全控器件和其他新型器件

1、好学力行河南理工大学明德任责电力电子技术电力电子技术河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院朱艺锋朱艺锋Email:Email:Power Electronics Technology好学力行河南理工大学明德任责第一章第一章 电力电子器件电力电子器件好学力行河南理工大学明德任责 内容提要内容提要v1.1 电力二极管（电力二极管（POWER DIODE）v1.2 晶闸管（晶闸管（THYRISTOR）v1.3 全控型电力电子器件全控型电力电子器件v1.4 其他类型电力电子器件其他类型电力电子器件好学力行河南理工大学明德任责1.3 典型全控型器件典型全控型器件第一章第一章 电力电子器件电力电子器件好

2、学力行河南理工大学明德任责常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件电力电力MOSFETIGBT单管及模块单管及模块1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件好学力行河南理工大学明德任责1.3.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管(GTO)(GTO)晶闸管的一种派生器件晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTOGTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（Gate-Tu

3、rn-Off Thyristor ）1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件好学力行河南理工大学明德任责结构结构：与普通晶闸管的与普通晶闸管的相同点相同点： PNPN四层半导体结构四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的和普通晶闸管的不同点不同点：GTO是一种是一种多多GTO元并元并联的功率集成器件联的功率集成器件。1. GTO的结构和工作原理的结构和工作原理1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件1.3.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管(GTO)(GTO) 工作原理工作原理：与普通晶闸管一样，可以用双晶体管与普通晶闸管一样，可以用双晶体

4、管 模型来分析。模型来分析。 好学力行河南理工大学明德任责RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 1+ 2=1是器件临界导通的条件。是器件临界导通的条件。由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1 1和2 2 。1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件1.3.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管(GTO)(GTO)好学力行河南理工大学明德任责1.3.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO能够通过门极关断的原因：能够通过门极关断的原因：设计设计 2较大，使

5、晶体管较大，使晶体管V2控控 制灵敏制灵敏，易于关断。，易于关断。导通时导通时 1+ 2更接近更接近1，导，导通时接近临界饱和，有利门通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但极控制关断，但导通时管压导通时管压降增大。降增大。 多元集成结构多元集成结构，使得，使得P2基区基区横向电阻很小，横向电阻很小，能从门极抽能从门极抽出较大电流。出较大电流。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件 1+ 2 1时关断时关断关断正反馈关断正反馈好学力行河南理工大学明德任责开通过程开通过程：与普通晶闸管与普通晶闸管相同；相同；ton=td+t

6、r关断过程关断过程：不同于晶闸管：不同于晶闸管 储存时间储存时间ts，抽少子使等，抽少子使等效晶体管退出饱和。效晶体管退出饱和。 下降时间下降时间tf ：由饱和转至：由饱和转至放大区；放大区； 尾部时间尾部时间tt 残存载流子残存载流子复合。复合。toff=ts+tfOt0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 图图 GTO的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形2. GTO的动态特性的动态特性1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件1.3.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管好学力行河南理工大学明德任责1.3.1 门极可关断晶闸管门极可

7、关断晶闸管3. GTO的主要参数的主要参数 （2）关断时间关断时间toff在几十在几十us. （1）开通时间开通时间ton，在几个，在几个us. 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。以下只介绍意义不同的参数。1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件（3）最大可关断阳极电流）最大可关断阳极电流IATO额定电流额定电流不少不少GTO都制造成逆导型都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管类似于逆导晶闸管，需承受反压时需承受反压时，应和电力二极管串联应和电力二极管串联 。逆导型逆导型好学力行河南理工大学明德任责1.3.1 门极可关断晶闸

8、管门极可关断晶闸管1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件（4） 电流关断增益电流关断增益 off off一般很小，只有一般很小，只有5左右，这是左右，这是GTO的一个主要缺点。的一个主要缺点。1000A的的GTO关断时门关断时门极负脉冲电流峰值要极负脉冲电流峰值要200A 。 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值流最大值IGM之比称为电流关断增益。之比称为电流关断增益。GMATOoffII好学力行河南理工大学明德任责1.3.2 电力晶体管（电力晶体管（GTRGTR）电力晶体管电力晶体管: （Giant Transistor巨型晶体管）巨型晶体管） 耐高

9、电压、大电流的双极结型晶体管。耐高电压、大电流的双极结型晶体管。应用应用20世纪世纪80年代以来，在中、小功率范围内取年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力和电力MOSFET取代。取代。因此不作为重点，只了解基本概念和思想。因此不作为重点，只了解基本概念和思想。1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件好学力行河南理工大学明德任责与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的，多采用与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的，多采用NPN。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。达林顿接法，采用集成电路工艺将许多这

10、种单元并联而成达林顿接法，采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。比普通三极管增加了一个低掺杂比普通三极管增加了一个低掺杂N区，提高耐压能力。区，提高耐压能力。1.3.2 电力晶体管电力晶体管1. GTR的结构和工作原理的结构和工作原理1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件存在电导调制存在电导调制效应，从而流效应，从而流过大电流时通过大电流时通态压降也比较态压降也比较小，从而具有小，从而具有强的流通电流强的流通电流的能力。的能力。好学力行河南理工大学明德任责1.3.2 电力晶体管电力晶体管 (1) 静态特性静态特性共发射极接法时的典型输共发射极接法时的典型输出特性：出特性：截止区截止区

11、、放大区放大区和和饱和区饱和区。在电力电子电路中在电力电子电路中GTR工工作在开关状态。作在开关状态。在开关过程中，即在截止在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。要经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib220V将导致绝缘层击穿将导致绝缘层击穿 。 除跨导除跨导Gfs、开启电压、开启电压UT以及以及td(on)、tr、td(off)和和tf之外还有：之外还有： (4) 极间电容极间电容极间电容极间电容CGS、CGD和和CDS1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件(5) 通态电阻通态电阻Ron 越小越好，反映损耗。越小越好，

12、反映损耗。1.3.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管好学力行河南理工大学明德任责1.3.4 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBTIGBT）绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor）GTR和和MOSFET复合复合，结合二者的优点。结合二者的优点。Bi-MOS器件器件1986年投入市场，是中高功率电力电子设备的主导器件年投入市场，是中高功率电力电子设备的主导器件仍在提高电压和电流容量。仍在提高电压和电流容量。 GTR和和GTO的特点的特点双极型，电流驱动，有电导双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱

13、动功调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。率大，驱动电路复杂。 MOSFET的优点的优点单极型，电压驱动，开关速度单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。动电路简单。1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件好学力行河南理工大学明德任责1. IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理三端器件：栅极三端器件：栅极G、集电极、集电极C和发射极和发射极E图图1-19 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图内部结构断面

14、示意图 b) 简化等效电路简化等效电路 c) 电气图形符号电气图形符号EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)E E1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件1.3.4 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBTIGBT）好学力行河南理工大学明德任责N沟道沟道MOSFET与与GTR组合组合N沟道沟道IGBT。IGBT比比VDMOSFET多一层多一层P+注入区，从而具有电导调注入区，从而具有电导调制效应，具有很强的通流能力。制效应，具有很强的通流能力。简化等效电路表明，简化等效电路表明

15、，IGBT是是GTR与与MOSFET组成的达林组成的达林顿结构，一个由顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区驱动的厚基区PNP晶体管。晶体管。RN为晶体管基区内的调制电阻。为晶体管基区内的调制电阻。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件1.3.4 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBTIGBT）E好学力行河南理工大学明德任责 驱动原理与电力驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅基本相同，场控器件，通断由栅射极电压射极电压

16、uGE决定。决定。导通导通：uGE大于开启电压大于开启电压UGE(th)时，时，MOSFET内形成沟道，内形成沟道，为晶体管提供基极电流，为晶体管提供基极电流，IGBT导通导通(电压电压驱动功率小驱动功率小)。通态压降通态压降：电导调制效应使电阻电导调制效应使电阻RN减小，减小，通态压降减小通态压降减小。关断关断：栅射极间施加反压或不加信号时，栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。关断。 IGBT的原理的原理1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件1.3.4 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（I

17、GBTIGBT）好学力行河南理工大学明德任责a)b)O有源区有源区正向阻断区正向阻断区饱饱和和区区反向阻断区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加增加2. IGBT的基本特性的基本特性 (1) IGBT的静态特性的静态特性图图1-20 IGBT的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性a) 转移特性转移特性 b) 输出特性输出特性1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件1.3.4 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBTIGBT）与与MOS管的异同点。管的异同点。好学力行河南理工大学明德任责ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEU

18、GEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM图图1-21 IGBT的开关过程的开关过程IGBT的开通过程的开通过程 开通延迟时间开通延迟时间td(on) 电流上升时间电流上升时间tr 开通时间开通时间tonuCE的下降过程分为的下降过程分为tfv1和和tfv2两段。两段。 tfv1IGBT中中MOS单独单独工作的电压下降过程；工作的电压下降过程； (2) IGBTIGBT的动态特性的动态特性1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件tfv2MOSFET和和PNP晶体管晶体管同时工作的电压下降过程

19、。同时工作的电压下降过程。uGE在密勒平台区快速减小在密勒平台区快速减小好学力行河南理工大学明德任责1.3.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管图图1-21 IGBT的开关过程的开关过程关断延迟时间关断延迟时间td(off）电流下降时间电流下降时间 关断时间关断时间toff电流下降时间又可分为电流下降时间又可分为tfi1和和tfi2两段。两段。tfi1IGBT器件内部的器件内部的MOSFET的关断过程，的关断过程，iC下降较快。下降较快。tfi2IGBT内部的内部的PNP晶体管的关断过程，晶体管的关断过程，iC下下降较慢降较慢。拖尾电流。拖尾电流。 IGBT的关断过程的关断过程ttt10%90

20、%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件uGE在密勒平台区快速增加在密勒平台区快速增加好学力行河南理工大学明德任责3) IGBT的主要参数的主要参数正常工作温度下允许的最大功耗正常工作温度下允许的最大功耗 。(3) 最大集电极功耗最大集电极功耗 PCM包括额定直流电流包括额定直流电流IC和和1ms脉宽最大电流脉宽最大电流ICP 。 (2) 最大集电极电流最大集电极电流 ICM由内部由内部PNP晶体管的击穿电压确定

21、。晶体管的击穿电压确定。(1) 最大集射极间电压最大集射极间电压 UCES1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件(4) 最大栅极电压最大栅极电压UGS UGS 20V将导致绝缘层击穿将导致绝缘层击穿 。 1.3.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管好学力行河南理工大学明德任责IGBT的特性和参数特点可以总结如下的特性和参数特点可以总结如下：开关速度高，开关损耗小。开关速度高，开关损耗小。 相同电压和电流定额时，安全工作区比相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且大，且 具有耐脉冲电流冲击能力。具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比通态压降比VDMOSFET低。低。输入阻抗高，输入特性与

22、输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。类似。与与MOSFET和和GTR相比，耐压和通流能力还可以进相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点一步提高，同时保持开关频率高的特点 。 IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件成为逆导器件 。 1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件1.3.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管好学力行河南理工大学明德任责1. 4 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件第一章第一章 电力电子器件电力电子器件好学力行河南理工大学明德任责1.4.1 MOS控制晶闸管控制晶闸

23、管MCTMCT结合了二者的优点：结合了二者的优点：承受极高承受极高di/dt和和du/dt，快速的开关过程，开关损耗快速的开关过程，开关损耗小。小。高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。其关键技术问题没有大的突破，亦未能投入实际应用。其关键技术问题没有大的突破，亦未能投入实际应用。MCT（MOS Controlled Thyristor） MOSFET与晶闸管的复合1.4 1.4 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件好学力行河南理工大学明德任责1.4.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SITSIT多子导电的器件，工作频率与电力多子导电的器件，工作频率

24、与电力MOSFET相当，甚相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合高频大功率场合。在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。频感应加热等领域获得应用。缺点缺点：栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通正常导通型型器件，使用不太方便。器件，使用不太方便。通态电阻较大，通态电阻较大，通态损耗也大通态损耗也大，因而还未在大多数电力因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。电子设备中得到广泛应用。SIT（Static Induc

25、tion Transistor）结型感结型感应晶体管应晶体管,本质上也还是本质上也还是MOS管。管。1.4 1.4 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件好学力行河南理工大学明德任责1.4.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITH可看作是可看作是SIT和和GTO的复合，工作原理和的复合，工作原理和SIT类似。类似。SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效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。应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与其很多特性与GTO类似，但开关速度比类似，但开关速度比GTO高得多，是高得多，是大容量的快速器件大容量的快速器

26、件。 SITH一般也是正常导通型。此外，一般也是正常导通型。此外，电流关断增益较小，电流关断增益较小，且工艺复杂，且工艺复杂，因而其应用范围还有待拓展。因而其应用范围还有待拓展。SITH（Static Induction Thyristor）场控晶场控晶闸管（闸管（Field Controlled ThyristorFCT）1.4 1.4 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件好学力行河南理工大学明德任责1.4.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCT20世纪世纪90年代后期出现，容量与年代后期出现，容量与GTO相当，开关速相当，开关速度快度快10倍，功耗也大为降低。倍，功耗

27、也大为降低。可省去可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。目前正在与目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取等新型器件激烈竞争，试图最终取代代GTO在大功率场合的位置。在大功率场合的位置。IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）1.4 1.4 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 新半导体材料做成的器件：具有更好的性能。重点是新半导体材料做成的器件：具有更好的性能。重点是SiC，目前已有，目前已有SiC肖特基二极管产品。肖特基二极管产品。好学力行河南理工大学明德任责1.5 功率集成电路与集成电力电子

28、模块功率集成电路与集成电力电子模块20世纪世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为封装在一个模块中，称为功率模块功率模块。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。化对保护和缓冲电路的要求。将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路功率集成电路（Pow

29、er Integrated CircuitPIC）。）。基本概念基本概念第一章第一章 电力电子器件电力电子器件好学力行河南理工大学明德任责第一章第一章 电力电子器件电力电子器件智能功率模块智能功率模块好学力行河南理工大学明德任责不可控器件不可控器件( (Power Diode) ) 不能用控制信号来控制其通断不能用控制信号来控制其通断, , 因此也就不因此也就不需要驱动电路（如大功率二极管）。需要驱动电路（如大功率二极管）。半控型器件（半控型器件（Thyristor） 通过控制信号可以控制其导通而不能控制通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。（晶闸管及其派生器件，其关断。（晶闸管及其派生

30、器件，GTOGTO除外）除外）全控型器件（全控型器件（IGBT,MOSFET) ) 通过控制信号既可控制其导通又可控制其关通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。（其他器件，如断，又称自关断器件。（其他器件，如IGBTIGBT等）等）1.6 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：第一章第一章 电力电子器件电力电子器件好学力行河南理工大学明德任责脉冲触发型脉冲触发型 通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。实现器件的开通或者关断

31、的控制。(半控器件半控器件)电平控制型电平控制型 必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态或平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。者关断并维持在阻断状态。按照驱动信号的波形分类（电力二极管除外）按照驱动信号的波形分类（电力二极管除外）第一章第一章 电力电子器件电力电子器件好学力行河南理工大学明德任责v按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况可分为三类：的情况可分为三类： 1) 单极型器件单极型器件 2) 双极型器件双极型器件3) 复合型器件复合型器件由一种载流子参与导电的器件；（由一种载流子参与导电的器件；（电力电力MOSFET和和SIT） 由电子和空穴两种载流子参与导电的器件（由电子和空穴两种载流子参与导电的器件（电力二极电力二极 管、晶闸管、管、晶闸管、GTO、GTR和和SITH）由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件（ IGBT