第二章 電力電子器件

電力電子器件第2章電力電子器件的分類按照器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，分為以下三類：

1)半控型器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）不可控器件電力二極管（PowerDiode）只有兩個(gè)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(hào)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全控型器件通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。不能用控制信號(hào)來控制其通斷,不需要驅(qū)動(dòng)電路。按加在器件控制端和公共端之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)性質(zhì)：按器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電情況：

1)

電流驅(qū)動(dòng)型

1)

單極型器件電力電子器件的分類2)

電壓驅(qū)動(dòng)型通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)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(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制

2)

雙極型器件3)

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功率電力二極管1.1.1工作原理及結(jié)構(gòu)1.1.2功率二極管的基本特征1.1.3電力二極管的主要參數(shù)1.1.4電力二極管的主要類型

2.1外形、結(jié)構(gòu)圖

2.1.1AKAKa)IKAPNJb)c)N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié)圖1-3PN結(jié)的形成PN結(jié)與電力二極管的工作原理

2.1.1

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或勢(shì)壘區(qū)。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+-+-+-+-+-空間電荷區(qū)P型區(qū)N型區(qū)內(nèi)電場(chǎng)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(kuò)散運(yùn)動(dòng)，到對(duì)方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負(fù)電荷但不能任意移動(dòng)的雜質(zhì)離子。這些不能移動(dòng)的正、負(fù)電荷稱為空間電荷?？臻g電荷建立的電場(chǎng)被稱為內(nèi)電場(chǎng)或自建電場(chǎng)，其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的，另一方面又吸引對(duì)方區(qū)內(nèi)的少子（對(duì)本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運(yùn)動(dòng)，即漂移運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或勢(shì)壘區(qū)。

PN結(jié)外加正向電壓（正偏），即正接P區(qū)，負(fù)接N區(qū)，外加電場(chǎng)與PN結(jié)自建電場(chǎng)方向相反，使得多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，形成擴(kuò)散電流，在內(nèi)部造成空間電荷區(qū)變窄，而在外電路上形成自P區(qū)流入N區(qū)的電流，稱為正向電流IF。當(dāng)外加電壓升高時(shí)自建電場(chǎng)進(jìn)一步被削弱，擴(kuò)散電流進(jìn)一步增加。這就是PN結(jié)的正向?qū)?，?dāng)流過正向電流較小時(shí)，二極管的電阻主要是低摻雜N區(qū)的歐姆電阻，其阻值較高且為常數(shù)。

工作原理及結(jié)構(gòu)2.1.1電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)——當(dāng)PN結(jié)上流過的正向電流較大時(shí)，注入并積累在低摻雜N區(qū)的少子空穴濃度將很大。為了維持半導(dǎo)體的中性條件，其多子濃度（即電子濃度）也相應(yīng)大幅度增加，使得其電阻率明顯下降，也就是電導(dǎo)率大大增加。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低，約0.7—1V左右。即流過二極管的電流增大時(shí)，其內(nèi)阻由于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，反而減小，從而維持端電壓基本不變。

當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)外加電場(chǎng)與PN結(jié)自建電場(chǎng)方向相同，使少子的漂移運(yùn)動(dòng)大于多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流，但由于少子的濃度很低，故反向電流很小，一般只為微安數(shù)量級(jí)。故反向偏置時(shí)，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻態(tài)，幾乎無電流流過，稱為截止?fàn)顟B(tài)。正向偏置反向偏置電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)——不符合歐姆定律電力二極管的基本特性

1.靜態(tài)特性（伏安特性）工作原理及結(jié)構(gòu)2.1.1電力二極管的伏安特性IOIFUTOUFU

當(dāng)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)。與正向電流IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當(dāng)承受反向電壓時(shí)，只有少子引起的微小的反向（漂移）漏電流。2.動(dòng)態(tài)特性電力二極管的基本特性2.2.2動(dòng)態(tài)特性開關(guān)特性反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程

因結(jié)電容的存在，電力二極管在零偏置、正向偏置、反向偏置這三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個(gè)過渡過程，PN結(jié)的一些區(qū)域需要一定的時(shí)間調(diào)整其帶電狀態(tài)，此過程中的電壓—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)特征。電力二極管的基本特性

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：下降時(shí)間與延遲時(shí)間的比值Sr

＝tf

/td，（恢復(fù)系數(shù)）2.2.2a)正向偏轉(zhuǎn)換為反偏當(dāng)原處于正向?qū)顟B(tài)的電力二極管外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，并不能及時(shí)關(guān)斷，須經(jīng)過一段短暫的時(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沖。關(guān)斷過程：電力二極管的基本特性開通過程：電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過沖UFP，經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值。這一動(dòng)態(tài)過程時(shí)間被稱為正向恢復(fù)時(shí)間tfr。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時(shí)間來儲(chǔ)存大量少子，達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大。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。2.2.2b)零偏轉(zhuǎn)換為正向偏置電力二極管的主要參數(shù)1.

正向平均電流IF(AV)

額定電流——在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義，因此使用時(shí)應(yīng)按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。當(dāng)用在頻率較高的場(chǎng)合時(shí)，開關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時(shí)，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小

2.1.32.

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(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流時(shí)器件的最大瞬時(shí)正向壓降3.

反向重復(fù)峰值電壓URRM指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3使用時(shí)，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電力二極管的主要參數(shù)2.1.34.

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125~175C范圍之內(nèi)。5.

反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr=

（延遲時(shí)間）td+

（電流下降時(shí)間）tf

，關(guān)斷過程中，電流降到零起到恢復(fù)反響阻斷能力止的時(shí)間。6.

浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。

電力二極管的主要參數(shù)2.1.3電力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。在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)合的不同要求選擇不同類型的電力二極管。性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的。普通二極管（GeneralPurposeDiode）如：IN4007IN5408

又稱整流二極管（RectifierDiode）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(shí)間較長，一般在5s以上，這在開關(guān)頻率不高時(shí)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。2.1.42.快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode——FRD）電力二極管的主要類型2.1.4恢復(fù)過程很短特別是反向恢復(fù)過程很短（5s以下）的二極管，也簡(jiǎn)稱快速二極管。如：FR107MUR840工藝上多采用了摻金措施有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)有的采用改進(jìn)的PiN結(jié)構(gòu)采用外延型PiN結(jié)構(gòu)的的快恢復(fù)外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下。如HFA25TB60從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20~30ns。3.肖特基二極管以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD）20世紀(jì)80年代以來，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用肖特基二極管的弱點(diǎn)當(dāng)反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于200V以下反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度電力二極管的主要類型2.1.4肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)反向恢復(fù)時(shí)間很短（10~40ns）正向恢復(fù)過程中也不會(huì)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

如：

IPS59SB2040V/0.5AIPS74SB2340V/1APBYL102525V/10A1N581940V/1A2.1.4電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型例1．

設(shè)流過電力二級(jí)管的電流波形如圖1－1所示，其最大值為Im，試求各流形的電流平均值Id，有效值I和波形系數(shù)KF.2.1.42.1.4Id=

I=

波形系數(shù)KF=I/Id=2.221222pwwpppItdtImmsin()=ò122222pwwpp(sin)()ItdtImmò=100A的二級(jí)管所能送出的平均電流

ID=157707KAFa=.半控器件—晶閘管

2.2.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理

2.2.2

晶閘管的基本特性

2.2.3

晶閘管的主要參數(shù)

2.2.4

晶閘管的派生器件2.2半控器件—晶閘管圖1-6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)2.2晶閘管（Thyristor）、可控硅整流器（SCR）外形有螺栓型和平板型兩種封裝快速晶閘管，逆導(dǎo)晶閘管，門極可關(guān)斷晶閘管，雙向晶閘管，光控晶閘管等，下面我們討論普通晶閘管BT151，MCR100-6.AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3

Ic1=1IA+ICBO1

Ic2=2IK+ICBO2

IK=IA+IGIA=Ic1+Ic2

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。

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)工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理2.2.1)(121CBO2CBO1G2Aaaa+-++=IIIIRNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)晶閘管可以用正反饋下的PNP和NPN晶體管表示。門極電流IG被注入晶體管T2的基極，則產(chǎn)生放大集電極電流IC2，IC2成為T1的基極電流，放大了IC1，從而使IB2＝IG＋I(xiàn)C1增大，導(dǎo)致IC2進(jìn)一步增加，ICC1也進(jìn)一步增加，形成了正反饋，最后T1和T2完全飽和，晶閘管仍能維持導(dǎo)通。普通晶閘管即使加負(fù)的門極電流也不能使其關(guān)斷。晶閘管可以通過門極使其開通，而不能使其關(guān)斷，是半控型器件。2.2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的特性是：在低發(fā)射極電流下很小，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。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)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，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）趨近于無窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理2.2.1晶閘管的基本特性

1.靜態(tài)特性晶閘管正常工作時(shí)的特性如下：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。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通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。2.2.2晶閘管的伏安特性

第I象限的是正向特性

第III象限的是反向特性圖2-9晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG晶閘管的基本特性2.2.2正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1)正向阻斷狀態(tài)：Uak加正壓，門極電流為零時(shí)，J2結(jié)反向偏置，承受電壓（Uak

），器件不導(dǎo)通。如果門極電流為零，且陽極電壓Uak上升速度較小，在最大轉(zhuǎn)折電壓以下時(shí)晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)。當(dāng)Uak達(dá)到相應(yīng)轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，使J2結(jié)擊穿，晶閘管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。這種擊穿具有破壞性。隨著門極電流的增大，正向電壓減小，最后在IG處，器件相當(dāng)于二極管導(dǎo)通特性。壓降為1V。晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG晶閘管的基本特性2.2.2正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM2)反向阻斷狀態(tài)

當(dāng)Uak為負(fù)電壓時(shí)同J1，J3結(jié)反向偏置，主要由J1結(jié)承受反壓，器件不導(dǎo)通。當(dāng)Uak超過反向擊穿。晶閘管的伏安特性晶閘管的基本特性2.2.2正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM3）觸發(fā)導(dǎo)通

如果晶閘管陽極電壓Uak為正值，且注入足夠的門極電流，從而使器件進(jìn)入飽和導(dǎo)通，稱為晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通。（4）關(guān)斷

維持電流IH：是指晶閘管穩(wěn)定導(dǎo)通之后，逐漸減小通過器件的陽極電流IA，仍能維持住導(dǎo)通狀態(tài)不變的最小陽極電流。維持電流大小為接近于零。當(dāng)IA減小到IH以下時(shí)，晶閘管就維持不住導(dǎo)通，而進(jìn)入阻斷狀態(tài)。在導(dǎo)通期間，如果要求器件返回到正阻斷狀態(tài)必須使門極電流為零，且將陽極電流降低到一個(gè)稱為維持電流的臨界極限值以下，并保持一段時(shí)間。稱為自然關(guān)斷。也可以通過加一反向電壓，即Uak<0,并保持一段時(shí)間使其關(guān)斷，稱為強(qiáng)迫關(guān)斷。在實(shí)際電路中是采用陽極電壓反向，減小陽極電壓或增大電路阻抗等方式，使陽極電流小于維持電流，晶閘管關(guān)斷。

2.動(dòng)態(tài)特性圖2-10晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形晶閘管的基本特性2.2.3100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA

由于晶閘管的內(nèi)部正反饋過程需要時(shí)間，再加上外電路電感限制。晶閘管受到觸發(fā)后，其陽極電流的增長不可能瞬時(shí)的。晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形晶閘管的基本特性2.2.3100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA（1）開通過程:延遲時(shí)間td：門極電流階躍時(shí)刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時(shí)間。上升時(shí)間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%的時(shí)間。開通時(shí)間tgt:tgt=td+tr普通晶閘管延遲時(shí)間為0.5－1.5ｕs，上升時(shí)間為0.5－3.0ｕS。延遲時(shí)間隨門極電流的增大而減小。和陽極電壓的大小有關(guān)。提高陽極電壓可以增大晶體管T2的電流增益。加速正反饋、縮短開通時(shí)間。還受到外電路電感的嚴(yán)重影響。（2）關(guān)斷過程

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)，由于外電路電感的存在，其陽極電流衰減必然也是有過渡過程的。陽極電流將逐步衰減到零，然后同二極管的關(guān)斷過程類似，在反方向會(huì)流過反向恢復(fù)電流，經(jīng)過最大值IRM后，再反方向衰減。晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間在正向阻斷恢復(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)?。?yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力。關(guān)斷時(shí)間tq：trr與tgr之和，即tq=trr+tgr

約幾百微秒普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約為幾百ｕS。所以在開關(guān)損耗中，關(guān)斷損耗占主要部分。1.電壓定額晶閘管的主要技術(shù)參數(shù)

2.2.4

——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?！陂T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?！чl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。1)

斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM2)

反向重復(fù)峰值電壓URRM3)

通態(tài)（峰值）電壓UTM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)，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。2.電流定額晶閘管的主要參數(shù)

2.2.4

——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(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)?！咕чl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?！чl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)通所需的最小電流對(duì)同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍。——指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流。

4)

浪涌電流ITSM

3)

擎住電流IL

2)

維持電流IH

——使用時(shí)應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管。應(yīng)留一定的裕量，一般取1.5~2倍。

1)

通態(tài)平均電流IT(AV)

3.動(dòng)態(tài)參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)

2.2.4

——指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。如果電流上升太快，則晶閘管剛一開通，便會(huì)有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞。

(2)通態(tài)電流臨界上升率di/dt

——指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，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。在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)電容的J2結(jié)會(huì)有充電電流流過，被稱為位移電流。此電流流經(jīng)J3結(jié)時(shí)，起到類似門極觸發(fā)電流的作用。如果電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。

(1)

斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

晶閘管的派生器件

雙向可控晶閘管：用于電阻爐調(diào)功

MOS管：用于開關(guān)電源

IGBT：

用于UPS和變換器功率晶體管GTR：用于電子鎮(zhèn)流器2.2.5雙向晶閘管2.2.6

雙向晶閘管

把兩個(gè)并聯(lián)的晶閘管集成在同一硅片上，同一個(gè)門極控制觸發(fā)的組件，這種結(jié)構(gòu)使它能在電路中雙方向?qū)ǎ商娲涣鹘佑|器在電氣領(lǐng)域用于交流調(diào)壓，交流調(diào)功，成為無觸點(diǎn)開關(guān)。如BTA204C4A/600V雙向晶閘管雙向晶閘管是單端控制雙向工作（工作在1、3象限）器件。（具體原理在T2和T1之間加高電壓，控制電壓加在T2和G間）2.2.6常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)典型全控型器件門極可關(guān)斷晶閘管——在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來，電力電子技術(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、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。

典型全控型器件常用的典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊2.2.7門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件?？梢酝ㄟ^在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）2.2.7門極可關(guān)斷晶閘管結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點(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)：GTO是一種多元的功率集成器件。圖2-14GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

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(hào)1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK2.2.7門極可關(guān)斷晶閘管工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖所示的雙晶體管模型來分析。

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)通的條件。由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益1和2

。2.2.7門極可關(guān)斷晶閘管GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制靈敏，使GTO易于關(guān)斷。導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，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，能從門極反向抽出較大電流。

圖

晶閘管的工作原理2.2.7門極可關(guān)斷晶閘管GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)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)有利于關(guān)斷，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：2.2.7門極可關(guān)斷晶閘管開通過程：與普通晶閘管相同關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同儲(chǔ)存時(shí)間ts，使等效晶體管退出飽和。下降時(shí)間tf

尾部時(shí)間tt

—?dú)埓孑d流子復(fù)合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。門極負(fù)脈沖電流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6

圖2-15

GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形GTO的動(dòng)態(tài)特性2.2.7門極可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù)——延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約1~2s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大?！话阒竷?chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。下降時(shí)間一般小于2s。（2）關(guān)斷時(shí)間toff（1）開通時(shí)間ton

不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)

。許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。2.2.7門極可關(guān)斷晶閘管（3）最大可關(guān)斷陽極電流IATO（4）

電流關(guān)斷增益off

off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要200A

?！狦TO額定電流。

——最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。（2-8）電力晶體管（GTR）2.3.1

GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理2.3.2GTR的基本特性2.3.3GTR的主要參數(shù)2.3術(shù)語：電力晶體管（GiantTransistor——GTR，巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT）

應(yīng)用20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取代電力晶體管2.31.

GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理圖2-16GTR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)電力晶體管2.3.1圖1-15a)基極bP基區(qū)N漂移區(qū)N+襯底基極b發(fā)射極e集電極cP+P+N+b)bec空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib

雙極型功率晶體管簡(jiǎn)稱為功率晶體管，也稱電力晶體管，是由三層半導(dǎo)體（兩個(gè)PN結(jié)）構(gòu)成的，一般為NPN結(jié)構(gòu)（PNP耐壓低些）。2.GTR的基本特性

(1)

靜態(tài)特性截止區(qū)：又稱阻斷區(qū)，特征類似于開關(guān)處于斷態(tài)的情況，該區(qū)對(duì)應(yīng)于Ib=0的條件，GTR承受高電壓而僅有極小的漏電流存在。此時(shí)集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，發(fā)射結(jié)偏壓為0。即：VBE〈0，VBC〈0或VBC〈0，VBE=0

圖2-17共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性電力晶體管2.3.2截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce有源區(qū)：又稱放大區(qū)或線性區(qū)，工作在此區(qū)域時(shí)，ic與ib之間是線性關(guān)系，特性曲線近似平值。集電結(jié)處于反偏。（VBC〈0，VBE〉0）對(duì)于工作在開關(guān)狀態(tài)的GTR來說，應(yīng)當(dāng)避免工作在有源區(qū)，否則功耗很大，GTR易燒壞。飽和區(qū)：特征類似于開關(guān)處于通態(tài)的情況。在這一區(qū)域中ib變化時(shí)，ic不再隨之變化，電流增益和導(dǎo)通電壓均很小。發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均工作于正偏狀態(tài)，由于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起的作用，兩個(gè)N型半導(dǎo)體區(qū)的電子濃度都很大，呈現(xiàn)低電阻，從而壓降很小。集電結(jié)壓降VCE很小，大電流可以讓GTR通過。（VBC>0，VBE>0）。失控區(qū)：當(dāng)VCE超過一定值的時(shí)候，ic會(huì)急劇上升，出現(xiàn)非線性，晶體管進(jìn)入失控區(qū)。VCE再進(jìn)一步增加，會(huì)導(dǎo)致雪崩擊穿，并產(chǎn)生二次擊穿現(xiàn)象。

GTR為電流驅(qū)動(dòng)型器件，驅(qū)動(dòng)功率較大，但飽和壓降較小，一般應(yīng)用在30-40khz以下工作頻率范圍內(nèi)。GTR器件具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。功率晶體管在以往介紹的模擬電路中工作在放大區(qū)，但在電力電子線路中，主要工作在開關(guān)狀態(tài)，即截止區(qū)和飽和區(qū)。這是主要區(qū)別。2.3.1(2)

動(dòng)態(tài)特性開通過程開通時(shí)間：加上開通信號(hào)時(shí)刻起到集電極電流上升到最大值的90%所需要的時(shí)間。Ton=Td+Trtd主要是由發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電產(chǎn)生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時(shí)間，同時(shí)可縮短上升時(shí)間，從而加快開通過程。圖2-18GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形電力晶體管2.3.2ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd關(guān)斷過程關(guān)斷時(shí)間：從加關(guān)斷信號(hào)時(shí)刻區(qū)，晶體管由飽和狀態(tài)經(jīng)放大狀態(tài)再到截止?fàn)顟B(tài)所需時(shí)間稱為關(guān)斷時(shí)間。關(guān)斷時(shí)間toff由存儲(chǔ)時(shí)間ts和下降時(shí)間tf兩部分組成。即

toff=ts+tf。

GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形電力晶體管2.3.2ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd雙極型晶體管的開通時(shí)間ton約為50-500ns，關(guān)斷時(shí)間toff約為500-2000ns?？s短存儲(chǔ)時(shí)間ts是降低晶體管開關(guān)損耗的主要因素。減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度可縮短存貯時(shí)間,但它同時(shí)會(huì)使集電極和發(fā)射極的飽和導(dǎo)通壓降Uces增加，從而增大通態(tài)損耗，這是一對(duì)矛盾。GTR的開關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多.2.3.2

電力晶體管

3.GTR的主要參數(shù)

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、耐壓、開通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff

。

1)

最高工作電壓BUcbo-------發(fā)射極開路時(shí)集電極和基極間的反向擊穿電壓。BUceo-------基極開路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。BUcerBUces

發(fā)射極與基極電阻連接或短路連接的擊穿電壓。BUcex-----發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>Buceo實(shí)際使用時(shí)，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。2.3.3

2)

集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半以下。

3)

集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率產(chǎn)品說明書中給PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度

。PcM跟散熱條件和環(huán)境溫度有關(guān)。

4）開通時(shí)間ton=td+tr5）關(guān)斷時(shí)間toff=ts+tf電力晶體管2.3.32.3.3電力晶體管一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大。只要Ic不超過限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。

二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時(shí)，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖2-19GTR的安全工作區(qū)GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）2.4.1

電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.4.2電力MOSFET的基本特性2.4.3主要工作參數(shù)及動(dòng)態(tài)特性2.42.4電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型,主要指絕緣柵型中的MOS型簡(jiǎn)稱電力MOSFET（PowerMOSFET）

按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。

耗盡型——當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。

增強(qiáng)型——對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道。

電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。

特點(diǎn)——用柵極電壓來控制漏極電流驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。開關(guān)速度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。電力MOSFET的結(jié)構(gòu)電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.4.1圖2-20電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-1三端器件：柵極G、漏極D和源極S小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷ｋ娏OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET）。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。1．功率MOSFET大多采用豎直溝道雙擴(kuò)散型結(jié)構(gòu)，在N+襯底上的N-型外延層中，用雙擴(kuò)散技術(shù)，先形成P溝道區(qū)，再形成N型源區(qū)。2．導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電。（如N型MOS，多子是電子）3．通常一個(gè)VDMOS管是由許多元細(xì)胞并聯(lián)而成。（一個(gè)40A的管子由上萬個(gè)單元并聯(lián)而成），它是一種功率集成器件。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.4.14．電力MOSFET也是多元集成結(jié)構(gòu)，一個(gè)器件由許多個(gè)小MOSFET元組成。國際整流器公司（InternationalRectifier）的HEXFET采用了六邊形單元西門子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形單元摩托羅拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列

5．柵極與基片之間隔者SiO2薄層，因此它同其它兩個(gè)極之間是絕緣的，只要SiO2層不被擊穿，柵極對(duì)源極之間的阻抗是非常高的，因此驅(qū)動(dòng)電流較小。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.4.1電力MOSFET的工作原理

N溝道VDMOS在使用時(shí)，源極接負(fù)端，即VDS>0。柵極相對(duì)源極接正電壓時(shí)，VGS>0,N+源區(qū)與N-之間會(huì)將P型區(qū)中線表層的空穴排出。而將電子吸引到此區(qū)域，當(dāng)VGS達(dá)到一定正電壓時(shí)，此區(qū)域反型成為N型，形成N型導(dǎo)電溝道，將源極與漏極連通，形成電子流。電子從源區(qū)經(jīng)此水平溝道流入N外延層后，即在漏-源電壓的驅(qū)使下，向漏極豎直漂移，形成漏極電流。圖2-20電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管2.4.1N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖2-21電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性2.電力MOSFET的基本特性電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管2.4.201020305040圖1-202468a)10203050400b)1020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A1)

靜態(tài)特性

1．當(dāng)柵極電壓VGS小于閾值電壓時(shí)，VDMOS處于截止?fàn)顟B(tài),閾值為2-4V。2．為保證器件導(dǎo)通進(jìn)入歐姆工作區(qū)，VGS要足夠大。當(dāng)VDMOS管充分導(dǎo)通進(jìn)入歐姆工作區(qū)時(shí)，它就象一個(gè)電阻，輸出電流ID隨電壓VDS線性改變。3．功率MOSFET是電壓型驅(qū)動(dòng)器件，驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快，導(dǎo)通時(shí)呈阻性。故目前大量應(yīng)用于20khz以上電路中。4．實(shí)際使用時(shí)，MOS管工作在截止區(qū)和歐姆工作區(qū)(也稱非飽和區(qū))兩個(gè)狀態(tài)。主要工作參數(shù)及動(dòng)態(tài)特性1．漏源電壓BVDS

漏極電壓VDS這是標(biāo)稱電力MOSFET電壓額定的參數(shù)，它主要由VMOS管的漏極擊穿電壓BVDS決定，而BVDS又是J1結(jié)的反偏電壓極限值。BVDS隨溫度而變化，在一定的范圍內(nèi)大約結(jié)溫度每升高10℃，BVDS增加1%，所以結(jié)溫度的上升，耐壓值也上升。（雙極型晶體管則相反）。2．最大漏極電流IDmax

標(biāo)稱MOS管電流額定參數(shù)。在輸出特性飽和區(qū)（曲線平坦部分）中，漏極電流達(dá)到飽和值。飽和電流主要由溝道寬度決定。提高IDmax主要靠增加單位管芯面積的溝道寬度。3．閾值電壓VGS（th）（開啟電壓）當(dāng)外加?xùn)艠O電壓>VGS（th）時(shí)，漏區(qū)和源區(qū)的表面反型層形成了連接的溝道。應(yīng)用中，常將漏極短接條件下ID等于1mA時(shí)的柵極電壓定義為閾值電壓。2.4.3主要工作參數(shù)及動(dòng)態(tài)特性4．導(dǎo)通電阻（Ron）相當(dāng)于雙極型器件的飽和電阻。決定Ron的主要因素有兩個(gè)：溝道電阻rc和漂移區(qū)電阻rd。減小溝道電阻rc的主要途徑是提高單位管芯面積的溝道寬長比（W/L），改變結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和幾何結(jié)構(gòu)，也可以改變漂移區(qū)電阻rd。在電力電子線路中，Ron決定了線路的導(dǎo)通損耗。一般導(dǎo)通電阻Ron小，耐壓BVDS高的管子較好。Ron隨溫度升高而增大,故VDMOS無二次擊穿現(xiàn)象,適合管子并聯(lián),能自動(dòng)均流.5．最高工作頻率fm

在漏極電壓VDS的作用下，電子從源區(qū)通過溝道到漏區(qū)需要一定的時(shí)間。當(dāng)控制信號(hào)的周期與此時(shí)間相當(dāng)時(shí)，電子就來不及跟隨信號(hào)變化，該信號(hào)的頻率就是VMOS管的最高工作頻率fm。6．開通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff

場(chǎng)效應(yīng)器件依靠多子導(dǎo)電。影響開關(guān)速度的主要因素是器件的輸入電阻Rin和輸入電容Ciss；輸出電阻Rout和輸出電容Cout。提高開關(guān)速度，縮短導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間的關(guān)鍵在于減小場(chǎng)效應(yīng)器件的各種極間電容,由于采用VMOS結(jié)構(gòu)可以大大減少這些電容，VMOS器件的開關(guān)速度比一般場(chǎng)效應(yīng)器件和雙極型功率器件要高的多。2.4.3開通時(shí)間ton開通延遲時(shí)間td(on)與上升時(shí)間tr之和。開通延遲時(shí)間td(on)——up前沿時(shí)刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時(shí)刻間的時(shí)間段。上升時(shí)間tr——

uGS從uT上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時(shí)間段。關(guān)斷時(shí)間toff關(guān)斷延時(shí)td(off)+下降時(shí)間tf

圖2-22電力MOSFET的開關(guān)過程a)測(cè)試電路b)開關(guān)過程波形up—脈沖信號(hào)源，Rs—信號(hào)源內(nèi)阻，RG—柵極電阻，RL—負(fù)載電阻，RF—檢測(cè)漏極電流主要工作參數(shù)及動(dòng)態(tài)特性2.4.3a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號(hào)+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf2.4.3主要工作參數(shù)及動(dòng)態(tài)特性

MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系?？山档万?qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度。不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，關(guān)斷過程非常迅速。開關(guān)時(shí)間在10~100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。MOSFET的開關(guān)速度主要工作參數(shù)及動(dòng)態(tài)特性7．極間電容

功率場(chǎng)效應(yīng)管極間電容是影響它的開關(guān)頻率的主要因素。三個(gè)極間電容如圖1-14所示。輸入電容：Ciss=CGS+CGD

輸出電容：Coss=CDS+CGD漏極間的耐壓，漏極最大允許電流和最大損耗功率決定了電力MOSFET的安全工作區(qū)。一般來說，電力MOSFET無二次擊穿現(xiàn)象，這是它的優(yōu)點(diǎn)。2.4.3圖1－14絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）2.5.1結(jié)構(gòu)和工作原理2.5.2IGBT的基本特征2.5.3IGBT的主要參數(shù)2.5絕緣柵雙極晶體管

MOSFET具有開關(guān)速度快，電壓控制的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是導(dǎo)通電壓降稍大，電流、電壓容量不大；雙極型晶體管卻與它的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)互異。因而產(chǎn)生了使它們復(fù)合的思想；控制時(shí)有MOSFET管的特點(diǎn)，導(dǎo)通時(shí)具有雙極型晶體管特點(diǎn)，這就產(chǎn)生IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）管研制的動(dòng)機(jī)，該管稱為絕緣柵雙極晶體管。2.5.11.IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E圖2-23IGBT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)絕緣柵雙極晶體管2.5.1EGCN+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)GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。1986年投入市場(chǎng)，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。IGBT的結(jié)構(gòu)圖1-22a—N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT（N-IGBT）IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個(gè)大面積的P+N結(jié)J1?！笽GBT導(dǎo)通時(shí)由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對(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GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)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。圖2-23IGBT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)絕緣柵雙極晶體管2.5.1EGCN+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)IGBT的原理

IGBT的開通和關(guān)斷由門極電壓控制。當(dāng)門極加正電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通。因此IMOS為IGBT總電流的主要部分。此時(shí)，空穴P+區(qū)注入到N-區(qū)，從而在N-區(qū)內(nèi)產(chǎn)生高濃度的電子，減小了N-區(qū)的電阻Rdr值，使高耐壓的IGBT也具有低的通態(tài)壓降。當(dāng)門極加負(fù)電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即被關(guān)斷。由于注入到N-區(qū)的空穴是少子，存在少子存儲(chǔ)現(xiàn)象。N-區(qū)的少子需要時(shí)間復(fù)合消失，因此IGBT的開關(guān)速度比MOSFET慢。絕緣柵雙極晶體管2.5.12.IGBT的基本特性

1)

IGBT的靜態(tài)特性圖2-24IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性絕緣柵雙極晶體管2.5.2O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增加當(dāng)UGE<UGE（th）時(shí)，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。開啟電壓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。UGE（th）隨溫度升高而略有下降。在+25℃時(shí)，UGE（th）的值一般為2-6V。Ic受UGE控制，UGE越高，Ic越大。Ic與UGE大部分呈線性關(guān)系。與GTR的輸出特性相似，IGBT有飽和區(qū)、有源區(qū)、截止區(qū)和失控區(qū)之分。圖2-24IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性絕緣柵雙極晶體管2.5.2O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

2)

IGBT的動(dòng)態(tài)特性圖2-25IGBT的開關(guān)過程Uttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管2.5.2

IGBT的開通過程

與MOSFET的相似，因?yàn)殚_通過程中IGBT在大部分時(shí)間作為MOSFET運(yùn)行。開通延遲時(shí)間td(on)——從uGE上升至其幅值10%的時(shí)刻，到iC上升至10%ICM2

。

電流上升時(shí)間tr

——iC從10%ICM上升至90%ICM所需時(shí)間。開通時(shí)間ton——開通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和。uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1——IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過程；tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程。圖2-25IGBT的開關(guān)過程絕緣柵雙極晶體管2.5.2ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的關(guān)斷過程

IGBT的關(guān)斷時(shí)間toff=關(guān)斷延遲時(shí)間td（off）+下降時(shí)間tfi1對(duì)應(yīng)MOS管的關(guān)斷過程。tfi2對(duì)應(yīng)IGBT內(nèi)部PNP管的關(guān)斷過程，這段時(shí)間內(nèi)MOS管已關(guān)斷，IGBT無反向電壓，所以N-基區(qū)內(nèi)的少子復(fù)合緩慢，ic下降較慢。由于此時(shí)集電極電壓已經(jīng)建立，因此較長的電壓下降時(shí)間會(huì)產(chǎn)生較大的關(guān)斷損耗。為解決這一問題，可以與GTR一樣，可通過減輕飽和程度來縮短下降時(shí)間，但通態(tài)壓降會(huì)略有上升。IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象（即在N-區(qū)時(shí)空穴載流子），從而降低了開關(guān)速度。圖2-25IGBT的開關(guān)過程絕緣柵雙極晶體管2.5.2ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM3.IGBT的主要參數(shù)絕緣柵雙極晶體管2.5.3——正常工作溫度下允許的最大功耗。3)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這是選IGBT管的電流額定值依據(jù)。

2)

最大集電極電流

——由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。這是選擇IGBT管的電壓額定依據(jù)。

1)最大集射極間電壓UCESIGBT特性和參數(shù)特點(diǎn)IGBT開關(guān)速度高，損耗小。在相同電壓和電流定額下，IGBT安全工作區(qū)比GTR大

IGBT通態(tài)壓降比MOS低

IGBT輸入阻抗高與MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和耐流能力可進(jìn)一步提高，，同時(shí)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn)IGBT的擎住效應(yīng)2.5.3

絕緣柵雙極晶體管擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：

IGBT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?！畲蠹姌O電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。反向偏置安全工作區(qū)（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。正偏安全工作區(qū)（FBSOA）動(dòng)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。擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高，20世紀(jì)90年代中后期開始逐漸解決?！狽PN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)的橫向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控。功率器件的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：2.5.3項(xiàng)目名稱SCRGTRMOSIGBT