《电力电子学》第三版--第二章

1、第2章 半导体电力开关器件1电力电子学电力电子学电力电子变换和控制技术（第三版）陈陈 坚坚 编著编著华中科技大学华中科技大学第2章 半导体电力开关器件2第二章第二章 半导体电力开关器件半导体电力开关器件2.1 电力二极管电力二极管2.2 双极结型电力晶体管双极结型电力晶体管BJT2.3 晶闸管及其派生器件晶闸管及其派生器件2.4 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO2.5 电力场效应晶体管电力场效应晶体管PMOSFET2.6 绝缘门极双极型晶体管绝缘门极双极型晶体管IGBT *2.7 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCT和集成门极换流晶闸管和集成门极换流晶闸管 IGCT (自学自学) 2.8 半

2、导体电力开关模块和功率集成电路半导体电力开关模块和功率集成电路本章小结本章小结第2章 半导体电力开关器件3电力开关器件家族树电力开关器件家族树第2章 半导体电力开关器件4电力开关器件发展史电力开关器件发展史第2章 半导体电力开关器件5第二章第二章 半导体电力开关器件半导体电力开关器件2.1 电力二极管2.2 双极结型电力晶体管BJT2.3 晶闸管及其派生器件2.4 门极可关断晶闸管GTO2.5 电力场效应晶体管PMOSFET2.6 绝缘门极双极型晶体管IGBT *2.7 MOS控制晶闸管MCT和集成门极换流晶闸管 IGCT (自学)2.8 半导体电力开关模块和功率集成电路本章小结第2章 半导体

3、电力开关器件6电力二极管实物图电力二极管实物图第2章 半导体电力开关器件7在在4族元素本征半导体硅族元素本征半导体硅中掺入中掺入5族元素族元素(砷、磷砷、磷)。在在4族元素本征半导体硅族元素本征半导体硅中掺入中掺入3族元素族元素(硼、铝硼、铝)。N型半导体型半导体P型半导体型半导体5个价电子中的个价电子中的4个与相个与相邻的硅原子组成共价键邻的硅原子组成共价键后，还多余一个。后，还多余一个。3个价电子与相邻的硅原个价电子与相邻的硅原子组成共价键，因缺少子组成共价键，因缺少一个价电子，在晶体中一个价电子，在晶体中产生一个空穴。产生一个空穴。2.1.1 半导体半导体PN结结第2章 半导体电力开关器

4、件8半导体半导体PN结的形成结的形成第2章 半导体电力开关器件9扩散运动漂移运动扩散运动阻挡层势垒层PN结半导体半导体PN结结第2章 半导体电力开关器件10漂移运动扩散运动BVcEs BVcER BVcEo不同基极状态时，集射极击穿电压 1. 集电极额定电压集电极额定电压2. 集电极额定电流（最大允许电流）集电极额定电流（最大允许电流）3. 饱和压降饱和压降4. 基极电流的最大允许值基极电流的最大允许值5. 开通和关断时间开通和关断时间6. 安全工作区安全工作区第2章 半导体电力开关器件32电力三极管的主要特点电力三极管的主要特点 是电流驱动器件，控制基极电流就可控制电力三是电流驱动器件，控制

5、基极电流就可控制电力三极管的开通和关断；极管的开通和关断； 开关速度较快；开关速度较快； 饱和压降较低；饱和压降较低； 有二次击穿现象；有二次击穿现象； 能控制较大的电流和较高的电压；能控制较大的电流和较高的电压； 电力三极管由于结构所限其耐压难于超过电力三极管由于结构所限其耐压难于超过1500V，现今商品化的电力三极管的额定电压、电流大都现今商品化的电力三极管的额定电压、电流大都不超过不超过1200V、800A; 已经淘汰已经淘汰第2章 半导体电力开关器件33大电流大电流GTR的的小，小，Ib过大过大为获得较大为获得较大，可将两晶体，可将两晶体管组成复合管。管组成复合管。J为两级之乘积，起到

6、为两级之乘积，起到放大作用放大作用LUces会有一定程度的增会有一定程度的增加。加。电阻：提供反向漏电流通路，提高复电阻：提供反向漏电流通路，提高复 合管的温度稳定性。合管的温度稳定性。二极管：加速二极管：加速Q1的关断。的关断。达林顿结构达林顿结构第2章 半导体电力开关器件34第二章第二章 半导体电力开关器件半导体电力开关器件2.1 电力二极管电力二极管2.2 双极结型电力晶体管双极结型电力晶体管BJT2.3 晶闸管及其派生器件晶闸管及其派生器件2.4 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO2.5 电力场效应晶体管电力场效应晶体管PMOSFET2.6 绝缘门极双极型晶体管绝缘门极双极型晶体管

7、IGBT *2.7 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCT和集成门极换流晶闸管和集成门极换流晶闸管 IGCT (自学自学)2.8 半导体电力开关模块和功率集成电路半导体电力开关模块和功率集成电路本章小结本章小结第2章 半导体电力开关器件35晶闸管实物图晶闸管实物图第2章 半导体电力开关器件362.3.1 逆阻型晶闸管逆阻型晶闸管SCR2.3.2 逆导型晶闸管逆导型晶闸管RCT2.3.3 光控晶闸管光控晶闸管LCT2.3.4 双向晶闸管双向晶闸管TRIAC第2章 半导体电力开关器件372.3.1 逆阻型晶闸管逆阻型晶闸管SCR2.3.2 逆导型晶闸管逆导型晶闸管RCT2.3.3 光控晶闸管光控晶闸管L

8、CT2.3.4 双向晶闸管双向晶闸管TRIAC2.3 晶闸管及其派生器件晶闸管及其派生器件第2章 半导体电力开关器件382.3.1 逆阻型晶闸管逆阻型晶闸管SCR晶闸管的结构、符号和结构模型晶闸管的结构、符号和结构模型第2章 半导体电力开关器件39SCR是三端器件 A：阳极(anode) ; K：阴极(cathode); G：门极(gate)，也称控制极符号跟二极管很像，多了一个门极符号跟二极管很像，多了一个门极晶闸管的符号晶闸管的符号第2章 半导体电力开关器件40晶闸管的外形晶闸管的外形螺栓型螺栓型平板型平板型KAG固定在固定在散热器上散热器上KAG用两个散热器将其夹住，用两个散热器将其夹住

9、，散热效果好。散热效果好。第2章 半导体电力开关器件41【简单描述】【简单描述】晶闸管晶闸管SCRSCR相当于一个半可控的、可开不可关的相当于一个半可控的、可开不可关的单向开关。单向开关。晶闸管的工作条件的试验电路晶闸管的工作条件的试验电路第2章 半导体电力开关器件42解释解释当当SCR的阳极和阴极电压的阳极和阴极电压UAK0时，只有时，只有EGk0，SCR才能导通。说明才能导通。说明SCR具有正向阻断能力；具有正向阻断能力；SCR一旦导通，门极一旦导通，门极G将失去控制作用，即无论将失去控制作用，即无论EG如何，均保持导通状态。如何，均保持导通状态。SCR导通后的管压降为导通后的管压降为1V

10、左右，主电路中的电流左右，主电路中的电流I由由R和和RW以及以及EA的大小决定；的大小决定；当当UAK0 同时同时 UGK0由导通由导通关断的条件：使流过关断的条件：使流过SCR的电流降低至维持电流以下。的电流降低至维持电流以下。 (一般通过减小一般通过减小EA,直至直至EA0，VGK 0，Ig0），形成正反馈，），形成正反馈，晶闸管迅速断晶闸管迅速断通。通。晶闸管的工作原理（晶闸管的工作原理（1）第2章 半导体电力开关器件46晶闸管的工作原理（晶闸管的工作原理（2）0CBECIIIECII 共基极电流增益共基极电流增益忽略忽略 共基极漏电流共基极漏电流ICB0： 1)1 (BBECIIII第

11、2章 半导体电力开关器件47晶闸管的工作原理（晶闸管的工作原理（2）Ic1= 1 IA + ICBO1 （1-1）Ic2= 2 IK + ICBO2 （1-2）IK=IA+IG （1-3）IA=Ic1+Ic2 )(121CBO2CBO1G2AIIII外加反向电压外加反向电压（U UA A U U UK K）（1-4）第2章 半导体电力开关器件48晶闸管的工作原理（晶闸管的工作原理（2） 晶体管的特性是：在低发射极电流下晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而是很小的，而当发射极电流建立起来之后，当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。迅速增大。 外加外加正向电压正向电压（UA UK）门极未

12、加电压门极未加电压，IG=0， 1+ 2很小。流过晶闸管的漏电流很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和，晶闸管稍大于两个晶体管漏电流之和，晶闸管正向阻断正向阻断状态。状态。)(121CBO2CBO1G2AIIII 开通（开通（门极触发门极触发）：在晶闸管门极加正向触发脉冲。）：在晶闸管门极加正向触发脉冲。注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致 1+ 2趋近于趋近于1的话，流过晶闸管的电流的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷，将趋近于无穷大，实现饱和导通。大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。实际由外电路决定。第2章 半导体电力开关器件

13、49阻断阻断：Ig=0， 1、 2很小。流过很小。流过SCR的电的电流约等于漏电流；流约等于漏电流；开通开通：足够的足够的Ig使发射极电流增大，使使发射极电流增大，使 1+ 21，IA ，饱和导通，饱和导通 。 IA实际由外电路决定；实际由外电路决定；半控：半控： 从关断到导通后从关断到导通后, 1+ 2趋近于趋近于1， Ig=0，仍有正反馈，维持导通；，仍有正反馈，维持导通； 当当IAIH， 1、 2很小，正反馈无很小，正反馈无法维持，法维持， SCR恢复阻断。恢复阻断。晶闸管的工作原理（晶闸管的工作原理（3）)(121CBO2CBO1G2AIIII第2章 半导体电力开关器件50静态伏安特性

14、静态伏安特性 及及 dv/dt 防护防护第2章 半导体电力开关器件51 随着门极电流幅值的增大，正向随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低转折电压降低 IG=0时，器件两端施加正向电压，时，器件两端施加正向电压，正向阻断正向阻断状态，只有很小的正向状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界漏电流流过，正向电压超过临界极限即极限即正向转折电压正向转折电压Ubo，则漏电，则漏电流急剧增大，器件流急剧增大，器件开通开通 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿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，在晶闸管本身的压降很小，在1V左右左右 导通期间，如果门极电流为零，并

15、且阳极电流降至导通期间，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接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。断状态。IH称为称为维持电流维持电流。1 1） 静态特性静态特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM正向特性正向特性第2章 半导体电力开关器件521 1） 静态特性静态特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM 反向特性类似二极管的反反向特性类似二极管的反向特性。向特性。 反向阻断状态时，只有极反向阻断状态时，

16、只有极小的反相漏电流流过。小的反相漏电流流过。 当反向电压达到反向击穿当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管电压后，可能导致晶闸管发热损坏。发热损坏。反向特性反向特性第2章 半导体电力开关器件53晶闸管的导通和关断条件晶闸管的导通和关断条件正向折转导通高温导通高电压变化率导通l门极触发导通门极触发导通l光注入导通光注入导通晶闸管在什么时候关断？晶闸管在什么时候关断？ 强迫其电流强迫其电流 IA ( IC ) 减小到维持电流以下减小到维持电流以下第2章 半导体电力开关器件54晶闸管的主要特性参数晶闸管的主要特性参数 (1) (1) 额定电压。额定电压。(2) (2) 晶闸管的额定电流。晶闸

17、管的额定电流。 (3) (3) 通态峰值电压降。通态峰值电压降。(4) (4) 浪涌电流。浪涌电流。(5) (5) 额定门极触发电流和触发电压。额定门极触发电流和触发电压。(6) (6) 维持电流。维持电流。(7) (7) 掣住电流。掣住电流。(8) (8) 开通时间和关断时间。开通时间和关断时间。(9) (9) 断态电压临界上升率。断态电压临界上升率。(10) (10) 开通电流临界上升率。开通电流临界上升率。 第2章 半导体电力开关器件551) 通态平均电流通态平均电流ITav (SCR额定电流的选取额定电流的选取)晶闸管的主要参数电流参数晶闸管的主要参数电流参数(1)晶闸管在环境温度为4

18、0C和规定的冷却状态下，电阻性负载电路中，额定结温时，所允许流过的工频正弦半波电流的平均值。，有效值相等、发热相同。01sin()2TavmIItdtmI201sin()2TmIItdt2mITfTavIKI平均电流平均电流有效值电流有效值电流波形系数波形系数21.57mmII(1.5 2)1.57fdTavK II第2章 半导体电力开关器件56 图中画斜线部分为一个2周期中晶闸管的电流波形。若各波形的最大值为Im=100A，试计算各波形电流的平均值Id1、Id2、Id3和电流有效值I1、I2、I3 。 若考虑二倍的电流安全裕量，选择额定电流为100A的晶闸管能否满足要求？例例2-1第2章 半

19、导体电力开关器件572) 维持电流维持电流IH (ON-OFF)晶闸管被触发导通后，在室温和门极开路条件下，减小阳极电流，使晶闸管维持导通所必需的最小电流。一般为十几到几十毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小。3) 擎住电流擎住电流IL (OFF-ON-ON)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阳极电流。（要求正反馈进行到一定深度。） 通常IL约为IH的24倍。4) 断态重复平均电流断态重复平均电流IDR和反向重复平均电流和反向重复平均电流IRR门极开路、额定结温时，对应断态重复峰值电压和反向重复峰值电压时的平均漏电流。5) 浪涌电流浪涌电流ITSM工频正弦半周期内所

20、允许的最大过载峰值电流。持续时间更短则用I2t表示允许通过浪涌电流的能力。晶闸管的主要参数电流参数晶闸管的主要参数电流参数(2)第2章 半导体电力开关器件581) 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt (V/us) 在额定结温和门极开路条件下，使晶闸管保持断态所能承受的最大电压上升率。晶闸管的主要参数动态参数晶闸管的主要参数动态参数AGKN2P2N1P1J1J2J3GKA2) 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt (A/us)在规定条件下，晶闸管用门极触发导通时，晶闸管能够承受而不致损坏的通态电流最大上升率。di/dt过大会局部过热而使SCR损坏du/dt过大会使SCR误导

21、通第2章 半导体电力开关器件59一、晶闸管的结构一、晶闸管的结构SCR的符号、半导体结构、的符号、半导体结构、P1N1P2N2四层三端器件四层三端器件二、晶闸管导通关断条件二、晶闸管导通关断条件 导通条件、半控特性、关断方法导通条件、半控特性、关断方法三、晶闸管的工作原理三、晶闸管的工作原理半导体结构半导体结构：q 双晶体管等效电路模型双晶体管等效电路模型q 用双晶体管等效电路模型解释用双晶体管等效电路模型解释 正反馈过程正反馈过程q 恢复阻断的方法恢复阻断的方法晶闸管的主要特性小结晶闸管的主要特性小结 第2章 半导体电力开关器件602.3.1 逆阻型晶闸管逆阻型晶闸管SCR2.3.2 逆导型

22、晶闸管逆导型晶闸管RCT2.3.3 光控晶闸管光控晶闸管LCT2.3.4 双向晶闸管双向晶闸管TRIAC第2章 半导体电力开关器件612.3.2 逆导型晶闸管逆导型晶闸管RCTGKAGKA逆导晶闸管等值电路和符号逆导晶闸管等值电路和符号第2章 半导体电力开关器件622.3.3 光控晶闸管光控晶闸管LCTGKAAGKJ2光控晶闸管符号及等值电路光控晶闸管符号及等值电路第2章 半导体电力开关器件63T2T2T1T1GGG(a)符号(b)双向开关IVT1T2T2T1Ig+-T2T1GIg+-(c)伏安特性G双向晶闸管符号、等效电路和伏安特性双向晶闸管符号、等效电路和伏安特性2.3.4 双向晶闸管双向

23、晶闸管TRIAC第2章 半导体电力开关器件64第二章第二章 半导体电力开关器件半导体电力开关器件2.1 电力二极管电力二极管2.2 双极结型电力晶体管双极结型电力晶体管BJT2.3 晶闸管及其派生器件晶闸管及其派生器件2.4 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO2.5 电力场效应晶体管电力场效应晶体管PMOSFET2.6 绝缘门极双极型晶体管绝缘门极双极型晶体管IGBT *2.7 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCT和集成门极换流晶闸管和集成门极换流晶闸管 IGCT (自学自学)2.8 半导体电力开关模块和功率集成电路半导体电力开关模块和功率集成电路本章小结本章小结第2章 半导体电力开关器件65

24、1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off ThyristorGTO） 是晶闸管的一种派生器件，但可以通过门极加负的脉冲是晶闸管的一种派生器件，但可以通过门极加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控器件。电流使其关断，因而属于全控器件。 GTO容量最大、工作频率最低容量最大、工作频率最低(12kHz)。 GTO是电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反向是电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反向驱动电流；驱动电流； GTO通态压降大、通态压降大、du/dt及及di/dt耐量低，需要庞大的吸耐量低，需要庞大的吸收电路。收电路。 目前，目前，GTO虽然在低于虽然在低于2

25、000V的某些领域内已被的某些领域内已被GTR和和IGRT等所替代，但它在大功率电力牵引中有明显优势；等所替代，但它在大功率电力牵引中有明显优势；它也必将在高压领域占有一席之地。它也必将在高压领域占有一席之地。第2章 半导体电力开关器件66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，外部引四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。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是一种多元的功率集成器件。是一种多元的功率集成器件。图图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形各单

26、元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号电气图形符号1）GTO的结构和工作原理的结构和工作原理1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管第2章 半导体电力开关器件67工作原理：工作原理： 与普通晶闸管一样，可以用图与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。所示的双晶体管模型来分析。 RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理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。

27、 由由P1N1P2和和N1P2N2构成的两个晶体管构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电分别具有共基极电流增益流增益 1和和 2 。1）GTO的结构和工作原理的结构和工作原理1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管第2章 半导体电力开关器件68GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下下区别区别： 设计设计 2较大，使晶体管较大，使晶体管V2控控 制制灵敏，易于灵敏，易于GTO。 导通时导通时 1+ 2更接近更接近1，导通时，导通时接近临界饱和，有利门极控制接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。关断，但导通时管压降增大。

28、多元集成结构，使得多元集成结构，使得P2基区横基区横向电阻很小，能从门极抽出较向电阻很小，能从门极抽出较大电流。大电流。 RN P NP N PAGSKEGIGEAIKIc 2Ic 1IAV1V2b )图图1-7 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理1）GTO的结构和工作原理的结构和工作原理1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管第2章 半导体电力开关器件69 GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。度较浅。 GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。 多元集成结构还使多元集成结构还使

29、GTO比普通晶闸管开通过程快，承比普通晶闸管开通过程快，承受受di/dt能力强能力强 。由上述分析我们可以得到以下由上述分析我们可以得到以下结论结论：第2章 半导体电力开关器件70GTO符号及关断原理图符号及关断原理图GTO （Gate Turn-Off Thyristor）为什么能靠反向触发电流关断？为什么能靠反向触发电流关断？ T2的电流分配的电流分配系数较大；系数较大； T1、T2饱和深饱和深度较浅度较浅2.4 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO 第2章 半导体电力开关器件71 GTO 的触发驱动电路的触发驱动电路 M1、M2接收从控制系统输入的高频互补式方波电压后，向接收从控制系统

30、输入的高频互补式方波电压后，向GTO输出输出+Ig触触发其开通，并使发其开通，并使C充电。充电。 要关断已处于通态的要关断已处于通态的GTO（M1、M2已无输入信号）时，需触发开通已无输入信号）时，需触发开通SCR，C放电形成放电形成- Ig ，关断，关断GTO第2章 半导体电力开关器件72第二章第二章 半导体电力开关器件半导体电力开关器件2.1 电力二极管电力二极管2.2 双极结型电力晶体管双极结型电力晶体管BJT2.3 晶闸管及其派生器件晶闸管及其派生器件2.4 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO2.5 电力场效应晶体管电力场效应晶体管PMOSFET2.6 绝缘门极双极型晶体管绝缘门极

31、双极型晶体管IGBT *2.7 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCT和集成门极换流晶闸管和集成门极换流晶闸管 IGCT (自学自学)2.8 半导体电力开关模块和功率集成电路半导体电力开关模块和功率集成电路本章小结本章小结第2章 半导体电力开关器件73N沟道结构沟道结构N沟道符号沟道符号P沟道符号沟道符号耗尽型外加PN结反向电压控制场效应晶体管栅源之间PN结耗尽层宽度耗尽层宽度变化来控制沟道电导，称之为结型。结型场效应晶体管结型场效应晶体管第2章 半导体电力开关器件74P沟道符号沟道符号N沟道符号沟道符号N沟道结构沟道结构耗尽型由于栅极由于栅极G与其余两个电极之间是绝与其余两个电极之间是绝缘的，外加

32、栅、源级之间的电场控制缘的，外加栅、源级之间的电场控制半导体中半导体中感应电荷量的变化感应电荷量的变化控制沟道控制沟道电导，因此称之为绝缘栅型。电导，因此称之为绝缘栅型。绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管第2章 半导体电力开关器件75反型层反型层耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，称之为在导电沟道，称之为耗尽型耗尽型。 栅极电压大于零时才存在导电沟栅极电压大于零时才存在导电沟道，称之为道，称之为增强型增强型。按导电沟道可分为按导电沟道可分为P沟道和沟道和N沟道沟道功率功率MOSFET主要是主要是增强型绝缘栅增强型绝缘栅 N沟道场效沟道场效应

33、晶体管应晶体管绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管第2章 半导体电力开关器件762.5 电力场效应晶体管电力场效应晶体管PMOSFET P-MOSFET基本结构、符号和外接电路基本结构、符号和外接电路第2章 半导体电力开关器件772.5 电力场效应晶体管电力场效应晶体管PMOSFET （续（续1）目前流行的结构目前流行的结构 具有垂直导电双扩散MOS结构的N沟增强型VDMOS第2章 半导体电力开关器件78图2.17 P-MOSFET特性曲线IDVGSVGSth(d)转移特性IDVDSVGS=0VGS1=4VGS2=8VGS3=10(e)输出特性VBRPMOSFET的工况可用其转移特性和输出

34、特性表述：的工况可用其转移特性和输出特性表述： 2.5 电力场效应晶体管电力场效应晶体管PMOSFET （续（续2）UGSUGSth时，可变电阻区（导通状态）-区域当 UGDUGS-UDSUT时，饱和区（恒流区，等效于晶体管的放大区！）-区域击穿区：UDS增加到一定量，漏极PN击穿，漏电流迅速增大-区域第2章 半导体电力开关器件792.5 PMOSFET的寄生二极管的寄生二极管第2章 半导体电力开关器件80P-MOSFET 与与 BJT 的性能对比的性能对比第2章 半导体电力开关器件81第二章第二章 半导体电力开关器件半导体电力开关器件2.1 电力二极管电力二极管2.2 双极结型电力晶体管双极

35、结型电力晶体管BJT2.3 晶闸管及其派生器件晶闸管及其派生器件2.4 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO2.5 电力场效应晶体管电力场效应晶体管PMOSFET2.6 绝缘门极双极型晶体管绝缘门极双极型晶体管IGBT *2.7 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCT和集成门极换流晶闸管和集成门极换流晶闸管 IGCT (自学自学)2.8 半导体电力开关模块和功率集成电路半导体电力开关模块和功率集成电路本章小结本章小结第2章 半导体电力开关器件822.6 绝缘门极双极型晶体管绝缘门极双极型晶体管IGBT P-MOSFETIGBT第2章 半导体电力开关器件832.6 绝缘门极双极型晶体管绝缘门极双极型

36、晶体管IGBT IGBT比MOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结，因此通流能力很强。等效电路符号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。晶体管基区内的调制电阻第2章 半导体电力开关器件84与MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。驱动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。导通通态压降小。但通态压降具有正温度系数但通态压降具有正温度系数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。关断：IGBT的工作原

37、理的工作原理 第2章 半导体电力开关器件85SGCEVgVR(a)电路RdsRbrT2T1ICABRgICVCEVGE=0VGE1VGE2VGE3VRM0(c)输出特性正向阻断区VGEVBRIcVGEVGEth(d)转移特性l 静态特性静态特性 IGBT的静态特性的静态特性l三个区域：三个区域： 正向阻断区、有源区和饱和区。正向阻断区、有源区和饱和区。luCE0时，反向阻断工作状态。时，反向阻断工作状态。第2章 半导体电力开关器件86 开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有BJT的1/10，与P-MOSFET相当； 相同电压和电流定额时，安全工作区比BJT大，且具有耐脉冲

38、电流冲击能力； 通态压降比P-MOSFET低，特别是在电流较大的区域； 输入阻抗高，输入特性与P-MOSFET类似； 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。 IGBT的基本特性的基本特性第2章 半导体电力开关器件87IGBT的等效电路的等效电路 l寄生晶闸管等效电路寄生晶闸管等效电路导通时，Ic过大，使寄生晶体管导通，成为晶闸管状态；关断时，集射极电压上升过快，电容充电电流大，也可能晶闸管状态出现。第2章 半导体电力开关器件88IGBT的擎住效应的擎住效应GCEVgVRRdsRbrT2T1ICABRg什么是擎住效应：什么是擎住效应：q 集电极电流

39、集电极电流iC过大；过大；q 集电极电压过高；集电极电压过高；q 关断速度过快；关断速度过快；q Rbr上的电压过大，可使上的电压过大，可使T2导通，使导通，使IGBT失去关断能力。失去关断能力。产生擎住效应的原因：产生擎住效应的原因：第2章 半导体电力开关器件89IGBT的主要特点的主要特点 电压控制开通和关断，控制功率小； 双极性导电，开关速度介于MOSFET和BJT之间； 电压电流耐量介于BJT和GTO之间； 无二次击穿现象，有擎住效应； 最近二十年，IGBT已得到广泛应用，3.3KV-4.5KV/1200-1800A的器件已开始实用。第2章 半导体电力开关器件90第二章第二章 半导体电

40、力开关器件半导体电力开关器件2.1 电力二极管电力二极管2.2 双极结型电力晶体管双极结型电力晶体管BJT2.3 晶闸管及其派生器件晶闸管及其派生器件2.4 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO2.5 电力场效应晶体管电力场效应晶体管PMOSFET2.6 绝缘门极双极型晶体管绝缘门极双极型晶体管IGBT *2.7 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCT和集成门极换流晶闸管和集成门极换流晶闸管 IGCT (自学自学)2.8 半导体电力开关模块和功率集成电路半导体电力开关模块和功率集成电路本章小结本章小结第2章 半导体电力开关器件91半导体电力开关模块和功率集成电路半导体电力开关模块和功率集成电路 把

41、同类或不同类的一个或多个开关器件按一定的拓扑结构把同类或不同类的一个或多个开关器件按一定的拓扑结构连接并封装在一起的开关器件组合体称为电力开关模块。连接并封装在一起的开关器件组合体称为电力开关模块。 二极管和晶闸管模块；二极管和晶闸管模块； 达林顿三极管功率模块；达林顿三极管功率模块； MOSFET功率模块；功率模块； IGBT模块（模块（AC-DC-AC变频功率模块）；变频功率模块）； 功率集成电路功率集成电路PIC第2章 半导体电力开关器件92(a)(d)(c)(b)二极管和晶闸管模块二极管和晶闸管模块第2章 半导体电力开关器件93达林顿三极管功率模块达林顿三极管功率模块(a)双开关模块(b)单相桥模块(