1、1參考書參考書 1.電力電子器件及其應(yīng)用電力電子器件及其應(yīng)用 李序葆、趙永健李序葆、趙永健 編著編著 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社 2.電力半導(dǎo)體器件原理與電力半導(dǎo)體器件原理與 應(yīng)用應(yīng)用 袁立強(qiáng)袁立強(qiáng) 趙爭鳴趙爭鳴 編著編著 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社3.現(xiàn)代電力電子電路現(xiàn)代電力電子電路 林渭勛林渭勛 編著編著 浙江大學(xué)出版社浙江大學(xué)出版社第第3 3章章 電力電子器件電力電子器件（功率半導(dǎo)體器件）（功率半導(dǎo)體器件）2主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：概述電力電子器件的概念概念、特點(diǎn)特點(diǎn)和分分類類等問題。介紹常用電力電子器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主要參數(shù)主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意問題。3

2、3.1 3.1 緒緒 論論 3.1.1 3.1.1 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)(Power Electronics)(Power Electronics) - -以以電力電力為對象的一門新興高新技術(shù)學(xué)科。為對象的一門新興高新技術(shù)學(xué)科。一、定義一、定義 按美國電氣和電子工程協(xié)會（按美國電氣和電子工程協(xié)會（IEEE）電子學(xué)會）電子學(xué)會的定義：的定義：有效地使用電力半導(dǎo)體器件、應(yīng)用電路和設(shè)有效地使用電力半導(dǎo)體器件、應(yīng)用電路和設(shè)計理論及分析開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)對計理論及分析開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)對電能的高效能變換和電能的高效能變換和控制控制的一門技術(shù)，它包括電壓、電流、頻率和波形等的一門技術(shù)，它包括電壓、電流、頻率和

3、波形等方面的變換。方面的變換。4電力電子系統(tǒng)電力電子系統(tǒng)組成組成：由控制電路控制電路、驅(qū)動電路驅(qū)動電路、保護(hù)電保護(hù)電路路 和以電力電子器件為核心的主電路主電路組成。圖3-1 電力電子器件在實(shí)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(hù)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\(yùn)行電氣隔離控制電路5三、三、電力電子技術(shù)的發(fā)展電力電子技術(shù)的發(fā)展 1956年年，第一個晶閘管（第一個晶閘管（SCR）的發(fā)明，標(biāo)志電力電子）的發(fā)明，標(biāo)志電力電子 技術(shù)的誕生。技術(shù)的誕生。1、傳統(tǒng)電力電子技術(shù)階段（、傳統(tǒng)電力電子技術(shù)階段（1957-1980年）年） 1947

4、年，第一只晶體管誕生，半導(dǎo)體電子學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。年，第一只晶體管誕生，半導(dǎo)體電子學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。1956年，晶閘管問世，半導(dǎo)體電子學(xué)產(chǎn)生兩個分支。年，晶閘管問世，半導(dǎo)體電子學(xué)產(chǎn)生兩個分支。 兩個分支兩個分支分支一分支一：以：以晶體管集成電路晶體管集成電路為核心形成對信息處理的微電子為核心形成對信息處理的微電子 技術(shù)。技術(shù)。 特點(diǎn)：集成度越來越高，規(guī)模越來越大，功能越來越全。特點(diǎn)：集成度越來越高，規(guī)模越來越大，功能越來越全。 -1971年，第一臺微處理器問世。年，第一臺微處理器問世。6分支二：分支二：以以晶閘管晶閘管為核心，對電力進(jìn)行處理的電力電子技術(shù)為核心，對電力進(jìn)行處理的電力電子技術(shù) 特點(diǎn)：派生器件

5、越來越多，功率越來越大，性能越來越好。特點(diǎn)：派生器件越來越多，功率越來越大，性能越來越好。例如：例如：普通普通晶閘管、快速晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管（晶閘管、快速晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管（RCTRCT） 雙向晶閘管（雙向晶閘管（TRIACTRIAC）、不對稱晶閘管（）、不對稱晶閘管（ASCRASCR）等。）等。應(yīng)用：直流傳動，電化學(xué)電源，電力機(jī)車牽引，直流輸電等。應(yīng)用：直流傳動，電化學(xué)電源，電力機(jī)車牽引，直流輸電等。7制約傳統(tǒng)電力電子技術(shù)發(fā)展的因素制約傳統(tǒng)電力電子技術(shù)發(fā)展的因素a. 控制功能上欠缺控制功能上欠缺：半控型器件，只能控制其導(dǎo)通，不能：半控型器件，只能控制其導(dǎo)通，不能控制關(guān)斷?？刂脐P(guān)斷。b. 需要

6、有相當(dāng)大的輸入功率需要有相當(dāng)大的輸入功率，其控制電路因需要使用分立，其控制電路因需要使用分立器件變得復(fù)雜，阻礙了整機(jī)體積和成本的進(jìn)一步縮小。器件變得復(fù)雜，阻礙了整機(jī)體積和成本的進(jìn)一步縮小。而且因立足于分立式結(jié)構(gòu)，而且因立足于分立式結(jié)構(gòu)，工作頻率難以提高工作頻率難以提高（小于（小于400Hz)，應(yīng)用范圍窄。，應(yīng)用范圍窄。c. 控制方式采用移相控制，使電網(wǎng)及負(fù)載上諧波嚴(yán)重，整機(jī)控制方式采用移相控制，使電網(wǎng)及負(fù)載上諧波嚴(yán)重，整機(jī)功率因數(shù)低，功率因數(shù)低，電網(wǎng)電網(wǎng)“公害公害”大大。 SCR器件和應(yīng)用理論上都發(fā)展到了成熟階段，從器件發(fā)器件和應(yīng)用理論上都發(fā)展到了成熟階段，從器件發(fā)展上來看，電壓、電流還有提高

7、的可能。但是，實(shí)際上它的展上來看，電壓、電流還有提高的可能。但是，實(shí)際上它的發(fā)展卻受到了制約。發(fā)展卻受到了制約。82、現(xiàn)代電力電子技術(shù)階段（、現(xiàn)代電力電子技術(shù)階段（1980年年-現(xiàn)在）現(xiàn)在）發(fā)展：發(fā)展：7070年代末期，結(jié)合微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)，產(chǎn)生年代末期，結(jié)合微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)，產(chǎn)生了新一代高頻化，了新一代高頻化，全控型全控型的功率集成器件，標(biāo)志現(xiàn)代電力電子的功率集成器件，標(biāo)志現(xiàn)代電力電子技術(shù)階段的開始。例如：技術(shù)階段的開始。例如：可關(guān)斷晶閘管（可關(guān)斷晶閘管（GTOGTO）9KV9KV，1KA1KA；4.5KV,4.5KA4.5KV,4.5KA電力晶體管（電力晶體管（GTRGTR

8、） 單管單管:1KV,200A:1KV,200A；模塊；模塊:1.2KV,800A;1.8KV,100A:1.2KV,800A;1.8KV,100A功率場控晶體管（功率功率場控晶體管（功率MOSFETMOSFET） 1KV,38A1KV,38A絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGTIGT、IGBTIGBT）1.2KV,400A; 3.3KV,1200A1.2KV,400A; 3.3KV,1200A靜電感應(yīng)晶體管（靜電感應(yīng)晶體管（SITSIT） f fT T:30:3050MHz,200A,1.2KV50MHz,200A,1.2KV 靜電感應(yīng)晶閘管（靜電感應(yīng)晶閘管（SITHSITH） 1

9、KA/2.5KV; 2.2KA/450V; 400A/4.5KV1KA/2.5KV; 2.2KA/450V; 400A/4.5KVMOSMOS晶閘管（晶閘管（MCTMCT） 1KV,100A1KV,100A9特點(diǎn)特點(diǎn):a. 全控化全控化；避免了關(guān)斷時的強(qiáng)迫換相電路，結(jié)構(gòu)大大簡化。；避免了關(guān)斷時的強(qiáng)迫換相電路，結(jié)構(gòu)大大簡化。b. 集成化集成化：與傳統(tǒng)電力電子器件不同，不采用分立方式；由：與傳統(tǒng)電力電子器件不同，不采用分立方式；由許多單元胞器件并聯(lián)而成，子器件集成。如：許多單元胞器件并聯(lián)而成，子器件集成。如：1000A的的GTO含有近千個單元含有近千個單元GTO；40A功率功率MOSFET由上萬個

10、單元并聯(lián)；由上萬個單元并聯(lián)；300A的的SITH含有近含有近5萬個子器件。萬個子器件。c. 高頻化高頻化：由于器件集成化，工作速度大大提高。如：由于器件集成化，工作速度大大提高。如：GTO達(dá)達(dá)12KHZ，GTR：25KHZ，功率，功率MOSFET：幾百：幾百KHZ，SIT：10MHZ以上。以上。d. 多功能化多功能化：除開關(guān)功能外，增加保護(hù)、檢測、驅(qū)動等功能，：除開關(guān)功能外，增加保護(hù)、檢測、驅(qū)動等功能，有些器件具有放大、調(diào)制、振蕩和邏輯運(yùn)算的功能，使用范有些器件具有放大、調(diào)制、振蕩和邏輯運(yùn)算的功能，使用范圍拓寬，電路簡化。圍拓寬，電路簡化。e. 電路弱電化電路弱電化：控制技術(shù)數(shù)字化，如：控制技

11、術(shù)數(shù)字化，如：PWM控制技術(shù)，諧振控制技術(shù)，諧振變換電路，高頻斬波電路成為主要電路形式。變換電路，高頻斬波電路成為主要電路形式。101 1）概念）概念: :電力電子器件電力電子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。主電路（主電路（Main Power Circuit） 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。1、電力電子器件、電力電子器件3.1.2 電力電子器件電力電子器件11處理電功率的能力小至毫瓦級，大至兆瓦級。電力電子器件能承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)。如晶閘管：12000V/1000A 能

12、處理的電功率較大能處理的電功率較大2）同處理信息的電子器件相比的一般特征：）同處理信息的電子器件相比的一般特征：12 電力電子器件一般工作在開關(guān)狀態(tài)電力電子器件一般工作在開關(guān)狀態(tài)電力電子器件一般工作在開關(guān)狀態(tài)，以減少器件自身損耗，提高系統(tǒng)工作可靠性與工作效率。 電力電子器件導(dǎo)通時（通態(tài)）阻抗很小導(dǎo)通時（通態(tài)）阻抗很小，管壓降接近于零，相當(dāng)于短路，而電流由外電路決定。 電力電子器件阻斷時（斷態(tài)）阻抗很大阻斷時（斷態(tài)）阻抗很大，電流幾乎為零，相當(dāng)于斷路，而管子兩端電壓由外電路決定。13 信息電子電路給出開關(guān)狀態(tài)切換的控制信息決定電力電子器件何時開通、何時關(guān)斷 電力電子器件常采用信息電子電路進(jìn)行控制

13、電力電子器件常采用信息電子電路進(jìn)行控制 對電力電子器件通常采取一定保護(hù)措施對電力電子器件通常采取一定保護(hù)措施 電力電子器件通常價格昂貴，同時電力電子器件直接用于處理電能的主電路中，器件的損壞將導(dǎo)致整個電氣設(shè)備或系統(tǒng)工作崩潰，從而會造成嚴(yán)重?fù)p失，因此，要采取一定措施保證電力電子器件可靠工作。14半控型器件（半控型器件（Thyristor） 通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件（全控型器件（IGBT,MOSFET) ) 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。不可控器件不可控器件( (Power Diode) ) 不能用控制信號來控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)

14、動電路。按照器件被控制的程度按照器件被控制的程度，分為以下三類：，分為以下三類：2、電力電子器件分類、電力電子器件分類15v不可控器件 主要為不同類型的功率二極管，這類器件一般為兩端器件，一端為陽極，一端為陰極。其開關(guān)操作僅取決于施加于器件陽、陰極間的電壓，正向?qū)?，反相阻斷，流過其中的電流是單方向的。由于其開通和關(guān)斷不能通過器件本身進(jìn)行控制，故稱為不可控器件。不可控器件是電力半導(dǎo)體中最基本的、用途最廣的器件 不可控器件主要利用其非線性特性，二極管的正向?qū)щ姾头聪蜃钄嗵匦允诛@著，因此常用來控制電流方向，如用來構(gòu)成AC-DC整流電路。有時，也使用其反向阻斷過程的特殊特性，如穩(wěn)壓特性，用于電路中

15、抑制電壓的增幅。16v半控型器件 主要包括晶閘管及其派生器件。這類器件一般是三端器件，除了陰、陽極之外，還增加了一個控制門級。半控型器件也具有單向?qū)щ娦?，其開通不僅需要在其陽、陰極兩端施加正向電壓，而且必須在門級和陰極之間輸入正向可控功率，稱之為“開通可控”。 然而這類器件一旦開通，就不能通過門級控制關(guān)斷，只能從外部改變加在陰陽極間的電壓極性或者強(qiáng)制陽極電流變?yōu)?，所以稱為半控型器件。 晶閘管制造工藝簡單，是最早生產(chǎn)的可控電力半導(dǎo)體開關(guān)器件，在其誕生后，被大量應(yīng)用于工業(yè)電力控制裝置中。最大特點(diǎn)是價格低廉，可靠性高，但由它組成的變換器變換性能一般，尤其在諧波抑制性能上較弱。17 目前，在許多大容

16、量變換器領(lǐng)域，仍無可替代的其他器件，晶閘管還得到廣泛使用，如大功率電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償，大型同步電機(jī)調(diào)速等設(shè)備中仍有使用。18v全控型器件 也是帶有控制端的三端器件，種類較多，工作機(jī)理也不盡相同。由于不需要外部提供關(guān)斷條件，僅靠自身控制即可關(guān)斷，所以這類器件也被稱為自關(guān)斷器件。 與半控型器件相比，其性能比完善，應(yīng)用上也更靈活，但器件制造工藝相對復(fù)雜。隨著容量等級的不斷增長，全控型器件正逐漸取代晶閘管，廣泛用于各種電力電子變換器中。19電流驅(qū)動型電流驅(qū)動型 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。（所以需要有足夠大的驅(qū)動電流才能使器件導(dǎo)通或者關(guān)斷）電壓驅(qū)動型電壓驅(qū)動型 僅通過在控制端

17、和公共端之間施加一定的電壓信號就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類：，分為兩類：20 按照電力半導(dǎo)體器件中載流子的性質(zhì)按照電力半導(dǎo)體器件中載流子的性質(zhì)，分為三類：，分為三類：雙極型器件（結(jié)型器件）雙極型器件（結(jié)型器件） 在器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子都參與導(dǎo)電過程的半導(dǎo)體器件，都是基于pn結(jié)原理的結(jié)型半導(dǎo)體器件單極型器件單極型器件 在器件內(nèi)部只有一種載流子（多數(shù)載流子）參與導(dǎo)電過程的半導(dǎo)體器件，這類器件一般開關(guān)頻率較高?；旌闲推骷旌闲推骷?由雙極型和單極型器件集成混合而成。利用雙極型器件（耐壓高、電流密度導(dǎo)通壓降低）作為功率輸入輸出通道，單極型

18、器件（輸入阻抗高，相應(yīng)速度快）作控制通道，兼?zhèn)鋬烧邇?yōu)點(diǎn)。213. 主要技術(shù)指標(biāo) 主要關(guān)注電氣容量、開關(guān)特性、控制特性、熱特性等指標(biāo)。電氣容量指標(biāo)：額定電壓、額定電流等 開關(guān)特性：主要描述器件從導(dǎo)通到關(guān)斷或從關(guān)斷 到導(dǎo)通時器件的電壓、電流隨時間變化 的特性。如開通時間、關(guān)斷時間等 22控制特性：描述可控器件開通與關(guān)斷條件及其對 控制信號的要求。如驅(qū)動電壓、驅(qū)動 電流等指標(biāo)。熱特性：主要描述器件損耗導(dǎo)致器件溫升的特性。 如最高結(jié)溫、熱阻等指標(biāo)。 要使器件能在電路系統(tǒng)中可靠工作，器件的應(yīng)用狀況必須符合器件技術(shù)指標(biāo)所限定的條件。 23 Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代

19、初期就獲得應(yīng)用。整流二極管及模塊3.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管24電力二極管與普通二極管的不同電力二極管與普通二極管的不同v大功率二極管PN結(jié)面積大，能過較大電流，但結(jié)電容也大，只能工作在較低頻率下，一般僅用作整流用v一般的二極管結(jié)面積小，不能通過較大電流，但結(jié)電容小，可在高頻率下工作，一般用于高頻電路和小功率的整流。25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。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，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。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1、PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力

20、二極管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK26正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如 2V）。正向恢復(fù)時間tfr。電流上升率越大，UFP越高 。UFPuiiFuFtfrt02V 開通過程開通過程： 關(guān)斷過程關(guān)斷過程須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)（電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)），并伴隨有明顯的反向電壓過沖（線路電感的作用）。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt2) 動態(tài)特性動態(tài)特性 二極管的電壓二極管的電壓-電流特性隨時間變化的曲線電流特性隨時間變化的曲線延遲時間：td=

21、 t1- t0, （清除少子）電流下降時間：tf= t2- t1反向恢復(fù)時間：trr= td+ tf27 狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷壕S持1V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。 PN結(jié)的狀態(tài)28主要指其伏安特性伏安特性門檻電壓門檻電壓UTO，正向電流IF開始明顯增加所對應(yīng)的電壓。0.2v-0.5v與IF對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降正向電壓降UF 。0.7v-1.2v承受反向電壓時，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。幾十微安-幾十毫安電力二極管的伏安特性1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性IOIFUTOUFU2、二極管

22、工作特性、二極管工作特性293、二極管主要參數(shù)、二極管主要參數(shù)IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，通態(tài)電流在一個整周期內(nèi)的平均值，并應(yīng)留有一定的裕量。若正弦電流的最大值為Im，則額定電流為1) 正向平均電流正向平均電流IF(AV)2）正向壓降正向壓降UF 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)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。擊穿電壓的2/3倍mIttdII1)(sin210mF(AV)30結(jié)溫結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。TJM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1251

23、75C范圍之內(nèi)。6) 浪涌電流浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。 5）最高工作結(jié)溫最高工作結(jié)溫TJM4）反向恢復(fù)時間反向恢復(fù)時間trr trr= td+ tf311) 普通二極管普通二極管（General Purpose Diode）又稱整流二極管（Rectifier Diode）多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路其反向恢復(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(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上4、二極管類型、二極管類型32簡稱快速二極管工藝上多采用了摻金措施快恢復(fù)外延二極管（快恢復(fù)外延二極管（P

24、INPIN） （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下。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t trrrr為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。2) 快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管 （Fast Recovery DiodeFRD）33肖特基二極管的弱點(diǎn)弱點(diǎn)反向耐壓提高時正向壓降會提高，多用于200V以下。反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴(yán)格地限制其工作溫度。肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)反向恢復(fù)時間很短（1040ns）。正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的電壓

25、過沖。反向耐壓較低時其正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管。效率高，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。3） 肖特基二極管肖特基二極管 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier Diode 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345、二極管的應(yīng)用、二極管的應(yīng)用用途：限幅、整流35作業(yè)v1.什么是電力電子技術(shù)？什么是電力電子器件？v2.電力電子器件同一般的的處理信息的電子器件相比，有什么特征？v3.電力電子器件可按什么分類，分別包含哪些類型？v4.電力電子器件主要有哪些技術(shù)指標(biāo)?v5.電力二極管包含哪幾

26、種？試簡述每種特點(diǎn)？v6.試描述電力二極管的動態(tài)特性？361.3 晶閘管晶閘管1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管。1957年美國通用電氣公司開發(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。晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）37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)38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

27、氣圖形符號1 1、晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理、晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3A：陽極K：陰極G：門極(控制極)39簡單描述晶閘管SCR相當(dāng)于一個半可控的、可開不可關(guān)的單向開關(guān)。晶閘管的工作條件的試驗(yàn)電路當(dāng)SCR的陽極和陰極電壓UAK0時，只有EGk0，SCR才能導(dǎo)通。說明SCR具有正向阻斷能力；SCR一旦導(dǎo)通，門極G將失去控制作用，即無論EG如何，均保持導(dǎo)通狀態(tài)。SCR導(dǎo)通后的管壓降為1V左右，主電路中的電流I由R和RW以及EA的大小決定；當(dāng)UAK0時，無論SCR原來的狀態(tài)，都會使R熄滅，即此時SCR關(guān)斷。其實(shí)，在I逐漸降低（通過調(diào)整RW）至

28、某一個小數(shù)值時，剛剛能夠維持SCR導(dǎo)通。如果繼續(xù)降低I，則SCR同樣會關(guān)斷。該小電流稱為SCR的維持電流。401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。 按晶體管的工作原理晶體管的工作原理 ，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（3-2）（3-1）（3-3）（3-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（4-5） IG（IB2）IC2 （IB1） IC1 （IB2） 導(dǎo)通的過程是一個導(dǎo)通的過程是一個正反饋正反饋過程過程。V1、V2飽和飽和41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

29、后， 迅速增大（ 1 2 ）。阻斷狀態(tài)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。開通狀態(tài)開通狀態(tài)：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，將趨近于無窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。放大區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2IG1IG斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓正向轉(zhuǎn)折電壓正向轉(zhuǎn)折電壓45反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。晶閘管的伏安特性IG2IG1IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-

30、UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓反向不重復(fù)峰值電壓反向不重復(fù)峰值電壓461) 開通過程 (正反饋、電感)延遲時間td (0.51.5s)上升時間tr (0.53s)開通時間tgt以上兩者之和， tgt=td+ tr100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 關(guān)斷過程反向阻斷恢復(fù)時間trr正向阻斷恢復(fù)時間tgr關(guān)斷時間tq以上兩者之和tq=trr+tgr普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒2） 動態(tài)特性動態(tài)特性晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形473）門極）門極特性特性門極電流 IG 與

31、門極和陰極之間電壓UGK的關(guān)系。晶閘管的門極和陰極之間是PN結(jié)J3，其伏安特性稱為門極伏安特性。門極觸發(fā)電流也往往是通過觸發(fā)電路在門極和陰極之間施加觸發(fā)電壓而產(chǎn)生的48可靠觸發(fā)區(qū)可靠觸發(fā)區(qū)不可靠觸發(fā)區(qū)不可靠觸發(fā)區(qū)不觸發(fā)區(qū)不觸發(fā)區(qū)IFGM ：門極正向峰值電流：門極正向峰值電流 UFGM ：門極正向峰值電壓：門極正向峰值電壓IGT ：門極觸發(fā)電流（幾十到幾百：門極觸發(fā)電流（幾十到幾百mA） UGT ：門極觸發(fā)電壓（幾：門極觸發(fā)電壓（幾V） IGD ：門極不觸發(fā)電流：門極不觸發(fā)電流 UGD ：門極不觸發(fā)電壓：門極不觸發(fā)電壓 PG ：平均功率：平均功率 PGM ：瞬時最大功率：瞬時最大功率 為保證可靠

32、、安全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流為保證可靠、安全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應(yīng)限制在可靠觸發(fā)區(qū)和功率應(yīng)限制在可靠觸發(fā)區(qū)。493、晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM（幾百-幾千V） 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。反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM（幾百-幾千V ） 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。通態(tài)峰值電壓通態(tài)峰值電壓UTM（幾V ） 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。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額定電

33、壓。選用時，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。使用注意：使用注意：1）電壓定額電壓定額50通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AV）：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最大工頻正弦半波電流的平均值均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。使用時應(yīng)按有效值相等的原則有效值相等的原則來選取晶閘管。維持電流維持電流 IH ：使晶閘管維持導(dǎo)通維持導(dǎo)通所必需的最小電流（幾十到幾百mA），與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH越小擎住電流擎住電流 IL ：晶閘管剛從剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后除觸發(fā)信號后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對同一晶閘管

34、來說對同一晶閘管來說，通常通常IL約為約為IH的的24倍倍。浪涌電流浪涌電流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（幾十到幾千A） 。2 2）電流定額電流定額m0mT(AV)1)(sin21IttdII51 除開通時間tgt和關(guān)斷時間tq外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt （幾十到幾百（幾十到幾百V/微秒）微秒） 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。 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 。 通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dt（幾十到幾百（幾十到幾百A/微

35、秒）微秒） 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，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。3 3）動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù)524、晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件有快速晶閘管和高頻晶閘管。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，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。1 1）快速晶閘管快速晶閘管（Fast Switching Thyristor FST)532 2）雙向晶閘管雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或

36、或Bidirectional triode thyristor）雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性可認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個主電極T1和T2，一個門極G。在第和第III象限有對稱的伏安特性。543)逆導(dǎo)晶閘管（逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號將晶閘管反并聯(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(diǎn)。逆導(dǎo)晶閘管等效于反并聯(lián)的普通晶閘管和整流管，因此在使用時，使器件的數(shù)目減少、裝置體積縮小、重量減輕、價格降低和配線簡單554)光控晶閘管（光控晶閘管（Li

37、ght Triggered ThyristorLTT）AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA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。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。561.4 全控型器件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。57常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊581.4.

38、1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(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，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用。門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）59結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點(diǎn)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)不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件。c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理60工作原理工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用雙晶體管模型來分析。

39、 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b) 1 1+ + 2 2=1=1是器件臨界導(dǎo)通是器件臨界導(dǎo)通( (飽和飽和) )的條件。的條件。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 1和 2 2 。 1 1+ + 2 211是器件飽和的條件。是器件飽和的條件。 1 1+ + 2 211是器件關(guān)斷的條件。是器件關(guān)斷的條件。61GTO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)別區(qū)別：設(shè)計2較大，使晶體管V2控 制靈敏。導(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。

40、RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b) IG（IB2） IC2 IC1 IB2 1 1+ + 2 21162GTO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(qiáng)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(qiáng) 。 由上述分析我們可以得到以下結(jié)論結(jié)論：63開通過程開通過程：與普通晶閘管相同關(guān)斷過程關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同儲存時間儲存時間ts，使等效晶體管退出飽和。下降時間下降時間tf 尾部時間尾部時間tt 殘存載流子復(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，t

41、s越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形2) GTO的動態(tài)特性的動態(tài)特性643)GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) 延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約12s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大。 一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。下降時間一般小于2s。（2）關(guān)斷時間關(guān)斷時間toff（1）開通時間開通時間ton 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)。（3）最大可關(guān)斷陽極電流最大可關(guān)斷陽極電流IATO（4） 電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益 off off一般很小，只有5左右，這是

42、GTO的一個主要缺點(diǎn)。1000A的GTO關(guān)斷時門極負(fù)脈沖電流峰值要200A 。 GTO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。GMATOoffII651.4.2 電力晶體管電力晶體管電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管） 。耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時候也稱為Power BJT。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。66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

43、關(guān)特性好。通常采用至少由兩個晶體管按達(dá)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 。1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(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67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 GTR的電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)，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 ic= ib +Iceo單管GTR的 值比小功率的晶體管小得多，通常為左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益。bcii空穴流

44、電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理68 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)截止區(qū)、放大區(qū)放大區(qū)和飽飽和區(qū)和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)。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)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。實(shí)際使用時，最高工作電壓要比BUceo低得多。3）GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù)發(fā)射極開路時cb反向擊穿電壓基極開路時ce反向擊穿電壓發(fā)射結(jié)反偏時ce反向擊穿電壓be之間連接電阻時ce擊穿電壓be之間短路時c

45、e擊穿電壓71實(shí)際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。 3) 集電極最大耗散功率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時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度 。 2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流IcM72一次擊穿一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大。只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。 二次擊穿二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時，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)（安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA）最高電壓UceM、集電極最

46、大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceMGTR的安全工作區(qū)4) GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)731.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管電力電力MOSFET的種類的種類 按導(dǎo)電溝道可分為P溝道溝道和N溝道溝道。 耗盡型耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。 增強(qiáng)型增強(qiáng)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(qiáng)型溝道增強(qiáng)型。1）電力）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理74分為結(jié)型結(jié)型和絕緣柵型絕緣柵型通常主要指絕緣柵型絕緣柵型

47、中的MOSMOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET）簡稱電力MOSFET（Power MOSFET）結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction TransistorSIT） 特點(diǎn)特點(diǎn)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 。電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管75電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計。N+

48、GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-1976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（Vertical MOSFET）。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（Vertical Double-diffused MOSFET）。這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論。電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)77截止截止：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)電導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓U

49、GS當(dāng)UGS大于UT時，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層反型層，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 。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19電力電力MOSFET的工作原理的工作原理78 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性。ID較大時，ID與與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)跨導(dǎo)Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS

50、=6VUGS=7VUGS=8VID/A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）電力MOSFET的基本特性的基本特性79截止區(qū)截止區(qū)（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)飽和區(qū)（主動區(qū)域）：漏源電壓增加時漏極電流不再增加非飽和區(qū)非飽和區(qū)（電阻性區(qū)域）：漏源電壓增加時漏極電流增加工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。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的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性MOSFET的漏極伏安特性的漏極伏安特性：010203050402468a)10203050400b)10 20 3050

51、40飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A80開通過程開通過程開通延遲時間開通延遲時間td(on) ：柵極電：柵極電容充電時間容充電時間上升時間上升時間tr開通延遲時間與上升時間之和關(guān)斷過程關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時間關(guān)斷延遲時間td(off) ：柵極電容：柵極電容放電時間放電時間下降時間下降時間tf關(guān)斷延遲時間和下降時間之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf電力MOSFET的開關(guān)過程a) 測試電路 b) 開關(guān)過程

52、波形up脈沖信號源，Rs信號源內(nèi)阻，RG柵極電阻，RL負(fù)載電阻，RF檢測漏極電流(2) 動態(tài)特性動態(tài)特性81 MOSFET的開關(guān)速度和柵極電容Cin充放電有很大關(guān)系?？山档万?qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度。不存在少子儲存效應(yīng)（單極性器件，多子導(dǎo)電），關(guān)斷過程非常迅速。開關(guān)時間在10100ns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。MOSFET的開關(guān)速度的開關(guān)速度823) 電力電力MOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù) 電力MOSFET電壓定額(

53、1) 漏極電壓漏極電壓UDS (2) 漏極直流電流漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值和漏極脈沖電流幅值IDM電力MOSFET電流定額(3) 柵源電壓柵源電壓UGS UGS20V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) 極間電容極間電容極間電容CGS、CGD和CDS831.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。1986年投入市場，是中小功率電力電子設(shè)

54、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。 GTR和GTO的特點(diǎn)雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，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(diǎn)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。841) IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極EEGCN+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

55、路 c) 電氣圖形符號85N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(qiáng)的通流能力。簡化等效電路表明，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。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā) 射 極 柵 極集 電 極注 入 區(qū)緩 沖 區(qū)漂 移 區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)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 IGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)86 驅(qū)動原理與電力M

56、OSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓開啟電壓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的原理的原理87a)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加2) IGBT的基本特性的基本特性 (1) IGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性轉(zhuǎn)移特性：轉(zhuǎn)移特性：IC與UGE間的關(guān)系(開啟電壓開啟電壓UGE(th)輸出特性輸出特性：分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。88ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的開關(guān)過程IGBT的開通過程的開通過程 與MOSFET的相似開通延遲時間開通延遲時間td(on) 電流上升