電力電子器件

2.4

典型全控型器件其他新型電力電子器件功率集成電路與集成電力電子模塊22.4.2電力晶體管電力晶體管（Giant

Transistor

—GTR，直譯為巨型晶體管），是耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar

Junction

Transistor

—

BJT）；在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個(gè)名稱等效；20世紀(jì)80年代以來(lái)，GTR在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被

和電力MOSFET取代；與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的；主要特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好；3GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：基極b，發(fā)射極e，集電極c采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。+表示高摻雜濃度，-表示低摻雜濃度4GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理一般采用共發(fā)射極接法，集電極電流ic與基極電流ib之比為

，即GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力。直流電流增益hFE—在直流工作情況下，集電極電流與基極電流之比。一般可認(rèn)為

hFE單管GTR的值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益（可以達(dá)到幾十至幾千倍）GTR的靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)；在電力電子電路中，GTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)；在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)O6Icib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性GTR的動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間t

和上d升時(shí)間tr

，二者之和為開(kāi)通時(shí)間ton；增大i

的幅值b并增大dib/dt，可縮短延遲時(shí)間，同時(shí)可縮短上升時(shí)間，

從而加快開(kāi)通過(guò)程。GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形I7b1Ib2Icsib90%

I

b110%

Ib10ic90%

I

cs10%

I

cs0t

0

t

1

t2

t3t4

t5tttofft

stftont

d

trtd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。GTR的動(dòng)態(tài)特性關(guān)斷過(guò)程

時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間t

；offts是關(guān)斷時(shí)間的主要部分；減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度，或增大基極抽取負(fù)電流的幅值和負(fù)偏壓，可縮短ts，加快關(guān)斷速度；GTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。Ib1Icsib90%

Ib110%

Ib1090%

Iiccs10%

Ics0t0

t1

t2

t3

t4t5

tIb2tofts

tftontd

trts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9GTR的主要參數(shù)電流放大倍數(shù)、直流電流增益hFE、集射極間漏電流Iceo、集射極間飽和壓降Uces、開(kāi)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff最高工作電壓GTR上電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿；擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)；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BUceo（基極開(kāi)路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓）低得多。10GTR的主要參數(shù)集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3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IcM的一半或稍多一點(diǎn)。集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率；產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中給PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。11GTR的二次擊穿現(xiàn)象一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿，被稱為一次擊穿；出現(xiàn)一次擊穿后，只要Ic不超過(guò)限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。GTR的二次擊穿現(xiàn)象二次擊穿一次擊穿發(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，并伴隨電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿；二次擊穿常常立即導(dǎo)致器件的

損壞，或者工作特性明顯衰變。VCE12IC0BVCEOIS/B(R)IS/B(O)IS/B(F)PS/B注：從上而下分別表示發(fā)射結(jié)處于正向偏置、開(kāi)路和反向偏置情況下的二次擊穿特性GTR的區(qū)區(qū)（Safe

OperatingArea

－SOA）將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn)連接起來(lái)，構(gòu)成二次擊穿臨界線；臨界線上的點(diǎn)反映了二次擊穿功率PSB；最高電壓UceM、集電極最大電流IcM率PcM、最大耗散功過(guò)二次擊穿臨界線限定。GTR的區(qū)SOAOI

cIcMcUceUceM二次擊穿功率PSB最大耗散功率PcM132.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管類(lèi)似小功率的用于信息處理的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（

FieldEffect

Transistor－FET），電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型；電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管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）；結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static

Induction

Transistor

－

SIT）；14152.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力MOSFET

的特點(diǎn)—用柵極電壓來(lái)控制漏極電流驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率?。婚_(kāi)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(guò)10kW的電力電子裝置。電力MOSFET的結(jié)構(gòu)按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道耗盡型

—

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

—

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N+GSDP溝道a)

b)三端器件：漏極（D），源極（S）和柵極（G）N-SGDPPN+

N+N+N+溝道GSD16N溝道電力MOSFET的工作原理截止：漏源極間（DS）加正電壓，柵源極間（GS）電壓為零，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS，當(dāng)UGS大于UT（開(kāi)啟電壓或閾值電壓）時(shí)，使P型半導(dǎo)體反型成

N型半導(dǎo)體，

形成反型層，

使

PN結(jié)J1

，漏極和源極導(dǎo)電

。導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。N-SGDN+

P

N+N+

P

N+N+溝道垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)17電力MOSFET的基本特性1)

靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS

的關(guān)系稱為電力

MOSFET的轉(zhuǎn)移特性；ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。18電力MOSFET的基本特性電力MOSFET的漏極伏安特性截止區(qū)飽和區(qū)非飽和區(qū)電力MOSFET工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換電力MOSFET的輸出特性19電力MOSFET的基本特性電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。電力MOSFET的通態(tài)電阻Ron具有正溫度系數(shù)，即管芯溫度上升導(dǎo)致Ron增大。電力MOSFET的正溫度系數(shù)特性對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利，為什么呢？N-SGDN+

P

N+N+

P

N+N+溝道D20電力MOSFET的基本特性2)

動(dòng)態(tài)特性開(kāi)關(guān)過(guò)程a)測(cè)試電路b)開(kāi)關(guān)過(guò)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。RsRGRLiDuGSupRFiD信號(hào)+UEiDOupttOuGSuGSPuTOtd(on)td(off)tri

tfvtrvtfituDS21電力MOSFET的基本特性MOSFET的開(kāi)關(guān)速度MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和輸入電容的充放電有很大關(guān)系Cin無(wú)法降低，但可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開(kāi)關(guān)速度不存在少子

效應(yīng)，因而關(guān)斷過(guò)程非常迅速開(kāi)關(guān)時(shí)間在10~100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的電力MOSFET是場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大2223電力MOSFET的主要參數(shù)1.跨導(dǎo)Gfs、開(kāi)啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf漏極電壓UDS

－－電力MOSFET電壓

，一般電力MOSFET的耐壓能力在1000V以下漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM

－－電力MOSFET電流柵源電壓UGS－－UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿極間電容－－MOSFET三個(gè)電極之間分別存在極間電容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

區(qū)；電力MOSFET一般不存在二次擊穿問(wèn)題2.4.4絕緣柵雙極晶體管GTR和GTO的特點(diǎn)

—

雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，通流能力很強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜；電力MOSFET的優(yōu)點(diǎn)

—

單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開(kāi)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-gate

BipolarTransistor

）綜合了GTR和電力MOSFET二者的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的特性；241.4.4絕緣柵雙極晶體管

于1986年投入市場(chǎng)后，取代了GTR和一部分電力

MOSFET的市場(chǎng)，成為中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件；繼續(xù)提高其電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。25的結(jié)構(gòu)和工作原理簡(jiǎn)化等效電路表明，

是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管GN-N+N+

P

N+P+發(fā)射極柵極EC

集電極N溝道VDMOSFET與GTR組合）漂移區(qū)緩沖區(qū)注入?yún)^(qū)J3N+

P

N+J2J1GE—

N溝道

（

N---

+-ID

RNCICV

+J1+IDRonGCE三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極ERN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。的工作原理驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE

大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，

MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，

導(dǎo)通；導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使調(diào)制電阻RN減小，使通態(tài)壓降小關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道的基極電流被切斷，，晶體管關(guān)斷GECI

--

++-V

+ID

RN

J1CIDRon27的基本特性1)的靜態(tài)特性轉(zhuǎn)移特性

—

IC與UGE間的關(guān)系，與電力MOSFET轉(zhuǎn)移特性類(lèi)似開(kāi)啟電壓UGE(th)

—

能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25C時(shí)，UGE(th)的值一般為2~6V28，的基本特性輸出特性（伏安特性）—以UGE為參考變量時(shí)IC與UCE間的關(guān)系分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。uCE<0時(shí)，為反向阻斷工作狀態(tài)29的基本特性2)的動(dòng)態(tài)特性的開(kāi)通過(guò)程與電力MOSFET相似開(kāi)通時(shí)，

uCE

的下降過(guò)程分為tfv1和tfv2兩段。前者為

中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程；后者為MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過(guò)程。30的基本特性的關(guān)斷過(guò)程電流下降分為兩段。第一段對(duì)應(yīng)的MOSFET的關(guān)斷過(guò)程，iC

下降較快；第二段對(duì)應(yīng)的

PNP晶體管的關(guān)斷過(guò)程，iC下降較慢。關(guān)斷延遲時(shí)間與電流下降時(shí)間之和為關(guān)斷時(shí)間toff31的主要參數(shù)1)

最大集射極間電壓UCES－由

PNP晶體管的擊穿電壓確定最大集電極電流－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

－正常工作溫度下允許的最大功耗32的特性和特點(diǎn)1.開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。相

壓和電流

時(shí)，

區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力；通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域；輸入阻抗高，輸入特性與電力MOSFET類(lèi)似；與電力MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)。33模塊往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件。34352.5

其他新型電力電子器件集成門(mén)極換流晶閘管IGCT基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件集成門(mén)極換流晶閘管IGCTIGCT（Integratedmutated

Thyristor），也稱GCT（mutatedThyristor），1997年由ABB公司提出；IGCT集的高速開(kāi)關(guān)特性和GTO的高阻斷電壓和低導(dǎo)通損耗特性于一體，容量與GTO相當(dāng)，開(kāi)關(guān)速度快10倍，且可省去GTO龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過(guò)所需的驅(qū)動(dòng)功率仍很大；目前正在與

等新型器件激烈競(jìng)爭(zhēng)，試圖最終取代GTO在大功率場(chǎng)合的位置。36基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件典型的寬禁帶半導(dǎo)體材料包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、

石等。37基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件38寬禁帶半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)具有高的擊穿電場(chǎng)、高的熱導(dǎo)率、高的

電子飽和速率及更高的抗輻射能力特別適合制作高溫、高頻及大功率器件又稱為高溫半導(dǎo)體材料2.5.5

基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件以碳化硅為例最高工作溫度有可能超過(guò)600度擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的8倍電子飽和漂移速度是硅的2倍工作頻率可達(dá)硅器件的10倍以上采用Si和SiC

SBD的散熱器對(duì)比39三菱11kW

SiC和Si基逆變器體積對(duì)比Rohm公司1200V

SiC

MOSFETs損耗402.6

功率集成電路與集成電力電子模塊20世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始，模塊化趨勢(shì)，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性；對(duì)工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡(jiǎn)化對(duì)保護(hù)和緩沖電路的要求。這種模塊被稱為功率模塊（Power

Module）；將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測(cè)、自等信息電子電路制作在同一上，稱為功率集成電路（Power

Integrated

Circuit

—

PIC）。功率集成電路實(shí)現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機(jī)電

的理想接口。功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)是高低壓電路之間的絕緣問(wèn)題以及溫升和散熱的處理，故主要應(yīng)用在中小功率場(chǎng)合。－IPM

（Inligent

Power

Module）智

能

功

率

模塊

-IPM包括A和B兩部分，其中A為雙單元模塊，B為驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路IPM中不含控制電路，功率較大41－PIC

（Power

int