《新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)與控制技術(shù)》第三章【1】 功率半導(dǎo)體器件

1、3.1 功率半導(dǎo)體器件 1 功率半導(dǎo)體器件的概念和特征 2 應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件的系統(tǒng)組成 3 功率半導(dǎo)體器件的分類11.功率半導(dǎo)體器件的概念和特征功率半導(dǎo)體器件的概念 功率半導(dǎo)體器件（Power Electronic Device）是指可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件，也稱為電力單子器件。 主電路：在電氣設(shè)備或功率系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。 廣義上功率半導(dǎo)體器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類，目前往往專指功率半導(dǎo)體器件。 2 1.功率半導(dǎo)體器件的概念和特征功率半導(dǎo)體器件的特征 所能處理電功率的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)，

2、一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。 為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 由電子電路來(lái)控制 ,而且需要驅(qū)動(dòng)電路。 自身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于電子器件，在其工作時(shí)一般都需要安裝散熱器。 3 1.功率半導(dǎo)體器件的概念和特征通態(tài)損耗是功率半導(dǎo)體器件功率損耗的主要成因。當(dāng)器件的開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。 通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)通損耗關(guān)斷損耗功率半導(dǎo)體器件的功率損耗42 應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件的系統(tǒng)組成功率半導(dǎo)體器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以功率半導(dǎo)體器件為核心的主電路組成一個(gè)系統(tǒng)。 電氣隔離圖2-1 功率半導(dǎo)體器件在實(shí)際應(yīng)用中的

3、系統(tǒng)組成53 功率半導(dǎo)體器件的分類按照能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度 不可控器件 功率二極管（Power Diode） 不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷。 半控型器件 主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。 器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。 全控型器件 目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 通過(guò)控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。 63 功率半導(dǎo)體器件的分類按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì) 電流驅(qū)動(dòng)型 通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 電壓驅(qū)動(dòng)型 僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。按照驅(qū)動(dòng)信

4、號(hào)的波形（功率二極管除外 ） 脈沖觸發(fā)型 通過(guò)在控制端施加一個(gè)電壓或電流的脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的開(kāi)通或者關(guān)斷的控制。 電平控制型 必須通過(guò)持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號(hào)來(lái)使器件開(kāi)通并維持在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。 73 功率半導(dǎo)體器件的分類按照載流子參與導(dǎo)電的情況 單極型器件 由一種載流子參與導(dǎo)電。 雙極型器件 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。 復(fù)合型器件 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成， 也稱混合型器件。 84 學(xué)習(xí)要點(diǎn) 按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的順序，分別介紹各種功率半導(dǎo)體器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中

5、應(yīng)注意的一些問(wèn)題。學(xué)習(xí)要點(diǎn) 最重要的是掌握其基本特性。 掌握功率半導(dǎo)體器件的型號(hào)命名法，以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法。 了解功率半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和基本工作原理。 了解某些主電路中對(duì)其它電路元件的特殊要求。93. 1.1 不可控器件功率二極管 1 PN結(jié)與功率二極管的工作原理 2 功率二極管1的基本特性 .3 功率二極管的主要參數(shù) .4 功率二極管的主要類型10引言功率二極管（Power Diode）自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，直到現(xiàn)在功率二極管仍然大量應(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功率二極管往往是不可缺少的，特別是開(kāi)通和關(guān)斷速度

6、很快的快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，具有不可替代的地位。 整流二極管及模塊11AKAKa)IKAPNJb)c)AK1 PN結(jié)與功率二極管的工作原理功率二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的,實(shí)際上是由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，可以有螺栓型、平板型等多種封裝。圖2-2 功率二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 基本結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)121 PN結(jié)與功率二極管的工作原理二極管的基本原理PN結(jié)的單向?qū)щ娦?當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時(shí)，在外電路上則形成自P區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF，這就是PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。 當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)（

7、反向偏置）時(shí)，反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，被稱為反向截止?fàn)顟B(tài)。 PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過(guò)大，反向電流將會(huì)急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿。 按照機(jī)理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式 。 反向擊穿發(fā)生時(shí)，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)。 否則PN結(jié)因過(guò)熱而燒毀，這就是熱擊穿。 131 PN結(jié)與功率二極管的工作原理PN結(jié)的電容效應(yīng) 稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容 按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD 勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。在

8、正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主。 擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分。 結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開(kāi)關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作?42 功率二極管的基本特性靜態(tài)特性 主要是指其伏安特性 正向電壓大到一定值（門檻 電壓UTO ），正向電流才開(kāi)始 明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。 與IF對(duì)應(yīng)的功率二極管兩端的 電壓即為其正向電壓降UF。 承受反向電壓時(shí)，只有少子 引起的微小而數(shù)值恒定的反向 漏電流。IOIFUTOUFU圖2-5 功率二極管的伏安特性152 功率二極管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2t

9、URURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V 圖2-6 功率二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 動(dòng)態(tài)特性 因?yàn)榻Y(jié)電容的存在，電壓電流特性是隨時(shí)間變化的，這就是功率二極管的動(dòng)態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過(guò)程的開(kāi)關(guān)特性。 由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 功率二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。 在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖。 延遲時(shí)間：td=t1-t0 電流下降時(shí)間：tf =t2- t1 反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td+ tf 恢復(fù)特性的軟度： tf /t

10、d，或稱恢復(fù)系 數(shù)，用Sr表示。t0:正向電流降為零的時(shí)刻t1:反向電流達(dá)最大值的時(shí)刻t2:電流變化率接近于零的時(shí)刻162 功率二極管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如2V）。 正向恢復(fù)時(shí)間tfr 出現(xiàn)電壓過(guò)沖的原因:電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量少子需要一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較大；正向電流的上升會(huì)因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高。 圖2-6 功率二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 173 功率二極管的主要參數(shù)正向平均電流IF(AV) 指功率

11、二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。 IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。正向壓降UF 指功率二極管在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。反向重復(fù)峰值電壓URRM 指對(duì)功率二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。 使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。 183 功率二極管的主要參數(shù)最高工作結(jié)溫TJM 結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。 最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。 TJM通常在125175C范圍之內(nèi)

12、。反向恢復(fù)時(shí)間trr浪涌電流IFSM 指功率二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。194 功率二極管的主要類型按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同，介紹幾種常用的功率二極管。 普通二極管（General Purpose Diode） 又稱整流二極管（Rectifier Diode），多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。 其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5s以上 。 其正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高。 203.1.2 半控型器件晶閘管 1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 2 晶閘管的基本特性 3 晶閘管的主要參數(shù) 4 晶閘管的派生器件21半控器件

13、晶閘管引言晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，又稱作可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被簡(jiǎn)稱為可控硅。 1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Laboratories）發(fā)明了晶閘管，到1957年美國(guó)通用電氣公司（General Electric）開(kāi)發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化。由于其能承受的電壓和電流容量仍然是目前功率半導(dǎo)體器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的應(yīng)用場(chǎng)合仍然具有比較重要的地位。晶閘管及模塊221 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu) 從外形上來(lái)看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu) 。

14、 引出陽(yáng)極A、陰極K和門極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端。 內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。 圖2-7 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào) 231 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖2-8 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 晶閘管的工作原理 按照晶體管工作原理，可列出如下方程：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。241 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(lái)之后， 迅速增大。在晶體管阻斷狀態(tài)下，IG=0，而1+2是很小的

15、。由上式可看出，此時(shí)流過(guò)晶閘管的漏電流只是稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。 如果注入觸發(fā)電流使各個(gè)晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過(guò)晶閘管的電流IA（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，從而實(shí)現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通。由于外電路負(fù)載的限制，IA實(shí)際上會(huì)維持有限值。 由以上式（2-1）（2-4）可得(2-5)251 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理除門極觸發(fā)外其他幾種可能導(dǎo)通的情況 陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng) 陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高 結(jié)溫較高 光觸發(fā)這些情況除了光觸發(fā)由于可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓功率設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速

16、而可靠的控制手段。 262 晶閘管的基本特性靜態(tài)特性 正常工作時(shí)的特性 當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通 。 當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通 。 晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通 。 若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。 272 晶閘管的基本特性晶閘管的伏安特性 正向特性 當(dāng)IG=0時(shí)，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過(guò)。 如果正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏

17、電流急劇增大，器件開(kāi)通 。 隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。 如果門極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)，IH稱為維持電流。 圖2-9 晶閘管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+282 晶閘管的基本特性反向特性 其伏安特性類似二極管的反向特性。 晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反向漏電流通過(guò)。 當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶

18、閘管發(fā)熱損壞。 圖2-9 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+292 晶閘管的基本特性動(dòng)態(tài)特性 開(kāi)通過(guò)程 由于晶閘管內(nèi)部的正反饋 過(guò)程需要時(shí)間，再加上外電路 電感的限制，晶閘管受到觸發(fā) 后，其陽(yáng)極電流的增長(zhǎng)不可能 是瞬時(shí)的。 延遲時(shí)間td (0.51.5s) 上升時(shí)間tr (0.53s) 開(kāi)通時(shí)間tgt=td+tr 延遲時(shí)間隨門極電流的增 大而減小,上升時(shí)間除反映晶 閘管本身特性外，還受到外電 路電感的嚴(yán)重影響。提高陽(yáng)極 電壓,延遲時(shí)間和上升時(shí)間都 可顯著縮短。 圖2-10

19、晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的10%302 晶閘管的基本特性關(guān)斷過(guò)程 由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，其陽(yáng)極電流在衰減時(shí)必然也是有過(guò)渡過(guò)程的。 反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr 正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr 關(guān)斷時(shí)間tq=trr+tgr 關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。 在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)?，而不是受門極電流控制而導(dǎo)通。圖2-10 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形100%反向恢復(fù)電流最大值尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtr

20、trrtgrURRMIRMiA313 晶閘管的主要參數(shù)電壓定額 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向 峰值電壓（見(jiàn)圖2-9）。 國(guó)標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即 斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓）UDSM的90%。 斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo。 反向重復(fù)峰值電壓URRM 是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向 峰值電壓（見(jiàn)圖2-8）。 規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向 最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%。 反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓。323 晶閘管的主要參數(shù) 通態(tài)（峰值）電壓UT

21、晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)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。 選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓23倍。電流定額 通態(tài)平均電流 IT(AV） 國(guó)標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(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(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半 波電流的平均值。 按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的。 一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的 原則所得計(jì)算結(jié)果的1.52倍。 333 晶閘管的主要參數(shù)維持電流IH 維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一

22、般為幾十到幾百毫安。 結(jié)溫越高，則IH越小。 擎住電流 IL 擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。 約為IH的24倍 浪涌電流ITSM 指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流。343 晶閘管的主要參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù) 開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 在額定結(jié)溫和門極開(kāi)路的情況下，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。 電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 。 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率。 如果電流上升太快，可能造成

23、局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。353.1.3 典型全控型器件 1 門極可關(guān)斷晶閘管 2 功率晶體管 3 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 4 絕緣柵雙極晶體管36 典型全控型器件引言門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，功率半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代。典型代表門極可關(guān)斷晶閘管、功率晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。功率MOSFETIGBT單管及模塊371 門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件，但可以通過(guò)在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。 GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 GTO的結(jié)構(gòu) 是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)。 是一種多元的功率集成 器件，雖然外部同樣引出個(gè) 極，但內(nèi)部

24、則包含數(shù)十個(gè)甚 至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO 元，這些GTO元的陰極和門 極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。 圖2-14 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 電氣圖形符號(hào) 381 門極可關(guān)斷晶閘管 圖2-8 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GTO的工作原理 仍然可以用如圖2-8所示的雙晶體管模型來(lái)分析，V1、V2的共基極電流增益分別是1、2。1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件，大于1導(dǎo)通，小于1則關(guān)斷。 GTO與普通晶閘管的不同 設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制 靈敏，易于GTO關(guān)斷。 導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽

25、和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。 多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。 391 門極可關(guān)斷晶閘管GTO的導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管是一樣的，只不過(guò)導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。 而關(guān)斷時(shí)，給門極加負(fù)脈沖，即從門極抽出電流，當(dāng)兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使1+21時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷。 GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程更快，承受di/dt的能力增強(qiáng)。 401 門極可關(guān)斷晶閘管GTO的動(dòng)態(tài)特性 開(kāi)通過(guò)程與普通晶閘管類似。 關(guān)斷過(guò)程 儲(chǔ)存時(shí)間ts 下降時(shí)間tf 尾部時(shí)間tt 通常tf比ts小得多，而tt比ts要長(zhǎng)。 門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡， ts

26、就越短。使門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍能保持適當(dāng)?shù)呢?fù)電壓，則可以縮短尾部時(shí)間。圖2-15 GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子的時(shí)間等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小時(shí)間 殘存載流子復(fù)合所需時(shí)間 411 門極可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù) GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同。 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO 用來(lái)標(biāo)稱GTO額定電流。 電流關(guān)斷增益off 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。 off一般很小，只有5左右，這是GTO

27、的一個(gè)主要缺點(diǎn)。 開(kāi)通時(shí)間ton 延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。 延遲時(shí)間一般約12s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流值的增大而 增大。 關(guān)斷時(shí)間toff 一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，而不包括尾部時(shí)間。 儲(chǔ)存時(shí)間隨陽(yáng)極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般小于2s。不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管。當(dāng)需要承受反向電壓時(shí)，應(yīng)和功率二極管串聯(lián)使用。 422 功率晶體管功率晶體管（Giant TransistorGTR）按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT） GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理 與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的

28、。 最主要的特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。 43 GTR的結(jié)構(gòu) 采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)，并采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。 GTR是由三層半導(dǎo)體（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成的兩個(gè)PN結(jié)（集電結(jié)和發(fā)射結(jié)）構(gòu)成，多采用NPN結(jié)構(gòu)。2 功率晶體管圖2-16 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào) c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng)+表示高摻雜濃度，-表示低摻雜濃度 442 功率晶體管空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+b )ib圖2-16 c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng) 在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集

29、電極電流ic與基極電流ib之比為 稱為GTR的電流放大系數(shù)，它反映了基極電流對(duì)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Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為 單管GTR的 值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可以有效地增大電流增益。(2-9)(2-10)452 功率晶體管GTR的基本特性 靜態(tài)特性 在共發(fā)射極接法時(shí)的典 型輸出特性分為截止區(qū)、放 大區(qū)和飽和區(qū)三個(gè)區(qū)域。 在功率半導(dǎo)體電路中， GTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即工 作在截止區(qū)或飽和區(qū)。 在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截 止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)， 一般要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2

30、20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。 極間電容 CGS、CGD和CDS。 漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了功率MOSFET的安全工作區(qū)。 594 絕緣柵雙極晶體管GTR和GTO是雙極型電流驅(qū)動(dòng)器件，由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)，但開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。而功率MOSFET是單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件，開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolar TransistorIGBT或IGT）綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。 604 絕緣柵雙極晶體管IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理

31、 IGBT的結(jié)構(gòu) 是三端器件，具有柵極G、 集電極C和發(fā)射極E。 由N溝道VDMOSFET與雙 極型晶體管組合而成的IGBT， 比VDMOSFET多一層P+注入 區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào) 制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流 能力。 簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT 是用GTR與MOSFET組成的達(dá) 林頓結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個(gè)由 MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶 體管。 圖2-23 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。 614 絕緣柵雙極晶體管IGBT的工作原理 IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與功率MOSFET基本相同，

32、是一種場(chǎng)控器件。 其開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。 當(dāng)UGE為正且大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。 當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷。 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。 624 絕緣柵雙極晶體管IGBT的基本特性 靜態(tài)特性 轉(zhuǎn)移特性 描述的是集電極電流 IC與柵射電壓UGE之間的 關(guān)系。 開(kāi)啟電壓UGE(th)是 IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而 導(dǎo)通的最低柵射電壓，隨 溫度升高而略有下降。 （a）圖2-24 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 634 絕緣柵雙極晶體管輸出特性（伏安特性） 描述的是以柵射電壓為參考變量時(shí)，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系。 分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。 當(dāng)UCE0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。 在功率半導(dǎo)體電路中，IGBT工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因而是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。 (b)圖2-24