电力半导体器件

电力半导体器件第一页，共九十六页，2022年，8月28日电力电子器件的基本模型定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件称为电力电子器件（PowerElectronicDevice）。在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象成下图所示的理想开关模型，它有三个电极，其中A和B代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。它只工作在“通态”和“断态”两种情况，在通态时其电阻为零，断态时其电阻无穷大。第二页，共九十六页，2022年，8月28日电力电子器件的基本特性（1）电力电子器件一般都工作在开关状态。（2）电力电子器件的开关状态由（驱动电路）外电路来控制。（3）在工作中器件的功率损耗（通态、断态、开关损耗）很大。为保证不至因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，在其工作时一般都要安装散热器。注：很重要，一定记住。第三页，共九十六页，2022年，8月28日电力电子器件的分类按器件的开关控制特性可以分为以下三类：

①不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需要根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。如：电力二极管（PowerDiode）；②半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断的电力电子器件称为半控型器件。如：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件等；③全控型器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断的器件，称为全控型器件。如：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor）、功率场效应管（PowerMOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor）等。第四页，共九十六页，2022年，8月28日电力电子器件的分类前面已经将电力电子器件分为不可控型、半控型和全控型。按控制信号的性质不同又可分为两种：①

电流控制型器件：

此类器件采用电流信号来实现导通或关断控制。如：晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、IGCT等；②

电压控制半导体器件：这类器件采用电压控制（场控原理控制）它的通、断，输入控制端基本上不流过控制电流信号，用小功率信号就可驱动它工作。如：代表性器件为MOSFET管和IGBT管。第五页，共九十六页，2022年，8月28日功率二极管功率二极管（PowerDiode）也称为半导体整流器（SemiconductorRectifier，简称SR），属不可控电力电子器件，是20世纪最早获得应用的电力电子器件。在中、高频整流和逆变以及低压高频整流的场合发挥着积极的作用,具有不可替代的地位。基本结构和工作、原理与信息电子电路中的二极管一样。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。第六页，共九十六页，2022年，8月28日功率二极管

a）结构b）外形c）电气图形伏安特性曲线第七页，共九十六页，2022年，8月28日功率二极管的开关特性

（1）关断特性：电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。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。反向恢复时间：trr=td+tf（2）开通特性：

电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。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。第八页，共九十六页，2022年，8月28日功率二极管的主要参数

（1）额定正向平均电流IF(AV)：在指定的管壳温（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。（2）反向重复峰值电压ＵRRM：指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压），此电压通常为击穿电压UＢ的2/3。（3）正向压降ＵF：指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的正向平均电压(又称管压降)。（4）反向漏电流ＩRR：指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。最高工作结温ＴjM：指器件中ＰＮ结不至于损坏的前提下所能承受的最高平均温度。ＴjM通常在125～175℃范围内。第九页，共九十六页，2022年，8月28日功率二极管的主要类型

（1）普通二极管：普通二极管又称整流管（RectifierDiode），多用于开关频率在１KHZ以下的整流电路中，其反向恢复时间在５us以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。（2）快恢复二极管：反向恢复时间在５us以下的称为快恢复二极管（FastRecoveryDiode简称FDR）。快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在100ns以下，其容量可达1200V/200A的水平,多用于高频整流和逆变电路中。（3）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为0.4～0.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但反向耐压在200Ｖ以下。它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中。第十页，共九十六页，2022年，8月28日晶闸管

晶闸管(Thyristor)包括：普通晶闸管(SCR)、快速晶闸管(FST)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT)、可关断晶闸管(GTO)和光控晶闸管等。普通晶闸管面世早，应用极为广泛,在无特别说明的情况下,本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。普通晶闸管：也称可控硅整流管(SiliconControlledRectifier),简称SCR。

它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性(目前生产水平：4500A/8000V)已被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域,成为特大功率低频(200Hz以下)装置中的主要器件。第十一页，共九十六页，2022年，8月28日晶闸管的外形、结构和符号

(a)外形；(b)结构；(c)图形符号第十二页，共九十六页，2022年，8月28日晶闸管的工作原理

IA=Ic1+Ic2+ICO=1IA+2IK

+ICO（2-1）

IK=IA+IG

（2-2）式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICO是流过J2结的反向漏电流。由以上两式可得

（2-3）第十三页，共九十六页，2022年，8月28日晶闸管的阻断状态与正向转折阻断状态：IG=0，1+2很小。正向阳极电压uAK在一定范围内可视为IA=IK=IC0。正向转折：若增大uAK电流IC0随之增加，导致1、2上升。当（1+2

）≈1时，IA急剧上升，晶闸管由阻断状态转为正向导通状态，称为正向转折。晶闸管发生正向转折后，阳极电流IA决定于外电路参数，属于失控状态，应于避免。反向阳极电压uAK在一定范围内时，晶闸管处于反向阻断状态。反向阳极电压超限会导致晶闸管反向击穿，造成永久损坏。第十四页，共九十六页，2022年，8月28日晶闸管的门极开通原理晶闸管阳极施加正向电压时,若给门极G也加正向电压UG,门极电流IG经三极管V2放大后成为集电极电流IC2，IC2又是三极管V1的基极电流,放大后的集电极电流IC1进一步使IG增大且又作为V2的基极电流流入。重复上述正反馈过程，两个三极管V1

、V2都快速进入饱和状态,使晶闸管阳极A与阴极K之间导通。此时若撤除UG,V1

、V2内部电流仍维持原来的方向,只要满足阳极正偏的条件,晶闸管就一直导通。第十五页，共九十六页，2022年，8月28日晶闸管的关断在晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持，即使控制极电流消失，晶闸管仍将处于导通状态。因此，控制极的作用仅是触发晶闸管使其导通，导通之后，控制极就失去了控制作用。要想关断晶闸管，最根本的方法就是必须将阳极电流减小到使之不能维持正反馈的程度，也就是将晶闸管的阳极电流减小到小于维持电流。可采用的方法有：将阳极电源断开；改变晶闸管的阳极电压的方向，即在阳极和阴极间加反向电压。第十六页，共九十六页，2022年，8月28日几点结论（非常重要）

1.晶闸管具有单向导电和可控开通的开关特性。

2.晶闸管由阻断状态转为导通状态时，应具备两个条件：从主电路看，晶闸管应承受正向阳极电压；从控制回路看，应有符合要求的正向门极电流。

3.晶闸管导通后，只要具备维持导通的主回路条件，晶闸管就维持导通状态，门极便失去控制作用，其阳极电流由外电路决定。

4.欲使晶闸管关断，必须从主电路采取措施，使晶闸管阳极电流下降至维持电流之下，通常还要施加一定时间的反向阳极电压。第十七页，共九十六页，2022年，8月28日晶闸管的阳极伏安特性第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性IG2>IG1>IG第十八页，共九十六页，2022年，8月28日晶闸管的正向特性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。第十九页，共九十六页，2022年，8月28日晶闸管的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，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。第二十页，共九十六页，2022年，8月28日晶闸管的动态特性第二十一页，共九十六页，2022年，8月28日晶闸管的开通过程延迟时间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。上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+tr

普通晶闸管延迟时为0.5~1.5s，上升时间为0.5~3s。第二十二页，共九十六页，2022年，8月28日晶闸管的关断过程反向阻断恢复时间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。

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。第二十三页，共九十六页，2022年，8月28日晶闸管的电压额定参数1）正向重复峰值电压UDRM:

门极断开(Ig=0),元件处在额定结温时,正向阳极电压为正向阻断不重复峰值电压UDSM(此电压不可连续施加)的80%所对应的电压(此电压可重复施加,其重复频率为50HZ，每次持续时间不大于10ms)。2）反向重复峰值电压URRM:

元件承受反向电压时,阳极电压为反向不重复峰值电压URRM的80%所对应的电压。3）晶闸管铭牌标注的额定电压Ue通常取UDRM与URRM中的最小值,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2～3倍。即Ue=（2～3）UM

（2-7）

UM为晶闸管实际承受的最大重复电压。第二十四页，共九十六页，2022年，8月28日晶闸管的电流额定参数1）维持电流ＩＨ：在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降至刚好能保持导通的最小阳极电流为维持电流ＩH

。2）掣住电流ＩL

：给晶闸管门极加上触发电压，当元件刚从阻断状态转为导通状态就撤除触发电压，此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称掣住电流ＩL。对同一晶闸管来说，掣住电流ＩL

要比维持电流ＩH

大2~4倍。第二十五页，共九十六页，2022年，8月28日晶闸管的电流额定参数3）通态平均电流─额定电流ITa

在环境温度为40℃和规定的冷却条件下,晶闸管在电阻性负载导通角不小于170°的单相工频正弦半波电路中,当结温稳定且不超过额定结温时所允许的最大通态平均电流。在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算后至少还要乘以1.5～2的安全系数，使其有一定的电流裕量。第二十六页，共九十六页，2022年，8月28日晶闸管的电流额定参数4）通态平均电流─额定电流ITa的计算方法

根据平均值、有效值的定义对正弦半波电流有如下关系：从上两式有：I=1.57ITa(2-10)晶闸管电流定额可按下式选择，IVT为晶闸管实际通过电流的有效值。（2-11）第二十七页，共九十六页，2022年，8月28日晶闸管的动态参数通态电流临界上升率

di/dt定义：晶闸管能承受而没有损害影响的最大通态电流上升率称通态电流临界上升率

di/dt。影响：门极流入触发电流后，晶闸管开始只在靠近门极附近的小区域内导通，随着时间的推移，导通区才逐渐扩大到PN结的全部面积。如果阳极电流上升得太快，则会导致门极附近的ＰＮ结因电流密度过大而烧毁，使晶闸管损坏。第二十八页，共九十六页，2022年，8月28日晶闸管的动态参数断态电压临界上升率du/dt定义：把在规定条件下，不导致晶闸管直接从断态转换到通态的最大阳极电压上升率，称为断态电压临界上升率du/dt。

影响：晶闸管的结面在阻断状态下相当于一个电容，若突然加一正向阳极电压，便会有一个充电电流流过结面，该充电电流流经靠近阴极的ＰＮ结时，产生相当于触发电流的作用，如果这个电流过大，将会使元件误触发导通。第二十九页，共九十六页，2022年，8月28日晶闸管的型号第三十页，共九十六页，2022年，8月28日晶闸管的主要派生器件1.快速晶闸管(FastSwitchingThyristor—FST可允许开关频率在400HZ以上工作的晶闸管称为快速晶闸管(FastSwitchingThyrister，简称FST)，开关频率在10KHZ

以上的称为高频晶闸管。快速晶闸管为了提高开关速度，其硅片厚度做得比普通晶闸管薄，因此承受正反向阻断重复峰值电压较低，一般在2000V以下。快速晶闸管du/dt的耐量较差，使用时必须注意产品铭牌上规定的额定开关频率下的du/dt，当开关频率升高时，du/dt

耐量会下降。第三十一页，共九十六页，2022年，8月28日晶闸管的主要派生器件2.逆导晶闸管(RCT)将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。与普通晶闸管相比，逆导晶闸管具有正压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点；根据逆导晶闸管的伏安特性可知，它的反向击穿电压很低；因此只能适用于反向不需承受电压的场合；逆导晶闸管存在着晶闸管区和整流管区之间的隔离区；逆导晶闸管的额定电流分别以晶闸管和整流管的额定电流表示。a)电气图形符号b)伏安特性第三十二页，共九十六页，2022年，8月28日晶闸管的主要派生器件3.双向晶闸管(TRIAC)可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（SSR）和交流电机调速等领域应用多。

通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。a)电气图形符号b)伏安特性第三十三页，共九十六页，2022年，8月28日可关断晶闸管结构与符号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。和普通晶闸管的不同点：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。第三十四页，共九十六页，2022年，8月28日可关断晶闸管的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。第三十五页，共九十六页，2022年，8月28日可关断晶闸管的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tf

。残存载流子复合——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。第三十六页，共九十六页，2022年，8月28日可关断晶闸管的开关损耗GTO在通态和断态时损耗较小，在开通和关断的动态过程中损耗较大。在开通过程中，最大瞬时损耗功率出现在上升时间tr内，在不超过门极平均耗散功率的前提下，提高门极电流脉冲的幅值、宽度和前沿陡度可缩短开通时间，降低开通损耗。在关断过程中，出现两次峰值损耗功率。一次在下降时间tf内，一次在尾部时间tt内。提高门极关断电流脉冲的幅值和前沿陡度，尽可能使负电压脉冲后沿衰减缓慢，尽量减小主电路电感，合理设置吸收电路，可降低关断损耗。第三十七页，共九十六页，2022年，8月28日GTO的主要技术参数1.断态不重复峰值电压Udsm。使用只绝对不允许超过。2.可关断峰值电流ITGQM。它是GTO的额定电流。3.维持电流IH。导通状态下的GTO阳极电流减小至开始出现部分GTO元不能再维持导通状态的阳极电流值。4.掣住电流IL。GTO经门极触发后，阳极电流上升到能够保持所有GTO元导通的最低值。第三十八页，共九十六页，2022年，8月28日GTO的主要技术参数5.开通时间tgt

。延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1~2s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。6.关断时间tq。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。7.电流关断增益off。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。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

。第三十九页，共九十六页，2022年，8月28日GTO的吸收电路设置吸收（缓冲）电路的目的是：

(1)减轻GTO在开关过程中的功耗。为了降低开通时的功耗，必须抑制GTO开通时阳极电流上升率。GTO关断时会出现挤流现象，即局部地区因电流密度过高导致瞬时温度过高，甚至使GTO无法关断。为此必须在管子关断时抑制电压上升率。

(2)抑制静态电压上升率，过高的电压上升率会使GTO因位移电流产生误导通。下图为GTO的阻容吸收电路，其电路形式和工作原理与普通晶闸管电路基本相似。图（a）只能用于小电流电路；图（b）与图（c）是较大容量GTO电路中常见的缓冲器，其二极管尽量选用快速型、接线短的二极管，这将使缓冲器阻容效果更显著。第四十页，共九十六页，2022年，8月28日GTO的吸收电路第四十一页，共九十六页，2022年，8月28日电力晶体管的结构与符号GTR与普通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。第四十二页，共九十六页，2022年，8月28日GTR的开关特性开通过程：延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。td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。第四十三页，共九十六页，2022年，8月28日GTR的开关特性关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff

。ts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。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。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。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。第四十四页，共九十六页，2022年，8月28日GTR的最大额定值1.最高工作电压

UM。GTR上电压超过规定值时会发生击穿，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。2.集电极最大允许电流IcM。通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3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.最高结温TjM。一般情况下，塑封硅管的TjM为125℃～150℃，金属封硅管的TjM为150℃～170℃，高可靠平面管的TjM为175℃～200℃。

4.集电极最大耗散功率PcM。最高工作温度下允许的耗散功率。第四十五页，共九十六页，2022年，8月28日GTR的二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。第四十六页，共九十六页，2022年，8月28日GTR的二次击穿一次击穿、二次击穿原理二次击穿临界线第四十七页，共九十六页，2022年，8月28日GTR的安全工作区安全工作区SOA(SafeOperationArea)是指在输出特性曲线图上GTR能够安全运行的电流、电压的极限范围。按基极偏置分类可分为正偏安全工作区FBSOA和反偏安全工作区RBSOA。第四十八页，共九十六页，2022年，8月28日GTR的正偏安全工作区FBSOA

正偏安全工作区又叫开通安全工作区，它是基极正向偏置条件下由GTR的最大允许集电极电流ICM、最大允许集电极电压BUCEO、最大允许集电极功耗PCM以及二次击穿功率PSB四条限制线所围成的区域。第四十九页，共九十六页，2022年，8月28日GTR的反偏安全工作区RBSOA反偏安全工作区又称GTR的关断安全工作区。它表示在反向偏置状态下GTR关断过程中电压UCE、电流IC限制界线所围成的区域。第五十页，共九十六页，2022年，8月28日GTR的保护与基流控制GTR的过电流保护只能采取快速封锁驱动电路的方式，快速检测和快速响应是影响保护性能的主要因素。基极电流控制应从以下几个方面考虑：1.开通时应保证有足够的峰值，缩短开通时间，降低开通损耗。2.开通后要维持GTR工作在准饱和状态，避免进入放大状态。3.关断时尽量提供较大的电流，缩短关断时间，减小关断损耗。第五十一页，共九十六页，2022年，8月28日功率场效应管MOSFET结构与符号分为结型和绝缘栅型（类似小功率FieldEffectTransistor——FET）但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）第五十二页，共九十六页，2022年，8月28日MOSFET的工作原理（1）截止：栅源电压UGS≤0或0＜UGS≤UT(UT为开启电压，又叫阈值电压)；（2）导通：UGS＞UT时，加至漏极电压UDS＞0；（3）漏极电流ID

：VDMOS的漏极电流ID受控于栅压UGS

；第五十三页，共九十六页，2022年，8月28日MOSFET的主要参数1.漏源击穿电压BUDSSBUDSS决定了VDMOS的最高工作电压，它是为了避免器件进入雪崩区而设立的极限参数。2.最大漏极电流IDMIDM表征器件的电流容量。当UGS=10V，UDS为某一数值时，漏源间允许通过的最大电流称为最大漏极电流。3.栅源击穿电压BUGSBUGS是为了防止绝缘栅层因栅源间电压过高而发生介电击穿而设立的参数。一般BUGS=±20V。4.通态电阻Ron

在确定的栅压UGS下，VDMOS由可调电阻区进入饱和区时漏极至源极间的直流电阻称为通态电阻Ron

。Ron是影响最大输出功率的重要参数。在相同条件下，耐压等级越高的器件其Ron值越大，另外Ron随ID的增加而增加，随UGS的升高而减小。第五十四页，共九十六页，2022年，8月28日正偏安全工作区(FBSOA)：四条边界极限：1）漏源通态电阻限制线I(由于通态电阻Ron大，因此器件在低压段工作时要受自身功耗的限制)；2）最大漏极电流限制线Ⅱ；3）最大功耗限制线Ⅲ；4）最大漏源电压限制线Ⅳ；第五十五页，共九十六页，2022年，8月28日开关安全工作区(SSOA)开关安全工作区(SSOA)反应VDMOS在关断过程中的参数极限范围；由最大峰值漏极电流IDM、最小漏源击穿电压BUDSS和最高结温TJM所决定。第五十六页，共九十六页，2022年，8月28日换向安全工作区(CSOA)换向安全工作区(CSOA)是器件寄生二极管或集成二极管反向恢复性能所决定的极限工作范围。在换向速度(寄生二极管反向电流变化率)一定时，CSOA由漏极正向电压UDS(即二极管反向电压UR)和二极管的正向电流的安全运行极限值IFM来决定。第五十七页，共九十六页，2022年，8月28日MOSFET的特点1.开关速度快，一般为10ns~100ns。2.温度稳定性好，通态电阻具有正温度系数，可实现自动均流。3.输入阻抗大、驱动功率小，因此驱动电路也较简单。4.导通电阻大、通态压降大，因此在大电流时通态损耗较大。第五十八页，共九十六页，2022年，8月28日绝缘栅晶体管IGBT：绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor)。兼具功率MOSFET高速开关特性和GTR的低导通压降特性两者优点的一种复合器件。结构、等效电路、符号第五十九页，共九十六页，2022年，8月28日IGBT的工作原理

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：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。导通压降：电导调制效应使电阻晶体管基区调制电阻RN减小，使通态压降小。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。第六十页，共九十六页，2022年，8月28日IGBT的静态特性

a)转移特性b)输出特性第六十一页，共九十六页，2022年，8月28日IGBT的工作原理（1）IGBT的转移特性曲线IGBT开通：UGE>UGE(TH)(开启电压,一般为3～6V)；其输出电流Ic与驱动电压UGE基本呈线性关系；IGBT关断：UGE<UGE(TH)（2）IGBT的伏安特性（如前图a)

反映在一定的栅极一发射极电压UGE下器件的输出端电压UCE与电流Ic的关系。

IGBT的伏安特性分为:截止区、有源放大区、饱和区和击穿区。第六十二页，共九十六页，2022年，8月28日IGBT的动态特性

ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM第六十三页，共九十六页，2022年，8月28日IGBT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td(on)——从uGE上升至其幅值10%的时刻，到iC上升至10%ICM²

。

电流上升时间tr

——iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间。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。tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。第六十四页，共九十六页，2022年，8月28日IGBT的关断过程关断延迟时间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——iC从90%ICM下降至10%ICM

。

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。tfi1——IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。第六十五页，共九十六页，2022年，8月28日IGBT的掣住效应

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。动态擎住效应比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。第六十六页，共九十六页，2022年，8月28日IGBT的安全工作区

正偏安全工作区FBSOA：IGBT在开通时为正向偏置时的安全工作区，如图(a)所示。反偏安全工作区RBSOA：IGBT在关断时为反向偏置时的安全工作区，如图(b)IGBT的导通时间越长，发热越严重，安全工作区越小。

在使用中一般通过选择适当的UCE和栅极驱动电阻控制，避免IGBT因过高而产生擎住效应。第六十七页，共九十六页，2022年，8月28日IGBT的特点

(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。第六十八页，共九十六页，2022年，8月28日MOS控制晶闸管（MCT）结构与符号MCT是在SCR结构中集成一对MOSFET构成的，通过MOSFET来控制SCR的导通和关断。使MCT导通的MOSFET称为ON-FET，使MCT关断的MOSFET称为OFF-FETMCT的元胞有两种结构类型，一种为N-MCT，另一种为P-MCT。三个电极称为栅极G、阳极A和阴极K第六十九页，共九十六页，2022年，8月28日MCT的特点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年代以来一度成为研究的热点。但经过十多年的努力，其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。第七十页，共九十六页，2022年，8月28日集成门极换流晶闸管IGCT集成门极换流晶闸管IGCT（IntegratedGateCommutatedThyristor）是1996年问世的一种新型半导体开关器件。该器件是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一个整体形成的。门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一种新型电力半导体器件，它不仅有与GTO相同的阻断能力和低通态压降，而且有与IGBT相同的开关性能，即它是GTO与IGBT相互取长补短的结果，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件，目前单只容量可达到4500V/4000A。在实际应用中，电压较低时可选用IGBT，电压较高时可选用IGCT。第七十一页，共九十六页，2022年，8月28日集成门极换流晶闸管IGCT结构图的左侧是GCT，右侧是反并联的二极管。第七十二页，共九十六页，2022年，8月28日注入增强门极晶体管IEGT为了克服IGBT的缺点（正向压降较大），日本东芝公司于1999年推出4500V注入增强门极晶体管（IEGT），它属于IGBT大类，又不同于常规的IGBT。IEGT是一种兼顾GTO优点与IGBT优点于一体的新型特大功率半导体器件。它的设计思路是在IGBT的基础上，使其内部的载流子分布趋近于GTO的注入增强结构，从而大大降低其正向压降。在IEGT中，MOS栅极结构的作用如同具有高电子注入效率的发射极，并实现在发射极的N型高阻基区层中存储大量载流子，使IEGT获得类似于晶闸管的开态特性和低的正向压降。目前IEGT的容量可达1500A/4500V。第七十三页，共九十六页，2022年，8月28日IEGT与IGBT的I/V特性比较第七十四页，共九十六页，2022年，8月28日IEGT的结构与外形IEGT的结构模压封装的IEGT外形第七十五页，共九十六页，2022年，8月28日功率集成电路功率集成电路(PIC)是指将功率半导体器件及其驱动电路等组合在同一个芯片或封装中，即把更多功能的控制部分、功率部分或保护电路都组合在一个器件中。采用PIC可以提高电路的功率密度，简化安装工艺，提高电力电子装置性能。目前，PIC内部使用的功率器件通常为MOSFET或IGBT。PIC自20世纪80年代问世以来，发展十分迅速，已成为电力电子技术的重要发展方向。PIC有很多品种，如智能功率模块(intelligentPowerModule简称IPM)、用户专用智能功率模块(ApplicationSpecificIPM简称ASIPM)、简单PIC等。IPM就是将电力电子器件与驱动电路、保护电路、检测电路等组成在一个芯片或模块内，使装置更趋小型化、智能化。目前，IPM中的功率器件一般由IGBT充当，主要用于交流传动系统的电动机控制、家用电器等。IPM体积小、可靠性高、使用方便，得到了广泛应用。下面以IPM为例分析PIC的结构、功能。第七十六页，共九十六页，2022年，8月28日功率集成电路IPM内部多采用IGBT作为功率器件。根据内部功率电路配置的不同，IPM内部可集成多个IGBT单元，常用的IPM内部封装了一个、二个、六个或七个IGBT。小功率的IPM使用多层环氧绝缘系统，中大功率的IPM使用陶瓷绝缘。典型的IPM功能框图如下图所示。IPM内置驱动和保护电路，隔离接口电路需用户自己设计。第七十七页，共九十六页，2022年，8月28日功率集成电路IPM内置有驱动和保护电路。驱动电路与功率器件可以更好地匹配，这使得功率器件工作更可靠。保护电路可以实现控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护。如果IPM模块中有一种保护电路的动作，IGBT栅极驱动单元就合关断门极电流并输出一个故障信号。(1)控制电压欠压保护：IPM使用单一电源供电，若供电电压低于规定值且时间超过设定值，则发生欠压保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。(2)过热保护；在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当IPM温度传感器测出其基板的温度超过规定温度值时，发生过热保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。(3)过流保护：若流过IGBT的电流值超过规定过流动作电流，且时间超过规定值，则发生过流保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。IPM内置的驱动和保护电路便系统硬件电路简单、可靠，缩短了系统开发时间，也提高了故障下的自保护能力。与普通的1GBT模块相比，IPM在系统性能及可靠性方面都有进一步的提高。第七十八页，共九十六页，2022年，8月28日电力电子器件的驱动概述驱动电路——主电路与控制电路之间的接口使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路的基本任务：将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。

对半控型器件只需提供开通控制信号。对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。第七十九页，共九十六页，2022年，8月28日GTO的几种驱动电路第八十页，共九十六页，2022年，8月28日MOSFET的一种驱动电路第八十一页，共九十六页，2022年，8月28日IGBT的一种驱动电路第八十二页，共九十六页，2022年，8月28日过电压保护措施电力电子装置可能发生的过电压有外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要由雷击和系统操作过程等外部因素造成。雷击过电压指由雷电引起的过电压。系统操作过电压由分闸、合闸等开关操作引起。电力电子电路中通常含有变压器、电感(包括线路等效电感)等器件。电路分间断开电路的过程中，因电感电流不能突变，会在变压器、电感等元件中产生感应过电压，这种电压施加到电力电子器件上会形成操作过电压。电路合闸瞬间，由于变压器原、副边分布电容的存在，高压变压器原边电压会直接传递到副边，也会在电力电子器件上形成操作过电压。内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。(1)换相过电压：品闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，不能立即恢复反向阻断能力，在外部电源作用下会有较大反向电流流过二极管，使内部载流子恢复，PN结空间电荷层由导通