电力电子技术基础-第2章 电力电子器件

电力电子技术基础电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座主要内容1

绪论1

电力电子器件2

直流斩波器345

逆变器

整流器6

交交变换器

7

软开关

电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座2

电力电子器件1.电力电子器件概述

2.电力二极管3.半控型电力电子器件4.全控型电力电子器件5.宽禁带半导体电力电子器件6.电力电子器件的应用技术电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座2.1

电力电子器件概述1.电力电子器件的基本构成2.电力电子器件的主要特征3.电力电子器件的分类51、电力电子器件的基本构成2.1

电力电子器件概述

跟其他半导体器件一样，电力电子器件也是由不同导电类型(P型或N型)半导体薄层或微区，以及金属薄层和介质薄层，用特种工艺组合而成的。不同的组合方式形成了半导体器件的不同结构，主要有三种：N型半导体与P型半导体接触因载流子扩散形成PN结；金属与N型半导体接触因载流子扩散形成电子势垒，简称MES；半导体硅表面经氧化处理后再与金属接触形成了金属-氧化物-半导体三层系统，称为MOS。61、电力电子器件的基本构成2.1

电力电子器件概述

1)PN结：是P型和N型半导体薄层或微区在原子尺度上的紧密结合体。PN结的基本特征是单向导电性。P型:以带正电的空穴作为主要载流子;N型:以电子为主要载流子.

当P端比N端电位高时电阻极低，PN结导通；反之电阻极高，PN结阻断。71、电力电子器件的基本构成2.1

电力电子器件概述

2)金属半导体肖特基势垒接触(MES)：有选择的金属薄层与半导体表面的紧密接触，形成具有类似于PN结的单向导电性。金属与半导体接触时会出现两种情况：金属与N型半导体接触，半导体中的载流子扩散进入金属，在半导体中形成内建电场，称为肖特基势垒。金属与半导体接触仅仅是为了引出电极（或导线），不希望在金属与半导体接触面出现电子势垒。81、电力电子器件的基本构成2.1

电力电子器件概述

3)金属-氧化物-半导体三层系统(MOS)，是半导体硅表面经氧化处理后再淀积一层金属薄膜构成的三层系统。

MOS结构的基本特征：可以通过金属膜电位的变化，改变氧化层下半导体表层的导电极性和电导率。92、电力电子器件的主要特征2.1

电力电子器件概述

由于电力电子器件直接用于处理电能的主电路，因而同处理信息的电子器件相比，它一般具有如下特征：器件能承受电压和电流的能力是其最重要的参数；为了减小器件自身损耗，一般工作在开关状态；在实际应用当中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制；尽管工作在开关状态，但电力电子器件自身的功率损耗仍远大于信息电子器件，使用时注意安装散热片。103、电力电子器件的分类2.1

电力电子器件概述

1）按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，可以将电力电子器件分为三类:不控型器件：不能用控制信号控制其导通和关断的电力电子器件，这类器件是指电力二极管。半控型器件：能用控制信号控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件，这类器件主要是指晶闸管(Thyristor)及其派生器件。全控型器件：能用控制信号控制其导通和关断的电力电子器件，又称为自关断器件。这类器件品种很多，目前最常用的是绝缘栅双极晶体管(IGBT)和电力场效应晶体管(MOSFET)。113、电力电子器件的分类2.1

电力电子器件概述

2）按照控制信号的性质分：电流驱动型：SCR、GTO、GTR；脉冲触发型电平控制型电压驱动型：MOSFET、IGBT。

3）按照控制信号的信号波形分：单极型器件双极型器件

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：复合型器件电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座2.2

电力二极管1.电力二极管的结构2.电力二极管的工作原理3.电力二极管的伏安特性4.电力二极管的主要参数5.电力二极管的主要类型131、电力二极管的结构2.2

电力二极管

电力二极管是由一个面积较大的PN结和两端引线及封装构成，如图所示(阳极A，阴极K)。电力二极管无论功能还是结构，都是最简单的电力电子器件；电力二极管与模拟电子技术课所讲的二极管是一样的，都是以半导体PN结为基础；PN结的形成：N型半导体与P型半导体接触因载流子扩散形成PN结。14PN结的形成原理2.2

电力二极管

由于N区和P区交界处电子和空穴的浓度存在差别，造成各区的多数载流子向对方区域移动。扩散运动：是由浓度差引起的,因为物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动;漂移运动：是由内电场的电场力作用引起的；扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾，最终达到动态平衡，使正、负空间电荷量达到稳定值，形成空间电荷区。152、电力二极管的工作原理2.2

电力二极管

电力二极管的基本工作原理就在于PN结的单向导电性。当二极管接正向电压，即阳极接电源正极，阴极经负载接电源负极，这称为二极管正偏。二极管导通时，正向电阻很小，正向电流受外电阻R限制，二极管的正向电压降一般小于1V。由正向电压产生的外电场使PN结内电场削弱,空间电荷区变窄，大量的载流子越过PN结界面，形成正向电流,即二极管导通。162、电力二极管的工作原理2.2

电力二极管

电力二极管的基本工作原理就在于PN结的单向导电性。由反向电压产生的外电场与PN结内电场同向，空间电荷区变宽，载流子难以越过PN结形成电流，这时称二极管处于截止(关断)状态。当二极管接反向电压时，即阳极接电源负极，阴极经负载接电源的正极，这时称二极管反偏。在二极管截止时,反向等效电阻很大,仅有少数载流子在外电场作用下漂移形成漏电流。173、电力二极管与信息二极管的区别2.2

电力二极管①电力二极管的通流能力大电力二极管是垂直导电结构，垂直于硅片表面方向导电；信息二极管是平行导电结构，是平行与硅片表面方向导电。在P区和N区之间多了一层低掺杂N区(用N-

表示漂移区),提高了承受高电压的能力。当正向电流较小时，低掺杂N区阻值较高，且为常量；②电力二极管的承受电压高③电力二极管具有电导调制效应当正向电流较大时，由P区注入掺杂N区的空穴浓度增大，使得电阻明显下降，电导增大，这就是电导调制效应。184、电力二极管的伏安特性2.2

电力二极管伏安特性又称为二极管的静态特性，如图。当在二极管上施加正向电压大于UTO(0.2~0.5V)时,二极管导通，其正向电流IF取决于外电阻R；当二极管承受反向电压时，二极管仅有很小的反向漏电流(也称反向饱和电流)；当反向电压超过二极管能承受的最高反向电压UB(击穿电压)时，将发生“雪崩现象”，二极管被击穿而失去反向阻断能力；过大的正向或反向电流都将使二极管发热严重而损坏，俗称烧坏。195、电力二极管的主要参数2.2

电力二极管电力二极管的主要参数有额定电压、额定电流、结温、管压降等。能够反复施加在二极管上，二极管不会被击穿的最高反向重复峰值电压URRM。在使用时，额定电压一般取二极管在电路中可能承受的最高反向电压，并增加一定的安全裕量，如下式：式中（2~3）——电压安全裕量；UDM——二极管承受的最大峰值电压。1）额定电压205、电力二极管的主要参数2.2

电力二极管电力二极管的主要参数有额定电压、额定电流、结温、管压降等。指电力二极管长期工作时，在指定管壳温度和规定散热条件下，PN结温度不超过最高允许结温流过的最大工频正弦半波电流平均值。电力二极管额定电流是按照电流发热效应来定义的，因为发热取决于电流有效值，所以，在选择时要依据“有效值相等”原则，并考虑一定安全裕量，如下式：式中（1.5~2）——电流安全裕量；ID——负载电流最大有效值；1.57为波形系数2）额定电流（正向通态平均电流ID(AV)）215、电力二极管的主要参数2.2

电力二极管电力二极管的主要参数有额定电压、额定电流、结温、管压降等。结温是二极管工作时内部PN结的温度，即管芯温度。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,通常在125~175℃之间。结温和管壳温度与器件功耗、管子散热条件和环境温度等因素有关。3）结温4）正向压降UF在指定温度下，二极管流过某一指定稳态正向电流对应的正向压降。电力二极管正向压降一般在1V左右。226、电力二极管的主要类型2.2

电力二极管电力二极管的主要类型有普通整流型、快恢复型、肖特基型。为PN结型结构，用于1kHz以下整流电路，反向恢复时间在5μs以上。工艺上采用掺金措施，仍为PN结型结构，反向恢复时间在5μs以下。1）普通整流二极管3）肖特基二极管以金属与半导体接触形成的势垒为基础，为MES结构，正向压降低。肖特基二极管反向恢复时间很短(10-40ns)，应用于高频电路中。2）快恢复二极管电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座2.3

半控型电力电子器件-晶闸管1.晶闸管的结构2.晶闸管的工作原理3.晶闸管的伏安特性4.晶闸管的主要参数5.晶闸管的派生器件242.3半控型电力电子器件-晶闸管晶闸管（Thyristor），又称晶体闸流管、可控硅整流器（SiliconControlledRectifier-SCR）1956年在美国贝尔实验室诞生；1957年美国通用电气公司研发出第一个晶闸管；晶闸管作为可控开关器件，承受的电压和电流容量高，广泛应用于特高压交直流输电、调光、调温等大容量领域。1958年使其商业化，并为该产品起了一个商品名SCR；由此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，开始被全控器件取代。思考：晶闸管的出现带来了电气工程领域的哪些变化？

对人类生活社会产生了哪些影响？251、晶闸管的结构2.3半控型电力电子器件-晶闸管晶闸管为“三端四层”结构。“三端”指外部有三个极：阳极A，阴极K，门极G；“四层”指内部有“四层三个PN结”,即四层半导体P1、N1、P2、N2形成三个PN结。不论阳极和阴极间施加什么样的电压，总有PN结被反向偏置，SCR不会导通。因此，晶闸管具有正向和反向阻断能力。那么晶闸管的导通关断条件是什么？262、晶闸管的开通与关断条件2.3半控型电力电子器件-晶闸管可以通过简单的实验来观察，实验电路如图，包括两个直流电源Ea、Eg，指示灯L，开关K，和晶闸管VT。电路1：阳极与阴极之间经指示灯与负电源相连，门极不接电源，指示灯不亮；电路2：阳极与阴极之间经指示灯与正电源相连，门极不接电源，指示灯不亮。由电路1和电路2知，无论晶闸管阳极和阴极间施加什么电压，若门极无电压，则晶闸管不会导通。272、晶闸管的开通与关断条件2.3半控型电力电子器件-晶闸管可以通过简单的实验来观察，实验电路如图，包括两个直流电源Ea、Eg，指示灯L，开关K，晶闸管VT。电路3：阳极与阴极之间经指示灯与负电源相连，门极接负电源，指示灯不亮；电路4：阳极与阴极之间经指示灯与负电源相连，门极接正电源，指示灯不亮。由电路3和电路4知，当晶闸管阳极和阴极之间施加负电压时，无论门极施加什么样的电压，晶闸管不会导通。282、晶闸管的开通与关断条件2.3半控型电力电子器件-晶闸管电路5：阳极与阴极之间经指示灯与正电源相连，门极接负电源，指示灯不亮；电路6：阳极与阴极之间经指示灯与正电源相连，门极接正电源，指示灯点亮；电路5、6、7实验结果说明，在晶闸管阳极和阴极之间施加正电压，门极也施加正电压时，晶闸管就开通，这就是晶闸管的导通条件。而且晶闸管一旦开通，门极便失去控制作用。电路7：把电路6中的门极开关K断开，即门极电源去掉或接负电源，指示灯仍然点亮；那么晶闸管怎么能关断呢？292、晶闸管的开通与关断条件2.3半控型电力电子器件-晶闸管可以通过简单的实验来观察，实验电路如图，包括两个直流电源Ea、Eg，指示灯L，开关K，晶闸管VT，滑动变阻器R。电路8、9：是在电路6中串接滑动变阻器R。当R较小时，指示灯亮；当R增大时，指示灯逐渐变暗并熄灭；即使R又减小一点，灯也不会亮。电路8、9实验结果说明，随着电阻R增大，流过晶闸管和指示灯的电流减小，当电流小到一定程度时，晶闸管就会关断。晶闸管关断条件是：阳极电流减小到一定程度。302、晶闸管的开通与关断条件2.3半控型电力电子器件-晶闸管结论一、晶闸管的导通条件阳极与阴极之间加上正向电压；使流过晶闸管的阳极电流小于晶闸管规定的维持电流。门极与阴极之间加上适当的正向电压。关断实现的方式：a.减小阳极电压或电流；b.增大负载电阻；c.加反向阳极电压。结论二、晶闸管的关断条件31晶闸管的可控单向导电性2.3半控型电力电子器件-晶闸管从上面分析可以看出，晶闸管与上节课讲的二极管相比，不仅具有单向导电性，还有可控性。可控性：当晶闸管加上正向阳极电压后，门极再加上适当的正向电压，晶闸管才能由截止变为导通。单向导电性：导通的晶闸管，不管门极有没有电压，阳极一旦加上反向电压，晶闸管就由导通变为截止。半控性：晶闸管一旦开通，门极便失去控制作用。晶闸管为什么会有上述的开通条件呢？323、晶闸管的导通机理2.3半控型电力电子器件-晶闸管如在器件上取一倾斜的截面，则晶闸管可以等效看成两个互补的晶体管V1(P1N1P2)和V2(N1P2N2)组成，称为晶闸管双晶体管模型。利用双晶体模型可以分析晶闸管的导通机理。形成强烈的正反馈，在极短时间内使两个三极管饱和导通，此过程称为触发导通。晶闸管导通后，去掉门极电压EG，依靠内部正反馈，仍可维持导通状态。334、晶闸管的伏安特性2.3半控型电力电子器件-晶闸管伏安特性又称为晶闸管的静态特性，如图。当IG=0时，晶闸管正向电压UA至正向转折电压UB0段，即图中OA段；当IG≠0时，随着IG增大，正向转折电压减小，如图中的IG1、IG2；当IA<IH时，管子又从导通返回正向阻断；晶闸管加反向阳极电压时，只能流过很小的反向漏电流，即OD段。这种使晶闸管经虚线到导通状态BC段上的工作，称为触发导通，属于正常触发导通。当反向电压超过晶闸管承受的最高反向电压时，将发生“雪崩击穿”。345、晶闸管的主要参数2.3半控型电力电子器件-晶闸管晶闸管最主要的参数仍然是额定电压和额定电流。能够反复施加在晶闸管上，晶闸管不会被击穿的最高正向和反向重复峰值电压的较小值。在使用中额定电压一般取晶闸管在电路中可能承受的最大峰值电压UTm，并增加一定的安全裕量，如下式：式中（2~3）——电压安全裕量；

UTm——晶闸管承受的最大峰值电压。1）额定电压355、晶闸管的主要参数2.3半控型电力电子器件-晶闸管指晶闸管长期工作时，在室温40℃和规定冷却条件下，PN结温度不超过最高允许结温流过的最大工频正弦半波电流平均值。晶闸管额定电流是按照电流发热效应来定义的，因为发热取决于电流有效值，所以，在选择时要依据“有效值相等”原则，并考虑一定安全裕量，如下式：式中（1.5~2）——电流安全裕量；ITm——流过管子最大电流有效值；1.57为波形系数2）额定电流（通态平均电流IT(AV)）晶闸管的参数还有门极触发电流、触发电压、管压降、维持电流等，祥见书。366、晶闸管派生器件2.3半控型电力电子器件-晶闸管1964年，双向晶闸管在GE公司开发成功，应用于调光和马达控制。1965年，小功率光触发晶闸管出现，为其后的光耦合器打下了基础。60年代后期，大功率快速晶闸管问世，成为逆变电路的基本元件。1974年，逆导晶闸管和非对称晶闸管研制完成。

1957年晶闸管诞生后，其结构和工艺不断改进，为新器件的出现提供了条件。有常规快速晶闸管和频率更高的高频晶闸管，分别应用于400Hz和10kHz以上的斩波或逆变电路中。从关断时间来看，普通晶闸管一般为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管则为10μs左右。1）快速晶闸管376、晶闸管派生器件2.3半控型电力电子器件-晶闸管3）逆导晶闸管是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。不能承受反向电压，一旦承受反向电压即开通。2）双向晶闸管可以认为是一对反并联联结的普通晶闸管集成。它有两个主电极T1和T2，一个门极G。门极使器件在主电极的正反两个方向均可触发导通，双向晶闸管在第Ⅰ和第Ⅲ象限有对称的伏安特性。电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座2.4

全控型电力电子器件1.门极可关断晶闸管GTO2.电力晶体管GTR3.电力场效应晶体管MOSFET4.绝缘栅双极晶体管IGBT5.其他全控型器件和模块电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座2.4

全控型电力电子器件全控型器件——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，全控型电力电子器件将电力电子技术带入了一个崭新时代。全控型电力电子器件典型代表——门极可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR、电力场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT。电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座2.4.1

全控型电力电子器件-GTO1.GTO的结构2.GTO的工作原理3.GTO的动态特性4.GTO的主要参数412.4.1全控型电力电子器件-GTO门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor），简称GTO是一种具有自关断能力和晶闸管特性的电力电子器件。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。421、GTO的结构2.4.1全控型电力电子器件-GTOGTO具有普通晶闸管的特性，它的结构既类似于晶闸管，又有不同。与晶闸管的相同点：都是PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极；与晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。内部包含几十甚至上百个小GTO元，这些GTO元的阴极和门极在器件内部并联在一起。432、GTO的工作原理2.4.1全控型电力电子器件-GTO与普通晶闸管一样，可以用下图所示的双晶体管模型来分析其原理。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α1和α2；α1+α2=1是器件临界导通的条件。导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。当阳极加正向电压、门极同时也加正向触发信号时，在等效PNP的V1和NPN的V2内形成正反馈效应，瞬间使V1和V2饱和导通，即GTO导通。442、GTO的工作原理2.4.1全控型电力电子器件-GTO能够通过门极实现自关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：设计α2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断；导通时α1+α2更接近1，导通时接近临界饱和，有利于门极控制关断。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。452、GTO的工作原理2.4.1全控型电力电子器件-GTO最后导致α1+α2<1，使GTO退出饱和而关断。在门极加负脉冲，使门极电流IG反向，则Ib2减小，使Ik和Ic2减小，Ic2减小又使IA和Ic1减小，又进一步减小Ib2，形成了负的正反馈效应。GTO关断过程中也有强烈正反馈，使器件退出饱和而关断。462、GTO的工作原理2.4.1全控型电力电子器件-GTO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。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。473、GTO的动态特性2.4.1全控型电力电子器件-GTOGTO为实现低通态损耗优化设计的。很多应用下，典型的开关频率范围都在200至500Hz。就GTO本身特性而言，是一个相对缓慢的开关。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。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。如果在tt阶段仍能保持负脉冲，可缩短尾部时间。储存时间ts:使等效晶体管退出饱和；下降时间tf:使饱和区退至放大区；尾部时间tt:残存载流子复合时间。484、GTO的主要参数2.4.1全控型电力电子器件-GTO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。开通时间ton

关断时间toff——

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2

s。494、GTO的主要参数2.4.1全控型电力电子器件-GTO最大可关断阳极电流IATO电流关断增益

off——GTO的额定电流。

——最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比。

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

。电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座2.4.2

全控型电力电子器件-GTR1.GTR的结构和工作原理2.GTR的基本特性512.4.2全控型电力电子器件-GTR电力晶体管GTR（GiantTransistor,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。GTR的结构和工作原理都与信息处理用的小功率晶体管类似；有三层硅半导体、两个PN结、三端引出极(基极B、发射基E和集电极C)；有PNP和NPN两种结构，但GTR大多用NPN结构。1、GTR的结构和工作原理522.4.2全控型电力电子器件-GTRGTR与信息三极管也有不同之处：GTR多一层N-漂移区，提高了耐压能力，并有电导调制效应；1、GTR的结构和工作原理基极和发射极在一个平面，能减小电流集中,提高开关速度和通流能力；GTR导通时，处于临界饱和状态，加快了关断速度；单管GTR的电流放大倍数β比信息三极管小得多，为提高电流放大倍数β，GTR一般采用达林顿共发射极接法组成单元结构；而且采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成，有效增大了电流增益和通流能力。532、GTR的基本特性2.4.2全控型电力电子器件-GTRGTR的基本特性包括静态特性和动态特性，GTR与一般晶体管有类似的输出特性，动态特性是指开关特性。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。1)静态特性542、GTR的基本特性2.4.2全控型电力电子器件-GTRGTR的基本特性包括静态特性和动态特性，GTR与一般晶体管有类似的输出特性，动态特性是指开关特性。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。加快开通过程的办法（增大ib的幅值及dib/dt）。关断过程：储存时间ts和下降时间tf之和为关断时间toff。加快关断速度的办法（减小导通饱和深度或增大负偏压）。2)动态特性GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座2.4.3

全控型电力电子器件-MOSFET1.电力MOSFET的种类2.电力MOSFET的结构3.电力MOSFET的工作原理4.

电力MOSFET的基本特性5.电力MOSFET的主要参数56电力场效应晶体管MOSFET2.4.3全控型电力电子器件-MOSFET用栅极电压来控制漏极电流；分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管，结型电力场效应管一般称作静电感应晶体管（SIT），电力电子电路中常用的是绝缘栅金属氧化物半导体场效应晶体管（简称电力MOSFET）。特点如下：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。571、电力MOSFET的种类2.4.3全控型电力电子器件-MOSFET按导电沟道可分为P沟道和N沟道，还可以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（或小于）零时，才存在导电沟道。电力MOSFET主要是N沟道增强型。582、电力MOSFET的结构2.4.3全控型电力电子器件-MOSFET是单极型晶体管，依靠多数载流子(N区电子)导电。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。电力场效应管与信息场效应管有以下不同:电力MOSFET是多元集成结构，能提高开、关速度;电力MOSFET是垂直导电双扩散器件，能增大导电面积，提高通流能力。电力场效应管有N-漂移区，提高了耐压的能力，而且没有电导调制效应。593、电力MOSFET的工作原理2.4.3全控型电力电子器件-MOSFET截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。导电：在栅源极间加正电压UGS。使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。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。604、电力MOSFET的基本特性2.4.3全控型电力电子器件-MOSFETMOSFET的基本特性包括静态特性和动态特性，静态特性有转移特性和输出特性，动态特性是指开关特性。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。MOSFET是电压控制性器件，其输入阻抗极高，输入电流极小。1)静态特性614、电力MOSFET的基本特性2.4.3全控型电力电子器件-MOSFET漏极电流ID和漏源间电压UDS的关系称为MOSFET的输出特性；工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。1)静态特性截止区（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GTR的饱和区）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。624、电力MOSFET的基本特性2.4.3全控型电力电子器件-MOSFET开通过程关断过程2)动态特性开通延迟时间td(on)

上升时间tr开通时间ton=td(on)+tr开通时间为几十纳秒关断延迟时间td(off)下降时间tf关断时间toff=td(off)+tf关断时间也为几十纳秒632.4.3全控型电力电子器件-MOSFETMOSFET的开关时间在10-100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是全控型器件中开通、关断时间最短的器件。其开关速度对于场控器件，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；4、电力MOSFET的基本特性可通过降低驱动电路内阻Rs减小充电时间常数，加快开通速度；由于不存在少子储存效应，关断过程非常迅速；与输入电容（Cin）充放电有很大关系；开关频率越高，所需要的驱动功率越大。645、电力MOSFET的主要参数2.4.3全控型电力电子器件-MOSFET漏极电压UDS漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM除跨导Gfs、开启电压UT以及开关时间参数（td(on)、tr、td(off)和tf）外，还有：——电力MOSFET电压定额——电力MOSFET电流定额栅源电压UGS极间电容——

UGS

>20V将导致绝缘层击穿——极间电容CGS、CGD和CDS电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座2.4.4

全控型电力电子器件-IGBT1.IGBT的结构2.IGBT的工作原理3.IGBT的基本特性4.IGBT的主要参数662.4.4全控型电力电子器件-IGBT三端器件：栅极G、集电极C和发射极EIGBT是多元集成结构，比MOSFET多了一层P+注入区，耐压高，通流能力强；IGBT开关速度低于MOSFET，但高于GTR；IGBT内部寄生一个晶体管，当某种原因J3受正偏电压，寄生晶体管导通，使栅极失去控制作用，称掣住效应。1、IGBT的结构672.4.4全控型电力电子器件-IGBT

IGBT驱动原理与电力MOSFET基本相同，为场控器件，通断由栅射电压UGE决定。2、IGBT的原理导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成导通沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通；通态压降：电导调制效应使内部等效电阻RN减小，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。683、IGBT的基本特性2.4.4全控型电力电子器件-IGBT

IGBT的特性分为静态和动态两类。静态特性又分为转移特性和输出特性。集电极电流IC和栅射间电压UGE的关系称为IGBT的转移特性；UGE>UGE(th)时，IGBT开通。IGBT是电压控制性器件，其输入阻抗高，输入电流很小。1)静态特性UGE<UGE(th)时，IGBT处于关断状态。693、IGBT的基本特性2.4.4全控型电力电子器件-IGBT以栅极电压UGE为参考变量，集电极电流IC和集射间电压UCE的关系称为IGBT的输出特性。UGE<UGE(th)时，IGBT处于阻断区，仅有小的漏电流存在。1)静态特性正向阻断区，有源区，饱和区，反向阻断区UGE>UGE(th)时，IGBT处于有源区，IC与UGE几乎呈线性关系而与UCE无关；饱和区是指输出特性有比较明显弯曲的部分；当UCE<0时，IGBT为反向阻断状态；IGBT工作在开关状态，即在阻断区和饱和区之间来回切换。703、IGBT的基本特性2.4.4全控型电力电子器件-IGBT开通过程UCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段2)动态特性开通延迟时间td(on)

上升时间tr开通时间ton=td(on)+trtfv1——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。713、IGBT的基本特性2.4.4全控型电力电子器件-IGBT关断过程电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段2)动态特性关断延迟时间td(off)

下降时间tf关断时间toff=td(off)+tftfi1——IGBT器件内部MOSFET的关断过程，iC下降较快;tfi2——IGBT内部PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。724、IGBT的主要参数2.4.4全控型电力电子器件-IGBT最大集射电压UCES最大集电极电流——IGBT的最高工作电压，由内部PNP晶体管的击穿电压确定。——IGBT的最大工作电流，包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP

开启电压UGE（th）最大集电极功耗PCM——是IGBT导通的最低栅射极电压，一般UGE(th)=(2~6)V——正常工作温度下允许的最大功耗732.4.4全控型电力电子器件-IGBT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;

IGBT的特性和参数特点可以总结如下：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。电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座2.4.5

其他全控型器件和模块1.静电感应晶体管SIT2.静电感应晶闸管SITH3.集成门极换流晶闸管IGCT4.集成功率模块752.4.5其他新型全控器件和模块是一种结型场效应晶体管；多子导电器件，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；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。1、静电感应晶体管SIT目前在通信雷达设备、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。762.4.5其他新型全控器件和模块在结构上比SIT增加一个PN结，在内部形成了两个三极管，类似于晶闸管的等效电路结构；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。2、静电感应晶闸管SITHSITH一般也是正常导通型（也可制成正常关断型），一般关断电压需要几十伏。772.4.5其他新型全控器件和模块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，但驱动功率仍然很大；目前正在与IGBT等器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。3、集成门极换流晶闸管IGCTIGCT在大功率牵引驱动、高压直流输电(HVCD)、静止式无功补偿(SVG)等装置中将有应用前途。782.4.5其他新型全控器件和模块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；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）；4、集成功率模块智能功率模块（IntelligentPowerModule——IPM）则专指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）。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；792.4.5其他新型全控器件和模块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，获得了迅速发展；4、集成功率模块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。电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座2.5

宽禁带半导体电力电子器件1.硅材料器件2.宽禁带半导体材料器件812.5宽禁带半导体电力电子器件1、硅材料器件从整流二极管到晶闸管，再到IGBT，都是硅材料器件；随着硅材料和硅工艺的日趋完善，各种硅器件的性能逐步趋近其理论极限，而电力电子技术的发展却不断对电力电子器件的性能提出了更高的要求，尤其是希望器件的功率和频率能得到更高程度的兼；越来越多的电力电子器件研究工作转向了对应用新型半导体材料制造；晶闸管问世后的40多年里，人们对电力电子器件的研究集中在对器件原理和结构的改进和创新，在材料的使用上则始终没有突破硅的范围；研究结果表明，就电力电子器件而言，比较理想的材料应当是宽禁带半导体材料！822.5宽禁带半导体电力电子器件2、宽禁带半导体材料器件硅的禁带宽度为1.12电子伏特（eV）；典型的宽禁带半导体材料：碳化硅MOSFET不仅适合于从600V到10kV的广泛电压范围，同时具备单极型器件的卓越开关性能；宽禁带半导体材料的禁带宽度在3.0eV及以上；GaN器件可以在更高频率、更高功率、更高温度的情况下工作，可以应用在1~110GHz范围的高频波段，覆盖了移动通信、无线网络、微波通信、雷达应用等波段。碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石等比较成熟是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。832.5宽禁带半导体电力电子器件碳化硅是一种性能优越的材料：2、宽禁带半导体材料器件与其他材料比较，它具有：使用碳化硅制造的器件，可以将半导体器件的极限工作温度提高到600℃以上；在额定电压相同的前提下，碳化硅器件通态电阻很低；高禁带宽度高击穿强度高热导率高饱和电子漂移速度低介电常数碳化硅器件工作频率比硅器件高10倍以上；碳化硅器件在高温、高频、高功率容量的应用场合是极为理想的电力电子器件。电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座2.6

电力电子技术应用技术1.电力电子器件驱动的基本任务与分类2.晶闸管类器件的触发要求3.全控器件的驱动要求4.电力电子器件的散热852.6电力电子器件应用技术电力电子器件的驱动是通过控制极加一定的信号使器件导通或