第二章電力電子器件

1、電力電子器件電力電子器件第第2 2章章電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，按照器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，分為以下三類分為以下三類： 1)1)半控型器件半控型器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）電力場效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）不可控器件不可控器件電力二極管（Power Diode）只有兩個(gè)端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電 流決定的。通過控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的

2、關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定全控型器件全控型器件通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。不能用控制信號(hào)來控制其通斷, 不需要驅(qū)動(dòng)電路。 按加在器件控制端和公共端之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)性質(zhì)：按加在器件控制端和公共端之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)性質(zhì)： 按器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電情況：按器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電情況： 1) 電流驅(qū)動(dòng)型電流驅(qū)動(dòng)型 1) 單極型器件單極型器件電力電子器件的分類電力電子器件的分類2) 電壓驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制 2) 雙極型器件雙極型器件3)

3、 復(fù)合型器件復(fù)合型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件由單極型器件和雙極型器件集成混合而成 功率電力二極管功率電力二極管1.1.1 工作原理及結(jié)構(gòu)工作原理及結(jié)構(gòu)1.1.2 功率二極管的基本特征功率二極管的基本特征1.1.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)1.1.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型 2.1外形、結(jié)構(gòu)圖外形、結(jié)構(gòu)圖 2.1.1AKAKa)IKAPNJb)c)N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié)結(jié)圖1-3 PN結(jié)的形成PNPN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理 2.1.1 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)

4、最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱為電荷構(gòu)成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)，按所強(qiáng)調(diào)的，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱為角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層耗盡層、阻擋層或或勢壘區(qū)勢壘區(qū)。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空間電荷區(qū)P型區(qū)N型區(qū)內(nèi)電場 交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，到對(duì)方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶，

5、到對(duì)方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負(fù)電荷但不能任意移動(dòng)的雜質(zhì)離子。這些不能移動(dòng)的正、正、負(fù)電荷但不能任意移動(dòng)的雜質(zhì)離子。這些不能移動(dòng)的正、負(fù)電荷稱為負(fù)電荷稱為空間電荷空間電荷。 空間電荷建立的電場被稱為空間電荷建立的電場被稱為內(nèi)電場或自建電場內(nèi)電場或自建電場，其方向是阻止，其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的，另一方面又吸引對(duì)方區(qū)內(nèi)的少子（對(duì)本區(qū)而言則為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的，另一方面又吸引對(duì)方區(qū)內(nèi)的少子（對(duì)本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運(yùn)動(dòng)，即多子）向本區(qū)運(yùn)動(dòng)，即漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)。 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定

6、的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱為為空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱為，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層耗盡層、阻擋層或勢壘區(qū)或勢壘區(qū)。 PN結(jié)外加正向電壓（正偏），即正接結(jié)外加正向電壓（正偏），即正接P區(qū)，負(fù)接區(qū)，負(fù)接N區(qū)，外加電場與區(qū)，外加電場與PN結(jié)自建電場方向相反，使得多結(jié)自建電場方向相反，使得多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，形成擴(kuò)散電流，子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，形成擴(kuò)散電流，在內(nèi)部造成空間電荷區(qū)變窄，而在外電路上形成自在內(nèi)部造成空間電荷區(qū)變窄，而在外電路上形成自P區(qū)流入?yún)^(qū)流入N區(qū)的電流，稱為正向電流區(qū)的

7、電流，稱為正向電流IF。 當(dāng)外加電壓升高時(shí)自建電場進(jìn)一步被削弱，擴(kuò)散當(dāng)外加電壓升高時(shí)自建電場進(jìn)一步被削弱，擴(kuò)散電流進(jìn)一步增加。這就是電流進(jìn)一步增加。這就是PN結(jié)的正向?qū)?，?dāng)流過結(jié)的正向?qū)?，?dāng)流過正向電流較小時(shí)，二極管的電阻主要是低摻雜正向電流較小時(shí)，二極管的電阻主要是低摻雜N 區(qū)區(qū)的歐姆電阻，其阻值較高且為常數(shù)。的歐姆電阻，其阻值較高且為常數(shù)。 工作原理及結(jié)構(gòu)工作原理及結(jié)構(gòu)2.1.1 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)當(dāng)當(dāng)PN結(jié)上流過的正向電流較大時(shí)，注入并結(jié)上流過的正向電流較大時(shí)，注入并積累在低摻雜積累在低摻雜N區(qū)的少子空穴濃度將很大。為了維持半導(dǎo)體的區(qū)的少子空穴濃度將很大。為了維持半導(dǎo)體的中性條

8、件，其多子濃度（即電子濃度）也相應(yīng)大幅度增加，中性條件，其多子濃度（即電子濃度）也相應(yīng)大幅度增加，使得其電阻率明顯下降，也就是電導(dǎo)率大大增加。使得其電阻率明顯下降，也就是電導(dǎo)率大大增加。 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得使得PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低，約結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低，約0.71V左右。即流過二極管的電流增大時(shí)，其內(nèi)阻由于電導(dǎo)左右。即流過二極管的電流增大時(shí)，其內(nèi)阻由于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，反而減小，從而維持端電壓基本不變。調(diào)制效應(yīng)，反而減小，從而維持端電壓基本不變。 當(dāng)當(dāng)PN 結(jié)外加反向電壓時(shí)外加電場與結(jié)外加反向電壓時(shí)外加電場與PN結(jié)自建電場方向相同，結(jié)自建電場方向相同，使少子的漂

9、移運(yùn)動(dòng)大于多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流，但使少子的漂移運(yùn)動(dòng)大于多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流，但由于少子的濃度很低，故反向電流很小，一般只為微安數(shù)量由于少子的濃度很低，故反向電流很小，一般只為微安數(shù)量級(jí)。故反向偏置時(shí)，級(jí)。故反向偏置時(shí)，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻態(tài)，幾乎無電流流過，稱結(jié)呈現(xiàn)高阻態(tài)，幾乎無電流流過，稱為截止?fàn)顟B(tài)。為截止?fàn)顟B(tài)。正向偏置反向偏置電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不符合歐姆定律 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 1. 靜態(tài)特性（伏安特性）靜態(tài)特性（伏安特性）工作原理及結(jié)構(gòu)工作原理及結(jié)構(gòu)2.1.1電力二極管的伏安特性IOIFUTOUFU 當(dāng)正向電壓大到一定值（當(dāng)正向電壓大到一定值（門檻電門檻電壓壓U

10、 UTOTO），正向電流才開始明顯增加，），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。 與正向電流與正向電流I IF F對(duì)應(yīng)的電力二極管對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓兩端的電壓U UF F即為其正向電壓降。即為其正向電壓降。 當(dāng)承受反向電壓時(shí)，只有少子引當(dāng)承受反向電壓時(shí)，只有少子引起的微小的反向（漂移）漏電流起的微小的反向（漂移）漏電流。2. 2. 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性2.2.2動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性開關(guān)特性開關(guān)特性 反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程 因結(jié)電容的存在，電力二極管在零偏置、正向偏置、反向偏置這三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個(gè)過渡過程， PN結(jié)的

11、一些區(qū)域需要一定的時(shí)間調(diào)整其帶電狀態(tài)，此過程中的電壓電流特性是隨時(shí)間變化的。 這就是功率二極管的動(dòng)態(tài)特征。電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 延遲時(shí)間：延遲時(shí)間：td= t1- t0, 電流下降時(shí)間：電流下降時(shí)間：tf= t2- t1 反向恢復(fù)時(shí)間：反向恢復(fù)時(shí)間：trr= td+ tf 恢復(fù)特性的軟度：恢復(fù)特性的軟度： 下降時(shí)間與延遲時(shí)間下降時(shí)間與延遲時(shí)間 的比值的比值Sr tf /td，（恢復(fù)系數(shù)），（恢復(fù)系數(shù)）2.2.2a)正向偏轉(zhuǎn)換為反偏正向偏轉(zhuǎn)換為反偏 當(dāng)原處于正向?qū)顟B(tài)的電當(dāng)原處于正向?qū)顟B(tài)的電力二極管外加電壓突然由正向力二極管外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，并不能及時(shí)關(guān)斷，

12、變?yōu)榉聪驎r(shí)，并不能及時(shí)關(guān)斷，須經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重須經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。止?fàn)顟B(tài)。 在關(guān)斷之前有較大的反向電在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。電壓過沖。關(guān)斷過程關(guān)斷過程：電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 開通過程開通過程：電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過沖沖UFP，經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值。這一動(dòng)態(tài)過程時(shí)間被壓降的某個(gè)值。這一動(dòng)態(tài)過程時(shí)間被稱為正向恢復(fù)時(shí)間稱為正向恢復(fù)時(shí)間tfr。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需

13、一定的時(shí)間來電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時(shí)間來儲(chǔ)存大量少子，達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓儲(chǔ)存大量少子，達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大。降較大。正向電流的上升會(huì)因器件自身的電感正向電流的上升會(huì)因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高越高 。2.2.2b) 零偏轉(zhuǎn)換為正向偏置零偏轉(zhuǎn)換為正向偏置電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)1. 正向平均電流正向平均電流IF(A V) 額定電流額定電流在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電最大工頻正弦半波電流的平均值流的平均值正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義，因此使用時(shí)應(yīng)按

14、有效值相等的原則有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。當(dāng)用在頻率較高的場合時(shí)，開關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時(shí)，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小 2.1.32. 正向壓降正向壓降UF指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流時(shí)器件的最大瞬時(shí)正向壓降3. 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3使用時(shí)，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要

15、參數(shù)2.1.34. 最高工作結(jié)溫最高工作結(jié)溫TJM結(jié)溫結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。最高工作結(jié)溫最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125175C范圍之內(nèi)。5. 反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr= （延遲時(shí)間）（延遲時(shí)間）td+ （電流下降時(shí)間）（電流下降時(shí)間）tf ，關(guān)斷過程中，電流降到零起到恢復(fù)反響阻斷能力止的時(shí)間。6. 浪涌電流浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)2.1.3電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能。

16、在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場合的不同要求選擇不同類型的電力二極管。性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的。普通二極管普通二極管（General Purpose Diode） 如： IN4007 IN5408 又稱整流二極管（Rectifier Diode）多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中其反向恢復(fù)時(shí)間較長，一般在5 s以上，這在開關(guān)頻率不高時(shí)并不重要。正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。2.1.42. 快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管（Fast Recovery DiodeFRD）電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型2.1.4恢復(fù)過程很短特別是反

17、向恢復(fù)過程很短（5 s以下）的二極管，也簡稱快速二極管。 如：FR107 MUR840工藝上多采用了摻金措施有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)有的采用改進(jìn)的PiN結(jié)構(gòu) 采用外延型PiN結(jié)構(gòu)的的快恢復(fù)外延二極管快恢復(fù)外延二極管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下。 如HFA25TB60 從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。 3. 肖特基二極管肖特基二極管 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基

18、礎(chǔ)的二極管稱為以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為 肖特基勢壘二極管（肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier DiodeSBD） 20世紀(jì)世紀(jì)80年代以來，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路年代以來，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路 中廣泛應(yīng)用中廣泛應(yīng)用肖特基二極管的弱點(diǎn)肖特基二極管的弱點(diǎn)當(dāng)反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此當(dāng)反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此 多用于多用于200V以下以下反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略， 而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度而且必須更嚴(yán)格地

19、限制其工作溫度電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型2.1.4肖特基二極管的肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)反向恢復(fù)時(shí)間很短（反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns）正向恢復(fù)過程中也不會(huì)有明顯的電壓過沖正向恢復(fù)過程中也不會(huì)有明顯的電壓過沖在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管二極管其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高 如： IPS59SB20 40V/0.5A IPS74SB23 40V/1A PBYL1025 25V/10A 1N5819 40V/1A 2.1.4電力二

20、極管的主要類型電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型 例1 設(shè)流過電力二級(jí)管的電設(shè)流過電力二級(jí)管的電流波形如圖流波形如圖11所示，所示，其最大值為其最大值為Im，試求各，試求各流形的電流平均值流形的電流平均值Id，有效值有效值I和波形系數(shù)和波形系數(shù)KF.2.1.42.1.4Id= I= 波形系數(shù)KF=I/Id=2.221222pwwpppItdtImmsin() =122 222pwwpp(sin)()ItdtImm=100A的二級(jí)管所能送出的平均電流 ID=157707KAFa=.半控器件半控器件晶閘管晶閘管 2.2.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 2

21、.2.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 2.2.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 2.2.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件2.2半控器件半控器件晶閘管晶閘管圖1-6 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)2.2晶閘管晶閘管（Thyristor）、可控硅整流器（SCR）外形有螺栓型和平板型兩種封裝快速晶閘管，逆導(dǎo)晶閘管，門極可關(guān)斷晶閘管，雙 向晶閘管，光控晶閘管等，下面我們討論普通晶閘 管BT151，MCR100-6.AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3 Ic1=1 IA + ICBO1 Ic2=2 IK + ICBO2

22、 IK=IA+IG IA=Ic1+Ic2 式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。 圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理2.2.1)(121CBO2CBO1G2A+-+=IIIIRNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b) 晶閘管可以用正反饋下的PNP和NPN晶體管表示。 門極電流IG被注入晶體管T2的基極，則產(chǎn)生放大集電極電流IC2，IC2成為T1的基極電流，放大了IC1，從而使IB2IGI

23、C1增大，導(dǎo)致IC2進(jìn)一步增加，ICC1也進(jìn)一步增加，形成了正反饋，最后T1和T2完全飽和，晶閘管仍能維持導(dǎo)通。普通晶閘管即使加負(fù)的門極電流也不能使其關(guān)斷。 晶閘管可以通過門極使其開通，而不能使其關(guān)斷，是半控型器件。2.2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 晶閘管的特性是：晶閘管的特性是：在低發(fā)射極電流下 很小，當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。 阻斷狀態(tài)：阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。 開通（門極觸發(fā)）：開通（門極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）趨近于無窮大，實(shí)現(xiàn)

24、飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理2.2.1晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 1. 靜態(tài)特性靜態(tài)特性晶閘管正常工作時(shí)的特性如下： 承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。 承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。 晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。1) 要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。2.2.2晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 第第I象限的是正向特性象限的是正向特性 第第III象限的是反向特性象限的是反向特性圖2-9 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性2

25、.2.2正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1) 1) 正向阻斷狀態(tài)：正向阻斷狀態(tài)：Uak加正壓，門極電流為零時(shí)，加正壓，門極電流為零時(shí)，J2結(jié)反向偏置，承受電壓（結(jié)反向偏置，承受電壓（Uak ），器件），器件不導(dǎo)通。不導(dǎo)通。如果門極電流為零，且陽極電壓如果門極電流為零，且陽極電壓Uak上升速度較小，在最大轉(zhuǎn)折電壓以下上升速度較小，在最大轉(zhuǎn)折電壓以下時(shí)晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)。當(dāng)時(shí)晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)。當(dāng)Uak達(dá)到達(dá)到相應(yīng)轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，使相應(yīng)轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，使J2結(jié)擊穿，晶閘管結(jié)擊穿，晶閘管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。這種擊穿具有破壞性。進(jìn)入導(dǎo)通狀

26、態(tài)。這種擊穿具有破壞性。隨著門極電流的增大，正向電隨著門極電流的增大，正向電壓減小，最后在壓減小，最后在IG處，器件相當(dāng)于二極處，器件相當(dāng)于二極管導(dǎo)通特性。壓降為管導(dǎo)通特性。壓降為1V。晶閘管的伏安特性IG2IG1IG晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性2.2.2正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM2) 反向阻斷狀態(tài)反向阻斷狀態(tài) 當(dāng)當(dāng)Uak為負(fù)電壓時(shí)同為負(fù)電壓時(shí)同J1，J3結(jié)反向結(jié)反向偏置，主要由偏置，主要由J1結(jié)承受反壓，器件不結(jié)承受反壓，器件不導(dǎo)通。當(dāng)導(dǎo)通。當(dāng)Uak超過反向擊穿。超過反向擊穿。晶閘管的伏安特性晶閘管的基本特性晶閘

27、管的基本特性2.2.2正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM3）觸發(fā)導(dǎo)通）觸發(fā)導(dǎo)通如果晶閘管陽極電壓如果晶閘管陽極電壓Uak為正值，為正值，且注入足夠的門極電流，從而使器且注入足夠的門極電流，從而使器件進(jìn)入飽和導(dǎo)通，稱為晶閘管的觸件進(jìn)入飽和導(dǎo)通，稱為晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通。發(fā)導(dǎo)通。（4）關(guān)斷）關(guān)斷 維持電流維持電流IH：是指晶閘管穩(wěn)定導(dǎo)通之后，逐漸減小通：是指晶閘管穩(wěn)定導(dǎo)通之后，逐漸減小通過器件的陽極電流過器件的陽極電流IA，仍能維持住導(dǎo)通狀態(tài)不變的最小陽，仍能維持住導(dǎo)通狀態(tài)不變的最小陽極電流。維持電流大小為接近于零。當(dāng)極電流。維持電流

28、大小為接近于零。當(dāng)IA減小到減小到IH以下時(shí)，以下時(shí)，晶閘管就維持不住導(dǎo)通，而進(jìn)入阻斷狀態(tài)。晶閘管就維持不住導(dǎo)通，而進(jìn)入阻斷狀態(tài)。 在導(dǎo)通期間，如果要求器件返回到正阻斷狀態(tài)必須使在導(dǎo)通期間，如果要求器件返回到正阻斷狀態(tài)必須使門極電流為零，且將陽極電流降低到一個(gè)稱為維持電流的門極電流為零，且將陽極電流降低到一個(gè)稱為維持電流的臨界極限值以下，并保持一段時(shí)間。稱為自然關(guān)斷。臨界極限值以下，并保持一段時(shí)間。稱為自然關(guān)斷。也可以通過加一反向電壓，即也可以通過加一反向電壓，即Uak 0, 并保持一段時(shí)并保持一段時(shí)間使其關(guān)斷，稱為強(qiáng)迫關(guān)斷。在實(shí)際電路中是采用陽極電間使其關(guān)斷，稱為強(qiáng)迫關(guān)斷。在實(shí)際電路中是采用

29、陽極電壓反向，減小陽極電壓或增大電路阻抗等方式，使陽極電壓反向，減小陽極電壓或增大電路阻抗等方式，使陽極電流小于維持電流，晶閘管關(guān)斷。流小于維持電流，晶閘管關(guān)斷。2. 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性圖2-10 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性2.2.3100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA 由于晶閘管的內(nèi)部由于晶閘管的內(nèi)部正反饋過程需要時(shí)間，正反饋過程需要時(shí)間，再加上外電路電感限制。再加上外電路電感限制。晶閘管受到觸發(fā)后，其晶閘管受到觸發(fā)后，其陽極電流的增長不可能陽極電流的增長不可能瞬時(shí)的。瞬時(shí)的。晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形晶閘管的基本特性晶閘管的

30、基本特性2.2.3100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA （1）開通過程）開通過程:延遲時(shí)間延遲時(shí)間td：門極電流階躍時(shí)刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時(shí)間。上升時(shí)間上升時(shí)間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%的時(shí)間。開通時(shí)間開通時(shí)間tgt: tgt=td+ tr普通晶閘管延遲時(shí)間為普通晶閘管延遲時(shí)間為0.51.5s，上升時(shí)間為，上升時(shí)間為0.53.0S。 延遲時(shí)間隨門極電流的增大而減小。延遲時(shí)間隨門極電流的增大而減小。 和陽極電壓的大小有關(guān)。提高陽極電壓可以增大晶體管和陽極電壓的大小有關(guān)。提高陽極電壓可以增大晶體管T2 的電流增益。加速正反饋、

31、縮短開通時(shí)間。的電流增益。加速正反饋、縮短開通時(shí)間。 還受到外電路電感的嚴(yán)重影響。還受到外電路電感的嚴(yán)重影響。（2）關(guān)斷過程）關(guān)斷過程 處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)楫?dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，由于外電路電感的反向時(shí)，由于外電路電感的存在，其陽極電流衰減必然存在，其陽極電流衰減必然也是有過渡過程的。也是有過渡過程的。 陽極電流將逐步衰減到陽極電流將逐步衰減到零，然后同二極管的關(guān)斷過零，然后同二極管的關(guān)斷過程類似，在反方向會(huì)流過反程類似，在反方向會(huì)流過反向恢復(fù)電流，經(jīng)過最大值向恢復(fù)電流，經(jīng)過最大值IRM后，再反方向衰減。后，再反方向衰減。晶閘管的開通和關(guān)斷過

32、程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA 反向阻斷恢復(fù)時(shí)間反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間 正向阻斷恢復(fù)時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間 在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)ā?應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力。 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間tq：trr與tgr之和，即 tq=trr+tgr 約幾百微秒約幾百微秒普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約為幾百S。所以在開關(guān)在開關(guān)損耗中，損耗中，關(guān)斷損耗占主要部分關(guān)斷損耗占主要部分

33、。1. 電壓定額電壓定額晶閘管的主要技術(shù)參數(shù)晶閘管的主要技術(shù)參數(shù) 2.2.4 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的 正向峰值電壓。 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。晶閘管通以某一規(guī)定倍 數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。1) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM2) 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM3) 通態(tài)（峰值）電壓通態(tài)（峰值）電壓UTM通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓額定電壓。選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量裕量,一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓23倍。2. 電流定額電流定額晶閘管的主要

34、參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 2.2.4 晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波電最大工頻正弦半波電流的平均值流的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)。結(jié)溫越高，則IH越小。晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流對(duì)同一晶閘管來說，通常IL約為IH的24倍。指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流 。 4) 浪涌電流浪涌電流ITSM 3) 擎住電流擎住電流 IL 2) 維持電流維持電流 IH 使用時(shí)應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值

35、相等的原有效值相等的原則則來選取晶閘管。應(yīng)留一定的裕量，一般取1.52倍。 1) 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AV) 3. 動(dòng)態(tài)參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 2.2.4 指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。如果電流上升太快，則晶閘管剛一開通，便會(huì)有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞 。 (2) 通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dt 指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)電容的J2結(jié)會(huì)有充電電流流過，被稱為位

36、移電位移電流流。此電流流經(jīng)J3結(jié)時(shí)，起到類似門極觸發(fā)電流的作用。如果電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 。 (1) 斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件 雙向可控晶閘管： 用于電阻爐調(diào)功 MOS管： 用于開關(guān)電源 IGBT： 用于UPS和變換器功率晶體管GTR： 用于電子鎮(zhèn)流器2.2.5雙向晶閘管雙向晶閘管2.2.6 雙向晶閘管 把兩個(gè)并聯(lián)的晶閘管集成在同一硅片上，同一個(gè)門極控制觸發(fā)的組件，這種結(jié)構(gòu)使它能在電路中雙方向?qū)?，可替代交流接觸器在電氣領(lǐng)域用于交流調(diào)壓，交流調(diào)功，成為無觸點(diǎn)開關(guān)。 如BTA204C 4A/600V雙向晶閘管

37、雙向晶閘管 雙向晶閘管是單端控制雙向工作（工作在1、3象限）器件。 （具體原理在T2和T1之間加高電壓，控制電壓加在T2和G間）2.2.6 常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)典型全控型器件典型全控型器件門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代。典型代表門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。 典型全控型器件典型全控型器件常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊2.2.7 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 晶閘管的一種派生器件。 可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流

38、使其關(guān)斷。 GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用。 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）2.2.7 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)： 與普通晶閘管的相同點(diǎn)相同點(diǎn)： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。 和普通晶閘管的不同點(diǎn)不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件。圖2-14 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號(hào)1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理c)圖1-13AGKGGKN1P1

39、N2N2P2b)a)AGK2.2.7 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 工作原理工作原理： 與普通晶閘管一樣，可以用圖所示的雙晶體管模型來分析。 RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b) 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 1 1+ + 2 2=1=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。是器件臨界導(dǎo)通的條件。 由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益 1 1和 2 2 。2.2.7 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別區(qū)別： 設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控 制靈敏

40、，使GTO易于關(guān)斷。 導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。 多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極反向抽出較大電流。 RN P NP N PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b )圖 晶閘管的工作原理2.2.7 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。 GTO關(guān)斷過程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)有利于關(guān)斷，還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強(qiáng) 。 由上述分析我們可以得到以下結(jié)論結(jié)論：2.2.7 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管開通過程開通過

41、程：與普通晶閘管相同關(guān)斷過程關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同 儲(chǔ)存時(shí)間儲(chǔ)存時(shí)間ts，使等效晶體管退出飽和。 下降時(shí)間下降時(shí)間tf 尾部時(shí)間尾部時(shí)間tt 殘存載流子復(fù)合。 通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。 門極負(fù)脈沖電流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 圖2-15 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形 GTO的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性2.2.7 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) 延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約12s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大。 一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括

42、尾部時(shí)間。下降時(shí)間一般小于2s。（2） 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff（1）開通時(shí)間開通時(shí)間ton 不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián) 。 許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。2.2.7 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管（3）最大可關(guān)斷陽極電流最大可關(guān)斷陽極電流IATO（4） 電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益 off off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要200A 。 GTO額定電流。 最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。（2-8）GMATOof

43、fII=電力晶體管（電力晶體管（GTRGTR） 2.3.1 GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 2.3.2 GTR的基本特性的基本特性 2.3.3 GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù)2.3術(shù)語：術(shù)語： 電力晶體管（Giant TransistorGTR，巨型晶體管） 耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT） 應(yīng)用應(yīng)用 20世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代電力晶體管電力晶體管2.31. GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理圖2-16 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng) a)

44、 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào) c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng)電力晶體管電力晶體管2.3.1圖1-15a)基極 bP基區(qū)N漂移區(qū)N+襯底基極 b 發(fā)射極 e集電極 cP+P+N+b)bec空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib 雙極型功率晶體管簡稱為功率晶體管，也稱電力晶體管， 是由三層半導(dǎo)體（兩個(gè)PN結(jié)）構(gòu)成的，一般為NPN結(jié)構(gòu)（PNP耐壓低些）。2. GTR的基本特性的基本特性 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性截止區(qū)截止區(qū)：又稱阻斷區(qū)，特征類：又稱阻斷區(qū)，特征類似于開關(guān)處于斷態(tài)的情況，似于開關(guān)處于斷態(tài)的情況，該區(qū)對(duì)應(yīng)于該區(qū)對(duì)應(yīng)于Ib=0的條件，的條件，GTR承受高電壓而僅有極

45、承受高電壓而僅有極小的漏電流存在。此時(shí)集小的漏電流存在。此時(shí)集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，發(fā)射電結(jié)處于反偏狀態(tài)，發(fā)射結(jié)偏壓為結(jié)偏壓為0。即：。即：VBE0，V B C 0 或或 V B C 0 ，VBE=0 圖2-17 共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性電力晶體管電力晶體管2.3.2截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib20，VBE0）。）。失控區(qū)失控區(qū)：當(dāng)當(dāng)VCE超過一定值的時(shí)候，超過一定值的時(shí)候，ic會(huì)急劇上升，出會(huì)急劇上升，出現(xiàn)非線性，晶體管進(jìn)入失控區(qū)。現(xiàn)非線性，晶體管進(jìn)入失控區(qū)。VCE再進(jìn)一步增加，會(huì)再進(jìn)一步增加，會(huì)導(dǎo)致雪崩擊穿，并產(chǎn)生二次擊穿現(xiàn)象。導(dǎo)致雪崩擊穿，并產(chǎn)生二次擊穿現(xiàn)象。

46、GTRGTR為電流驅(qū)動(dòng)型器件為電流驅(qū)動(dòng)型器件，驅(qū)動(dòng)功率較大，但飽和壓，驅(qū)動(dòng)功率較大，但飽和壓降較小，一般應(yīng)用在降較小，一般應(yīng)用在30-40khz以下工作頻率范圍內(nèi)。以下工作頻率范圍內(nèi)。GTR器件具有器件具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。 功率晶體管在以往介紹的模擬電路中工作在放大區(qū)，但在電力電子線路中，主要工作在開關(guān)狀態(tài)，即截止區(qū)和飽和區(qū)。這是主要區(qū)別。 2.3.1(2) 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性開通過程開通過程開通時(shí)間：加上開通信開通時(shí)間：加上開通信號(hào)時(shí)刻起到集電極電流號(hào)時(shí)刻起到集電極電流上升到最大值的上升到最大值的90%所所需要的時(shí)間。需要的時(shí)間。Ton=Td+Trtd主要是由發(fā)射結(jié)勢壘主要是由發(fā)射結(jié)

47、勢壘電容和集電結(jié)勢壘電容電容和集電結(jié)勢壘電容充電產(chǎn)生的。增大充電產(chǎn)生的。增大ib的的幅值并增大幅值并增大dib/dt，可，可縮短延遲時(shí)間，同時(shí)可縮短延遲時(shí)間，同時(shí)可縮短上升時(shí)間，從而加縮短上升時(shí)間，從而加快開通過程快開通過程 。圖2-18 GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形電力晶體管電力晶體管2.3.2ibIb1Ib2Icsic0090% Ib110% Ib190% Ics10% Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd關(guān)斷過程關(guān)斷過程關(guān)斷時(shí)間：關(guān)斷時(shí)間： 從加關(guān)斷信號(hào)從加關(guān)斷信號(hào) 時(shí)刻區(qū)，時(shí)刻區(qū)，晶體管由飽和狀態(tài)經(jīng)放大狀晶體管由飽和狀態(tài)經(jīng)放大狀態(tài)再到截止?fàn)顟B(tài)所需時(shí)間稱態(tài)再

48、到截止?fàn)顟B(tài)所需時(shí)間稱為關(guān)斷時(shí)間。關(guān)斷時(shí)間為關(guān)斷時(shí)間。關(guān)斷時(shí)間toff由存儲(chǔ)時(shí)間由存儲(chǔ)時(shí)間ts和下降時(shí)間和下降時(shí)間tf兩部分組成。即兩部分組成。即 toff=ts+tf。 GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形電力晶體管電力晶體管2.3.2ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd 雙極型晶體管的開通時(shí)間ton約為50-500ns，關(guān)斷時(shí)間toff約為500-2000ns。 縮短存儲(chǔ)時(shí)間ts是降低晶體管開關(guān)損耗的主要因素。 減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度可縮短存貯時(shí)間,但它同時(shí)會(huì)使集電極和發(fā)射極的飽和導(dǎo)通壓降Uces增加

49、，從而增大通態(tài)損耗，這是一對(duì)矛盾。GTR的開關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多.2.3.2電力晶體管電力晶體管3. GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù) 電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù) 、直流電流增益、直流電流增益hFE、集射極間漏電流、集射極間漏電流Iceo、集射極間飽、集射極間飽和壓降和壓降Uces、耐壓、開通時(shí)間、耐壓、開通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間toff 。 1) 最高工作電壓最高工作電壓 BUcbo-發(fā)射極開路時(shí)集電極和基極間的反向擊穿電壓。發(fā)射極開路時(shí)集電極和基極間的反向擊穿電壓。 BUceo-基極開路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓?；鶚O開路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。 BUcer

50、 BUces 發(fā)射極與基極電阻連接或短路連接的擊穿電壓。發(fā)射極與基極電阻連接或短路連接的擊穿電壓。 BUcex-發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓 BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo 實(shí)際使用時(shí)，為確保安全，最高工作電壓要比實(shí)際使用時(shí)，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。低得多。2.3.3 2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的下降到規(guī)定值的1/21/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半以下。的一

51、半以下。 3) 集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率最高工作溫度下允許的耗散功率產(chǎn)品說明書中給產(chǎn)品說明書中給PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫時(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最，間接表示了最高工作溫度高工作溫度 。 PcM跟散熱條件和環(huán)境溫度有關(guān)。跟散熱條件和環(huán)境溫度有關(guān)。 4）開通時(shí)間開通時(shí)間ton=td+tr 5）關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff=ts+tf電力晶體管電力晶體管2.3.32.3.3 電力晶體管電力晶體管一次擊穿一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大。 只要Ic不超過限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。 二次擊穿二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時(shí)，Ic突然急

52、劇上升，電壓陡然下降。 常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。 安 全 工 作 區(qū) （安 全 工 作 區(qū) （ S a f e Operating AreaSOA） 最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖2-19 GTR的安全工作區(qū) GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)電力場效應(yīng)晶體管（電力場效應(yīng)晶體管（MOSFETMOSFET） 2.4.1 電力場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電力場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 2.4.2 電力電力MOSFET的基本特性的基本特性 2.4.3 主要工作參數(shù)及動(dòng)

53、態(tài)特性主要工作參數(shù)及動(dòng)態(tài)特性2.42.4 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 分為結(jié)型結(jié)型和絕緣柵型絕緣柵型,主要指絕緣柵型絕緣柵型中的MOSMOS型型 簡稱電力MOSFET（Power MOSFET） 按導(dǎo)電溝道可分為P溝道溝道和N溝道溝道。 耗盡型耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。 增強(qiáng)型增強(qiáng)型對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道。 電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型。 特點(diǎn)特點(diǎn)用柵極電壓來控制漏極電流 驅(qū)動(dòng)電路簡單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。 開關(guān)速度快，工作頻率高。 熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。 電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子

54、裝置 。 電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)電力場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電力場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.4.1圖2-20 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-1三端器件：柵極G、漏極D和源極Su小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?。u電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）。u按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。1功率功率MOSFET大多采用

55、豎直溝道雙擴(kuò)散型結(jié)構(gòu)，在大多采用豎直溝道雙擴(kuò)散型結(jié)構(gòu)，在N+襯襯底上的底上的N-型外延層中，用雙擴(kuò)散技術(shù)，先形成型外延層中，用雙擴(kuò)散技術(shù)，先形成P溝道區(qū)，再溝道區(qū)，再形成形成N型源區(qū)。型源區(qū)。2導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電。（如導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電。（如N型型MOS，多子是電子），多子是電子）3通常一個(gè)通常一個(gè)VDMOS管是由許多元細(xì)胞并聯(lián)而成。（一個(gè)管是由許多元細(xì)胞并聯(lián)而成。（一個(gè)40A的管子由上萬個(gè)單元并聯(lián)而成），它是一種功率集成器的管子由上萬個(gè)單元并聯(lián)而成），它是一種功率集成器件。件。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.4.14電力電力MOSFET也是多元集成結(jié)構(gòu)，一

56、個(gè)器件由也是多元集成結(jié)構(gòu)，一個(gè)器件由許多個(gè)小許多個(gè)小MOSFET元組成。元組成。 國際整流器公司（國際整流器公司（International Rectifier）的）的HEXFET采用采用了六邊形單元了六邊形單元 西門子公司（西門子公司（Siemens）的）的SIPMOSFET采用了正方形單元采用了正方形單元 摩托羅拉公司（摩托羅拉公司（Motorola）的）的TMOS采用了矩形單元按采用了矩形單元按“品品”字形排列字形排列 5柵極與基片之間隔者柵極與基片之間隔者SiO2薄層，因此它同其它薄層，因此它同其它兩個(gè)極之間是絕緣的，只要兩個(gè)極之間是絕緣的，只要SiO2層不被擊穿，柵層不被擊穿，柵極對(duì)

57、源極之間的阻抗是非常高的，因此驅(qū)動(dòng)電流極對(duì)源極之間的阻抗是非常高的，因此驅(qū)動(dòng)電流較小。較小。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.4.1 電力電力MOSFET的工作原理的工作原理 N溝道溝道VDMOS在使用時(shí)，源極接負(fù)端，即在使用時(shí)，源極接負(fù)端，即VDS0。柵極。柵極相對(duì)源極接正電壓時(shí)，相對(duì)源極接正電壓時(shí)，VGS0,N+源區(qū)與源區(qū)與N-之間會(huì)將之間會(huì)將P型型區(qū)中線表層的空穴排出。而將電子吸引到此區(qū)域，當(dāng)區(qū)中線表層的空穴排出。而將電子吸引到此區(qū)域，當(dāng)VGS達(dá)到一定正電壓時(shí)，此區(qū)域反型成為達(dá)到一定正電壓時(shí)，此區(qū)域反型成為N型，形成型，形成N型型導(dǎo)電溝道，將源極與漏極連通，形成電子流。電子從源導(dǎo)電溝道，將源極與漏極連

58、通，形成電子流。電子從源區(qū)經(jīng)此水平溝道流入?yún)^(qū)經(jīng)此水平溝道流入N外延層后，即在漏外延層后，即在漏-源電壓的驅(qū)使源電壓的驅(qū)使下，向漏極豎直漂移，形成漏極電流。下，向漏極豎直漂移，形成漏極電流。圖2-20 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管2.4.1N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖2-21 電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性2. 電力電力MOSFET的基本特性的基本特性電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管2.4.201020305040圖1-202468a)10203050400b)10 20 3

59、05040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 1當(dāng)柵極電壓當(dāng)柵極電壓VGS小于小于閾值電壓時(shí)，閾值電壓時(shí)，VDMOS處于處于截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài),閾值為閾值為2-4V。 2為保證器件導(dǎo)通進(jìn)入歐為保證器件導(dǎo)通進(jìn)入歐姆工作區(qū)，姆工作區(qū)，VGS要足夠大。要足夠大。當(dāng)當(dāng)VDMOS管充分導(dǎo)通進(jìn)入管充分導(dǎo)通進(jìn)入歐姆工作區(qū)時(shí)，它就象一歐姆工作區(qū)時(shí)，它就象一個(gè)電阻，輸出電流個(gè)電阻，輸出電流ID隨電隨電壓壓VDS線性改變。線性改變。 3功率功率MOSFET是電壓型是電壓型驅(qū)動(dòng)器件，驅(qū)動(dòng)功率小

60、，驅(qū)動(dòng)器件，驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快，導(dǎo)通時(shí)呈阻開關(guān)速度快，導(dǎo)通時(shí)呈阻性。故目前大量應(yīng)用于性。故目前大量應(yīng)用于20khz以上電路中。以上電路中。 4實(shí)際使用時(shí)，實(shí)際使用時(shí)，MOS管工管工作在截止區(qū)和歐姆工作區(qū)作在截止區(qū)和歐姆工作區(qū)(也稱非飽和區(qū)也稱非飽和區(qū))兩個(gè)狀態(tài)。兩個(gè)狀態(tài)。主要工作參數(shù)及動(dòng)態(tài)特性主要工作參數(shù)及動(dòng)態(tài)特性1漏源電壓漏源電壓BVDS 漏極電壓漏極電壓VDS這是標(biāo)稱電力這是標(biāo)稱電力MOSFET電壓額定的參數(shù)，它主要由電壓額定的參數(shù)，它主要由VMOS管的漏極擊穿電壓管的漏極擊穿電壓BVDS決定，而決定，而BVDS又是又是J1結(jié)的反偏電壓結(jié)的反偏電壓極限值。極限值。BVDS隨溫度而變化，