第2章電力電子器件,2.1電力電子器件概述2.2功率二極管2.3晶閘管2.4典型全控型器件2.5其他新型電力電子器件,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)注意的一些問題,簡要概述電力電子器件的概念、特點和分類等,本章主要內(nèi)容：,電力電子器件,電力電子技術(shù)的基礎(chǔ),電子器件：晶體管和集成電路,電力電子器件,電子技術(shù)的基礎(chǔ),2.1電力電子器件的概述,2.1.1電力電子器件的概念和特征2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成2.1.3電力電子器件的分類,一.電力電子器件的概念和特征,電力電子器件的概念電力電子器件（powerelectronicdevice）可直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件主電路（mainpowercircuit）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,電力電子器件的特征電真空器件(汞弧整流器、閘流管等電真空器件)半導(dǎo)體器件(采用的主要材料仍然是硅),能處理的電功率大，即器件承受電壓和電流的能力大。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。實用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。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。,電力電子器件的特征,主要損耗,通態(tài)損耗：導(dǎo)通時器件上有一定的通態(tài)壓降,斷態(tài)損耗：阻斷時器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過,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,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,電力電子器件的損耗,二.應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成,電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動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,三.電力電子器件的分類,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-GateBipolarTransistorIGBT）電力場效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）,3）不可控器件,功率二極管（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。,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。,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：,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)電流驅(qū)動型,1)單極型器件,電力電子器件的分類,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)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,2.2功率二極管,2.2.1功率二極管的結(jié)構(gòu)與原理2.2.2功率二極管的基本特性2.2.3功率二極管的主要類型,一.功率二極管結(jié)構(gòu)與原理,結(jié)構(gòu)、符號與外形基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣，以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)，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，主要有塑封、螺栓型和平板型三種封裝,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,工作原理PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN結(jié)在正向電流較大時壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)。PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴６O管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。,功率二極管結(jié)構(gòu)與原理,二.功率二極管的基本特性,靜態(tài)伏安特性,圖2-3功率二極管的伏安特性,當(dāng)功率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)。與正向電流IF對應(yīng)的功率二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當(dāng)功率二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。,三.功率二極管的主要類型,1.普通二極管（GeneralPurposeDiode）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（FastRecoveryDiodeFRD）,功率二極管的主要類型,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2030ns。工藝上多采用了摻金措施、改進的PiN結(jié)構(gòu)等,2.3晶閘管,2.3.1晶閘管及其工作原理2.3.2晶閘管的基本特性2.3.3晶閘管的主要參數(shù)2.3.4晶閘管的派生器件,晶閘管（Thyristor）：硅晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifierSCR）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)用的嶄新時代能承受的電壓和電流容量大，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型普通晶閘管，廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件,一.晶閘管及其工作原理,1.晶閘管外型、結(jié)構(gòu)及符號,外形有塑封式、螺栓型和平板型三種封裝形式引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端對于螺栓型封裝，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,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,2.晶閘管的工作原理,門級控制開通原理,IGIb2IC2=Ib1IC1-,形成正反饋工作過程，很快使兩個晶體管都轉(zhuǎn)為飽和導(dǎo)通狀態(tài)，晶閘管開通。晶閘管開通后門級失去控制作用。,當(dāng)S閉和，形成門級電流,阻斷特性正向阻斷UAK為正，IG=0反向阻斷UAK為負，,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,正向轉(zhuǎn)折現(xiàn)象Ic1=1IA（1-1）Ic2=2IK（1-2）IK=IA+IG（1-3）IA=Ic1+Ic2+Ic0（1-4）式中1和2分別是晶體管V1和V2的電流增益；Ic0是漏電流。由以上式（1-1）（1-4）可得（1-5）,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,晶閘管的工作原理,當(dāng)：IG=0時1和2很小IA=IKIC0正向阻斷當(dāng)UAKIC01、2IA當(dāng)1+21時IA急劇增大當(dāng)UAK達到某一電壓，使晶閘管由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)，稱為正向轉(zhuǎn)折現(xiàn)象,晶閘管的工作原理,晶閘管的關(guān)斷由式：當(dāng)：1+21，晶閘管便可恢復(fù)關(guān)斷。通常規(guī)定：能維持晶閘管導(dǎo)通的最小電流稱為維持電流IH使主電路電流IAIG1IG,二.晶閘管的基本特性,晶閘管的伏安特性,1)正向特性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。,晶閘管的伏安特性,2)反向特性晶閘管上施加反向電壓時，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，只有極小的反相漏電流流過。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。,晶閘管的伏安特性,晶閘管的伏安特性,動態(tài)特性,晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形,晶閘管的基本特性,1)開通過程延遲時間td：門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時間。上升時間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間。開通時間tgt以上兩者之和，tgt=td+tr（1-6）普通晶閘管延遲時為0.51.5s，上升時間為0.53s。普通晶閘管開通時間約：5s,晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形,動態(tài)特性,2)關(guān)斷過程反向阻斷恢復(fù)時間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間正向阻斷恢復(fù)時間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間關(guān)斷時間tq：trr與tgr之和，即tq=trr+tgr（1-7)）普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒。,晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形,動態(tài)特性,1.電壓定額,三.晶閘管的主要參數(shù),在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的最大正向峰值電壓。,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23倍。,在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的最大反向峰值電壓。,晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。,1)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM,2)反向重復(fù)峰值電壓URRM,3)通態(tài)（峰值）電壓UTM,2.電流定額1)通態(tài)平均電流ITa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在一個周期內(nèi)的平均值。稱為晶閘管的額定電流。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則來選取晶閘管。應(yīng)留一定的裕量，一般取1.52倍。,晶閘管的主要參數(shù),晶閘管的主要參數(shù),2)維持電流IH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)。結(jié)溫越高，則IH越小。3)掣住電流IL晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導(dǎo)通所需的最小陽極電流，對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的24倍。4)浪涌電流ITSM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,3.動態(tài)參數(shù),晶閘管的主要參數(shù),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。,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,在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時，相當(dāng)于一個電容的J2結(jié)會有充電電流流過，被稱為位移電流。此電流流經(jīng)J3結(jié)時，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，就會使晶閘管誤導(dǎo)通。,(1)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：,如何選擇晶閘管？,晶閘管電流定額可按下式計算選擇：,在實際應(yīng)用中，選擇晶閘管時，應(yīng)從額定電壓和額定電流兩方面共同計算選擇。由于晶閘管承受瞬間過電壓能力較差，因此選擇晶閘管額定電壓時，應(yīng)留有充分的安全裕量，可按下式計算選擇：,三.晶閘管的派生器件,1.快速晶閘管（FastSwitchingThyristorFST)包括所有專為快速應(yīng)用(400HZ以上)而設(shè)計的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管。管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進行了改進，開關(guān)時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s左右。高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。由于工作頻率較高，選擇通態(tài)平均電流時不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。,2.雙向晶閘管（Bidirectionaltriodethyristor）,雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性電氣圖形符號伏安特性,晶閘管的派生器件,有兩個主電極T1和T2，一個門極G。正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第和第III象限有對稱的伏安特性。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)壓電路、固態(tài)繼電器（SSR）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，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。,3.逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor）,逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性電氣圖形符號伏安特性,晶閘管的派生器件,將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。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，一個是晶閘管電流，一個是反并聯(lián)二極管的電流。,4.光控晶閘管（LightTriggeredThyristor）,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,晶閘管的派生器件,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)通的晶閘管。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，且可避免電磁干擾的影響，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。,2.4典型全控型器件,2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管2.4.2電力晶體管2.4.3功率場效應(yīng)管2.4.4絕緣柵雙極晶體管,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、功率場效應(yīng)管、絕緣柵雙極晶體管。,典型全控型器件,2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管,門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristorGTO）門極可關(guān)斷晶閘管是晶閘管的一種派生器件,在晶閘管問世后不久出現(xiàn)?？梢酝ㄟ^在門極施加負的脈沖電流使其關(guān)斷GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用,GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：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：GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(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。,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,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。,由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益1和2。,1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。當(dāng)1+21時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)1+21時，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。,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：,（1）設(shè)計2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷。（2）導(dǎo)通時1+2更接近1（1.05，普通晶閘管1+21.15）導(dǎo)通時飽和不深，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。,（3）多元集成結(jié)構(gòu)使GTO元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。,門極可關(guān)斷晶閘管,由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：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：強烈正反饋門極加負脈沖即從門極抽出電流，則Ib2減小，使IK和Ic2減小，Ic2的減小又使IA和Ic1減小，又進一步減小V2的基極電流。當(dāng)IA和IK的減小使1+21時，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。,門極可關(guān)斷晶閘管,術(shù)語用法：電力晶體管（GiantTransistorGTR，直譯為巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistorBJT），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和功率MOSFET取代。,2.4.2電力晶體管,1.GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理,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)斷面示意圖b)電氣圖形符號c)內(nèi)部載流子的流動,電力晶體管,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。,2.動態(tài)特性開通過程延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。td主要是由發(fā)射結(jié)勢壘電容和集電結(jié)勢壘電容充電產(chǎn)生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時間，同時可縮短上升時間，從而加快開通過程。,圖GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形,電力晶體管,關(guān)斷過程儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關(guān)斷時間toff。ts是用來除去飽和導(dǎo)通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時間的主要部分。減小導(dǎo)通時的飽和深度以減小儲存的載流子，或者增大基極抽取負電流Ib2的幅值和負偏壓，可縮短儲存時間，從而加快關(guān)斷速度。GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。,GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形,電力晶體管,3.GTR的二次擊穿現(xiàn)象一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿。只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。二次擊穿一次擊穿發(fā)生時Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。,電力晶體管,分為結(jié)型和絕緣柵型（類似小功率FieldEffectTransistorFET）但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）簡稱功率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（StaticInductionTransistorSIT）,2.4.3功率場效應(yīng)管,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。,1.功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理功率MOSFET的種類按導(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)電溝道功率MOSFET主要是N溝道增強型,功率場效應(yīng)管,功率MOSFET的結(jié)構(gòu),功率場效應(yīng)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。導(dǎo)電機理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。功率MOSFET的多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計。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,電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號,功率MOSFET的工作原理截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。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：在柵源極間加正電壓UGS柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面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UT（開啟電壓或閾值電壓）時，漏極和源極導(dǎo)通。,功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號,功率場效應(yīng)管,MOSFET的開關(guān)速度MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系。使用者無法降低Cin，但可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度。MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速。開關(guān)時間在10100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。,功率場效應(yīng)管,2.4.4絕緣柵雙極晶體管,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。絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistorIGBT）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。,1.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2-22IGBT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,絕緣柵雙極晶體管,E,IGBT的結(jié)構(gòu)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)，形成了一個大面積的P+N結(jié)J1。使IGBT導(dǎo)通時由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對漂移區(qū)電導(dǎo)率進行調(diào)制，使得IGBT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,絕緣柵雙極晶體管,IGBT的原理驅(qū)動原理與功率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。導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小。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。,絕緣柵雙極晶體管,IGBT的特點可以總結(jié)如下：,絕緣柵雙極晶體管,(1)開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時，開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與功率MOSFET相當(dāng)。(2)相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。(3)通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。(4)輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。(5)與MOSFET和GTR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。,2.5其他新型電力電子器件,2.5.1MOS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功率模塊與功率集成電路,MOS控制晶閘管MCT,MCT（MOSControlledThyristor）MOSFET與晶閘管的復(fù)合MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點：MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動功率、快速的開關(guān)過程。晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降。一個MCT器件由數(shù)以萬計的MCT元組成，每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。MCT曾一度被認為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器件。因此，20世紀(jì)80年代以來一度成為研究的熱點。但經(jīng)過十多年的努力，其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠未達到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實際應(yīng)用。,2.5.1,2.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT,SIT（StaticInductionTransistor）1970年，結(jié)型場效應(yīng)晶體管小功率SIT器件的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)改為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，即可制成大功率的SIT器件。多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與功率MOSFET相當(dāng)，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合。在雷達通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。缺點：柵極不加信號時導(dǎo)通，加負偏壓時關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便。通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。,2.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH,SITH（StaticInductionThyristor）1972年，又被稱為場控晶閘管（FieldControlledThyristorFCT）。比SIT多了一個具有少子注入功能的PN結(jié)，SITH是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強。其很多特性與GTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。SITH一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，其制造工藝比GTO復(fù)雜得多，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。,2.5.4集成門極換流晶閘管IGCT,IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor），也稱GCT（Gate-CommutatedThyristor）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，且可省去GTO龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過所需的驅(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.