第2章 電力電子2

門極可關(guān)斷晶閘管——在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，信息電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合——高頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，從而將電力電子技術(shù)又帶入了一個(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。典型全控型器件2.4門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）晶閘管的一種派生器件。可以通過(guò)在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。2.4.11.GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點(diǎn)：

PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件，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。圖2-14GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形b)并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖c)電氣圖形符號(hào)門極可關(guān)斷晶閘管2.4.1工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖2-8所示的雙晶體管模型來(lái)分析。

圖2-8晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。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；當(dāng)1+2<1時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益１和2

。門極可關(guān)斷晶閘管1.4.1GTO能夠通過(guò)門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：門極可關(guān)斷晶閘管2.4.1圖2-8晶閘管的工作原理（1）設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷。（2）導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1（1.05，普通晶閘管1+21.15）導(dǎo)通時(shí)飽和不深，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。（3）多元集成結(jié)構(gòu)使GTO元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。由上述分析可以得到以下結(jié)論：GTO導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過(guò)程：強(qiáng)烈正反饋——門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流，則Ib2減小，使IK和Ic2減小，Ic2的減小又使IA和Ic1減小，又進(jìn)一步減小V2的基極電流。當(dāng)IA和IK的減小使1+2<1時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程快，承受di/dt能力強(qiáng)。門極可關(guān)斷晶閘管2.4.12.GTO的動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通過(guò)程：與普通晶閘管類似，需經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr。圖2-15GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形門極可關(guān)斷晶閘管2.4.1關(guān)斷過(guò)程：與普通晶閘管有所不同抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子——儲(chǔ)存時(shí)間ts，使等效晶體管退出飽和。等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小——下降時(shí)間tf

。殘存載流子復(fù)合——尾部時(shí)間tt

。GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形門極可關(guān)斷晶閘管2.4.13.GTO的主要參數(shù)門極可關(guān)斷晶閘管2.4.1——延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約1~2s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流值的增大而增大。——一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。GTO的儲(chǔ)存時(shí)間隨陽(yáng)極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般小于2s。關(guān)斷時(shí)間toff開(kāi)通時(shí)間ton

一些GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)。許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO門極可關(guān)斷晶閘管2.4.1電流關(guān)斷增益offGMATOoffII=b（2-8）off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要200A?！狦TO額定電流?！畲罂申P(guān)斷陽(yáng)極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。電力晶體管（GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時(shí)候也稱為PowerBJT。在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個(gè)名稱等效。

應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。電力晶體管2.4.2GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理圖2-16GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)

a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號(hào)c)內(nèi)部載流子的流動(dòng)電力晶體管2.4.2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。通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。也分為結(jié)型和絕緣柵型（類似小功率FieldEffectTransistor——FET）但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）簡(jiǎn)稱電力MOSFET（PowerMOSFET）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（StaticInductionTransistor——SIT）電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

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)功率小。開(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。2.4.3電力MOSFET的結(jié)構(gòu)電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管2.4.3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。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。電力MOSFET的多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計(jì)。國(guó)際整流器公司（InternationalRectifier）的HEXFET采用了六邊形單元西門子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形單元摩托羅拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列圖2-20電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管2.4.3?不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而其關(guān)斷過(guò)程是非常迅速的。?開(kāi)關(guān)時(shí)間在10~100ns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。?在開(kāi)關(guān)過(guò)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(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。

絕緣柵雙極晶體管IGBT2.4.4GTR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)，其通流能力很強(qiáng)，但開(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。而電力MOSFET是單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件，開(kāi)關(guān)速度，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-GateBipolarTransistor——IGBT或IGT）綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。1.IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E圖2-23IGBT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)絕緣柵雙極晶體管1.4.4絕緣柵雙極晶體管2.4.4IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)如下：

?開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)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。

?輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。?與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的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)。

其他新型電力電子器件2.5MOS控制晶閘管MCT2.5.1■MCT（MOSControlledThyristor）是將MOSFET與晶閘管組合而成的復(fù)合型器件。

■結(jié)合了MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率、快速的開(kāi)關(guān)過(guò)程和晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降的特點(diǎn)?！鲇蓴?shù)以萬(wàn)計(jì)的MCT元組成，每個(gè)元的組成為：一個(gè)PNPN晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開(kāi)通的MOSFET，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。

■其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。

靜電感應(yīng)晶體管SIT2.5.2■是一種結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管?！鍪且环N多子導(dǎo)電的器件，其工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至超過(guò)電力MOSFET，而功率容量也比電力MOSFET大，因而適用于高頻大功率場(chǎng)合。■柵極不加任何信號(hào)時(shí)是導(dǎo)通的，柵極加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，這被稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便，此外SIT通態(tài)電阻較大，使得通態(tài)損耗也大，因而SIT還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

靜電感應(yīng)晶閘管SITH2.5.3■可以看作是SIT與GTO復(fù)合而成?！鲇直环Q為場(chǎng)控晶閘管（FieldControlledThyristor——FCT），本質(zhì)上是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)?！銎浜芏嗵匦耘cGTO類似，但開(kāi)關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件?！鲆话阋彩钦?dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。

集成門極換流晶閘管IGCT2.5.4■是將一個(gè)平板型的GTO與由很多個(gè)并聯(lián)的電力MOSFET器件和其它輔助元件組成的GTO門極驅(qū)動(dòng)電路采用精心設(shè)計(jì)的互聯(lián)結(jié)構(gòu)和封裝工藝集成在一起。■容量與普通GTO相當(dāng)，但開(kāi)關(guān)速度比普通的GTO快10倍，而且可以簡(jiǎn)化普通GTO應(yīng)用時(shí)龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過(guò)其所需的驅(qū)動(dòng)功率仍然很大?！瞿壳罢谂cIGBT等新型器件激烈競(jìng)爭(zhēng)。基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件2.5.5■硅的禁帶寬度為1.12電子伏特（eV），而寬禁帶半導(dǎo)體材料是指禁帶寬度在3.0電子伏特左右及以上的半導(dǎo)體材料，典型的是碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、金剛石等材料?！龌趯捊麕О雽?dǎo)體材料（如碳化硅）的電力電子器件將具有比硅器件高得多的耐受高電壓的能力、低得多的通態(tài)電阻、更好的導(dǎo)熱性能和熱穩(wěn)定性以及更強(qiáng)的耐受高溫和射線輻射的能力，許多方面的性能都是成數(shù)量級(jí)的提高?！鰧捊麕О雽?dǎo)體器件的發(fā)展一直受制于材料的提煉和制造以及隨后的半導(dǎo)體制造工藝的困難。

功率模塊與功率集成電路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，稱為功率模塊?？煽s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。如將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測(cè)、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（PowerIntegratedCircuit——PIC）。2.6類似功率集成電路的還有許多名稱，但實(shí)際上各有側(cè)重。高壓集成電路（HighVoltageIC——HVIC）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率集成電路（SmartPowerIC——SPIC）一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率模塊（IntelligentPowerModule——IPM）則專指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片集成，也稱智能IGBT（IntelligentIGBT）。功率模塊與功率集成電路2.6功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)：高低壓電路之間的絕緣問(wèn)題以及溫升和散熱的處理。功率集成電路和集成電力電子模塊實(shí)現(xiàn)了電能和信息的集成，使裝置體積減小、可靠性提高。同時(shí)、方便了電力電子裝置的制造、安裝和維護(hù)。降低了成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。功率模塊與功率集成電路2.6本章小結(jié)主要內(nèi)容

介紹了各種主要電力電子器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性和主要參數(shù)等。電力電子器件類型歸納單極型：電力MOSFET和SIT

雙極型：電力二極管、晶閘管、GTO、GTR和SITH

復(fù)合型：IGBT和MCT圖2-26電力電子器件分類“樹(shù)”本章小結(jié)◆按驅(qū)動(dòng)類型?電壓驅(qū)動(dòng)型器件