电力电子器件

电力电子器件1.电力电子器件1.1半控型器件——晶闸管1.2典型全控型器件1.3不可控器件——电力二极管1.4其他新型电力电子器件1.5电力电子器件的驱动1.6电力电子器件的保护1.7电力电子器件的串联和并联使用小结

1.1半控型器件——晶闸管晶闸管SCR（SiliconControlledRectifier）又称：晶体闸流管(Thyristor)，可控硅整流器。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。

1.1.1晶闸管的结构和外形封装

1、晶闸管的常见封装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。图1-1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

1.1.1晶闸管的结构和外形封装

2、晶闸管的其它封装形式：还有塑封和模块式两种封装。图1-2晶闸管的其它封装形式

1.1.1晶闸管的结构和外形封装

3、晶闸管的管耗和散热：

管耗＝流过器件的电流×器件两端的电压

管耗将产生热量，使管芯温度升高。如果超过允许值，将损坏器件，所以必须进行散热和冷却。

冷却方式：自然冷却（散热片）、风冷（风扇）、水冷

1.1.2晶闸管的开关特点

〔简单描述〕晶闸管SCR相当于一个半可控的、可开不可关的单向开关。图1-3晶闸管的工作条件的试验电路〔解释〕当SCR的阳极和阴极电压UAK<0，即EA下正上负，无论门极G加什么电压，SCR始终处于关断状态；UAK>0时，只有EGk>0，SCR才能导通。说明SCR具有正向阻断能力；SCR一旦导通，门极G将失去控制作用，即无论EG如何，均保持导通状态。SCR导通后的管压降为1V左右，主电路中的电流I由R和RW以及EA的大小决定；当UAK<0时，无论SCR原来的状态，都会使R熄灭，即此时SCR关断。其实，在I逐渐降低（通过调整RW）至某一个小数值时，刚刚能够维持SCR导通。如果继续降低I，则SCR同样会关断。该小电流称为SCR的维持电流。

1.1.2晶闸管的开关特点

综上所述：SCR导通条件：UAK>0同时UGK>0由导通→关断的条件：使流过SCR的电流降低至维持电流以下。

(一般通过减小EA,,直至EA<0来实现。）（教材上提出降低正向阳极电压的提法有些不妥P7④，因为此时UAK一直保持在1V左右）图1-4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

1.1.3晶闸管的工作原理分析

〔具体描述〕如果IG(门极电流)注入V2基极，V2导通，产生IC2（β2IG

）。它同时为V1的基极电流，使V1导通，且IC1=β1IC2,IC1加上IG进一步加大V2的基极电流，从而形成强烈的正反馈，使V1V2很快进入完全饱和状态。此时SCR饱和导通，通过SCR的电流由R确定为EA/R。UAK之间的压降相当于一个PN结加一个三极管的饱和压降约为1V。此时，将IG调整为0，即UGK<0，也不能解除正反馈，G极失去控制作用。在分析SCR的工作原理时，常将其等效为两个晶体管V1和V2串级而成。此时，其工作过程如下：UGK>0→

产生IG

→V2通→产生IC2→V1通→

IC1↗→IC2↗→

出现强烈的正反馈，G极失去控制作用，V1和V2完全饱和，SCR饱和导通。IK=IA+IG

（1-3）

IA=Ic1+Ic2

（1-4）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（1-1）~（1-4）可得（IA实际上由外电路决定）：（1-5）硅晶体管的特性是：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。

1.1.3晶闸管的工作原理分析

Ic1=

1IA+ICBO1

（1-1）

=IC/IEIc2=

2IK+ICBO2

（1-2）β=IC/IB正常触发导通：UAK>0，同时UGK>0；阳极电压作用：当UAK

↗至某个大数值，使V2的漏电流由于雪崩效应而加大，同时由于正反馈而使漏电流放大，最终使SCR饱和导通；dU/dt作用：如果UAK以高速率上升，则在中间结电容上产生的电流可以引起导通；温度作用：温度上升，V1,V2的漏电流加大，引起SCR导通；光触发：当强光直接照射在硅片上，产生电子空穴对，在电场的作用，产生触发SCR的电流。目前，有一些场合使用这种方式来触发SCR，如高压直流输电（HVDC)。这种方式可以保证控制电路和主电路之间有良好的绝缘。这种SCR又称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）。

1.1.4晶闸管的几种导通方式

1.静态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。

从这个角度可以看出，SCR是一种电流控制型的电力电子器件。

1.1.5晶闸管的基本特性

2、晶闸管的伏安特性：第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性图1-5晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG

1.1.5晶闸管的基本特性

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。3、晶闸管门极伏安特性：门极G与阴极K之间相当于一个二极管。图1-6晶闸管门极伏安特性

1.1.5晶闸管的基本特性

〔分析〕由于同一型号的SCR门极特性的分散性较大，所以常用低阻特性OD和高阻特性OG划定门极特性的上下边界。其实质上类同两个内阻不同的二极管正向特性曲线。门极正向峰值电流界定DE边界；正向峰值电压界定FG边界；峰值功率PGM界定EFB边界。ADEFGCBA为可靠触发区，应根据主电路的不同应用，正确选择合适的门极触发电压和触发电路。门极加上一定功率后，会引起门极附近发热，所以不宜过大地加入功率。设计时可以参考平均功率PG曲线KL。将原点附近的门极伏安特性，进行放大。图1-7门极伏安特性原点放大图

1.1.5晶闸管的基本特性

〔分析〕由不触发电流IGD和不触发电压UGD限定OHIJO为不触发区，为了防止误触发，应使干扰信号的幅值限制为不能超过此区范围。一般UGD=0.2V。UGT为门极触发电压，IGT为门极触发电流，HABCJIH为不可靠触发区，设计时不能采用。实际使用中，为了提高抗干扰能力，关断时，在GK上加反向偏压，一般为1～3V。触发脉冲的幅值和前沿陡度影响SCR的导通时间。越陡开通时间越短，有利于减小开通损耗。4、晶闸管的动态特性：

图1-8晶闸管的开通和关断过程波形

1.1.5晶闸管的基本特性

1)开通过程（特性图)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）普通晶闸管延迟时间为0.5~1.5

s，上升时间为0.5~3

s，这是设计触发脉冲的依据。

1.1.5晶闸管的基本特性

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。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。

在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。关断时间tq：trr与tgr之和，即tq=trr+tgr

（1-7)

普通晶闸管的关断时间约几百微秒。这是设计反向电压设计时间的依据。

1.1.5晶闸管的基本特性

1.额定电压1)

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。2)

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。3)

通态（峰值）电压UTM——晶闸管通以某一规定倍数（π倍)的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压（一般为2V）。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。SCR一般来说：100V~1000V，每100V一个等级；1000V～3000V，每200V一个等级。

1.1.5晶闸管的主要参数

2.额定电流

1)

通态平均电流IT(AV)

额定电流-----晶闸管在环境温度为40

C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许连续流过的单相工频正弦半波电流的最大平均值。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。实际使用时应留一定的裕量，一般取1.5~2倍。电流平均值：指一个周期内的电流算数平均值；电流有效值：指一个周期内的电流的方均根值。波形系数：Kf=I/IT(AV)

（参看教材P15页，各种电流波形的平均值和有效值的计算）

1.1.5晶闸管的主要参数

2)

维持电流IH——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3)

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。4)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。

1.1.5晶闸管的主要参数

3.动态参数除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：

(1)

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。

1.1.5晶闸管的主要参数

(2)

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，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。4.SCR的门极定额

(1)

门极触发电流IGT

指在室温下，阳极电压直流6V时使SCR由断态转入通态所必需的最小门极电流。

1.1.5晶闸管的主要参数

(2)

门极触发电压UGT

指产生门极触发电流所必需的最小门极电压。由于SCR器件的分散性较大，应使触发电路提供给门极的电流和电压适当大于SCR的参数值，最好在PG曲线附近。SCR产品参数给出的额定电流是平均值，应根据实际电路计算有效值来选定SCR。

SCR管芯的发热效应是与流过电流的有效值有关系的。在实际选用SCR时，根据电流有效值相等原则。即：

实际波形的电流有效值I1≤SCR额定电流IT(AV)对应的电流有效值I

由于测量IT(AV)

的电路为正弦半波电路。此时额定有效值I与IT(AV)之间的关系为：I=IT(AV)*1.57。由此可见，SCR的额定电流有效值和平均值之间可以方便换算。综上所述，选用SCR可以采用以下公式来确定额定电流：IT(AV)≥(A*I1)/1.57其中，IT(AV)为选用SCR的额定电流；A为裕量系数，一般为1.5～2；

I1为实际电路的电流有效值。

1.1.6晶闸管额定电流的选定*

例1某整流电路电流波形如下，其平均值IT(AV)1=100A，试选用SCR。

1.1.6晶闸管额定电流的选定*

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（10kHz以上）；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10

s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；FST由于允许长期通过的电流有限，所以其不宜在低频下工作。

1.1.7晶闸管的派生器件

2.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

1.1.7晶闸管的派生器件

TRIAC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（SolidStateRelay——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。

1.1.7晶闸管的派生器件

3.逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor——RCT）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；常应用于各类逆变器和斩波器的应用中。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

1.1.7晶闸管的派生器件

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

1.1.7晶闸管的派生器件

LTT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。

1.1.7晶闸管的派生器件

着重介绍：门极可关断晶闸管GTO电力晶体管GTR电力场效应晶体管POWERMOSFET门极绝缘栅双极晶体管IGBT

1.2典型全控型器件

1.2.1门极可关断晶闸管GTO

门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）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.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；和普通晶闸管的不同：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

1.2.1门极可关断晶闸管GTO

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

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。图1-7晶闸管的双晶体管模型及其工作原理

1.2.1门极可关断晶闸管GTO

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：（1）设计

2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断；（2）导通时过程与普通晶闸管一样，只是

1+

2更接近1（

1.05，普通晶闸管

1+

2

1.15），这样导通时饱和不深，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。（4）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减小，使IK和Ic2减小，Ic2的减小又使IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流；（5）当IA和IK的减小使

1+

2<1时，器件退出饱和而关断；（6）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。

1.2.1门极可关断晶闸管GTO

3.GTO的主要参数(显示图）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：1)开通时间ton：延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1~2

s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大；2)关断时间toff：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2

s；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。

1.2.1门极可关断晶闸管GTO

3)

最大可关断阳极电流IATO

：用来标称GTO的额定电流4)

电流关断增益

off

：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）

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。

1.2.1门极可关断晶闸管GTO

电力晶体管GTR（GiantTransistor，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

1.2.2电力晶体管GTR(BJT)

1.GTR的结构和工作原理(图-15）与普通的双极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；

1.2.2电力晶体管GTR(BJT)

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

（1-10）产品说明书中通常给出直流电流增益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。目前更多地使用GTR模块。（1-9）

1.2.2电力晶体管GTR(BJT)

2.GTR的基本特性(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，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

1.2.2电力晶体管GTR(BJT)

(2)

动态特性（了解）

图1-17GTR的开通和关断过程电流波形开通过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间tontd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，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程

1.2.2电力晶体管GTR(BJT)

关断过程（显示图）储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff；ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分；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，可缩短储存时间，从而加快关断速度；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；GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。

1.2.2电力晶体管GTR(BJT)

3.GTR的主要参数（了解）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，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；实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。

Buceo为基极开路时，b和e之间的击穿电压。

1.2.2电力晶体管GTR(BJT)

2)

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。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。

1.2.2电力晶体管GTR(BJT)

4.GTR的二次击穿现象(重要）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，如果继续增高外接电压，则Ic继续增大，当达到某个临界点时，Uce会突然降低至一个小值，同时导致Ic急剧上升，这种现象称为二次击穿，见教材P138；二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微秒范围，常常立即导致器件的永久损坏。必需避免。

1.2.2电力晶体管GTR(BJT)

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PSB限定图1-18GTR的安全工作区

1.2.2电力晶体管GTR(BJT)

MOSFET（MetalOxideSemiconductorFET）分为结型和绝缘栅型。电力场效应管（PowerMOSFET）通常主要指绝缘栅型MOSFET结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管SIT（StaticInductionTransistor——SIT）

POWERMOSFET的特点——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；抗过载能力弱。

1.2.3电力场效应管POWERMOSFET

1.电力MOSFET的结构和工作原理MOSFET的种类

按导电沟道可分为P沟道和N沟道；按源漏极存在导电沟道时的栅极电压类型分为耗尽型和增强型；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。

1.2.3电力场效应管POWERMOSFET

电力MOSFET的结构和工作原理（显示图）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；电力MOSFET是多元集成结构，一个器件由许多小MOSFET元组成。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。

1.2.3电力场效应管POWERMOSFET

图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号

a)内部结构断面示意图b)电气图形符号

1.2.3电力场效应管POWERMOSFET

G：栅极D：漏极S：源极漏源极导通条件：在栅源极间加正电压UGS栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面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UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使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。漏源极关断条件：栅源极间电压UGS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

1.2.3电力场效应管POWERMOSFET

2.电力MOSFET的基本特性1)

静态特性（注意和GTR的区别，特别是饱和区的位置不同）

图1-20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，如图a。其中：UT为MOSFET的开启电压，或阈值电压。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＝dId/dUGS。MOSFET是电压控制型器件（场控器件），其输入阻抗极高，输入电流非常小，有利于控制电路的设计。

1.2.3电力场效应管

POWERMOSFET

MOSFET的漏极伏安特性（输出特性）：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工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换；电力MOSFET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，可看为是逆导器件。在画电路图时，为了不遗忘，常常在MOSFET的电气符号两端反向并联一个二极管；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。原因是电流越大，发热越大，通态电阻就加大，从而限制电流的加大，有利于均流。

1.2.3电力场效应管POWERMOSFET

2)

动态特性图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

1.2.3电力场效应管POWERMOSFET

开通过程（开关过程图）开通延迟时间td(on)——从Up前沿时刻到UGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段上升时间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。

开通时间ton——开通延迟时间td(on)与上升时间tr之和

1.2.3电力场效应管POWERMOSFET

关断过程（关断过程图）

关断延迟时间td(off)——从Up下降到零起，栅源极输入电容Cin通过Rs和RG放电，到UGS按指数曲线下降到UGSP，iD开始减小止的时间段下降时间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关断时间toff——关断延迟时间td(off)和下降时间tf之和

1.2.3电力场效应管POWERMOSFET

MOSFET的开关特点：

MOSFET的开关速度和Cin的充放电有很大关系；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，所以选择RS很关键（一般为几十欧姆）；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；MOSFET开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是常用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。

1.2.3电力场效应管POWERMOSFET

3.电力MOSFET的主要参数跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之还有：1)

漏极电压UDS

：电力MOSFET额定电压2)

漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM

：电力MOSFET额定电流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

这个特性十分重要：因为人体常常带有高压静电，所以在接触MOS型器件，包括电力MOSFET、普通MOSFET、MOS型集成电路时，可以先用手接触一下接地的导体，将身体的静电放掉，否则容易将GS间的绝缘层击穿。另外，在用烙铁焊MOS型器件时，应将烙铁加热后，拔下电源插座，再焊器件。

1.2.3电力场效应管POWERMOSFET

4)

极间电容

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Crss

输入电容可近似用Ciss代替。输入电容Cin可以近似用Ciss代替。

5)

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；

6)一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点

7)实际使用中应注意留适当的裕量。

1.2.3电力场效应管POWERMOSFET

GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，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一些复合器件—Bi-MOS器件（如IGBT)。

1.2.3电力场效应管POWERMOSFET

1.2.4绝缘栅双极晶体管

绝缘栅双极晶体管IGBT（Insulated-gateBipolarTransistor）

IGBT为GTR和MOSFET复合，它结合二者的优点，具有比它们各好的特性；

1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,成为中小功率电力电子设备的主导器件；

目前正继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位；在价格方面期待进一步降低。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E

1.2.4绝缘栅双极晶体管1)IGBT的结构（显示图）图1-22a—N沟道MOSFET与GTR组合——N沟道IGBT（N-IGBT）；

IGBT比MOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1；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；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。

1.2.4绝缘栅双极晶体管2)IGBT的工作原理

驱动原理与电力MOSFET基本相同，属于场控器件，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。

导通压降：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。

1.2.4绝缘栅双极晶体管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

1.2.4绝缘栅双极晶体管转移特性——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+25

C时，UGE(th)的值一般为2~6V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，不具有逆导能力。

1.2.4绝缘栅双极晶体管2)

IGBT的动态特性图1-24IGBT的开关过程

1.2.4绝缘栅双极晶体管

IGBT的开通过程（开关过程图）

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

电流上升时间tr——iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间

开通时间ton——开通延迟时间与电流上升时间之和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

1.2.4绝缘栅双极晶体管IGBT的关断过程（开关过程图）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

电流下降时间——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

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MOSFETIGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数

1.2.4绝缘栅双极晶体管3.IGBT的主要参数和特点1)最大集射极间电压UCES：由内部PNP晶体管的击穿电压确定2)

最大集电极电流：包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP3)最大集电极功耗PCM

：正常工作温度下允许的最大功耗

1.2.4绝缘栅双极晶体管IGBT的特性和参数特点(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GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力；(3)

通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域；(4)

输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似；(5)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。(6)IGBT往往与反向并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件。目前还有多管模块和IPM（IGBT+控制和保护电路）。

1.2.4绝缘栅双极晶体管4.IGBT的擎住效应（自锁效应）（重要）和安全工作区擎住效应或自锁效应：在IGBT内部由于内部寄生了一个由NPN晶体管和作为主开关器件的PNP晶体管组成的寄生晶闸管。在额定集电极电流时，NPN晶体管的BE极间的体区短路电阻上的压降较小，不能使寄生晶闸管开通。但如果由于某种条件使得该压降加大，从而使寄生晶闸管导通，那么就会由于寄生晶闸管的强烈正反馈作用，使得栅极失去对集电极的控制作用，导致器件始终开通，功耗过高而损坏。发生原因：集电极电流过大（静态擎住效应），dUCE/dt过大（动态擎住效应），温度过高。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。

1.2.4绝缘栅双极晶体管IGBT安全工作区正偏安全工作区（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

1.2.4绝缘栅双极晶体管

1.3

不可控器件—电力二极管1.电力二极管PowerDiode的结构和原理PowerDiode结构简单，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；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，大功率的主要有螺栓型和平板型两种封装，小功率的和普通二极管一致。

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)电气图形符号电力二极管PowerDiode中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。原因是结电容使开通和关断过程变慢。

1.3

不可控器件—电力二极管3.电力二极管的品种标准工频型（或普通型）：恢复特性慢但可获得高的电压和电流定额。多用于工作频率要求不高的场合，如电力牵引、电镀、焊接等；快恢复二极管：短恢复时间，适用于中等电压和电流范围，多用作高频开关使用。用于逆变和斩波电路；肖特基势垒二极管：由金属半导体结构成，为多数载流子器件，它具有低导通电压和极短的开关时间。但反向漏电流大和阻断电压低是其缺点。主要用于高频、低压的场合，如小开关电源中。

1.3

不可控器件—电力二极管1.4其他新型电力电子器件

1.4.1MOS控制晶闸管MCT1.4.2静电感应晶体管SIT1.4.3静电感应晶闸管SITH1.4.4集成门极换流晶闸管IGCT1.4.5功率模块与功率集成电路

1.4.1MOS控制晶闸管MCT

MCT（MOSControlledThyristor）——MOSFET与晶闸管的复合

MCT结合了二者的优点：

MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程晶闸管的高电压大电流、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MOSFETMCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。因此，20世纪80年代以来一度成为研究的热点。但经过十多年的努力，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。目前，IGBT更被看好。

1.4.2静电感应晶体管SIT

SIT（StaticInductionTransistor）——结型场效应晶体管（1970年）小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制成大功率的SIT器件；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，为其正常的导通关断方式。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。

1.4.3静电感应晶闸管SITH

SITH（StaticInductionThyristor）——1972年，在SIT的漏极层上附加一层与漏极层导电类型不同的发射极层而得到，因其工作原理与SIT类似，门极和阳极电压均能通过电场控制阳极电流，因此SITH又被称为场控晶闸管（FieldControlledThyristor——FCT）；

比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结，SITH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（栅极不加信号时导通），但也有正常关断型。此外，其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。

1.4.4集成门极换流晶闸管IGCT

IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor），也称GCT（Gate-CommutatedThyristor），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，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大；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。1.4.5功率模块与功率集成电路

20世纪80年代中后期开始，模