第2章电力电子器件概述

《电力电子技术Ⅰ》

Thursday,March9,2023蒋冰华课程名称：电力电子技术Ⅰ

(PowerElectronics)

学

分：4

总学时：64

适用专业：电气工程及其自动化、自动化

先修课程：电机与拖动、电子技术基础、电路原理等

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——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本章小结及作业电子技术的基础

———

电子器件：晶体管和集成电路电力电子电路的基础

———

电力电子器件本章主要内容：概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。介绍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。第2章电力电子器件·引言§2.2.1

电力电子器件的概念和特征§2.2.2

应用电力电子器件的系统组成§2.2.3

电力电子器件的分类§2.2.4

本章内容和学习要点§2.1

电力电子器件概述1）概念:电力电子器件（PowerElectronicDevice）——可直接用于主电路中，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。2）分类:

电真空器件(汞弧整流器、闸流管)（MercuryArcRectifier（Thyratron））半导体器件(采用的主要材料硅）2.2.1

电力电子器件的概念和特征

3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：能处理电功率的能力，一般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。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替2.2.1

电力电子器件的概念和特征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，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗2.2.1

电力电子器件的概念和特征电力电子器件的损耗电力电子系统：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2.2.2

应用电力电子器件系统组成电气隔离控制电路半控型器件（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。(Insulated-GateBipolarTransistor—IGBT)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。2.2.3

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：电流驱动型

——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。电压驱动型

——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。又称为场控器件，或场效应器件。2.2.3

电力电子器件的分类

按照驱动电路信号的性质，分为两类：2.2.3

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：单极型器件——由一种载流子参与导电的器件双极型器件——由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件——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: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。集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用这三个问题。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。可能会主电路的其它电路元件有特殊的要求。2.2.4

本章学习内容与学习要点2.2.1PN结与电力二极管的工作原理2.2.2

电力二极管的基本特性2.2.3

电力二极管的主要参数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

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。2.2

不可控器件—电力二极管·引言整流二极管及模块2.2.1PN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。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AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1PN结与电力二极管的工作原理

PN结的正向导通状态

电导调制效应使得PN结在正向电流（IF）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。

小电流时，PN结是基片低掺杂N区欧姆电阻，大电流时注入N区少子空穴浓度大，维持电中性的多子也随之增大。图2-3PN结的形成空间电荷:不能移动的正、负电荷多子扩散运动（PervasionMovement）少子:漂移运动（ExcursionMovement）空间电荷区:扩散运动与漂移运动构成的动态平衡区。状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态——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（两种形式)雪崩击穿AvalancheMultiplication齐纳击穿ZENERBREAKDOWN均可能导致热击穿2.2.1PN结与电力二极管的工作原理

PN结的状态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。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而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电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。2.2.1PN结与电力二极管的工作原理

PN结的电容效应：主要指其伏安特性门槛电压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2-4电力二极管的伏安特性2.2.2

电力二极管的基本特性1)静态特性IOIFUTOUFU2)动态特性

——二极管的电压-电流特性随时间变化的

——结电容的存在2.2.2

电力二极管的基本特性b)UFPuiiFuFtfrt02Va)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图2-5电力二极管的动态过程波形

a)正向偏置转换为反向偏置b)零偏置转换为正向偏置延迟时间：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。正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。正向恢复时间tfr。电流上升率越大，UFP越高。UFPuiiFuFtfrt02V图2-5(b)开通过程2.2.2

电力二极管的基本特性开通过程：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。关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图2-5(b)关断过程额定电流——在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，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。2.2.3

电力二极管的主要参数1)

正向平均电流IF(AV)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对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。

4）反向恢复时间trr

trr=td+tf2.2.3

电力二极管的主要参数2）正向压降UF结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM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。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。2.2.3

电力二极管的主要参数5）最高工作结温TJM1)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）的整流电路其反向恢复时间较长正向电流定额和反向电压定额可以达到很高按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍。2.2.4

电力二极管的主要类型简称快速二极管快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其trr更短（可低于50ns），UF也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。2.2.4

电力二极管的主要类型2)快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。反向稳态损耗不能忽略，必须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。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。2.2.4

电力二极管的主要类型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）。4500V/800Apresspackand1700V/1200Amodulediodes2.3

半控器件—晶闸管2.3.1

晶闸管的结构与工作原理2.3.2

晶闸管的基本特性2.3.3

晶闸管的主要参数2.3.4

晶闸管的派生器件2.3

半控器件—晶闸管·引言1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司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。晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）图2-6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2.3.1

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。2.3.1

晶闸管的结构与工作原理常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构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2-7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：（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）（2-5）（2-5）2.3.1

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。2.3.1

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：2.3.2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：2.3.2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。1）静态特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图2-8晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IGIL2.3.2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2-8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2.3.2晶闸管的基本特性1)

开通过程延迟时间td(0.5~2.5s)上升时间tr(0.5~3s)开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+tr

（2-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2)

关断过程反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq以上两者之和tq=trr+tgr

（2-7)普通晶闸管的关断时间约几百微秒2）

动态特性图2-9晶闸管的开通和关断过程波形ThyristorsTurn-onCharacteristicsThyristorsTurn-offCharacteristics2.3.3

晶闸管的主要参数断态重复峰值电压UDRM

——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。反向重复峰值电压URRM

——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。通态（峰值）电压UT——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。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，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。使用注意：1）电压定额2.3.3

晶闸管的主要参数通态平均电流IT(AV）——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。——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流IH

——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流IL

——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。浪涌电流ITSM——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。冲击性电流2）电流定额2.3.3

晶闸管的主要参数

除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：断态电压临界上升率du/dt

——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。

——电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。通态电流临界上升率di/dt

——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。

——如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。3）动态参数任意波形电流的波形系数为电流有效值和平均值的比值平均电流:正弦半波的电流有效值:有效值相等:晶闸管触发电路由于晶闸管属于电流驱动器件，因而首先要求触发电路具有较大的驱动电流，触发电流应略大于额定值；其次应尽量采用脉冲序列触发，以防止误关断；第三，从安全和抗干扰角度出发，应使用脉冲变压器或光电隔离输出。2.3.4晶闸管的派生器件有快速晶闸管和高频晶闸管。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，不能忽略其开关损耗的发热效应。1）快速晶闸管（FastSwitchingThyristor——FST)2.3.4晶闸管的派生器件2）双向晶闸管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）图2-10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a)b)IOUIG=0GT1T2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。在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。2.3.4晶闸管的派生器件逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor——RCT）a)KGAb)UOIIG=0图2-11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。2.3.4晶闸管的派生器件光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）AGKa)AK光强度强弱b)OUIA图2-12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。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。2.3.5晶闸管的应用要点(1)门极触发要利用强触发，强触发有利于缩短扩展时间。晶闸管的开通扩展过程2.3.5晶闸管的应用要点(2)门极加一定电位的负偏压，有利于晶闸管性能的改善。门极～阴极问的反向偏置对高的环境温度、门极回路的噪声电平，阳极端产生的振荡电压及阳极电压上升率du／dt等因素的影响不敏感，器件能够保持稳定的阻断状态。2.3.5晶闸管的应用要点

(3)为了防止门极电路上感应杂波引起器件的误触发，在门极～阴极间接入电容C是有效的方法。通常采用下图所示的防止门极干扰的门极电路。电容器的容量一定要选取适当，通常取0.1μF较适宜。2.3.5晶闸管的应用要点

(4)晶闸管关断过程有可能出现反向尖峰电压及其较高的du／dt的现象。这是由于电荷存贮效应，晶闸管由导通状态到正向电流过零之后，不会立即恢复阻断，而是继续有反向电流流过，这部分电流直到存贮载流子基本消失之后才趣于稳定的漏电流值。常用ＲＣ滤波器来抑制尖峰电压。2.4典型全控型器件2.4.1

门极可关断晶闸管2.4.2

电力晶体管2.4.3

电力场效应晶体管2.4.4

绝缘栅双极晶体管2.4典型全控型器件·引言门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。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·引言常用的典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块2.4.1门极可关断晶闸管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。门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）2.4.1门极可关断晶闸管结构：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是一种多元的功率集成器件。图2-13GTO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2.4.1门极可关断晶闸管工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图2-7所示的双晶体管模型来分析。

图2-7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。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

。2.4.1门极可关断晶闸管GTO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2-7晶闸管的工作原理2.4.1门极可关断晶闸管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门极可关断晶闸管开通过程：与普通晶闸管相同关断过程：与普通晶闸管有所不同储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。下降时间tf尾部时间tt

—残存载流子复合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6图2-14

GTO的开通和关断过程电流波形GTO的动态特性2.4.1门极可关断晶闸管GTO的主要参数——

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。下降时间一般小于2s。（2）关断时间toff（1）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

。许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。2.4.1门极可关断晶闸管（3）最大可关断阳极电流IATO（4）

电流关断增益off

off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。

——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。（2-8）2.4.2电力晶体管电力晶体管（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。DATASHEET1

2

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。术语用法：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。2.4.2电力晶体管1）GTR的结构和工作原理图2-15GTR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2.4.2电力晶体管在应用中，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（2-9）

——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

（2-10）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2.4.2电力晶体管

(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2-16共发射极接法时GTR的输出特性2）GTR的基本特性2.4.2电力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2-17GTR的开通和关断过程电流波形(2)

动态特性2.4.2电力晶体管前已述及：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

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，最高工作电压要比BUceo低得多。3）GTR的主要参数2.4.2电力晶体管通常规定为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IcM2.4.2电力晶体管一次击穿：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。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图2-18GTR的安全工作区GTR的二次击穿现象与安全工作区2.4.3电力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）电力场效应晶体管2.4.3电力场效应晶体管

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。电力场效应晶体管2.4.3电力场效应晶体管电力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。

电力MOSFET主要是N沟道增强型。1）电力MOSFET的结构和工作原理2.4.3电力场效应晶体管电力MOSFET的结构是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。图2-19电力MOSFET的结构和电气图形符号drainsourcegate2.4.3电力场效应晶体管小功率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）。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和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。电力MOSFET的结构

MOSFET的四种结构2.4.3电力场效应晶体管电力MOSFET的工作原理截止：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2-19电力MOSFET的结构和电气图形符号2.4.3电力场效应晶体管

(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2-20

电力MOSFET的转移特性和输出特性

a)转移特性b)输出特性2）电力MOSFET的基本特性2.4.3电力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。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。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。图2-20电力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/A2.4.3电力场效应晶体管开通过程开通延迟时间td(on)

上升时间tr开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和关断过程关断延迟时间td(off)下降时间tf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2-21

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(2)

动态特性2.4.3电力场效应晶体管

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2.4.3电力场效应晶体管3)电力MOSFET的主要参数

——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CDS2.4.4

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;IGBT是少数载流子器件而MOSFET是多子器件。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。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。2.4.4

绝缘栅双极晶体管2.4.4

绝缘栅双极晶体管沟道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。

IGBT的结构图(a)N沟道增强型IGBT的结构剖面图(b)N沟道增强型IGBT的等效电路图(c)N沟道增强型IGBT的符号2.4.4

绝缘栅双极晶体管简化等效电路表明，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的结构2.4.4

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2-22IGBT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ERN为晶体管基区内的调制电阻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的原理导通特性由于输出极的伪达林顿连接，作为输出的PNP不会进入过饱和状态，其导通压降比过饱和晶体管的导通压降要高。与具有同样管芯区域MOSFET相比，温度升高，对MOSFET来说，导通压降变化显著，而对IGBT而言，变化很小。导通压降的大小还与流过管子的电流有关。实际上，额定电压越高其导通压降也越高。图MOSFET和IGBT导通压降比较图IGBT导通压降与电流关系a)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2.4.4

绝缘栅双极晶体管2)IGBT的基本特性

(1)

IGBT的静态特性图2-23IGBT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、有源区饱和区。2.4.4

绝缘栅双极晶体管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM图2-24IGBT的开关过程IGBT的开通过程

与MOSFET的相似开通延迟时间td(on)

电流上升时间tr

开通时间tonuCE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2.4.4

绝缘栅双极晶体管图2-24IGBT的开关过程关断延迟时间td(off）电流下降时间关断时间toff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)UGEMUGEMICMICM2.4.4

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。(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UCES2.4.4

绝缘栅双极晶体管IGBT的特性和参数特点可以总结如下：开关速度高，开关损耗小。相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比VDMOSFET低。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。2.4.4

绝缘栅双极晶体管擎住效应或自锁效应：动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决。——NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。2.4.4

绝缘栅双极晶体管正偏安全工作区（FBSOA）——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。反向偏置安全工作区（RBSOA）——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。

IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件。2.4.4

绝缘栅双极晶体管

aIGBT正偏安全工作区bIGBT反偏安全工作区

IGBT栅极驱动电路设计中，除了正确计算驱动电阻外，还应注意以下几点。1）门极驱动电压——门极驱动电压增大，导通饱和压降降低，但将减弱IGBT的负载短路能力。2）门极负偏压——IGBT关断时，在实践中通常在门极加负电压，在门极施加负偏压可以确保门极电压不会上升到开启电压，从而保证IGBT可靠关断。由于在关断瞬间，集-射极电压由饱和导通压降上升到直流母线电压，过高的dVCE/dt产生较大的转移电流，该电流在门极驱动电阻上形成压降使IGBT误导通，即所谓的密勒效应。在门极加负偏压可以抵消转移电流产生的压降，防止误导通。IGBT的驱动在大部分情况下，功率MOSFET的驱动电路适用于IGBT。目前应用较多的有:CONCEPTD的IGD515\IGD516等系列，号称万能IGBT驱动器，可以输出±1.5A到±8A电流，但成本较高；INFINEON的IED020I12-S系列可以驱动1200VIGBT，具有2A的电流输出能力；VLA517-01RZO作为EXB系列的替代产品，对于EXB系列用户具有吸引力，具有4A的驱动能力；安捷伦的HCPL316J可以驱动150A以下IGBT。IGBT的驱动1）IGBT的开关速度高，开关损耗小，据统计，IGBT电压在1000V以上时的开关损耗只是GTR的1/10，与VDMOS相当。2）IGBT的通态压降比VDMOS低，特别是大电流区段。3）IGBT的通态压降在1/2或1/3额定电流以下区段具有负的温度系数，在以上区段具有正的温度系数，因此IGBT在并联使用时具有电流自动调节的能力，有易于并联的特点。4）IGBT的安全工作区比GTR宽，且具有耐脉冲电流冲击的性能。5）IGBT的输入特性与VDMOS相似，输入阻抗高，它在驱动电路中作为负载时呈容抗性质，也与VDMOS类似。6）与VDMOS和GTR相比，IGBT的耐压可以继续做的高，电流可以继续做的大，同时还保持工作频率高的特点。IGBT的参数特点2.5其他新型电力电子器件（自学）2.5.1MOS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功率模块与功率集成电路2.5.1MOS控制晶闸管MCTMCT结合了二者的优点：承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小。高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。一个MCT器件由数以万计的MCT元组成。每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。MCT（MOSControlledThyristor）——MOSFET与晶闸管的复合2.5.2静电感应晶体管SIT多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。缺点：栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太方便。通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。SIT（StaticInductionTransistor）——结型场效应晶体管2.5.3静电感应晶闸管SITHSITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。

SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。SITH（StaticInductionThyristor）——场控晶闸管（FieldControlledThyristor—FCT）2.5.4集成门极换流晶闸管IGCT20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。IGCT（IntegratedmutatedThyristor）——GCT（mutatedThyristor）2.6.功率集成电路与集成电力电子模块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）。基