第2章电力电子器件

1、电力电子器件电力电子器件2.1 电力电子器件概述2.2 不可控器件电力二极管2.3 半控型器件晶闸管2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件 本章小结 第2章 电子技术的基础电子技术的基础 介绍各种常用电力电子器件的工作原理工作原理、基本基本特性特性、主要参数主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题 简要概述电力电子器件的概念概念、特点特点和分类分类等问题本章主要内容本章主要内容： 电力电子器件电力电子器件 电力电子电路的基础电力电子电路的基础电子器件：晶体管和集成电路电子器件：晶体管和集成电路 引言引言电力电子器件电力电子器件第1章电力电子器件的概述电力电子器件的概述2.1.1

2、电力电子器件的概念和特征2.2.2 应用电力电子器件的系统组成2.2.3 电力电子器件的分类 2.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 电力电子电路的基础电力电子电路的基础 电力电子器件电力电子器件概念概念: 电力电子器件电力电子器件（power electronic device）可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件1. 主电路（主电路（main power circuit）电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路2.1.12. 同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征一般特征： 能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重

3、要的参数。 电力电子器件一般都工作在开关状态。 实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征2.1.1主主要要损损耗耗通态损耗：通态损耗：断态损耗：断态损耗：开关损耗：开关损耗：开通损耗：开通损耗：在器件开通的转换过程中产生的损耗关断损耗：关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损耗电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征2.1.1导通时器件上有一定的通态压降阻断时器件上有微小的断态漏电流流过通态损耗通态损耗是电力电子器

4、件功率损耗的主要成因。是电力电子器件功率损耗的主要成因。当器件的开关频率较高时，当器件的开关频率较高时，开关损耗开关损耗会随之增会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。大而可能成为器件功率损耗的主要因素。 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成电力电子系统电力电子系统：由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成2.2.2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电路信号所控制的程度，按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下分为以下三类三类：半控型器件半控型器件2.2.3绝缘栅双极

5、晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）不可控器件不可控器件电力二极管（Power Diode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电 流决定的。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。晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定全控型器件全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号按照驱动电路加在器件

6、控制端和公共端之间信号的性质，分为的性质，分为两类两类： 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为情况分为三类三类： 1) 电流驱动型电流驱动型 1) 单极型器件单极型器件电力电子器件的分类电力电子器件的分类2.2.32) 电压驱动型电压驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制 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电子和空穴两种载流子参与导电的器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件 不可控器件不可控器件电

7、力二极管电力二极管2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数 2.2.4 电力二极管的主要类型2.211/892.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管电力二极管（电力二极管（Power Diode）自）自20世纪世纪50年代初期就获得年代初期就获得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。极管仍然大量应用于许多电气设备当中。在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是

8、开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基二极管，具有不可替代的地位。二极管，具有不可替代的地位。 整流二极管及模块整流二极管及模块PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样 以半导体PN结为基础AKAKa)IKAPNJb)c)图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号2.2.113/892.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理二极管的基本原理二极管的基本原理PN结的结的单向导电性单向导电性 当当PN结外加正向电压（正

9、向偏置）时，在外电路上则结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自形成自P区流入而从区流入而从N区流出的电流，称为区流出的电流，称为正向电流正向电流IF，这就是这就是PN结的正向导通状态。结的正向导通状态。 当当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为结表现为高阻态高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。止状态。 PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截结反向偏

10、置为截止的工作状态，这就叫止的工作状态，这就叫反向击穿反向击穿。 反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。结仍可恢复原来的状态。 否则否则PN结因过热而烧毁，这就是结因过热而烧毁，这就是热击穿热击穿。 造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管管区别区别的一些因素：的一些因素： 为了提高反向耐压，加入低掺杂N区。 低掺杂N区的高电阻率对电力二极管的正向导通不利，通过电导调制效应。PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 2.2.1电力二极管的基本特性

11、电力二极管的基本特性1. 静态特性静态特性主要指其伏安特性伏安特性 IOIFUTOUFU图1-4 电力二极管的伏安特性2.2.2 当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。2. 动态特性动态特性电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性2.2.2关断过程关断过程：须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。 在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。开通过程开通过程：

12、电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。 延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt 图1-5 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性2.2.2电力二极管的主

13、要参数电力二极管的主要参数1. 正向平均电流正向平均电流IF(A V) 额定电流额定电流在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。2.2.32. 正向压降正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降3. 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压通常是其雪崩击穿电压UB

14、的2/3使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2.2.34. 最高工作结温最高工作结温TJM结温结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。最高工作结温最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125175C范围之内。5. 反向恢复时间反向恢复时间trrtrr= td+ tf ，关断过程中，电流降到零起到恢复反响阻断能力止的时间。6. 浪涌电流浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2.2.3电力二极管的主要类型电

15、力二极管的主要类型1. 普通二极管普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中其反向恢复时间较长，一般在5 s以上，这在开关频率不高时并不重要。2.2.4恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5 s以下）的二极管，也简称快速二极管工艺上多采用了掺金措施有的采用PN结型结构有的采用改进的PiN结构 2. 快恢复二极管快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）3. 肖特基二极管肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Bar

16、rier DiodeSBD），简称为肖特基二极管 20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用肖特基二极管的肖特基二极管的弱点 当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下 反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度肖特基二极管的肖特基二极管的优点 反向恢复时间很短（1040ns） 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲 在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管 其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型2.2.4半控器件半控器件晶闸管晶

17、闸管 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件2.324/892.3 2.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管晶闸管（晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被简称为可控硅。），以前被简称为可控硅。 1956年美国贝尔实验室（年美国贝尔实验室（Bell Laboratories）发明了晶闸管，到）发明了晶闸管，

18、到1957年美国通用电气公司（年美国通用电气公司（General Electric）开发出了世界上第一只）开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于晶闸管产品，并于1958年使其商业化。年使其商业化。由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。位。晶闸管及模块晶闸管及模块晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 外形有螺栓型和平板型两种封装 引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端 对于螺栓型封装，通

19、常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号2.3.1 Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1） Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2） IK=IA+IG （1-3） IA=Ic1+Ic2 （1-4） 式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式（1-1）（1-4）可得 （1-5）RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2I

20、c1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理)(121CBO2CBO1G2AIIII晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理2.3.1 晶体管的特性是：晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。 阻断状态：阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。 开通（门极触发）：开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。晶

21、闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理2.3.1晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 1. 静态特性静态特性 总结前面介绍的工作原理，可以简单归纳晶闸管正常工作时的特性如下： 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。uAK0且uGK0 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。1) 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。2.3.21) 正向特性 IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。 随着门极

22、电流幅值的增大，正向转折电压降低。 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。 晶闸管本身的压降很小，在1V左右。 导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。 IH称为维持电流。晶闸管的伏安特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2.3.22) 反向特性 晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。 晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。 当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧

23、增加，导致晶闸管发热损坏。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管的伏安特性晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2.3.22. 动态特性动态特性( 略略)100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2.3.21. 电压定额电压定额晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 2.3.3 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的 正向峰值电压。通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压额定电压。选用时，额定电压要留有一定

24、裕量裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。晶闸管通以某一规定倍 数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。1) 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM2) 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM3) 通态（峰值）电压通态（峰值）电压UTM2. 电流定额电流定额晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 2.3.3 晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电最大工频正弦半波电流的平均值流的平均值。标称其额定电流的参数。使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几

25、百毫安，与结温有关。结温越高，则IH越小。晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需的最小电流对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 。 4) 浪涌电流浪涌电流ITSM 3) 擎住电流擎住电流 IL 2) 维持电流维持电流 IH 使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原有效值相等的原则则来选取晶闸管。应留一定的裕量，一般取1.52倍。 1) 通态平均电流通态平均电流 IT(AV) 2. 电流定额电流定额晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 2.3.3 典型全控型器件典型全控型器件 2.4.1 门极可关断

26、晶闸管门极可关断晶闸管 2.4.2 电力晶体管电力晶体管 2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2.4门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代。典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。典型全控型器件典型全控型器件2.4门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门 极 可 关 断 晶 闸 管 （ G a t e - Tu r n - O ff Thyristor

27、 GTO） 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 GTO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2.4.11. GTO1. GTO的结构和工作原理的结构和工作原理结构：结构： 与普通晶闸管的相同点相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。 和普通晶闸管的不同点不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、

28、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管2.4.1 工作原理：工作原理： 与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图1-7 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。当1+21时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当1+21时，不能维持饱和导通而关断。 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和2。门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管2.4.1 GTO能够通

29、过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别区别：门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管2.4.1 （1）设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于GTO关断。 （ 2 ） 导 通 时1+2更 接 近 1（1.05，普通晶闸管1+22.15）导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。 （3）多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流 。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)图1-7 晶闸管的工作原理 由上述分析我们可以得到以下结论结论： GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较

30、浅。 GTO关断过程：强烈正反馈门极加负脉冲即从门极抽出电流，则Ib2减小，使IK和Ic2减小，Ic2的减小又使 IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流。当IA和IK的减小使1+21时，器件退出饱和而关断。 多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强 。门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管2.4.12. GTO的动态特性的动态特性开通过程：开通过程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间tr。Ot0t图1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 图1-14 GTO的开通和关断过程电流波形门极可关断晶闸管门极可关断晶

31、闸管2.4.1 关断过程：关断过程：与普通晶闸管有所不同 抽取饱和导通时储存的大量载流子储存时间储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。 等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小下降时间下降时间tf 。 残存载流子复合尾部时间尾部时间tt 。 通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。 门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡，抽走储存载流子的速度越快，ts越短。 门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍保持适当负电压，则可缩短尾部时间 。Ot0t图1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 GTO的开通和关断过程电流波形门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管2.

32、4.13. 3. GTO的主要参数的主要参数门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管2.4.1 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s。 关断时间关断时间toff 开通时间开通时间ton 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联 。 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。最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管2.4.1 电流关断增益电流关断增益 o

33、ffGMATOoffII（1-8） off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 GTO额定电流。 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。术语用法：术语用法： 电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管） 耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT。 在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。 应用应用 20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IG

34、BT和电力MOSFET取代。电力晶体管电力晶体管2.4.21. GTR的结构和工作原理的结构和工作原理图1-15a)基极bP基区N漂移区N+衬底基极b 发射极c集电极cP+P+N+b)bec空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ib图1-15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动电力晶体管电力晶体管2.4.2与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。 在应用中，GTR一般采用共

35、发射极接法。 集电极电流ic与基极电流ib之比为 （1-9） GTR的电流放大系数电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力 当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为 ic= ib +Iceo （1-10） 产品说明书中通常给直流电流增益hFE在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比。一般可认为 hFE 。 单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。bcii电力晶体管电力晶体管2.4.22. GTR的基本特性的基本特性 (1) 静态特性静态特性 共发射极接法时的典型输出特性：截止区截止区、放放大区大区和饱和区饱和区。

36、 在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区 在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区截止区放大区饱和区图1-16OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。电力晶体管电力晶体管2.4.2 2) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。 3) 集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间

37、接表示了最高工作温度 。电力晶体管电力晶体管2.4.24. GTR的二次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区一次击穿一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿。 只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。 二次击穿二次击穿 一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。 常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。电力晶体管电力晶体管2.4.2安全工作区（安全工作区（Safe Operating AreaSOA） 最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。SOAOIcIcMP

38、SBPcMUceUceM图1-18 GTR的安全工作区电力晶体管电力晶体管2.4.2 也分为结型结型和绝缘栅型绝缘栅型（类似小功率Field Effect TransistorFET） 但通常主要指绝缘栅型绝缘栅型中的MOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET） 简称电力MOSFET（Power MOSFET） 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT）电力场效应晶体管电力场效应晶体管 特点特点用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小。 开关速度快，工作频率高。 热稳定性优于GTR。 电

39、流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 。2.4.31. 电力电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理 电力电力MOSFET的种类的种类 按导电沟道可分为P沟道沟道和N沟道沟道 耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道 增强型增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道 电力MOSFET主要是N沟道增强型沟道增强型电力场效应晶体管电力场效应晶体管2.4.3 电力电力MOSFET的结构的结构电力场效应晶体管电力场效应晶体管2.4.3导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有

40、较大区别。电力MOSFET的多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。 国际整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六边形单元 西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元 摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列 N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号小功率MOS管是横向导电器件电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能

41、力。按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论电力场效应晶体管电力场效应晶体管2.4.3 电力电力MOSFET的工作原理的工作原理 截止截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。 P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。 导电导电：在栅源极间加正电压UGS 栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面。 当UGS大于

42、UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号电力场效应晶体管电力场效应晶体管2.4.31) 静态特性静态特性漏极电流ID和栅源间电压 UG S的 关 系 称 为MOSFET的转移特性转移特性。ID较大时，ID与与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导跨导Gfs。01020305040图1-202468a)10203050400b)102030

43、5040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图1-20 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性2. 电力电力MOSFET的基本特性的基本特性电力场效应晶体管电力场效应晶体管2.4.3 MOSFET的漏极伏安特性的漏极伏安特性： 截止区截止区（对应于GTR的截止区） 饱和区饱和区（对应于GTR的放大区） 非饱和区非饱和区（对应于GTR的饱和区） 电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。 电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向

44、电压时器件导通。 电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。01020305040图1-202468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性电力场效应晶体管电力场效应晶体管2.4.32) 动态特性动态特性 开通过程开通过程开通延迟时间开通延迟时间td(on) up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段。上升时间上升时间tr uGS从从uT上升

45、到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段。 iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。 UGSP的大小和iD的稳态值有关 UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。开通时间开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和。a）b)图1-21RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图1-21 电力MOSFET的开关过程a) 测试电路 b) 开关过程波形up脉冲信号源，Rs信号源内阻，RG栅极电阻，RL负载电阻，RF检测漏极电流电力场效应晶体管电力场效应晶体管2.4.3 关断过程关断过程关

46、断延迟时间关断延迟时间td(off) up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小止的时间段。下降时间下降时间tf uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS20V将导致绝缘层击穿 。 除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有： 4) 极间电容极间电容 极间电容CGS、CGD和CDS 厂家提供：漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容CrssCiss= CGS+ CGD （1-14）Crss= CGD （1-15）Coss= CDS+ CGD （1-16） 输入电容可近似用Ciss

47、代替。 这些电容都是非线性的。 漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区。 一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点。 实际使用中仍应注意留适当的裕量。电力场效应晶体管电力场效应晶体管2.4.3绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 GTR和GTO的特点双极型，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 动功率大，驱动电路复杂。 MOSFET的优点单极型，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动电路简单。 两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件 绝缘栅双极晶体管（Insulated-

48、gate Bipolar Transistor IGBT或IGT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性。 1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件。 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。2.4.41. IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极EEGCN+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)图1-22 IGBT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 b) 简化

49、等效电路 c) 电气图形符号绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2.4.4 IGBT的结构的结构 图1-22aN沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT（N-IGBT） IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1。使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。 RN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+-+

50、-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)图1-22 IGBT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 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2.4.4 IGBT的原理的原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。 导通导通：uGE大于开启电压开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。 导通压降导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。 关断关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。绝缘栅双极晶

51、体管绝缘栅双极晶体管2.4.42. IGBT的基本特性的基本特性 1) IGBT的静态特性的静态特性O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加图1-23 IGBT的转移特性和输出特性a) 转移特性 b) 输出特性绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2.4.4 转移特性转移特性IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似。开启电压开启电压UGE(th)IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25C时，UGE(th)的值一般为26V。 输出特性输出特性（伏安特性）以UGE为参考变量时

52、，IC与UCE间的关系。分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态。O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加图1-23 IGBT的转移特性和输出特性a) 转移特性 b) 输出特性绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2.4.4 2) IGBT的动态特性的动态特性图1-24 IGBT的开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUC

53、E(on)UGEMUGEMICMICM绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2.4.4 IGBT的开通过程的开通过程 与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行。开通延迟时间开通延迟时间td(on) 从uGE上升至其幅值10%的时刻，到iC上升至10% ICM 。 电流上升时间电流上升时间tr iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间。开通时间开通时间ton开通延迟时间与电流上升时间之和。uCE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。图1-24 IGBT

54、的开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2.4.4 IGBT的关断过程的关断过程关断延迟时间关断延迟时间td(off) 从uGE后沿下降到其幅值90%的 时 刻 起 ， 到 iC下 降 至90%ICM 。电 流 下 降 时 间电 流 下 降 时 间 iC从90%ICM下降至10%ICM 。 关断时间关断时间toff关断延迟时间与电流下降之和。电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1IGB

55、T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。图1-24 IGBT的开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2.4.4 IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。 IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数。 高压器件的N基区必须有足够宽

56、度和较高的电阻率，这会引起通态压降的增大和关断时间的延长。绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2.4.4 通过对IGBT的基本特性的分析，可以看出：3. IGBT的主要参数的主要参数绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2.4.4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IC和1ms脉宽最大电流ICP 。 2) 最大集电极电流最大集电极电流由内部PNP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UCES 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：绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2.4.4(1) 开关速度高，开关损耗小

57、。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当。(2) 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。(3) 通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。(4) 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。(5) 与MOSFET和GTR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 。 4. IGBT的擎住效应和安全工作区的擎住效应和安全工作区寄生晶闸管寄生晶闸管由一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成。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J3J2J1GE

58、C+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)图1-22 IGBT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 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2.4.4 擎住效应或自锁效应擎住效应或自锁效应：绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2.4.4IGBT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 。最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。反向偏置安全工作区反向偏置安全工作区（RBSOA）最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。正偏安全工作区正偏安全工作区（FBSOA） 动态擎住效应比

59、静态擎住效应所允许的集电极电流小。 擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决。NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 2.5.1 MOS MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT 2.5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SITSIT 2.5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITH 2.5.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCT 2.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件基于宽禁带半导体材料的电力电子器件 2.5.6 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路2.5MOSMOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCTMCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET与晶闸管的复合 MCT结合了二者的优点： MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程。 晶闸管的高电压大电流、低导通压降。 一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。 MCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。因此，20世纪80年代