器件原理市公開(kāi)課一等獎(jiǎng)省賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

第二章

電力電子器件原理與特征10/10/1北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第1頁(yè)要求及重點(diǎn)要求：了解電力電子器件發(fā)展、分類(lèi)與應(yīng)用；了解和掌握功率二極管、SCR、GTO、MOSFET和IGBT等慣用器件工作原理、電氣特征和主要參數(shù)。重點(diǎn)：各種電力電子器件原理、性能上不一樣點(diǎn)，各自應(yīng)用場(chǎng)所（可工作區(qū)域）。10/10/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第2頁(yè)本章內(nèi)容2.1電力電子器件概述2.2電力（功率）二極管2.3晶閘管（SCR）2.4可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）2.7絕緣柵雙極晶體管（IGBT）2.8其它新型場(chǎng)控器件10/10/3北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第3頁(yè)2.1電力電子器件概述1、電力電子器件概念電力電子器件是指可直接用于處理電能，實(shí)現(xiàn)電能變換或控制電子器件，通常專(zhuān)指電力半導(dǎo)體器件。和普通半導(dǎo)體器件一樣，當(dāng)前電力半導(dǎo)體器件所用主要材料依然是——硅。10/10/4北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第4頁(yè)2、主要損耗通態(tài)損耗：導(dǎo)通時(shí)器件上有一定通態(tài)壓降。斷態(tài)損耗：阻斷時(shí)器件上有微小斷態(tài)漏電流流過(guò)。開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)通損耗：在器件開(kāi)通轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生損耗；關(guān)斷損耗：在器件關(guān)斷轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生損耗。對(duì)一些器件來(lái)講，驅(qū)動(dòng)電路向其注入功率也是造成器件發(fā)燒原因之一。通常電力電子器件斷態(tài)漏電流極小，因而通態(tài)損耗是器件功率損耗主要成因。器件開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗主要原因。10/10/5北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第5頁(yè)3、電力電子器件特征（與普通半導(dǎo)體器件相比）功率遠(yuǎn)大于信息電子器件，從mW~MW。電壓和電流等級(jí)是其最主要參數(shù)；工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)（相當(dāng)于普通晶體管飽和與截止?fàn)顟B(tài)），因而動(dòng)態(tài)特征（開(kāi)關(guān)特征）也是很主要參數(shù)，有時(shí)甚至是最主要參數(shù)；需要用驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)；需要裝散熱器散熱；10/10/6北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第6頁(yè)4、電力電子器件發(fā)展概況第一代電力電子器件無(wú)關(guān)斷能力SCR（1957年美國(guó)GE企業(yè)創(chuàng)造）第二代電力電子器件相關(guān)斷能力GTO、GTR等第三代電力電子器件性能優(yōu)異復(fù)合型器件如（IGBT）和智能器件IPM(IntelligentPowerModule)等10/10/7北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第7頁(yè)電力電子器件發(fā)展目標(biāo)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)70年代—大容量（電壓、電流）80年代—高頻化（功率、頻率）90年代—高性能化（大容量、高頻率、易驅(qū)動(dòng)、低損耗）評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：功率容量、開(kāi)關(guān)速度、通態(tài)壓降、驅(qū)動(dòng)功率、驅(qū)動(dòng)信號(hào)現(xiàn)在—集成化、模塊化、智能化10/10/8北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第8頁(yè)5、分類(lèi)按其開(kāi)關(guān)控制性能分類(lèi)：不控型器件：無(wú)控制極，器件導(dǎo)通與關(guān)斷完全由其在主電路中承受電壓和電流決定，正偏置導(dǎo)通、反偏置關(guān)斷，如電力二極管(D)半控型器件：控制極（門(mén)極）只能控制管子導(dǎo)通而不能控制管子關(guān)斷，器件關(guān)斷完全由其在主電路中承受電壓和電流決定，如晶閘管(SCR)及其家族器件（FST、RCT、TRIAC、LCT）全控型器件：經(jīng)過(guò)控制極（門(mén)極或基極或柵極）是否施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)既能控制管子導(dǎo)通又能控制管子關(guān)斷，如GTO、GTR、IGBT、MOSFET及其它新型場(chǎng)控器件MCT、IGCT、SIT、SITH、IPM等10/10/9北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第9頁(yè)按器件內(nèi)部載流子參加導(dǎo)電種類(lèi)分類(lèi)：?jiǎn)螛O型器件：只有一個(gè)載流子參加導(dǎo)電，如MOSFET、SIT等

雙極型器件：有兩種載流子參加導(dǎo)電，如二極管、晶閘管、GTO、GTR、IGCT、SITH等。

復(fù)合型器件：由MOSFET與晶體管、晶閘管復(fù)合而成，如IGBT、IPM、MCT等。10/10/10北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第10頁(yè)雙極型器件通態(tài)壓降較低、阻斷電壓高、電流容量大單極型器件開(kāi)關(guān)時(shí)間短、輸入阻抗高（電壓控制型）電流含有負(fù)溫度特征，二次擊穿可能性很小。通態(tài)壓降高、電壓和電流定額較小。復(fù)合型器件現(xiàn)有電流密度高、導(dǎo)通壓降低優(yōu)點(diǎn)；又有輸入阻抗高、響應(yīng)速度快優(yōu)點(diǎn)。10/10/11北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第11頁(yè)按門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)種類(lèi)（電流、電壓）分類(lèi)：電流控制型器件如晶閘管、GTO、GTR、IGCT、SITH等

電壓控制型器件如MOSFET、IGBT、IPM、SIT、MCT等——電壓控制型器件驅(qū)動(dòng)功率要遠(yuǎn)小于電流控制型器件，驅(qū)動(dòng)電路也簡(jiǎn)單，而且工作頻率高。10/10/12北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第12頁(yè)6、應(yīng)用場(chǎng)所（可工作區(qū)域）決定應(yīng)用場(chǎng)所基本原因：輸出容量和工作頻率SCRGTOGTRIGBT電力MOSEFTMOSEFT10/10/13北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第13頁(yè)本章內(nèi)容2.1電力電子器件概述2.2電力（功率）二極管2.3晶閘管（SCR）2.4可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）2.7絕緣柵雙極晶體管（IGBT）2.8其它新型場(chǎng)控器件10/10/14北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第14頁(yè)2.2電力（功率）二極管一、工作原理（基本與普通二極管相同）PN結(jié)：正向?qū)?/p>

反向截止

二、外形10/10/15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第15頁(yè)三、特征1、靜態(tài)特征伏安特征電力二極管承受正向電壓大到一定值（門(mén)檻電壓UTO），正向電流才開(kāi)始顯著增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流IF對(duì)應(yīng)電力二極管兩端電壓UF即為其正向電壓降。當(dāng)電力二極管承受反向電壓時(shí)，有微小反向漏電流。電力二極管伏安特征10/10/16北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第16頁(yè)1、靜態(tài)特征（續(xù)）理想伏安特征1在以后電路分析中，我們均采取理想伏安特征1來(lái)簡(jiǎn)化二極管。理想伏安特征210/10/17北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第17頁(yè)2、動(dòng)態(tài)特征電力電子器件工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換并非瞬間完成，需要一定時(shí)間。動(dòng)態(tài)特征是指器件在通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過(guò)程中開(kāi)關(guān)特征（電壓—電流特征）。對(duì)工頻整流電路來(lái)說(shuō)可認(rèn)為器件是理想開(kāi)關(guān)（瞬間開(kāi)通/瞬間關(guān)斷）。對(duì)高頻電路來(lái)說(shuō)，需要考慮動(dòng)態(tài)特征。10/10/18北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第18頁(yè)正向恢復(fù)時(shí)間：tfr延遲時(shí)間：td=t1-t0,電流下降時(shí)間：tf=t2-t1反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td+tf恢復(fù)特征軟度：下降時(shí)間與延遲時(shí)間比值tf/td，或稱(chēng)恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示a)正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置10/10/19北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第19頁(yè)（1）關(guān)斷過(guò)程：須經(jīng)過(guò)一段短暫時(shí)間才能重新取得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。在關(guān)斷之前有較大反向電流出現(xiàn)，并伴隨有顯著反向電壓過(guò)沖。（2）開(kāi)經(jīng)過(guò)程：電力二極管正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于靠近穩(wěn)態(tài)壓降某個(gè)值（如2V）。這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間被稱(chēng)為正向恢復(fù)時(shí)間tfr。儲(chǔ)存大量少子10/10/20北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第20頁(yè)四、主要參數(shù):正向平均電流

IF（AV）：指在要求管殼溫度（TC）和散熱條件下，允許流過(guò)最大工頻正弦半波電流平均值。正向壓降UF：指在要求溫度下流過(guò)某一指定穩(wěn)態(tài)電流時(shí)對(duì)應(yīng)正向壓降。反向重復(fù)峰值電壓

URRM：指電力二極管所能重復(fù)施加反向最高峰值電壓。

——通常是其雪崩擊穿電壓UB2/3

——使用時(shí)，往往按照電路中電力二極管可能承受反向最高峰值電壓兩倍來(lái)選定。10/10/21北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第21頁(yè)四、主要參數(shù)（續(xù)）最高工作結(jié)溫TJM：指在PN結(jié)不致?lián)p壞前提下，PN結(jié)所能承受最高平均結(jié)溫?！ǔＴ?250C~1750C之間。浪涌電流IFSM：指電力二極管所能承受最大連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期過(guò)電流。反向恢復(fù)時(shí)間trr：關(guān)斷過(guò)程中，電流降到零起到完全恢復(fù)反向阻斷能力止時(shí)間。10/10/22北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第22頁(yè)五、電力二極管主要類(lèi)型:整流二極管：trr>5us，普通用于開(kāi)關(guān)頻率1KHz以下整流電路（低頻、大容量）?！螂娏鞫~和反向電壓定額能夠到達(dá)很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上?？旎謴?fù)二極管：指反向恢復(fù)時(shí)間很短二極管（trr=幾十~幾百ns）。普通用于高頻電路。

——性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。肖特基二極管：反向恢復(fù)時(shí)間很短（trr=10~40ns）正向壓降較低，普通用于高頻、低電壓電路。10/10/23北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第23頁(yè)六、基本應(yīng)用整流續(xù)流限幅鉗位穩(wěn)壓10/10/24北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第24頁(yè)2.1、2.2小結(jié)1、電力電子器件特征（與普通電子器件不一樣點(diǎn)）2、電力電子器件分類(lèi)（3種分類(lèi)方法）3、電力電子器件主要損耗（3種）4、電力電子器件所能到達(dá)功率等級(jí)、開(kāi)關(guān)頻率比較5、電力二極管工作原理、靜態(tài)特征與信息二極管工作原理、靜態(tài)特征基本相同6、電力二極管：從斷態(tài)到通態(tài)存在正向電壓過(guò)沖從通態(tài)到斷態(tài)存在反向電壓過(guò)沖和反向恢復(fù)電流（造成電壓過(guò)沖得原因現(xiàn)有器件內(nèi)部原因也有外部電路原因，改進(jìn)方法是加阻容保護(hù)電路）7、電力二極管主要應(yīng)用：整流、續(xù)流8、電力二極管主要類(lèi)型及應(yīng)用場(chǎng)所9、電力二極管主要參數(shù)10/10/25北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第25頁(yè)本章內(nèi)容2.1電力電子器件概述2.2電力（功率）二極管2.3晶閘管（SCR）2.4可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）2.7絕緣柵雙極晶體管（IGBT）2.8其它新型場(chǎng)控器件10/10/26北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第26頁(yè)2.3晶閘管一、名稱(chēng)晶閘管

（Thyristor）可控硅

（SCR）二、外形與符號(hào)螺栓式結(jié)構(gòu)(<200A)平板式結(jié)構(gòu)(>200A)10/10/27北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第27頁(yè)三、SCR工作原理內(nèi)部結(jié)構(gòu)：PNPN四層結(jié)構(gòu)；P1區(qū)引出陽(yáng)極A，P2區(qū)引出門(mén)極G，N2區(qū)引出陰極K；四個(gè)區(qū)形成三個(gè)PN結(jié)J1、J2、J3。10/10/28北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第28頁(yè)三、SCR工作原理（續(xù)）工作原理1、阻斷狀態(tài)A、K兩端承受正向電壓時(shí)：J2反偏阻斷；A、K兩端承受反向電壓時(shí)：J1、J3反偏阻斷。（1）IG→iB2↑→IC2

↑→IC1(IA)↑形成正反饋（機(jī)制） ↑————————↓這表明：假如在SCR導(dǎo)通后撤除觸發(fā)脈沖IG，那么因?yàn)镾CR內(nèi)部正反饋?zhàn)饔茫琒CR仍可能維持導(dǎo)通！2、導(dǎo)通原理SCR可看作是由P1N1P2和N1P2N2組成兩個(gè)晶體管T1、T2，假如外電路向門(mén)極注入驅(qū)動(dòng)電流IG，則：10/10/29北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第29頁(yè)三、SCR工作原理（續(xù)）（2）按晶體管原理可得：其中：α1、α2分別是晶體管T1、T2共基極電流增益；ICBO1、ICBO2分別是晶體管T1、T2共基極漏電流。上式表明：假如能使1+2趨近于1話，流過(guò)晶閘管電流IA（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大（這種情況下，IA實(shí)際上由外電路決定），實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。晶閘管導(dǎo)通后，即使撤除觸發(fā)脈沖IG，仍能維持導(dǎo)通。——含有閘流特征。10/10/30北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第30頁(yè)三、SCR工作原理（續(xù)）含有閘流特征必要條件：α1+α2>1晶體管特征：低發(fā)射極電流下，α很??；發(fā)射極電流建立起來(lái)后，α快速增大。普通在設(shè)計(jì)時(shí)，使將SCR1+2

1.15，即SCR1+2能夠到達(dá)大于1.15。滿足上述條件。阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過(guò)晶閘管漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。10/10/31北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第31頁(yè)三、SCR工作原理（續(xù)）造成SCR導(dǎo)通幾個(gè)情況（外部條件）：正向轉(zhuǎn)折導(dǎo)通：UAK↑→J2擊穿→IA

↑↑

高溫導(dǎo)通：溫度↑→ICBO1、ICBO2↑→IA

↑↑

dUAK/dt導(dǎo)通：dUAK/dt

↑→iJ

↑→IA

↑↑

上述幾個(gè)情況屬于非正常導(dǎo)通，應(yīng)該防止！門(mén)極觸發(fā)導(dǎo)通：注入IG

→IA

↑↑

光注入導(dǎo)通：光照→ICBO1、ICBO2↑→IA

↑↑這兩種情況屬于正常導(dǎo)通10/10/32北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第32頁(yè)三、SCR工作原理（續(xù)）3、SCR關(guān)斷若要關(guān)斷已導(dǎo)通SCR，能夠經(jīng)過(guò)外部條件使：IA

↓→(α1+α2)↓，當(dāng)滿足(α1+α2)

0時(shí)，SCR便又恢復(fù)阻斷。4、SCR反向阻斷當(dāng)A、K兩端加上反向電壓時(shí)，SCR處于反向阻斷狀態(tài)。這時(shí)門(mén)極加觸發(fā)脈沖只能增加SCR反向漏電流。10/10/33北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第33頁(yè)四、SCR基本特征1、總結(jié)前面工作原理，能夠簡(jiǎn)單歸納SCR正常工作（導(dǎo)通/關(guān)斷）特征：當(dāng)SCR承受反向陽(yáng)極電壓時(shí)，不論門(mén)是否有觸發(fā)電流，SCR均處于阻斷狀態(tài)。當(dāng)SCR承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，僅在門(mén)極承受正向電壓（有觸發(fā)電流）情況下SCR才能導(dǎo)通。SCR在導(dǎo)通后，只要有一定維持導(dǎo)通電流，不論門(mén)極電壓怎樣，SCR仍能導(dǎo)通。SCR在導(dǎo)通情況下，當(dāng)流過(guò)電流減小到一定程度時(shí)，SCR恢復(fù)為阻斷。10/10/34北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第34頁(yè)四、SCR基本特征（續(xù)）2、SCR伏安特征UDSM:正向不重復(fù)峰值電壓URSM:反向不重復(fù)峰值電壓IH：維持電流UBO:轉(zhuǎn)折電壓10/10/35北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第35頁(yè)（1）正向特征IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小正向漏電流流過(guò)，正向電壓超出臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。伴隨門(mén)極電流幅值增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。導(dǎo)通后晶閘管特征和二極管正向特征相仿。晶閘管本身壓降很小，在1V左右。導(dǎo)通期間，假如門(mén)極電流為零，而且陽(yáng)極電流降至靠近于零某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱(chēng)為維持電流。10/10/36北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第36頁(yè)（2）反向特征晶閘管上施加反向電壓時(shí)，伏安特征類(lèi)似二極管反向特征。

晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小反向漏電流流過(guò)。當(dāng)反向電壓超出一定程度，到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限制辦法，則反向漏電流急劇增加，造成晶閘管發(fā)燒損壞。10/10/37北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第37頁(yè)四、SCR基本特征（續(xù)）3、SCR（正常）導(dǎo)通條件和關(guān)斷條件導(dǎo)通條件：同時(shí)滿足①陽(yáng)極—陰極間加正向電壓UAK②門(mén)極—陰極間加足夠高正向電壓，并有足夠大觸發(fā)電流IG。關(guān)斷條件：陽(yáng)極電流小于其維持電流，即iA<IH關(guān)斷方法：

①陽(yáng)極—陰極間加反向電壓（慣用方法）。②減小陽(yáng)極—陰極間電壓、增大回路阻抗。10/10/38北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第38頁(yè)四、SCR基本特征（續(xù)）4、SCR動(dòng)態(tài)特征10/10/39北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第39頁(yè)（1）開(kāi)經(jīng)過(guò)程延遲時(shí)間td：門(mén)極電流階躍時(shí)刻開(kāi)始，到陽(yáng)極電流上升到穩(wěn)態(tài)值10%時(shí)間。上升時(shí)間tr：陽(yáng)極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值90%所需時(shí)間。開(kāi)通時(shí)間tgt：tgt=td+tr

普通晶閘管延遲時(shí)為0.5~1.5s，上升時(shí)間上升時(shí)間為0.5~3s。10/10/40北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第40頁(yè)（2）關(guān)斷過(guò)程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr：從正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至靠近于零時(shí)間。正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓阻斷能力還需要一段時(shí)間。關(guān)斷時(shí)間tq：

tq=trr+tgr

普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。10/10/41北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第41頁(yè)五、SCR主要參數(shù)1、SCR電壓定額斷態(tài)（正向）重復(fù)峰值電壓UDRM值：在門(mén)極開(kāi)路（IG=0）且額定結(jié)溫時(shí)，允許重復(fù)加在元件上工頻正弦半波正向峰值電壓。要求UDRM=90%UDSM（斷態(tài)）反向重復(fù)峰值電壓URRM值：在門(mén)極開(kāi)路（IG=0）且額定結(jié)溫時(shí)，允許重復(fù)加在元件上工頻正弦半波反向峰值電壓。要求URRM=90%URSM額定電壓UR值：定義UR=MIN（UDRM，URRM）——選取時(shí)，額定電壓要留有一定裕量,普通取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。通態(tài)（峰值）電壓UTM值：SCR中流過(guò)某一要求倍數(shù)（如π倍）額定通態(tài)平均電流時(shí)管壓降峰值。10/10/42北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第42頁(yè)五、SCR主要參數(shù)（續(xù)）2、SCR電流定額額定電流IR（或IAV）：晶閘管在環(huán)境溫度為40C和要求冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超出額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)最大工頻正弦半波電流平均值。標(biāo)稱(chēng)其額定電流參數(shù)。IAV10/10/43北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第43頁(yè)五、SCR主要參數(shù)（續(xù)）正弦半波有效值（均方根值）為：由（2-7）、（2-8）得到有效值為：——使用時(shí)應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值相等標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選取晶閘管。應(yīng)留一定裕量，普通取1.5~2倍?！狪R是按照正向電流造成器件本身發(fā)燒來(lái)定義。——產(chǎn)品手冊(cè)中要求IR=IAV，表示它能夠流過(guò)任意波形、有效值為1.57IR電流。10/10/44北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第44頁(yè)五、SCR主要參數(shù)（續(xù)）流過(guò)任意波形電流時(shí)，SCR額定電流參數(shù)計(jì)算：①依據(jù)陽(yáng)極電流波形計(jì)算其有效值（均方根值）：②求SCR額定電流：10/10/45北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第45頁(yè)課堂思考經(jīng)過(guò)SCR電流波形

如圖所表示，Im＝300A

試選取SCRIAV解：電流有效值

10/10/46北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第46頁(yè)五、SCR主要參數(shù)（續(xù)）浪涌電流ITSM：結(jié)溫為額定值時(shí)，晶閘管在要求極短時(shí)間內(nèi)（工頻正弦波半周期內(nèi)）晶閘管能承受最大過(guò)載電流值。（通常為4IAV或更多）——浪涌次數(shù)有一定限制，不可重復(fù)出現(xiàn)。維持電流IH：在室溫和門(mén)極開(kāi)路時(shí)，SCR從較大通態(tài)電流降至維持通態(tài)所需要最小通態(tài)電流。

——

IH普通為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫相關(guān)。結(jié)溫越高，則IH越小。擎住電流IL：SCR經(jīng)觸發(fā)從斷態(tài)變換到通態(tài)之后馬上撤除觸發(fā)信號(hào)，在此情況下SCR要維持通態(tài)所需要最小通態(tài)電流。

——對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL約為IH2~4倍。10/10/47北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第47頁(yè)課堂思考調(diào)試如圖所表示晶閘管電路，在斷開(kāi)Rd測(cè)量輸出電壓Vd是否正確可調(diào)時(shí)，發(fā)覺(jué)電壓表V讀數(shù)不正常，接上Rd后一切正常，為何？（觸發(fā)脈沖一直正常工作）10/10/48北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第48頁(yè)課堂思考1、若流過(guò)晶閘管電流有效值是157A，則其額定電流為

。若該晶閘管陽(yáng)、陰極間電壓為60sinωtV，則其額定電壓應(yīng)為

。（不考慮晶閘管電流、電壓裕量）2、當(dāng)晶閘管電流上升到其

電流后，去掉門(mén)極觸發(fā)信號(hào)，晶閘管仍能維持導(dǎo)通。3、某晶閘管，若其斷態(tài)重復(fù)峰值電壓為500V，反向重復(fù)峰值電壓為700V，則該晶閘管得額定電壓是（）。10/10/49北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第49頁(yè)五、SCR主要參數(shù)（續(xù)）3、動(dòng)態(tài)參數(shù)斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt：在要求條件下（門(mén)極開(kāi)路且額定結(jié)溫），不會(huì)造成從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換最大陽(yáng)極電壓上升率。過(guò)大du/dt下會(huì)引發(fā)誤導(dǎo)通通態(tài)電流臨界上升率di/dt：在要求條件下，晶閘管能夠承受而不致?lián)p害通態(tài)電流最大上升率。

過(guò)大di/dt可使晶閘管內(nèi)部局部過(guò)熱而損壞10/10/50北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第50頁(yè)六、晶閘管家族其它器件1、快速晶閘管（KK、FST）包含全部專(zhuān)為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管。管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt耐量都有顯著改進(jìn)。普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s左右。高頻晶閘管不足在于其電壓和電流定額都不易做高。因?yàn)楣ぷ黝l率較高，選擇通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗發(fā)燒效應(yīng)。10/10/51北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第51頁(yè)六、晶閘管家族其它器件（續(xù)）2、逆導(dǎo)型晶閘管RCT（ReverseConductingThyristor）RCT主要用于逆變電路和斬波電路中將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上功率集成器件。含有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特征好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。逆導(dǎo)晶閘管額定電流有兩個(gè)，一個(gè)是晶閘管電流，一個(gè)是反并聯(lián)二極管電流。10/10/52北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第52頁(yè)六、晶閘管家族其它器件（續(xù)）3、雙向晶閘管TRIAC（Bi-directionalThyristor）TRIAC主要用于交流電力控制電路，如交流調(diào)壓、交流調(diào)功電路。正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第Ｉ和第III象限有對(duì)稱(chēng)伏安特征。通慣用在交流電路中，所以不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。10/10/53北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第53頁(yè)六、晶閘管家族其它器件（續(xù)）4、光控晶閘管LCT觸發(fā)信號(hào)：激光脈沖光觸發(fā)確保了主電路與控制電路之間絕緣，且可防止電磁干擾影響，所以當(dāng)前在高壓大功率場(chǎng)所，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)主要地位。10/10/54北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第54頁(yè)2.3小結(jié)1、SCR內(nèi)部結(jié)構(gòu)為PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)決定了在外電路向其門(mén)極注入驅(qū)動(dòng)電流IG情況下，SCR內(nèi)部電流會(huì)形成正反饋，這使得在SCR觸發(fā)導(dǎo)通后即使撤除IG，SCR依然可能導(dǎo)通。使這種可能性變成事實(shí)必要條件是：α1+α2>1

實(shí)際上制作工藝確保了SCRα1+α2≈1.15，滿足上述條件，所以從工作原理上講，只需要一個(gè)窄觸發(fā)脈沖就能導(dǎo)通。2、SCR（正常）導(dǎo)通條件和關(guān)斷條件。3、SCR流過(guò)任意波形電流時(shí)，額定電流計(jì)算。4、若SCR承受電壓UAK過(guò)高、或結(jié)溫過(guò)高、或dUAK/dt過(guò)大，都可能引發(fā)誤導(dǎo)通。5、在正向阻斷沒(méi)恢復(fù)之前，假如重加UAK，SCR會(huì)重新導(dǎo)通，不受IG控制。10/10/55北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第55頁(yè)本章內(nèi)容2.1電力電子器件概述2.2電力（功率）二極管2.3晶閘管（SCR）2.4可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）2.7絕緣柵雙極晶體管（IGBT）2.8其它新型場(chǎng)控器件10/10/56北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第56頁(yè)2.4可關(guān)斷晶閘管（GTO）一、名稱(chēng)GateTurnoffThyristor，簡(jiǎn)稱(chēng)GTO二、符號(hào)10/10/57北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第57頁(yè)GTO結(jié)構(gòu)與工作原理三、GTO結(jié)構(gòu)與普通晶閘管相同點(diǎn)：PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門(mén)極。和普通晶閘管不一樣點(diǎn)：GTO是一個(gè)多元功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極小GTO元，這些GTO元陰極和門(mén)極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。10/10/58北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第58頁(yè)四、GTO工作原理與普通晶閘管一樣，能夠用雙晶體管模型來(lái)分析。10/10/59北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第59頁(yè)1、GTO開(kāi)通原理GTO導(dǎo)經(jīng)過(guò)程

α1+α2=1為臨界導(dǎo)通狀態(tài)，它所對(duì)應(yīng)陽(yáng)極電流為臨界導(dǎo)通電流，定義為GTO擎住電流。Ic1↑、Ic2↑→α1↑、α2↑，當(dāng)1+2>1時(shí)，兩個(gè)等效晶體管過(guò)飽和而使器件導(dǎo)通。GTO導(dǎo)通條件（內(nèi)部條件）10/10/60北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第60頁(yè)2、GTO關(guān)斷原理GTO關(guān)斷過(guò)程-IG→iB2↓→IC2↓→IC1↓

↑——————↓GTO關(guān)斷條件（內(nèi)部條件）：α1+α2<1電流關(guān)斷增益βoff=IATO/|-IGM|

其中：IATO——被關(guān)斷最大陽(yáng)極電流-IGM——關(guān)斷IATO需抽出最大門(mén)極電流Ic1↓、Ic2↓→α1↓、α2↓，當(dāng)1+2<1時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通，從而關(guān)斷。10/10/61北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第61頁(yè)3、GTO之所以能夠經(jīng)過(guò)門(mén)極關(guān)斷，是因?yàn)樗c普通晶閘管有以下區(qū)分：導(dǎo)通時(shí)1+2更靠近1（1.05，普通晶閘管1+21.15）導(dǎo)通時(shí)飽和不深，靠近臨界飽和，有利門(mén)極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大；設(shè)計(jì)2較大，使晶體管T2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷；多元集成結(jié)構(gòu)使GTO元陰極面積很小，門(mén)、陰極間距大為縮短，能從門(mén)極抽出較大電流，易于GTO關(guān)斷。10/10/62北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第62頁(yè)五、GTO特征與參數(shù)1、靜態(tài)特征陽(yáng)極伏安特征與SCR相同!10/10/63北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第63頁(yè)2、GTO動(dòng)態(tài)特征（1）開(kāi)通特征與SCR類(lèi)似!ton:開(kāi)通時(shí)間td:延遲時(shí)間tr:上升時(shí)間ton=td+tr10/10/64北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第64頁(yè)（2）關(guān)斷特征toff:關(guān)斷時(shí)間存放時(shí)間(ts)：抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存大量載流子。下降時(shí)間(tf)：等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐步減小。尾部時(shí)間(tt)：殘余載流子復(fù)合。toff=ts+tf

10/10/65北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第65頁(yè)3、GTO主要參數(shù)

許多參數(shù)和普通晶閘管對(duì)應(yīng)參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不一樣主要參數(shù)。最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO——GTO額定電流。電流關(guān)斷增益off——最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱(chēng)為電流關(guān)斷增益。

off普通很小，只有5左右，這是GTO一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000AGTO關(guān)斷時(shí)門(mén)極負(fù)脈沖電流峰值要200A。10/10/66北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第66頁(yè)2.4小結(jié)1、GTO內(nèi)部結(jié)構(gòu)也為PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其開(kāi)通原理、開(kāi)通特征、靜態(tài)特征與SCR相同。2、GTO本身也屬于SCR派生器件，所以其大部分參數(shù)含義與SCR相同。3、與SCR所不一樣是：GTO能夠自關(guān)斷，而SCR不能。這主要因二者制作工藝不一樣所造成。GTO導(dǎo)通時(shí)處于臨界飽和狀態(tài)（1+21.05，普通晶閘管1+21.15）有利于門(mén)極控制關(guān)斷；2較大，使晶體管T2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷；多元集成結(jié)構(gòu),易于GTO關(guān)斷。10/10/67北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第67頁(yè)2.5電力晶體管（GTR/BJT）名稱(chēng)巨型晶體管（GiantTransistor）電力晶體管符號(hào)特點(diǎn)（雙極型器件）飽和壓降低開(kāi)關(guān)時(shí)間較短安全工作區(qū)寬10/10/68北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第68頁(yè)GTR結(jié)構(gòu)形式單管電力晶體管（BJT）達(dá)林頓管電流增益大，

輸出管不會(huì)飽和關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)達(dá)林頓模塊10/10/69北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第69頁(yè)GTR輸出特征基本上同三極管（Ⅰ）截止區(qū)（Ⅱ）放大區(qū)（Ⅲ）臨界飽和區(qū)（Ⅳ）深飽和區(qū)10/10/70北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第70頁(yè)GTR二次擊穿原因元件內(nèi)部局部

溫度過(guò)高，引

起電流急劇增

長(zhǎng)。性質(zhì)熱擊穿10/10/71北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第71頁(yè)本章內(nèi)容2.1電力電子器件概述2.2電力（功率）二極管2.3晶閘管（SCR）2.4可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）2.7絕緣柵雙極晶體管（IGBT）2.8其它新型場(chǎng)控器件10/10/72北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第72頁(yè)2.6電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）一、概述1、分類(lèi)P溝道N溝道

增強(qiáng)型耗盡型絕緣柵型結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管N溝道增強(qiáng)型絕緣柵金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管——簡(jiǎn)稱(chēng)：電力MOSFET或MOS管10/10/73北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第73頁(yè)2、工作原理：

由柵極(Gate)電壓來(lái)改變導(dǎo)電溝道，從而控制漏極(Drain)、源極(Source)之間電流和等效電阻，使場(chǎng)效應(yīng)管處于截止或?qū)顟B(tài)。3、導(dǎo)通、關(guān)斷條件導(dǎo)通條件：柵極加正電壓關(guān)斷條件：柵極電壓為零或加負(fù)電壓（-5V）10/10/74北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第74頁(yè)4、特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)電流增益大，驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單;開(kāi)關(guān)速度很快，工作頻率很高;正電阻溫度特征（負(fù)電流溫度特征），易并聯(lián)均流。缺點(diǎn)通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗對(duì)應(yīng)也大；單管容量難以提升，只適合小功率（10KW以下）。10/10/75北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第75頁(yè)二、電力MOSFET靜態(tài)特征與參數(shù)1、轉(zhuǎn)移特征ID=f（UGS）ID較大時(shí)，ID與UGS關(guān)系近似線性?？鐚?dǎo)gm=diD/duGS反應(yīng)UGS對(duì)ID控制能力UGSth

開(kāi)啟電壓（2~4V）10/10/76北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第76頁(yè)2、輸出特征（Ⅰ）截止區(qū)（Ⅱ）飽和恒流區(qū)（Ⅲ）線性導(dǎo)電區(qū)（Ⅳ）雪崩區(qū)通態(tài)電阻：Ron=UDSC/IDsat10/10/77北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第77頁(yè)3、靜態(tài)參數(shù)正向通態(tài)電阻Ron、跨導(dǎo)gm、柵極開(kāi)啟電壓UGSth

漏極電壓UDS：電力MOSFET電壓定額。漏極電流ID、最大漏極電流IDM：電力MOSFET電流定額。漏極擊穿電壓UBDS：它決定了電力MOSFET最高工作電壓。柵源擊穿電壓UBGS：普通為±20V。

10/10/78北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第78頁(yè)三、電力MOSFET動(dòng)態(tài)特征與參數(shù)1、開(kāi)經(jīng)過(guò)程開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)

——up前沿時(shí)刻到uGS=UT并開(kāi)始出現(xiàn)iD時(shí)刻間時(shí)間段。上升時(shí)間tr

——uGS從uT上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)柵壓UGSP時(shí)間段。開(kāi)通時(shí)間tonTon＝td(on)

＋tr

10/10/79北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第79頁(yè)三、電力MOSFET動(dòng)態(tài)特征與參數(shù)（續(xù)）2、關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)——up下降到零起，Cin經(jīng)過(guò)Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時(shí)，iD開(kāi)始減小止時(shí)間段。下降時(shí)間tf——uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS<UT時(shí)溝道消失，iD下降到零為止時(shí)間段。關(guān)斷時(shí)間toff——關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和。10/10/80北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第80頁(yè)3、動(dòng)態(tài)參數(shù)極間電容輸入電容：Ciss輸出電容：Coss反饋電容：Crss幾點(diǎn)說(shuō)明：①電力MOSFET開(kāi)關(guān)速度取決于柵極驅(qū)動(dòng)電阻RG與柵極輸入電容Ciss充放電時(shí)間。②使用時(shí)，柵極不能開(kāi)路。③因?yàn)榇嬖诩纳床⒍O管，所以無(wú)反向阻斷能力，不能承受反壓。10/10/81北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第81頁(yè)四、電力MOSFET安全工作區(qū)漏源通態(tài)電阻Ron限制線1最大漏極電流IDM限制線2最大功耗PDM限制線3最大漏源電壓UDSM限制線410/10/82北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第82頁(yè)本章內(nèi)容2.1電力電子器件概述2.2電力（功率）二極管2.3晶閘管（SCR）2.4可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）2.7絕緣柵雙極晶體管（IGBT）2.8其它新型場(chǎng)控器件10/10/83北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第83頁(yè)2.7絕緣柵雙極晶體管（IGBT）一、符號(hào)二、等效電路：由電力MOSFET和GTR復(fù)合而成三、工作原理工作原理原理與電力MOSFET基本相同，開(kāi)通/關(guān)斷由柵極和發(fā)射極電壓UGE決定。10/10/84北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第84頁(yè)四、IGBT特征1、靜態(tài)特征轉(zhuǎn)移特征：與電力MOSFET類(lèi)似。含有正電阻溫度系數(shù)（IC增大時(shí)，管壓降大），易于并聯(lián)使用。輸出特征：與GTR類(lèi)似，只是參變量不一樣。分四個(gè)區(qū)：正向阻斷區(qū)、線性導(dǎo)電區(qū)I、在恒流飽和區(qū)II和雪崩區(qū)Ⅲ。10/10/85北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第85頁(yè)IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM2、動(dòng)態(tài)特征10/10/86北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第86頁(yè)(1)IGBT開(kāi)經(jīng)過(guò)程

與MOSFET相同，因?yàn)殚_(kāi)經(jīng)過(guò)程中IGBT在大部分時(shí)間作為MOSFET運(yùn)行。開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)——從uGE上升至其幅值10%時(shí)刻，到iC上升至10%ICM2

。

電流上升時(shí)間tr

——iC從10%ICM上升至90%ICM所需時(shí)間。開(kāi)通時(shí)間ton——開(kāi)通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和。uCE下降過(guò)程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1——IGBT中MOSFET單獨(dú)工作電壓下降過(guò)程；tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作電壓下降過(guò)程。

IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM10/10/87北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第87頁(yè)(2)IGBT關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)——從uGE后沿下降到其幅值90%時(shí)刻起，到iC下降至90%ICM。電流下降時(shí)間——iC從90%ICM下降至10%ICM。關(guān)斷時(shí)間toff——關(guān)斷延遲時(shí)間與電流下降之和。電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT內(nèi)部MOSFET關(guān)斷過(guò)程，iC下降較快；tfi2——IGBT內(nèi)部PNP晶體管關(guān)斷過(guò)程，iC下降較慢。IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM10/10/88北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第88頁(yè)MOSFET、IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程對(duì)比ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程電力MOSFET開(kāi)關(guān)過(guò)程10/10/89北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第89頁(yè)五、IGBT擎住效應(yīng)擎住效應(yīng)：因內(nèi)部寄生晶體管（NPN）導(dǎo)通使門(mén)極G失去控制作用，因而IGBT不能截止，這種現(xiàn)象稱(chēng)為擎住效應(yīng)。產(chǎn)生原因集電極電流IC過(guò)大

超出ICM集電極電源電壓過(guò)高

使PNP管漏電流過(guò)大關(guān)斷過(guò)快duCE/dt過(guò)大，使結(jié)電容電流很大10/10/90北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第90頁(yè)五、IGBT擎住效應(yīng)（續(xù)）防止出現(xiàn)擎住效應(yīng)方法是： ①在c、e極間并電容，以減小關(guān)斷時(shí)dUce/dt； ②增大柵極驅(qū)動(dòng)電阻RG，方便減慢關(guān)斷速度，從而減小dUce/dt。 另外，要確保Ic、Uce在額定范圍內(nèi)。10/10/91北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第91頁(yè)六、IGBT安全工作區(qū)正向安全工作區(qū)：受ICM、UCEM和PCM限制反向安全工作區(qū)：受ICM、UCEM和dUCE/dt限制10/10/92北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第92頁(yè)七、IGBT主要參數(shù)最大集射極間電壓UCES——由內(nèi)部PNP晶體管擊穿電壓確定。最大集電極電流——包含額定直流電流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最大功耗。10/10/93北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第93頁(yè)2.6、2.7小結(jié)1、電力MOSFET是一個(gè)N溝道增強(qiáng)型絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（P—MOSFET），屬單極型器件；IGBT是結(jié)合電力MOSFET與GTR（大功率晶體管）二者優(yōu)點(diǎn)復(fù)合型器件。2、電力MOSFET和IGBT都屬于電壓控制型全控器件，工作原理與大功率晶體管類(lèi)似，但與大功率晶體管相比含有①驅(qū)動(dòng)功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單；②開(kāi)關(guān)時(shí)間短、工作頻率高；③含有正電阻溫度特征（負(fù)電流溫度特征）、易于并聯(lián)應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。3、二者相比：工作頻率 電力MOSFET>IGBT 通態(tài)電阻 電力MOSFET>IGBT 器件容量 電力MOSFET<IGBT4、二者開(kāi)關(guān)速度與Ciss充放電相關(guān)，使用者雖無(wú)法減小Ciss，但能夠經(jīng)過(guò)減小驅(qū)動(dòng)電阻RG來(lái)減小充放電時(shí)間常數(shù)，提升開(kāi)關(guān)速度。10/10/94北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院器件原理第94頁(yè)2.6、2.7小結(jié)（續(xù)）5、二者在使用時(shí)，柵極不能開(kāi)路。6、電力MOSFETD—S極之間存在一個(gè)反并寄生二極管，所以無(wú)反向阻斷能力。7、IGBT本身有反向阻斷能力，但I(xiàn)GBT模塊普通帶反并二極管，所以IGBT模塊也無(wú)反向阻斷能力。8、IGBT模塊內(nèi)部存在一個(gè)寄生NPN三極管和體軀電阻，假如Ic過(guò)大、或Uce過(guò)高、或關(guān)斷過(guò)快（即dUce/dt過(guò)大），很可能會(huì)出現(xiàn)擎住效應(yīng)，使極失去控制作用。防止出現(xiàn)擎住效應(yīng)方法是： ①在c、e極間并電容，以減小關(guān)斷時(shí)dUce/dt； ②增大柵極驅(qū)動(dòng)電阻RG，方便減慢關(guān)斷速度，從而減小dUce/dt。 另外，要確保Ic、Uce