電子技術(shù)及應(yīng)用學(xué)習(xí)情境6逆變電路的分析與測試知識目標(biāo)1．掌握各種全控型器件的特性，理解全控型器件觸發(fā)電路工作原理；

2．理解有源逆變電路的工作原理；3.理解無源逆變電路的工作原理。能力目標(biāo)1．會正確使用常用的電子儀器儀表；2．會正確選用各種全控型器件和器件的測試；3．能正確分析、測試逆變電路

。

學(xué)習(xí)目標(biāo)電子技術(shù)及應(yīng)用學(xué)習(xí)情境6逆變電路的分析與測試知識目標(biāo)1學(xué)習(xí)情境6逆變電路的分析與測試學(xué)習(xí)任務(wù)1全控型器件學(xué)習(xí)任務(wù)2有源逆變電路學(xué)習(xí)任務(wù)3無源逆變電路學(xué)習(xí)任務(wù)電子技術(shù)及應(yīng)用學(xué)習(xí)情境6逆變電路的分析與測試學(xué)習(xí)任務(wù)1全控型2教學(xué)目標(biāo)1．了解各種全控型電力電子器件的結(jié)構(gòu)；

2．掌握各種全控型電力電子器件的工作原理、電氣符號、特性及使用注意事項(xiàng)；學(xué)習(xí)任務(wù)1全控型器件

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用教學(xué)目標(biāo)1．了解各種全控型電力電子器件31．各種全控型器件的工作原理；2．各種全控型器件的主要參數(shù)。教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)1．各種全控型器件的工作原理；2．全控型器件觸發(fā)電路的工作原理。學(xué)習(xí)任務(wù)1全控型器件

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1．各種全控型器件的工作原理；教學(xué)重點(diǎn)教4教學(xué)內(nèi)容可關(guān)斷晶閘管(Gate-Turn-OffThyristor)簡稱GTO。它具有普通晶閘管的全部優(yōu)點(diǎn)，如耐壓高，電流大等。同時它又是全控型器件，即在門極正脈沖電流觸發(fā)下導(dǎo)通，在負(fù)脈沖電流觸發(fā)下關(guān)斷。1.1可關(guān)斷晶閘管學(xué)習(xí)任務(wù)1全控型器件

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容可關(guān)斷晶閘管(Ga5

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.1.1可關(guān)斷晶閘管的結(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，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)電氣圖形符號學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.1.1可6

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.1.2可關(guān)斷晶閘管的工作原理

1.GTO的導(dǎo)通機(jī)理與SCR是相同的。GTO一旦導(dǎo)通之后，門極信號是可以撤除的,但在制作時采用特殊的工藝使管子導(dǎo)通后處于臨界飽和，而不象普通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài)，這樣可以用門極負(fù)脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關(guān)斷。2.在關(guān)斷機(jī)理上與SCR是不同的。門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流(即抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流子)，強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.1.2可7

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.1.3可關(guān)斷晶閘管的主要參數(shù)1.開通時間ton：延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約1~2ms，上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大；2.關(guān)斷時間toff：一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。GTO的儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于2ms；3.最大可關(guān)斷陽極電流IATO：它是GTO的額定電流；4.

電流關(guān)斷增益βoff：GTO的門極可關(guān)斷能力可用電流關(guān)斷增益βoff來表征，最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益；通常大容量GTO的關(guān)斷增益很小，不超過3~5。這正是GTO的缺點(diǎn)。一個1000A的GTO關(guān)斷時門極負(fù)脈沖電流峰值要200A。學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.1.3可8

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.1.4可關(guān)斷晶閘管的使用

用門極正脈沖可使GTO開通，用門極負(fù)脈沖可以使其關(guān)斷，這是GTO最大的優(yōu)點(diǎn)。但要使GTO關(guān)斷的門極反向電流比較大，約為陽極電流的１/５左右。GTO的通態(tài)管壓降比較大，一般為2～3V。GTO有能承受反壓和不能承受反壓兩種類型，在使用時要特別注意。不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時應(yīng)和電力二極管串聯(lián)。學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.1.4可91.2電力晶體管

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用電力晶體管（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。電力晶體管是由基極電流控制其通斷，屬于全控型器件?？捎糜?0kHz以下的大功率電力變換電路中。其缺點(diǎn)是耐沖擊能力差，易受二次擊穿而損壞。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。1.2電力晶體管學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及10

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.2.1電力晶體管的結(jié)構(gòu)

與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的有三層半導(dǎo)體、兩個PN結(jié)組成。和小功率晶體管一樣，有PNP和NPN兩種類型，GTR通常多用NPN結(jié)構(gòu)。下圖所示分別是NPN型電力晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和電氣圖形符號。多數(shù)情況下采用三重擴(kuò)散制作電力晶體管，或是在集電區(qū)高摻雜的N+硅襯底上用外延生長法生長一層N漂移層，然后在上面擴(kuò)散P基區(qū)，接著擴(kuò)散高摻雜的N+發(fā)射區(qū)。

GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號a)b)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖c)電氣圖形符號學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.2.1電11

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.2.2電力晶體管的工作原理電力電子技術(shù)中，GTR主要工作在開關(guān)狀態(tài)，通常接成共發(fā)射極電路。GTR通常工作在正偏（Ib>0）時大電流導(dǎo)通；反偏（Ib<0）時處于截止?fàn)顟B(tài)。因此，給GTR的基極施加幅度足夠大的脈沖驅(qū)動信號，它將工作與導(dǎo)通和截止的開關(guān)狀態(tài)。

β——GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對集電極電流的控制能力

內(nèi)部載流子的流動學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.2.2電12

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.2.3電力晶體管的特性

深飽和區(qū)：UBE>0,UBC>0，IB變化時IC不再改變，管壓降UCES很小，類似于開關(guān)的通態(tài)。1.GTR共射電路輸出特性輸出特性：截止區(qū)(又叫阻斷區(qū))、線性放大區(qū)、準(zhǔn)飽和區(qū)和深飽和區(qū)四個區(qū)域。

截止區(qū)：IB<0(或IB=0)，UBE<0，UBC<0，GTR承受高電壓，且有很小的穿透電流流過，類似于開關(guān)的斷態(tài)；

線性放大區(qū)：UBE>0，UBC<0，IC=βIB，GTR應(yīng)避免工作在線性區(qū)以防止大功耗損壞GTR；

準(zhǔn)飽和區(qū)：隨著IB的增大，此時UBE>0，UBC>0，但I(xiàn)C與IB之間不再呈線性關(guān)系，β開始下降，曲線開始彎曲；共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.2.3電13

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用

1）延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。

2）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。GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形2.GTR的開關(guān)特性（1）開通過程：學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1）延14

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用關(guān)斷時間toff為：存儲時間ts和與下降時間tf之和。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(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓，可縮短儲存時間，從而加快關(guān)斷速度。負(fù)面作用是會使集電極和發(fā)射極間的飽和導(dǎo)通壓降Uces增加，從而增大通態(tài)損耗。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（2）關(guān)斷過程：學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用關(guān)斷時間toff15

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.2.4電力晶體管的主要參數(shù)

集電極電流最大值ICM：一般以β值下降到額定值的1／2～1／3時的IC值定為ICM；

基極電流最大值IBM：規(guī)定為內(nèi)引線允許通過的最大電流，通常取IBM≈(1/2～1/6)ICM；

1.電壓定額2.電流定額

集基極擊穿電壓BUCBO：發(fā)射極開路時，集射極能承受的最高電壓；

集射極擊穿電壓BUCEO：基極開路時，集射極能承受的最高電壓；

3.最高結(jié)溫TjM：

GTR的最高結(jié)溫與半導(dǎo)體材料性質(zhì)、器件制造工藝、封裝質(zhì)量有關(guān)。一般情況下，塑封硅管TjM為125～150℃，金封硅管TjM為150～170℃，高可靠平面管TjM為175～200℃。

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.2.4電16

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用4.最大耗散功率PCM：

即GTR在最高結(jié)溫時所對應(yīng)的耗散功率，它等于集電極工作電壓與集電極工作電流的乘積。這部分能量轉(zhuǎn)化為熱能使管溫升高，在使用中要特別注意GTR的散熱，如果散熱條件不好，GTR會因溫度過高而迅速損壞。5.飽和壓降UCES：

為GTR工作在深飽和區(qū)時，集射極間的電壓值。由圖可知，UCES隨IC增加而增加。在IC不變時，UCES隨管殼溫度TC的增加而增加。

6.共射直流電流增益β：表示GTR的電流放大能力。高壓大功率GTR(單管)一般β＜10；β=IC／IB飽和壓降特性曲線學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用4.最大耗散功17

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用

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(diǎn)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

。1.二次擊穿一次擊穿、二次擊穿原理二次擊穿臨界線1.2.5二次擊穿和安全工作區(qū)

2.安全工作區(qū)

安全工作區(qū)SOA(SafeOperationArea)是指在輸出特性曲線圖上GTR能夠安全運(yùn)行的電流、電壓的極限范圍。

按基極偏置分類可分為正偏安全工作區(qū)FBSOA和反偏安全工作區(qū)RBSOA。學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用181.3電力場效應(yīng)管

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用分為結(jié)型場效應(yīng)管簡稱JFET）和絕緣柵金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管（簡稱MOSFET）。通常指絕緣柵型中的MOS型，簡稱電力MOSFET。N溝道P溝道電力MOSFET耗盡型：增強(qiáng)型:耗盡型增強(qiáng)型當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道；對于N（P）溝道器件,柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道特點(diǎn)：輸入阻抗高(可達(dá)40MΩ以上)、開關(guān)速度快，工作頻率高(開關(guān)頻率可達(dá)1000kHz)、驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性好、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)(SOA)寬；電流容量小，耐壓低，一般只適用功率不超過10kW的電力電子裝置。1.3電力場效應(yīng)管學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)19

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用特點(diǎn)：

(1)垂直安裝漏極，實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電，這不僅使硅片面積得以充分利用，而且可獲得大的電流容量；(2)設(shè)置了高電阻率的N－區(qū)以提高電壓容量；(3)短溝道(1～2μm)降低了柵極下端SiO2層的柵溝本征電容和溝道電阻，提高了開關(guān)頻率；(4)載流子在溝道內(nèi)沿表面流動，然后垂直流向漏極。VDMOS的典型結(jié)構(gòu)N溝道VDMOS管元胞結(jié)構(gòu)與電氣符號1.3.1電力場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用特點(diǎn)：VDMOS20

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.3.2電力場效應(yīng)管的工作原理

VDMOS的漏極電流ID受控于柵壓UGS；1.截止：柵源電壓UGS≤0或0＜UGS≤UT(UT為開啟電壓，又叫閾值電壓)；2.導(dǎo)通：UGS＞UT時，加至漏極電壓UDS＞0；3.漏極電流ID：N溝道VDMOS管元胞結(jié)構(gòu)與電氣符號

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.3.2電21

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.3.3電力場效應(yīng)管的特性

在不同的UGS下，漏極電流ID與漏極電壓UDS間的關(guān)系曲線族稱為VDMOS的輸出特性曲線。如圖所示，它可以分為四個區(qū)域：1.截止區(qū)：當(dāng)UGS＜UT(UT的典型值為2~4V)時；

2.線性(導(dǎo)通)區(qū)：當(dāng)UGS＞UT且UDS很小時，ID和UGS幾乎成線性關(guān)系。又叫歐姆工作區(qū)；3.飽和區(qū)(又叫有源區(qū))：在UGS＞UT時，且隨著UDS的增大，ID幾乎不變;4.雪崩區(qū)：當(dāng)UGS＞UT，且UDS增大到一定值時；VDMOS管的輸出特性學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.3.3電22

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.3.4電力場效應(yīng)管的主要參數(shù)

1.漏極電壓UDS

即電力MOSFET的額定電壓，選用時必須留有較大安全裕量。

即電力MOSFET的額定電流，其大小主要受管子的溫升限制。2.漏極最大允許電流IDM3.柵源電壓UGS

柵極與源極之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。4.極間電容輸入電容：輸出電容：反饋電容：VDMOS極間電容等效電路

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.3.4電231.4絕緣柵雙極型晶體管（IGBT)

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用IGBT：絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor)。兼具功率MOSFET高速開關(guān)特性和GTR的低導(dǎo)通壓降特性兩者優(yōu)點(diǎn)的一種復(fù)合器件。IGBT于1982年開始研制，1986年投產(chǎn)，是發(fā)展最快而且很有前途的一種混合型器件。目前IGBT產(chǎn)品已系列化，最大電流容量達(dá)1800A，最高電壓等級達(dá)4500V，工作頻率達(dá)50kHZ。在電機(jī)控制、中頻電源、各種開關(guān)電源以及其它高速低損耗的中小功率領(lǐng)域，IGBT取代了GTR和一部分MOSFET的市場。1.4絕緣柵雙極型晶體管（IGBT)學(xué)習(xí)情境6--24

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.4.1絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)絕緣柵雙極晶體管也是一種多元結(jié)構(gòu)的器件，如所示為其中一個小元結(jié)構(gòu)的剖面圖。與功率MOSFET相比，在漏極N+區(qū)下面多了個P+層，形成一個新的PN結(jié)J1，器件集電極即從這個P+層引出。柵極和發(fā)射極結(jié)構(gòu)則類似于功率MOSFET。因此從電路來看，IGBT相當(dāng)于一個N溝道MOSFET驅(qū)動的PNP型GTR。其等效電路和電路符號如圖所示。IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路

與電氣符號

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.4.1絕25

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.4.2絕緣柵雙極型晶體管的工作原理

IGBT也屬場控器件，其驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，是一種由柵極電壓UGE控制集電極電流的柵控自關(guān)斷器件。

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。IGBT伏安特性學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.4.2絕26

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.4.3絕緣柵雙極型晶體管的特性1.IGBT的伏安特性反映在一定的柵極一發(fā)射極電壓UGE下器件的輸出端電壓UCE與電流Ic的關(guān)系。IGBT的伏安特性分為:截止區(qū)、有源放大區(qū)、飽和區(qū)和擊穿區(qū)。IGBT的伏安特性曲線學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.4.3絕27

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用

UGE>UGE(TH)(開啟電壓,一般為3～6V)；其輸出電流Ic與驅(qū)動電壓UGE基本呈線性關(guān)系；IGBT的轉(zhuǎn)移特性曲線IGBT關(guān)斷：IGBT開通：UGE<UGE(TH)；2.IGBT的轉(zhuǎn)移特性學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用UGE>28

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用（1）IGBT的開通過程：

從正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到正向?qū)ǖ倪^程。開通延遲時間td(on)：IC從10%UCEM到10%ICM所需時間。電流上升時間tr：IC從10%ICM上升至90%ICM所需時間。開通時間ton：ton=td(on)+trIGBT的開關(guān)特性

3.IGBT的開關(guān)特性學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用（1）IGBT的29

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用（2）IGBT的關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時間td(off)：從UGE后沿下降到其幅值90%的時刻起，到ic下降至90%ICM

電流下降時間：ic從90%ICM下降至10%ICM。關(guān)斷時間toff：關(guān)斷延遲時間與電流下降之和。電流下降時間又可分為tfi1和tfi2tfi1——IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，ic下降較快；tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，ic下降較慢。圖1.7.3IGBT的開關(guān)特性

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用（2）IGBT的30

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.4.4絕緣柵雙極型晶體管的主要參數(shù)1.最大集射極間電壓UCEM：

IGBT在關(guān)斷狀態(tài)時集電極和發(fā)射極之間能承受的最高電壓。

2.柵射極額定電壓UGEM：

IGBT是電壓控制器件，靠加到柵極的電壓信號控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，而UGEM就是柵極控制信號的電壓額定值。3.集電極電流最大值ICM：

IGBT的IC增大，可至器件發(fā)生擎住效應(yīng)，此時為防止發(fā)生擎住效應(yīng)，規(guī)定的集電極電流最大值ICM。

4.最大集電極功耗PCM：

正常工作溫度下允許的最大功耗。

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.4.4絕緣311.5全控型器件的驅(qū)動電路

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用

將信息電子電路傳來的信號按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號。對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號。在高壓變換電路中，需要時控制系統(tǒng)和主電路之間進(jìn)行電氣隔離，這可以通過脈沖變壓器或光耦來實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動電路的基本任務(wù)：1.5全控型器件的驅(qū)動電路學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)132

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.5.1GTO的驅(qū)動電路

開通：在門極加正驅(qū)動電流。GTO的幾種基本驅(qū)動電路：關(guān)斷：在門極加很大的負(fù)電流。學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.5.1G33

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.圖(a)晶體管Ｔ導(dǎo)通、關(guān)斷過程：

電源Ｅ經(jīng)Ｔ使GTO觸發(fā)導(dǎo)通，電容Ｃ充電，電壓極性如圖示。當(dāng)Ｔ關(guān)斷時，電容Ｃ放電，反向電流使GTO關(guān)斷。Ｒ起開通限流作用，Ｌ在SCR陽極電流下降期間釋放出儲能，補(bǔ)償GTO的門極關(guān)斷電流，提高了關(guān)斷能力。

該電路雖然簡單可靠，但因無獨(dú)立的關(guān)斷電源，其關(guān)斷能力有限且不易控制。另一方面，電容Ｃ上必須有一定的能量才能使GTO關(guān)斷，故觸發(fā)Ｔ的脈沖必須有一定的寬度。學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.圖(a34

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用導(dǎo)通：Ｔ1、Ｔ2導(dǎo)通時GTO被觸發(fā)；關(guān)斷：Ｔ1、Ｔ2關(guān)斷和SCR１、SCR２

導(dǎo)通時GTO門極與陰極間流過負(fù)電流而被關(guān)斷；

由于GTO的開通和關(guān)斷均依賴于一個獨(dú)立的電源，故其關(guān)斷能力強(qiáng)且可控制，其觸發(fā)脈沖可采用窄脈沖。2.圖(b)晶體管Ｔ導(dǎo)通、關(guān)斷過程：學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用導(dǎo)通：Ｔ1、Ｔ235

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用

圖(c)中，導(dǎo)通和關(guān)斷用兩個獨(dú)立的電源，開關(guān)元件少，電路簡單。

圖(d)，對于300A以上的GTO，用此驅(qū)動電路可以滿足要求。3.圖(c)、圖(d)晶體管Ｔ導(dǎo)通、關(guān)斷過程：學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用圖(c)36

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.5.2GTR的驅(qū)動電路

1.作用:

將控制電路輸出的控制信號放大到足以保證GTR可靠導(dǎo)通和關(guān)斷的程度。

2.功能:

①提供合適的正反向基流以保證GTR可靠導(dǎo)通與關(guān)斷(期望的基極驅(qū)動電流波形如圖1.9.7所示)。②實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路的隔離。③具有自動保護(hù)功能，以便在故障發(fā)生時快速自動切除驅(qū)動信號，避免損壞GTR。④電路盡可能簡單、工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)。理想的基極驅(qū)動電流波形學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.5.2G37

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用雙電源驅(qū)動電路

UAA4002組成的GTR驅(qū)動電路學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用雙電源驅(qū)動電路38

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.5.3MOSFET和IGBT的驅(qū)動電路

由于IGBT的輸入特性幾乎和VDMOS相同(阻抗高，呈容性)所以，要求的驅(qū)動功率小，電路簡單，用于IGBT的驅(qū)動電路同樣可以用于VDMOS。采用脈沖變壓器隔離的柵極驅(qū)動電路

推挽輸出的柵極驅(qū)動電路

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.5.3M39

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用EXB8XX驅(qū)動模塊框圖

集成驅(qū)動器的應(yīng)用電路

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用EXB8XX驅(qū)動40教學(xué)小結(jié)

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.GTO的導(dǎo)通和關(guān)斷過程；2.GTR的工作原理；3.MOSFET的工作原理；4.IGBT的工作原理。教學(xué)小結(jié)學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子41課外任務(wù)

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.課外作業(yè)：各種全控型器件的導(dǎo)通條件是什么?各種全控型器件的關(guān)斷條件是什么?如何實(shí)現(xiàn)?2.課外任務(wù)拓展：通過電力電子網(wǎng)站或電力電子論壇了解全控型電力電子器件的應(yīng)用及未來的發(fā)展方向與趨勢。

課外任務(wù)學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技42電子技術(shù)及應(yīng)用學(xué)習(xí)情境6逆變電路的分析與測試知識目標(biāo)1．掌握各種全控型器件的特性，理解全控型器件觸發(fā)電路工作原理；

2．理解有源逆變電路的工作原理；3.理解無源逆變電路的工作原理。能力目標(biāo)1．會正確使用常用的電子儀器儀表；2．會正確選用各種全控型器件和器件的測試；3．能正確分析、測試逆變電路

。

學(xué)習(xí)目標(biāo)電子技術(shù)及應(yīng)用學(xué)習(xí)情境6逆變電路的分析與測試知識目標(biāo)43學(xué)習(xí)情境6逆變電路的分析與測試學(xué)習(xí)任務(wù)1全控型器件學(xué)習(xí)任務(wù)2有源逆變電路學(xué)習(xí)任務(wù)3無源逆變電路學(xué)習(xí)任務(wù)電子技術(shù)及應(yīng)用學(xué)習(xí)情境6逆變電路的分析與測試學(xué)習(xí)任務(wù)1全控型44教學(xué)目標(biāo)1．了解各種全控型電力電子器件的結(jié)構(gòu)；

2．掌握各種全控型電力電子器件的工作原理、電氣符號、特性及使用注意事項(xiàng)；學(xué)習(xí)任務(wù)1全控型器件

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用教學(xué)目標(biāo)1．了解各種全控型電力電子器件451．各種全控型器件的工作原理；2．各種全控型器件的主要參數(shù)。教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)1．各種全控型器件的工作原理；2．全控型器件觸發(fā)電路的工作原理。學(xué)習(xí)任務(wù)1全控型器件

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1．各種全控型器件的工作原理；教學(xué)重點(diǎn)教46教學(xué)內(nèi)容可關(guān)斷晶閘管(Gate-Turn-OffThyristor)簡稱GTO。它具有普通晶閘管的全部優(yōu)點(diǎn)，如耐壓高，電流大等。同時它又是全控型器件，即在門極正脈沖電流觸發(fā)下導(dǎo)通，在負(fù)脈沖電流觸發(fā)下關(guān)斷。1.1可關(guān)斷晶閘管學(xué)習(xí)任務(wù)1全控型器件

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容可關(guān)斷晶閘管(Ga47

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.1.1可關(guān)斷晶閘管的結(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，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)電氣圖形符號學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.1.1可48

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.1.2可關(guān)斷晶閘管的工作原理

1.GTO的導(dǎo)通機(jī)理與SCR是相同的。GTO一旦導(dǎo)通之后，門極信號是可以撤除的,但在制作時采用特殊的工藝使管子導(dǎo)通后處于臨界飽和，而不象普通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài)，這樣可以用門極負(fù)脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關(guān)斷。2.在關(guān)斷機(jī)理上與SCR是不同的。門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流(即抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流子)，強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.1.2可49

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.1.3可關(guān)斷晶閘管的主要參數(shù)1.開通時間ton：延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約1~2ms，上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大；2.關(guān)斷時間toff：一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。GTO的儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于2ms；3.最大可關(guān)斷陽極電流IATO：它是GTO的額定電流；4.

電流關(guān)斷增益βoff：GTO的門極可關(guān)斷能力可用電流關(guān)斷增益βoff來表征，最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益；通常大容量GTO的關(guān)斷增益很小，不超過3~5。這正是GTO的缺點(diǎn)。一個1000A的GTO關(guān)斷時門極負(fù)脈沖電流峰值要200A。學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.1.3可50

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.1.4可關(guān)斷晶閘管的使用

用門極正脈沖可使GTO開通，用門極負(fù)脈沖可以使其關(guān)斷，這是GTO最大的優(yōu)點(diǎn)。但要使GTO關(guān)斷的門極反向電流比較大，約為陽極電流的１/５左右。GTO的通態(tài)管壓降比較大，一般為2～3V。GTO有能承受反壓和不能承受反壓兩種類型，在使用時要特別注意。不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時應(yīng)和電力二極管串聯(lián)。學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.1.4可511.2電力晶體管

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用電力晶體管（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。電力晶體管是由基極電流控制其通斷，屬于全控型器件。可用于10kHz以下的大功率電力變換電路中。其缺點(diǎn)是耐沖擊能力差，易受二次擊穿而損壞。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。1.2電力晶體管學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及52

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.2.1電力晶體管的結(jié)構(gòu)

與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的有三層半導(dǎo)體、兩個PN結(jié)組成。和小功率晶體管一樣，有PNP和NPN兩種類型，GTR通常多用NPN結(jié)構(gòu)。下圖所示分別是NPN型電力晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和電氣圖形符號。多數(shù)情況下采用三重擴(kuò)散制作電力晶體管，或是在集電區(qū)高摻雜的N+硅襯底上用外延生長法生長一層N漂移層，然后在上面擴(kuò)散P基區(qū)，接著擴(kuò)散高摻雜的N+發(fā)射區(qū)。

GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號a)b)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖c)電氣圖形符號學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.2.1電53

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.2.2電力晶體管的工作原理電力電子技術(shù)中，GTR主要工作在開關(guān)狀態(tài)，通常接成共發(fā)射極電路。GTR通常工作在正偏（Ib>0）時大電流導(dǎo)通；反偏（Ib<0）時處于截止?fàn)顟B(tài)。因此，給GTR的基極施加幅度足夠大的脈沖驅(qū)動信號，它將工作與導(dǎo)通和截止的開關(guān)狀態(tài)。

β——GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對集電極電流的控制能力

內(nèi)部載流子的流動學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.2.2電54

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.2.3電力晶體管的特性

深飽和區(qū)：UBE>0,UBC>0，IB變化時IC不再改變，管壓降UCES很小，類似于開關(guān)的通態(tài)。1.GTR共射電路輸出特性輸出特性：截止區(qū)(又叫阻斷區(qū))、線性放大區(qū)、準(zhǔn)飽和區(qū)和深飽和區(qū)四個區(qū)域。

截止區(qū)：IB<0(或IB=0)，UBE<0，UBC<0，GTR承受高電壓，且有很小的穿透電流流過，類似于開關(guān)的斷態(tài)；

線性放大區(qū)：UBE>0，UBC<0，IC=βIB，GTR應(yīng)避免工作在線性區(qū)以防止大功耗損壞GTR；

準(zhǔn)飽和區(qū)：隨著IB的增大，此時UBE>0，UBC>0，但I(xiàn)C與IB之間不再呈線性關(guān)系，β開始下降，曲線開始彎曲；共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.2.3電55

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用

1）延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。

2）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。GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形2.GTR的開關(guān)特性（1）開通過程：學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1）延56

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用關(guān)斷時間toff為：存儲時間ts和與下降時間tf之和。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(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓，可縮短儲存時間，從而加快關(guān)斷速度。負(fù)面作用是會使集電極和發(fā)射極間的飽和導(dǎo)通壓降Uces增加，從而增大通態(tài)損耗。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（2）關(guān)斷過程：學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用關(guān)斷時間toff57

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.2.4電力晶體管的主要參數(shù)

集電極電流最大值ICM：一般以β值下降到額定值的1／2～1／3時的IC值定為ICM；

基極電流最大值IBM：規(guī)定為內(nèi)引線允許通過的最大電流，通常取IBM≈(1/2～1/6)ICM；

1.電壓定額2.電流定額

集基極擊穿電壓BUCBO：發(fā)射極開路時，集射極能承受的最高電壓；

集射極擊穿電壓BUCEO：基極開路時，集射極能承受的最高電壓；

3.最高結(jié)溫TjM：

GTR的最高結(jié)溫與半導(dǎo)體材料性質(zhì)、器件制造工藝、封裝質(zhì)量有關(guān)。一般情況下，塑封硅管TjM為125～150℃，金封硅管TjM為150～170℃，高可靠平面管TjM為175～200℃。

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.2.4電58

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用4.最大耗散功率PCM：

即GTR在最高結(jié)溫時所對應(yīng)的耗散功率，它等于集電極工作電壓與集電極工作電流的乘積。這部分能量轉(zhuǎn)化為熱能使管溫升高，在使用中要特別注意GTR的散熱，如果散熱條件不好，GTR會因溫度過高而迅速損壞。5.飽和壓降UCES：

為GTR工作在深飽和區(qū)時，集射極間的電壓值。由圖可知，UCES隨IC增加而增加。在IC不變時，UCES隨管殼溫度TC的增加而增加。

6.共射直流電流增益β：表示GTR的電流放大能力。高壓大功率GTR(單管)一般β＜10；β=IC／IB飽和壓降特性曲線學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用4.最大耗散功59

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用

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(diǎn)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

。1.二次擊穿一次擊穿、二次擊穿原理二次擊穿臨界線1.2.5二次擊穿和安全工作區(qū)

2.安全工作區(qū)

安全工作區(qū)SOA(SafeOperationArea)是指在輸出特性曲線圖上GTR能夠安全運(yùn)行的電流、電壓的極限范圍。

按基極偏置分類可分為正偏安全工作區(qū)FBSOA和反偏安全工作區(qū)RBSOA。學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用601.3電力場效應(yīng)管

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用分為結(jié)型場效應(yīng)管簡稱JFET）和絕緣柵金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管（簡稱MOSFET）。通常指絕緣柵型中的MOS型，簡稱電力MOSFET。N溝道P溝道電力MOSFET耗盡型：增強(qiáng)型:耗盡型增強(qiáng)型當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道；對于N（P）溝道器件,柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道特點(diǎn)：輸入阻抗高(可達(dá)40MΩ以上)、開關(guān)速度快，工作頻率高(開關(guān)頻率可達(dá)1000kHz)、驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性好、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)(SOA)寬；電流容量小，耐壓低，一般只適用功率不超過10kW的電力電子裝置。1.3電力場效應(yīng)管學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)61

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用特點(diǎn)：

(1)垂直安裝漏極，實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電，這不僅使硅片面積得以充分利用，而且可獲得大的電流容量；(2)設(shè)置了高電阻率的N－區(qū)以提高電壓容量；(3)短溝道(1～2μm)降低了柵極下端SiO2層的柵溝本征電容和溝道電阻，提高了開關(guān)頻率；(4)載流子在溝道內(nèi)沿表面流動，然后垂直流向漏極。VDMOS的典型結(jié)構(gòu)N溝道VDMOS管元胞結(jié)構(gòu)與電氣符號1.3.1電力場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用特點(diǎn)：VDMOS62

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.3.2電力場效應(yīng)管的工作原理

VDMOS的漏極電流ID受控于柵壓UGS；1.截止：柵源電壓UGS≤0或0＜UGS≤UT(UT為開啟電壓，又叫閾值電壓)；2.導(dǎo)通：UGS＞UT時，加至漏極電壓UDS＞0；3.漏極電流ID：N溝道VDMOS管元胞結(jié)構(gòu)與電氣符號

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.3.2電63

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.3.3電力場效應(yīng)管的特性

在不同的UGS下，漏極電流ID與漏極電壓UDS間的關(guān)系曲線族稱為VDMOS的輸出特性曲線。如圖所示，它可以分為四個區(qū)域：1.截止區(qū)：當(dāng)UGS＜UT(UT的典型值為2~4V)時；

2.線性(導(dǎo)通)區(qū)：當(dāng)UGS＞UT且UDS很小時，ID和UGS幾乎成線性關(guān)系。又叫歐姆工作區(qū)；3.飽和區(qū)(又叫有源區(qū))：在UGS＞UT時，且隨著UDS的增大，ID幾乎不變;4.雪崩區(qū)：當(dāng)UGS＞UT，且UDS增大到一定值時；VDMOS管的輸出特性學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.3.3電64

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.3.4電力場效應(yīng)管的主要參數(shù)

1.漏極電壓UDS

即電力MOSFET的額定電壓，選用時必須留有較大安全裕量。

即電力MOSFET的額定電流，其大小主要受管子的溫升限制。2.漏極最大允許電流IDM3.柵源電壓UGS

柵極與源極之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。4.極間電容輸入電容：輸出電容：反饋電容：VDMOS極間電容等效電路

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.3.4電651.4絕緣柵雙極型晶體管（IGBT)

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用IGBT：絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor)。兼具功率MOSFET高速開關(guān)特性和GTR的低導(dǎo)通壓降特性兩者優(yōu)點(diǎn)的一種復(fù)合器件。IGBT于1982年開始研制，1986年投產(chǎn)，是發(fā)展最快而且很有前途的一種混合型器件。目前IGBT產(chǎn)品已系列化，最大電流容量達(dá)1800A，最高電壓等級達(dá)4500V，工作頻率達(dá)50kHZ。在電機(jī)控制、中頻電源、各種開關(guān)電源以及其它高速低損耗的中小功率領(lǐng)域，IGBT取代了GTR和一部分MOSFET的市場。1.4絕緣柵雙極型晶體管（IGBT)學(xué)習(xí)情境6--66

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.4.1絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)絕緣柵雙極晶體管也是一種多元結(jié)構(gòu)的器件，如所示為其中一個小元結(jié)構(gòu)的剖面圖。與功率MOSFET相比，在漏極N+區(qū)下面多了個P+層，形成一個新的PN結(jié)J1，器件集電極即從這個P+層引出。柵極和發(fā)射極結(jié)構(gòu)則類似于功率MOSFET。因此從電路來看，IGBT相當(dāng)于一個N溝道MOSFET驅(qū)動的PNP型GTR。其等效電路和電路符號如圖所示。IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路

與電氣符號

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.4.1絕67

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.4.2絕緣柵雙極型晶體管的工作原理

IGBT也屬場控器件，其驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，是一種由柵極電壓UGE控制集電極電流的柵控自關(guān)斷器件。

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。IGBT伏安特性學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.4.2絕68

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.4.3絕緣柵雙極型晶體管的特性1.IGBT的伏安特性反映在一定的柵極一發(fā)射極電壓UGE下器件的輸出端電壓UCE與電流Ic的關(guān)系。IGBT的伏安特性分為:截止區(qū)、有源放大區(qū)、飽和區(qū)和擊穿區(qū)。IGBT的伏安特性曲線學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.4.3絕69

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用

UGE>UGE(TH)(開啟電壓,一般為3～6V)；其輸出電流Ic與驅(qū)動電壓UGE基本呈線性關(guān)系；IGBT的轉(zhuǎn)移特性曲線IGBT關(guān)斷：IGBT開通：UGE<UGE(TH)；2.IGBT的轉(zhuǎn)移特性學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用UGE>70

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用（1）IGBT的開通過程：

從正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到正向?qū)ǖ倪^程。開通延遲時間td(on)：IC從10%UCEM到10%ICM所需時間。電流上升時間tr：IC從10%ICM上升至90%ICM所需時間。開通時間ton：ton=td(on)+trIGBT的開關(guān)特性

3.IGBT的開關(guān)特性學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用（1）IGBT的71

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用（2）IGBT的關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時間td(off)：從UGE后沿下降到其幅值90%的時刻起，到ic下降至90%ICM

電流下降時間：ic從90%ICM下降至10%ICM。關(guān)斷時間toff：關(guān)斷延遲時間與電流下降之和。電流下降時間又可分為tfi1和tfi2tfi1——IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，ic下降較快；tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，ic下降較慢。圖1.7.3IGBT的開關(guān)特性

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用（2）IGBT的72

學(xué)習(xí)情境6--學(xué)習(xí)任務(wù)1電子技術(shù)及應(yīng)用1.4.4絕緣柵雙極型晶體管的主要參數(shù)1.最大集射極間電壓UCEM：

IGBT在關(guān)斷狀態(tài)時集電極和發(fā)射極之間能承受的最高電壓。

2.柵射極額定電壓UGEM：

IGBT是電壓控制器件，靠加到柵極的電壓信號控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，而UGEM就是柵極控制信號的電壓額定值。3.集電極電流最大值ICM：

IGBT的IC增大，可至器件發(fā)生擎住效應(yīng)，此時