第二章 電力電子器件3

1、合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院電 力 電 子 技 術(shù)Power Electronic Technology復(fù)習(xí) 1、什么是電力電子技術(shù)，電力電子技術(shù)的特點有哪四點？ 電力電子技術(shù)：使用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)1）電力電子技術(shù)的發(fā)展集中體現(xiàn)在電力電子器件的發(fā)展上電力電子器件的發(fā)展上； 2）電力電子器件一般均工作在開關(guān)狀態(tài)，這是重要特征； 3）電力電子裝置及系統(tǒng)主要完成各類電能形態(tài)間的變換； 4）電力電子技術(shù)涉及電氣工程學(xué)科諸多領(lǐng)域并且是該學(xué)科最為活躍的分支。復(fù)習(xí)2、 若流過晶閘管的波形如題2.8圖所示，電流峰值為Im，試求該電流波形的波形系數(shù)，并選擇晶閘管（不考慮裕量）。有效值：

2、有效值：22/313sin()0.452238mTmmIIItdtI平均值：平均值： m/313sin24dmIIt dtI波形系數(shù)波形系數(shù)Kf：1.88TfdIKI所需晶閘管的通態(tài)平均電流，按有效值相等原則選取：所需晶閘管的通態(tài)平均電流，按有效值相等原則選取：()1.57TT avII復(fù)習(xí)3、維持晶閘管導(dǎo)通的條件是什么？怎樣能使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷？1）流過晶閘管的電流應(yīng)大于維持電流；）流過晶閘管的電流應(yīng)大于維持電流；2）在外部電路作用下，使流過晶閘管的電流降低到）在外部電路作用下，使流過晶閘管的電流降低到維持電流以下維持電流以下2.5 2.5 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管2.5 2.5

3、 門極可關(guān)斷晶閘管（GTO） GTO的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 GTO的動態(tài)特性 GTO的主要參數(shù) GTO的驅(qū)動 GTO的應(yīng)用特點門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor Gate-Turn-Off Thyristor GTOGTO） 晶閘管的一種晶閘管的一種派生器件派生器件，在晶閘管問世后不久出現(xiàn)，在晶閘管問世后不久出現(xiàn) 可以通過在門極施加可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷 GTOGTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用在兆瓦級以上的大功率場

4、合仍有較多的應(yīng)用2.5 門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：與 普 通 晶 閘 管 的 相 同 點 ：與 普 通 晶 閘 管 的 相 同 點 ： PNPNPNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極出陽極、陰極和門極和普通晶閘管的不同：和普通晶閘管的不同：GTOGTO是是一種一種多元的功率集成器件多元的功率集成器件，內(nèi)，內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小極的小GTOGTO元，這些元，這些GTOGTO元的陰元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起一起2.5.1 GTO的基本結(jié)構(gòu)和工作原理的基本結(jié)構(gòu)和工作原理c)圖1-13

5、AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKN1P1 P2AKGN2N2N2工作原理：工作原理： 與普通晶閘管一樣： 1 1）可以用下圖所示的雙晶體管模型來分析 2 2） 1 1+ + 2 2=1=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。當(dāng)1+21時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)1+21時，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)2.5.1 GTO的基本結(jié)構(gòu)和工作原理的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 GTOGTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：與普通晶閘管有如下區(qū)別： 1 1）設(shè)計）設(shè)計

6、 2 2較大較大，使晶體管，使晶體管V V2 2控制靈敏，易控制靈敏，易于于GTOGTO關(guān)斷關(guān)斷 2 2）導(dǎo)通時）導(dǎo)通時 1 1+ + 2 2更接近更接近1 1（ 1.051.05，普通晶，普通晶閘管閘管 1 1+ + 2 2 1.151.15）導(dǎo)通時飽和不深，接近）導(dǎo)通時飽和不深，接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大管壓降增大 3 3）多元集成結(jié)構(gòu)使多元集成結(jié)構(gòu)使GTOGTO元陰極面積很小，元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得門、陰極間距大為縮短，使得P P2 2基區(qū)橫向基區(qū)橫向電阻很小電阻很小，能從門極抽出較大電流，能從門極抽出較大電

7、流c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKRNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)2.5.1 GTO的基本結(jié)構(gòu)和工作原理的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 導(dǎo)通過程導(dǎo)通過程: :與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時通時飽和程度較淺飽和程度較淺 關(guān)斷過程：關(guān)斷過程： 強烈正反饋強烈正反饋門極加負(fù)脈沖即從門極抽門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流，則出電流，則I Ib2b2減小，使減小，使I IK K和和I Ic2c2減小，減小，I Ic2c2的減小又使的減小又使I IA A和和I Ic1c1減小，又進(jìn)一步減小減小，又進(jìn)一步

8、減小V V2 2的基極電流的基極電流當(dāng)當(dāng)I IA A和和I IK K的減小使的減小使 1 1+ + 2 21 BUBUcexcex BUBUcesces BUBUcercer BUBUceoceo實際使用時，為確保安全，最高工作電壓要比BUBUceoceo低得多2.6.3 GTR主要參數(shù)主要參數(shù)2)2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流I IcMcM 通常規(guī)定為h hFEFE下降到規(guī)定值的1/2-1/31/2-1/3時所對應(yīng)的I Ic c 實際使用時要留有裕量，只能用到I IcMcM的一半或稍多一點3) 3) 集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率P PcMcM 最高工作溫度下允許的耗散功率

9、 產(chǎn)品說明書中給P PcMcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度 2.6.3 GTR主要參數(shù)主要參數(shù)一次擊穿一次擊穿 電壓承受能力是電力電子器件的重要工作特性之一。GTR在其開關(guān)應(yīng)用中的電壓承受能力主要由它的集電結(jié)擊穿（雪崩擊穿）特性決定的。集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變2.6.4 GTR的擊穿和安全工作區(qū)的擊穿和安全工作區(qū)二次擊穿二次擊穿 一次擊穿發(fā)生時I Ic c增大到某個臨界點時會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降 常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，再經(jīng)數(shù)次類似過程之后必永久損壞。 實際

10、應(yīng)用中，二次擊穿并不總是發(fā)生在一次擊穿之后。“熱電正反饋理論”“發(fā)射極電流夾緊效應(yīng)”2.6.4 GTR的擊穿和安全工作區(qū)的擊穿和安全工作區(qū)安全工作區(qū)（安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSafe Operating AreaSOASOA） 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SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM2.6.4 GTR的擊穿和安全工作區(qū)的擊穿和安全工作區(qū)2.6.6 GTR的應(yīng)用特點的應(yīng)用特點 曾經(jīng)是最主要的全控型電力電子器件，由于其屬于電流控制型器件，掌握合理的驅(qū)動方法較困難，合理利用安全工作區(qū)、避免二次擊穿也并不容易，

11、故電力晶體管在比較先進(jìn)的電力電子裝置和高功率、高速開關(guān)設(shè)計方面已逐步退出應(yīng)用。 由于其制造工藝簡單、價格低廉，控制線路較成熟，目前在一些傳統(tǒng)電力電子電路中還有一定的應(yīng)用。2.7 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 （Power Field Effect Transistor）2.7 電力場效應(yīng)晶體管（電力場效應(yīng)晶體管（Power Field Effect Transistor） 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 電力MOSFET的基本特性 電力MOSFET的主要參數(shù) 電力MOSFET的驅(qū)動 電力MOSFET的應(yīng)用特點2.7 電力場效應(yīng)晶體管（電力場效應(yīng)晶體管（Power Field Effect

12、 Transistor） 場效應(yīng)晶體管：有電壓信號控制電流的半導(dǎo)體器件。 場效應(yīng)晶體管分為結(jié)型結(jié)型和絕緣柵型絕緣柵型 結(jié)型：利用PN結(jié)的反向電壓對耗盡層厚度的控制來改變漏、源極之間導(dǎo)電溝道的寬度，從而控制漏、源極之間的等效電阻和電流的大小。2.7 電力場效應(yīng)晶體管（電力場效應(yīng)晶體管（Power Field Effect Transistor） 場效應(yīng)晶體管：有電壓信號控制電流的半導(dǎo)體器件。 場效應(yīng)晶體管分為結(jié)型結(jié)型和絕緣柵型絕緣柵型 絕緣柵型：利用柵極、源極之間電壓形成電場來改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，改變導(dǎo)電溝道的導(dǎo)電能力，控制漏、源極之間的等效電阻和電流SiO2絕緣層 電力場效應(yīng)管也分為

13、結(jié)型結(jié)型和絕緣柵型絕緣柵型（類似小功率Field Effect TransistorFET） 但通常主要指絕緣柵型絕緣柵型中的MOSMOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET） 簡稱 電力電力MOSFETMOSFET（Power MOSFET） 結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction TransistorSIT）2.7 電力場效應(yīng)晶體管（電力場效應(yīng)晶體管（Power Field Effect Transistor） 電力電力MOSFETMOSFET的種類的種類 按導(dǎo)電溝道可分為 P P溝道溝道 和N N溝道溝道 耗盡型耗盡型當(dāng)柵

14、極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道 增強型增強型對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道 電力MOSFET主要是N N溝道增強型溝道增強型2.7.1 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理電子載流子具有更高的遷電子載流子具有更高的遷移率，利于提高電流密度移率，利于提高電流密度2.7.1 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 非電力MOS管，即小功率MOS管采用的是平面水平溝道作用，電流方向與芯片表面平行。 電力MOSFET具有垂直于芯片表面的導(dǎo)電路徑，也稱VMOS。其源極和漏極分置于芯片兩個表面，具有較高的通流能力和耐壓能力。2.7.1 結(jié)構(gòu)和工

15、作原理結(jié)構(gòu)和工作原理 按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，電力MOSFET又分為：利用V型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴散結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）電場集中2.7.1 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理 由于電力MOS是多元集成結(jié)構(gòu)，可按器件單元的平面布局特征取名。如 International Rectifier的HEXFET采用正六邊形結(jié)構(gòu) Siemens的SIPMOSFET采用了正方形結(jié)構(gòu) Motorola的TMOS采用矩形單元的“品”字形排列 2.7.1 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)

16、構(gòu)2.7.1 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 截止：截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零nP基區(qū)與N區(qū)之間形成的PN結(jié)反偏，漏源極之間無電流流過2.7.1 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 導(dǎo)電：導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGSn柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面2.7.1 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 導(dǎo)電：導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGSn當(dāng)UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）

17、時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)消失，漏極和源極導(dǎo)電n電壓驅(qū)動型器件電壓驅(qū)動型器件2.7.1 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) MOSFET是電壓控制型電壓控制型器件器件（場控器件），其輸入阻抗極高（1015），輸入電流非常小。驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小 導(dǎo)通時只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型器件單極型器件；2.7.1 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理1)1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 可以用轉(zhuǎn)移特性和輸出特性表述01020305040圖1-202468a)10203

18、050400b)1020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A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2.7.2 電力電力MOSFET基本特性基本特性 漏極電流I ID D和柵源間電壓U UGSGS的關(guān)系稱為MOSFETMOSFET的轉(zhuǎn)移特性的轉(zhuǎn)移特性，表征MOSFET的放大能力。 曲線的斜率定義為 跨導(dǎo)跨導(dǎo)G GfsfsI ID D較大時，I ID D與與U UGSGS的關(guān)系近似線性，在一定范圍內(nèi)在一定范圍內(nèi)U UGSGS越高，通態(tài)時越高，通態(tài)時MOSF

19、ETMOSFET的等效電阻越小，管壓降的等效電阻越小，管壓降U UDSDS也小些，為保證通態(tài)時漏也小些，為保證通態(tài)時漏- -源極之間的等效電阻、管壓降盡可源極之間的等效電阻、管壓降盡可能小，能小， U UGSGS通常設(shè)計為大于通常設(shè)計為大于10V10V。2.7.2 電力電力MOSFET基本特性基本特性 MOSFETMOSFET漏極伏安特性（輸出特性）漏極伏安特性（輸出特性）： 指在一定的UGS時，漏極電流ID與漏-源電壓UDS之間的關(guān)系曲線。 當(dāng)UGS20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 4) 極間電容極間電容 極間電容CGS、CGD和CDS2.7.3 電力電力MOSFET主要參數(shù)主要參數(shù) 漏源間的耐壓、漏

20、極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區(qū) 一般來說，電力MOSFET不存在二次擊穿問題，這是它的一大優(yōu)點不可能出現(xiàn)區(qū)域2.7.3 電力電力MOSFET主要參數(shù)主要參數(shù) 特點特點用柵極電壓來控制漏極電流 驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小 開關(guān)速度快，開關(guān)時間短，一般為納秒級，工作頻率高 熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR（不存在熱電反饋二次擊穿） 電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置（不存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，體電阻較大） 2.7.3 電力電力MOSFET主要參數(shù)主要參數(shù)電力電力MOSFETMOSFET的薄弱之處是絕緣層易被擊穿損壞，柵源間的電壓的薄弱之處是絕緣層易被擊

21、穿損壞，柵源間的電壓不得超過不得超過20V20V，使用時必須采用相應(yīng)保護措施：，使用時必須采用相應(yīng)保護措施：2.7.5 電力電力MOSFET的應(yīng)用特點的應(yīng)用特點1、防止靜電擊穿（在靜電場較強的場合難于釋放電荷，容易引起、防止靜電擊穿（在靜電場較強的場合難于釋放電荷，容易引起靜電擊穿）靜電擊穿）2、防止柵源過電壓（柵極一般不容許開路或懸浮，防止靜電干擾、防止柵源過電壓（柵極一般不容許開路或懸浮，防止靜電干擾使輸入電容上的電壓上升到大于門限電壓而造成誤導(dǎo)通，甚至損使輸入電容上的電壓上升到大于門限電壓而造成誤導(dǎo)通，甚至損壞器件，為了保護器件，通常需要在柵源之間并接阻尼電阻或并壞器件，為了保護器件，通

22、常需要在柵源之間并接阻尼電阻或并接穩(wěn)壓管）接穩(wěn)壓管）電力電力MOSFET的通態(tài)電阻的通態(tài)電阻Ron具有正溫度系數(shù)，易于并聯(lián)使用具有正溫度系數(shù)，易于并聯(lián)使用電力電力MOSFET是多子導(dǎo)電的單極性器件，開關(guān)速度較快是多子導(dǎo)電的單極性器件，開關(guān)速度較快2.7.5 電力電力MOSFET的應(yīng)用特點的應(yīng)用特點電力電力MOSFET是通態(tài)壓降與電流成正比是通態(tài)壓降與電流成正比單極性器件使其耐壓難以較好地提高，限制了器件在大功率場合的單極性器件使其耐壓難以較好地提高，限制了器件在大功率場合的應(yīng)用應(yīng)用1 IGBT1 IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理2 IGBT2 IGBT的基本特性的基本特性3 IGBT3

23、 IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)4 4IGBTIGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)5 5IGBTIGBT的驅(qū)動的驅(qū)動6 6IGBTIGBT的應(yīng)用特點的應(yīng)用特點2.8 2.8 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管 GTRGTR和和GTOGTO的特點的特點雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強通流能力很強，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。 MOSFETMOSFET的優(yōu)點的優(yōu)點單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。但是導(dǎo)通壓降大導(dǎo)通壓降大。 兩類器件取長補短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOS器件2.8 絕緣柵

24、雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管 根據(jù)開關(guān)狀態(tài)的控制方式的不同，有不同類型的Bi-MOS器件。 比如有將單、雙極器件按達(dá)林頓方式結(jié)合在一起的利用MOS器件的漏極電流控制雙極器件開關(guān)狀態(tài)的電流型控制方式（器件集成），也有直接利用MOS柵控制雙極器件導(dǎo)電溝道的電壓型控制方式。 電壓控制型：只能控制開通的MOS柵晶閘管（MGT），能控制通斷的絕緣柵晶體管IGBT，以及由IGBT引出的一些新型器件如MOS控制的晶閘管（MCT）。 2.8 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管 絕 緣 柵 雙 極 晶 體 管 （絕 緣 柵 雙 極 晶 體 管 （ I n s u l a t e d - g a t e B

25、i p o l a r I n s u l a t e d - g a t e B i p o l a r TransistorTransistorIGBTIGBT或或IGTIGT）GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點，具有好的特性。1986年投入市場后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場，中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。2.8 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理2.8 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管2.8.1 IGBT結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理IGBTIGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) N溝道VDMOSFET與GTR

26、組合N溝道IGBT（N-IGBT） P溝道VDMOSFET與GTR組合P溝道IGBT（P-IGBT） IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個大面積的P+N結(jié)J1，使得使得IGBTIGBT具有很強的通流能力具有很強的通流能力2.8.1 IGBT結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理 IGBTIGBT的原理的原理 驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，通斷由柵射極電壓uGE決定導(dǎo)通導(dǎo)通：u uG EG E大于開啟電壓開啟電壓U UGE(th)GE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通,導(dǎo)通后的N飄逸區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，減小了電阻RN，使得高耐壓IGBT的通態(tài)壓降也較

27、低。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)2.8.1 IGBT結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理 IGBTIGBT的原理的原理 驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，通斷由柵射極電壓uGE決定關(guān)斷關(guān)斷：柵射極間施加反壓或撤除u uGEGE時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得VJ1截止，IGBT關(guān)斷EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)2.8.1 IGBT結(jié)構(gòu)和工作原理

28、結(jié)構(gòu)和工作原理2.8.2 IGBT的基本特性的基本特性1 1）IGBTIGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性同樣可以用轉(zhuǎn)移特性和輸出特性表述O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性2.8.2 IGBT的基本特性的基本特性 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似開啟電壓開啟電壓UG E ( t h )：IGBT能實現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓 UGE(th)隨溫度升高略有降低 UGE最大值限制EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集

29、電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)2.8.2 IGBT的基本特性的基本特性 輸出特性輸出特性（伏安特性）UGE一定時，IC與UCE間的關(guān)系 分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應(yīng) uCE0時，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)P+N+的正向偏壓所致IGBT不適合要求器件壓降低于0.7V的場合使用2.8.2 IGBT的基本特性的基本特性通態(tài)壓降通態(tài)壓降:VDC(on)=VJ1+VN+IDRonEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-ID

30、RNICVJ1IDRonb)GCc) =(1+)CDPNPDPNPDIIII電流分配電流分配:高壓IGBT中PNP的電流放大倍數(shù)小于1，因此，流過M O S 管的 電 流 構(gòu) 成IGBT電流的主要部分。2.8.2 IGBT的基本特性的基本特性 2) IGBT的動態(tài)特性的動態(tài)特性2.8.2 IGBT的基本特性的基本特性EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb )GCc) 2) IGBT的動態(tài)特性的動態(tài)特性2.8.2 IGBT的基本特性的基本特性 2) IGBT的動態(tài)特性的動態(tài)特性 IGBT的開通過程的

31、開通過程與MOSFET的相似，因為開通過程中IGBT在大部分時間作為MOSFET運行 開通延遲時間td(on) t0-t1 電流上升時間tri t1-t2 電壓下降時間tfv MOSFET的電壓下降時間tfv1(t2-t3);PNP晶體管的晶體管的電壓下降時間電壓下降時間tfv2(t3-t4); 開通時間開通時間ton= td(on) + tri + tfv2.8.2 IGBT的基本特性的基本特性 2) IGBT的動態(tài)特性的動態(tài)特性 IGBT的開通過程的開通過程與MOSFET的相似，因為開通過程中IGBT在大部分時間作為MOSFET運行 關(guān)斷延遲時間td(off) t5-t6 電壓上升時間tr

32、v t6-t7 電流下降時間tfi MOSFET的電流下降時間tfi1(t7-t8);PNP晶體管的晶體管的電流下降時間電流下降時間tfi2(t8-t9); 關(guān)斷時間關(guān)斷時間toff= td(off) + trv + tfi2.8.2 IGBT的基本特性的基本特性 IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度低于電力MOSFET。 IGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時間是互相矛盾的參數(shù)。實際應(yīng)用中，需根據(jù)具體情況合理選擇。2.8.2 IGBT的基本特性的基本特性 IGBT的開關(guān)時間與漏極電流、門極電阻以及結(jié)溫等參數(shù)有關(guān)。2.8

33、.2 IGBT的基本特性的基本特性2.8.3 IGBT2.8.3 IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)1 1）最大集射極間電壓）最大集射極間電壓U UCESCES ：內(nèi)部PNP晶體管所能承受的擊穿電壓2 2）最大集電極電流：）最大集電極電流：允許通過集電極的最大電流。包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流I ICPCP3 3）最大集電極功耗）最大集電極功耗P PCMCM ：正常工作溫度下允許的最大耗散功率 2.8.3 IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)IGBTIGBT的特性和參數(shù)特點的特性和參數(shù)特點1. 開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時，開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng)2

34、. 相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力3. 通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域4. 輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似5. 與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點2.8.3 IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)2.8.4 IGBT2.8.4 IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū) 寄生晶閘管寄生晶閘管 該晶閘管由寄生三極管Vj2和VJ1組成。Rbr為Vj2的基極和發(fā)射極間的體區(qū)電阻。Rbr上的電壓降作為一個正向偏壓加在Vj2的基極和發(fā)射極之間。 當(dāng)IGBT處于截止態(tài)和正常穩(wěn)定通態(tài)時，Rbr上的壓降都很小，不足以產(chǎn)生Vj2的基極電流， Vj2不起作用。2.8.4 IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)寄生晶閘管寄生晶閘管但是如果ic瞬時過大，Rbr上壓降過大，則可能使Vj2導(dǎo)通，一旦Vj2通，即使撤除柵極電壓，IGBT仍會像晶閘管一樣處于通態(tài)，使柵極G失去控制作用。這種現(xiàn)象稱為擎