第1章 電力電子器件改

1、第第1 1章章不可控不可控二極管二極管半控半控晶閘管晶閘管全控型全控型器件器件新型電力新型電力電子器件電子器件電力電子器電力電子器件的概述件的概述 電子電路的基礎(chǔ)電子電路的基礎(chǔ) 介紹各種常用電力電子器件的介紹各種常用電力電子器件的工作原理、基本工作原理、基本特性、主要參數(shù)特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題問題 簡要概述電力電子器件的概念、簡要概述電力電子器件的概念、特點特點和分類等和分類等問題問題本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容： 電力電子器件電力電子器件 電力電子電路的基礎(chǔ)電力電子電路的基礎(chǔ)電子器件：晶體管和集成電路電子器件：晶體管和集成電路 第1章1.11.

2、1.1能處理電功率的大小，即能處理電功率的大小，即承受電壓承受電壓和和電流電流的能的能力，是最重要的參數(shù)。該能力遠大于處理信息力，是最重要的參數(shù)。該能力遠大于處理信息的電子器件。的電子器件。電力電子器件一般都工作在電力電子器件一般都工作在開關(guān)開關(guān)狀態(tài)。狀態(tài)。實用中，電力電子器件往往需要由信息電子電實用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制路來控制(驅(qū)動電路驅(qū)動電路)。為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度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，不僅在過高而損壞，不僅在器件封裝器件封裝上講究上講究散熱設(shè)計散熱設(shè)計，在其在其工作時工作時一般都要一般都要安裝散熱器安裝散熱器。1.

3、1.1主主要要損損耗耗通態(tài)損耗：通態(tài)損耗：斷態(tài)損耗：斷態(tài)損耗：開關(guān)損耗：開關(guān)損耗：開通損耗：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：關(guān)斷損耗：在器件關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小，因而通態(tài)損耗通態(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 1.1.1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)漏電流流過對某些器件來講，驅(qū)動電路向其注入的功率驅(qū)動電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2圖1-1 電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成1.1.2

4、主電路中的電壓和電流一般都較大，而控制電路的元主電路中的電壓和電流一般都較大，而控制電路的元器件只能承受較小的電壓和電流，因此器件只能承受較小的電壓和電流，因此在主電路和控在主電路和控制電路連接的路徑制電路連接的路徑上，如驅(qū)動電路與主電路的連接處，上，如驅(qū)動電路與主電路的連接處，或者驅(qū)動電路與控制信號的連接處，以及主電路與檢或者驅(qū)動電路與控制信號的連接處，以及主電路與檢測電路的連接處，一般需要進行測電路的連接處，一般需要進行電氣隔離電氣隔離，而通過其，而通過其它手段如光、磁等來傳遞信號它手段如光、磁等來傳遞信號1.1.2 器件一般有三個端子（或稱極或管角），其中兩個聯(lián)器件一般有三個端子（或稱極

5、或管角），其中兩個聯(lián)結(jié)在結(jié)在主電路主電路中，而第三端被稱為中，而第三端被稱為控制端控制端（或控制極）。（或控制極）。器件通斷是通過在其控制端和一個主電路端子之間加器件通斷是通過在其控制端和一個主電路端子之間加一定的信號來控制的，這個主電路端子是驅(qū)動電路和一定的信號來控制的，這個主電路端子是驅(qū)動電路和主電路的公共端，一般是主電路電流流出器件的端子。主電路的公共端，一般是主電路電流流出器件的端子。 1.1.21)半控型器件半控型器件1.1.3絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）電力場效應(yīng)晶體管（電力電力場效應(yīng)晶體管（電力M

6、OSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（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（電力二極管（Power Diode）。它只有兩個端子，器件）。它只有兩個端子，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。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（晶閘管（ThyristorThyristor）及其大部分派生器件，它的關(guān)）及其大部分派生器件，它的關(guān)斷由其在斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定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

7、斷, 因此也就不需要驅(qū)動電路。 按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為情況分為三類三類： 1) 電流驅(qū)動型電流驅(qū)動型 1) 單極型器件單極型器件1.1.32) 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)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)斷的控制電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制 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)電的器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件由電子和空穴兩種

8、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由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件的器件 1.1.41.21.2AKAKa)IKAPNJb)c)圖圖1-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形外形 b) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號電氣圖形符號1.2.1圖1-3 PN結(jié)的形成 擴散運動和漂移運動最終達到動態(tài)平衡，正、負空間電荷量達到穩(wěn)定值，形成了一個穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)，按所強調(diào)的角度不同也被稱為耗盡層耗盡層、阻擋層阻擋層或勢壘區(qū)勢壘區(qū)。 空間電荷建立的電場被稱

9、為內(nèi)電場內(nèi)電場或自建電場自建電場，其方向是阻止擴散運動的，另一方面又吸引對方區(qū)內(nèi)的少子（對本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運動，即漂移運動漂移運動。 交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴散運動擴散運動，到對方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負電荷但不能任意移動的雜質(zhì)離子。這些不能移動的正、負電荷稱為空間電荷空間電荷。1.2.11.2.11.2.1擴散電容擴散電容僅在僅在正向偏置正向偏置時起作用。在正向偏置時，當時起作用。在正向偏置時，當正向電壓較低時，勢壘電容為主；正向電壓較高時，正向電壓較低時，勢壘電容為主；正向電壓較高時，擴散電容為結(jié)電容主要成分。擴散電容為結(jié)電容主要成

10、分。結(jié)電容結(jié)電容影響影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作，?yīng)態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾睿踔敛荒芄ぷ?，?yīng)用時應(yīng)加以注意。用時應(yīng)加以注意。IOIFUTOUFU圖1-4 電力二極管的伏安特性1.2.2正向電壓降正向電壓降1.2.2動態(tài)特性（開關(guān)特性）動態(tài)特性（開關(guān)特性）反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程換過程關(guān)斷過程關(guān)斷過程：須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷反向阻斷能力，能力，進入進入截止截止狀態(tài)。狀態(tài)。 因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個因結(jié)電容的

11、存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個過渡過程，相應(yīng)的過渡過程，相應(yīng)的電壓電壓電流特性是隨時間變化電流特性是隨時間變化的。的。2. 動態(tài)特性動態(tài)特性1.2.21.2.21.2.31.2.31.2.31.2.41.2.4恢復(fù)過程很短特別是恢復(fù)過程很短特別是反向恢復(fù)過程很短（反向恢復(fù)過程很短（5 s以下）以下）的二的二極管，也簡稱快速二極管極管，也簡稱快速二極管 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，后者則在反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，以下，甚至達到甚至達到2030ns。 工藝上多采用了工

12、藝上多采用了摻金摻金措施，有的采用措施，有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)，有的結(jié)型結(jié)構(gòu)，有的采用改進的采用改進的PiN結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 采用外延型采用外延型PiN結(jié)構(gòu)的的快恢復(fù)外延二極管（結(jié)構(gòu)的的快恢復(fù)外延二極管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢復(fù)時間更短（可低于），其反向恢復(fù)時間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（），正向壓降也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在左右），但其反向耐壓多在1200V以下以下1.2.41.31.3AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J31.3.1圖1-6 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a) 外形 b)

13、結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理1.3.11.3.11.3.11.3.2圖圖1-8 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性1.3.2IG2IG1IG100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA圖圖1-9 1-9 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形1.3.21.3.21.3.2 1.3.3 在在門極斷路門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許而結(jié)溫為額定值時，允許 加在器加在器件上的件上的正向正向峰值電壓。峰值電壓。通常取晶閘管的通常取晶閘管的UDRM和和URRM中較小的標值作為該器件中較

14、小的標值作為該器件的額定電壓。的額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量選用時，額定電壓要留有一定裕量,一般取一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍倍。 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。件上的反向峰值電壓。晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流額定通態(tài)平均電流時的時的瞬態(tài)峰值電壓瞬態(tài)峰值電壓。1) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM2) 反向重復(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UTM頻率為頻率為50H

15、Z，每次持，每次持續(xù)時間不超過續(xù)時間不超過10ms重復(fù)重復(fù) 1.3.3 晶閘管在環(huán)境溫度為晶閘管在環(huán)境溫度為40 C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)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最大工頻正弦半波電流的平均值電流的平均值。標稱其額定電流的參數(shù)。標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)。幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)。結(jié)溫越高，則結(jié)溫越高，則IH越小越小。晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維能維持導(dǎo)通

16、所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常持導(dǎo)通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常IL約為約為IH的的24倍。倍。指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流不重復(fù)性最大正向過載電流 。 4) 浪涌電流浪涌電流ITSM 3) 擎住電流擎住電流 IL 2) 維持電流維持電流 IH 使用時應(yīng)按實際電流與通態(tài)平均電流使用時應(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，一般取來選取晶閘管。應(yīng)留一定的裕量，一般取1.52倍倍。 1) 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AV) 返回 1.3.3

17、指在指在額定結(jié)溫額定結(jié)溫和和門極開路門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大最大通態(tài)電流上升率通態(tài)電流上升率。 (2) 通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dt (1) 斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 除開通時間tgt和關(guān)斷時間tq外，還有： 1.3.4圖1-10 雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T21.3.4可認為是一對可認為是一對反

18、并聯(lián)聯(lián)接反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。的普通晶閘管的集成。有兩個主電極有兩個主電極T T1 1和和T T2 2，一個門極，一個門極GG。正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第和第第和第IIIIII象限有象限有對稱對稱的伏安特性的伏安特性。與一對反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟的，且控制電路簡單，在交流調(diào)與一對反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟的，且控制電路簡單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（壓電路、固態(tài)繼電器（SSRSSR）和交流電機調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多。）和交流電機調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多。通常用在交流電路中，因此通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定不用平均值

19、而用有效值來表示其額定電流值電流值。b)a)UOIKGAIG=0圖圖1-11 逆導(dǎo)晶閘管的電氣逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性1.3.4將晶閘管將晶閘管反并聯(lián)一個二極管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點。具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點。逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個，一個是逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個，一個是晶閘管電流晶閘管電流，一個是，一個是反并聯(lián)反并聯(lián)二極管的電流二極管的電流。光強度強弱b)AGK

20、a)OUAKIA圖1-12 光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性1.3.4又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。的晶閘管。小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個端子。小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個端子。大功率光控晶閘管則還帶有光纜，光纜上裝有作為大功率光控晶閘管則還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器極管或半導(dǎo)體激光器。光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可，且可避免避免電磁干擾電磁干擾的的影影響響，因此目前在

21、高壓大功率的場合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置，因此目前在高壓大功率的場合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位。中，占據(jù)重要的地位。1.41.41.4.1c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK圖1-13 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號1.4.1圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 1+ 2=1是器件臨界導(dǎo)通是器件臨界導(dǎo)通的的條件條件。 當當 1+ 21時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通； 當當 1+ 21時，不能維持飽和導(dǎo)通

22、而關(guān)斷時，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。 由由P1N1P2和和N1P2N2構(gòu)成的兩個晶體管構(gòu)成的兩個晶體管V1、V2分別具有分別具有共基極電流增益共基極電流增益 1和和 。1.4.11.4.1 （1）設(shè)計設(shè)計 2較大較大，使晶體管，使晶體管V2控控 制靈敏，易于制靈敏，易于GTO關(guān)斷關(guān)斷。 (2)導(dǎo)通時導(dǎo)通時 1+ 2更接近更接近1（ 1.05，普通晶閘管普通晶閘管 1+ 2 1.15），接近），接近臨臨界飽和界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大。導(dǎo)通時管壓降增大。 （3）多元集成結(jié)構(gòu)使多元集成結(jié)構(gòu)使GTO元陰極面積很小，門、陰極間距大為元陰極面積很小，門、陰極間距大為

23、縮短，使得縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。，能從門極抽出較大電流。1.4.1 圖1-14 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形1.4.1Ot0t圖1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形的開通和關(guān)斷過程電流波形1.4.11.4.1 延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約12 s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大。 一般指一般指儲存時間和下降時間之和儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時，不包括尾部時間。間

24、。GTO的儲存時間隨陽極電流的增大而增大的儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降，下降時間一般小于時間一般小于2 s。2) 關(guān)斷時間關(guān)斷時間toff1) 開通時間開通時間ton 不少不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時，應(yīng)和承受反壓時，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)電力二極管串聯(lián) 。 以下只介紹意義與普通晶閘管不同的參數(shù)。1.4.14) 電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益 off off一般很小，只有一般很小，只有5左右，這是左右，這是GTO的一個主要缺點。的一個主要缺點。1000A的的GTO關(guān)斷時門極負脈沖電流峰值要關(guān)斷時門極負脈沖電流峰值要200A 。 GT

25、O額定電流額定電流。利用門級負電流脈沖可以關(guān)斷的。利用門級負電流脈沖可以關(guān)斷的最大陽極電流的限制，最大陽極電流的限制，由由GTO的臨界飽和導(dǎo)通條件所限制的臨界飽和導(dǎo)通條件所限制。 最大可關(guān)斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值最大可關(guān)斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值IGM之比稱為之比稱為電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益。ATOoffGMII電力晶體管（電力晶體管（GTR或或BJT）1.4.2圖1-15a)基極bP基區(qū)N漂移區(qū)N+襯底基極b 發(fā)射極c集電極cP+P+N+b)bec空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ib圖1-15 GTR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

26、意圖 b) 電氣圖形符號 c) 內(nèi)部載流子的流動電力晶體管電力晶體管1.4.2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林頓接法達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 。電力晶體管電力晶體管1.4.2截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)圖1-16OIcib3ib2ib1ib1ib220V將導(dǎo)將導(dǎo)致絕緣層擊穿致絕緣層擊穿 。 輸入電容可近似用輸入電容可近似用Ciss代替。代替。 這些電容都是非線性的。這些電容都是非線性的。電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管1.4.3 極間電容極間電容CGS、CGD和和CDS 廠家提供：漏源極短

27、路時的輸入電容廠家提供：漏源極短路時的輸入電容Ciss、共源極輸出電容、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容和反向轉(zhuǎn)移電容CrssCiss= CGS+ CGD （1-14）Crss= CGD （1-15）Coss= CDS+ CGD （1-16）u漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區(qū)。的安全工作區(qū)。u 實際使用中仍應(yīng)注意留適當?shù)脑Ａ?。實際使用中仍應(yīng)注意留適當?shù)脑Ａ俊 一般來說，電力一般來說，電力MOSFET不存在二次擊穿問題，這是它的一大不存在二次擊穿問題，這是它的一大優(yōu)點。優(yōu)點。1.4.4EGC

28、N+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1.4.4EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā) 射 極 柵 極集 電 極注 入 區(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1.4.41.4.4O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和

29、區(qū)反向阻斷區(qū)a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加圖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1.4.4O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)a )b )ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加圖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1.4.4圖1-24 IGBT的開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1.

30、4.4圖1-24 IGBT的開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1.4.4圖1-24 IGBT的開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1.4.41.4.4 通過對IGBT的基本特性的分析，可以看出：1.4.4正常工作溫度下允許的最大功耗正常工作溫度下允許的最大功耗

31、。3) 最大集電極功耗最大集電極功耗PCM包括額定直流電流包括額定直流電流IC和和1ms脈寬最大電流脈寬最大電流ICP 。 2) 最大集電極電流最大集電極電流由內(nèi)部由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。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UCES1.4.4(1) 開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時，開關(guān)損以上時，開關(guān)損耗只有耗只有GTR的的1/10，與電力，與電力MOSFET相當。相當。(2) 相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且具有大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。耐脈沖電流沖擊能力。(3)

32、 通態(tài)壓降比通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。低，特別是在電流較大的區(qū)域。(4) 輸入阻抗高，輸入特性與輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。類似。(5) 與與MOSFET和和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點 。 寄生晶閘管寄生晶閘管由一個N-PN+晶體管和作為主開關(guān)器件的P+N-P晶體管組成。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

33、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1.4.41.4.4 動態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小，動態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小，故所允許的最大集電極電流實際上是根據(jù)動態(tài)故所允許的最大集電極電流實際上是根據(jù)動態(tài)擎住效應(yīng)而擎住效應(yīng)而確定的。確定的。 擎住效應(yīng)曾限制擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高，電流容量提高，20世紀世紀90年代中年代中后期開始逐漸解決。后期開始逐漸解決。NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的形體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當于對橫向空穴

34、電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當于對J3結(jié)施加正偏壓，結(jié)施加正偏壓，一旦一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。集電極電流過大集電極電流過大(靜態(tài)擎住效應(yīng)靜態(tài)擎住效應(yīng))。duCE/dt過大過大(動態(tài)擎住效應(yīng)動態(tài)擎住效應(yīng))。1.4.4 IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制 成模塊，成為逆導(dǎo)器件成模塊，成為逆導(dǎo)器件 。最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。確定。反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)

35、（RBSOA）最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)（FBSOA）思考思考MCTIGBT功率 MOSFET功率 SIT肖特基勢壘二極管SITHGTORCTTRIACLTT晶閘管電力二極管雙極型單極型混合型復(fù)合型（圖1-42GTR電力電子器件類型歸納 單極型：電力MOSFET和SIT 雙極型：電力二極管、晶閘管、GTO、GTR和SITH 復(fù)合型：IGBT和MCT圖1-42電力電子器件分類“樹” 當當PN結(jié)上流過的結(jié)上流過的正向電流較小正向電流較小時，二極管的電阻主時，二極管的電阻主要是作為基片的低摻雜要是作為基片的低摻雜N區(qū)的歐姆電阻，區(qū)的歐姆電阻，其阻值較高且為其阻值較高且為常數(shù)常數(shù)；當；當PN結(jié)上流過的結(jié)上流過的正向電流較大正向電流較大時，注入并積累在時，注入并積累在低摻雜低摻雜N區(qū)的少子空穴濃度將增大，為了維持半導(dǎo)體電中區(qū)的少子空穴濃度將增大，為了維持半導(dǎo)體電中性，其多子濃度也相應(yīng)大幅增加，使得性，其多子濃度也相應(yīng)大幅增加，使得電阻明顯下降電阻明顯下降，也，也就是電導(dǎo)率增大，這就是電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。就是電導(dǎo)率增大，這就是電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)返回 摻雜濃度較低的摻雜濃度