電力電子技術(shù)第二章-全控型電力電子器件課件

第二章全控型電力電子器件主編第一節(jié)門極關(guān)斷晶閘管一、GTO的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

門極關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)與普通晶閘管相似，也為PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、三端(陽(yáng)極A、陰極K、門極G)器件。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路及符號(hào)如圖2?1所示。圖2-1GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路及符號(hào)

a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)b)等效電路c)符號(hào)第一節(jié)門極關(guān)斷晶閘管二、GTO的主要參數(shù)

GTO的多數(shù)參數(shù)與普通晶閘管相同，本節(jié)只討論一些意義不同的參數(shù)。

1.最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO

GTO的最大陽(yáng)極電流受兩個(gè)方面的限制：一是額定工作結(jié)溫的限制；二是門極負(fù)電流脈沖可以關(guān)斷的最大陽(yáng)極電流的限制，這是由GTO只能工作在臨界飽和導(dǎo)通狀態(tài)所決定的。陽(yáng)極電流過(guò)大，GTO便處于較深的飽和導(dǎo)通狀態(tài)，門極負(fù)電流脈沖不可能將其關(guān)斷。通常將最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO作為GTO的額定電流。

第一節(jié)門極關(guān)斷晶閘管2.關(guān)斷增益βoff

關(guān)斷增益βoff為最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO與門極負(fù)電流最大值IGM之比，其表達(dá)式為3.陽(yáng)極尖峰電壓UP

陽(yáng)極尖峰電壓UP是在下降時(shí)間末尾出現(xiàn)的極值電壓，它幾乎隨陽(yáng)極可關(guān)斷電流線性增加，UP過(guò)高可能導(dǎo)致GTO失效。UP的產(chǎn)生是由緩沖電路中引線電感、二極管正向恢復(fù)電壓和電容中的電感造成的。

第一節(jié)門極關(guān)斷晶閘管4.維持電流

GTO的維持電流是指陽(yáng)極電流減小到開(kāi)始出現(xiàn)GTO元不能再維持導(dǎo)通的數(shù)值。由此可見(jiàn)，當(dāng)陽(yáng)極電流略小于維持電流時(shí)，仍有部分GTO元繼續(xù)維持導(dǎo)通，這時(shí)若陽(yáng)極電流恢復(fù)到較高數(shù)值，已截止的GTO元不能再導(dǎo)電，就會(huì)引起維持導(dǎo)通的GTO元的電流密度增大，出現(xiàn)不正常的工作狀態(tài)。

5.擎住電流擎住電流是指GTO經(jīng)門極觸發(fā)后，陽(yáng)極電流上升到能保持所有GTO元導(dǎo)通時(shí)的最低值。第二節(jié)電力晶體管一、電力晶體管的結(jié)構(gòu)

電力晶體管有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)，其電流由兩種載流子(電子和空穴)的運(yùn)動(dòng)形成，又稱為雙極型晶體管(BJT)。目前常用的電力晶體管器件有單管GTR、達(dá)林頓管和GTR模塊三大系列。

圖2-2GTR的結(jié)構(gòu)示意圖

a)結(jié)構(gòu)剖面示意圖b)單管外形圖c)電路符號(hào)1.單管GTR

單管GTR的結(jié)構(gòu)如圖2?2所示。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理及電極的命名與晶體管相同。第二節(jié)電力晶體管2.達(dá)林頓GTR

單管GTR的電流增益低，將給基極驅(qū)動(dòng)電路造成負(fù)擔(dān)。達(dá)林頓結(jié)構(gòu)是提高電流增益的一種有效方式。達(dá)林頓結(jié)構(gòu)由兩個(gè)或多個(gè)晶體管復(fù)合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性質(zhì)由驅(qū)動(dòng)管來(lái)決定，如圖2?3a所示。圖中的V１為驅(qū)動(dòng)管，Ｖ２為輸出管。圖2-3達(dá)林頓管結(jié)構(gòu)圖

a)NPN及PNP型結(jié)構(gòu)b)實(shí)用達(dá)林頓管結(jié)構(gòu)圖第二節(jié)電力晶體管3.GTR模塊

圖2?4所示，是兩個(gè)三級(jí)達(dá)林頓GTR及其輔助元器件構(gòu)成的GTR模塊。它是將圖2?3b中的GTR管芯、穩(wěn)定電阻Ｒ１和Ｒ２、加速二極管ＶＤ１、續(xù)流二極管ＶＤ２等組裝成一個(gè)單元，然后根據(jù)不同用途將幾個(gè)單元電路組裝在一個(gè)外殼之內(nèi)構(gòu)成GTR模塊。現(xiàn)已可將上述單元電路集成制作在同一硅片上，使其小型輕量化，大大提高了器件的集成度和性能價(jià)格比。圖中各元器件及中間級(jí)晶體管的基極均有引線引出，如BC１１、ＢＣ１２等端子。目前生產(chǎn)的GTR模塊可將多達(dá)6個(gè)互相絕緣的單元電路做在同一模塊內(nèi)，可以很方便地組成三相橋式電路。第二節(jié)電力晶體管圖2-4GTR模塊

a)GTR模塊的外形圖b)GTR模塊內(nèi)的等效電路圖第二節(jié)電力晶體管圖2-5集電極輸出特性曲線1.共發(fā)射極輸出特性圖2?5所示為典型的雙極型晶體管集電極輸出特性曲線，該特性曲線可用來(lái)解釋GTR的不同工作區(qū)域。一般可分為4個(gè)區(qū)：

二、電力晶體管的特性第二節(jié)電力晶體管(1)放大區(qū)(線性區(qū))其特點(diǎn)是發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，集電極與基極電流呈線性關(guān)系。

(2)飽和區(qū)其特征是發(fā)射結(jié)、集電結(jié)都正偏。

(3)準(zhǔn)飽和區(qū)(臨界飽和區(qū))其特征是集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏，但集電極電流與基極電流不是線性關(guān)系。

(4)截止區(qū)發(fā)射結(jié)、集電結(jié)反偏，IB為零。

電力晶體管在變流技術(shù)應(yīng)用中作為開(kāi)關(guān)使用，往返工作于飽和區(qū)、截止區(qū)。在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，快速地通過(guò)放大區(qū)及準(zhǔn)飽和區(qū)。

第二節(jié)電力晶體管2.飽和壓降特性處于深飽和區(qū)工作的GTR集電極電壓稱為飽和壓降，用UCES表示。此時(shí)的基射極電壓稱為基極正向壓降，用UBES表示。本來(lái)它們是GTR輸出特性和輸入特性的一個(gè)局部，但在大功率應(yīng)用中變成了兩項(xiàng)重要指標(biāo)，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到器件的導(dǎo)通損耗，所以有必要提醒在使用中引起注意。在產(chǎn)品目錄中通常給出飽和壓降的同時(shí)，也給出IC和IB值。在不同的工作溫度下，IC的大小與UCES及UBES有著密切的關(guān)系。

第二節(jié)電力晶體管3.GTR的反向電流與工作溫度的關(guān)系

GTR反向電流的存在不但消耗了一部分電源的能量，而且對(duì)于開(kāi)關(guān)的工作沒(méi)有好處，它影響GTR電路工作時(shí)的穩(wěn)定性。因此，希望GTR的反向電流盡可能小，并將反向電流作為檢驗(yàn)晶體管質(zhì)量的一個(gè)第二節(jié)電力晶體管4.動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性描述GTR的開(kāi)關(guān)過(guò)程的瞬態(tài)性能，又稱開(kāi)關(guān)特性。在瞬態(tài)時(shí)，由于PN結(jié)電容的充放圖2-6GTR開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程中基極

和集電極電流波形電作用，影響了GTR的開(kāi)關(guān)特性。此外，為了降低導(dǎo)通時(shí)的功率損耗，常采用過(guò)驅(qū)動(dòng)的方法，使得基區(qū)積累了大量的過(guò)剩載流子，在關(guān)斷時(shí)這些載流子的消散嚴(yán)重影響關(guān)斷時(shí)間。圖2-6所示為GTR開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程中基極和集電極電流波形圖。圖2-6GTR開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程中基極

和集電極電流波形圖

a)基極電流波形b)集電極電流波形

三、電力晶體管的額定參數(shù)1.最高工作電壓

最高工作電壓即最高集電極電壓額定值，它不僅因器件不同而不同，而且即便是同一器件，也會(huì)由于基極電路條件不同而存在差異。在晶體管產(chǎn)品目錄中BUCEO作為電壓容量給出，但不能僅以此項(xiàng)指標(biāo)確定晶體管實(shí)際工作時(shí)的工作電壓上限。2.最大電流額定值ICM

最大電流額定值ICM即允許流過(guò)集電極的最大電流值。為了提高GTR的輸出功率，集電極輸出電流應(yīng)盡可能地大。但是集電極電流大，則要求基極注入的電流也大，這樣會(huì)使GTR的電氣性能變差，甚至于損壞器件。使用中通常只用到ICM的(1/3～1/2)，以確保使用的穩(wěn)定與安全。3.最高結(jié)溫額定值TjM

一般情況下，塑料封裝的硅管結(jié)溫TjM為125～１５０℃，金屬封裝的硅管TjM為150～１７５℃，高可靠平面管為175～２００℃。4.最大功耗額定值PCM4.最大功耗額定值PCM

PCM指GTR在最高允許結(jié)溫時(shí)所消耗功率，它受結(jié)溫的限制，其大小由集電結(jié)工作電壓和集電極電流的乘積決定。由于這部分能量將轉(zhuǎn)化為熱能并使GTR發(fā)熱。因此，GTR在使用中的散熱條件是十分重要的，若散熱條件不好，器件會(huì)因溫度過(guò)高而損壞。在產(chǎn)品手冊(cè)中，給出PCM參數(shù)的同時(shí)，總是給出管殼溫度TC，即間接地表示最高結(jié)溫的參數(shù)。表格5.GTR的定額參數(shù)選取

假設(shè)流過(guò)GTR的電流峰值為ICP、承受的最高電壓為UTM。在實(shí)際應(yīng)用電路中一般應(yīng)取GTR的最大電流定額ICM

四、二次擊穿特性與安全工作區(qū)二次擊穿是造成GTR突然損壞或早期失效的重要原因。在電感性負(fù)載和大電流開(kāi)關(guān)電路中，二次擊穿更是晶體管毀壞的主要因素?？啃缘闹匾蛩兀仨氁饦O大的關(guān)注。

1.二次擊穿現(xiàn)象

當(dāng)集電極電壓UCE逐漸增加到某一數(shù)值時(shí)，如上述BUCEO、ＩＣ急劇增加，出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。首先出現(xiàn)的擊穿現(xiàn)象稱為一次擊穿，這種擊穿是正常的雪崩擊穿。這一擊穿可用外接串聯(lián)電阻的辦法加以控制，只要適當(dāng)限制晶體管的電流(或功耗)，一次一般不會(huì)引起晶體管的特性變壞，也不會(huì)損壞晶體管。但是，一次擊穿出現(xiàn)后若繼續(xù)增大偏壓UCE，而外接限流電阻又不變，反向電流IC將繼續(xù)增大。在極短的時(shí)間內(nèi)，使器件內(nèi)出現(xiàn)明顯的電流集中和過(guò)熱點(diǎn)。電流急劇增大，此現(xiàn)象便稱為二次擊穿。一旦發(fā)生二次擊穿，輕者使GTR電壓降低、特性變差，重者使集電結(jié)和發(fā)射結(jié)熔通，使晶體管受到永久性損壞。1.二次擊穿現(xiàn)象圖2-7GTR的安全工作區(qū)2.安全工作區(qū)(SOA)

GTR能夠安全運(yùn)行的范圍稱為安全工作區(qū)(SOA)。將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn)連接起來(lái)，就構(gòu)成二次擊穿的臨界線，它受到GTR的直流極限參數(shù)ICM、ＰＣＭ及電壓容量BUCEO等問(wèn)題的限制。廠家一般把它們畫在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，以安全工作區(qū)的綜合概念提供給用戶，如圖2-7所示。第三節(jié)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管簡(jiǎn)稱功率MOSFET，它是對(duì)小功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工藝結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在功率上有所突破的單極型半導(dǎo)體器件，屬于電壓控制型，具有驅(qū)動(dòng)功率小、控制電路簡(jiǎn)單、工作頻率高的特點(diǎn)。一、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理1.功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)

由電子技術(shù)基礎(chǔ)可知，小功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極G、源極S和漏極D位于芯片的同一側(cè)，導(dǎo)電溝道平行于芯片表面，是橫向?qū)щ娖骷?，這種結(jié)構(gòu)限制了它的電流容量。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管采取兩次擴(kuò)散工藝，并將漏極D移到芯片的另一側(cè)表面上，使從漏極到源極的電流垂直于芯片表面流過(guò)，這樣有利于減小芯片面積和提高電流密度。這種由垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)組成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管稱為VMOSFET。圖2-8功率MOSFET的結(jié)構(gòu)與符號(hào)一、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理2.功率MOSFET的工作原理

當(dāng)漏極接電源正極，源極接電源負(fù)極，柵源之間電壓為零或?yàn)樨?fù)時(shí)，P型區(qū)和N－型漂移區(qū)之間的PN結(jié)反向，漏源之間無(wú)電流流過(guò)。如果在柵極和源極加正向電壓UGS，由于柵極是絕緣的，不會(huì)有柵流。但柵極的正電壓所形成電場(chǎng)的感應(yīng)作用卻會(huì)將其下面P型區(qū)中的少數(shù)載流子電子吸引到柵極下面的P型區(qū)表面。當(dāng)UGS大于某一電壓值UT時(shí)，柵極下面P型區(qū)表面的電子濃度將超過(guò)空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成N型半導(dǎo)體，溝通了漏極和源極，形成漏極電流ID。電壓UT稱為開(kāi)啟電壓，UGS超過(guò)UT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。漏極電流ID越大。二、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特性1.轉(zhuǎn)移特性

轉(zhuǎn)移特性是指功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸入柵源電壓UGS與輸出漏極電流ID之間的關(guān)系。如圖2?9a所示。當(dāng)UＧＳ＜ＵＴ時(shí)，ID近似為零，當(dāng)UGS＞ＵＴ時(shí)，隨著UGS的增大ID也隨之增大，當(dāng)ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似為線性，曲線的斜率被定義為跨導(dǎo)gm

2.輸出特性

輸出特性是指以柵源電壓UGS為參變量，漏極電流ID與漏極電壓UDS之間關(guān)系的曲線族。如圖2?9b所示。輸出特性分為三個(gè)區(qū)域：可調(diào)電阻區(qū)Ⅰ、飽和區(qū)Ⅱ和雪崩區(qū)Ⅲ。二、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特性圖2-9功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性二、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特性3.開(kāi)關(guān)特性

如圖2?10所示電路可用于測(cè)試功率MOSFET的開(kāi)關(guān)特性。圖中uP為柵極控制電壓信號(hào)源，RS為信號(hào)源內(nèi)阻，RG為柵極電阻，RL為漏源負(fù)載電阻，RF為檢測(cè)漏極電流的電阻。信號(hào)源產(chǎn)生階躍脈沖電壓，當(dāng)其前沿到來(lái)時(shí)，極間電容Cin（Cin=CGS+CGD）充電，柵極電壓uGS按指數(shù)曲線上升，如圖2?10b所示。當(dāng)uGS上升到開(kāi)啟電壓UT時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)漏極電流iD，從uP前沿到iD出現(xiàn)這段時(shí)間稱為開(kāi)通延遲時(shí)間td。之后，iD隨uGS增大而上升，uGS從UT上升到使iD達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所用的時(shí)間稱為上升時(shí)間tr，開(kāi)通時(shí)間ton表示為二、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特性2z10.tif三、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的主要參數(shù)1.漏源擊穿電壓BUDS

漏源擊穿電壓BUDS決定了功率MOSFET的最高工作電壓，使用時(shí)注意結(jié)溫的影響，結(jié)溫每升高100℃，BUDS約增加10%。這與雙極型器件SCR及GTR等隨結(jié)溫升高而耐壓降低的特性恰好相反。

2.漏極連續(xù)電流ID和漏極峰值電流IDM

在器件內(nèi)部溫度不超過(guò)最高工作溫度時(shí)，功率MOSFET允許通過(guò)的最大漏極連續(xù)電流和脈沖電流稱為漏極連續(xù)電流ID和漏極峰值電流IDM。是功率MOSFET的電流定額參數(shù)。

3.柵源擊穿電壓BUGS

造成柵源之間絕緣層擊穿的電壓稱為柵源擊穿電壓BUGS。柵源之間絕緣層很薄，20V將發(fā)生介質(zhì)擊穿。三、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的主要參數(shù)4.極間電容

功率MOSFET的極間電容包括CGS、CGD和CDS，其中CGS為柵極電容，CGD是柵漏電容，極間電容是由器件結(jié)構(gòu)的絕緣層形成的。CDS是漏源電容，是由PN結(jié)形成的。如圖2?11所示為功率MOSFET的極間電容等效電路。表2-1功率MOSFET額定值示例圖2-11功率MOSFET極間電容

的等效電路第四節(jié)絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管簡(jiǎn)稱為IGBT(InsulatedGateBiopolarTransistor)，是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新型復(fù)合器件。IGBT綜合了MOSFET和GTR的輸入阻抗高、工作速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大的優(yōu)點(diǎn)，得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。在電動(dòng)機(jī)控制、中頻電源、開(kāi)關(guān)電源及要求快速而又低耗電的領(lǐng)域備受青睞，并成為當(dāng)前電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展方向。

目前市場(chǎng)出售IGBT產(chǎn)品(一單元模塊)的電流電壓等級(jí)達(dá)1200A/3300V，實(shí)驗(yàn)室研制水平單管達(dá)1000A/4500V；模塊達(dá)1200A/3500V；工作頻率可達(dá)50kHz以上。一、IGBT的結(jié)構(gòu)與工作原理圖2-12a所示為IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖。IGBT是在功率MOSFET的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，兩者結(jié)構(gòu)十分類似，不同之處是IGBT多了一個(gè)P層發(fā)射極，可形成PN結(jié)J１，使得IGBT導(dǎo)通時(shí)可由P注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射截流子(空穴)，對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制。因而IGBT具有很強(qiáng)的電流控制能力。TR為主導(dǎo)元件，以MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。其簡(jiǎn)化模型電路如圖2-12c所示，P溝道IGBT的圖形箭頭方向與圖2-12c相反。圖中的電阻RD是原基區(qū)GTR基區(qū)內(nèi)的擴(kuò)展電阻。二、IGBT基本特性與參數(shù)1.靜態(tài)特性

IGBT的靜態(tài)特性包括傳輸特性和輸出特性。

(1)傳輸特性IGBT的靜態(tài)傳輸特性描述集電極電流IC與柵射電壓UGE之間的相互關(guān)系，如圖2-13a所示，它與功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相似。圖2-13IGBT的靜態(tài)特性

a)傳輸特性b)輸出特性二、IGBT基本特性與參數(shù)(2)輸出特性IGBT的輸出特性描述以柵射電壓UGE為控制變量時(shí)，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的相互關(guān)系，如圖2-13b所示。

IGBT的輸出特性分為正向阻斷區(qū)、有源區(qū)、飽和區(qū)。當(dāng)UCE＜０時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)，P＋Ｎ＋結(jié)(Ｊ１結(jié))處于反偏，無(wú)集電極電流出現(xiàn)。IGBT較VDMOS多了一個(gè)J１結(jié)而獲得反向電壓阻斷能力，能夠承受的最高反向阻斷電壓ＵＲＭ取決于Ｊ１結(jié)的雪崩擊穿電壓。圖2-14IR公司出售的IGBT器件的簡(jiǎn)化名稱代號(hào)二、IGBT基本特性與參數(shù)2.IGBT的參數(shù)特點(diǎn)

有關(guān)IGBT的參數(shù)，各國(guó)廠家給出并不完全一樣。以國(guó)際整流器公司單管器件為例，它的簡(jiǎn)化名稱代號(hào)如圖2?14所示。

1)IGBT的開(kāi)關(guān)速度快、損耗小，據(jù)統(tǒng)計(jì)，電壓為1000V以上的IGBT開(kāi)關(guān)損耗僅為GTR的1/10，與VDMOS相當(dāng)，通態(tài)壓降也比VDMOS低，特別是在大電流高電壓應(yīng)用時(shí)。

2)IGBT的通態(tài)壓降在1/2或1/3額定電流以下區(qū)段具有負(fù)溫度系數(shù)，以上區(qū)段有正溫度系數(shù)，因此IGBT在并聯(lián)使用時(shí)具有電流調(diào)節(jié)的能力，即有易于并聯(lián)使用的特點(diǎn)。

3)安全工作區(qū)比GTR寬，具有耐脈沖電流沖擊的性能；與VDMOS和GTR相比，耐壓、電流等參數(shù)可以繼續(xù)做得更高，同時(shí)保持工作頻率高的特點(diǎn)。二、IGBT基本特性與參數(shù)3.IGBT的電壓、電流額定值選擇

根據(jù)有關(guān)資料介紹，現(xiàn)以逆變器一中IGBT的選擇為例，給出其額定電壓和額定電流的經(jīng)驗(yàn)估算方法。如圖2?15所示為用6只IGBT組成的三相橋式逆變器，所帶負(fù)載為三相異步電動(dòng)機(jī)，其額定功率PN＝3．7kW、額定電壓UN＝220V。IGBT的主要參數(shù)選取如下：

表格圖2-15IGBT組成的逆變器(1)IGBT額定電壓UCE(2)IGBT額定電流IC實(shí)際應(yīng)用中考慮到一些因素的影響，IC的取值需留有余地。

ＩＣ＝２××（１＋２０％）×(2?7)第五節(jié)新型電力電子器件一、MCT控制晶閘管

MCT控制晶閘管(MCTMosControlledThyristor)是一種單極型和雙極型組合而成的復(fù)合器件，輸入側(cè)為MOSFET結(jié)構(gòu)，因而輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小，工作頻率高；而輸出側(cè)為晶閘管結(jié)構(gòu)，能夠承受高電壓，通過(guò)大電流。這是一種很有發(fā)展前途的器件。目前，MCT的制造水平為：阻斷電壓3000V，峰值電流1000A，Δi／Δt達(dá)2000A/μs，Δu／Δt達(dá)20000V/μs，關(guān)斷時(shí)間為2μs。一、MCT控制晶閘管1.MCT的結(jié)構(gòu)與工作原理

MCT是在晶閘管結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上又制作了兩只MOSFET，其中用于控制MCT導(dǎo)通的那只MOSFET稱為開(kāi)通場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ON-FET)，用于控制阻斷的那只MOSFET稱為關(guān)斷場(chǎng)效應(yīng)晶體管(OFF-FET)。根據(jù)開(kāi)通場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道類型不同，可分為P-MCT和N-MCT。2Z16.tif二、靜電感應(yīng)晶體管2.MCT的靜態(tài)正向特性

靜態(tài)時(shí)，擔(dān)負(fù)開(kāi)通和關(guān)斷控制的內(nèi)部MOSFET不起作用，MCT相當(dāng)于晶閘管，阻斷時(shí)能承受較高的正向電壓，導(dǎo)通時(shí)具有很低的通態(tài)壓降。圖2?17示出了幾種器件的正向特性。由圖可見(jiàn)，在同樣的電流密度下，MCT具有最低的通態(tài)壓降。2Z17.tif二、靜電感應(yīng)晶體管圖2-18SIT的基本結(jié)構(gòu)與圖形符號(hào)1.SIT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理SIT的基本結(jié)構(gòu)與電路圖形符號(hào)如所示。在N＋型襯底上外延高阻N－層，然后在N－高阻外延層內(nèi)擴(kuò)散若干個(gè)P＋區(qū)，再在其頂部另外擴(kuò)散一個(gè)N＋層。從襯底上引出的電極叫漏極D，將P＋區(qū)連在一起后引出的電極叫柵極G，從擴(kuò)散的N＋層上引出的電極稱為源極S。SIT也是采用垂直導(dǎo)電形式的多胞集成結(jié)構(gòu)。

二、靜電感應(yīng)晶體管2.SIT的特性

(1)伏安特性是指SIT的漏源電壓UDS與漏極電流ID之間的關(guān)系。

當(dāng)柵源負(fù)電壓UGS絕對(duì)值越大，建立的勢(shì)壘越高，要克服這一勢(shì)壘形成電流，需要較大的UDS，所以相應(yīng)的ID和ＵＤＳ曲線越向右移動(dòng)。(2)開(kāi)關(guān)特性當(dāng)柵源電壓UGS＝０時(shí)，漏源之間只有極小的電阻，SIT處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)柵源電壓足夠大，且漏源電壓不超過(guò)一定范圍，SIT就處于截止?fàn)顟B(tài)。二、靜電感應(yīng)晶體管圖2-20SIT的導(dǎo)通區(qū)與截止區(qū)圖2-19SIT的典型伏安特性三、集成門極換向晶閘管(IGCT)圖2-21IGCT的導(dǎo)通、阻斷狀態(tài)示意圖及電路符號(hào)圖

a)導(dǎo)通狀態(tài)b)阻斷狀態(tài)c)電路符號(hào)圖出工作，整個(gè)器件呈晶體管方式工作，該器件在這兩種狀態(tài)下的等效電路如圖2-21所示。

圖2-21還表明，在導(dǎo)通和阻斷狀態(tài)下，GCT和GTO有明顯不同，即GCT可瞬時(shí)從圖2-21a轉(zhuǎn)換到圖2-21b所示狀態(tài)，而GTO必須經(jīng)過(guò)由一個(gè)既非導(dǎo)通又非阻斷的中間不定狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。IGCT能消除“GTO區(qū)”的影響，其容量與GTO相當(dāng)，但開(kāi)關(guān)速度比GTO快10倍以上。四、功率模塊與功率集成電路1.功率模塊

把各種電力電子器件的管芯按一定的電路連接，并封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，如GTR模塊，其大部分管芯和外殼底板(一般為金屬)在電氣上相互絕緣，但傳熱效果良好。由于模塊具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠、通用性強(qiáng)、便于維修等特點(diǎn)，多個(gè)模塊可以同時(shí)安裝在裝置接地的外殼上或安裝在接地的同一散熱器上，從而大大簡(jiǎn)化了電路的結(jié)構(gòu)，縮小了裝置的體積，因此受到重視與應(yīng)用，目前除有商