電力電子技術(shù)電子器件

第1章電力電子器件

本章要點功率二極管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性、參數(shù)，選用原則；晶閘管、雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性、參數(shù)，選用原則；可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）、功率場效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性、參數(shù)；1.1功率二極管又稱電力二極管，常作為整流二極管，不可控器件，只能由加在元件上電壓的極性控制其通斷。派生器件如快速恢復(fù)二極管、肖特基二極管。1.1.1功率二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理1、元件結(jié)構(gòu)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。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。200A以下器件采用螺栓型，200A以上器件多采用平板型2、工作原理單向?qū)щ娦?/p>

圖1-1圖1-21.1.2功率二極管的伏安特性圖1-31.1.3功率二極管的主要參數(shù)1、正向平均電流IdD（額定電流）指在規(guī)定的環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，管子允許長期通過的最大工頻半波電流的平均值。元件標(biāo)稱的額定電流就是這個電流。2、正向壓降UD（管壓降）是指在規(guī)定溫度下，流過某一穩(wěn)定正向電流時所對應(yīng)的正向壓降。

3、反向重復(fù)峰值電壓URRM（額定電壓）反向重復(fù)峰值電壓是功率二極管能重復(fù)施加的反向最高電壓。一般在選用功率二極管時，以其在電路中可能承受的反向峰值電壓的兩倍來選擇反向重復(fù)峰值電壓。

4、反向恢復(fù)時間反向恢復(fù)時間是指功率二極管從正向電流降至零起到恢復(fù)反向阻斷能力為止的時間。1.1.4功率二極管的型號和選擇原則

1、功率二極管的型號

2.功率二極管的選擇原則

（1）選擇額定正向平均電流IdD的原則在規(guī)定的室溫和冷卻條件下，只要所選管子的額定電流IdD對應(yīng)的有效值IDM大于管子在電路中實際可能通過的最大電流有效值ID即可?？紤]元件的過載能力，實際選擇時應(yīng)有1.5~2倍的安全裕量。計算公式為：（2）選擇額定電壓的原則選擇功率二極管的反向重復(fù)峰值電壓等級（額定電壓）的原則應(yīng)為管子在所工作的電路中可能承受的最大反向瞬時值電壓的2~3倍，即1.2晶閘管晶閘管是一種能夠用控制信號控制其導(dǎo)通，但不能控制其關(guān)斷的半控型器件。其導(dǎo)通時刻可控，滿足了調(diào)壓要求。它具有體積小、重量輕、效率高、動作迅速、維護(hù)簡單、操作方便和壽命長等特點，獲得了廣泛的應(yīng)用。晶閘管也有許多派生器件，如快速晶閘管（FST）、雙向晶閘管（TRIAC）、逆導(dǎo)晶閘管（RCT）和光控晶閘管（LATT）等。1.2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)

1、晶閘管的結(jié)構(gòu)具有四層PNPN結(jié)構(gòu)、三端引出線(A、K、G)的器件。常見的外形有兩種：螺栓型和平板型。

圖1-42、結(jié)構(gòu)和圖形符號

圖1-4AKG1P1N2P2N1J2J3JKVTKAGAG1.2.2晶閘管的工作原理

1、晶閘管的導(dǎo)通、關(guān)斷實驗由電源、晶閘管的陽極和陰極、白熾燈組成晶閘管主電路；由電源、開關(guān)S、晶閘管的門極和陰極組成控制電路（觸發(fā)電路）。

（a）(b)(c)圖1-5

圖1-5實驗順序?qū)嶒炃盁舻那闆r實驗時晶閘管條件實驗后燈的情況結(jié)論陽極電壓UA門極電壓UG導(dǎo)通實驗1暗反向反向暗晶閘管在反向陽極電壓作用下，不論門極為何電壓，它都處于關(guān)斷狀態(tài)。2暗反向零暗3暗反向正向暗1暗正向反向暗晶閘管在正向陽極電壓與正向門極電壓的共同作用下，才能導(dǎo)通。2暗正向零暗3暗正向正向亮關(guān)斷實驗1亮正向正向亮已導(dǎo)通的晶閘管在正向陽極作用下，門極失去控制作用。2亮正向零亮3亮正向反向亮4亮正向（逐漸減小到接近于零）任意暗晶閘管在導(dǎo)通狀態(tài)時，當(dāng)陽極電壓減小到接近于零時，晶閘管關(guān)斷。2、實驗說明3、實驗結(jié)論通過上述實驗可知，晶閘管導(dǎo)通必須同時具備兩個條件:

（1）晶閘管主電路加正向電壓。（2）晶閘管控制電路加合適的正向電壓。

晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。為使晶閘管關(guān)斷，必須使其陽極電流減小到一定數(shù)值以下，這只有通過使陽極電壓減小到零或反向的方法來實現(xiàn)。

4、晶閘管的導(dǎo)通關(guān)斷原理

當(dāng)晶閘管陽極承受正向電壓，控制極也加正向電壓時，形成了強(qiáng)烈的正反饋，正反饋過程如下：IG↑→IB2↑→IC2(IB1)↑→IC1↑→IB2↑

圖1-6

晶閘管導(dǎo)通之后，它的導(dǎo)通狀態(tài)完全依靠管子本身的正反饋作用來維持，即使控制極電流消失，晶閘管仍將處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此，控制極的作用僅是觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通，導(dǎo)通之后，控制極就失去了控制作用。要想關(guān)斷晶閘管可采用的方法有:將陽極電源斷開；改變晶閘管的陽極電壓的方向，即在陽極和陰極間加反向電壓。1.2.3晶閘管的特性

1、晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性是晶閘管陽極與陰極間電壓UAK和晶閘管陽極電流IA之間的關(guān)系特性。圖1-7

（1）正向特性在門極電流IG=0情況下，晶閘管處于斷態(tài)，只有很小的正向漏電流；隨著正向陽極電壓的增加，達(dá)到正向轉(zhuǎn)折電壓UBO時，漏電流突然劇增，特性從正向阻斷狀態(tài)突變?yōu)檎驅(qū)顟B(tài)。正常工作時，不允許把正向電壓加到轉(zhuǎn)折值UBO，而是從門極輸入觸發(fā)電流IG，使晶閘管導(dǎo)通。門極電流愈大,陽極電壓轉(zhuǎn)折點愈低。晶閘管正向?qū)ê?，要使晶閘管恢復(fù)阻斷，只有逐步減少陽極電流。當(dāng)IA小到等于維持電流IH時，晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)樽钄唷?/p>

（2）反向特性是指晶閘管的反向陽極電壓與陽極漏電流的伏安特性。晶閘管的反向特性與一般二極管的反向特性相似。當(dāng)晶閘管承受反向陽極電壓時，晶閘管總是處于阻斷狀態(tài)。當(dāng)反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向漏電流增加較快。再繼續(xù)增大反向陽極電壓，會導(dǎo)致晶閘管反向擊穿，造成晶閘管的損壞。

2、晶閘管的開關(guān)特性(簡介)晶閘管的開關(guān)特性如圖所示。圖1-8AKG1P1N2P2N1J2J3J

晶閘管開關(guān)特性的說明第一段延遲時間td。陽極電流上升到10％所需時間，此時J2結(jié)仍為反偏，晶閘管的電流不大。第二段上升時間tr，陽極電流由0.1上升到0.9所需時間，這時靠近門極的局部區(qū)域已經(jīng)導(dǎo)通，相應(yīng)的J2結(jié)已由反偏轉(zhuǎn)為正偏，電流迅速增加。通常定義器件的開通時間ton為延遲時間td與上升時間tr之和。即ton=td+trAKG1P1N2P2N1J2J3J電源電壓反向后，從正向電流降為零起到能重新施加正向電壓為止定義為器件的電路換向關(guān)斷時間toff。反向阻斷恢復(fù)時間trr與正向阻斷恢復(fù)時間tgr之和。toff=trr+tgr

1.2.4晶閘管的主要參數(shù)(簡介)1、額定電壓UTn(重點)（1）正向重復(fù)峰值電壓UDRM在控制極斷路和正向阻斷條件下，可重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。規(guī)定此電壓為正向不重復(fù)峰值電壓UDSM的80%。（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM在控制極斷路時，以重復(fù)加在晶閘管兩端的反向峰值電壓。此電壓取反向不重復(fù)峰值電壓URSM的80%。晶閘管的額定電壓則取UDRM和URRM的較小值且靠近標(biāo)準(zhǔn)電壓等級所對應(yīng)的電壓值。選擇管子的額定電壓UTn應(yīng)為晶閘管在電路中可能承受的最大峰值電壓的2~3倍。額定電壓以電壓等級給出，通常標(biāo)準(zhǔn)電壓等級規(guī)定為：電壓在1000V以下，每100V為一級；1000V到3000V，每200V為一級。

2、額定電流IT(AV)(重點)是指：在環(huán)境溫度為+40度和規(guī)定的散熱條件下，晶閘管在電阻性負(fù)載時的單相、工頻（50Hz）、正弦半波（導(dǎo)通角不小于170度）的電路中，結(jié)溫穩(wěn)定在額定值125度時所允許的通態(tài)平均電流。注意：晶閘管是以電流的平均值而非有效值作為它的電流定額，這是因為晶閘管較多用于可控整流電路，而整流電路往往按直流平均值來計算。

它的通態(tài)平均電流IT(AV)和正弦電流最大值Im之間的關(guān)系表示為：

正弦半波電流的有效值為：

式中Kf―為波形系數(shù)

流過晶閘管的電流波形不同，其波形系數(shù)也不同，實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)電流有效值相同的原則進(jìn)行換算，通常選用晶閘管時，電流選擇應(yīng)取(1.5～2)倍的安全裕量。

3、維持電流IH

在室溫和門極斷路時，晶閘管已經(jīng)處于通態(tài)后，從較大的通態(tài)電流降至維持通態(tài)所必須的最小陽極電流。

4、擎住電流IL

晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)時移去觸發(fā)信號之后，要器件維持通態(tài)所需要的最小陽極電流。對于同一個晶閘管來說，通常擎住電流IL約為維持電流IH的(2～4)倍。5、門極觸發(fā)電流IGT在室溫且陽極電壓為6V直流電壓時，使晶閘管從阻斷到完全開通所必需的最小門極直流電流。6、門極觸發(fā)電壓UGT

對應(yīng)于門極觸發(fā)電流時的門極觸發(fā)電壓。觸發(fā)電路給門極的電壓和電流應(yīng)適當(dāng)?shù)卮笥谒?guī)定的UGT和IGT上限，但不應(yīng)超過其峰值IGFM和UGFM。

7、斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

在額定結(jié)溫和門極斷路條件下，不導(dǎo)致器件從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最大電壓上升率。過大的斷態(tài)電壓上升率會使晶閘管誤導(dǎo)通。

8、通態(tài)電流臨界上升率di/dt

在規(guī)定條件下，由門極觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通時，晶閘管能夠承受而不導(dǎo)致?lián)p壞的通態(tài)電流的最大上升率。在晶閘管開通時，如果電流上升過快，會使門極電流密度過大，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞。1.2.5晶閘管的型號、選擇原則

1、普通晶閘管的型號組別ABCDE通態(tài)平均電壓（V）UT≤0.40.4＜UT≤0.50.5＜UT≤0.60.6＜UT≤0.70.7＜UT≤0.8組別FGHI通態(tài)平均電壓（V）0.8＜UT≤0.90.9＜UT≤1.01.0＜UT≤1.11.1＜UT≤1.2晶閘管通態(tài)平均電壓分組

晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電壓等級

2、普通晶閘管的選擇原則

（1）選擇額定電流的原則在規(guī)定的室溫和冷卻條件下，只要所選管子的額定電流有效值大于等于管子在電路中實際可能通過的最大電流有效值即可?？紤]元件的過載能力，實際選擇時應(yīng)有1.5~2倍的安全裕量。計算公式為：然后取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)系列值。（2）選擇額定電壓的原則選擇普通晶閘管額定電壓的原則應(yīng)為管子在所工作的電路中可能承受的最大反向瞬時值電壓的2~3倍，即然后取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)系列值。晶閘管的主要參數(shù)1.2.6晶閘管的其它派生元件(簡介)雙向晶閘管從結(jié)構(gòu)和特性來說，都可以看成是一對反向并聯(lián)的普通晶閘管。在主電極的正、反兩個方向均可用交流或直流電流觸發(fā)導(dǎo)通。圖1-12塑封式圖1-11雙向晶閘管在第Ⅰ和第Ⅲ象限有對稱的伏安特性。圖1-14雙向晶閘管的型號表1-6雙向晶閘管的主要參數(shù)1.3門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）

1.3.1GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理1、GTO的結(jié)構(gòu)GTO為四層PNPN結(jié)構(gòu)、三端引出線（A、K、G）的器件。和晶閘管不同的是：GTO內(nèi)部是由許多四層結(jié)構(gòu)的小晶閘管并聯(lián)而成，這些小晶閘管的門極和陰極并聯(lián)在一起，成為GTO元，而普通晶閘管是獨立元件結(jié)構(gòu)。下圖是GTO的結(jié)構(gòu)示意圖、等效電路及電氣符號。圖1-15圖1-15圖1-15

2、GTO的工作原理

（1）開通過程GTO也可等效成兩個晶體管P1N1P2和N1P2N2互連，GTO與晶閘管最大區(qū)別就是導(dǎo)通后回路增益α1+α2數(shù)值不同，其中α1和α2分別為P1N1P2和N1P2N2的共基極電流放大倍數(shù)。晶閘管的回路增益α1+α2常為1.15左右，而GTO的α1+α2非常接近1。因而GTO處于臨界飽和狀態(tài)。這為門極負(fù)脈沖關(guān)斷陽極電流提供有利條件。

（2）關(guān)斷過程當(dāng)GTO已處于導(dǎo)通狀態(tài)時，對門極加負(fù)的關(guān)斷脈沖，形成－IG，相當(dāng)于將IC1的電流抽出，使晶體管N1P2N2的基極電流減小，使IC2和IK隨之減小，IC2減小又使IA和IC1減小，這是一個正反饋過程。當(dāng)IC2和IC1的減小使α1+α2<1時，等效晶體管N1P2N2和P1N1P2退出飽和，GTO不滿足維持導(dǎo)通條件，陽極電流下降到零而關(guān)斷。由于GTO處于臨界飽和狀態(tài)，用抽走陽極電流的方法破壞臨界飽和狀態(tài)，能使器件關(guān)斷。而晶閘管導(dǎo)通之后，處于深度飽和狀態(tài)，用抽走陽極電流的方法不能使其關(guān)斷。1.3.2GTO的特性和主要參數(shù)

(簡介)

1、陽極伏安特性

2、開通特性

開通時間ton由延遲時間td和上升時間tr組成

3、關(guān)斷特性

GTO的關(guān)斷過程有三個不同的時間，即存儲時間ts、下降時間tf及尾部時間tt。存儲時間ts：對應(yīng)著從關(guān)斷過程開始，到陽極電流開始下降到90%IA為止的一段時間間隔。下降時間tf：對應(yīng)著陽極電流迅速下降，陽極電壓不斷上升和門極反電壓開始建立的過程。尾部時間tt：則是指從陽極電流降到極小值時開始，直到最終達(dá)到維持電流為止的時間。

GTO的關(guān)斷特性(開關(guān)電壓、電流及門極電流波形)圖1-16

4、主要參數(shù)(簡介)與晶閘管不同的參數(shù)。（1）最大可關(guān)斷陽極電流IATO（2）關(guān)斷增益off（3）陽極尖峰電壓（4）維持電流（5）擎住電流1.4電力晶體管（GTR）

電力晶體管也稱巨型晶體管（GTR—GiantTransistor），是一種雙極型、大功率、高反壓晶體管(BipolarJunctionTransistor-BJT)。GTR和GTO一樣具有自關(guān)斷能力，屬于電流控制型自關(guān)斷器件。GTR可通過基極電流信號方便地對集電極-發(fā)射極的通斷進(jìn)行控制，并具有飽和壓降低、開關(guān)性能好、電流較大、耐壓高等優(yōu)點。GTR已實現(xiàn)了大功率、模塊化、廉價化。

1.4.1GTR的結(jié)構(gòu)與工作原理1、GTR的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)與小功率晶體管相似，也有三個電極，分別為B(基極)、C(集電極)、E(發(fā)射極)。GTR屬三端三層兩結(jié)的雙極型晶體管，有兩種基本類型，NPN型和PNP型。GTR的基本結(jié)構(gòu)及電氣符號如下圖所示。圖1-182、GTR的工作原理以NPN型晶體管為例，若外電源使UBC<0,則集電結(jié)的PN結(jié)處于反偏狀態(tài)；若UBE>0，則發(fā)射結(jié)的PN結(jié)處于正偏狀態(tài)。此時晶體管內(nèi)部電流分布為：（1）由于UBC<0，集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，形成反向飽和電流ICBO從N區(qū)流向P區(qū)。（2）由于UBE>0，發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，P區(qū)的多數(shù)載流子空穴不斷地向N區(qū)擴(kuò)散形成空穴電流IPE，N區(qū)的多數(shù)載流子電子不斷地向P區(qū)擴(kuò)散形成電子電流INE。1.4.2GTR的特性與主要參數(shù)(簡介)

1、GTR的靜態(tài)（輸出）特性晶體管有放大、飽和與截止三種工作狀態(tài)。①截止區(qū)：GTR的e結(jié)和c結(jié)均承受高反偏電壓，相當(dāng)于開關(guān)斷開。②放大區(qū)：e結(jié)正偏、c結(jié)反偏，此時GTR功耗很大。③飽和區(qū)：特點是e結(jié)和c結(jié)均正偏。GTR飽和導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)閉合。GTR作開關(guān)時，其斷態(tài)工作點須在截止區(qū)，通態(tài)工作點須在飽和區(qū)。共射極電路的輸出特性曲線

圖1-19

2、GTR的動態(tài)（開關(guān)）特性

晶體管有線性和開關(guān)兩種工作方式。當(dāng)只需要導(dǎo)通和關(guān)斷作用時采用開關(guān)工作方式。GTR主要應(yīng)用于開關(guān)工作方式。在開關(guān)工作方式下，用一定的正向基極電流IB1去驅(qū)動GTR導(dǎo)通，而用另一反向基極電流IB2迫使GTR關(guān)斷，由于GTR不是理想開關(guān)，故在開關(guān)過程中總存在著一定的延時和存儲時間。GTR的開關(guān)響應(yīng)特性延遲時間td：加入IB1后一段時間里，iC仍保持為截止?fàn)顟B(tài)時的很小電流，直到iC上升到0.1I

CS。上升時間tr：iC不斷上升，直到iC=ICS，GTR進(jìn)入飽和狀態(tài)。tr指iC從0.1ICS上升到0.9ICS所需要的時間。GTR的開通時間ton：延遲時間td和上升時間tr之和。即ton=td+tr圖1-20當(dāng)基極電流突然從正向IB1變?yōu)榉聪騃B2時，GTR的集電極電流iC并不立即減小，仍保持ICS，要經(jīng)過一段時間才下降。存儲時間ts：把基極電流從正向IB1變?yōu)榉聪騃B2時到iC下降到0.9ICS所需的時間。下降時間tf：iC從0.9ICS下降到0.1ICS所需的時間。此后，iC繼續(xù)下降，一直到接近反向飽和電流為止，這時BJT完全恢復(fù)到截止?fàn)顟B(tài)。BJT的關(guān)斷時間toff：存儲時間ts和下降時間tf之和，即toff=ts+tf

3、GTR的主要參數(shù)(簡介)(1)電壓參數(shù)電壓參數(shù)體現(xiàn)了GTR的耐壓能力(2)集電極電流額定值(3)最大耗散功率(4)直流電流增益(5)開關(guān)頻率(6)最高結(jié)溫額定值1.5功率場效應(yīng)晶體管

功率場效應(yīng)晶體管，簡稱P-MOSFET。特點是：屬電壓全控型器件、控制極靜態(tài)內(nèi)阻極高、驅(qū)動功率很小、工作頻率高、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿、安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性度高等。但P-MOSFET的電流容量小、耐壓低、功率不易做得過大。常用于中小功率開關(guān)電路中。根據(jù)導(dǎo)電溝道的類型可分為N溝道和P溝道兩大類；根據(jù)零柵壓時器件的導(dǎo)電狀態(tài)分為耗盡型和增強(qiáng)型兩類；目前功率MOSFET的容量水平為50A／500V，頻率為100kHz。1.5.1P-MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

1、P-MOSFET的結(jié)構(gòu)P-MOSFET和小功率MOS管導(dǎo)電機(jī)理相同，但在結(jié)構(gòu)上有較大的區(qū)別。小功率MOS管是一次擴(kuò)散形成的器件，其柵極G、源極S和漏極D在芯片的同一側(cè)。而P-MOSFET主要采用立式結(jié)構(gòu)，其三個外引電極與小功率MOS管相同，為柵極G、源極S和漏極D，但不在芯片的同一側(cè)。功率場效應(yīng)管的導(dǎo)電溝道分為N溝道和P溝道，柵偏壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型，柵偏壓大于零（N溝道）才存在導(dǎo)電溝道的稱為增強(qiáng)型。下圖是P-MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和電氣圖形符號。P-MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖P-MOSFET的電氣符號圖1-22圖1-24下圖是P-MOSFET的電氣圖形符號，圖a表示N溝道功率場效應(yīng)管，電子流出源極；圖b表示P溝道功率場效應(yīng)管，空穴流入源極。從結(jié)構(gòu)上看，P-MOSFET還含有一個寄生二極管，該寄生二極管的陽極和陰極就是功率MOSFET的S極和D極，它是與MOSFET不可分割的整體，使P-MOSFET無反向阻斷能力。圖中所示虛線為寄生二極管。2、P-MOSFET的工作原理(1)柵源極電壓UGS＝0時，柵極下的P型區(qū)表面呈現(xiàn)空穴堆積狀態(tài)，不可能出現(xiàn)反型層，無法溝通漏源。此時，即使在漏源之間施加電壓，MOS管也不會導(dǎo)通。如圖a所示。(2)當(dāng)柵源極電壓UGS＞0且不夠充分時，柵極下面的P型區(qū)表面呈現(xiàn)耗盡狀態(tài)，還是無法溝通漏源，此時MOS管仍保持關(guān)斷狀態(tài)。如圖b所示。(3)當(dāng)柵源極電壓UGS達(dá)到或超過一定值時，柵極下面的硅表面從P型反型成N型，形成N型溝道把源區(qū)和漏區(qū)聯(lián)系起來，從而把漏源溝通，使MOS管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。如圖c所示。1.5.2P-MOSFET的特性和參數(shù)(簡介)

1、轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性是指在輸出特性的飽和區(qū)內(nèi)，UDS維持不變時，UGS與ID之間的關(guān)系曲線，如右圖所示。轉(zhuǎn)移特性表征器件輸入電壓對輸出電流的控制作用和放大能力。圖中UT是P-MOSFET的開啟電壓(又稱閥值電壓)。圖1-252、P-MOSFET的輸出特性圖1-25P-MOSFET輸出特性反映的是：當(dāng)UGS一定時，ID與UDS間的關(guān)系曲線族.它分為三個區(qū)域，即線性導(dǎo)電區(qū)I，飽和恒流區(qū)II和雪崩擊穿區(qū)III。在線性導(dǎo)電區(qū)Ⅰ內(nèi)，ID與UDS幾乎呈線性關(guān)系。在飽和恒流區(qū)Ⅱ中，當(dāng)UGS不變時，ID趨于不變。當(dāng)UDS增大至使漏極PN結(jié)反偏電壓過高，發(fā)生雪崩擊穿，ID突然增加，此時進(jìn)入雪崩區(qū)Ⅲ，直至器件損壞。當(dāng)P-MOSFET用作電子開關(guān)時，導(dǎo)通時它必須工作在線性導(dǎo)電區(qū)I。P-MOSFET無反向阻斷能力，在D-S極間加反向電壓時器件導(dǎo)通，可看作是逆導(dǎo)器件。3、P-MOSFET的開關(guān)特性

圖1-26

4、P-MOSFET的(簡介)

（1）漏源擊穿電壓BUDS。（2）柵源擊穿電壓BUGS。（3）漏極最大電流ID。（4）開啟電壓UT。（5）通態(tài)電阻Ron。（6）極間電容。1.6絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）絕緣柵雙極型晶體管，簡稱IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)。是由P-MOSFET與雙極晶體管混合組成的電壓控制的雙極型自關(guān)斷器件。它將P-MOSFET和GTR的優(yōu)點集于一身，既具有P-MOSFET輸入阻抗高、開關(guān)速度快、工作頻率高、熱穩(wěn)定性好、無二次擊穿和驅(qū)動電路簡單的長處，又有GTR通態(tài)壓降低、耐壓高和承受電流大的優(yōu)點。IGBT的發(fā)展方向有兩個：一是追求更低損耗和更高速度；二是追求更大容量。1.6.1IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理1、IGBT的基本結(jié)構(gòu)IGBT是在P-MOSFET基礎(chǔ)上發(fā)展起來的集成新型器件，其結(jié)構(gòu)是以GTR為主導(dǎo)元件，P-MOSFET為驅(qū)動元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的復(fù)合器件。其結(jié)構(gòu)、電路符號、等效電路如下圖示。外部有三個電極(G門極、C集電極、E發(fā)射極)。圖1-27

2、IGBT的工作原理當(dāng)IGBT門極加上正電壓時，MOSFET內(nèi)形成溝道，使IGBT導(dǎo)通；當(dāng)IGBT門極加上負(fù)電壓時，MOSFET內(nèi)溝道消失，IGBT關(guān)斷。當(dāng)UCE＜0時，J3的PN結(jié)處于反偏，IGBT呈反向阻斷狀態(tài)。當(dāng)UCE＞0時，分兩種情況：（1）若門極電壓UGE＜UT（開啟電壓），溝道不能形成，IGBT呈正向阻斷狀態(tài)。（2）若門極電壓UGE>UT，門極下的溝道形成，從而使IGBT導(dǎo)通。此時，空穴從P+區(qū)注入到N基區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少N基區(qū)電阻RN的值，使得IGBT也具有很低的通態(tài)壓降。1.6.2IGBT的特性與參數(shù)(簡介)1、靜態(tài)特性（1）IGBT的輸出（伏安）特性和轉(zhuǎn)移特性圖1-28（2）IGBT動態(tài)特性圖1-29

3、IGBT的主要參數(shù)(簡介)

（1）集射極額定電壓UCES

（2）柵射極額定電壓UGES（3）柵射極開啟電壓UT

（4）集電極額定電流IC

（5）通態(tài)壓降UCE(on)。1.8、電力電子器件的驅(qū)動

晶閘管、GTO、GTR、P-MOSFET、IGBT等電力電子器件要正常工作，必須在其門極加驅(qū)動信號，各種器件對驅(qū)動信號的要求是不一樣的，必須分別或分類討論。晶閘管的門極驅(qū)動又稱為觸發(fā)，相應(yīng)的門極驅(qū)動電路又稱觸發(fā)電路。

1.8.1晶閘管的門極驅(qū)動（觸發(fā)）

晶閘管陽極加正向電壓后，還須在門極與陰極間加上觸發(fā)電壓，才能從阻斷變?yōu)閷?dǎo)通。1、對觸發(fā)電路的要求1）為減小門極損耗，應(yīng)采用脈沖觸發(fā)信號。2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率，并留有一定的裕量。3）脈沖應(yīng)有一定的寬度，前沿盡可能陡，使元件在觸發(fā)導(dǎo)通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導(dǎo)通。對感性負(fù)載，觸發(fā)脈沖應(yīng)為寬脈沖或雙窄脈沖；有些需強(qiáng)觸發(fā)脈沖。4）觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。

2、常用的觸發(fā)脈沖信號圖1-34（a）為正弦波觸發(fā)脈沖信號。前沿不陡，觸發(fā)準(zhǔn)確性差，僅用在觸發(fā)要求不高的場合；（b）尖脈沖。生成較容易，電路簡單，也用于觸發(fā)要求不高的場合；（c）矩形脈沖；（d）強(qiáng)觸發(fā)脈沖。前沿陡，寬度可變，有強(qiáng)觸發(fā)功能，適用于大功率場合；（e）雙窄脈沖。有強(qiáng)觸發(fā)功能，變壓器耦合效率高，用于控制精度較高，感性負(fù)載的裝置；（f）脈沖列。具有雙窄脈沖的優(yōu)點，應(yīng)用廣泛。3、脈沖觸發(fā)電路與晶閘管的連接方式

1.直接連接：操作不安全，主電路干擾觸發(fā)電路。

2.光耦合器連接：輸入和輸出間電隔離，絕緣性能好，抗干

擾能力強(qiáng)。

3.脈沖變壓器耦合連接：有良好的電氣絕緣。圖1-351.8.2電流型全控電力電子器件的門極驅(qū)動

GTO和GTR都是電流驅(qū)動型器件。1、GTO的門極驅(qū)動（1）GTO的門極驅(qū)動信號GTO的門極電流、電壓控制波形對GTO的特性有很大影響。GTO門極電流、電壓控制波形分開通和關(guān)斷兩部分，推薦的波形形狀如圖1-36所示。圖中實線為門極電流波形，虛線為門極電壓波形。為正向直流觸發(fā)電流，為最大反向門極電流。

開通時，門極電流脈沖前沿陡度大，一般為5～10A/μS，門極正脈沖電流的幅度比規(guī)定的額定直流觸發(fā)電流應(yīng)大3～10倍，正脈沖寬度一般為10～60μS，而后沿應(yīng)盡量平緩些。關(guān)斷時，關(guān)斷脈沖電流上升率一般為10～50A/μS。脈沖應(yīng)具有一定的寬度，關(guān)斷脈沖電流的幅度一般為(1/8～1/3)，其后沿也應(yīng)盡量平緩些。圖1-36(2)GTO的門控驅(qū)動電路圖1-37圖1-37為一雙電源供電的門極驅(qū)動電路。該電路由門極導(dǎo)通電路、門極關(guān)斷電路和門極反偏電路組成。該電路可用于三相GTO逆變電路。2、GTR的基極驅(qū)動（1）GTR的基極驅(qū)動電流信號為減少開關(guān)損耗，提高開關(guān)速度，GTR要求的比較理想的基極電流波形如圖1-38所示。

圖1-38

使GTR開通的基極驅(qū)動電流信號應(yīng)使GTR工作在準(zhǔn)飽和狀態(tài)，避免其進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū)。關(guān)斷GTR時，施加一定的負(fù)基極驅(qū)動電流有利于減小開關(guān)時間和開關(guān)損耗，關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負(fù)偏壓。用于GTR開通和關(guān)斷的正、負(fù)驅(qū)動電流的前沿上升時間應(yīng)小于1微秒，以保證它能快速導(dǎo)通和關(guān)斷。

2）GTR的驅(qū)動電路圖1-39給出了一種GTR的驅(qū)動電路。它包括電氣隔離和晶體管放大兩個部分。

圖1-391.8.3電壓型全控電力電子器件的門極驅(qū)動

P-MOSFET和IGBT都是電壓驅(qū)動型器件。

1、P-MOSFET的柵極驅(qū)動（1）P-MOSFET的柵極驅(qū)動信號：對驅(qū)動信號的要求有：1）觸發(fā)脈沖有足夠快的上升和下降速度，即脈沖沿要陡。2）為使P-MOSFET可靠觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)電壓應(yīng)高于開啟電壓，但不得超過最大觸發(fā)額定電壓。觸發(fā)電壓也不能過低，否則會使通態(tài)電阻增大，降低抗干擾能力。3）驅(qū)動電路的輸出電阻應(yīng)低，開通時以低電阻對柵極電容充電，關(guān)斷時為柵極電荷提供低電阻放電回路，以提高P-MOSFET的開關(guān)速度。4）為防止誤導(dǎo)通，在P-MOSFET截止時應(yīng)提供負(fù)的柵源電壓。2、P-MOSFET的驅(qū)動電路（1）柵極直接驅(qū)動電路圖1-40

(2）隔離式柵極驅(qū)動電路

圖1-412、IGBT的柵極驅(qū)動（1）IGBT的柵極驅(qū)動信號IGBT具有與P-MOSFET相似的輸入特性和高輸入阻抗，驅(qū)動電路相對比較簡單，驅(qū)動功率也比較小。IGBT對驅(qū)動信號及電路有以下基本要求：1）驅(qū)動脈沖的上升和下降沿要陡：開通電壓前沿陡可使IGBT快速開通，減小開通損耗；關(guān)斷電壓后沿足夠陡，并在G-E