電力電子技術(shù)課件：第2章 電力電子器件

1、第2章 電力電子器件 2.1 電力電子器件概述 2.2 不可控器件電力二極管 2.3 半控型器件晶閘管 2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型電力電子器件 2.6 功率集成電路與集成電力電子模塊 本章小結(jié) 1引言模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ) 晶體管和集成電路等電子器件 電力電子電路的基礎(chǔ) 電力電子器件本章主要內(nèi)容： 對(duì)電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類等問題作了簡(jiǎn)要概述 。 分別介紹各種常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。 22.1 電力電子器件概述 2.1.1 電力電子器件的概念和特征 2.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 2.1.3 電力電子器件的分

2、類 2.1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)32.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念 電力電子器件（Power Electronic Device）是指可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。功率半導(dǎo)體器件且工作在開關(guān)狀態(tài)。 主電路：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。 廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類，目前往往專指電力半導(dǎo)體器件。 42.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的特征 所能處理電功率的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)，一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。 為了減小本身的損耗，提高效率，一

3、般都工作在開關(guān)狀態(tài)。（無(wú)觸點(diǎn)但有開關(guān)損耗，非理想無(wú)損耗開關(guān)，靜態(tài)特性不如電磁開關(guān)；用電子信號(hào)控制，開關(guān)速度很快，動(dòng)態(tài)特性優(yōu)于電磁開關(guān)） 由信息電子電路來(lái)控制 ,而且需要驅(qū)動(dòng)電路。 自身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工作時(shí)一般都需要安裝散熱器。 5電力電子器件的應(yīng)用特點(diǎn)（1）由于是半導(dǎo)體器件，熱（功耗）應(yīng)力與電應(yīng)力遠(yuǎn)低于電磁開關(guān)，有安全使用問題： 針對(duì)熱應(yīng)力，器件溫升較高，要用散熱器，將熱量從器件通過散熱器轉(zhuǎn)移到外部空間，故障引起的過熱，要有過熱保護(hù)措施；針對(duì)電應(yīng)力，要有過壓、限流保護(hù)，要限制電壓、電流的上升率，一般稱緩沖措施； 所有器件都有熱、電性能參數(shù)，如針對(duì)熱應(yīng)力的承受能力，有半

4、導(dǎo)體最高結(jié)溫參數(shù)，如最大功率損耗參數(shù)PC。（2）有開關(guān)狀態(tài)與相應(yīng)的損耗。開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比，開關(guān)損耗限制了器件的工作頻率。 高于音頻的頻率，稱為高頻，市電范圍的為低頻，中間的為中頻。（3）控制電路功耗小，由信息電子電路構(gòu)成，多采用專用集成電路。62.1.1 電力電子器件的概念和特征通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。當(dāng)器件的開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。 通態(tài)（導(dǎo)通態(tài)）損耗斷態(tài)（阻斷態(tài)）損耗開關(guān)損耗開通損耗關(guān)斷損耗電力電子器件的功率損耗穩(wěn)態(tài)損耗動(dòng)態(tài)損耗72.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和

5、以電力電子器件為核心的主電路組成一個(gè)系統(tǒng)。 電氣隔離圖2-1 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成82.1.3 電力電子器件的分類按照能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度 半控型器件 主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。 器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。 全控型器件 目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 通過控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。 不可控器件 電力二極管（Power Diode） 不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷。92.1.3 電力電子器件的分類按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì) 電流驅(qū)動(dòng)型 通過從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制

6、。 電壓驅(qū)動(dòng)型 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。按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形（電力二極管除外 ） 脈沖觸發(fā)型 通過在控制端施加一個(gè)電壓或電流的脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制。 電平控制型 必須通過持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號(hào)來(lái)使器件開通并維持在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。 102.1.3 電力電子器件的分類按照載流子參與導(dǎo)電的情況 單極型器件 由一種載流子參與導(dǎo)電。 雙極型器件 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。 復(fù)合型器件 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成， 也稱混合型器件。 112.1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)本章內(nèi)容 按

7、照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的順序，分別介紹各種電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。學(xué)習(xí)要點(diǎn) 最重要的是掌握其基本特性。 掌握電力電子器件的型號(hào)命名法，以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法。 了解電力電子器件的半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和基本工作原理。 了解某些主電路中對(duì)其它電路元件的特殊要求。122.2 不可控器件電力二極管 2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理 2.2.2 電力二極管的基本特性 2.2.3 電力二極管的主要參數(shù) 2.2.4 電力二極管的主要類型132.2 不可控器件電力二極管引言電力二極管（Power Diode）自20世

8、紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二極管仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少的，特別是開通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，具有不可替代的地位。常用于中、高頻整流和逆變電路中。 整流二極管及模塊14AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理電力二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的,實(shí)際上是由一個(gè)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，可以有螺栓型、平板型等多種封裝。圖2-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 基本結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào) （A為

9、陽(yáng)極，K為陰極）文字符號(hào)：D、VD15結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：電力二極管大都為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，電流在硅片內(nèi)流動(dòng)的總體方向與硅片表面垂直，垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)使硅片中通過電流的有效面積增大，提高二極管的通流能力；電力二極管在P區(qū)和N區(qū)之間多了一層低摻雜N區(qū)（漂移區(qū)，接近本征半導(dǎo)體，很高電阻率），可承受很高的電壓而不被擊穿。 16電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)（PN結(jié)的基本效應(yīng)之一，雙極型器件的主要特征之一） PN結(jié)上流過正向電流較小時(shí)，二極管的電阻主要是低摻雜N區(qū)的歐姆電阻，阻值較高且為常量，管壓降隨正向電流上升而增加。PN結(jié)上流過電流較大時(shí)，由P區(qū)注入并積累在低摻雜N區(qū)的少子空穴濃度很大，為維持電中性，多子濃度大幅度增加，電阻率明顯下

10、降，電導(dǎo)率大大增加，即電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電力二極管在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低，維持在1V左右。 雙極型器件通流能力強(qiáng)的根本原因：電流增大，電阻減小。17PN結(jié)的形成182.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理二極管的基本原理PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，即整流效?yīng)(只在偏置條件下顯示出來(lái)） 當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時(shí)，在外電路上則形成自P區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF，這就是PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。（多子擴(kuò)散，對(duì)方的少子增加，稱少子注入效應(yīng)），隨電壓增大快速增大。 當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)（反向偏置）時(shí)，反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止?fàn)顟B(tài)（少子

11、被電場(chǎng)抽出，少子抽出效應(yīng)），電壓增加時(shí)趨于飽和。 PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過大，反向電流將會(huì)急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿。 按照機(jī)理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式 （可逆的）。 反向擊穿發(fā)生時(shí)，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)。 否則PN結(jié)因過熱而燒毀，這就是熱擊穿（不可逆）。 19正向偏置導(dǎo)通反向偏置截止202.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理PN結(jié)的電容效應(yīng) 稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容 按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容CB（空間電荷區(qū)的正負(fù)電荷產(chǎn)生）和擴(kuò)散電容CD （由導(dǎo)通時(shí)電流變化引起）

12、勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主。 擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分。 結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾睿踔敛荒芄ぷ鳌?1正向偏置下，正向電壓低時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)弱，擴(kuò)散電容小，勢(shì)壘電容為主要；正向電壓較高，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，擴(kuò)散電容為主要；反向偏置下，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被抑制，勢(shì)壘電容為主。電力二極管與信息電子電路中二極管區(qū)別： 電力二極管正向?qū)〞r(shí)流過很大電流，電流密度大，額外載流子注入水平高，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略；引線和焊接電阻的壓降影響明顯

13、；承受的電流變化率大，引線和器件自身的電感效應(yīng)影響大；為提高反向耐壓設(shè)置的低摻雜N區(qū)使正向壓降高。222.2.2 電力二極管的基本特性靜態(tài)特性（與時(shí)間無(wú)關(guān)） 主要是指其伏安特性 正向電壓大到一定值（門檻 電壓UTO ，克服內(nèi)電場(chǎng)。硅0.5V，鍺0.1V），正向電流才開始 明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。 與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的 電壓即為其正向電壓降UF。 承受反向電壓時(shí)，只有少子 引起的微小而數(shù)值恒定的反向 漏電流。IOIFUTOUFU圖2-5 電力二極管的伏安特性232.2.2 電力二極管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFP

14、iiFuFtfrt02V 圖2-6 電力二極管的動(dòng)態(tài)過程波形 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 動(dòng)態(tài)特性 （與時(shí)間有關(guān)，由結(jié)電容和引線電感引起） 因?yàn)榻Y(jié)電容的存在，電壓電流特性是隨時(shí)間變化的，這就是電力二極管的動(dòng)態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的開關(guān)特性。 由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 電力二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。 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電壓過沖。 延遲時(shí)間：td=t1-t0 （仍導(dǎo)通，導(dǎo)通壓降很?。?電流下降時(shí)間：tf =t2- t1（該期間已阻斷） 反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td+

15、tf 恢復(fù)特性的軟度： tf /td，或稱恢復(fù)系 數(shù)，用Sr表示。 Sr0.8,恢復(fù)特性較好,不易產(chǎn)生EMI.URP較小.t0:正向電流降為零的時(shí)刻t1:反向電流達(dá)最大值的時(shí)刻t2:電流變化率接近于零的時(shí)刻242.2.2 電力二極管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 先出現(xiàn)一個(gè)過沖UFP，經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如2V）。 正向恢復(fù)時(shí)間tfr 出現(xiàn)電壓過沖的原因:電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量少子需要一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較大；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，UFP越高。主要開關(guān)損耗由trr期間發(fā)生

16、。 圖2-6 電力二極管的動(dòng)態(tài)過程波形 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 252.2.3 電力二極管的主要參數(shù)正向平均電流IF(AV) 指電力二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下(熱應(yīng)力)，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。 IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。(舉例說明,波形系數(shù)K=有效值/平均值)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。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。 使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。 262

17、.2.3 電力二極管的主要參數(shù)最高工作結(jié)溫TJM 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)。反向恢復(fù)時(shí)間trr（二極管的開關(guān)時(shí)間參數(shù)）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。272.2.4 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，特別是反向恢復(fù)特性的不同，介紹幾種常用的電力二極管。 普通二極管（General Purpose Diode） 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

18、。 其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5s以上 。 其正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高（幾千伏、幾千安）。 282.2.4 電力二極管的主要類型快恢復(fù)二極管（Fast Recovery DiodeFRD） 恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短（一般在5s以下） 。 快恢復(fù)外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED） ，采用外延型P-i-N結(jié)構(gòu) ，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）。 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(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。292.2.4 電

19、力二極管的主要類型肖特基二極管（Schottky Barrier DiodeSBD） 屬于多子器件 優(yōu)點(diǎn)在于：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；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降（0.6-0.7V）也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管；因此，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。 弱點(diǎn)在于：當(dāng)所能承受的反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場(chǎng)合；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。30二極管型號(hào)命名: 常見的肖特基二極管，往往以“MBR”開頭，后面直接就是此管所允許

20、通過的最大電流值和最高反向電壓值。例如“MBR10100”，就是一款最大正向?qū)娏鳛?0A、最高反向電壓為100V的肖特基二極管。如果是兩個(gè)芯片組裝在一起，就在后綴上加“CT”表示。 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)國(guó)產(chǎn)二極管的型號(hào)命名分為五個(gè)部分，各部分的含義見下表。第一部分用數(shù)字“2”表示主稱為二極管。第二部分用字母表示二極管的材料與極性。第三部分用字母表示二極管的類別。第四部分用數(shù)字表示序號(hào)。第五部分用字母表示二極管的規(guī)格號(hào)。31例如：2AP9(N型鍺材料普通二極管2CW56(N型硅材料穩(wěn)壓二極管)2二極管2二極管AN型鍺材料CN型硅材料P普通型W穩(wěn)壓管9序號(hào)56序號(hào)1N是日本電子元件命名法：1代表有一個(gè)PN

21、結(jié)為二極管。2代表有兩個(gè)PN結(jié)為三極管。1N4000系列為硅整流二極管型號(hào) 電流A 耐壓值V 1N4001 1 50 1N4002 1 100 1N4003 1 200 322.3 半控型器件晶閘管 2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 2.3.2 晶閘管的基本特性 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 2.3.4 晶閘管的派生器件33一種多結(jié)(2),能從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的雙穩(wěn)態(tài),三個(gè)電極的功率半導(dǎo)體器件.有三個(gè)電極,含有一個(gè)控制電極,故為可控型器件.342.3 半控器件晶閘管引言晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，又稱作可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSC

22、R），以前被簡(jiǎn)稱為可控硅。 1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Laboratories）發(fā)明了晶閘管，到1957年美國(guó)通用電氣公司（General Electric）開發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化。由于其阻態(tài)能承受非常高的電壓和通態(tài)時(shí)可承受非常大的浪涌電流（容量）仍然是目前電力電子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的應(yīng)用場(chǎng)合仍然具有比較重要的地位。晶閘管及模塊352.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu) 從外形上來(lái)看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu) 。 引出陽(yáng)極A、陰極K和門極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端。 內(nèi)部是PNPN四層三結(jié)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。 圖2-

23、7 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) 文字符號(hào)：VT、SCR36AK電極正向偏置時(shí)，IG接足夠大正脈沖時(shí)，形成正反饋，使V1、V2飽和導(dǎo)通。SCR由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)，完成雙穩(wěn)態(tài)突變過程。撤除IG，SCR仍然導(dǎo)通（擎住效應(yīng)）。稱為脈沖觸發(fā)。雙晶體管模型372.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖2-8 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 晶閘管的工作原理 按照晶體管工作原理，可列出如下方程：（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）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

24、電流。382.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶體管的特性是：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(lái)之后， 迅速增大。在晶體管阻斷狀態(tài)下，IG=0，而1+2是很小的。由上式可看出，此時(shí)流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。 如果注入觸發(fā)電流使各個(gè)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（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，從而實(shí)現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通。（弱電控制強(qiáng)電，幾十-幾百mA-幾百-幾千A）由于外電路負(fù)載的限制，IA實(shí)際上會(huì)維持有限值。 由以上式（2-1）（2-4）可得(2-5)392.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理除門極觸發(fā)外其他幾種可能導(dǎo)通（誤觸發(fā)導(dǎo)通）

25、的情況 陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值（高壓、大漏電流）造成雪崩效應(yīng) 陽(yáng)極電壓上升率du/dt過高 結(jié)溫較高 光觸發(fā)對(duì)策：（1）限制正向阻斷電壓；（2）封裝密封，較大功率應(yīng)用時(shí)，足夠好的散熱條件；（3）限制電壓變化率這些情況除了光觸發(fā)由于可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。 402.3.2 晶閘管的基本特性靜態(tài)特性 正常工作時(shí)的特性 當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通 。 當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(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

26、就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通 。 若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。 412.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的伏安特性 正向特性 當(dāng)IG=0時(shí)，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過。 如果正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通 。 隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。 如果門極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)，IH稱為維持電流。 圖2-9

27、 晶閘管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+門極電流越大，轉(zhuǎn)折電壓越低422.3.2 晶閘管的基本特性反向特性 其伏安特性類似二極管的反向特性。 晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反向漏電流通過。 當(dāng)反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。 圖2-9 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+43SC

28、R觸發(fā)導(dǎo)通條件： 主電極正向偏置且門極加足夠大觸發(fā)脈沖SCR關(guān)斷條件： 主電極電流減小到小于維持電流或主電極反向偏置442.3.2 晶閘管的基本特性動(dòng)態(tài)特性 開通過程 由于晶閘管內(nèi)部的正反饋 過程需要時(shí)間，再加上外電路 電感的限制，晶閘管受到觸發(fā) 后，其陽(yáng)極電流的增長(zhǎng)不可能 是瞬時(shí)的。 延遲時(shí)間td (0.51.5s) 上升時(shí)間tr (0.53s) 開通時(shí)間tgt=td+tr 延遲時(shí)間隨門極電流的增 大而減小,上升時(shí)間除反映晶 閘管本身特性外，還受到外電 路電感的嚴(yán)重影響。提高陽(yáng)極 電壓,延遲時(shí)間和上升時(shí)間都 可顯著縮短。Tgt對(duì)晶閘管的串并聯(lián)使用影響大。串聯(lián)時(shí)使正向阻斷電壓不均勻分配。并聯(lián)時(shí)

29、電流不均勻分配。 圖2-10 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的10%452.3.2 晶閘管的基本特性關(guān)斷過程 由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，其陽(yáng)極電流在衰減時(shí)必然也是有過渡過程的。 反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr 正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr（載流子復(fù)合） 關(guān)斷時(shí)間tq=trr+tgr 關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。 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)ǎ皇鞘荛T極電流控制而導(dǎo)通。圖2-10 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形100%反向恢復(fù)

30、電流最大值尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA462.3.3 晶閘管的主要參數(shù)電壓定額 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 是在門極斷路而結(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（見圖2-9）。 國(guó)標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即 斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓）UDSM的90%。 斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo。 反向重復(fù)峰值電壓URRM 是在門極斷路而結(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（見圖2-8）。 規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向 最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%。 反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反

31、向擊穿電壓。472.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 通態(tài)（峰值）電壓UT 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。 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。 選用時(shí)，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。電流定額 通態(tài)平均電流 IT(AV） 國(guó)標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(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 波電流的平均值。 按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的。 一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的 原則所得計(jì)算結(jié)果的1.52倍。 482.3.3 晶

32、閘管的主要參數(shù)維持電流IH 維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。（與關(guān)斷相關(guān)） 結(jié)溫越高，則IH越小。 擎住電流 IL 擎住電流是晶閘管剛從斷態(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。 （與開通相關(guān)） 約為IH的24倍 浪涌電流ITSM 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。492.3.3 晶閘管的主要參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù) 開通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 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(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 。 通態(tài)

33、電流臨界上升率di/dt 在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)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（門極附近）過熱而使晶閘管損壞。對(duì)策：采用一定寬度且較高幅度的觸發(fā)脈沖（強(qiáng)觸發(fā)）50門極控制參數(shù)： 觸發(fā)條件：同步，觸發(fā)脈沖和交流電源同頻率、同相位；強(qiáng)觸發(fā)，IG2IGrat 門極功耗限制 太大，損壞門極512.3.4 晶閘管的派生器件快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST） 有快速晶閘管和高頻晶閘管。 快速晶閘管的開關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt的耐量都有了明顯改善。 從關(guān)斷時(shí)間來(lái)看，普通晶閘管一般為數(shù)百微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管則

34、為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，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。 522.3.4 晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor） 可以認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián) 接的普通晶閘管的集成。 門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。 雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。（額定電流舉例說明）圖2-11 雙向晶閘管的電氣圖形符

35、號(hào)和伏安特性a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性 T1為參考電極532.3.4 晶閘管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 是將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。 具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。 額定電流：晶閘管電流，二極管電流圖2-12 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性 542.3.4 晶閘管的派生器件AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA光控晶閘管（

36、Light Triggered ThyristorLTT） 是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。 由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在高壓大功率的場(chǎng)合。圖2-13 光控晶閘管的電氣圖形符 號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性 55門極可關(guān)斷晶閘管GTO,是全控型器件!。56國(guó)產(chǎn)晶閘管的型號(hào)命名第一部分用K表示主稱晶閘管；第二部分表示晶閘管的類型；第三部分表示晶閘管的額定通態(tài)電流值；第四部分表示重復(fù)峰值電壓值如：KP1-2，K-晶閘管；P-普通反向阻斷型；1-通態(tài)電流1A;2-重復(fù)峰值電壓200V572.4 典型全控型

37、器件 2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管 2.4.2 電力晶體管 2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管582.4 典型全控型器件引言門極可關(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(lái)，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(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力MOSFETIGBT單管及模塊592.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。 GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 GTO的結(jié)構(gòu) 是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)。 是一種多元的功率集成 器件，雖然外部同樣引出3個(gè) 極，但內(nèi)部則包

38、含數(shù)十個(gè)甚 至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO 元，這些GTO元的陰極和門 極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。（N2化整為零，分置于P2環(huán)繞中） 圖2-14 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 電氣圖形符號(hào) 60 N2（與陰極接觸）處于P2（與門極接觸）的環(huán)繞中，使門極和陰極距離較短，P區(qū)的橫向電阻很小，可有效抽取足夠大的空穴電流。612.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管 圖2-8 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GTO的工作原理 仍然可以用如圖2-8所示的雙晶體管模型來(lái)分析，V1、V2的共基極電流增益分別是1、2。1+2=1是器

39、件臨界導(dǎo)通的條件，大于1導(dǎo)通，小于1則關(guān)斷。 GTO與普通晶閘管的不同 設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制 靈敏，易于GTO關(guān)斷。 導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1（1.05），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。 （晶閘管1.15） 多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。 622.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管GTO的導(dǎo)通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。 而關(guān)斷時(shí)，給門極加負(fù)脈沖，即從門極抽出電流，當(dāng)兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使1+2UCE0,IB0，UBC0，IBIBS ，UBC0，UBC0，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏，UCE最小。71取臨界

40、飽和的準(zhǔn)飽和區(qū)作為高速開關(guān)的導(dǎo)通區(qū)取飽和區(qū)作為低速開關(guān)的導(dǎo)通區(qū)準(zhǔn)飽和區(qū)進(jìn)入截止區(qū)較飽和區(qū)快，故在準(zhǔn)飽和區(qū)工作，開關(guān)時(shí)間較短。722.4.2 電力晶體管動(dòng)態(tài)特性 開通過程 需要經(jīng)過延遲時(shí)間td和上升時(shí) 間tr，二者之和為開通時(shí)間ton。 增大基極驅(qū)動(dòng)電流ib的幅值并 增大dib/dt，可以縮短延遲時(shí)間， 同時(shí)也可以縮短上升時(shí)間，從而 加快開通過程。 關(guān)斷過程 需要經(jīng)過儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí) 間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff。 減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度（負(fù)面作用是增大飽和導(dǎo)通壓降，增加通態(tài)損耗）以減小儲(chǔ)存的載流子，或者增大基極 抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓， 可以縮短儲(chǔ)存時(shí)間ts ，從而加快關(guān) 斷速

41、度。GTR的開關(guān)時(shí)間參數(shù)可用ts代表。此區(qū)間開關(guān)損耗最大。 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。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖2-18 GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形主要是由發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電產(chǎn)生的。 是用來(lái)除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時(shí)間的主要部分。 732.4.2 電力晶體管GTR的主要參數(shù) 電流放大倍數(shù)、直流電流增益hFE、集電極與發(fā)射極間漏電流Iceo、集電極和發(fā)射極間飽和壓降Uces、開通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff 最高工作電

42、壓 GTR上所加的電壓超過規(guī)定值時(shí)，就會(huì)發(fā)生擊穿。 擊穿電壓不僅和晶體管本身的特性有關(guān)，還與外電路的接法有關(guān)。 發(fā)射極開路時(shí)集電極和基極間的反向擊穿電壓BUcbo 基極開路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUceo 發(fā)射極與基極間用電阻聯(lián)接或短路聯(lián)接時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcer和BUces 發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcex 且存在以下關(guān)系： 實(shí)際使用GTR時(shí)，為了確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得 多?？稍诨鶚O發(fā)射極間并聯(lián)一個(gè)幾百歐的小電阻或反并聯(lián)一個(gè)二極管。742.4.2 電力晶體管集電極最大允許電流IcM 規(guī)定直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定的1/21/3時(shí)

43、所對(duì)應(yīng)的Ic。 實(shí)際使用時(shí)要留有較大裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。集電極最大耗散功率PcM 指在最高工作溫度下允許的耗散功率。 產(chǎn)品說明書中在給出PcM時(shí)總是同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。 752.4.2 電力晶體管GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū) 當(dāng)GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，集電極電流迅速增大，這種首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿（可逆）。 發(fā)現(xiàn)一次擊穿發(fā)生時(shí)如不有效地限制電流，Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，同時(shí)伴隨著電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿（不可逆，放大特性為負(fù)溫度系數(shù)是內(nèi)因）。 出現(xiàn)一次擊穿后，GTR一般不會(huì)損壞，二次擊穿常常立即

44、導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對(duì)GTR危害極大。 SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖2-19 GTR的安全工作區(qū)二次擊穿功率 安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA） 安全可靠工作的工作點(diǎn)變化范圍 將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn) 連接起來(lái)，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。 GTR工作時(shí)不僅不能超過最高電壓 UceM，集電極最大電流IcM和最大耗散功 率PcM，也不能超過二次擊穿臨界線。76二次擊穿的原因 電流過大；發(fā)熱時(shí)間太長(zhǎng)，結(jié)溫過高；負(fù)溫度系數(shù)器件，溫度升高，等效電阻減??；局部過熱，di/dt過大；控制特性 工作在開關(guān)狀態(tài)，用過驅(qū)動(dòng)；使進(jìn)入準(zhǔn)飽和區(qū)或

45、飽和區(qū)；如開關(guān)頻率高，則準(zhǔn)飽和區(qū)，要用抗飽和電路；用比例驅(qū)動(dòng)（IC和IB成比例）772.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,簡(jiǎn)稱電力MOSFET（Power MOSFET）。電力MOSFET是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流的，它的特點(diǎn)有： 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)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，多用于功率不超過10kW的電力電子裝置。 782.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 電力MOSFET的種類 按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝

46、道，增強(qiáng)型。 當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型。 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)電溝道的稱為增強(qiáng)型。 在電力MOSFET中，主要是N溝道增強(qiáng)型。 792.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力MOSFET的結(jié)構(gòu) 是單極型晶體管，無(wú)儲(chǔ)存時(shí)間，開關(guān)速度很快。 結(jié)構(gòu)上與小功率MOS管有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?，而目前電力MOSFET大都采用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所以又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET），這大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。 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 （Vertical

47、V-groove MOSFET）和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的DMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。 電力MOSFET也是多元集成結(jié)構(gòu)。 內(nèi)部寄生同功率級(jí)的反并聯(lián)快恢復(fù)二極管，開關(guān)時(shí)間比P-MOSFET慢很多電壓電平驅(qū)動(dòng)增加低摻雜N區(qū)，提高承受電壓的能力圖2-20 電力MOSFET的結(jié)構(gòu) 和電氣圖形符號(hào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào)802.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力MOSFET的工作原理 截止：當(dāng)漏源極間接正電壓，柵極和源極間電壓為零時(shí)，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(wú)電流流過。 導(dǎo)通 在柵極和源極之間加一正電壓UG

48、S，正電壓會(huì)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。 當(dāng)UGS大于某一電壓值UT時(shí)，使P型半導(dǎo)體反型成N型半導(dǎo)體，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，為溝道電阻導(dǎo)電；柵源極間高阻，電容效應(yīng)為控制特性，即場(chǎng)控。 UT稱為開啟電壓（或閾值電壓），UGS超過UT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流ID越大。 81電力MOSFET的基本特性 靜態(tài)特性 轉(zhuǎn)移特性 指漏極電流ID和柵源間電壓 UGS的關(guān)系，反映了輸入電壓和輸 出電流的關(guān)系 。 ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似 線性，曲線的斜率被定義為 MOSFET的跨導(dǎo)Gfs，即 2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管圖

49、2-21 電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性(2-11) 是電壓控制型器件，其輸入阻 抗極高，輸入電流非常小。822.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸出特性 是MOSFET的漏極伏安特性。 截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)）、飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)）、非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）三個(gè)區(qū)域，飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極電流不再增加，非飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極電流相應(yīng)增加。 工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。本身結(jié)構(gòu)所致，漏極和源極之間形成了一個(gè)與MOSFET反向并聯(lián)的寄生二極管。通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。 圖2-21 電力MOSFET的轉(zhuǎn)移

50、特性和輸出特性 b) 輸出特性同步整流區(qū)預(yù)夾斷83夾斷電壓UGSP：UDS為某一固定值時(shí)，ID接近于0時(shí)的UGS。預(yù)夾斷點(diǎn)是可變電阻區(qū)與飽和區(qū)的分界點(diǎn)。管子進(jìn)入預(yù)夾斷狀態(tài)時(shí)，UDS=UGS-UGSP841、截止區(qū)UDS0，UGSUGS-UT=UGSP0，10VUGS=UT,對(duì)應(yīng)一個(gè)UGS，有一個(gè)恒定的ID與之對(duì)應(yīng)，基本不受UDS的影響，恒流特性，可做成恒流源。3、可變電阻區(qū)（非飽和區(qū)）UGS-UT=UDS0，UGSUT,UGS10V，UDS與ID成線性伏安關(guān)系。 UDS=RDS*ID,RDS是溝道電阻，該區(qū)間是電阻性導(dǎo)電，電阻為正溫度系數(shù)，P-MOSFET無(wú)二次擊穿現(xiàn)象，但無(wú)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，在高

51、壓應(yīng)用時(shí)，溝道電阻較大，導(dǎo)通壓降較大，制約了P-MOSFET在高壓大電流領(lǐng)域的工作。可利用這個(gè)特性設(shè)計(jì)電子變阻器。導(dǎo)通特性參數(shù)RDS(ON)=UDS/ID(UGS=10V), UGS10V和UGS=10V曲線重合，可變電阻區(qū)區(qū)導(dǎo)通電壓UDS最小的區(qū)域作為P-MOSFET的導(dǎo)通區(qū)。854、同步整流區(qū)UGS0，UDS反偏，體二極管與P-MOSFET的RDS同時(shí)導(dǎo)電，以最小導(dǎo)電壓降為主。在低壓P-MOSFET，RDS小，毫歐數(shù)量級(jí)。可做同步整流管。86動(dòng)態(tài)特性 開通過程 開通延遲時(shí)間td(on) 電流上升時(shí)間tr 電壓下降時(shí)間tfv 開通時(shí)間ton= td(on)+tr+ tfv 關(guān)斷過程 關(guān)斷延遲

52、時(shí)間td(off) 電壓上升時(shí)間trv 電流下降時(shí)間tfi 關(guān)斷時(shí)間toff = td(off) +trv+tfi MOSFET的開關(guān)速度和其輸入電容的充放電有很大關(guān)系，可以降低柵極驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻Rs，從而減小柵極回路的充放電時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度。2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管信號(hào)RsRGRFRLiDuGSupiD+UE圖2-22 電力MOSFET的開關(guān)過程 a)測(cè)試電路 b) 開關(guān)過程波形up為矩形脈沖電壓信號(hào)源，Rs為信號(hào)源內(nèi)阻，RG為柵極電阻，RL為漏極負(fù)載電阻，RF用于檢測(cè)漏極電流。 (a)(b)87密勒效應(yīng)使輸入電容增大，UGS對(duì)柵漏極電容反向充電，UDS減小，而UGS增長(zhǎng)緩慢（密勒

53、平臺(tái)）。882.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而其關(guān)斷過程是非常迅速的。開關(guān)時(shí)間在10100ns之間，其工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。 P-MOSFET的頻率由驅(qū)動(dòng)電路決定。在開關(guān)過程中需要對(duì)輸入電容充放電，仍需要一定的驅(qū)動(dòng)功率，開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。 892.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力MOSFET的主要參數(shù) 跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及開關(guān)過程中的各時(shí)間參數(shù)。 漏極電壓UDS 標(biāo)稱電力MOSFET電壓定額的參數(shù)。 漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM 標(biāo)稱電力MOSFET電流定額的參數(shù)。 柵源電壓UGS 柵源之間的絕緣層很薄，U

54、GS20V將導(dǎo)致絕緣層因靜電效應(yīng)而擊穿。 90極間電容 CGS、CGD和CDS。 漏源間的耐壓、漏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)。91控制電路要求：1、低內(nèi)阻電壓源;UON:10-15V2、柵極電路串聯(lián)小電阻（5-20歐），功率越大，電阻越小。作用：抑制MOS器件引線電感和等效電容引起的LC振蕩；限制充電電流3、為防止絕緣層因靜電感應(yīng)而擊穿： 柵源極間并聯(lián)數(shù)千歐放電電阻，或并聯(lián)雙向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，以鉗位驅(qū)動(dòng)電壓尖峰。不用時(shí)，G、S短接；保存、運(yùn)輸中放在靜電套中。922.4.4 絕緣柵雙極晶體管GTR和GTO是雙極型電流驅(qū)動(dòng)器件，由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力

55、很強(qiáng)，但開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。而電力MOSFET是單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolar TransistorIGBT或IGT）綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。 932.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理 IGBT的結(jié)構(gòu) 是三端器件，具有柵極G、 集電極C和發(fā)射極E。 由N溝道VDMOSFET與雙 極型晶體管組合而成的IGBT， 比VDMOSFET（漏區(qū)外）多一層P+注入?yún)^(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流

56、能力。 簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT 是用GTR與MOSFET組成的達(dá) 林頓結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個(gè)由 MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶 體管。RN為調(diào)制電阻， RON很小。 內(nèi)部 寄生SCR器件。 圖2-23 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。 94結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 1、垂直導(dǎo)電 2、多元胞集成，常用N溝道 3、根據(jù)有無(wú)中間的N+層，分為穿通型（PT，有N+緩沖區(qū)）與非穿通型（NPT，無(wú) N+緩沖區(qū)），NPT耐壓高，性能好，為主流器件，但僅工作在第一象限。952.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT的工作原理

57、IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，是一種場(chǎng)控器件。 其開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。 當(dāng)UGE為正且大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。 當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷。 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。 962.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT的基本特性 靜態(tài)特性 轉(zhuǎn)移特性 描述的是集電極電流 IC與柵射電壓UGE之間的 關(guān)系。 開啟電壓UGE(th)是 IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而 導(dǎo)通的

58、最低柵射電壓，隨 溫度升高而略有下降。 （a）圖2-24 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 972.4.4 絕緣柵雙極晶體管輸出特性（伏安特性） 描述的是以柵射電壓為參考變量時(shí)，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系。 分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)（GTR的截止區(qū)）、有源區(qū)（GTR的放大區(qū)）和飽和區(qū)（GTR的準(zhǔn)飽和區(qū)）。 達(dá)林頓接法，不存在深飽和區(qū)（否則退出飽和難） 當(dāng)UCE0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。 在電力電子電路中，IGBT工作在開關(guān)狀態(tài)，因而是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。 (b)圖2-24 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 b) 輸出特性 982.4.4 絕緣柵雙

59、極晶體管動(dòng)態(tài)特性 開通過程 開通延遲時(shí)間td(on) 電流上升時(shí)間tr 電壓下降時(shí)間tfv 開通時(shí)間ton= td(on)+tr+ tfv tfv分為tfv1和tfv2兩段。 關(guān)斷過程 關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) 電壓上升時(shí)間trv 電流下降時(shí)間tfi 關(guān)斷時(shí)間toff = td(off) +trv+tfi tfi分為tfi1和tfi2兩段 引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度要低于電力MOSFET。 圖2-25 IGBT的開關(guān)過程99tfv1為MOS單獨(dú)工作，電壓下降快tfv2為MOS和PNP共同工作，UCE下降時(shí)MOS的柵漏電容增加，PNP由放大轉(zhuǎn)入飽和有個(gè)過程，電壓下降慢tfi1為

60、MOS關(guān)斷tfi2為PNP關(guān)斷，對(duì)應(yīng)的電流為拖尾電流，關(guān)斷損耗大1002.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT的主要參數(shù) 前面提到的各參數(shù)。 最大集射極間電壓UCES 由器件內(nèi)部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓所確定的。 最大集電極電流 包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。 最大集電極功耗PCM 在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。 1012.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下： 開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。 在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。 通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。 輸入阻