第1章_電力電子器件

1、1第第1章章 電力電子器件電力電子器件2l 半控型器件（如半控型器件（如ThyristorThyristor） 通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。l 全控型器件（如全控型器件（如IGBT, Power MOSFET)IGBT, Power MOSFET) 通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。l 不可控器件不可控器件(Power Diode)(Power Diode) 不能用控制信號來控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動電路。1.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 按器件受控程度可分為以下三類：按器件受控程度可分為以下三類：3l 電流驅(qū)動型（如電流驅(qū)動型（如GTRG

2、TR） 通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。l 電壓驅(qū)動型（如電壓驅(qū)動型（如IGBTIGBT） 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。1.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 按驅(qū)動信號的性質(zhì)可分為以下二類：按驅(qū)動信號的性質(zhì)可分為以下二類：4l 單極型器件（如單極型器件（如Power MOSFETPower MOSFET） 由一種載流子參與導(dǎo)電的器件。l 雙極型器件（如雙極型器件（如GTO,GTR)GTO,GTR) 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件。l 復(fù)合型器件復(fù)合型器件( (如如IGBT)IGBT) 由單極型器件和雙極型器件集成混合而

3、成的器件。1.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況電的情況可分為以下三類：可分為以下三類：5 Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用。 快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。1.2 電力二極管電力二極管整流二極管及模塊整流二極管及模塊6 基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。 由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。 從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。圖圖1-2 1-2 電力二極管的

4、外形、結(jié)構(gòu)和圖形符號電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和圖形符號 a) a) 外形外形 b) b) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) c) c) 電氣圖形符號電氣圖形符號1.2 電力二極管電力二極管AKAKa)IKAPNJb)c)AK7 二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。 PN結(jié)的反向擊穿（兩種形式)l雪崩擊穿l齊納擊穿均可能導(dǎo)致熱擊穿1.2 電力二極管電力二極管 PN結(jié)的狀態(tài)8 主要指其伏安特性伏安特性l 門檻電壓門檻電壓UTO，正向電流I IF F開始明顯增加所對應(yīng)的電壓。l 與IF對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向正向電壓降電壓降U UF F 。承受反向電壓時，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。圖圖1-

5、3 1-3 電力二極管的伏安特性電力二極管的伏安特性1.2 電力二極管電力二極管91.3 晶閘管晶閘管引言引言 1956年美國貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管。 1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。 1958年商業(yè)化。 開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代。 20世紀(jì)80年代以來，開始全控型器件。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位。 晶閘管晶閘管（Thyristor）：硅晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前又簡稱可控硅。101.3 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11圖圖1-4

6、1-4 晶閘管的外形晶閘管的外形1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu)圖圖1-5 1-5 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖和電氣圖形符號圖和電氣圖形符號121.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu)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)13導(dǎo)通條件：（導(dǎo)通條件：（1）要有適當(dāng)?shù)恼蜿枠O電壓；）要有適當(dāng)?shù)恼蜿枠O電壓； （2）還要有適當(dāng)?shù)恼蜷T極電壓，且晶閘管一）還要有適當(dāng)?shù)恼蜷T極電壓，且晶閘管一 旦導(dǎo)通，門極將失去作用。旦導(dǎo)通，門極將失去作用。關(guān)斷條件：去掉晶閘管的陽極電壓；或者給晶閘管陽極加反向關(guān)斷條件：去掉晶閘管的陽極電壓；或者給晶閘管陽極加反向 電壓；或者降低正

7、向陽極電壓使流過晶閘管的電流電壓；或者降低正向陽極電壓使流過晶閘管的電流 降到維持電流以下降到維持電流以下 。 1.3.2 晶閘管的單向可控導(dǎo)電性晶閘管的單向可控導(dǎo)電性圖圖1-7 晶閘管導(dǎo)電特性實驗電路晶閘管導(dǎo)電特性實驗電路141.3.3 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理式中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。由以上式可得 ：圖圖1-8 1-8 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理 按晶體管的工作原理 ，得：)(121CBO2CBO1G2AIIII（1-5）21ccAIIIGAKIII111CBOAcIII222CBOKcIII（1-

8、1）（1-2）（1-3）（1-4）151.3.3 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理 在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(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晶體管漏電流之和。 開通狀態(tài)開通狀態(tài)：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的話，流過晶閘管的電流IA，將趨近于無窮大，實現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實際由外電路決定。161.3.3 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理 陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值將造成雪崩效應(yīng) 陽極電壓上升率du/dt過高 結(jié)溫較高 光觸發(fā)光觸發(fā) 光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力

9、設(shè)備中，稱為光控晶閘管光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。 其他幾種可能導(dǎo)通的情況其他幾種可能導(dǎo)通的情況171.3.4 晶閘管的陽極伏安特性晶閘管的陽極伏安特性圖圖1-9 1-9 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性181.3.5 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓U UDRMDRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓U URRMRRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的

10、反向峰值電壓。 通態(tài)（峰值）電壓通態(tài)（峰值）電壓U UT T 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。通常取晶閘管的通常取晶閘管的U UDRMDRM和和U URRMRRM中較小的標(biāo)值中較小的標(biāo)值作為該器件的作為該器件的額定電壓額定電壓。選用時，一般取額定電選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓所承受峰值電壓2 23 3倍倍。使用注意：使用注意：1）電壓定額電壓定額191.3.5 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)n通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 I IT(AVT(AV）（額定電流（額定電流 ）在環(huán)境溫度為在環(huán)境溫度為4040 C C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)

11、下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值最大工頻正弦半波電流的平均值。使用時按。使用時按有有效值相等的原則效值相等的原則選取晶閘管，還要留出選取晶閘管，還要留出1.51.52 2倍倍的安全裕量。的安全裕量。n維持電流維持電流 I IHH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。 擎住電流擎住電流 I IL L 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持導(dǎo)通所需能維持導(dǎo)通所需的最小電流。的最小電流。對同一晶閘管來說對同一晶閘管來說，通常通常

12、I IL L約為約為I IH H的的2424倍倍。2）電流定額電流定額201.3.5 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)mmAVTdIttdIII0sin212sin2120mmTnItdtIII圖圖1-10 額定情況下晶閘管各電流的關(guān)系額定情況下晶閘管各電流的關(guān)系57. 12AVTTndfIIIIKdtTMAVTTnIKIII)25 . 1 ()25 . 1 (57. 1)(（1-7）（1-8）（1-9）（1-10）21 晶閘管的型號晶閘管的型號 例如，例如，KP200KP200- -5E5E，表示該元件額定電流為，表示該元件額定電流為200A200A，額，額定電壓為定電壓為500V500V，

13、管壓降為，管壓降為0.70.70.8V0.8V的普通晶閘管。的普通晶閘管。22例例1 1 一晶閘管接在一晶閘管接在220V220V交流回路中，通過器件的電流交流回路中，通過器件的電流有效值為有效值為100A100A，問應(yīng)選擇什么型號的晶閘管？，問應(yīng)選擇什么型號的晶閘管？ 解：晶閘管額定電壓解：晶閘管額定電壓 U UTnTn=(2=(23)U3)UTMTM=(2=(23) 3) 220=622 220=622 933(V)933(V) 按晶閘管參數(shù)系列取按晶閘管參數(shù)系列取800V800V 晶閘管額定電流晶閘管額定電流 I IT(AV)T(AV)=(1.5=(1.52)I2)IT T /1.57/

14、1.57 =(1.5=(1.52)2)100100 /1.57/1.57 =95 =95128(A)128(A) 按晶閘管參數(shù)系列取按晶閘管參數(shù)系列取100A100A 選擇晶閘管的型號選擇晶閘管的型號KP100-8.KP100-8. 2VTR220V23例例2 2 現(xiàn)有晶閘管型號為現(xiàn)有晶閘管型號為KP50-7,KP50-7,用于某電路中時用于某電路中時, ,流流過的電流波形如圖所示過的電流波形如圖所示, ,試求試求ImIm允許多大允許多大? ?解解: KP50-7: KP50-7晶閘管允許晶閘管允許流過的電流有效值為流過的電流有效值為 實際流過該管的電流有效值實際流過該管的電流有效值iIm2/

15、378.5(A) 0557. 157. 1)(AVTTII3)(213202mmItdII考慮考慮2 2倍余量倍余量 )(6825 .783AImt0241.3.5 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率d du u/d/dt t 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。 電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通 。 通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率d di i/d/dt t 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，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。3）動態(tài)參數(shù)動態(tài)參

16、數(shù)251.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件261.4.1 雙向雙向晶閘管晶閘管雙向晶閘管（雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor） （a）等效電路）等效電路 （b）電氣圖形符號）電氣圖形符號 圖圖1-13 雙向晶閘管的等效電路及電氣圖形符號雙向晶閘管的等效電路及電氣圖形符號圖圖1-14 雙向晶閘管的伏安特性雙向晶閘管的伏安特性 雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值有效值來表來表示其額定電流值。示其額定電流值。 門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸

17、發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)方式常選門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)方式常選（+、-）或（）或（-、-）。）。 271.4.2 逆導(dǎo)逆導(dǎo)晶閘管晶閘管 逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT） （a）等效電路）等效電路 （b）電氣圖形符號）電氣圖形符號 （c）伏安特性）伏安特性 圖圖1-16 逆導(dǎo)晶閘管的等效電路、電氣圖形符號及伏安特性逆導(dǎo)晶閘管的等效電路、電氣圖形符號及伏安特性 具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。優(yōu)點，可用于不需要阻斷反向電

18、壓的電路中。 281.4.3 快速快速晶閘管晶閘管 有快速晶閘管和高頻晶閘管。 開關(guān)時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。 普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s左右。 高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。 由于工作頻率較高，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)?？焖倬чl管快速晶閘管（Fast Switching Thyristor FST)Fast Switching Thyristor FST)291.4.4 光控光控晶閘管晶閘管 光控晶閘管光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）AGKa)AK光強度強弱b)OUIA圖圖

19、1-17 1-17 光控晶閘管的電氣圖形光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性符號和伏安特性a) a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) b) 伏安特性伏安特性又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響。因此主要用在高壓大功率的場合。301.5 全控型電力電子器件全控型電力電子器件引言引言 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不久出在晶閘管問世后不久出現(xiàn)?，F(xiàn)。 2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代以來，電力電子技術(shù)進入了一個年代以來，電力電子技術(shù)進入了一個嶄新時代。嶄新時代。 典型代表典型代表電力晶體管、門極可關(guān)斷晶閘

20、管、電力晶體管、門極可關(guān)斷晶閘管、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵極雙極型晶體管。電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵極雙極型晶體管。311.5 全控型電力電子器件全控型電力電子器件321.5.1 雙極型器件雙極型器件電力晶體管電力晶體管 電力晶體管（電力晶體管（Giant TransistorGTRGiant TransistorGTR，直譯為巨，直譯為巨型晶體管）型晶體管） 。 耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Bipolar Junction TransistorBJTJunction TransistorBJT），亦稱為），亦稱為Power BJTPowe

21、r BJT。 應(yīng)用應(yīng)用2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被但目前又大多被IGBTIGBT和電力和電力MOSFETMOSFET取代。取代。 術(shù)語用法術(shù)語用法：33基本原理與普通雙極結(jié)型晶體管相同?；驹砼c普通雙極結(jié)型晶體管相同。主要特性：耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。主要特性：耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。通常采用達(dá)林頓接法組成單元結(jié)構(gòu)。通常采用達(dá)林頓接法組成單元結(jié)構(gòu)。1.5.1 雙極型器件雙極型器件電力晶體管電力晶體管1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理圖圖1-18 GTR1-18 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號

22、和內(nèi)部載流子的流動的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動 a) a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) b) 電氣圖形符號電氣圖形符號 c) c) 內(nèi)部載流子的流動內(nèi)部載流子的流動341.5.1 雙極型器件雙極型器件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，I Ic迅速增大，只要 I Ic c不超過限度，GTR一般不會損壞。 二次擊穿二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時，I Ic c突然急劇上升，電壓陡然下降。將導(dǎo)致器件的永久損壞。 安全工作區(qū)（安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA） 最高電壓U UceMceM、集電極最大電流I IcMcM、最大耗散

23、功率P PcMcM、二次擊穿臨界線限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM2）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)351.5.1 雙極型器件雙極型器件門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 晶閘管的一種派生器件。晶閘管的一種派生器件。 可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。可以通過在門極施加負(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接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用。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 Thyris

24、tor GTO）361.5.1 雙極型器件雙極型器件門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)： 與普通晶閘管的與普通晶閘管的相同點相同點： PNPNPNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。外部引出陽極、陰極和門極。 和普通晶閘管的和普通晶閘管的不同點不同點：GTOGTO是一種多元的功率集是一種多元的功率集成器件。成器件。c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK圖圖1-19 GTO1-19 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理371.5.1 雙極型器件雙極型器件門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷

25、晶閘管 GTOGTO通過門極關(guān)斷的原因通過門極關(guān)斷的原因 設(shè)計設(shè)計 2 2較大，使晶體管較大，使晶體管V V2 2控控 制靈敏，易于門極關(guān)斷。制靈敏，易于門極關(guān)斷。 導(dǎo)通時導(dǎo)通時 1 1+ + 2 2更接近更接近1 1，導(dǎo)，導(dǎo)通時接近臨界飽和，有利門通時接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大。降增大。 多元集成結(jié)構(gòu)，使得多元集成結(jié)構(gòu)，使得P P2 2基區(qū)基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流出較大電流。 RN P NP N PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b )381.5.2 單極型器件單極型器件電力場效應(yīng)晶體管電力

26、場效應(yīng)晶體管分為分為結(jié)型和絕緣柵型結(jié)型和絕緣柵型主 要 指主 要 指 絕 緣 柵 型 中 的絕 緣 柵 型 中 的 M O SM O S 型型 （ M e t a l O x i d e M e t a l O x i d e Semiconductor FETSemiconductor FET）簡稱電力簡稱電力MOSFETMOSFET（Power MOSFETPower 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（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 Static Induction TransistorSITInduction TransistorSIT）

27、 特點特點用柵極電壓來控制漏極電流用柵極電壓來控制漏極電流 驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動功率小。驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動功率小。 開關(guān)速度快，工作頻率高。開關(guān)速度快，工作頻率高。 熱穩(wěn)定性優(yōu)于熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTRGTR。 電流容量小，耐壓低電流容量小，耐壓低。電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管391.5.2 單極型器件單極型器件電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 電力電力MOSFETMOSFET的種類的種類 按導(dǎo)電溝道可分為按導(dǎo)電溝道可分為P P溝道溝道和和N N溝道溝道。 耗盡型耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。在導(dǎo)電溝道。 增強型增強型對于對于N N（P P）溝道器件

28、，柵極電壓）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道。大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道。 電力電力MOSFETMOSFET主要是主要是N N溝道增強型溝道增強型。1 1）電力）電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理401.5.2 單極型器件單極型器件電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)單極型晶體管。單極型晶體管。導(dǎo)電機理與小功率導(dǎo)電機理與小功率MOSMOS管相同。管相同。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖圖1-22 1-22 電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號

29、的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號411.5.2 單極型器件單極型器件電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 小功率小功率MOSMOS管采用管采用橫向?qū)щ姍M向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 電力電力MOSFETMOSFET大都采用大都采用垂直導(dǎo)電垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFETVMOSFET（Vertical MOSFETVertical MOSFET）。）。 按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V V型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電的電的VVMOSFETVVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴散和具有垂直導(dǎo)電雙擴散MOSMOS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的VDMOSFETVDMOSFET（Vertical Dou

30、ble-diffused Vertical Double-diffused MOSFETMOSFET）。）。 多元集成結(jié)構(gòu)多元集成結(jié)構(gòu)421.5.2 單極型器件單極型器件電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 截止截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。 P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。 導(dǎo)電導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS當(dāng)UGS大于UT時，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)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電 。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19電力電力MOSFET的工作原理的工作原理431.5.

31、3 混合型器件混合型器件絕緣柵極雙極型晶體管絕緣柵極雙極型晶體管 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（Ins ulate d - gate Bip o lar Ins ulate d - gate Bip o lar TransistorIGBTTransistorIGBT） GTRGTR和和MOSFETMOSFET的復(fù)合。的復(fù)合。19861986年投入市場，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。年投入市場，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。 GTRGTR和和GTOGTO的特點的特點雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電應(yīng)

32、，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。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。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。441.5.3 混合型器件混合型器件絕緣柵極雙極型晶體管絕緣柵極雙極型晶體管1) IGBT1) IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極三端器件：柵極GG、集電極、集電極C C和發(fā)射極和發(fā)射極E E圖圖1-25 IGBT1-25 IGBT的簡化等效電路和電氣圖形符號的簡化等效電路和電氣圖形符號圖圖1-241

33、-24 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖451.5.3 混合型器件混合型器件絕緣柵極雙極型晶體管絕緣柵極雙極型晶體管 圖圖1-25aN1-25aN溝道溝道VDMOSFETVDMOSFET與與GTRGTR組合組合NN溝道溝道IGBTIGBT。 IGBTIGBT比比VDMOSFETVDMOSFET多一層多一層P P+ +注入?yún)^(qū)，具有注入?yún)^(qū)，具有很強的通流能力。很強的通流能力。 簡化等效電路表明，簡化等效電路表明，IGBTIGBT是是GTRGTR與與MOSFETMOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個由組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個由MOSFETMOSFET驅(qū)動的驅(qū)動的厚基區(qū)厚基區(qū)PNPPNP晶體管。晶體管。

34、 R RN N為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。 IGBTIGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)461.5.3 混合型器件混合型器件絕緣柵極雙極型晶體管絕緣柵極雙極型晶體管 驅(qū)動原理與電力驅(qū)動原理與電力MOSFETMOSFET基本相同，場控器件，通斷由基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓柵射極電壓u uGEGE決定。決定。 導(dǎo)通導(dǎo)通：u uGEGE大于大于開啟電壓開啟電壓UGE(th)UGE(th)時，時，MOSFETMOSFET內(nèi)形內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBTIGBT導(dǎo)通。導(dǎo)通。 通態(tài)壓降通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻R RN N

35、減小，使通態(tài)壓降減小，使通態(tài)壓降減小。減小。關(guān)斷關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFETMOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBTIGBT關(guān)關(guān)斷。斷。 IGBTIGBT的原理的原理47a)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加1.5.3 混合型器件混合型器件絕緣柵極雙極型晶體管絕緣柵極雙極型晶體管2) IGBT2) IGBT的基本特性的基本特性 IGBTIGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性圖圖1-26 IGBT1-26 IGBT的轉(zhuǎn)移特性

36、和輸出特性的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) a) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 b) b) 輸出特性輸出特性轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關(guān)系(開啟電開啟電壓壓UGE(th)輸出特性輸出特性分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。48圖圖1-11-1電力電子器件分類電力電子器件分類“樹樹” 本章小結(jié)本章小結(jié) 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 主講了電力二極管、晶閘管主講了電力二極管、晶閘管（SCRSCR）、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘）、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、快速晶閘管、光控晶閘管、管、快速晶閘管、光控晶閘管、電力晶體管（電力晶體管（GTRGTR）、門極可關(guān)斷）、門極可關(guān)斷晶閘管（晶閘管（GTOGTO）、功率場效應(yīng)晶體）、功率場效

37、應(yīng)晶體管（管（Power MOSFETPower MOSFET）、絕緣柵雙）、絕緣柵雙極型晶體管（極型晶體管（IGBTIGBT） 。 電力電子器件類型歸納電力電子器件類型歸納v單極型單極型： Power MOSFETv雙極型雙極型：電力二極管、晶閘管、電力二極管、晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、快速晶閘管、光控晶閘管、閘管、快速晶閘管、光控晶閘管、GTOGTO、GTRGTRv復(fù)合型：復(fù)合型：IGBTIGBT49 本章小結(jié)本章小結(jié) 特點特點：輸入阻抗高，所需驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單，工作頻率高。 電流驅(qū)動型電流驅(qū)動型：晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、快速晶閘管、閘管、快速晶閘管、 GTO、GTR 特點特點：具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，因而通態(tài)壓降低，導(dǎo)通損耗小，但工作頻率較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路較復(fù)雜。