的DMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。☞电力MOSFET也是多元集成结构。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。图2-20电力MOSFET的结构和电气图形符号内部结构断面示意图b)电气图形符号2.4.3电力场效应晶体管1)电力MOSFET的结构☞截止：当漏源极间接正电压，栅极和源极间电压为零时，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。

☞导通

√在栅极和源极之间加一正电压UGS，正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子——电子吸引到栅极下面的P区表面。

√当UGS大于某一电压值UT时，使P型半导体反型成N型半导体，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。

√UT称为开启电压（或阈值电压），UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流ID越大。

2.4.3电力场效应晶体管2)电力MOSFET的工作原理图2-20电力MOSFET的结构和电气图形符号内部结构断面示意图b)电气图形符号

◆

☞转移特性√漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。反映了输入电压和输出电流的关系。

√ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率被定义为MOSFET的跨导Gfs，即图2-21电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性(2-11)√是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。2.4.3电力场效应晶体管3）电力MOSFET的基本特性(1）静态特性图2-21电力MOSFET的转移特性和输出特性b)输出特性2.4.3电力场效应晶体管☞输出特性

√是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）三个区域，饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再增加，非饱和是指漏源电压增加时漏极电流相应增加。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。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(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CDS3）电力MOSFET的主要参数1.4.3电力场效应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）2.4典型全控型器件2.4.4绝缘栅双极晶体管引言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。

GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性。

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。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1).IGBT的结构和工作原理图1-22a—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。IGBT是三端器件：栅极G、集电极C和发射极EIGBT的结构2.4.4绝缘栅双极晶体管

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。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工作原理2.4.4绝缘栅双极晶体管图1-23IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性2)IGBT的基本特性(1)

IGBT的静态特性输出特性（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。UCE<0时，IGBT为反向阻断工作状态。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。2.4.4绝缘栅双极晶体管——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UCES3)IGBT的主要参数2.4.4绝缘栅双极晶体管电力电子器件的符号电力电子器件的主要性能指标电压、电流、工作频率。KGATKADKGAGTOGSDVDMOSBECGTRGECIGBT2.5.1MOS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2.5其他新型电力电子器件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。可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。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。2.5其他新型电力电子器件2.5.4集成门极换流晶闸管IGCT—

IntegratedGate-CommutatedThyristor■基本概念◆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。◆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（PowerIntegratedCircuit——PIC）。2.6功率集成电路与集成电力电子模块2.6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（HighVoltageIC——HVIC）☞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（SmartPowerIC——SPIC）☞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（IntelligentPowerModule——IPM）☞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（IntelligentIGBT）。

■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及温升和散热的处理。

◆以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。◆智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。

◆功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。2.6功率集成电路与集成电力电子模块补充知识:单结晶体管（双基极二极管）单结晶体管的结构示意图低掺杂的N型硅棒扩散工艺高掺杂P区PN结构成单结晶体管(UJT)。P型半导体引出的电极为发射极E；N型半导体的两端引出两个电极，分别为基极B1和基极B2，B1和B2之间的N型区域

可以等效为一个纯电阻，即基区电阻RBB。单结晶体管因有两个基极，故也称为双基极晶体管。B2第二基极B1N欧姆接触接触电阻P发射极E第一基极PN结N型硅片(a)(b)单结晶体管得表示符号及等效电路RB1表示E与B1之间的等效电阻，它的阻值受E-B1间电压的控制，所以等效为可变电阻。RBB=RB1+RB2，分压比:RB1与RBB的比值称为=RB1/RBB一般在0.3～0.8之间。单结晶体管（双基极二极管）单结晶体管外形单结晶体管（双基极二极管）工作原理ADiEREVEERB1RB2VBBEB2B1B1+-UEB1当VBB固定，等效电路中，A点对B1的电压UA=VBB为定值。当VEE较小时，UEB1<UA，PN结反偏，此时只有很小的反向漏电流IE0（几微安）如图中曲线“1”段。当UEB1增大，UEB1=UA时，PN结处于零偏，iE=0。单结晶体管（双基极二极管）ADiEREVEERB1RB2VBBEB2B1B1+-UEB1UEB1继续增大，当UEB1>UA，iE开始大于零，由于硅二极管的正向压降UD为0.7V，所以iE不会有显著的增加。当UEB1=UA+UD时，二极管D仍不导通，此时的电压UEB1称为峰值电压UP，对应电流称为峰值电流IP。这一区域称为截止区。单结晶体管（双基极二极管）ADiEREVEERB1RB2VBBEB2B1B1+-UEB1UEB1继续增加，UEB1>UA+UD，管子转向导通，PN结电流开始显著增加，这时将有大量的空穴进入基区，E、B1间载流子大量增加，使RB1迅速减小，而RB1的减小又使UA降低，导致iE又进一步加大，形成正反馈。单结晶体管（双基极二极管）ADiEREVEERB1RB2VBBEB2B1B1+-UEB1正反馈过程使iE急剧增加，UA下降，单结管呈现了负阻特性，图中曲线“2”线段，到了“V”点负阻特性结束，V点电压UV称为谷点电压，一般为1～2.5V，对应的电流称为谷点电流Iv，一般为几毫安。B2的电位高于E的电位，空穴型载流子不会向B2运动，电阻RB2基本不变。单结晶体管（双基极二极管）ADiEREVEERB1RB2VBBEB2B1B1+-UEB1123过