第一章电力电子器件与驱动保护电路

1、第一章电力电子器件与驱动保护电路第一节 功率二极管一、常用功率二极管的分类1. 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5s以上，这在开关频率不高时并不重要。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。2. 快恢复二极管（Fast Recovery Diode FRD） 恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5s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。适用于中等电压和电流范围，多用作高频开关使用。3. 肖特基二极管

2、（Schottky Barrier DiodeSBD） 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，简称为肖特基二极管。它具有低导通电压和极短的开关时间。但反向漏电流大和阻断电压低是其缺点，主要用于高频、低压的场合。二、功率二极管的特性1、静态伏安特性 当电力二极管承受的正向电压大到一定值（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、快速二极管的动态特性(软恢复)因结电容的存在，开与关状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过

3、程中的电压电流特性是随时间变化的。开关特性反映通态和断态之间的转换过程。关断过程： （图a） 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。 tF时刻加反向电压，正向电流开始下降，下降速率由反向电压大小和电路电感决定，管压降由于电导调制效应基本不变，直至正向电流降为零的时刻t0。此时由于PN结两侧空间电荷区的电荷储存效应而不能恢复阻断，外加电压抽取电荷形成较大反向电流，在空间电荷区附近电荷即将抽尽时管压降变负，于是开始抽取离空间电荷区较远的电荷，因而在管压降极性改变后不久的t1 时刻反向电流开始从最大值下降，空间电荷区展

4、宽，二极管开始重新恢复反向阻断能力。t1时刻由于反向电流快速下降，在外电路电感作用下形成反向过冲电压URP，在t2时刻下降至外加电压大小。开通过程： （图b）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降的某个值（如 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间。电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高 。 注意：在动态过程中二极管的单向导电性能不典型，正向表现高阻（稳态时表现为低阻），反向呈现低阻（稳态时表现为高阻）。因此当动态时间与电路工作频率决定的周期相近时，二

5、极管不能正常整流（该断不断，该通不通），同时损耗很大。 三、功率二极管的主要参数1. 正向通态平均电流IF(AV)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来选取电流定额，并应留有一定的裕量。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略。当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小 。2. 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

6、器件的最大瞬时正向压降。3. 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 。4. 最高工作结温TJM 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示 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125175 °C范围之内。5. 反向恢复时间trr trr= td + tf ，关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻断能力止的时间。6. 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。 功率二极管器件特

7、性的知识要点：（1） 二极管开通、关断都需要时间，二极管在开关过程中不具有典型的单向导电性，此过程中对正向电流表现出较高的导通电阻，对反向电流也不具备阻断能力；实际使用时应注意器件的开关时间远小于电路工作周期。（2） 二极管的使用需要注意器件的相关参数：最高电压、最大电流、最高工作频率、最大功耗（结温决定）。例：半波整流电路，输入正弦电压值100V，频率10kHz，电流有效值10A， 如何选择二极管？要点：耐压选择：击穿电压大于141V，通常选取耐压大于280V的二极管；正向恢复时间、反向恢复时间：远小于100uS，一般可以选取恢复时间不大于100nS的二极管；通态平均电流：按有效值相等原则，

8、选择电流容量并留有一定余量。第二节 晶闸管一、晶闸管简介 晶闸管SCR（ Silicon Controlled Rectifier）又称晶体闸流管(Thyristor)，可控硅整流器。Ø1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管；Ø1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品Ø1958年商业化；Ø开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代；Ø20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代；Ø能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。二、晶闸管的外形和封装1、 晶闸管的常见封装

9、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。2、晶闸管的其它封装形式：还有塑封和模块式两种封装三、晶闸管的工作机理在分析SCR的工作原理时，常将其等效为两个晶体管V1和V2串级而成。此时，其工作过程如下：UGK>0 产生IG V2通产生IC2 V1通 IC1 IC2 出现强烈的正反馈，G极失去控制作用，V1和V2完全饱和，SCR饱和导通。四、晶闸管的基本特性Ø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；Ø承受正向

10、电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通；Ø晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；Ø要使晶闸管关断，只能利用外电路使晶闸管电流降到接近于零的某一数值以下 。 从这个角度可以看出，SCR是一种电流控制型的电力电子器件。五、晶闸管的静态伏安特性第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性门极G与阴极K之间相当于一个二极管。ØIG=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（非正常开通，实际电路应该避免）；Ø随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低；Ø

11、导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿；Ø晶闸管本身的压降很小，在1V左右；Ø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。六、晶闸管的动态特性1) 开通过程Ø延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间Ø上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间Ø开通时间tgt以上两者之和： tgt = td + tr 普通晶闸管延迟时间为0.51.5s，上升时间为0.53s，这是设计触发脉冲的依据。2) 关断过程Ø反向阻断恢复时

12、间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间。Ø正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间。在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。Ø关断时间tq： trr与tgr之和，即 tq=trr+tgr 普通晶闸管的关断时间约几百微秒。这是设计反向电压设计时间的依据。晶闸管的开通和关断过程波形七、晶闸管的主要参数1. 额定电压1) 断态重复峰值电压UDRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加

13、在器件上的正向峰值电压。2) 反向重复峰值电压URRM 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。3) 通态（峰值）电压UTM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（一般为2V）。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。选用时，额定电压要留有一定裕量,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。2. 额定电流1)  通态平均电流 IT(AV) 额定电流- 晶闸管在环境温度为40°C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许连续流过的单相工频正弦半波电流的最大平均值

14、。l使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管。l实际使用时应留一定的裕量，一般以实际电流最大值的1.5 2倍选取晶闸管。l电流平均值： 指一个周期内的电流算术平均值；l电流有效值： 指一个周期内的电流的方均根值。l波形系数： Kf = I / IT(AV) （非正弦波时考虑矫正系数）2) 维持电流 IH： 使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小。3) 擎住电流 IL： 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2 4倍。4)浪涌电流ITSM：指由于电路异常情况引起的

15、并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。3. 动态参数 除开通时间tgt和关断时间tq外，还有： (1) 断态电压临界上升率du/dt 指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。 (2) 通态电流临界上升率di/dt指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。4. SCR的门极定额 (1)门极触发电流IGT 指在室温下，UAK为一定值时使SCR由断态转入通态所必需的最小门极电流。 (2)门极触发电压U

16、GT 指产生门极触发电流所必需的最小门极电压。 由于SCR器件的分散性较大，应使触发电路提供给门极的电流和电压适当大于SCR的参数值，SCR为电流触发器件，门极电流必须达到一定值才能可靠开通器件。晶闸管的基本使用知识要点：1、导通条件：UAK>0 且UGK>0（或IGK>0），实际应用时UGK或IGK均应大于一定的值（对于不同型号的器件有不同的值）；一旦导通，门极失去控制作用，只要器件流过电流，器件就始终维持导通。2、关断条件晶闸管不能通过门极关断，关断器件的方法是使流过器件的电流小于接近于零的某个值（IH），或使器件承受反压（UAK<0）。3、器件开通、关断都需要时间

17、；门极触发脉冲宽度（开通器件）应保证器件可靠导通，器件再次导通触发之前需要给器件一定关断时间，确保器件可靠关断，否则有可能使器件恒导通。4、要注意器件的额定参数。思考：半波可控整流电路，输入正弦电压，分析几种情况：（1）无门极脉冲，晶闸管能否导通？ 不能导通（2）正向波形段时，出现门极脉冲，晶闸管能否导通？何时关断？UAK>0 UGK>0时刻导通，一旦导通，UGK即失去作用，只要UAK>0且电流大于一定值，晶闸管始终维持导通，只有UAK<0或电流小于一定值时才能关短。（3）反向波形段时，出现门极脉冲，晶闸管能否导通？ UAK<0，不能触发导通。（4）输入正弦半波，

18、过零点不到时变为低电压直流，此时负载电阻增大是否可以关断器件？当电流小于一定值时，晶闸管可以关断。例题：晶闸管触发电路介绍1、 正弦波同步触发电路同步信号uR由同步变压器副边提供。晶体管VT1左边部分为同步移相环节,在VT1的基极综合了同步信号电压的uT、偏移电压Ub及控制电压Uct，RP1可调节Uct，RP2可调节Ub。调节Uct改变触发电路的控制角。脉冲形成环节是一集基耦合单稳态脉冲电路,VT2的集电极耦合到VT3的基极，VT3的集电极通过C7、RP3耦合到VT2的基极。当同步移相环节送出负脉冲时，使单稳电路翻转，从而输出脉宽可调的触发脉冲。正弦波同步移相触发电路的各点电压波形如图3-33

19、所示。2、锯齿波同步触发电路由VTl、VD1、VD2、C5等元件组成同步检测环节,其作用是利用同步电压uT来控制锯齿波产生的时刻及锯齿波的宽度。由VT1等元件组成的恒流源电路及VT2、VT3、C6等组成锯齿波形成环节。控制电压Uct、偏移电压Ub和锯齿波电压uT在VT4基极综合叠加,从而构成移相控制环节。VT5、VT6构成脉冲形成放大环节,脉冲变压器输出触发脉冲,电路的各点电压波形如图3-35所示。第三节 功率晶体管第二节一、功率晶体管简介功率晶体管GTR （Giant Transistor，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 Transis

20、tor BJT），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 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IGBT和电力MOSFET取代。二、功率晶体管的结构和工作原理Ø与普通的双极型晶体管基本原理是一样的；(be结正偏pn结空间电荷区变窄，空穴、电子进入基区复合，由于cb结反偏，空间电荷区变宽；少量进入基区的电子、空穴复合产生基极电流Ib，大量的电子被cb结的空间电荷区扫入集电极，形成Ic ，由于Ic>>Ib，形成放大作用)Ø主要特性是耐压高、电流大、开关特性好；Ø通常采用至少由

21、两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构；Ø采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 ；Ø一般应用采用共发射极接法，集电极电流ic与基极电流ib之比为 b GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力Ø 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Ø ic=bib +Iceo Ø产品说明书中通常给出直流电流增益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b hFEØ单管GTR的b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。目前更多地使用GTR模块。a) 内部结构

22、断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动三、功率晶体管的基本特性(1)  静态特性Ø共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区；Ø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Ø在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区共 共射极接法时GTR的输出特性(2)动态特性 1、开通过程Ø延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间tonØtd主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程2、关断过程

23、Ø储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff；Øts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分；Ø减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度；Ø负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加，从而增大通态损耗；ØGTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管短很多。四、 GTR的主要参数 前已述及：电流放大倍数b、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff ，其余还有：1)

24、60; 最高工作电压 ØGTR上电压超过规定值时会发生击穿；Ø击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关；Ø实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比 BUceo低得多。BUceo为基极开路时，b和e之间的击穿电压。2) 集电极最大允许电流 ICMØ通常规定为 hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic；Ø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 PCMØ最高工作温度下允许的耗散功率；Ø产品说明书中给PCM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度 。

25、五、 GTR的二次击穿现象与安全工作区Ø一次击穿v集电极电压升高至击穿电压时，Ic 迅速增大，出现雪崩击穿；v只要Ic不超过最大功耗限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。Ø 二次击穿v一次击穿发生时，如果不有效限制电流，则 Ic 继续增大，当达到某个临界点时， Ic会急剧上升，同时伴随 Uce 突然降低，这种现象称为二次击穿。v二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微秒范围，常常立即导致器件的永久损坏，必需避免。 Ø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 PSB

26、限定晶体管使用知识要点：1、 基极流入电流（足够大），晶体管饱和导通；基极电流为零，晶体管处于截止状态。2、 晶体管开通、关断均需要一定时间，此时间决定了晶体管的最高开关工作频率。3、晶体管使用需要注意器件的额定参数。思考：NPN晶体管共射电路，=10，集电极电阻分别为100或50，集电极电压100V，要使电路饱和的基极电流？理想的基极驱动电流波形？R=100 时，Ib > 100mA，理想基极驱动波形是初始电流远大于100mA，加快三极管饱和速度；稳定时电流维持略大于100mA，有利于缩短关断时间。R=50 时， Ib > 200mA思考：晶体管关断时间10uS，开通时间5uS，

27、共射电路，基极驱动脉冲50kHz方波，电路是否可行？脉冲宽度t = 10uS，与关断时间相同，晶体管不能可靠关断，电路不可行例：晶体管的触发保护电路该电路的控制信号经光耦隔离后输入Nl(LM555,接成施密特触发器形式),其输出信号用于驱动对管VTl、VT2 。VT1、VT2分别由正负电源供电,推挽输出提供GTR基极开通与关断的电流。C5、C6为加速电容,可向GTR提供瞬时开关大电流以提高开关速度。VD2VD5接成贝克钳位电路,使GTR始终处于准饱和工作状态,比较器N2的作用是通过监测GTR的BE结电压以判断是否过电流,并通过门电路控制器在过电流时关断GTR。Rl5是基极电流采样电阻。Rs、V

28、Ds、Cs构成了吸收缓冲电路。第三节 功率场效应晶体管第四节一、功率场效应管简介Ø电力场效应管（Power MOSFET）通常主要指绝缘栅型MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）Ø结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管SIT（Static Induction TransistorSIT）Ø POWER MOSFET的特点用栅极电压来控制漏极电流v驱动电路简单，需要的驱动功率小；v开关速度快，工作频率高；v热稳定性优于GTR；v电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 ；v抗过载能力弱。MO

29、SFET的种类Ø 按导电沟道可分为P沟道和N沟道；Ø 按源漏极存在导电沟道时的栅极电压类型分为耗尽型和增强型；Ø 耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道；Ø 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；Ø 功率MOSFET主要是N沟道增强型。二、 电力MOSFET的结构和工作原理Ø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；Ø电力MOSFET是多元集成结构，一个器件由许多小MOSFET元组成。Ø导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。导电

30、机理： （ N沟道增强型为例）当漏极接电源正端，源极接电源负端，Ugs=0V时，P基区与 N飘移区之间的PN结反偏，DS之间无电流。Ugs加上正电压，当电压超过某一临界值（阈值电压）时，靠近SiO2附近的P型表面层形成与原来半导体导电型相反的一层，即N反型层，称为N沟道，该沟道将漏极和源极连接起来形成漏极和源极之间的电流。三、功率MOSFET的特性1、功率MOSFET静态特性（注意和GTR的区别，特别是饱和区的位置不同）1）MOSFET的转移特性：Ø漏极电流 ID和栅源间电压 UGS的关系称为 MOSFET 的转移特性，如图a。其中：UT为 MOSFET 的开启电压，或阈值电压。&#

31、216;ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导 GfsdId /dUGS ØMOSFET是电压控制型器件（场控器件），其输入阻抗极高，输入电流非常小，有利于控制电路的设计。a) 转移特性 b) 输出特性2）MOSFET的漏极伏安特性（输出特性）：Ø截止区（对应于GTR的截止区）Ø饱和区（对应于GTR的放大区）Ø非饱和区（对应于GTR的饱和区）Ø功率MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换；Ø功率MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通，可看为是逆导器件。在画电路图时，为

32、了不遗忘，常常在MOSFET的电气符号两端反向并联一个二极管；Ø功率MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。原因是电流越大，发热越大，通态电阻就加大，从而限制电流的加大，有利于均流。2、功率MOSFET动态特性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1）开通过程Ø开通延迟时间td(on) 从Up前沿时刻到UGS = UT并开始出现iD的时刻间的时间段Ø上升时间tr UGS从UT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段viD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决

33、定；vUGSP的大小和iD的稳态值有关；vUGS达到UGSP后，在Up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。Ø 开通时间ton开通延迟时间td(on)与上升时间tr之和2）关断过程    Ø关断延迟时间td(off) 从Up下降到零起，栅源极输入电容Cin通过 Rs和RG放电，到UGS按指数曲线下降到UGSP，iD开始减小止的时间段。Ø下降时间tf UGS从UGSP继续下降起，iD减小，到UGS<UT时沟道消失，iD下降到零为止的时间段Ø关断时间toff 关断延迟时间td(off)和下降时间tf之和3）M

34、OSFET的开关特点：Ø MOSFET的开关速度和Cin的充放电有很大关系；Ø使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度，所以选择RS很关键（一般为几十欧姆）；ØMOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速；ØMOSFET开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是常用电力电子器件中最高的；Ø场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。3. 功率MOSFET的主要参数 跨导Gfs、开启电压UT以及

35、td(on)、tr、td(off)和tf之还有：1) 漏极电压UDS：电力MOSFET额定电压。2) 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM：电力MOSFET额定电流参数。3) 栅源电压UGS栅源之间的绝缘层很薄，将导致绝缘层击穿。 这个特性十分重要：因为人体常常带有高压静电，所以在接触MOS型器件，包括电力MOSFET、普通MOSFET、MOS型集成电路时，可以先用手接触一下接地的导体，将身体的静电放掉，否则容易将GS间的绝缘层击穿。另外，在用烙铁焊MOS型器件时，应将烙铁加热后，拔下电源插座，再焊器件。4) 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

36、容Ciss、共源极输出电容 Coss和反向转 移电容 Crss 。输入电容可近似用 Ciss代替。5)  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；6) 一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点7) 实际使用中应注意留适当的裕量。MOSFET使用知识要点：1、 栅极控制电压达到一定时，器件饱和导通；小于一定值时关断；2、 栅极有输入电容，控制电路对此电容的充放电速度影响器件的开通关断速度；3、注意器件的额定参数思考：共源极电路，MOS管最高工作电压100V，最大漏极电流5A，最大功耗20W，跨导1000，开启电

37、压2V，当负载电阻100，（1）漏极电压80V直流或正弦时，分析电路工作是否正常？80V直流时，电压不超过100V；工作电流1A，不超过5A；电路可以正常工作（开关损耗和导通损耗不考虑）80V交流时，最高电压113V，超过100V，超过器件标称耐压，尽管电流不超过允许范围，但电路不能正常工作。（2）漏极电压80V，直流MOS管静态导通电阻0.2，门极电压1.5V和10V时，MOS管静态功耗？门极电压1.5V时，小于开启电压2V，MOS管不导通，静态功耗为零。门极电压10V时，大于开启电压2V，(10V2V)×1000=8×103A远大于饱和电流0.8A，电路饱和，静态功耗=

38、0.82×0.2=0.128W例题：功率MOSFET的驱动保护电路该电路由15V控制电源单极性供电,控制信号经光耦隔离后送入驱动电路,当输入端"2"为高电平时,VTl导通并向VT2提供基极电流,于是VT2导通、VT3截止,+15V电源经R5向MOSFET的栅极供电,并使之导通；当"2"端为低电平时,VTl、VT2截止,电源经R3、VD3和C2加速网络向VT3提供基极电流,使VT3导通,从而将MOSFET的栅极接地,迫使MOSFET关断。第五节 绝缘门极双极型晶体管一、绝缘门极双极型晶体管简介 又称绝缘栅双极晶体管、IGBT（Insulated-

39、gate Bipolar Transistor）ØIGBT为GTR和MOSFET复合，它结合二者的优点，具有比它们更好的特性；Ø1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,成为中小功率电力电子设备的主导器件；Ø目前正继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位；Ø在价格方面期待进一步降低。二、IGBT的结构和工作原理 三端器件：栅极G、集电极C和发射极Ea) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号1) IGBT的结构Ø图aN沟道MOSFET与GTR组合N沟道IGBT（N-IGBT）；ØIGBT比

40、MOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1；ØIGBT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；Ø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；Ø RN为晶体管基区内的调制电阻。2) IGBT的工作原理  驱动原理与电力MOSFET基本相同，属于场控器件，通断由栅射极电压 UGE 决定Ø导通：UGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。Ø

41、导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。Ø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。三、 IGBT的工作特性1) IGBT的静态特性a) 转移特性 b) 输出特性Ø转移特性IC与UGE间的关系 与MOSFET转移特性类似v开启电压UGE(th)IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压vUGE(th)随温度升高而略有下降，在+25°C时，UGE(th)的值一般为26VØØ输出特性（伏安特性）以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系v分为三个区域：正向阻断区、有源

42、区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应vUCE<0时，IGBT为反向阻断工作状态，不具有逆导能力。2) IGBT的动态特性ØIGBT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v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% ICMv电流上升时间tr IC从10%ICM上升至90%ICM所需时间v开通时间ton开通延迟时间与电流上升时间之和vUCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。 tfv1IGBT中MOSFET

43、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的开关过程ØIGBT的关断过程v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%ICMv电流下降时间IC从90%ICM下降至10%ICMv关断时间toff关断延迟时间与电流下降时间之和v电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。vtfi1IGBT内部的MOSFET的关断过程，IC下降较快；vtfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，IC下降较慢ØIGBT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IG

44、BT的开关速度低于电力MOSFETØIGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数四、 IGBT的主要参数和特点主要参数1)最大集射极间电压UCES： 由内部PNP晶体管的击穿电压确定2)最大集电极电流：包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP3)最大集电极功耗PCM：正常工作温度下允许的最大功耗参数特点(1)开关速度高，开关损耗小。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

45、性与MOSFET类似；(5)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。(6)IGBT往往与反向并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件。目前还有多管模块和IPM（IGBT+控制和保护电路）。五、IGBT的擎住效应（自锁效应）和安全工作区Ø擎住效应或自锁效应：在IGBT内部由于内部寄生了一个由NPN晶体管和作为主开关器件的PNP晶体管组成的寄生晶闸管。在额定集电极电流时，NPN晶体管的BE极间的体区短路电阻上的压降较小，不能使寄生晶闸管开通。但如果由于某种条件使得该压降加大，从而使寄生晶闸管导通，那么就会由于寄生晶闸管的强烈正反馈作用

46、，使得栅极失去对集电极的控制作用，导致器件始终开通，功耗过高而损坏。Ø发生原因：集电极电流过大（静态擎住效应），dUCE/dt过大（动态擎住效应），温度过高。Ø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。ØIGBT安全工作区v正偏安全工作区（FBSOA）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v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允许电压上升率dUCE/dt确定IGBT的使用知识要点类似MOSFET例题：IGBT的驱动控制电路该电路以富士公司开发的专用集成芯片EXB841为核心组成。EXB841是高速型的IGBT驱动模块,由信号隔离电路、驱动放大器、过流检测器、低速过流切断电路、栅极关断电源等5部分组成本章作业：教材26页 1-9作业讲解：1、 快恢复二极管的动态参数主要有两个：（1）正向恢复时间tfr，（2）反响恢复时间trr。在正向恢复时间内，二极管表现出很大的阻抗效应，而在反向恢复时间内则表现出低阻抗特性，在这两个时间段内