大家好！唐鋼職工培訓(xùn)唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系王秀芹唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院TSKJ1電力電子技術(shù)唐鋼職工培訓(xùn)唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院TSKJ2■電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由限制電路、驅(qū)動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。

電氣隔離電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成圖電力電子器件簡介3?通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。?當(dāng)器件的開關(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。

通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗開通損耗關(guān)斷損耗?電力電子器件的功率損耗4主電路——電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，干脆擔(dān)當(dāng)電能的變換或限制任務(wù)的電路。電力電子器件——可干脆用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或限制的電子器件。電力電子器件的概念和特征:5

同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征：(1)能處理電功率的大小，即承受電壓和電流的實(shí)力，是最重要的參數(shù)其處理電功率的實(shí)力小至毫瓦級，大至兆瓦級,大多都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。(2)電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)導(dǎo)通時（通態(tài)）阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，而電流由外電路確定；阻斷時（斷態(tài)）阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路確定；作電路分析時，為簡潔起見往往用志向開關(guān)來代替。6(3)好用中，電力電子器件往往須要由信息電子電路來限制。在主電路和限制電路之間，須要確定的中間電路對限制電路的信號進(jìn)行放大，這就是電力電子器件的驅(qū)動電路。(4)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(jì)，在其工作時一般都要安裝散熱器。7電力電子器件非可控器件可控器件晶體管

門極可關(guān)斷晶閘管整流二極管一般晶閘管非自關(guān)斷器件

（半控型）

自關(guān)斷器件

（全控型）電力電子器件的分類（按信號所限制程度）8(2)半控型器件——通過限制信號可以限制其導(dǎo)通而不能限制其關(guān)斷晶閘管及其大部分派生器件(1)非可控器件——不能用限制信號來限制其通斷，因此也就不須要驅(qū)動電路電力二極管(3)全控型器件——通過限制信號既可限制其導(dǎo)通又可限制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件電力晶體管（GTR）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）電力場效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）電力電子器件的分類（按信號所限制程度）9

半控型器件——晶閘管

1.晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理

2.晶閘管的基本特性

3.晶閘管的主要參數(shù)

4.晶閘管的派生器件

5.典型全控型器件

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半控器件—晶閘管

■晶閘管是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器（SCR），以前被簡稱為可控硅。■1956年美國貝爾試驗(yàn)室獨(dú)創(chuàng)了晶閘管，到1957年美國通用電氣公司開發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化?！鲇捎谄淠艹惺艿碾妷汉碗娏魅萘空张f是目前電力電子器件中最高的，而且工作牢靠，因此在大容量的應(yīng)用場合照舊具有比較重要的地位。圖1晶閘管及模塊11

1.晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■晶閘管的結(jié)構(gòu)◆從外形上來看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu)?！粢鲫枠OA、陰極K和門極（限制端）G三個聯(lián)接端?！魞?nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。圖2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

12晶閘管的可控性1、晶閘管承受反向陽極電壓不論門極承受何種電壓，晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)圖3132、晶閘管承受正向陽極電壓當(dāng)門極承受正向電壓時，晶閘管才能由截止變?yōu)閷?dǎo)通圖4143、晶閘管導(dǎo)通后門極失去限制作用圖5154、晶閘管導(dǎo)通后當(dāng)陽極電壓為０或使陽極電壓反向后，晶閘管關(guān)斷圖616●晶閘管承受正向陽極電壓時，當(dāng)門極承受正向電壓時，晶閘管才能由截止變?yōu)閷?dǎo)通●晶閘管導(dǎo)通后門極失去限制作用●晶閘管導(dǎo)通后，當(dāng)陽極電壓為０或使陽極電壓反向后，晶閘管關(guān)斷●晶閘管承受反向陽極電壓時，不論門極承受何電壓，晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)17晶閘管通斷規(guī)律：承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。（反向阻斷）承受正向電壓時，無門極正向觸發(fā)電壓時處于正向阻斷狀態(tài)。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去限制作用（不行控）。要使晶閘管關(guān)斷，只有使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值（維持電流IH）以下。承受正向電壓時，僅在門極有正向觸發(fā)電壓的狀況下晶閘管才能開通。（正向?qū)ǎ┏惺芊聪螂妷簳r，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。（反向阻斷）承受正向電壓時，無門極正向觸發(fā)電壓時處于正向阻斷狀態(tài)。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去限制作用（不行控）。要使晶閘管關(guān)斷，只有使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值（維持電流IH）以下。承受正向電壓時，僅在門極有正向觸發(fā)電壓的狀況下晶閘管才能開通。（正向?qū)ǎ?8其他幾種可能導(dǎo)通的狀況：陽極電壓上升至相當(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)溫較高以上三種狀況，因不易限制，難以應(yīng)用于實(shí)踐。光干脆照射硅片，即光觸發(fā)光觸發(fā)可以保證限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，稱為光控晶閘管。只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、快速而牢靠的限制手段19u2ugIAudRdu2tugtudt圖720晶閘管工作原理

將晶閘管等效為一個NPN型和PNP型管P1P2N1N2P2N1V1V2IAIKIG流入電流IGIb2↑Ic2↑=Ib1↑Ic1↑圖821

1.晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖9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◆依據(jù)晶體管工作原理，可列出如下方程：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。22

1.晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理◆晶體管的特性是：在低放射極電流下是很小的，而當(dāng)放射極電流建立起來之后，快速增大?！粼诰w管阻斷狀態(tài)下，IG=0，而1+2是很小的。由上式可看出，此時流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個晶體管漏電流之和。◆假如注入觸發(fā)電流使各個晶體管的放射極電流增大以致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，從而實(shí)現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通?！粲捎谕怆娐坟?fù)載的限制，IA事實(shí)上會維持有限值。23

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)通的狀況◆陽極電壓上升至相當(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◆光觸發(fā)■這些狀況除了光觸發(fā)由于可以保證限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，其它都因不易限制而難以應(yīng)用于實(shí)踐。只有門極觸發(fā)是最精確、快速而牢靠的限制手段。24

2.晶閘管的基本特性■靜態(tài)特性◆正常工作時的特性?當(dāng)晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。?當(dāng)晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的狀況下晶閘管才能開通。?晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去限制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。?若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。25

2.晶閘管的基本特性◆晶閘管的伏安特性?正向特性√當(dāng)IG=0時，假如在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過?！碳偃缯螂妷撼^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?！屉S著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右?！碳偃玳T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。

圖10晶閘管的伏安特性IG2

>IG1

>IG

正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+26隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低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，假如門極電流為零，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.晶閘管的基本特性晶閘管的伏安特性

?正向特性27

2.晶閘管的基本特性?反向特性√其伏安特性類似二極管的反向特性?！叹чl管處于反向阻斷狀態(tài)時，只有微小的反向漏電流通過?！坍?dāng)反向電壓超過確定限度，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大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。

圖11晶閘管的伏安特性 IG2>IG1>IG正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+28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29

2.晶閘管的基本特性■動態(tài)特性◆開通過程?由于晶閘管內(nèi)部的正反饋過程須要時間，再加上外電路電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽極電流的增長不行能是瞬時的。?延遲時間td(0.5~1.5s)上升時間tr(0.5~3s)開通時間tgt=td+tr?延遲時間隨門極電流的增大而減小,上升時間除反映晶閘管本身特性外，還受到外電路電感的嚴(yán)峻影響。提高陽極電壓,延遲時間和上升時間都可顯著縮短。

圖12晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形陽極電流穩(wěn)態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽極電流穩(wěn)態(tài)值的10%30

2.晶閘管的基本特性◆關(guān)斷過程?由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r，其陽極電流在衰減時必定也是有過渡過程的。?反向阻斷復(fù)原時間trr正向阻斷復(fù)原時間tgr關(guān)斷時間tq=trr+tgr?關(guān)斷時間約幾百微秒。?在正向阻斷復(fù)原時間內(nèi)假如重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向?qū)ǎ皇鞘荛T極電流限制而導(dǎo)通。圖13晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形100%反向恢復(fù)電流最大值尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA31◆電壓定額：1)

斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM——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。2)

反向重復(fù)峰值電壓URRM——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，額定電壓要留有確定裕量,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

3.晶閘管的主要參數(shù)323)

通態(tài)（峰值）電壓UTM——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。

3.晶閘管的主要參數(shù)33

3.晶閘管的主要參數(shù)◆維持電流IH?維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。?結(jié)溫越高，則IH越小?！羟孀‰娏鱅L?擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。?約為IH的2~4倍◆浪涌電流ITSM?指由于電路異樣狀況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流?！綦娏鞫~：34

3.晶閘管的主要參數(shù)■動態(tài)參數(shù)◆開通時間tgt和關(guān)斷時間tq◆斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt?在額定結(jié)和順門極開路的狀況下，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?！敉☉B(tài)電流臨界上升率di/dt?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。?假如電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。35◆晶閘管的門極定額◆門極觸發(fā)電流IGT

IGT是在室溫下，陽極電壓直流6V時使晶閘管由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)所必需的最小門極電流?！糸T極觸發(fā)電壓UGT

UGT是產(chǎn)生門極觸發(fā)電流的最小門極電壓。由于晶閘管門極伏安特性的分散性很大，標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了IGT和UGT的下限，運(yùn)用時應(yīng)留意產(chǎn)品合格證上所列的實(shí)測數(shù)值。并大于此值，但不應(yīng)超過其峰值IFGM和UFGM。門極平均功率PG（AV）和峰值功率PGM也不應(yīng)超過規(guī)定值。36

4.晶閘管的派生器件■快速晶閘管◆有快速晶閘管和高頻晶閘管。

◆快速晶閘管的開關(guān)時間以及du/dt和di/dt的耐量都有了明顯改善。

◆從關(guān)斷時間來看，一般晶閘管一般為數(shù)百微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管則為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，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態(tài)平均電流時不能忽視其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。37

4.晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2■雙向晶閘管◆可以認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的一般晶閘管的集成?！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?！綦p向晶閘管通常用在溝通電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。圖14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

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4.晶閘管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0■逆導(dǎo)晶閘管◆是將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向電壓的實(shí)力，一旦承受反向電壓即開通?！艟哂姓驂航敌　㈥P(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)，可用于不須要阻斷反向電壓的電路中。圖15逆導(dǎo)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

394.晶閘管的派生器件AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA■光控晶閘管◆是利用確定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管?！粲捎诮邮芄庥|發(fā)保證了主電路與限制電路之間的絕緣，而且可以避開電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在高壓大功率的場合。圖16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

405典型全控型器件

1.門極可關(guān)斷晶閘管

2.電力晶體管

3.電力場效應(yīng)晶體管

4.絕緣柵雙極晶體管415典型全控型器件

■門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)?！?0世紀(jì)80年頭以來，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個嶄新時代?！龅湫痛怼T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。電力MOSFETIGBT單管及模塊421.門極可關(guān)斷晶閘管■晶閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。

■GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆GTO的結(jié)構(gòu)?是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。?是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出個極，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。

圖17GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號各單元的陰極、門極間隔排列的圖形

并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖電氣圖形符號

431.門極可關(guān)斷晶閘管GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)44與晶閘管的相同點(diǎn)PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)陽極A、陰極K、門極G不同點(diǎn)多元功率集成器件內(nèi)部包含數(shù)百個小GTO元GTO元陽極共有GTO元陰極、門極在器件內(nèi)部并聯(lián)陰極呈島狀結(jié)構(gòu)，四周被門極所包圍，以減小門極和陰極之間的距離。陰極寬度越窄、門極與陰極距離越短（橫向電阻小），越利于關(guān)斷。45GTO導(dǎo)通過程與一般晶閘管相同，如何？只是導(dǎo)通時飽和程度較淺、臨界飽和狀態(tài)。工作原理導(dǎo)通：V1、V2飽和1+2→1，1+2>1；關(guān)斷：V1、V2是不飽和的，1+2<1臨界飽和：1+2＝1晶閘管導(dǎo)通時1+2＝1.15GTO導(dǎo)通時1+2＝1.0546GTO關(guān)斷過程：猛烈正反饋——門極加負(fù)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(jìn)一步減小V2的基極電流。當(dāng)IA和IK的減小使1+2<1時，退出飽和而關(guān)斷。工作原理471.門極可關(guān)斷晶閘管?GTO的導(dǎo)通過程與一般晶閘管是一樣的，只不過導(dǎo)通時飽和程度較淺。?而關(guān)斷時，給門極加負(fù)脈沖，即從門極抽出電流，當(dāng)兩個晶體管放射極電流IA和IK的減小使1+2<1時，器件退出飽和而關(guān)斷。?GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比一般晶閘管開通過程更快，承受di/dt的實(shí)力增加。482.電力晶體管■電力晶體管（GTR）按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BJT）■GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理◆與一般的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的?！糇钪饕奶匦允悄蛪焊?、電流大、開關(guān)特性好。49◆GTR的結(jié)構(gòu)?接受至少由兩個晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)，并接受集成電路工藝將很多這種單元并聯(lián)而成。?GTR是由三層半導(dǎo)體（分別引出集電極、基極和放射極）形成的兩個PN結(jié)（集電結(jié)和放射結(jié)）構(gòu)成，多接受NPN結(jié)構(gòu)。2.電力晶體管圖GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流淌a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號c)內(nèi)部載流子的流淌+表示高摻雜濃度，-表示低摻雜濃度502.電力晶體管空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib圖c)內(nèi)部載流子的流淌?在應(yīng)用中，GTR一般接受共放射極接法。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限制實(shí)力。當(dāng)考慮到集電極和放射極間的漏電流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，接受達(dá)林頓接法可以有效地增大電流增益。512.電力晶體管■GTR的基本特性◆靜態(tài)特性?在共放射極接法時的典型輸出特性分為截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)三個區(qū)域。?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，一般要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖2-17共放射極接法時GTR的輸出特性522.電力晶體管◆集電極最大允許電流IcM?規(guī)定直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定的1/2~1/3時所對應(yīng)的Ic。?實(shí)際運(yùn)用時要留有較大裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)?！艏姌O最大耗散功率PcM?指在最高工作溫度下允許的耗散功率。?產(chǎn)品說明書中在給出PcM時總是同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。532.電力晶體管■GTR的二次擊穿現(xiàn)象與平安工作區(qū)◆當(dāng)GTR的集電極電壓上升至擊穿電壓時，集電極電流快速增大，這種首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿?！舭l(fā)覺一次擊穿發(fā)生時如不有效地限制電流，Ic增大到某個臨界點(diǎn)時會突然急劇上升，同時伴隨著電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。◆出現(xiàn)一次擊穿后，GTR一般不會損壞，二次擊穿常常立刻導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對GTR危害極大。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖2-19GTR的平安工作區(qū)二次擊穿功率

◆平安工作區(qū)（SOA）?將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn)連接起來，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。?GTR工作時不僅不能超過最高電壓UceM，集電極最大電流IcM和最大耗散功率PcM，也不能超過二次擊穿臨界線。543.電力場效應(yīng)晶體管■分為結(jié)型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型,簡稱電力MOSFET?！鲭娏OSFET是用柵極電壓來限制漏極電流的，它的特點(diǎn)有：◆驅(qū)動電路簡潔，須要的驅(qū)動功率小?！糸_關(guān)速度快，工作頻率高?！魺岱€(wěn)定性優(yōu)于GTR。◆電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過10kW的電力電子裝置。553.電力場效應(yīng)晶體管■電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理◆電力MOSFET的種類?按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。?當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型。?對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道的稱為增加型。?在電力MOSFET中，主要是N溝道增加型。56功率場效應(yīng)晶體管，是一種單極型電壓限制器件，通過柵極電壓來限制漏極電流。功率場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管PowerMOSFET顯著優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動電路簡潔，驅(qū)動功率小，同時開關(guān)速度快（開關(guān)時間10~100ns），工作頻率可達(dá)１MHz，不存在二次擊穿問題；其缺點(diǎn)是電流容量小，耐壓低，通態(tài)壓降大。功率場效應(yīng)晶體管適用于開關(guān)電源、高頻感應(yīng)加熱等高頻場合，但不適用于大功率裝置。

57功率場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理增加型UGS=0時，無導(dǎo)電溝道，ID=0耗盡型UGS=0時，存在導(dǎo)電溝道結(jié)型——靜電感應(yīng)晶體管種類P溝道空穴N溝道電子絕緣柵型功率MOSFET垂直導(dǎo)電利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電VVMOSFET具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)VDMOSFET小功率MOS橫向?qū)щ婋妷弘娏鲗?shí)力58DGSN溝道DSGP溝道PN+N+N-N+N+N+P溝道SGD無反向阻斷實(shí)力無二次擊穿，寬平安工作區(qū)多元功率集成器件59DGSN溝道當(dāng)漏、源極間加正向電壓，柵、源極間UGS=0時，漏源極之間無電流流過。如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。但當(dāng)UGS>UT（UT為開啟電壓或閾值電壓）時，漏極和源極導(dǎo)電，流過漏極電流。60絕緣柵雙極晶體管，是一種復(fù)合型電壓限制器件。絕緣柵雙極晶體管IGBT顯著優(yōu)點(diǎn)：它將MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身，耐壓高、電流大、工作頻率高、通態(tài)壓降低、驅(qū)動功率小、無二次擊穿、平安工作區(qū)寬、熱穩(wěn)定性好。中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件，隨著其電壓和電流容量的不斷上升，有進(jìn)一步取代GTO的趨勢。611結(jié)構(gòu)和工作原理N溝道MOSFET與雙極型晶體管復(fù)合而成；以GTR為主導(dǎo)元件、N溝道MOSFET為驅(qū)動元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。等效電路中Rdr是GTR基區(qū)內(nèi)的擴(kuò)展電阻。

62IGBT的開通與關(guān)斷由柵極電壓限制。以N溝道IGBT為例，柵極施以正電壓時，MOSFET內(nèi)形成導(dǎo)電溝道，為PNP晶體管供應(yīng)基極電流，IGBT導(dǎo)通。在柵極施以負(fù)壓時，MOSFET內(nèi)導(dǎo)電溝道消逝，PNP晶體管無基極電流，IGBT關(guān)斷。632特性靜態(tài)特性——輸出特性以柵射電壓UGE為參變量，反映集電極電流IC與集電極、放射極電壓UCE間關(guān)系的曲線族64當(dāng)UGE<UT時，IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)，微弱漏電流。

65當(dāng)UGE>UT時，IGBT處于放大區(qū)。集電極電流IC大小幾乎不隨uCE而變更，其大小取決于uGE，正常狀況下不會進(jìn)入擊穿區(qū)。66當(dāng)UGE>UT，集電極電流IC與uCE成線性關(guān)系，不隨uGE而變更，IGBT處于飽和區(qū)，導(dǎo)通壓降較小。UT=2~6V，UGE=15V67器件優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域GTR耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，通流能力強(qiáng)，飽和壓降低開關(guān)速度低，電流驅(qū)動型需要驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜，存在2次擊穿問題UPS、空調(diào)等中小功率中頻場合GTO電壓、電流容量很大，適用于大功率場合，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)電流關(guān)斷增益小，關(guān)斷時門極負(fù)脈沖電流大，開關(guān)速度低，驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜，開關(guān)頻率低高壓直流輸電、高壓靜止無功補(bǔ)償、高壓電機(jī)驅(qū)動、電力機(jī)車地鐵等高壓大功率場合。MOSFET開關(guān)速度快，開關(guān)損耗小，工作頻率高，門極輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單，沒有2次擊穿電流容量小，耐壓低，通態(tài)損耗較大，一般適合于高頻小功率場合開關(guān)電源、日用電氣、民用軍用高頻電子產(chǎn)品IGBT開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，通態(tài)壓降低，電壓、電流容量較高。門極輸入阻抗高，驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單開關(guān)速度不及電力MOSFET，電壓、電流容量不及GTO。電機(jī)調(diào)速，逆變器、變頻器等中等功率、中等頻率的場合，已取代GTR。應(yīng)用最廣泛的電力電子器件。

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6其他新型電力電子器件6.1.MOS限制晶閘管MCT6.2.靜電感應(yīng)晶體管SIT6.3.靜電感應(yīng)晶閘管SITH6.4.集成門極換流晶閘管IGCT6.5.基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件6.6功率集成電路與集成電力電子模塊本章小結(jié)696.1.MOS限制晶閘管MCT■MCT是將MOSFET與晶閘管組合而成的復(fù)合型器件?！鼋Y(jié)合了MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動功率、快速的開關(guān)過程和晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降的特點(diǎn)?！鲇蓴?shù)以萬計(jì)的MCT元組成，每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個限制該晶閘管開通的MOSFET，和一個限制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET?！銎潢P(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。70

6.2.靜電感應(yīng)晶體管SIT■是一種結(jié)型場效應(yīng)晶體管?！鍪且环N多子導(dǎo)電的器件，其工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至超過電力MOSFET，而功率容量也比電力MOSFET大，因而適用于高頻大功率場合?！鰱艠O不加任何信號時是導(dǎo)通的，柵極加負(fù)偏壓時關(guān)斷，這被稱為正常導(dǎo)通型器件，運(yùn)用不太便利，此外SIT通態(tài)電阻較大，使得通態(tài)損耗也大，因而SIT還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

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6.3.靜電感應(yīng)晶閘管SITH■可以看作是SIT與GTO復(fù)合而成?！鲇直环Q為場控晶閘管（FCT），本質(zhì)上是兩種載流子導(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、通流實(shí)力強(qiáng)?！銎浜芏嗵匦耘cGTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件?！鲆话阋彩钦?dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。72

6.4.集成門極換流晶閘管IGCT■是將一個平板型的GTO與由很多個并聯(lián)的電力MOSFET器件和其它幫助元件組成的GTO門極驅(qū)動電路接受細(xì)心設(shè)計(jì)的互聯(lián)結(jié)構(gòu)和封裝工藝集成在一起。■容量與一般GTO相當(dāng)，但開關(guān)速度比一般的GTO快10倍，而且可以簡化一般GTO應(yīng)用時浩大而困難的緩沖電路，只不過其所需的驅(qū)動功率照舊很大?！瞿壳罢谂cIGBT等新型器件激烈競爭。73

6.5.基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件■硅的禁帶寬度為1.12電子伏特（eV），而寬禁帶半導(dǎo)體材料是指禁帶寬度在3.0電子伏特左右及以上的半導(dǎo)體材料，典型的是碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、金剛石等材料?！龌趯捊麕О雽?dǎo)體材料（如碳化硅）的電力電子器件將具有比硅器件高得多的耐受高電壓的實(shí)力、低得多的通態(tài)電阻、更好的導(dǎo)熱性能和熱穩(wěn)定性以及更強(qiáng)的耐受高和順射線輻射的實(shí)力，很多方面的性能