電力電子技術(shù)講義

1、第第2 2章章 電力電子器件電力電子器件2.1電力電子器件概述2.2不可控器件電力二極管2.3半控型器件晶閘管2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型電力電子器件2.6 功率集成電路與集成電力電子模塊第第2 2章章 電力電子器件電力電子器件概述電力電子器件的概念概念、特點(diǎn)特點(diǎn)和分類分類等問題。介紹各種常用電力電子器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主要參數(shù)主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意問題。本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：電力電子電路的基礎(chǔ)電力電子電路的基礎(chǔ) 電力電子器件電力電子器件模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ)模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ)晶體管和集成電路等晶體管和集成電路等電子器件電子器件引言引言2

2、.1電力電子器件概述u電力電子器件電力電子器件可直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能變換或控制的電子器件。u主電路主電路電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。 廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類，目前專指電力半導(dǎo)體器件。電力半導(dǎo)體器件。電力半導(dǎo)體器件所采用的主要材料仍然是硅。2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征(1) 電力電子器件的概念電力電子器件的概念 1）其處理電功率的能力處理電功率的能力一般都遠(yuǎn)大大于處理信息的電子器件。(2) 電力電子器件的特征電力電子器件的特征2）為了減小本身的損耗，提高效率，為了減小本身的損耗，提高效率，電

3、力電子器件一般都工作在工作在開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)。作電路分析時，為簡單起見往往用理想開關(guān)來代替。作電路分析時，為簡單起見往往用理想開關(guān)來代替。3）實用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制由信息電子電路來控制。在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對控制電路的信號進(jìn)行放大，在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對控制電路的信號進(jìn)行放大，這就是電力電子器件的驅(qū)動電路。這就是電力電子器件的驅(qū)動電路。4）自身的自身的功率損耗功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計，在其工作時一般都要安裝散熱

4、器。安裝散熱器。2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征主要損耗通態(tài)損耗：斷態(tài)損耗：開關(guān)損耗：開通損耗：在器件開通的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗關(guān)斷損耗：在器件關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗對某些器件來講，驅(qū)動電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小，因而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因器件開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素 導(dǎo)通時器件上有一定的通態(tài)壓降阻斷時器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過電力電子器件的損耗電力電子器件的損耗2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征u電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動電路、

5、保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。圖2-1 電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2保護(hù)電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行電氣隔離控制電控制電路路控制電路按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷，來完成整個系統(tǒng)的功能 。2.1電力電子器件概述2.1.2 應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成(1) 按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度，分為以下三類：按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度，分為以下三類：1)半控型器件半控型器件絕緣柵雙極晶體管（Insulat

6、ed-Gate Bipolar TransistorIGBT）電力場效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）3)不可控器件不可控器件電力二極管（Power Diode）只有兩個端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電 流決定的。通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定2)全控型器件全控型器件通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。不能用控制信號來控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動電路。2.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類2.1電力電子器件概述(2)按

7、照驅(qū)動電路加在器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)，分為兩類： 1)電流驅(qū)動型電流驅(qū)動型 2) 電壓驅(qū)動型電壓驅(qū)動型通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制 2.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類(3)按照驅(qū)動信號的波形（電力二極管除外按照驅(qū)動信號的波形（電力二極管除外 ） 脈沖觸發(fā)型脈沖觸發(fā)型 通過在控制端施加一個電壓或電流的通過在控制端施加一個電壓或電流的脈沖脈沖信號來實現(xiàn)器件的開通或者信號來實現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制。關(guān)斷的控制。 電平控制型電平控制型 必須通過必須通過持續(xù)持續(xù)在控制端和公共端之間施

8、加一定電平的電壓或電流信號在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號來使器件開通并來使器件開通并維持維持在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。 (4)按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類： 1) 單極型器件單極型器件 2) 雙極型器件雙極型器件3) 復(fù)合型器件復(fù)合型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件 2.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類電力二極管（電力二極管（Power Diode）自自20世紀(jì)世紀(jì)50年代初期就獲得年代初期就獲得應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)和原理簡

9、單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二極管仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。極管仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少的，特別是開通和關(guān)斷速度很快的的，特別是開通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管和和肖特基肖特基二極管二極管，具有不可替代的地位。，具有不可替代的地位。 整流二極管及模塊整流二極管及模塊2.2不可控器件電力二極管AKAKa)IKAPNJb)c)圖2-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號2.2不可控器件

10、電力二極管ZP電流電流電壓電壓/100 2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理n電力二極管是以半導(dǎo)體電力二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)結(jié)為基礎(chǔ)的為基礎(chǔ)的,實際上是由一個面實際上是由一個面積較大的積較大的PN結(jié)結(jié)和和兩端引線兩端引線以及以及封裝封裝組成的。組成的。n從外形上看，可以有從外形上看，可以有螺栓型螺栓型、平板型平板型等多種封裝。等多種封裝。2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理二極管的基本原理二極管的基本原理PN結(jié)的結(jié)的單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦?當(dāng)當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時，在外電路上則結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時，在外電路上則形成自形成

11、自P區(qū)流入而從區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱為區(qū)流出的電流，稱為正向電流正向電流IF，這就是這就是PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。 當(dāng)當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時（反向偏置）時，反向偏置的結(jié)外加反向電壓時（反向偏置）時，反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止?fàn)顟B(tài)。止?fàn)顟B(tài)。 PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫截止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿反向擊穿。 按照機(jī)理

12、不同有按照機(jī)理不同有雪崩擊穿雪崩擊穿和和齊納擊穿齊納擊穿兩種形式兩種形式 。 反向擊穿發(fā)生時，采取了措施將反向電流限制在一反向擊穿發(fā)生時，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來的狀態(tài)。結(jié)仍可恢復(fù)原來的狀態(tài)。 否則否則PN結(jié)因過熱而燒毀，這就是結(jié)因過熱而燒毀，這就是熱擊穿熱擊穿。 u門檻電壓門檻電壓UTO，正向電流I IF F開始明顯增加所對應(yīng)的電壓。u與IF對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降正向電壓降UF 。u承受反向電壓時，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。圖1-4 電力二極管的伏安特性1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性IOIFUTOUFU2.2不可控器件電力二極管2.

13、2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性主要指其伏安特性伏安特性當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。 1. 正向平均電流正向平均電流IF(AV) 額定電流在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱 條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值工頻正弦半波電流的平均值。 正向平均電流IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，因此使用時應(yīng)按有效值相等有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。 2. 正向壓降正向壓降UF 指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降。 3. 反向重復(fù)峰值電

14、壓反向重復(fù)峰值電壓URRM 指對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。 額定電壓往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定。 2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)2.2不可控器件電力二極管 1. 普通二極管普通二極管 又稱整流二極管（Rectifier Diode）； 多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中； 其反向恢復(fù)時間較長，一般在5 s以上，這在開關(guān)頻率不高時并不重要； 正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。 2. 快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管 恢復(fù)過程很短特別是反向恢復(fù)過程很短（5 s以下）的二極管，也簡稱快速二

15、極管。從性能上可分為從性能上可分為快速恢復(fù)快速恢復(fù)和和超快速恢復(fù)超快速恢復(fù)兩個等級。前者反向恢復(fù)時兩個等級。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到以下，甚至達(dá)到2030ns。3. 肖特基二極管肖特基二極管反向恢復(fù)時間很短（1040ns），正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖，在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高 。弱點(diǎn)在于：當(dāng)所能承受的反向耐壓提高時其弱點(diǎn)在于：當(dāng)所能承受的反向耐壓提高時其正向壓降正向壓降也會高得不能滿足要求，也會高得不能滿足要求，因此多用于因此

16、多用于200V以下的低壓場合；以下的低壓場合；2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型2.2不可控器件電力二極管2.3半控型器件晶閘管2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管（晶閘管（Thyristor）是）是晶體閘流管晶體閘流管的簡稱，又稱作的簡稱，又稱作可控硅可控硅整流器（整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前，以前被簡稱為可控硅。被簡稱為可控硅。1956年美國貝爾實驗室（Bell Lab）發(fā)明了晶閘管1957年美國通用電氣公司（GE）開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品1958年商業(yè)化開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時

17、代20世紀(jì)80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位。2.3半控型器件晶閘管u外形有螺栓型和平板型兩種封裝u對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便u平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。u引出陽極陽極A、陰極、陰極K和門極（控和門極（控制端）制端）G三個聯(lián)接端。u內(nèi)部是內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。圖1-6 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號b)c)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J32.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原

18、理AAGGKKa)A螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管2.3半控型器件晶閘管內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu), P1P2N1N2P1P2N1N2K GAP1N1N2P2AGKN1P2KAT2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKG2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 T T1 1T T2 2G2Bii 1BG22Ciii 在極短時間內(nèi)使兩個三極管均在極短時間內(nèi)使兩個三極管均飽和導(dǎo)通，此過程稱觸發(fā)導(dǎo)通。飽和導(dǎo)通，此過程稱觸發(fā)導(dǎo)通。211CCii 2BG21ii E EG GE EA A+ +_ _R RGi2BiG21iG2i2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工

19、作原理式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由以上式可得 ：圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 工作原理 按晶體管的工作原理晶體管的工作原理 ，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（1-5）2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。 阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的漏電

20、流稍大于兩個晶體管漏電流之和。 開通（門極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，實現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實際由外電路決定。)(121CBO2CBO1G2AIIII（1-5）2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理除門極觸發(fā)外除門極觸發(fā)外其他幾種可能導(dǎo)通的情況其他幾種可能導(dǎo)通的情況：l陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)l 陽極電壓上升率du/dt過高l結(jié)溫較高l光直接照射硅片，即光觸發(fā)光觸發(fā) 只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段?？煽康目刂剖侄?/p>

21、。光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實踐，稱為光控晶閘管光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理1、2同時滿足同時滿足) 減小陽極電壓減小陽極電壓 增大負(fù)載電阻增大負(fù)載電阻 加反向陽極電壓加反向陽極電壓1)晶閘管正常工作時的特性晶閘管正常工作時的特性維持晶閘管導(dǎo)通的條件：維持晶閘管導(dǎo)通的條件： 保持流過晶閘管的陽極電流在其維持電流以上保持流過晶閘管的陽極電流在其維持電流以上(1)靜態(tài)特性靜態(tài)特性2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性圖1-

22、8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IGu反向特性類似二極管的反向特性。u反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反向漏電流流過。u當(dāng)反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增加，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。反向特性正向特性1） 靜態(tài)特性靜態(tài)特性u IG=0時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。u 隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。u 導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。u 晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。u 導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值

23、IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維持電流。2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性1) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM2.3半控型器件晶閘管2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)(1(1） 電壓定額電壓定額在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的 正向峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量裕量,一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍。 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。2) 反向

24、重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM3) 通態(tài)（峰值）電壓通態(tài)（峰值）電壓UTM2.3半控型器件晶閘管2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)(2(2） 電流定額電流定額晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電最大工頻正弦半波電流的平均值流的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)。結(jié)溫越高，則IH越小。晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的24倍。 3) 擎住電流擎住電流 IL 2) 維持電流維持電流 IH 使用

25、時應(yīng)按實際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原有效值相等的原則則來選取晶閘管。應(yīng)留一定的裕量，一般取1.52倍。 1) 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AV) mmAVTIwtdwtIIsin210)(2)()sin(2102mmTnIwtdwtII57.12)(AVTTnfnIIK 平均電流：（額定電流）額定有效電流：波形系數(shù)：。電流值為的晶閘管，其額定有效例：一只額定電流為AIKIAIAVTfTnAVT157100)()(（額定情況下）2.3半控型器件晶閘管晶閘管額定電流計算晶閘管額定電流計算實際電流（電流波形不一定為正弦半波）的平均電流的確定實際電流（電流波形不一定為正弦半波）的平均電流的確

26、定:則：TnAVTdfIIIKI)(57. 1波形系數(shù)波形系數(shù)：某電流波形的有效值與平均值之比。：某電流波形的有效值與平均值之比。KfdfIIK :即即：有效值相等的原則即：有效值相等的原則2.3半控型器件晶閘管例：晶閘管通態(tài)平均電流（額定電流）IT(AV)100A，當(dāng)流過晶閘管的實際電流如下圖所示，求允許通過的平均電流值（不考慮環(huán)境溫度與安全裕量）。2)()sin(2122)()sin(21222mmdmmIwtdwtIIIwtdwtII電流平均值：電流有效值：22.22dfIIK2.3半控型器件晶閘管AAKIIfAVTd7 .7022. 210057. 157. 1)()(57.1AVTd

27、fIIK根據(jù)有效值相等的原則根據(jù)有效值相等的原則:波形系數(shù)波形系數(shù):例：通過一只晶閘管的實際電流額定有效值為157A,則額定電流？（考慮1.52.0的安全裕量）AIITAVT)200150(57. 1157)0 . 25 . 1 (57. 1)0 . 25 . 1 (）選擇晶閘管的額定電流時，還要有一定的安全裕量，通常取選擇晶閘管的額定電流時，還要有一定的安全裕量，通常取1.52.0。2.3半控型器件晶閘管額定電壓額定電壓, ,用百位或千位數(shù)表示用百位或千位數(shù)表示取取UFRM或或URRM較小者較小者額定正向平均電流額定正向平均電流( (IF)KP如如KP5-7表示表示額定正向平均電流為額定正向

28、平均電流為5A, ,額定電壓為額定電壓為700V。2.3半控型器件晶閘管注意，普通晶閘管只有以下系列：.1000,800,600,500,400,300,200,100,50,30,20,10, 5, 1KPKPKPKPKPKPKPKPKPKPKPKPKPKP選擇晶閘管時，電壓、電流都要取比實際計算的數(shù)值大的整數(shù)值，但必須要對應(yīng)相應(yīng)的型號。VUAIVTnAVT311,8 .38)(例：某只晶閘管的則其型號選為 KP50-4。2.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2雙向晶閘管（雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional

29、 triode thyristor） 可以認(rèn)為是一對可以認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)反并聯(lián)聯(lián) 接接的普通晶閘管的集成的普通晶閘管的集成。 門極使器件在主電極的正門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第和第和第III象限有象限有對稱的伏安特對稱的伏安特性性。 雙向晶閘管通常用在交流雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用電路中，因此不用平均值而用有效值有效值來表示其額定電流值。來表示其額定電流值。圖圖2-11 雙向晶閘管的電氣圖形雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性符號和伏安特性a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性 2）雙向晶閘管）雙向晶閘管引言引

30、言2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 20世紀(jì)80年代以來，信息電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合高頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，從而將電力電子技術(shù)又帶入了一個嶄新時代。 典型代表門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件u是晶閘管的一種派生器件。u可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于因而屬于全控全控型器件型器件。uGTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用。2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-O

31、ff Thyristor GTO） 與普通晶閘管的相同點(diǎn)相同點(diǎn)： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。 和普通晶閘管的不同點(diǎn)不同點(diǎn)：是一種是一種多元的功率集成器件，雖然外部多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出三個極，但內(nèi)部則包含同樣引出三個極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小小GTOGTO元元，這些，這些GTOGTO元的元的陰極陰極和和門極門極則在器件內(nèi)部則在器件內(nèi)部并聯(lián)并聯(lián)在一起在一起。1）GTO的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖圖2-14 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a)并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號電氣圖

32、形符號a)b) 圖圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型晶閘管的雙晶體管模型 及其工作原理及其工作原理 a) 雙晶體管模型雙晶體管模型 b) 工作原理工作原理 仍然可以用如圖仍然可以用如圖2-8所示的所示的雙晶體雙晶體管模型管模型來分析，來分析，V1、V2的共基極電流的共基極電流增益分別是增益分別是 1、 2。 1+ 2=1是器件臨是器件臨界導(dǎo)通的條件，界導(dǎo)通的條件，大于大于1導(dǎo)通，小于導(dǎo)通，小于1則則關(guān)斷。關(guān)斷。 GTO與普通晶閘管的不同與普通晶閘管的不同 設(shè)計設(shè)計 2較大，使晶體管較大，使晶體管V2控制控制 靈靈敏，易于敏，易于GTO關(guān)斷。關(guān)斷。 導(dǎo)通時導(dǎo)通時 1+ 2更接近更接近1，導(dǎo)通時接，導(dǎo)

33、通時接近近臨界飽和臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管導(dǎo)通時管壓降壓降增大。增大。 多元集成結(jié)構(gòu)，使得多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)基區(qū)橫向橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。電阻很小，能從門極抽出較大電流。 2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管2）工作原理）工作原理GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強(qiáng) 。 由上述分析我們可以得到以下結(jié)論結(jié)論：2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管2.4.2 電力晶體管電力晶體管2.4 2.4

34、 典型全控型器件典型全控型器件電力晶體管電力晶體管術(shù)語用法：術(shù)語用法：l電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管）l是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時候也稱為Power BJT。l在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個名稱等效。 應(yīng)用應(yīng)用l20世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。2.4.2 電力晶體管電力晶體管圖圖2-16 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意

35、圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號電氣圖形符號 c) 內(nèi)部載流子的流動內(nèi)部載流子的流動+表示高表示高摻雜濃摻雜濃度，度，-表表示低摻示低摻雜濃度雜濃度 (1(1） GTRGTR的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。通常采用至少由兩個晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。Iiiceobc空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib圖圖2-16 c) 內(nèi)部載流子的流動內(nèi)部載流子的流動 iibc在應(yīng)用中，在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流法。集電極電流ic與基

36、極電流與基極電流ib之比為之比為 稱為稱為GTR的的電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)，它反映，它反映了基極電流對集電極電流的控制能力。了基極電流對集電極電流的控制能力。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，時，ic和和ib的關(guān)系為的關(guān)系為 單管單管GTR的的 值比處理信息用的小功值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為率晶體管小得多，通常為10左右，采用左右，采用達(dá)林頓接法達(dá)林頓接法可以有效地增大電流增益。可以有效地增大電流增益。(2-9)(2-10)2.4.2 電力晶體管電力晶體管(2(2） 工作工作原理原理 共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)截止區(qū)、放放大

37、區(qū)大區(qū)和飽和區(qū)。飽和區(qū)。 在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū) 在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū)(3(3） GTRGTR的基本的基本特性特性1 1）靜態(tài)特性）靜態(tài)特性1.4.2 電力晶體管電力晶體管圖圖2-17 共發(fā)射極接法時共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性的輸出特性 前已述及：電流放大倍數(shù)、直流電流增益hFE、集射極間漏電流Iceo、集射極間飽和壓降Uces、開通時間ton和關(guān)斷時間toff (此外還有此外還有)： 1) 最高工作電壓最高工作電壓 2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流IcM 3) 集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率PcM(

38、4(4） GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù)2.4.2 電力晶體管電力晶體管2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件l 分為結(jié)型結(jié)型和絕緣柵型絕緣柵型（類似小功率Field Effect TransistorFET）l 通常主要指絕緣柵型絕緣柵型中的MOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET）l 簡稱電力MOSFET（Power MOSFET）l 結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction TransistorSIT） 特點(diǎn)特點(diǎn)用柵極電壓來控制漏極電流u驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。u開關(guān)速度快，工作頻率高。u熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。u電

39、流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置 。2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 按導(dǎo)電溝道可分為P溝道溝道和N溝道。溝道。 耗盡型耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。 增強(qiáng)型增強(qiáng)型對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道。 電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。溝道增強(qiáng)型。電力電力MOSFET的種類的種類2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 導(dǎo)通時只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是是單極單極型晶體管。型晶體管。 結(jié)構(gòu)上與小功率結(jié)構(gòu)上與小功率MOS管有較大區(qū)管有較大區(qū)別，小功率別，小功率MOS管是管是橫向橫向?qū)щ娖骷?，?/p>

40、導(dǎo)電器件，而目前電力目前電力MOSFET大都采用了大都采用了垂直垂直導(dǎo)電導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所以又稱為結(jié)構(gòu)，所以又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET），這大大提高了），這大大提高了MOSFET器器件的件的耐壓耐壓和和耐電流耐電流能力。能力。 按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用 V型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電的型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET （Vertical V-groove MOSFET）和具和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的DMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。 電力電力MOSFET也是也是多元集成多元

41、集成結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 這里主要以這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論。器件為例進(jìn)行討論。N+GSDP 溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN 溝道圖1-19圖圖2-20 電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 和電氣圖形符號和電氣圖形符號a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號電氣圖形符號2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管1)1)電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 截止：當(dāng)截止：當(dāng)漏源漏源極間接正電壓，極間接正電壓，柵極柵極和和源極源極間電壓為間電壓為零零時，時，P基區(qū)與基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)結(jié)J1反偏反偏，漏源極之間，漏源

42、極之間無電流流過。無電流流過。 導(dǎo)通導(dǎo)通 在在柵極柵極和和源極源極之間加一之間加一正電壓正電壓UGS，正電壓會將其下面，正電壓會將其下面P區(qū)中的區(qū)中的空穴推開，而將空穴推開，而將P區(qū)中的少子區(qū)中的少子電子吸引到柵極下面的電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。區(qū)表面。 當(dāng)當(dāng)UGS大于某一電壓值大于某一電壓值UT時，使時，使P型半導(dǎo)體反型成型半導(dǎo)體反型成N型半導(dǎo)體，該型半導(dǎo)體，該反型層反型層形成形成N溝道而使溝道而使PN結(jié)結(jié)J1消失，消失，漏極和源極導(dǎo)電。漏極和源極導(dǎo)電。 UT稱為稱為開啟電壓（或閾值電開啟電壓（或閾值電壓）壓），UGS超過超過UT越多，導(dǎo)電能力越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流越強(qiáng)，漏極電流I

43、D越大。越大。 2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管2)2)電力電力MOSFETMOSFET的的工作原理工作原理N+GSDP 溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN 溝道圖1-19圖圖2-20 電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 和電氣圖形符號和電氣圖形符號a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號電氣圖形符號 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 漏極電流漏極電流ID和柵源間電壓和柵源間電壓UGS的的關(guān)系稱為關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。的轉(zhuǎn)移特性。反映了輸入電壓和輸出電流的關(guān)系反映了輸入電壓和輸出電流的關(guān)系 。 ID較大時，較大時，ID與與UGS的關(guān)系近似的關(guān)系近似

44、線性，曲線的斜率被定義為線性，曲線的斜率被定義為 MOSFET的的跨導(dǎo)跨導(dǎo)Gfs，即，即GSDfsddUIG 圖圖2-21 電力電力MOSFET的的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性(2-11) 是電壓控制型器件，其輸入阻是電壓控制型器件，其輸入阻 抗極高，輸入電流非常小?？箻O高，輸入電流非常小。2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管3）電力）電力MOSFET的基本特性的基本特性(1）靜態(tài)特性靜態(tài)特性圖圖2-21 電力電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 b) 輸出特性輸出特性2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管輸出特性輸出特性 是是

45、MOSFET的的漏極漏極伏安特性。伏安特性。 截止區(qū)截止區(qū)（對應(yīng)于（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)）、的截止區(qū)）、飽和區(qū)飽和區(qū)（對應(yīng)于（對應(yīng)于GTR的放大區(qū)）、的放大區(qū)）、非飽和區(qū)非飽和區(qū)（對應(yīng)于（對應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）三個的飽和區(qū)）三個區(qū)域，飽和是指漏源電壓增加時漏極電區(qū)域，飽和是指漏源電壓增加時漏極電流不再增加，非飽和是指漏源電壓增加流不再增加，非飽和是指漏源電壓增加時漏極電流相應(yīng)增加。時漏極電流相應(yīng)增加。 l漏源極之間有寄生二極管寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導(dǎo)通。l電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。u工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。電力MO

46、SFET電壓定額(1) 漏極電壓漏極電壓UDS (2) 漏極直流電流漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值和漏極脈沖電流幅值IDM電力MOSFET電流定額(3) 柵源電壓柵源電壓UGS UGS20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 。 除跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有： (4) 極間電容極間電容極間電容CGS、CGD和CDS3）電力）電力MOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù)1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 兩類器件取長補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOS器件 絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT）

47、2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管引言引言uGTR和和GTO的特點(diǎn)的特點(diǎn)雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū) 動功率大，驅(qū)動電路復(fù)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。雜。uMOSFET的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。l GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有好的特性。l 1986年投入市場后，取代

48、了GTR和一部分MOSFET的市場,中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。l 繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖1-22 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號1). IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-22aN溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強(qiáng)的通流能力。簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOS

49、FET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。IGBT是是三端器件：柵極三端器件：柵極G、集電極、集電極C和發(fā)射極和發(fā)射極EIGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。u導(dǎo)導(dǎo)通通：uGE大于開啟電壓開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。u通態(tài)壓降通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。u關(guān)斷關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷

50、。IGBT工作原理工作原理2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管圖1-23 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性2) IGBT的基本特性的基本特性(1) IGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性輸出特性輸出特性（伏安特性）以UGE為參考變量時，IC與UCE間的關(guān)系。u分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應(yīng)。uUCE0時，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似。開啟電壓開啟電壓UGE(th)IGBT能實現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓。UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25C時

51、，UGE(th)的值一般為26V。2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管正常工作溫度下允許的最大功耗 。(3) 最大集電極功耗最大集電極功耗PCM包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 。 (2) 最大集電極電流最大集電極電流由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES3) IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管GSDBECGEC2.5 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件u20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點(diǎn)，容量與GTO相當(dāng)，開關(guān)速度快10倍。u可省去GTO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動功率

52、仍很大。u目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的位置。2.5 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件2.5.4 集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管IGCT Integrated Gate-Commutated Thyristor基本概念基本概念 20世紀(jì)世紀(jì)80年代中后期開始，模塊化趨勢，將多年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個器件封裝在一個模塊中，稱為個器件封裝在一個模塊中，稱為功率模塊功率模塊。 可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性?？煽s小裝置體積，降低成本，提高可靠性。 對工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，對工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而

53、簡化對保護(hù)和緩沖電路的要求。從而簡化對保護(hù)和緩沖電路的要求。 將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測、自將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率功率集成電路（集成電路（Power Integrated CircuitPIC）。2.6 功率集成電路與集成電力電子模塊功率集成電路與集成電力電子模塊2.6 功率集成電路與集成電力電子模塊功率集成電路與集成電力電子模塊實際應(yīng)用電路實際應(yīng)用電路 高壓集成電路（高壓集成電路（High Voltage ICHVIC） 一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片一般指橫向高壓器

54、件與邏輯或模擬控制電路的單片 集成。集成。 智能功率集成電路（智能功率集成電路（Smart Power ICSPIC） 一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片 集成。集成。 智能功率模塊（智能功率模塊（Intelligent Power ModuleIPM） 專指專指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動電路的單片及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動電路的單片 集成，也稱智能集成，也稱智能IGBT（Intelligent IGBT）。）。 發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀 功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)：高低壓電路之功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)：高低壓電路之間的間的絕緣絕緣問題以

55、及問題以及溫升溫升和和散熱散熱的處理。的處理。 以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在中小功中小功率率應(yīng)用場合。應(yīng)用場合。 智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個難智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個難點(diǎn)點(diǎn),最近幾年獲得了迅速發(fā)展。最近幾年獲得了迅速發(fā)展。 功率集成電路實現(xiàn)了電能和信息的集成，成為功率集成電路實現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機(jī)電一體化的理想接口。機(jī)電一體化的理想接口。2.6 功率集成電路與集成電力電子模塊功率集成電路與集成電力電子模塊補(bǔ)充知識補(bǔ)充知識:單結(jié)晶體管（雙基極二極管）單結(jié)晶體管（雙基極二極管）單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖低摻

56、雜的低摻雜的N型硅棒型硅棒 擴(kuò)散工藝擴(kuò)散工藝 高摻高摻雜雜P區(qū)區(qū) PN結(jié)結(jié) 構(gòu)成構(gòu)成單結(jié)晶體管單結(jié)晶體管 (UJT)。P型半導(dǎo)體引出的電極為發(fā)射極型半導(dǎo)體引出的電極為發(fā)射極E；N型半導(dǎo)體的兩端引出兩個型半導(dǎo)體的兩端引出兩個電極，分別為電極，分別為基極基極B1和基極和基極B2，B1和和B2之間的之間的N型區(qū)域型區(qū)域 可以等可以等效為一個純電阻，即基區(qū)電阻效為一個純電阻，即基區(qū)電阻RBB。單結(jié)晶體管因有兩個基極，故也稱為雙基極晶體管。單結(jié)晶體管因有兩個基極，故也稱為雙基極晶體管。NPPN結(jié)結(jié)N型硅片型硅片(a)(b) 單結(jié)晶體管得表示符號及等效電路單結(jié)晶體管得表示符號及等效電路RB1表示表示E與與

57、B1之間的之間的等效電阻，它的阻值等效電阻，它的阻值受受E-B1間電壓的控制，間電壓的控制，所以等效為可變電阻。所以等效為可變電阻。RBB=RB1+RB2，分壓比分壓比: RB1與與RBB的比值稱為的比值稱為 =RB1/RBB 一般在一般在0.30.8之間。之間。單結(jié)晶體管（雙基極二極管）單結(jié)晶體管（雙基極二極管） 單結(jié)晶體管外形單結(jié)晶體管外形單結(jié)晶體管（雙基極二極管）單結(jié)晶體管（雙基極二極管）工作原理工作原理ADiEREVEERB1RB2VBBEB2B1B1+-UEB1當(dāng)當(dāng)VBB固定，等效電路中，固定，等效電路中，A 點(diǎn) 對點(diǎn) 對 B1的 電 壓的 電 壓UA= VBB為定值。當(dāng)為定值。當(dāng)VEE較小時，較小時，UEB1UA，iE開始大于零，由于硅二開始大于零，由于硅二極管的正向壓降極