電力電子技術(shù)講義

第2章電力電子器件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2章電力電子器件概述電力電子器件的概念、特點和分類等問題。介紹各種常用電力電子器件的工作原理、基本特性、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：電力電子電路的基礎(chǔ)

——電力電子器件模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ)——晶體管和集成電路等電子器件引言2.1電力電子器件概述電力電子器件——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。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(1)電力電子器件的概念

1）其處理電功率的能力一般都遠大于處理信息的電子器件。(2)電力電子器件的特征2）為了減小本身的損耗，提高效率，電力電子器件一般都工作在開關(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。3）實用中，電力電子器件往往需要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行放大，這就是電力電子器件的驅(qū)動電路。4）自身的功率損耗通常仍遠大于信息電子器件，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器。2.1.1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2.1.1電力電子器件的概念和特征電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動電路、保護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\行電氣隔離控制電路控制電路按系統(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(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：半控型器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）電力場效應(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2.1電力電子器件概述(2)按照驅(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2)

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(3)按照驅(qū)動信號的波形（電力二極管除外

）◆脈沖觸發(fā)型

?通過在控制端施加一個電壓或電流的脈沖信號來實現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制。

◆電平控制型

?必須通過持續(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來使器件開通并維持在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。

(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

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的器件

2.1.3電力電子器件的分類■電力二極管（PowerDiode）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。■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——電力二極管ZP[電流]─[電壓/100][]2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理電力二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的,實際上是由一個面積較大的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。2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理■二極管的基本原理——PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴舢?dāng)PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時，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（反向偏置）時，反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過，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)施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，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，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)原來的狀態(tài)。?否則PN結(jié)因過熱而燒毀，這就是熱擊穿。

門檻電壓UTO，正向電流IF開始明顯增加所對應(yīng)的電壓。與IF對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF

。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IOIFUTOUFU2.2不可控器件——電力二極管2.2.2電力二極管的基本特性主要指其伏安特性當(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。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)2.2不可控器件——電力二極管

1.普通二極管又稱整流二極管（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)時間較長，一般在5s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到很高，分別可達數(shù)千安和數(shù)千伏以上。

2.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（5s以下）的二極管，也簡稱快速二極管。從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)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100ns以下，甚至達到20~30ns。3.肖特基二極管反向恢復(fù)時間很短（10~40ns），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。弱點在于：當(dāng)所能承受的反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場合；2.2.4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——晶閘管引言2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被簡稱為可控硅。1956年美國貝爾實驗室（BellLab）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(1)常用晶閘管的外形外形有螺栓型和平板型兩種封裝對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端。內(nèi)部是PNPN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(2)常用晶閘管的外形晶閘管是內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),具有三個PN結(jié)。G控制極K陰極陽極

AP1P2N1N2四層半導(dǎo)體三個

PN

結(jié)P1P2N1N2K

GAP1N1N2P2AGKN1P2KAT2T1+_P2N1N2IGIAP1N1P2IKG2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理T1T2A

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。形成正反饋過程KGEA>0、EG>0EGEA+_R晶閘管導(dǎo)通后，去掉EG，依靠正反饋，仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理式中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，得：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）（1-5）2.3.1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。（1-5）2.3.1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：陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)

陽極電壓上升率du/dt過高結(jié)溫較高光直接照射硅片，即光觸發(fā)

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。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（LightTriggeredThyristor——LTT）2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管導(dǎo)通的條件(1、2同時滿足)：

1.晶閘管陽極電路(陽極與陰極之間)施加正向電壓。2.晶閘管控制電路(控制極與陰極之間)加正向電壓或正向脈沖(正向觸發(fā)電壓)。

晶閘管導(dǎo)通后，控制極便失去作用。

依靠正反饋，晶閘管仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。晶閘管關(guān)斷的條件：使流過晶閘管的陽極電流小于晶閘管規(guī)定的維持電流。

⒈減小陽極電壓⒉增大負載電阻⒊加反向陽極電壓1)晶閘管正常工作時的特性關(guān)斷實現(xiàn)的方式：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(1)靜態(tài)特性2.3.2晶閘管的基本特性圖1-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反向漏電流流過。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。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。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1)

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)(1）

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。選用時，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2~3倍?！陂T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?！чl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)

反向重復(fù)峰值電壓URRM3)

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)(2）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2~4倍。3)

擎住電流IL

2)

維持電流IH

——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)

平均電流：（額定電流）額定有效電流：波形系數(shù)：（額定情況下）2.3半控型器件——晶閘管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:則：波形系數(shù)：某電流波形的有效值與平均值之比。Kf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）。2.3半控型器件——晶閘管根據(jù)有效值相等的原則: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1.5~2.0的安全裕量）選擇晶閘管的額定電流時，還要有一定的安全裕量，通常取1.5~~2.0。2.3半控型器件——晶閘管晶閘管型號及其含義導(dǎo)通時平均電壓組別共九級,用字母A~I表示0.4~1.2V額定電壓,用百位或千位數(shù)表示取UFRM或URRM較小者額定正向平均電流(IF)KP如KP5-7表示額定正向平均電流為5A,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：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。則其型號選為KP50-4。2.3.4晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2■雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）◆可以認為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成?！糸T極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性。

◆雙向晶閘管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電流值。圖2-11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

2）雙向晶閘管引言2.4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典型全控型器件是晶閘管的一種派生器件。可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。GTO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（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）與普通晶閘管的相同點：

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：是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出三個極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小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。1）GTO的結(jié)構(gòu)圖2-14GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖電氣圖形符號a)b)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

?仍然可以用如圖2-8所示的雙晶體管模型來分析，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2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷?！虒?dǎo)通時1+2更接近1，導(dǎo)通時接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大。

√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。

2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管2）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。由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管2.4.2電力晶體管2.4典型全控型器件電力晶體管術(shù)語用法：電力晶體管（GiantTransistor——GTR，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（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時候也稱為PowerBJT。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。2.4.2電力晶體管圖2-16GTR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)斷面示意圖b)電氣圖形符號c)內(nèi)部載流子的流動+表示高摻雜濃度，-表示低摻雜濃度(1）GTR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。空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib圖2-16c)內(nèi)部載流子的流動

?在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流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，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，采用達林頓接法可以有效地增大電流增益。(2-9)(2-10)2.4.2電力晶體管(2）工作原理共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(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）GTR的基本特性1）靜態(tài)特性1.4.2電力晶體管圖2-17共發(fā)射極接法時GTR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)：1)

最高工作電壓

2)

集電極最大允許電流IcM3)集電極最大耗散功率PcM(4）

GTR的主要參數(shù)2.4.2電力晶體管2.4典型全控型器件分為結(jié)型和絕緣柵型（類似小功率FieldEffectTransistor—FET）通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）簡稱電力MOSFET（PowerMOSFET）結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）

特點——用柵極電壓來控制漏極電流驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。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。2.4.3電力場效應(yīng)晶體管

按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。

耗盡型——當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。增強型——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溝道增強型。電力MOSFET的種類2.4.3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，是單極型晶體管。?結(jié)構(gòu)上與小功率MOS管有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷壳半娏OSFET大都采用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所以又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET），這大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。?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VVMOSFET（VerticalV-grooveMOSFET）和具有垂直導(dǎo)電雙擴散MOS結(jié)構(gòu)的DMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。?電力MOSFET也是多元集成結(jié)構(gòu)。這里主要以VDMOS器件為例進行討論。圖2-20電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號2.4.3電力場效應(yīng)晶體管1)電力MOSFET的結(jié)構(gòu)?截止：當(dāng)漏源極間接正電壓，柵極和源極間電壓為零時，P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。

?導(dǎo)通

√在柵極和源極之間加一正電壓UGS，正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子——電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。

√當(dāng)UGS大于某一電壓值UT時，使P型半導(dǎo)體反型成N型半導(dǎo)體，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。

√UT稱為開啟電壓（或閾值電壓），UGS超過UT越多，導(dǎo)電能力越強，漏極電流ID越大。

2.4.3電力場效應(yīng)晶體管2)電力MOSFET的工作原理圖2-20電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號

◆

?轉(zhuǎn)移特性√漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。反映了輸入電壓和輸出電流的關(guān)系。

√ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率被定義為MOSFET的跨導(dǎo)Gfs，即圖2-21電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性(2-11)√是電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。2.4.3電力場效應(yīng)晶體管3）電力MOSFET的基本特性(1）靜態(tài)特性圖2-21電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性b)輸出特性2.4.3電力場效應(yīng)晶體管?輸出特性

√是MOSFET的漏極伏安特性?！探刂箙^(qū)（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)）、飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的放大區(qū)）、非飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）三個區(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時漏極電流相應(yīng)增加。漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導(dǎo)通。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。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?！娏OSFET電壓定額(1)

漏極電壓UDS

(2)

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM——電力MOSFET電流定額(3)柵源電壓UGS——UGS>20V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CGS、CGD和CDS3）電力MOSFET的主要參數(shù)1.4.3電力場效應(yīng)晶體管兩類器件取長補短結(jié)合而成的復(fù)合器件—Bi-MOS器件

絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）2.4典型全控型器件2.4.4絕緣柵雙極晶體管引言GTR和GTO的特點——雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。MOSFET的優(yōu)點——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。

GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點，具有好的特性。

1986年投入市場后，取代了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。

繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。圖1-22IGBT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)和工作原理圖1-22a—N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強的通流能力。簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結(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是三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極EIGBT的結(jié)構(gòu)2.4.4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。導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。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。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。IGBT工作原理2.4.4絕緣柵雙極晶體管圖1-23IGBT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(1)

IGBT的靜態(tài)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。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)。UCE<0時，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。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，UGE(th)的值一般為2~6V。2.4.4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——由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1)

最大集射極間電壓UCES3)IGBT的主要參數(shù)2.4.4絕緣柵雙極晶體管電力電子器件的符號電力電子器件的主要性能指標(biāo)電壓、電流、工作頻率。KGATKADKGAGTOGSDVDMOSBECGTRGECIGBT2.5.1MOS控制晶閘管MCT2.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT2.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH2.5.4集成門極換流晶閘管IGCT2.5.5基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件2.5其他新型電力電子器件20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點，容量與GTO相當(dāng)，開關(guān)速度快10倍?？墒∪TO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動功率仍很大。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2.5.4集成門極換流晶閘管IGCT—

IntegratedGate-CommutatedThyristor■基本概念◆20世紀(jì)80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，稱為功率模塊。

◆可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性?！魧ぷ黝l率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對保護和緩沖電路的要求?！魧⑵骷c邏輯、控制、保護、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（PowerIntegratedCircuit——PIC）。2.6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■實際應(yīng)用電路

◆高壓集成電路（HighVoltageIC——HVIC）?一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。

◆智能功率集成電路（SmartPowerIC——SPIC）?一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。

◆智能功率模塊（IntelligentPowerModule——IPM）?專指IGBT及其輔助器件與其保護和驅(qū)動電路的單片集成，也稱智能IGBT（IntelligentIGBT）。

■發(fā)展現(xiàn)狀◆功率集成電路的主要技術(shù)難點：高低壓電路之間的絕緣問題以及溫升和散熱的處理。

◆以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在中小功率應(yīng)用場合?！糁悄芄β誓K在一定程度上回避了上述兩個難點,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，成為機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補充知識:單結(jié)晶體管（雙基極二極管）單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖低摻雜的N型硅棒擴散工藝高摻雜P區(qū)PN結(jié)構(gòu)成單結(jié)晶體管(UJT)。P型半導(dǎo)體引出的電極為發(fā)射極E；N型半導(dǎo)體的兩端引出兩個電極，分別為基極B1和基極B2，B1和B2之間的N型區(qū)域

可以等效為一個純電阻，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。B2第二基極B1N歐姆接觸接觸電阻P發(fā)射極E第一基極PN結(jié)N型硅片(a)(b)單結(jié)晶體管得表示符號及等效電路RB1表示E與B1之間的等效電阻，它的阻值受E-B1間電壓的控制，所以等效為可變電阻。RBB=RB1+RB2，分壓比:RB1與RBB的比值稱為=RB1/RBB一般在0.3～0.8之間。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（雙基極二極管）工作原理ADiEREVEERB1RB2VBBEB2B1B1+-UEB1當(dāng)VBB固定，等效電路中，A點對B1的電壓UA=VBB為定值。當(dāng)VEE較小時，UEB1<UA，PN結(jié)反偏，此時只有很小的反向漏電流IE0（幾微安）如圖中曲線“1”段。當(dāng)UEB1增大，UEB1=UA時，PN結(jié)處于零偏，iE=0。單結(jié)晶體管（雙基極二極管）ADiEREVEERB1RB2VBBEB2B1B1+-UEB1UEB1繼續(xù)增大，當(dāng)UEB1>UA，iE開始大于零，由于硅二極管的正向壓降UD為0.7V，所以iE不會有顯著的增加。當(dāng)UEB1=UA+UD時，二極管D仍不導(dǎo)通，此時的電壓UEB1稱為峰值電壓UP，對應(yīng)電流稱為峰值電流IP。這一區(qū)域稱為截止區(qū)。單結(jié)晶體管（雙基極二極管）ADiEREVEERB1RB2VBBEB2B1B1+-UEB1UEB1繼續(xù)增加，UEB1>UA+UD，管子轉(zhuǎn)向?qū)?，PN結(jié)電流開始顯著增加，這時將有大量的空穴進入基區(qū)，E、B1間載流子大量增加，使RB1迅速減小，而RB1的減小又使UA降低，導(dǎo)致iE又進一步加大，形成正反饋。單結(jié)晶體管（雙基極二極管）ADiEREVEERB1RB2VBBEB2B1B1+-UEB1正反饋過程使iE急劇增加，UA下降，單結(jié)管呈現(xiàn)了負阻特性，圖中曲線“2”線段，到了“V”點負阻特性結(jié)束，V點電壓UV稱為谷點電壓，一般為1～2.5V，對應(yīng)的電流稱為谷點電流Iv，一般為幾毫安。B2的電位高于E的電位，空穴型載流子不會向B2運動，電阻RB2基本不變。單結(jié)晶體管（雙基極二極管）ADiEREVEERB1RB2VBBEB2B1B1+-UEB1123過