電力電子技術(shù)教案

諭《注2人孝教案用紙

教師教案

課程名稱：電力電子技術(shù)

教案內(nèi)容：第二章/電力電子器件

本章節(jié)理論學(xué)時(shí)：6學(xué)時(shí)

本章節(jié)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：0學(xué)時(shí)

理論任課教師：孫金根

實(shí)驗(yàn)任課教師：__________________

使用教材：王兆安、劉進(jìn)軍主編，電力電子技術(shù)（第5版）

沈陽理工大學(xué)教務(wù)處制

主要內(nèi)容：電力電子器件的基本特征；電力電子器件的分類；不

德6注2人孝教案用紙

同電力電子器件的結(jié)構(gòu)及原理；電力電子器件的靜態(tài)特性

和動(dòng)態(tài)特性；電力電子器件的參數(shù)。

重點(diǎn)：電力二極管、晶閘管及IGBT。

難點(diǎn)：電力二極管、晶閘管及典型全控器件靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。

基本要求：基本掌握電力二極管、晶閘管及典型全控器件的結(jié)構(gòu)

和原理；掌握電力二極管、晶閘管及典型全控器件的靜態(tài)

特性和動(dòng)態(tài)特性。掌握電力二極管、晶閘管及典型全控器

件的參數(shù)。尤其掌握全控器件IGBT的特性及參數(shù)；了解

功率集成電路、智能功率模塊的基本概念，了解電力電子

器件的發(fā)展趨勢(shì)。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求：不同的電力電子器件應(yīng)用嵌入到相應(yīng)的電力變

換實(shí)驗(yàn)中。

2.1電力電子器件概述

2.1.1電力電子器件的概念和特征

變換或控制

主電路---直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路(powercircuit)o

諭債和/人濠教案用紙

電力電子器件(powerelectronicdevice)----是指可直接用于處理電能

的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能變換或控制的電子器件。

電力電子器件一般具有如下的特征：

⑴承受電壓和電流的能力，該參數(shù)是最重要的參數(shù)。其處理能力小至毫

瓦級(jí)，大至兆瓦級(jí)。

⑵動(dòng)態(tài)特性(也叫開關(guān)特性)和參數(shù)。

⑶電力電子器件一般由驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

⑷開關(guān)損耗(包括開通損耗和關(guān)斷損耗)。

2.1.2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)電路和以電力電

子器件為核心的主電路組成一個(gè)系統(tǒng)。

控

制

電

路

圖2-1電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成

2.1.3電力電丁砥懺刑刀■尖

一、按照電力電子器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，可以將電力

電子器件分三類：

a)不可控器件：如電力二極管(Power-Diode)

b)半控型器件：如晶閘管/可控硅(SCR)o

諭《彳￡J人孝教案用紙

c）全控型器件：絕緣柵極雙極晶體管（IGBT）、門極可關(guān)斷的閘（GT-

0）電力雙極型晶體管（BJT）、電力場效應(yīng)晶體管（Power—MOSFET）等。

二、按照驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件控制端和公共之間信號(hào)的性質(zhì)可分

為：

a）電流驅(qū)動(dòng)型：如SCR、GTOo

b）電壓驅(qū)動(dòng)型：如場控器件、Power-MOSET、IGBT等。

三、按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流了參與導(dǎo)電的情況分：

1、單極型器件：如MOSFET。

2、雙極型器件：如電力二極管、SCR、GTO、GTRo

3、復(fù)合型器件：如IGBT、MCTo

2.2不可控器件——電力二極管

2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理

電力二極管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管是一樣的,

都是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)。

a)

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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)

2.2.2電力二極管的基本特性

1.靜態(tài)特性

電力二極管的靜態(tài)特性主要是指其伏安特性：正向電壓大到一定值（門

檻電壓Um），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流

小對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF。當(dāng)電力二極管承受反

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。

UTO為Il檻電壓

IF為正向電流

UF為正向電壓降

圖2-3電力二極管的伏安特性

2.動(dòng)態(tài)特性

電力二極管的動(dòng)態(tài)特性是指電力二極管各個(gè)狀態(tài)（零偏置、正向偏置、

反向偏置）之間轉(zhuǎn)換時(shí)的過渡過程。

⑴正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置的動(dòng)態(tài)過程：

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圖24電力二極管的動(dòng)態(tài)過程波形

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

IF：正向電流。UF：正向壓降。

IRP：反向電流峰值。URP：反向過沖電壓峰值室。

UR:反向壓降。tF:外加電壓正向變反向時(shí)刻

to：正向電流降為零時(shí)刻。ti：為反向電流最大值時(shí)刻。

t2：電流變化率di/dt接近零時(shí)刻或25%IRP時(shí)刻。

td：延遲時(shí)間，td=t|-1（）tf：電流下降時(shí)間tf=t2—t]

trr：電力二極管反向的恢復(fù)時(shí)間5=td+tf

Sr：恢復(fù)系數(shù)Sftf/td，Sr越大，則恢復(fù)性越軟。

⑵零偏置轉(zhuǎn)換正向偏置動(dòng)態(tài)過程：

UFP：正向過沖電壓峰值。

ip：正向電流。

tfr：正向恢復(fù)間。

2.2.3電力二極管的主要參數(shù)

1、正向平均電流IFAV。即額定電流參數(shù)。

指電力二極管長期運(yùn)行時(shí)，在指定的管殼溫度Tc和散熱條件下，其允許

流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。

2、正向壓降小

3、反向重復(fù)峰電壓URRM

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4、最高工作結(jié)溫TJM

5、反向恢復(fù)時(shí)間3

6、浪涌電流IFSM

浪涌電流指電力二極管所能承受的最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過

電流。

2.2.4電力二極管的主要類型

1.普通二極管：又稱整流二極管(RectifierDiode),多用于開關(guān)頻率不

高(1kHz以下)的整流電路中。

2.快恢復(fù)二極管：恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短(一般在

5/JS以下)。

3.肖特基二極管：屬于多子器件，反向恢復(fù)時(shí)間很短(10~40〃s)。

2.3半控型器件——晶閘管

晶閘管(Thyristor)是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器(Silicon

ControlledRectifier——SCR),以前被簡稱為可控硅。

1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室(BellLaboratories)發(fā)明了晶閘管,到1957年

美國通用電氣公司(GeneralElectric)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。

由于其能承受的電壓和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)用場合仍然具有比較重要的地位。

2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理

從外形上來看，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

極A、陰極K和門極(控制端)G三個(gè)聯(lián)接端。內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)

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構(gòu)。

圖2-5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)

晶閘管可以按雙晶體管模型，分析其工作原理。

A

a)b)

圖2-6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

按照晶體管工作原理，可列出如下方程:

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=%么+ICBO1

(2-1)

1c2=a21K

+【CBO2

(2-2)

1KIG

二乙+(2-3)

式中aj和a?分別是晶體管V］和V2的共基極電流增益；和/cso2分

別是V1和V2的共基極漏電流。山以上式（2?1）~（24）可得:

1_%,G+/CB01+/CB02°u、

/A-（2-5）

如果注入觸發(fā)電流使各個(gè)晶在管俯:由奶0%增大以致a/+3趨近于1

的話，流過晶閘管的電流以（陽極電流）將趨近于無窮大，從而實(shí)現(xiàn)器件飽

和導(dǎo)通。由于外電路負(fù)載的限制，心實(shí)際上會(huì)維持有限值。

2.3.2晶閘管的基本特性

I.靜態(tài)特性

⑴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。

⑵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

能導(dǎo)通。

⑶晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，

晶閘管都保持導(dǎo)通

⑷要想晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和電路使流過晶閘管的電流降到

某一數(shù)值以下。

Ubo：正向轉(zhuǎn)折電壓（臨界極限）。

IH：維持電流。

URRM：反向重復(fù)峰值電壓。

URSM：反向擊穿電壓。

UDRM：斷態(tài)重復(fù)峰值電壓。

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圖2-7晶閘管的伏安特性

IG2>1G1>IG

2.動(dòng)態(tài)特性

td：延遲時(shí)間。

tr：上升時(shí)間。

tgt：開同時(shí)間tg,=td+to

trr:反向阻斷恢復(fù)時(shí)間。

tgr:正向阻斷恢復(fù)時(shí)間。

tq：晶閘管電路換向關(guān)斷

時(shí)間tq=tIT+tgro

圖2-8晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形

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，其陽極電流的增長不可能是瞬時(shí)的。從門極電流階躍時(shí)刻

開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%,這段時(shí)間稱為延遲時(shí)間打(0.5-1.5

M)。與此同時(shí)晶閘管的正向壓降也在減小。陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的

謫6K》欠滲教案用紙

90%所需的時(shí)間稱為上升時(shí)間（O.5~3ps）,開通時(shí)間為％=/,/+%

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)，其陽極電流在衰減時(shí)必然也是有過渡過程的。從正向電流降

為零，到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間就是晶閘管的反向阻斷恢復(fù)時(shí)

間5。反向過程恢復(fù)結(jié)束后，由于載流子復(fù)合過程比較慢，晶閘管恢復(fù)其對(duì)正向電壓

的阻斷能力還需要段時(shí)間，這叫做正向阻斷恢復(fù)時(shí)間如。關(guān)斷時(shí)間tp定義

為%=trr+tgr。

2.3.3晶閘管的主要參數(shù)

1.電壓額定：a.斷態(tài)重復(fù)峰值電壓（UDRM）。

b.反向重逢值電壓（URRM）。

c.通態(tài)（峰值電壓）UTM取.UDR和URRM中較小的值。

2.電流額定：a.通態(tài)平均值電流IT<AV>，也是額定電流數(shù)。國標(biāo)規(guī)定通

態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度40°C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，

穩(wěn)定結(jié)溫不起過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波

電流的平均值。

b.維持電流IH

C.擎住電流II：斷態(tài)一一通態(tài)維持導(dǎo)通最小電流。

d.浪涌電流ITSM

3.動(dòng)態(tài)參數(shù)：a.開通時(shí)間tgt、關(guān)斷時(shí)間tg。

b.斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt（防止誤導(dǎo)通）。

c.通態(tài)電流臨界上升率di/dt,（防止晶閘管損壞）。

2.3.4晶閘管派生器件

1、快速晶閘管（FastSwitchingThyristor----FST）

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2、雙向晶閘管

(TriodeACSwitch------TRIAC,Bi-DirectionalTriodeThyristor)

3、逆導(dǎo)晶閘管(ReverseConductingThyristor-----RCT)

4、光控晶閘管(LightTriggedThyristor——ETT)

2.4典型全控型器件

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，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(GTO)、

電力晶體管(GTR)、電力場效應(yīng)晶體管(Power-MOSFET),絕緣柵雙極晶

體管(IGBT)o

2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)(Gate-Turn—OffThyristor)

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。

1.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

然外部同樣引出個(gè)極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽極的小GTO元，

這GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。

圖2-9GTO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)

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2.GT0的動(dòng)態(tài)特性:

td：延遲時(shí)間。

tr：上升時(shí)間。

ts：儲(chǔ)存時(shí)間。

tf：下降時(shí)間。

tt：尾部時(shí)間。

圖2-10GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形

開通過程與普通晶閘管類似。

關(guān)斷過程

a）儲(chǔ)存時(shí)間G

b）下降時(shí)間"

c）尾部時(shí)間“

通常%比心小得多，而。比心要長。門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越

陡，。，就越短。使門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在〃階段仍能保持適當(dāng)?shù)呢?fù)

電壓，則可以縮短尾部時(shí)間。

3.GTO的主要參數(shù)

GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同。

①最大可關(guān)斷陽極電流IATO,也是額定電流參數(shù)。

②電流關(guān)斷增益尸。ff,￡on=lATo/lGM，IGM門極負(fù)脈沖最大電流值。

謫侑K2人滲教案用紙

③開通時(shí)間ton=td+tr

④關(guān)斷時(shí)間toff=ts+tf

2.4.2電力晶體管

耐壓向、電

電力晶體管(GiantTransistor—GTR)也叫巨型晶體管或稱Power-BJT流大、開關(guān)

(BipolarJunctionTransistor—BJT),故在電力電子技術(shù)領(lǐng)域中，GTR和BJT特性好

是一樣的含義。與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。最主要的特性

是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。

圖2-11GTR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)

1、GTR的基本特性

①靜態(tài)特性，就典型輸出特性

GTR在共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性分為截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)三

個(gè)區(qū)域。

在電力電子電路中，GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)。

在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時(shí)，一般要經(jīng)過放大區(qū)。

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圖2-12共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性

②動(dòng)態(tài)特性

ta：延時(shí)時(shí)間。

tr：上升時(shí)間。

ts：儲(chǔ)存時(shí)間。

ton：關(guān)斷時(shí)間ton=ts+tf

tf:下降時(shí)間。

toff：關(guān)斷時(shí)間t0ft=ts+tf

圖2-13GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形

開通過程：需要經(jīng)過延遲時(shí)間以和上升時(shí)間。，二者之和為開通時(shí)間

ton.增大基極驅(qū)動(dòng)電流"，的幅值并增大d%d3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)間乙和下降時(shí)間tf,二者之和為關(guān)斷時(shí)間

toffo減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減小儲(chǔ)存的載流子，或者增大基極抽取負(fù)電流

的幅值和負(fù)偏壓，可以縮短儲(chǔ)存時(shí)間，從而加快關(guān)斷速度。GTR的開關(guān)

時(shí)間在兒微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。

2、GTR的主要參數(shù)

除夕、hfE、IcEO、Uces、t(>n、toff外，還有以下面參數(shù)

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a)最高工作電壓、BUcbO>BUcex>BUccs>BCer>BUCeo

b)集電極最大允許電流ICM

c)集電極最大耗散功率PCM

3、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?次擊穿。發(fā)現(xiàn)一次擊穿發(fā)生時(shí)如不有

效地限制電流，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。出現(xiàn)一次擊穿后，GTR一般不會(huì)損壞，

二次擊穿常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或工作特性明顯衰變，因而對(duì)GTR

危害極大。

圖2-14GTR的安全工作區(qū)

2.4.3電力場效應(yīng)晶體管

場效應(yīng)晶體管(FieldEffectTransistor——FET)分為結(jié)型和絕緣柵型，

電力場效應(yīng)晶體管也有這兩種類型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS(M-

etalOxideSemiconductorFET),簡稱電力場效應(yīng)晶體管(PowerMOSFET)。

電力MOSFET：

優(yōu)點(diǎn)：①驅(qū)動(dòng)電路簡單，驅(qū)動(dòng)功率小。

②開關(guān)速度快，工作頻率高。

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缺點(diǎn)：①容量小。②耐壓低。

a)b)

圖2-15電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號(hào)

電力MOSFET的結(jié)構(gòu)：是單極型晶體管。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(VerticalMOSFET),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(VerticalV-grooveMOSFET)和具有垂直

導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的DMOSFET(VerticalDouble-diffusedMOSFET)□

電力MOSFET也是多元集成結(jié)構(gòu)。一個(gè)器件由許多個(gè)小MOSFET元組

成。每個(gè)元的形狀和排列方法，不同生產(chǎn)廠家采用了不同的設(shè)計(jì)，甚至因此

對(duì)其產(chǎn)品取了不同的名稱。具體的單元形狀有六邊形、正方形等，也有矩行

單位按“品”字形排列。

1.電力MOSFET的基本特性

①靜態(tài)特性

轉(zhuǎn)移特性

指漏極電流和柵源間電壓

UGS的關(guān)系，反映了輸入電壓和輸

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出電流的關(guān)系。較大時(shí)，力與

UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率被

定義為MOSFET的跨導(dǎo)6人，即

圖2-16電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性

（2-5）

電力MOSFET是電壓控制型器件,其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。

輸出特性截止區(qū)、飽

%j=8V和區(qū)、非飽

是指MOSFET的漏極伏安特性。

和區(qū)

截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)）、飽<3Of；飽和區(qū)，盧V

<1---------------------------------

和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)）、非飽2C?儂=6V

和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）三個(gè)IC-；

區(qū)域，飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極

010/203040/50

電流不再增加，非飽和是指漏源電壓截止區(qū)4三寧3V

49

增加時(shí)漏極電流相應(yīng)增加。工作在開關(guān)

圖2-17電力MOSFET的輸出特性

回轉(zhuǎn)換。本身結(jié)構(gòu)所致，漏極和源極之關(guān)

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。

②動(dòng)態(tài)特性

(a)(b)

德6注2人孝教案用紙

圖2-18電力MOSFET的開關(guān)過程

a)測(cè)試電路b)開關(guān)過程波形

開通過程：關(guān)斷過程：

開通延遲時(shí)間tcl((m>關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)

電流上升時(shí)間tr電壓上升時(shí)間trv

電壓下降時(shí)間%電流下降時(shí)間tfl

=

開通D寸間t()n%關(guān)斷時(shí)間td(off)+tn+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R,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.電力MOSFET的主要參數(shù)

除跨導(dǎo)Gfs、UT、td<on?、％、t<]<off>、tf外，還有下列參數(shù)

①漏極電壓UDS、也是額定電壓參數(shù)。

②漏極直流電流I。和漏極脈沖電流幅值1叫，也是額定電流參數(shù)。

③柵源電壓UGS

④極間電容，MOSFET的三個(gè)電極之間分別存在極間電容CGS.、CGD、CDS

2.4.4絕緣柵雙極晶體管(IGBT)

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MOS

FET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)電路簡單。絕緣柵雙極晶體管(Insulated-gateBipolarTr-

ansistor,IGBT或IGT)綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的

特性。

b

德6注2人孝教案用紙

圖2-19IGBT的結(jié)構(gòu)、簡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）簡化等效電路c）電氣圖形符號(hào)

1.IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理

IGBT也是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。由N溝道V

DMOSFET與雙極型晶體管組合而成的IGBT比VDMOSFET多一層p+注入

區(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)的通流能力。簡化

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?個(gè)

由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。

2.IGBT的基本特性

⑴靜態(tài)特性

IGBT的轉(zhuǎn)移性

描述的是集電極電流/c與柵射電

壓UGE之間的關(guān)系。開啟電壓

是IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最

低柵射電壓，隨溫度升高而略有下降。

IGBT的輸出特性

描述的是以柵射電壓為參考變量時(shí)，

UCE<0時(shí)，

集電極電流Ic與集射極間電壓UCE之間

IGBT為反

的關(guān)系。分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、向阻斷工工

作狀態(tài)作狀

有源區(qū)和飽和區(qū)。當(dāng)Uc￡<0時(shí)，IGBT

態(tài)

為反向阻斷工作狀態(tài)。在電力電子電路

諭《注2人孝教案用紙

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)之間來回轉(zhuǎn)換。圖2-21IGBT的輸出特性

⑵動(dòng)態(tài)特性

開通過程：開通延遲時(shí)間tdlon)

電流上升時(shí)間tr

電壓下降時(shí)間琳

開通時(shí)間t??=td(on)+tr+tfi,%，分為tfri和抑2兩段。

關(guān)斷過程：關(guān)斷延遲時(shí)間如

電壓上升時(shí)間trv

電流下降時(shí)間tfl

IGBT的開

美斷時(shí)間=td((曲+trv+tfj十分為如和當(dāng)2兩段

關(guān)速度要

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MOSFETo低于電力

MOSFET

90%%EM

10%GEM

力

90%,CM

10%,CM-

0L

10%t7cEM

O

圖2-22IGBT的開關(guān)過程