工学电力电子开关器件PPT课件

1、1.1 电力电子开关器件概述电力电子开关器件的特点l传统电力电子开关器件半控型器件晶闸管及其派生器件。l 现代电力电子开关器件现代电力电子开关器件 高速、全控型器件。高速、全控型器件。采用分立式结构。采用分立式结构。器件为半控型。器件为半控型。采用移相控制技术。采用移相控制技术。电压、电流定额高。电压、电流定额高。全控化。全控化。集成化。集成化。高频化。高频化。多功能化。多功能化。主要特点：主要特点：第1页/共68页电力电子开关器件的种类l不控型器件没有控制端子的两端器件，即整流二极管，它具有不可控单向导电特性。l可控型器件有控制端子的三端器件。半控型器件：具有半控型器件：具有可控制可控制开通

2、，开通，不可控制不可控制关断的单向关断的单向导电开关特性。导电开关特性。目前常用的有：普通整流二极管、快恢复二极管和肖特基二极管。目前常用的有：普通晶闸管SCR及其派生的系列晶闸管器件。第2页/共68页全控型器件：具有全控型器件：具有可控制可控制开通，又开通，又可控制可控制关断的单向导电关断的单向导电开关特性。开关特性。典型产品有：GTR、GTO和SITH等。l双极型器件内部两种载流子（自由电子和空穴）都参与导电。l单极型器件内部只有一种载流子（多数载流子）参与导电。典型产品有：功率MOSFET和SIT。l混合型器件由双极型器件和单极型器件混合集成形成。典型产品有：IGBT、MCT、IGCT和

3、功率集成电路PIC。第3页/共68页电力电子开关器件的比较1. 装置容量及电压、电流定额变换器每个桥臂仅用一个器件时，装置容量与变换频率的关系曲线如图。第4页/共68页2. 功率损耗与工作频率双极型器件混合型器件单极型器件 低频下，双极型器件导通压降低，功率损耗较小；单极型器件通态电阻大，导通压降高，其功率损耗较大。 随频率升高，功率MOSFET功率损耗增加不大，开关损耗最小。 第5页/共68页3. 应用范围电力电子器件应用领域与设备容量、工作频率关系曲线如图。 第6页/共68页1.2 功率二极管 功率二极管是开通与关断均不可控的半导体开关器件，其电压、电流定额较大，也称为半导体电力二极管。

4、功率二极管的结构和工作原理l与普通二极管相比，工作原理和特性相似，具有单向导电性。 l在面积较大的PN结上加装引线以及封装形成，主要有螺栓式和平板式。 二极管正向偏置（阳极A接电源正极，阴极K接电源负极）处于正向导通状态； 二极管反向偏置（阳极A接电源负极，阴极K接电源正极）处于反向截止状态。二极管处于正向导通状态时，若外电路没有限流措施，会因电流过大而损坏二极管。第7页/共68页功率二极管的基本特征1. 静态特性静态特性指其指其伏安特性伏安特性正向导通反向截止反向击穿 正向压降正向压降UF：与与IF相对应的相对应的二极管两端的电压。二极管两端的电压。二极管外加反向电压时，反向漏电流很小且随反

5、向电压二极管外加反向电压时，反向漏电流很小且随反向电压增大变化不大。增大变化不大。门槛电压UTO： 正向电流IF开始明显增加所对应的电压。 当反向电压增大到某一数值后，反向电流突然急剧增大，称二极管反向击穿，对应的电压称UBR为反向击穿电压。反向击穿可分为雪崩击穿和齐纳击穿。第8页/共68页2. 动态特性动态特性功率二极管通态和断态之间转换过程的开关功率二极管通态和断态之间转换过程的开关 特性。特性。 二极管处于反向偏置状态突加正向电压时，也需要一定的时间，才会有正向电流流过，称为正向恢复时间。 反向恢复时间trr对二极管的工作频率有着决定性意义，它限制了功率二极管的开关速度。 二极管正向偏置

6、形成内部PN结的扩散电容。此时突加反向电压，二极管并不能立即关断。当结电容上的电荷复合掉以后，二极管才能恢复反向阻断能力，进入截止状态。 第9页/共68页功率二极管的主要参数1. 额定正向平均电流额定正向平均电流IF（AV）在规定的管壳温度和散热在规定的管壳温度和散热条件下，功率二极管长期运行时允许流过的最大条件下，功率二极管长期运行时允许流过的最大工频正工频正弦半波电流弦半波电流的的平均值平均值。 lIF是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按照实际电流波形与正向平均电流有效值相等的原则来选取二极管电流定额，并应留有一定的裕量。l当二极管流过其它波形的电流时，应按照有效值相等的原则来选取管子

7、的定额。fdIKI 设二极管流过任意波形电流的平均值为Id，定义电流有效值与平均值之比称为波形系数，用Kf表示：第10页/共68页例1.1 单相工频半波整流电路中，流过二极管的电流波形如图。试计算该电流的平均值和有效值。解： 电流平均值：01sin()2MFMIIItdt电流有效值：201(sin)()22MMIIItdt二极管电流有效值与平均值之比为：1.572FII额定正向平均电流为100A的二极管，工频半波下允许流过的电流有效值为157A。 第11页/共68页2. 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 功率二极管反向所能承受功率二极管反向所能承受的重复施加的最高峰值电压。的重复施加的

8、最高峰值电压。 使用时，应当留有2倍的裕量。3. 正向管压降正向管压降 UF 功率二极管在规定的壳温和正向电功率二极管在规定的壳温和正向电流下工作对应的正向导通压降。流下工作对应的正向导通压降。 使用时，选择UF较低的管子可以降低损耗。4. 最高允许结温最高允许结温 TjM结温（结温（Tj）是管芯）是管芯PN结的平均温结的平均温度，最高允许结温（度，最高允许结温（TjM）是）是PN结正常工作时所能承受结正常工作时所能承受的最高平均温度。的最高平均温度。 TjM一般在125175 C范围之内。 第12页/共68页功率二极管的主要类型1. 普通二极管普通二极管（General Purpose Di

9、ode，GPD） l正向电流定额和反向电压定额可以达到很高l又称整流二极管l多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路l其反向恢复时间较长5s2. 快恢复二极管快恢复二极管 （Fast Recovery Diode，FRD） 从性能上可分为快恢复和超快恢复两个等级。快恢复二极管关断时反恢复时间很短，一般在5s以下；超快恢复二极管开关速度更快，反恢复时间可低于50ns。 快恢复二极管的电压、电流定额最大值不如普通二极管，一般用于高频下的斩波器和逆变器。第13页/共68页3. 肖特基二极管肖特基二极管 （Schottky Barrier Diode，SBD） 由金属和N型半导体接触形成的势垒二极

10、管，也称为面垒二极管。 不存在扩散电容，反向恢复时间很短（10 40ns），正向压降较低。 漏电流较大，电压定额较低，温度特性较差。 低电压、低功耗、高频、低电流的开关电源输出整流电路和仪表设备中。 主要优点：缺点：主要用途：第14页/共68页1.3 晶闸管晶闸管的结构和工作原理 普通晶闸管也称做硅可控整流器（Silicon Controlled Rectifer，SCR）。它是一种半控型开关器件，工作频率较低，是目前电压、电流定额最大的电力电子开关器件。l3个极分别为阳极A、阴极K 和门极G。l 三端半导体器件。l外形上有螺栓式和平板式。l螺栓式通常螺栓是其阳极， 能与散热器紧密连接且安 装

11、方便。l平板式结构散热效果较好， 一般用于制造200A以上的 SCR。 第15页/共68页晶闸管的结构和工作原理l晶闸管的管芯结构是具 有三个 PN结的四层半 导体器件 l由P1、N1、P2、N2四层 半导体形成了三个PN结 J1、J2和J3。 当晶闸管阳极与阴极之间外加反向电压时，J1和J3结反偏，流过的漏电流同样很小，称为晶闸管反向阻断状态。 当晶闸管阳极与阴极之间外加正向电压时，J2结反偏，流过很小的漏电流，称为晶闸管正向阻断状态； 只在晶闸管阳极与阴极上加电压，以上两种接法下，晶闸管均处于阻断状态。 第16页/共68页4层PNPN结构的晶闸管可以看成PNP和NPN两只晶体管的互联结构，

12、等效电路如图。 按晶体管的工作原理 ，得：11cAII220cKCIIIKAGIII12AccIII 式中IA和IK分别是PNP管和NPN管的发射极电流；IC0为J2结的反向漏电流； 1 和 2 分别为两个晶体管的共基极电流放大系数： 11CAII22CKII可解得晶闸管阳极电流IA：02121()CGAIII晶闸管的阳极电流的大小与( 1+ 2)的数值有关。 第17页/共68页阻断状态：IG=0，( 1+ 2)很小，IAIC0，晶闸管处于正向阻断状态。开通状态：随IG增加，晶体管的发射极电流增大，以致( 1+ 2)趋近于1的话，阳极电流IA将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。

13、 导通后( 1+ 2) 1.15 ，即使去掉门极控制信号，晶闸管仍然保持原来的阳极电流继续导通，门极不再起控制作用。 晶闸管是一种只能控制导通而不能控制关断的半控型器件。 可见 关断晶闸管，必须使阳极电压减小或反向，阳极电流减小到维持电流以下， ( 1+ 2)迅速减小，晶闸管才能重新恢复阻断状态。 第18页/共68页晶闸管的基本特性1. 阳极伏安特性阳极伏安特性 阳极伏安特性是指晶闸管阳极电压与阳极电流之间的关系。 lIG=0时，器件两端施加正 向电压，只有很小的正向 漏电流，为正向阻断状态。l正向电压超过正向转折电压UBO，则漏电流急剧增大，器件开通。l随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降

14、低。正向特性正向特性反向特性反向特性l反向特性类似二极管的反向特性。l反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。l当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。第19页/共68页2. 门极伏安特性门极伏安特性l晶闸管门极伏安特性是指门极电压UGK与门极电流IG的关系 由门极触发电流IGT，门极触发电压UGT和坐标轴围成的区域称不可靠触发区。受门极正向峰值电流IFGM，门极正向峰值电压UFGM和门极最大耗散功率PGM限制，所包围的阴影部分是晶闸管门极触发电压、电流的正常工作区域。 l门极正向电压与电流主要表现为电阻特性l常用上述两种特性曲线所夹的区域来表示其门极伏安特性第20页/共68页

15、3. 开关特性开关特性开通过程开通过程延迟时间td上升时间tr 扩展时间ts开通过程可分为三个阶段： 晶闸管的开通时间为延迟时间和上升时间之和：ton=td+tr关断过程关断过程普通晶闸管的关断时间约几百微秒(限制了工作频率）关断过程可分为两个阶段：反向阻断恢复时间trr和正向阻断恢复时间tgr 关断时间toff为以上两者之和：toff=trr+tgr第21页/共68页晶闸管的主要参数1. 电压参数电压参数断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM在额定结温，门极开路时，在额定结温，门极开路时，重复施加在管子上的正向断态最大脉冲电压。重复施加在管子上的正向断态最大脉冲电压。 反向重复峰值电压反向

16、重复峰值电压URRM在额定结温，门极开路时，在额定结温，门极开路时，重复施加在管子上的反向最大脉冲电压。重复施加在管子上的反向最大脉冲电压。额定电压额定电压将将UDRM和和URRM电压中较小的一个数值取电压中较小的一个数值取整后作为该晶闸管的额定电压。应用时，额定电压应为整后作为该晶闸管的额定电压。应用时，额定电压应为正常工作峰值电压的正常工作峰值电压的2倍倍以上。以上。通态峰值电压通态峰值电压UTM在额定结温下，晶闸管通以两倍在额定结温下，晶闸管通以两倍或规定倍数的额定通态平均电流时，阳极与阴极间的瞬或规定倍数的额定通态平均电流时，阳极与阴极间的瞬态峰值电压，即管压降。态峰值电压，即管压降。

17、第22页/共68页2. 电流参数电流参数通态平均电流通态平均电流IT(AV)在环境温度为在环境温度为+40 C和规定的冷和规定的冷却条件下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的却条件下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最最大工频正弦半波电流的平均值大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。标称其额定电流的参数。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流维持电流IH能使晶闸管维持通态所必需的最小阳极能使晶闸管维持通态所必需的最小阳极电流。电流。 擎住电流擎住电流IL能保持晶闸管继续导通所需要的最小阳能保持晶闸管继续导通所需要的最小阳极电流。极电流。 它与结温有关，结温越高，维持

18、电流越小。 同一晶闸管IL是IH的2 4倍。 第23页/共68页例1.2 单相半控整流电路，晶闸管在图中的/2时刻开始导通，试计算该电流波形的平均值、有效值和波形系数。额定电流为100A的管子允许流过的平均值电流是多少？解： 电流平均值： 21sin()22MdMIIItdt电流有效值: 2221(sin)()24MMIIItdt波形系数: 22.222fdIKI 额定电流为100A的晶闸管，有效值电流为157A，允许流过的平均值电流: 1.57 10015770.7( )2.22dfIAK 即100A的晶闸管此时只能当70A使用。可见，晶闸管允许通过的电流与电流波形有关。第24页/共68页3

19、. 门极参数门极参数门极触发电流IGT 在规定的环境温度，阳极与阴极加一定正向电压（一般6V）的条件下，使晶闸管从阻断状态变为导通状态所需的最小门极直流电流。 门极触发电压UGT能够产生门极触发电流IGT所对应的最小门极直流电压。 门极反向峰值电压 URGM门极所能承受的反向最大电压，一般不超过10V。 4. 动态参数动态参数断态电压临界上升率 du/dt在额定结温和门极开路情况下，晶闸管保持阻断状态所能承受的最大电压上升率。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 通态电流临界上升率di/dt在正常工作条件下，晶闸管第25页/共68页用门极触发信号开通时，所能承受而不会引起

20、损坏的通态电流最大上升率。 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。1.4 门极可关断晶闸管 晶闸管派生器件，采用多元集成结构使工作频率大大提高，可以通过门极加正脉冲信号控制开通，也可以通过门极加负脉冲信号控制关断，属于全控型器件。门极可关断晶闸管的结构和工作原理l与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。l和普通晶闸管的不同点：GTO内部是由数百个共阳极的小GTO元并联而成，它们的门极和阴极分别并联在一起，属于多元集成器件。 第26页/共68页工作原理：lGTO导通过程与普通晶闸管一样，内部具有正反馈过程。导通后，即使去掉门极触发信号，管子仍能维持导

21、通状态。l GTO开通后可以通过门极加负脉冲实现关断，这和普通晶闸管有着本质的不同。 第27页/共68页门极可关断晶闸管的 基本特性1. 阳极伏安特性GTO阳极伏安特性其正反向基本特性与普通SCR一样。 2. 门极动态伏安特性 指GTO关断时门极电流、门极电压和阳极电流的关系。GTO门极加反向电压后：C点到D点是尾部时间，到达D点GTO完全关断。 先克服GK极结上正向压降（AB段），到达临界关断点B。从B点到C点是阳极电流下降时间。第28页/共68页3. 开关特性 指GTO在开通和关断过程中，电流、电压随时间变化的规律。 开通特性：与普通晶闸管一样： ton = td+ tr 关断特性：与普通

22、晶闸管有所不同，GTO通过在门极和 阴极加适当负脉冲电压，来关断导通着的GTO阳极电流。 第29页/共68页整个关断过程可分为三个时间段： 存储阶段ts 下降阶段tf尾部阶段tt GTO的关断时间toff是存储时间ts和下降时间tf之和，即： toff = ts+ tf 。关断时间一般高于开通时间，大约在几s到十几s。第30页/共68页门极可关断晶闸管的主要参数1. 最大可关断阳极电流 IATO 指GTO正常工作时，可以用门极负脉冲关断的额定电流。 2. 关断增益 off 最大可关断阳极电流IATO与门极负电流最大值IGM之比:ATOoffGMII off是表征GTO关断能力的参数，其值一般为

23、3 8。随温度升高，关断增益下降。这是GTO的一个主要缺点。 它受额定工作结温的限制，用通态平均电流来定义： 212()1ATOGMII3. 阳极尖峰电压 UP 在下降时间末尾出现的极值电压，随着阳极可关断电流增大而增大。UP过高会导致GTO失效。 第31页/共68页4. 阳极电压上升率 du/dt分静态和动态两种情况。静态du/dtGTO阻断时所能承受的最大电压上升率。 动态du/dtGTO在门极关断过程中阳极电压的上升率，也称重加du/dt 静态du/dt过高时，GTO中结电容流过较大的位移电流会使GTO误导通。 过高的动态du/dt会使瞬时关断功耗过大，可关断阳极电流下降，严重时造成GT

24、O过电压，导致器件损坏。 5. 阳极电流上升率 di/dtGTO开通过程中的电流上升速率。di/dt过大会导致开通瞬间GTO阴极区电流局部过大，开通损耗增加，局部发热高损坏器件。应用时可采用串联缓冲电路限制。 第32页/共68页1.5 电力晶体管电力晶体管的结构和工作原理电力晶体管（Giant Transistor，GTR）也称巨型晶体管。GTR的电流是由自由电子和空穴两种载流子运动形成，属于双极型晶体管。l由三层半导体材料构成，有NPN和PNP两种类型。l结构上可以看作是多个晶体管单元的并联 l主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。第33页/共68页 目前常用的电力晶体管常见的结构有单管、达

25、林顿管和GTR模块三个系列。1. 单管GTR 单管GTR常见的有NPN型三重扩散台面结构，这种结构可靠性高、能改善器件二次击穿特性、耐压高、热阻小。2. 达林顿GTR 单管GTR电流增益较低，一般10 20倍左右，使得驱动电路负担加重。 将两个或两个以上的晶体管复合在一起，类型等效有NPN型和PNP型，其类型一般由驱动管决定。 达林顿结构是提高电流增益的常用办法。 GTR必须有连续的基极驱动电流才能维持导通，基极电流消失，管子自动关断，属于电流控制型的全控型开关器件。 第34页/共68页3. GTR模块 GTR模块是将GTR管芯、稳定电阻、加速二极管和续流二极管等组装成一个单元，根据不同用途将

26、几个单元封装在一个外壳之内，引出电极构成。 GTR模块集成度较高，体积小，重量轻，性能/价格比大大提高。 常见的有：单管、双管、四管和六管模块，可以很方便地构成各种变换电路。 图是两个三级达林顿GTR构成的单臂桥式模块等效电路。第35页/共68页电力晶体管的基本特性1. 共发射极输入输出特性GTR的输入特性：表示GTR基射极间电压与流入基极电流的关系。 GTR的输出特性：表示在不同电流作用下，集电极电流与集射极间电压的关系。 GTR的工作状态可分为四个区域：截止区、放大区、准饱和区和深饱和区。 l截止区：GTR承受反压处于关断状态，集电极漏电流很小。 l放大区是GTR线性工作区，开关状态下的G

27、TR严禁工作于线性区。l准饱和区：是GTR临界饱和导通状态，此时 IBIC，饱和压降较高。l深饱和区：随基极电流IB增加，当 IB大于集电极工作电流时，GTO进入深饱和区。第36页/共68页2. 开关特性 GTR开通、关断过程中的瞬态特性 l基极电流和集电极电流之间存在开关延迟时间。 lGTR的工作过程可以分为开通过程、导通状态、关断过程和阻断状态4个阶段。 开通时间ton包括延迟时间td和上升时间tr ，即开通时间ton = td + tr 。 关断时间toff包括存储时间ts和下降时间tf，即关断时间toff = ts + tf 。 一般GTR的开通时间在纳秒数量级，关断时间的数值都在微秒

28、数量级（ ts大约为3 8s， tf约为1s）。 第37页/共68页电力晶体管的主要参数1. 静态参数共射极电流增益 共射接法下GTR集电极电流iC与基极电流iB的比值，用来表示GTR的电流放大能力。 单管GTR的值较小，达林顿结构较大。 饱和压降UCES GTR工作在深饱和区集电极与发射极间的导通电压。UCES直接关系到器件的功率损耗。 2. 极限参数 允许施加在GTR上的电压、电流、耗散功率和结温等参数的最大额定值。 第38页/共68页2. 极限参数（1）额定电压最高集电极电压额定值BUCEO集电极的击穿电压值。 击穿电压与器件本身和基极电路接法有关。各种基极接法下集电极电压间关系为： C

29、BOCEXCESCERCEOBUBUBUBUBU 实际使用时，最高工作电压要比BUCEO低得多，一般为（1/3 1/2） BUCEO 最高发射极电压额定值BUEBO 在集电极开路条件下，GTR发射结能够承受的最高反向偏置电压其值很小，一般只有几伏。（2）额定电流集电极电流最大额定值ICM 随集电极电流增加，GTR的值下降。当值下降到额定值1/2 1/3时，IC的值定为ICM 。 使用时，应留有裕量，实际工作电流约为ICM/2 。第39页/共68页基极电流最大额定值IBM 一般IBM(1/2-1/6) ICM，与ICM相比裕量较大。 （3）集电极最大允许耗散功率PCM PCM是GTR在最高允许结

30、温下的耗散功率，其大小等 于管子集电极工作电压和电流的乘积。（4）额定结温TjM一般由半导体材料、器件工艺和封装质量等因素决定。 二次击穿现象和安全工作区一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，IC迅速增大。l只要IC不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。1. 二次击穿现象第40页/共68页二次击穿：一次击穿发生时，IC突然急剧上升，电压陡然下降。l常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。（S/B） 二次击穿按晶体管基极射极偏置状态不同可以分成三类：正偏二次击穿、开路二次击穿和反偏二次击穿。 PS/B二次击穿功耗线 可以看出，在GTR由导通状态向截止状态转换时，发生二次击穿

31、的能量水平最低。 使用GTR时应特别注意在关断时对管子集电极上的du/dt限制。1. 二次击穿现象第41页/共68页2. 安全工作区（Safe Operating Area，SOA）lGTR运行中，受集电极电压BUCEO、集电极电流ICM、耗散功率PCM以及二次击穿功耗PS/B的限制。l SOA分为正向偏置安全工作区（FBSOA）和反向偏置安全工作区（RBSOA）。FBSOA是GTR发射结正偏下的SOA。l直流DC工作条件下安全区范围最小，脉冲工作方式下，随脉冲宽度减少安全区扩大。第42页/共68页l安全工作区与GTR工作环境温度和结温有关，随温度升高，安全区变小。RBSOA是GTR在反向偏置

32、下关断的瞬态过程l基极反向关断电流IRB越大安全区越小。1.6 电力场效应晶体管 电力场效应晶体管（MetalOxideSemiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）由金属、氧化物和半导体材料复合构成，是一种单极型电压控制器件，具有自关断能力。 主要优点：l输入阻抗高（108 1013），驱动功率小，驱动电路简单；l开关速度快，工作频率高，热稳定性好，没有二次击穿问题，安全工作区较宽。第43页/共68页功率MOSFET的结构和工作原理功率MOSFET主要解决使用中的高电压、大电流问题。l采用了垂直导电结构，增加了高电阻率的N-漂移区，提高了电流容量和

33、耐压容量；l采用双重扩散技术代替光刻技术，实现精确的短沟道制作，提高了沟道宽长比，大大降低了沟道电阻； l采用多元集成结构，将成千上万个MOSFET单元并联连接，降低了通态电阻，提高了工作频率，改善了器件性能。 这种垂直导电结构的场效应晶体管称为VMOSFET，根据结构形式的不同，可分为VVMOSFET和VDMOSFET两种基本类型。 根据导电沟道载流子性质可将MOSFET器件分为N沟道和P沟道两种类型。 第44页/共68页电力场效应晶体管的基本特征1. 静态特性输出特性指在以栅源电压UGS为参考变量时，反映漏极电压UDS和漏极电流IDS间的关系曲线 截止区：当N沟道增强型MOSFET栅极电压

34、UGS小于开启电压UT时。可变电阻区：当漏源极电压UDS较小时，对导电沟道影响不大，ID与UDS几乎呈线性关系。 第45页/共68页饱和区：当漏极附近出现夹断后（称预夹断），通过夹断区长度的调整，ID电流趋于稳定不变。 击穿区：漏源极电压UDS继续增大，漏极PN结发生雪崩击穿时，漏极电流ID突然增大。 功率MOSFET通常作为开关使用，工作在特性曲线的截止区和可变电阻区。转移特性表示功率MOSFET在电压UDS一定时，栅源电压UGS与漏极电流ID之间的关系。 转移特性反映栅极电压UGS对漏极电流ID的控制能力，用跨导gm来表示： mDGSgIU 开启电压UT ：又称阈值电压，转移特性与横轴的交

35、点。第46页/共68页开启电压与器件本身有关，并随结温升高而降低。 大电流下，漏极电流随结温升高而下降，器件电流具有负温度系数。 饱和特性 主要体现在通态电阻RON的变化上。一般器件的耐压越高，电流越大，通态电阻越大。提高栅源控制电压UGS，可以减小通态电阻。2. 动态特性指功率MOSFET的开关特性 功率MOSFET开通和关断时间受栅源电容CGS、栅漏电容CGD、信号源内阻、管子关断时的负偏压和开启电压UT的影响。 开通时间ton包括开通延迟时间td1和上升时间tr，即ton = td1+ tr 。第47页/共68页 关断时间toff包括开通延迟时间td2和上升时间tf，即toff = td

36、2+ tf。 功率MOSFET 开关速度高，开 关时间很短，一 般在纳秒数量 级。 第48页/共68页电力场效应晶体管的主要参数除通态电阻Ron、开启电压UT和跨导gm之外还有：1. 漏极击穿电压BUDS 功率MOSFET的最高工作电压，超过后，会引起漏极PN结的雪崩击穿。 2. 栅源击穿电压BUGS 由于功率MOSFET的栅极SiO2绝缘层很薄，栅极电阻极高，静电感应的电荷积累容易产生过高的栅极电压使SiO2绝缘层介电击穿。 一般栅源击穿电压极限值在20V。 3. 最大漏极电流IDM 指功率MOSFET的最大脉冲电流幅值。 第49页/共68页电力场效应晶体管的安全工作区1正向偏置安全工作区

37、栅极加正偏电压，管子导通时的安全工作范围。 l功率MOSFET无二次击穿问题，不受二次击穿功耗限制，安全区较宽。 l功率MOSFET的通态电阻较大，在低压下，受漏极电流和通态电阻的双重限制。 由最大漏源电压BUDS、最大漏极电流ID、漏源通态电阻Ron和最大漏极功耗PDM决定第50页/共68页3. 转换安全工作区 表示功率MOSFET内部寄生二极管在功率MOSFET开关过程中的安全工作范围。 l通常二极管反向电流越大，功率MOSFET换向越困难，安全区越小。l由二极管的反向恢复性能决定l用二极管换向时电流上升率di/dt，漏极正向电压UDS和二极管正向电流的最大值IFM来表示。2. 反向偏置安

38、全工作区 功率MOSFET关断时容许的工作范围。 由漏极最大峰值电流IDM、最小漏极击穿电压BUDS和最大结温TJM决定。 l在器件开通与关断时间均小于1s，结温小于150时，安全区最大。 第51页/共68页1.7 绝缘栅双极型晶体管 绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT或IGT） 由MOSFET和GTR复合而成的一种新型电力电子开关器件，的结构和工作原理l三端器件：栅极G、集电极C和发射极E。第52页/共68页lIGBT的开通和关断由栅极电压UGE和集射极电压UCE控制。控制方式与功率MOSFET相同。lIGBT处于反向阻断状态时，

39、其耐反压能力一般较差，只有几十伏。有些IGBT在集射极间扩散或寄生一只反并联二极管，形成逆导型器件。lIGBT按缓冲区的有无可分为对称型和非对称型。 对称型IGBT无缓冲区N+，也称非穿通型IGBT，具有正反向阻断能力，但其它性能不如非对称型IGBT。 非对称型IGBT有缓冲区N+，也称穿通型IGBT，其反向阻断能力弱，但正向导通压降低、关断时间短、关断时尾部电流小；IGBT存在如下缺点：关断时有电流拖尾现象、擎住效应 lIGBT相当于一个N沟道MOSFET驱动的厚基区PNP型GTR。lIGBT与功率MOSFET结构很相似，不同在于多了一个衬底P+区，形成PN结J1。 第53页/共68页的基本

40、特征1. 静态特性输出特性和转移特性 IGBT输出特性是指器件集射极电压UCE与集电极电流IC的关系，控制参数是门射极电压UGE。 IGBT转移特性反映集电极电流与栅极电压的关系。 l输出特性分为饱和区、放大区、截止区和击穿区四个区域。使用中，IGBT应工作在饱和区和截止区。l转移特性与功率MOSFET的转移特性相同。IGBT的开启电压UT一般2 6V，随温度升高而略有降低。第54页/共68页饱和电压特性 描述IGBT导通压降UCES随栅极电压UGE的变化关系，参考变量为集电极IC。 2. 动态特性开关特性 指管子开通和关断时的瞬态过程。 l管子工作时的集电极极电流、栅极电阻和结温对开关时间有

41、很大影响。lIGBT的开关时间很短，在微秒数量级。IGBT的开通过程： 与MOSFET的相似开通延迟时间td(on) 电流上升时间tr 开通时间ton第55页/共68页lUCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。 tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程； tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。IGBT的关断过程： 关断延迟时间td(off）电流下降时间关断时间toffl电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。 tfi1IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。 tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。第56页/共68页开

42、关损耗 随集电极电流和温度的增加，开关损耗增大。当器件工作频率升高时，开关损耗也要增大。IGBT的开关速度要低于电力MOSFET。的主要参数1. 最大集电极电压UCEM IGBT内部PNP三极管所承受的最高电压。2. 最大集电极电流ICM 集电极允许流过的最大电流。此定额与结温有关。3. 最大允许的耗散功率PCM 在额定结温下，管子长期运行时允许的最大功率。 第57页/共68页4. 栅极最大电压UGEM IGBT栅极所能承受的最大电压，一般在20V左右。5. 开关频率 IGBT开关频率最高可达40kHz，典型工作频率20kHz。 的安全工作区IGBT的正向偏置安全工作区（FBSOA） l当导通

43、时间很小时，FBSOA为一矩形。 l由最大集电极电流ICM、最大集电极电压UCEM和最大允许的耗散功率PCM确定。l直流工作时，安全区最小，随导通脉冲变窄，安全区加宽。IGBT的反向偏置安全工作区（RBSOA） lIGBT关断时的安全工作范围。 l由最大集电极电流ICM、最大集电极电压UCEM和最大允许的du/dt决定。 第58页/共68页ldu/dt越小，安全区越宽。 1.8 其他新型电力电子开关器件静电感应晶体管SIT（功率结型场效应晶体管） 单极型器件，多数载流子参与导电，有着输入阻抗高、输出功率大、线性度好、工作频率高、热稳定性好、抗辐射能力强等众多优点。 第59页/共68页l一个SI

44、T由几千或几万个单元胞并联而成 。lSIT采用垂直导电单元胞结构lSIT属于常开型器件，当栅源极短路时，器件处于导通状态。 栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，使用不太方便。通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。应用领域：在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等。第60页/共68页静电感应晶闸管SITH（场控晶闸管） SITH是利用电场效应控制半导体导电能力，进而控制输出电流的功率半导体器件。 SITH单元胞结构是在SIT结构上增加了一个P+层形成。lSITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。l其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。lSITH有常开型和常断型，导电沟道有N沟道和P沟道。第61页/共68页控制晶闸管MCTMOS控制晶闸管(MOS Controlled Thyristor，MCT)，是一种新型的MOS/双极型复合器件。 lN沟道MOSFET用来控制SCR的关断，称为OFF-FET。 lP沟道MOSFET用来控制