功率半导体器件

第一章功率半导体器件概述功率半导体器件的定义图1-1换器即为通常所说的电力电子电路〔也称主电路〔电真空器件体器件组成。图1-1 电力电子装置示意图di/dt和du/dt以及具有全控功能。功率半导体器件的进展功率半导体器件是电力电子技术的根底，也是电力电子技术进展的“龙头”。从1958年美国通用电气公司研制出世界上第一个工业用一般晶闸管开头的变流机组和静止的离子变流器进入由功率半导体器件构成的变流器时代的进展经受了以下阶段：2040一种器件。目前已形成整流二极管RectifierDiod、快恢复二极管FastRecoveryDiode—FRD〕和肖特基二极管〔SchottkyBarrierDiode—SBD〕3种主要类型。晶闸管〔Thyristor,orSiliconControlledRectifier—SCR〕可以算作是第一代电力电子器件，它的消灭使电力电子技术发生了根本性的变化。但它是一种无自关断力量的半控器件，〔换流〕电路，大大简单了电路结高，难于实现变流装置的高频化。晶闸管的派生器件有逆导晶闸管、双向晶闸管管等。2070年月消灭了称之为其次代的自关断器件〔Gate-Turn-OffThyristo—GTBipolarJunctionTransistoBJT,orGiantTransistorGT，功率场效应管PowerMetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistoPowerMOSFET〕等。20世纪80年月消灭了以绝缘栅极双极型晶体〔Insulated-gateBipolarTransistor—IGBT,orIGT〕为代表的第三代复合导电机构的场控半导体器件。2080年月后期，功率半导体器件的进展趋势为模块化、集成化，依据电力电子电中，这样可缩小器件体积、降低本钱、提高牢靠性。值得指出的是的一代器件的消灭并不意味着老的器件被淘汰，世界上SCR产量仍占全部功率半导体器件总数的一半，是目前高压、大电流装置中不行替代的元件。功率半导体器件的分类功率半导体器件可按可控性、驱动信号类型来进展分类。按可控性分类〔触发型器件、半控型器件、全控型器件等3种。不控型器件不能用掌握信号来掌握开通、关断的功率半导体器件。半控型器件能利用掌握信号掌握其导通，但不能掌握其关断的功率半导体器件称为半控型器件。全控型器件也称为自关断器件。按驱动信号类型分类电流驱动型通过在掌握端注入或抽出电流来实现开通或关断的器件称为电流驱动型功率半导体器件。GTO、GTR为电流驱动型功率半导体器件。电压驱动型通过在掌握端和另一公共得端参加肯定的电压信号来实现开通或关断的器件称为电压驱动型功率半导体器件。P-MOSFET、IGBT为电压驱动型功率半导体器件。大功率二极管大功率二极管的构造大功率二极管的内部构造是一个具有Ｐ型及Ｎ型两层半导体、一个PN结和阳极A、阴K的两层两端半导体器件，其符号表示如图1-2a〕所示。a〕符号 b〕螺旋式 c〕平板式图1-2 大功率二极管的电流，而PN结又有肯定的正向电阻，管芯要因损耗而发热。为了管芯的冷却，必需配备200A〔1-2b〕，200A〔图1-2c〕。大功率二极管的特性大功率二极管的伏安特性akUak

i

间的关系称为伏安特性，如图1-3所示。a态。aa〕实际特性 b〕抱负特性图1-3 大功率二极管的伏安特性大功率二极管的开通、关断特性大功率二极管具有延迟导通和延迟关断的特征过电压。大功率二极管的开通过程D1-4uDi的变化Dfr曲线。由图可见，在正向恢复时间t 内，正在开通的大功率二极管上承受的峰值电压UDMfr比稳态管压降高的多，在有些二极管中的峰值电压可达几十伏。图1-4 大功率二极管的开通过程 图1-5 大功率二极管的关断过程大功率二极管的关断过程1-5为大功率二极管关断过程电压、电流波形。大功率二极管的主要参数F1、额定正向平均电流〔额定电流〕IF指在规定＋40额定电流I1.57I。F F2、反向重复峰值电压〔额定电压〕Ｕ

RRM〔第Ⅲ象限急剧拐弯处于所对应的反向峰值电压称为反向不重复峰值电压URSM。反向不重复峰值电压值的80％称为反向重复峰值电压U压RRM

U

RRM

整化到等于或小于该值的电压等级，即为元件的额定电压。RR3IRR对应于反向重复峰值电压URRM下的平均漏电流称为反向重复平均电流I 。RRF4UF在规定的＋40℃环境温度和标准的散热条件下流时，元件阳、阴极间电压的平均值，有时亦称为管压降。元件发热与损耗与UF有关，一般应选用管压降小的元件以降低元件的导通损耗。5、大功率二极管的型号一般型大功率二极管型号用ZP表示，其中Z代表整流特性，P为一般型。一般型大功率二极管型号可表示如下ZP[电流等级]—[电压等级/100][通态平均电压组别]如型号为ZP50—16的大功率二极管表示：一般型大功率二极管，额定电流为50A，额1600V。晶闸管〔SCR〕晶闸管的构造1-61-7所示。a〕螺栓型 b〕平板型c〕符号图1-6 晶闸管管芯及电路符号表示极Ａ，阴极Ｋ和门极〔或称掌握极〕Ｇ，1-6c〕所示。散热器则是为了将管芯在工作时由损耗产生的热量带走而设置的冷却器安装方式，晶闸管可分为螺栓型与平板型两种。螺栓型〔图1-6〕依靠螺栓将管芯与散热器严密连接在一起，并靠相互接触的一个面传递热量。\a〕自冷 b〕风冷c〕水冷图1-7 晶闸管的散热器NPN211 1-3〔P———〕三端〔A、K、GNPN211 的功率半导体器件。它是在N型的硅基片〔N

〕的两边集中Ｐ型半导体杂质层〔PP1PP

、，P31 2P3J1形成了两个PN结JJ1

2

层内集中Ｎ型半导体杂质层N2

又形成另一个PN结J。然A，阴极K及门极G，形成了一个四层三端的大功率电子元件。这个四层半导体器件由于有三个PN结的存在，打算了它的可控导通特性。晶闸管的工作原理

图1-8 晶闸管管芯构造原理图通过理论分析和试验验证说明：缺一。发脉冲。要使已导通的晶闸管关断，必需使阳极电流降低到某一数值之下〔约几十毫安。持晶闸管导通的最小电流称为维持电流，是晶闸管的一个重要参数。管是一个具有P

—N—P—N四层半导体的器件，内部形成有三个PNJ、J、J，晶闸JJ1 1 2 2 1 2 JJ1 1 2 2 1 2 1

承受反向阻断电压，J2

承受正向阻断电压。这三个PN结的功能可以看作是一个PNP型三极管VT〔P—N—P〕和一个NPN型三极管VT〔NNP1 1 1 2 2 1NP22——〕1-9所示。221-9晶闸管的等效复合三极管效应Ig

流入时，两个相互复合的晶体管电路就会形成猛烈的正反响，导致两个晶体管饱和导通，也即晶闸管的导通。假设晶闸管承受的是反向阳极电压，由于等效晶体管VT、VT

均处于反压状态，无论1 2I，晶闸管都不能导通。g晶闸管的根本特性静态特性极伏安特性。阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与阴极之间的电压Uak1-10所示。

与阳极电流ia

之间的关系1-10晶闸管阳极伏安特性①正向阻断高阻区；②负阻区；③正向导通低阻区；④反向阻断高阻区阳极伏安特性可以划分为两个区域：第Ⅰ象限为正向特性区，第Ⅲ象限为反向特性区。第Ⅰ象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。门极伏安特性3晶闸管的门极与阴极间存在着一个PN结J，门极伏安特性就是指这个PN结上正向门3Ug

Ig

间的关系。由于这个结的伏安特性很分散，无法找到一条典型的代1-11阴影区域所示。动态特性

图1-11 晶闸管门极伏安特性性。开通特性1-12给出了晶闸管的开关特性。在晶闸管处在正向阻断的条件下突加门极触发电流响，阳极电流的增长需要肯定的时间。从突加门极电流时刻到阳极电流上升到稳定值I 的T10%t10%I90%I所需的时间称为上升时d Ttt=t

T+t0.5～r gt d r1.5μs0.5～3μs阳极电压上升而下降。关断特性

图1-12 晶闸管的开关特性路来供给。RM流，反向电流达最大值I后，再朝反方向快速衰减接近于零，此时晶闸管恢复对反向电压的阻断力量。RM晶闸管的主要参数要正确使用一个晶闸管，除了了解晶闸管的静态、动态特性外，还必需定量地把握晶闸管的一些主要参数。现对常常使用的几个晶闸管的参数作一介绍。电压参数断态重复峰值电压UDRM〔图1-10中的曲线①〕漏电流急剧增长的拐弯处所打算的电压称断态不重复峰值电压UDSM，“不重复”说明这个电压不行长期重复施加。取断态不重复峰值电压的90％定义为断态重复峰值电压UDRM，“重复”5010ms的重复方式施加于元件上。反向重复峰值电压URRM〔图1-10中曲线④〕反向漏电流急剧增长的拐弯处所打算的的电压称为反向不重复峰值电压URSM，这个电压是RRM不能长期重复施加的。取反向不重复峰值电压的90％定义为反向重复峰值电压U ，这个RRM电压允许重复施加。UR取UDRM和URRM10003000Ｖ则是200Ｖ一个电压等级。M由于晶闸管工作中可能会患病到一些意想不到的瞬时过电压，为了确保管子安全运行，在选用晶闸管时应使其额定电压为正常工作电压峰值U 的2~3倍，以作安全余量。MUR=〔2~3〕UM 〔1-4〕UTAV〔 〕指在晶闸管通过单相工频正弦半波电流，额定结温、额定平均电流下，晶闸管阳极与阴以大写英文字母A～I表示。通态平均电压影响元件的损耗与发热，应中选用管压降小的元件来使用。电流参数TAVTAV〔 〕在环境温度为＋40℃、规定的冷却条件下，晶闸管元件在电阻性负载的单相、工频、正170°125℃时所允许的通态时的最大平均电流称为额定通态平均电流I 选用晶闸管时应依据有效电流相等的原则来确定晶T〔AV〕流I 应使其对应有效值电流为实际流过电流有效值的1.5～2倍。按晶闸管额定电流的T〔AV〕定义，一个额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的电流有效值为157A。晶闸管额定电流的选择可按下式计算。〔1-5〕HIH维持电流是指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。维持电流与结温有关，结温越高，维持电流越小，晶闸管越难关断。LIL晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号，此时要维持元件导通所需的最小阳极电流称为掣住电流。一般掣住电流比维持电流大〔2～4〕倍。晶闸管的型号一般型晶闸管型号可表示如下KP[电流等级]—[电压等级/100][通态平均电压组别]K代表闸流特性，P为一般型。如KP500—15型号的晶闸管表示其通态平均TAVTAV〔 〕

为500A，正反向重复峰值电压〔额定电压〕UR

1500V，通态平均电压组别以英文字母标出，小容量的元件可不标。大功率晶体管〔GTR〕构造数、线性度、频率响应、噪声、温漂等；而对于大功率晶体管，重要参数是击穿电压、最大大，其内部构造、外形也需作相应的变化。a〕一般晶体管构造 b〕GTR构造 图1-19GTR的构造与符号一般晶体管的构造已在模拟电子技术中作过特地介绍，它是由两个PN结相间而成。图1-19a〕NPN1-19b〕GTRGTR1-19c〕GTR的标识符号，与一般晶体管完全一样。工作特性静态特性GTR的静态特性可分为输入特性和输出特性：输入特性B输入特性如图1-20a〕所示，它表示UCE肯定时，基极电流IB

UBE之间的函数关系，它与二极管PN结的正向伏安特性相像。当UCE增大时，输入特性右移。一般状况下，GTRUBE1V。a〕输入特性 b〕输出特性图1-20 GTR的输入、输出特性输出特性C大功率晶体管运行时常承受共射极接法，共射极电路的输出特性是指集电极电流I 和CUCE的函数关系，如图1-20b〕所示。由图中可以看出，GTR的工作状态可以分成四个区域：截止区〔也称阻断区、线性放大区、准饱和区和饱和区〔也称深饱和区。BI等于零的状况，在该区域中，GTR承受高电压，仅有很小的漏电流存在，相当于开关处于断态的状况。该区的特点是放射结和集电结均为反向偏置。B是集电结反向偏置、放射结正向偏置。对工作于开关状态的GTR来说，应当尽量避开工作于线性放大区，否则由于工作在高电压大电流下，功耗会很大。准饱和区是指线性放大区和饱和区之间的区域，正是输出特性中明显弯曲的局部。在流与基区电流之间不再呈线性关系，但仍保持着放射结正偏、集电极反偏。而在饱和区中，在基极电流变化时，集电极电流却不再随之变化。此时，该区域的电流增益与导通电压均很小，相当于处于通态的开关。此区的特点是放射结和集电结均处于正向偏置状态。动态特性GTR主要工作在截止区及饱和区，切换过程中快速通过放大区，这个开关过程即反映GTR的动态特性。0当在GTR基极施以脉冲驱动信号时，GTR1-21所示。在t0on时刻参加正向基极电流，GTR经延迟和上升阶段后到达饱和区，故开通时间ton

为延迟时间rdrdtttCbe充电而引起，t是由基区电荷rdrd储存需要肯定时间而造成的。当反向基极电流信号加到基极时，GTR经存储和下降阶段才off返回载止区，则关断时间toff

t

t

t

是除去基区超量储存sfsf电荷过程引起的，t是基极与放射极间结电容Cbe放电而产生的结果。sfsfd和r在实际应用时，增大驱动电流，可使t t都减小，但电流也不能太大，否则将增大存d和rsfGTRtt，但sf基极电压不能太大，以免使放射结击穿。为提高GTR的开关速度，可选用结电容比较小的快速开关晶体管，也可利用加速电容来改善GTR的开关特性。在GTR基极电路电阻Rb两端并联一电容Cs，利用换流瞬间其上电压不能突变的特性可改善晶体管的开关特性。图1-21 GTR动态等值电路及开关特性主要参数电压参数UCEM加在GTRGTR本身特性CESCERCEO及外电路的接法有关。各种不同接法时的击穿电压的关系如下CESCERCEOCEXBUCBO＞BUCEX

＞BU ＞BU ＞BU其中，BU其中，CBO

为放射极开路，集电极与基极间的反向击穿电压；BU

为放射极反向偏CEXCER置时集电极与放射极间的击穿电压；BUCES、BU 分别为放射极与基极间用电阻联接或短CEXCERBUCEO为基极开路时集电极和放射极间的击穿电CEO压。GTR的最高工作电压UCEM应比最小击穿BU 低，从而保证元件工作安全。CEOUCESCM单个GTR的饱和压降一般不超过1～1.5V，UCES随集电极电流I 的增大而增大。CM电流参数C连续〔直流〕额定〔集电极〕电流IC〔直流的直流电流值。CM集电极额定电流〔最大允许电流〕ICM续电流，但不能超过峰值额定电流。BMIBM基极电流最大允许值比集电极额定电流的数值要小得多，通常I =〔1/2~1/10〕I ，BM CM而基极—放射极间的最大电压额定值通常只有几伏。PCM工作电压和电流的乘积所打算。二次击穿现象与安全工作区二次击穿现象二次击穿是GTR二次击穿现象可以用图1-22UCE增大到集射极间的击穿电压UCEO时，Ci将急剧增大，消灭击穿现象，如图1-22a〕的AB段所示。这是首次消灭正常C性质的雪崩现象，称为一次击穿，一般不会损坏GTR器件。一次击穿后如连续增大外加电压U ，电流i将持续增长。当到达图示的C点时仍连续让GTR工作时，由于U

高，将CE C CECE产生相当大的能量，使集电结局部过热。当过热持续时间超过肯定程度时会急剧下降CECD段，电流增长直至元件烧毁。这种向低电压大电流状态的跃变称为二次击穿，C点为二次击穿的临界点。〔纳秒至微秒级导致热电击穿的过程。a〕 b〕0图1-22 GTR的二次击穿现象0二次击穿在基极正偏〔IB

>、反偏〔IB

＜0〕及基极开路的零偏状态下均成立，如图1-22b〕所示。把不同基极偏置状态下开头发生二次击穿所对应的临界点连接起来，可形成二次击穿临界限。由于正偏时二次击穿所需功率往往小于元件的功率容量PCM

，故正偏对GTR安全造成的威逼最大。反偏工作时尽管集电极电流很小，但在电感负载下关断时将有感应电势迭加在电源电压上形成高压，也能使瞬时功率超过元件的功率容量而造成二次击穿。为了防止发生二次击穿，重要的是保证GTR开关过程中瞬时功率不要超过允许的功率容量PCM，这可通过规定GTR的安全工作区及承受缓冲〔吸取〕电路来实现。安全工作区二次击穿在基极正偏I＞、反偏I<〕B B基极偏置状态下开头发生二次击穿所对应的临界点连接起来GTR在工作时不能超过最高工作电压UCEM、峰值脉冲额定〔集电极〕电流I 、最大耗散CMPCMGTR的安全工作区SOA〔SafeOperatingAre。安全工作区在基极正向偏置时称为正向偏置安全工作区〔FBSOA〕,如图1-23a〕所示；安全工作区在基极反向偏置时称为反向偏置安全工作区RBSO，如图1-23〕所示。a〕FBSOA b〕RBSOA图1-23 GTR的安全工作区功率场效应晶体管〔P-MOSFET〕构造与工作原理构造MOSFET的类型很多，按导电沟道可分为PN沟道；依据栅极电压与导电沟道消灭的关系可分为耗尽型和增加型。功率场效应晶体管一般为N沟道增加型。从构造上看，功率场效应晶体管与小功率的MOS管有比较大的差异。小功率MOS管的导电沟道平行于芯片外表，是横向导电器件。而P-MOSFETVMOSFET〔VerticalMOSFE，这种构造可提高MOSFET器件的耐电压、耐电流的力量。图1-24给出了具有垂直导电双集中MOS构造的VD-MOSFET〔VerticalDouble-diffusedMOSFET〕单元的构造图及电路符号。一个MOSFET器件实际上是由很多小单元并联组成。a〕构造图 b〕符号〔N沟道〕 c〕符号〔P沟道〕图1-24 MOSFET的构造图及电路符号工作原理1-24所示，MOSFET的三个极分别为栅极G、漏极D和源极S。当漏极接正电源，源极接负电源，栅源极间的电压为零时，P基区与N区之间的PN结反偏，漏源极之间无电UGP基区中的空穴推开，而将电子吸引到栅极下的P基区的外表，当UGSUT时，栅极下P基区外表的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成N型半导体，成为反型层，由反型层构成的N沟道使PNUGS数值越大，P-MOSFET导电力量越强，ID也就越大。工作特性静态特性〔1〕漏极伏安特性1-25Ⅱ，击穿区Ⅲ。在Ⅰ区内，固定栅极电压UGSUDS从零上升过程中，漏极电流iD首先线性增长，接近饱和区时，iD变化减缓，而后开头进入饱和。到达饱和区Ⅱ后，此后虽UDS增大，但iDUDS下，UGSiDUDS过大时，元件会消灭击穿现象，进入击穿区Ⅲ。〔2、转移特性漏极电流ID与栅源极电压UGS反映了输入电压和输出电流的关系，称为转移特性，如1-26ID较大时，该特性根本上为线性。曲线的斜率g＝△ID/△UGS称为跨导，ｍ表示P-MOSFETGTR示的UGSth为开启电压，只有U >U 时才会消灭导电沟道，产生栅极电流I。〔〕 GS GS〔th〕 D开关特性

图1-25 漏极伏安特性 图1-26 转移特性P-MOSFET是多数载流子器件，不存在少数载流子特有的存贮效应，因此开关时间很短20ns，而影响开关速度的主要是器件极间电容。图1-27为元件极间电容的等效电路，从中可以求得器件输入电容为Cin＝CGS＋CGD。正是Cin在开关过程中需要进展充、放电，影响了开关速度。同时也可看出，静态时虽栅极电流很小，驱动功率小，但动态时由功率也越大。PP-MOSFET1-28UP

为驱动电源信号，UGS

为栅极电压，iD为漏极电流。当UP

Cin

有一充电过程，使栅极电压UGS

只能按指数规律上升P-MOSFET的开通时间为t ＝t

on d(on) r P上贮存的电荷将通过信号源进展放电，使栅极电压Uin

UP

td(off)

电流才开头减小故t 称为关断延迟时间P-MOSFET的关断时间应为t ＝tD＋t。f

d(off)

off

d(off)图1-27 输入电容等效电路 图1-28 开关特性主要参数与安全工作区主要参数〔1〕UUDS

DS为P-MOSFET的电压定额。2〔〕I2DID

为漏极直流电流，IDM

为漏极脉冲电流幅值。3〔〕U3GS栅源间加的电压不能大于此电压，否则将击穿元件。安全工作区P-MOSFET是多数载流子工作的器件，元件的通态电阻具有正的温度系数，即温度上升较宽的安全工作区。P-MOSFET的正向偏置安全工作区由四条边界包围框成，如图1-29IDM

限制线；Ⅲ为最大功耗限制线；Ⅳ为最大漏源电压限制线。图1-29 P-MOSFET正向偏置安全工作区绝缘栅双极型晶体管〔IGBT〕构造与工作原理构造IGBT的根本构造如图1-30P-MOSFETMOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。认真观看觉察其内部实际上包含了两个双极型晶体管P+NP及N+PN，它们又组合成了一个等效的晶闸管。这个等效晶闸管将在IGBT器件使用中引起一种“擎住效应”，会影响IGBT的安全使用。a〕构造示意图 b〕等效电路c〕符号图1-30 IGBT示意图工作原理IGBT的等效电路如图1-30PNP型厚基区GTRN沟道MOSFET为驱动元件的达林顿电路构造器件，Rdr为GTR1-30c〕则是IGBT的电路符号。IGBTMOSFET内部形成沟道，使IGBT高阻断态转入低阻通态。在栅极加上反向电压后，MOSFET中的导电沟道消退，PNP型晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。工作特性静态特性IGBT1-31所示。输出特性表达了集电CI与集电极—UCE之间的关系，分饱和区、放大区及击穿区。CGCCIGBTUGCC

I

I与GU 呈线性关系。与G输出特性 b〕转移特性图1-31 IGBT的输出特性和转移特性动态特性IGBT1-32所示，其开通过程主要由其MOSFET构造决UGUG

快速增长，其中栅极电压从负偏置〔〕 C值增大至开启电压所需时间t 为开通延迟时间；集电极电流由10％额定增长至90％额t

d〔on〕t＝t

＋t。ri on d〔on〕 riIGBTUG15VUT所需时间为关断延迟时间t ，自此I 开头衰减。集电极电流由90％额定值下降至10％额定所需时间为下降t

d〔off〕＝t ＋t

Ct

MOSFET局部的关断过程，t

PNP晶体fi

fi2

fi1

fi2fi1管中存贮电荷的消逝过程。由于经t 时间后MOSFET构造已关断，IGBT又未承受反压，fi1于此时集射极电压Uce已建立，电流的过长拖尾将形成较大功耗使结温上升。总的关断时间则为t ＝t ＋t。off d〔off〕 fi图1-32 IGBT的开关特性擎住效应和安全工作区擎住效应IGBTP基区内存在Rbr，跨接在N+PN晶体管的基极与放射极之间，P基区的横向空穴电流会在C其上产生压降，在J3结上形成一个正向偏置电压。假设IGBTI大到肯定程度，C这个Rbr上的电压足以使N+PNIGBT栅极对器件失去掌握，这就是所谓的擎住效应。它将使IGBT集电极电流增大，产生过高功耗导致器件损坏。CMICM

后产生的擎CM住现象，对此规定有IGBTICM

的限制。动态擎住现象是指关断过程中产生的擎住现象。IGBT关断时，MOSFET构造局部关断速度很快，J2结的反压快速建立，反压建立速度与IGBT所受重加dU /dt大小有关。dU /dt越大，J结反压建立越快，关断越迅CE CE 2速，但在J结上引起的位移电流C·〔dU /dt〕也越大。此位移电流流过体区电阻R 时可2 J2 CE br产生足以使N+PN管导通的正向偏置电压，使寄生晶闸管开通，即发生动态擎住现象。由于CMICM

应按动态擎住宅允许的数值CM来打算。为了避开发生擎住现象，使用中应保证集电极电流不超过ICM

，或者增大栅极电阻RG以减缓IGBT的关断速度，减小重加dU /dt值。总之，使用中必需避开发生擎住效应，CE以确保器件的安全。安全工作区CMIGBT开通与关断时，均具有较宽的安全工作区。IGBT开通时对应正向偏置安全工作区FBSO，如图1-33〕所示。它是由避开动态擎住而确定的最大集电极电流I 、器CM内P+NP晶体管击穿电压确定的最大允许集射电极电压UCE0、以及最大允许功耗线所框成。C值得指出的是，由于饱和导通后集电极电流I 与集射极间电压UCE无关，其大小由栅极电C压U 打算〔图1-31a〕，故可通过掌握U 来掌握I，进而避开擎住效应发生，因此还可确G G CCM定出与最大集电极电流I 相应的最大栅极电压UGM这个参数。CMa〕FBSOAb〕RBSOA图1-33 IGBT的安全工作区IGBT关断时所对应的为反向偏置安全工作区RBSO1-33〕所示。它是随着关断时的重加电压上升率dU

/dt变化，dU /dt越大越易产生动态擎住效应安全工作区CE CEUGR

dU

/dt，避开擎住效应，扩大安全工作区。

G CE其他型功率开关器件静电感应晶体管和静电感应晶闸管静电感应晶体管〔SIT〕和静电感应晶闸管〔SITH〕是两种构造与原理有很多的功率开关器件。SIT和SITH具有功耗低，开关速度高，输入阻抗高，可用栅逆变电源、开关电源、放电设备电源等型电源的应用中具有很强的优势。静电感应晶体管〔SIT〕1-34a〕为SIT1-34b〕1-34c〕分别为SITSITH的符号。a〕 b〕 c〕图1-34 SIT的构造和符号1970年已开头研制。SIT1-34a〕NP型半导体薄层，分别引出漏极D、源极SG。当G、SUGS=0时，电源SU可以经很宽的N区〔有多数载流子电子可导电〕流过电流，N区通道的等源SGS效电阻不大，SIT处于通态。假设在G、S两端外加负电压，即U 即图中GS压，则会形成两个耗尽层A1A2〔耗尽层中无载流子，不导电〕，使原来可以导电的N区变窄，等效电阻加大。当G、S之间的反偏电压大到肯定的临界值以后，两侧的耗尽层变宽到连在一起时，可使导电的N区消逝，则漏极D和源极S之间的等效电阻变为无限大而使SITSIT。SIT在电路中的开关作用类似于一个继电器的常闭触点，G、S两端无外加电压U =0时SIT处于通态〔闭合〕接通电路，有外U

GSGS作用后SIT由通态〔闭合〕转为断态〔断开〕。GS静电感应晶闸管〔SITH〕ControlledSIT类似。构造上的差异仅在于SITHSIT构造根底上增加了一个PN结，而在内部多形成了一个三极管，两个三极管构成一个晶闸管而成为静电感应晶闸管。栅极不加电压时，SITHSIT一样也处于通态，外加栅极负电压时由通态转入断态。由于SITH比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结，所以SITH常取5～6V的正栅压而不是零栅压以降低器件通态压降。一般关断SIT和SITH需要几十伏的负栅压。MOS掌握晶闸管和集成门极换流晶闸管MOS掌握晶闸管〔MCT〕MOS〔MCT〕的静态特性与晶闸管相像，由于它的输入端由MOS管掌握，MCTGTOMCTSCRIGBTGTR要低。MCT消灭于20世纪80年月，开头进展很快，但其构造和制造工艺比较简单，成品率不高，由于这些关键技术问题没有得到很好的解决，目前MCT没能IGBT，是一种复合型大功率器件，它将P-MOSFET1-35所示。集成门极换流晶闸管〔IGCT〕2090年月开头消灭。IGCT的构造是GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再将其门极驱动器在外部以低电感方式连接成环状的门电极。IGCT具有大电流、高电压、高开关频目前，IGCTGTO在大功率场合应用的地位。a〕MCT等值电路 b〕符号图1-35 MCT等值电路及符号功率模块与功率集成电路近十多年来，功率半导体器件研制和开发中的一个共同趋势是模块化。功率〔功率模块是把同类的开关器件或不同类的一个或多个开关器时可以简化对保护、缓冲电路的要求。功率模块〔PowerModule〕最常见的拓扑构造有串联、并联、单相桥、三相电流。〔PowerIntegratedCircuit—PIC〕。PIC中有高压集成电路〔HighVoltageIC—HVIC〕、智能功率集成电路〔SmartPowerIC—SPIC〕、智能功率模块〔IntelligentPowerModule—IPM〕等，这些功率模块已得到了较为广泛的应用。图1-36 IPM的原理框图率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片和优化的门极驱动及保护电路构成，其根本1-36所示。由于承受了能连续监测功率器件电流的具有电流传感功能的IGBT芯片，从而实现了高效的过流保护和短路保护。IPM集成了过热和欠压锁定保护电路，系统的牢靠性得到进一步提高。目前，IPM已经在中频〔<20kHz〕、中功率范围内得到了应用。IPM的特点