电力电子器件概述

1-1第2章电力电子器件2.1电力电子器件概述2.2不可控器件——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2.6功率集成电路与集成电力电子模块本章小结及作业第一页，共九十三页。1-2电子技术的基础

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电子器件：晶体管和集成电路电力电子电路的基础

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电力电子器件第2章电力电子器件本章主要内容：概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。介绍常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意问题。第二页，共九十三页。1-32.1.1

电力电子器件的概念和特征2.1.2

应用电力电子器件的系统组成2.1.3

电力电子器件的分类2.1.4

本章内容和学习要点2.1

电力电子器件概述第三页，共九十三页。1-41.概念:电力电子器件（PowerElectronicDevice）

——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路（MainPowerCircuit）

——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.分类:

电真空器件

(汞弧整流器、闸流管)

半导体器件

(采用的主要材料硅）仍然2.1.1

电力电子器件的概念和特征电力电子器件第四页，共九十三页。1-5能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制（驱动电路）。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。2.1.1

电力电子器件的概念和特征3.同处理信息的电子器件相比的一般特征：第五页，共九十三页。1-6通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗2.1.1

电力电子器件的概念和特征

电力电子器件的损耗第六页，共九十三页。1-7电力电子系统：由控制电路、驱动电路、检测电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。图2-1

电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行2.1.2

应用电力电子器件的系统组成电气隔离控制电路第七页，共九十三页。1-8半控型器件（Thyristor）

——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。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断，又称自关断器件。不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。2.1.3

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：第八页，共九十三页。1-9电流驱动型

——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。电压驱动型

——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。2.1.3

电力电子器件的分类

按照驱动电路信号的性质，分为两类：

按照载流子参与导电的情况，分为三类：

单级型、双极型和复合型第九页，共九十三页。1-10本章内容:介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。第9章将集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串/并联使用这三个问题。学习要点:最重要的是掌握其基本特性。掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法。了解主电路中对其他电路元件有特殊的要求。2.1.4

本章学习内容与学习要点第十页，共九十三页。1-112.2.1PN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2.2

不可控器件—电力二极管第十一页，共九十三页。1-12

PowerDiode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。2.2

不可控器件—电力二极管·引言整流二极管及模块第十二页，共九十三页。1-13知识回顾——杂质半导体在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能力将大大增强1.N型半导体

在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素，由于这类元素的原子最外层有5个价电子，故在构成的共价键结构中，由于存在多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N型半导体，其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子。第十三页，共九十三页。1-142.P型半导体

在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素，由于这类元素的原子最外层只有3个价电子，故在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半导体或P型半导体，其中空穴为多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流子。第十四页，共九十三页。1-15PN结PN结的形成

P型和N型两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层→PN结。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。

在半导体中，载流子因为浓度差从浓度高的区域向浓度低的区域运动，称为扩散运动。第十五页，共九十三页。1-16PN结的单向导电性1.外加正向电压（正向偏置）

外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，形成较大的正向电流，这时称PN结处于导通状态。第十六页，共九十三页。1-172.外加反向电压（反向偏置）外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，反向电流很小，这时称PN结处于截止状态。第十七页，共九十三页。1-18基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。图2-2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2.2.1PN结与电力二极管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK第十八页，共九十三页。1-19低掺杂N区（漂移区，DriftRegion)P区和N区之间多加的一层。可以受很高的电压而不致击穿。低掺杂N区越厚，电力二极管能够受的反向电压就越高。2.2.1PN结与电力二极管的工作原理图2-4电力二极管内部结构断面示意图第十九页，共九十三页。1-20

状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态——PN结的反向击穿（两种形式)雪崩击穿齐纳击穿均可能导致热击穿（不可恢复）2.2.1PN结与电力二极管的工作原理PN结的状态第二十页，共九十三页。1-21主要指其伏安特性门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。正向电压降UF

反向漏电流图2-4电力二极管的伏安特性2.2.2

电力二极管的基本特性1.静态特性IOIFUTOUFU第二十一页，共九十三页。1-22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）。正向恢复时间tfrUFPuiiFuFtfrt02V图2-6(b)开通过程2.2.2

电力二极管的基本特性

开通过程

关断过程延时后进入截止状态。关断前有较大的反向电流，并伴有明显的反向电压过冲。反向恢复时间trrIFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图2-6(a)关断过程2)动态特性第二十二页，共九十三页。1-23额定电流——在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。正弦半波的平均值与有效值之比为1:1.57IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，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。2.2.3

电力二极管的主要参数1)

正向平均电流IF(AV)第二十三页，共九十三页。1-24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。3）反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。

4）反向恢复时间trr

trr=td+tf2.2.3

电力二极管的主要参数2）正向压降UF第二十四页，共九十三页。1-25TJ结温：管芯PN结的平均温度TJM：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125~175C范围之内。6)浪涌电流IFSM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。2.2.3

电力二极管的主要参数5）最高工作结温TJM第二十五页，共九十三页。1-261)普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（RectifierDiode）多用于开关频率不高（<1kHz）的整流电路其反向恢复时间较长（>5us）额定电压和额定电流可以达到很高（kV，kA）2.2.4

电力二极管的主要类型第二十六页，共九十三页。1-27反向恢复时间短（<50ns），正向压降低（0.9V左右），反向耐压值较低（<1200V）2.2.4

电力二极管的主要类型2)快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优点反向恢复时间短（10~40ns）。正向恢复过程中没有明显的电压过冲。效率高，开关损耗和正向导通损耗小3.肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD）。第二十七页，共九十三页。1-282.3

半控型器件—晶闸管2.3.1

晶闸管的结构与工作原理2.3.2

晶闸管的基本特性2.3.3

晶闸管的主要参数2.3.4

晶闸管的派生器件第二十八页，共九十三页。1-292.3

半控器件—晶闸管-引言1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。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。晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）第二十九页，共九十三页。1-30图2-7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

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。三个联接端：阴极K，阳极A，门极G螺栓型封装，通常螺栓是阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。第三十页，共九十三页。1-312.3.1

晶闸管的结构与工作原理常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构第三十一页，共九十三页。1-322.3.1

晶闸管的结构与工作原理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。由以上式可得：图2-8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

按晶体管的工作原理：（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）（2-5）第三十二页，共九十三页。1-332.3.1

晶闸管的结构与工作原理

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。开通状态：注入触发电流，晶体管的发射极电流增大，迅速增大，1+2趋近于1，流过晶闸管的电流IA将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。第三十三页，共九十三页。1-342.3.1

晶闸管的结构与工作原理阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高光触发光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。其他触发导通的情况：第三十四页，共九十三页。1-352.3.2

晶闸管的基本特性承受反向电压时，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。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。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。晶闸管正常工作时的特性总结如下：第三十五页，共九十三页。1-362.3.2

晶闸管的基本特性（1）正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，正向漏电流很小，正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ubo，漏电流急剧增大，器件开通。IG幅值增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，1V左右。维持电流IH正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1）静态特性图2-9晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG第三十六页，共九十三页。1-372.3.2

晶闸管的基本特性反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，反向漏电流极小。反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。图2-9晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性第三十七页，共九十三页。1-381)

开通过程延迟时间td(0.5~1.5s)上升时间tr(0.5~3s)开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+tr

（2-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2)

关断过程反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq以上两者之和tq=trr+tgr

（2-7)普通晶闸管的关断时间约几百微秒2）

动态特性图2-10晶闸管的开通和关断过程波形第三十八页，共九十三页。1-392.3.3

晶闸管的主要参数断态重复峰值电压UDRM

——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。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。通态（峰值）电压UT——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。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，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。使用注意：1）电压定额第三十九页，共九十三页。1-402.3.3

晶闸管的主要参数通态平均电流IT(AV）——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流的平均值。标称其额定电流的参数。如果正弦波的峰值为，则正弦半波电流的平均值为：则正弦半波电流的有效值为：第四十页，共九十三页。1-41产器中手册中额定电流为100A的晶闸管可以通过任意波形、有效值为157A的电流，其发热温升正好是允许值。由于晶闸管电力电子半导体开关器件热容量很小，实际电路中的过电流又不可避免，故在设计应用中通常有1.5-2.0倍的电流安全裕量。第四十一页，共九十三页。1-422.3.3

晶闸管的主要参数维持电流IH

——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。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。浪涌电流ITSM——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。2）电流定额第四十二页，共九十三页。1-432.3.3

晶闸管的主要参数

除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：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。

——电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。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，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。3）动态参数第四十三页，共九十三页。IOUIG=0GT1T21-442.3.4晶闸管的派生器件关断时间：普通晶闸管数百s，快速晶闸管数十s，高频晶闸管10s左右。电压和电流定额较低。1）快速晶闸管2）双向晶闸管一对反并联晶闸管的集成有两个主电极T1和T2，一个门极G。在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。第四十四页，共九十三页。1-452.3.4晶闸管的派生器件逆导晶闸管a)KGAb)UOIIG=0图2-12逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性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。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。第四十五页，共九十三页。1-462.3.4晶闸管的派生器件光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）AGKa)AK光强度强弱b)OUIA图2-13光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性利用光照信号触发导通的晶闸管。光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，可避免电磁干扰的影响。目前在高压大功率场合应用。第四十六页，共九十三页。1-472.4典型全控型器件2.4.1

门极可关断晶闸管GTO2.4.2

电力晶体管GTR2.4.3

电力场效应晶体管MOSFET2.4.4

绝缘栅双极晶体管IGBT第四十七页，共九十三页。1-482.4典型全控型器件·引言门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。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。第四十八页，共九十三页。1-492.4典型全控型器件·引言常用的典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块第四十九页，共九十三页。1-502.4.1

门极可关断晶闸管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。门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）第五十页，共九十三页。1-512.4.1

门极可关断晶闸管结构：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。图2-14GTO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b)并联单元结构断面示意图c)电气图形符号1）GTO的结构和工作原理第五十一页，共九十三页。1-522.4.1

门极可关断晶闸管GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程中有强烈正反馈,使器件退出饱和而关断。多元集成结构使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。

关于GTO可以得到以下结论：第五十二页，共九十三页。1-532.4.1

门极可关断晶闸管开通过程：与普通晶闸管相同关断过程：与普通晶闸管有所不同储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。下降时间tf尾部时间tt

—残存载流子复合。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，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6

图2-15

GTO的开通和关断过程电流波形GTO的动态特性第五十三页，共九十三页。1-542.4.1

门极可关断晶闸管（1）最大可关断阳极电流IATO（2）

电流关断增益offGTO的一个主要缺点：off一般很小，只有5左右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GTO的主要参数以下只介绍与普通晶闸管意义不同的参数。第五十四页，共九十三页。1-552.4.1

门极可关断晶闸管——

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。下降时间一般小于2s。（4）关断时间toff（3）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

。第五十五页，共九十三页。1-562.4.2电力晶体管电力晶体管（GiantTransistor——GTR）。耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有时也称为PowerBJT

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。术语用法：第五十六页，共九十三页。1-57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。2.4.2电力晶体管1）GTR的结构和工作原理图2-16GTR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)内部载流子的流动第五十七页，共九十三页。1-582.4.3电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）简称电力MOSFET（PowerMOSFET）

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。电力场效应晶体管第五十八页，共九十三页。1-592.4.3电力场效应晶体管电力MOSFET的种类

按导电沟道可分为P沟道和N沟道。

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——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。1）电力MOSFET的结构和工作原理第五十九页，共九十三页。1-602.4.3电力场效应晶体管电力MOSFET的结构是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。图2-20电力MOSFET的结构和电气图形符号第六十页，共九十三页。1-612.4.3电力场效应晶体管截止：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：在栅源极间加正电压UGS图2-20电力MOSFET的结构和电气图形符号电力MOSFET的工作原理第六十一页，共九十三页。1-622.4.3电力场效应晶体管截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应GTR的饱和区）工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。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。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。图2-21电力MOSFET的转移特性和输出特性

a)转移特性b)输出特性MOSFET的漏极伏安特性：010203050402468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A第六十二页，共九十三页。1-632.4.3电力场效应晶体管开通过程开通延迟时间td(on)

上升时间tr开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和关断过程关断延迟时间td(off)下降时间tf关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图2-22

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—检测漏极电流动态特性第六十三页，共九十三页。1-642.4.3电力场效应晶体管■电力MOSFET的主要参数

◆漏极电压UDS

☞标称电力MOSFET电压定额的参数。◆漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM

☞标称电力MOSFET电流定额的参数。

◆栅源电压UGS

☞栅源之间的绝缘层很薄，UGS>20V将导致绝缘层击穿。

◆极间电容

☞

CGS、CGD和CDS。◆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。

第六十四页，共九十三页。1-652.4.3电力场效应晶体管可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。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。MOSFET的开关速度第六十五页，共九十三页。1-662.4.4

绝缘栅双极晶体管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-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。1986年投入市场，是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，以期取代GTO的地位。GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，通流能力强，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。第六十六页，共九十三页。1-672.4.4

绝缘栅双极晶体管1)IGBT的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极E图2-23IGBT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)电气图形符号第六十七页，共九十三页。1-682.4.4

绝缘栅双极晶体管

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。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。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。IGBT的原理第六十八页，共九十三页。1-69a)b)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加2.4.4

绝缘栅双极晶体管2)IGBT的基本特性

(1)

IGBT的静态特性图1-23IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性转移特性——IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th))输出特性分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。第六十九页，共九十三页。1-702.4.4

绝缘栅双极晶体管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM图1-24IGBT的开关过程IGBT的开通过程

与MOSFET相似开通延迟时间td(on)

电流上升时间tr

开通时间tonuCE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。IGBT中的PNP晶体管由放大状态转入饱和状态也需要一个过程。(2)

IGBT的动态特性第七十页，共九十三页。1-712.4.4

绝缘栅双极晶体管图1-24IGBT的开关过程关断延迟时间td(off）电流下降时间tf

关断时间toff电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1——IGBT器件内部的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。IGBT的关断过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM第七十一页，共九十三页。1-722.4.4

绝缘栅双极晶体管3)IGBT的主要参数——正常工作温度下允许的最大功耗。(3)

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——由内部PNP晶体管的击穿电压确定。(1)

最大集射极间电压UCES第七十二页，共九十三页。1-732.4.4

绝缘栅双极晶体管IGBT的特性和参数特点可以总结如下：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GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比VDMOSFET低。输入阻抗高，输入特性与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。第七十三页，共九十三页。1-74ExamplesofcommercialIGBT第七十四页，共九十三页。1-75ComparisonofthemajortypesofdevicesMaximumallowedcurrentdensityasafunctionoftheswitchingfrequency应用场合广泛第七十五页，共九十三页。1-762.5其他新型电力电子器件2.5.1MOS控制晶闸管MCT2.5.2静电感应晶体管SIT2.5.3静电感应晶闸管SITH2.5.4集成门极换流晶闸管IGCT2.5.5基于宽禁带半导体的电力电子器件第七十六页，共九十三页。1-772.5.1

MOS控制晶闸管MCTMCT结合了二者的优点：承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小。高电压，大电流、高载流密度，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。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。MCT（MOSControlledThyristor）——MOSFET与晶闸管的复合第七十七页，共九十三页。1-782.5.2静电感应晶体管SIT多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。缺点：栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太方便。通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。SIT（StaticInductionTransistor）——结型场效应晶体管第七十八页，共九十三页。1-792.5.3静电感应晶闸管SITHSITH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。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。

SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，电流关断增益较小，制造工艺复杂，因而其应用范围还有待拓展。SITH（StaticInductionThyristor）——场控晶闸管（FieldControlledThyristor—FCT）第七十九页，共九十三页。1-802.5.4集成门极换流晶闸管IGCT20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍。可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）第八十页，共九十三页。1-81电力电子系统示例：工业变频器——主电路（级联H桥型）第八十一页，共九十三页。1-822.5.5基于宽禁带半导体材料的电力电子器件■硅的禁带宽度为1.12电子伏特（eV），而宽禁带半导体材料是指禁带宽度在3.0电子伏特左右及以上的半导体材料，典型的是碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石等材料。■基于宽禁带半导体材料（如碳化硅）的电力电子器件将具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和射线辐射的能力，许多方面的性能都是成数量级的提高。■宽禁带半导体器件的发展一直佑于材料的提炼和