第1章電力電子器件

1.1電力電子器件概述1.2電力二極管1.3晶閘管及其派生器件1.4門極可關(guān)斷晶閘管1.5電力晶體管1.6功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.7絕緣柵雙極性晶體管1.8其他新型電力電子器件2021/5/911.1電力電子器件概述1.1.1電力電子器件的概念和特征1.1.2電力電子器件的基本類型1.1.3電力電子器件的模塊化與集成化1.1.4電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域2021/5/921.1.1電力電子器件的概念和特征1.概念主電路（PowerCircuit）

在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變化或控制任務(wù)的電路。電力電子器件（PowerElectronicDevice)

直接用于處理電能的主電路中，以開(kāi)關(guān)方式實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。2021/5/93電力電子器件是功率半導(dǎo)體器件。1）電力電子器件所能處理電功率的大小，是其最重要的參數(shù)。其處理電功率的能力一般遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。2）電力電子器件因處理電功率較大，為了減小本身的損耗、提高效率，一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。3）電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中往往由信息電子電路來(lái)控制。信息電子電路是電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路。4）電力電子器件盡管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，但是自身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，為了保證不至于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過(guò)高而損壞，不僅在器件封裝上考慮散熱設(shè)計(jì)，而且在其工作時(shí)一般都還需要設(shè)計(jì)安裝散熱器。2.特征2021/5/941.1.2電力電子器件的基本類型1.按照電力電子器件的可控程度半控型器件全控型器件通過(guò)控制信號(hào)可控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷｛晶閘管及其派生器件關(guān)斷主電路電流電壓通過(guò)控制信號(hào)即可控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷｛絕緣柵雙極晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管門極可關(guān)斷晶閘管自關(guān)斷器件門極可關(guān)斷晶閘管處理兆瓦級(jí)大功率電能2021/5/95不能用控制信號(hào)控制其通斷，不需要驅(qū)動(dòng)電路電力二極管不控型器件主電路｛通

斷電流電壓只有兩個(gè)端子2.按照驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件上驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)電流驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型控制端通

斷注入電流抽出電流電壓信號(hào)公共端控制端2021/5/963.按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況單極型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件復(fù)合型器件單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件2021/5/971.1.3電力電子器件的模塊化與集成化電力電子器件最初是單管結(jié)構(gòu)、分立器件電力電子設(shè)備電力電子器件及其散熱器、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等電路結(jié)構(gòu)松散、體積大、可靠性差、成本高電力電子器件的模塊化與集成化結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠性高、成本低2021/5/98功率模塊由若干功率開(kāi)關(guān)器件與快速二極管組合而成單片集成式模塊功率器件、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等電路集成于一個(gè)硅片智能功率模塊將具有驅(qū)動(dòng)、自保護(hù)、自診斷功能的集成芯片再度與電力電子器件集成2021/5/99表1-1電力電子器件類型名稱中文名稱英文名稱分立器件不可控器件電力二極管PowerDiode半控型器件晶閘管(可控硅)Thyristor(SCR)全控型器件電流控制器件電力晶體管(雙極型晶體管)GTR(BJT)門極可關(guān)斷晶閘管GTO電壓控制器件電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管PowerMOSFET絕緣柵雙極型晶體管IGBT場(chǎng)控晶閘管MCT靜電感應(yīng)晶體管SIT靜電感應(yīng)晶閘管SITH集成模塊功率模塊PowerModule單片集成模塊SystemonaChip智能功率模塊IPM2021/5/9101.1電力電子器件概述1.1.1電力電子器件的概念和特征1.1.2電力電子器件的基本類型1.1.3電力電子器件的模塊化與集成化1.1.4電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域2021/5/9111.1.4電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域電力電子器件應(yīng)用廣泛電力電子器件允許的開(kāi)關(guān)頻率與允許功率范圍及主要應(yīng)用領(lǐng)域2021/5/9121.2電力二極管結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單工作可靠現(xiàn)在仍大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備電力二極管（半導(dǎo)體整流管）20世紀(jì)50年代初獲得應(yīng)用應(yīng)用快恢復(fù)二極管肖特基二極管斬波、逆變高頻低壓儀表、開(kāi)關(guān)電源2021/5/9131.2電力二極管1.2.1PN結(jié)的工作原理1.2.2電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性1.2.3電力二極管的主要參數(shù)1.2.4電力二極管的主要類型2021/5/9141.2.1PN結(jié)的工作原理

電力二極管在本質(zhì)上是一個(gè)PN節(jié)，只是加上電極引線、管殼封裝。PN節(jié)的工作原理已經(jīng)在模擬電子技術(shù)課程中涉及，不再展開(kāi)討論。圖1-2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)2021/5/915PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕撼惺苷螂妷簩?dǎo)通，承受反向電壓截止PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)

PN結(jié)在正向電流很大時(shí)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)為低阻狀態(tài)。PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)

微弱的反向電流。2021/5/916PN結(jié)反向擊穿施加PN結(jié)反向電壓過(guò)大反向電流急劇增大破壞PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)PN結(jié)反向擊穿反向電流急劇增大2021/5/9171.2.2電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性1.靜態(tài)特性圖1-4電力二極管的伏安特性電力二極管靜態(tài)特性伏安特性正向電壓為零，電流為零。正向電壓較小，正向電流很小，幾乎為零。正向電壓升高至UTO，正向電流明顯增加。門檻、閾值電壓正向電壓大于UTO，正向電流線性增長(zhǎng)。2021/5/9181.2.2電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性1.靜態(tài)特性圖1-4電力二極管的伏安特性電力二極管靜態(tài)特性伏安特性值定一到大壓電向正承受反向電壓時(shí)只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。正向電流IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓UF為其正向電壓降。2021/5/919零偏置正向偏置反向偏置過(guò)渡過(guò)程中，其電壓—電流關(guān)系隨時(shí)間而變化2.動(dòng)態(tài)特性電力二極管的動(dòng)態(tài)狀態(tài)反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過(guò)程的開(kāi)關(guān)特性2021/5/920電力二極管的關(guān)斷在tF時(shí)刻外加電壓突然反向。經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。td=t1-t0——延遲時(shí)間tf=t2-t1——電流下降時(shí)間trr=td+tf——反向恢復(fù)時(shí)間普通：5～幾十微秒快速：幾百納秒肖特基：幾十納秒a)IFtdtrrtfIRPt1t2UFURttFt0

URP在關(guān)斷之前有較大的反向電流，伴隨明顯的反向電壓過(guò)沖。2021/5/921

注意：電流、電壓反向問(wèn)題過(guò)沖正偏壓時(shí)，正向偏壓降約為1V左右；導(dǎo)通時(shí)，二極管看成是理想開(kāi)關(guān)元件，因?yàn)樗拈_(kāi)通時(shí)間很短；但在關(guān)斷時(shí)，它需要一個(gè)反向恢復(fù)時(shí)間（reverser-recoverytime）。影響二極管開(kāi)關(guān)速度的主要因素是反向恢復(fù)時(shí)間。2021/5/9221.2.3電力二極管的主要參數(shù)正向平均電流IF(AV)

在規(guī)定的管殼溫度和散熱條件下，所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。

正向平均電流按照電流的發(fā)熱效應(yīng)定義，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則選取電力二極管的電流額定值，應(yīng)留有一定的裕量。正向壓降UF

電力二極管在正向電流導(dǎo)通時(shí)二極管上的正向壓降。2021/5/9231.2.3電力二極管的主要參數(shù)浪涌電流最高工作結(jié)溫反向恢復(fù)時(shí)間反向重復(fù)峰值電壓URRM

對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。額定電壓。2~3倍裕量。2021/5/9241.2.4電力二極管的主要類型普通二極管(整流二極管）多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中

反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)一般在5μs以上正向電流定額和反向電壓定額很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上

2021/5/925快恢復(fù)二極管恢復(fù)過(guò)程很短，特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短（5μs以下，數(shù)百ns）的二極管，簡(jiǎn)稱快速二極管。2021/5/926肖特基二極管導(dǎo)通壓降只有0.3~0.6V，反向恢復(fù)時(shí)間短，10～40ns。缺點(diǎn)：漏電流很大、耐壓低。2021/5/9271.3晶閘管及其派生器件1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理1.3.2晶閘管的基本特性及主要參數(shù)

1.3.3晶閘管的派生器件2021/5/9281.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理P1N1P2N2J1J2J3AGKAKG圖1-6晶閘管外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

a)外形b)結(jié)構(gòu)

c)電氣圖形符號(hào)

a)c)b)AGKGKA2021/5/929

晶閘管屬于電流驅(qū)動(dòng)、雙極型、半控型器件，可等效為可控的單向?qū)щ婇_(kāi)關(guān)。

反向承受一定電壓，處于阻斷（截止）狀態(tài)。

正向承受一定電壓，兩個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)：高阻抗的阻斷工作狀態(tài)和低阻抗的導(dǎo)通工作狀態(tài)。

2021/5/930圖1-7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)產(chǎn)生注入門極的觸發(fā)電流IG的電路觸發(fā)門極觸發(fā)電路對(duì)晶閘管的驅(qū)動(dòng)反向截止正向阻斷2021/5/931晶閘管工作原理如以下方程所示Ic1=a1IA+ICBO1

(1-1)Ic2=a2IK+ICBO2(1-2)IK=IA+IG

(1-3)

IA=IC1+IC2

(1-4)a1和a2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。由式（1-1）~式（1-4）得：(1-5)2021/5/932晶體管的特性是：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(lái)之后，迅速增大。阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。開(kāi)通（門極觸發(fā)）：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(guò)晶閘管的電流IA（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。2021/5/933晶閘管的開(kāi)通、關(guān)斷規(guī)律：承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管均不導(dǎo)通。承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管開(kāi)通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。即使去除門極觸發(fā)信號(hào)，仍然維持導(dǎo)通。自鎖、掣住要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。維持電流2021/5/9341.3.2晶閘管的基本特性及主要參數(shù)1.陽(yáng)極伏安特性及靜態(tài)參數(shù)IG2>IG1>IG第Ⅰ象限是正向特性第Ⅲ象限是反向特性2021/5/935IG=0時(shí)，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(guò)，正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓UDB，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)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(yáng)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。2021/5/936

晶閘管上施加反向電壓時(shí)，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(shí)，只有極小的反向漏電流流過(guò)。當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限制措施，則反向漏電流急劇增加，導(dǎo)致晶閘管反向擊穿、損壞。2021/5/937晶閘管的靜態(tài)參數(shù)UDB、URB

正向轉(zhuǎn)折電壓和反向擊穿電壓；

UDSM、UDRM正向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓和重復(fù)峰值電壓；URSM、URRM反向不重復(fù)峰值電壓和重復(fù)峰值電壓；不重復(fù)峰值電壓是指不造成正向轉(zhuǎn)折和反向擊穿的最大電壓，一般不允許多次施加。重復(fù)電壓是指晶閘管在開(kāi)通和關(guān)斷的過(guò)渡過(guò)程中，可重復(fù)經(jīng)受的最大瞬時(shí)電壓。取正、反向不重復(fù)峰值電壓的90%作為正、反向重復(fù)峰值電壓。取正、反向重復(fù)峰值電壓中的較小者作為晶閘管的額定電壓。

2021/5/938晶閘管的靜態(tài)參數(shù)取晶閘管的UDRM和URRM中較小者作為額定電壓。額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓的2～3倍。正向通態(tài)電壓指晶閘管通過(guò)額定電流時(shí)陽(yáng)極與陰極間的電壓降，也稱管壓降，該參數(shù)直接反映了器件的通態(tài)損耗特性。若通過(guò)晶閘管的電流為通態(tài)平均電流，則電壓降為通態(tài)平均管壓降。2021/5/939額定電流、通態(tài)平均電流IT(AV)

晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻條件下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。

晶閘管的額定電流以工作波形的平均值定義。選擇晶閘管時(shí)根據(jù)有效值相等的原則，在選擇晶閘管定額電流時(shí)，通常需要根據(jù)電流波形，做平均值與有效值的換算。以正弦半波為例。考慮到實(shí)際散熱條件、過(guò)載現(xiàn)象，留有1.5~2倍的裕度。2021/5/940維持電流

IH

晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。若晶閘管陽(yáng)極電流小于維持電流，則晶閘管進(jìn)入阻斷狀態(tài)。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(hào)后，能維持其導(dǎo)通所必需的最小陽(yáng)極電流。對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的2~4倍。IL是晶閘管的臨界開(kāi)通電流，若陽(yáng)極電流IA未達(dá)到IL時(shí)就去掉門極信號(hào)，晶閘管將自動(dòng)返回阻斷狀態(tài)。在感性負(fù)載電路中，由于陽(yáng)極電流上升到IL需要一定的時(shí)間，若門極信號(hào)持續(xù)時(shí)間低于此值，晶閘管則不能維持住導(dǎo)通狀態(tài)。2021/5/9412.動(dòng)態(tài)特性及其參數(shù)

動(dòng)態(tài)特性：晶閘管在阻斷、導(dǎo)通這兩種狀態(tài)變換過(guò)程中所體現(xiàn)的特性，包括開(kāi)通特性和關(guān)斷特性。開(kāi)通特性：晶閘管在正向偏置并受到理想電流觸發(fā)時(shí)的導(dǎo)通情況。關(guān)斷特性：已導(dǎo)通的晶閘管在施加反向電壓時(shí)的關(guān)斷情況。2021/5/942開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td

從門極電流階躍時(shí)刻開(kāi)始，陽(yáng)極電流上升到額定值的10%所需時(shí)間上升時(shí)間tr陽(yáng)極電流從額定值10%上到90%所需時(shí)間開(kāi)通時(shí)間tgttgt=td+tr

普通晶閘管的延遲時(shí)間為0.5us，上升時(shí)間為0.5～3us。其延遲時(shí)間隨門極電流的增大而減小。強(qiáng)觸發(fā)2021/5/943關(guān)斷過(guò)程反向恢復(fù)時(shí)間trr

正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至近于零的時(shí)間?；謴?fù)對(duì)反向電壓的阻斷能力。門極恢復(fù)時(shí)間tgr晶閘管完全關(guān)斷至恢復(fù)阻斷能力所需時(shí)間?；謴?fù)對(duì)正向電壓的阻斷能力。關(guān)斷時(shí)間tq

tq=trr+tgr普通晶閘管的時(shí)間約為幾百微秒2021/5/944斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

在額定結(jié)溫和門極開(kāi)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。過(guò)大，誤導(dǎo)通通態(tài)電流臨界上升率di/dt

在規(guī)定條件下，晶閘管能承受的最大通態(tài)電流上升率。過(guò)大，門極局部過(guò)熱2021/5/9451.3.3晶閘管的派生器件快速晶閘管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)，允許的電流上升率較小，其工作頻率受到限制，主要用于工頻電路中。工作頻率高，高于400Hz，開(kāi)關(guān)時(shí)間短，toff≤50μs，通態(tài)壓降和開(kāi)關(guān)損耗低；應(yīng)用于斬波器、中頻逆變電源等電力電子裝置中。

工作頻率高于10KHz2021/5/946逆導(dǎo)晶閘管

圖1-12逆導(dǎo)晶閘管的符號(hào)和靜態(tài)伏安特性(a)符號(hào)；(b)靜態(tài)伏安特性逆導(dǎo)晶閘管是一個(gè)反向?qū)ǖ木чl管，即將一個(gè)逆阻型晶閘管與一個(gè)二極管反并聯(lián)集成在同一硅片上構(gòu)成的新器件。正向可控閘流特性與逆阻型晶閘管相同，反向則表現(xiàn)為二極管的正向特性。逆導(dǎo)晶閘管具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、允許結(jié)溫高、體積小的優(yōu)點(diǎn)，可用于反向不需要承受阻斷電壓但需要二極管續(xù)流的電路中。2021/5/947雙向晶閘管

圖1-13雙向晶閘管的符號(hào)和靜態(tài)伏安特性(a)符號(hào)；(b)靜態(tài)伏安特性具有正、反兩個(gè)方向都能控制導(dǎo)通的特性，可以看成一對(duì)反并聯(lián)的普通晶閘管，但其具有觸發(fā)電路簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。用于交流電力控制電路中。額定電流用有效值表征

2021/5/948光控晶閘管

圖1-14光控晶閘管的符號(hào)和靜態(tài)伏安特性(a)符號(hào)；(b)靜態(tài)伏安特性光控晶閘管是一種利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)的晶閘管。小功率光控晶閘管只有兩個(gè)電極(A、K)，大功率光控晶閘管還帶有光纜，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。常用于高電壓電路中，如高壓直流輸電等。

2021/5/9491.4門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管由于耐壓高、電流大和相對(duì)較強(qiáng)的過(guò)載能力，在高壓大功率領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)廣泛應(yīng)用。半控型器件，如何關(guān)斷即換流？必須借助外部手段使其電流小于維持電流。為此必須附加強(qiáng)迫換流電路，使電力電子裝置復(fù)雜化。為滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的需要，在晶閘管基礎(chǔ)之上研制成功門極可關(guān)斷晶閘管，GTO。全控型器件電壓、電流容量高于其它全控型器件，但驅(qū)動(dòng)技術(shù)復(fù)雜、價(jià)位高，使其推廣受到限制。2021/5/9501.4.1GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)2021/5/951與晶閘管的相同點(diǎn)PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)陽(yáng)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(gè)小GTO元GTO元陽(yáng)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)，周圍被門極所包圍，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?。?，越利于關(guān)斷。

2021/5/952GTO導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管相同，如何？只是導(dǎo)通時(shí)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(shí)1+2＝1.15GTO導(dǎo)通時(shí)1+2＝1.052021/5/953GTO關(guān)斷過(guò)程：強(qiáng)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(shí)，退出飽和而關(guān)斷。工作原理2021/5/9541.4.2.GTO的動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通特性與普通晶閘管類似，開(kāi)通時(shí)間ton由延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr組成。關(guān)斷過(guò)程則與晶閘管有所不同，可用3個(gè)不同的時(shí)間來(lái)表示，即存儲(chǔ)時(shí)間ts、下降時(shí)間tf及尾部時(shí)間tt

2021/5/955存儲(chǔ)時(shí)間ts從關(guān)斷過(guò)程開(kāi)始到陽(yáng)極電流下降到90%IA為止的時(shí)間間隔。在這段時(shí)間內(nèi)，依靠門極負(fù)脈沖電壓從門極抽出電流，晶體管飽和深度變淺，由于PN結(jié)還處于正向偏置，陽(yáng)極電流iA變化很小，門極電流iG達(dá)負(fù)的最大值。2021/5/956下降時(shí)間tf陽(yáng)極電流從90%IA起到下降到10%IA為止的時(shí)間間隔。在這段時(shí)間里，繼續(xù)從門極抽出電流，陽(yáng)極電流逐漸減小，當(dāng)α1+α2≤1后，內(nèi)部正反饋停止而使GTO退出飽和。2021/5/957尾部時(shí)間tt陽(yáng)極電流從10%IA起減小到維持電流為止的時(shí)間間隔。在這段時(shí)間里，繼續(xù)從門極抽出電流，陽(yáng)極電流繼續(xù)減小，直至小于維持電流GTO關(guān)斷。關(guān)斷時(shí)間toff=ts+tf數(shù)個(gè)微秒2021/5/9581.4.3.GTO的主要參數(shù)最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATOGTO額定電流。若陽(yáng)極電流過(guò)大，GTO處于深度飽和狀態(tài)，導(dǎo)致門極關(guān)斷失敗。由門極可靠關(guān)斷為決定條件的最大陽(yáng)極電流稱為最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流電流關(guān)斷增益off

最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。數(shù)值低、4~5，主要缺點(diǎn)。舉例boff=ATOIGM___________I2021/5/9591.5電力晶體管電力晶體管耐高電壓、大電流的雙結(jié)晶體管其基本原理是通過(guò)控制基極電流來(lái)控制集電極電流的通斷。相對(duì)于GTO，GTR具有控制方便、開(kāi)關(guān)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于交流電機(jī)調(diào)速、不間斷電源（UPS）以及家用電器等中小容量的變流裝置中。2021/5/9601.5.1GTR的結(jié)構(gòu)P基區(qū)N漂移區(qū)襯底集電極c基極b發(fā)射極e基極bcbe

與普通的晶體管基本原理相同。

主要區(qū)別：容量足夠（耐壓高、電流大）、開(kāi)關(guān)速度高。

單管、達(dá)林頓管、模塊。達(dá)林頓管電流增益提高、但飽和壓降增加、開(kāi)關(guān)速度降低

采用集成電路工藝將許多達(dá)林頓單元并聯(lián)而成模塊可靠性、性價(jià)比2021/5/9611.5.1GTR的特性

輸出特性可分為四個(gè)區(qū)：截止區(qū)Ⅰ、放大區(qū)Ⅱ、臨界飽和區(qū)Ⅲ和深飽和區(qū)Ⅳ。在電力電子電路中，要盡量避免GTR工作于線性區(qū)，否則功耗將會(huì)很大。器件作為開(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí)，其工作只穩(wěn)定在截止區(qū)和飽和區(qū)兩個(gè)狀態(tài)，但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中要經(jīng)過(guò)放大區(qū)的過(guò)渡。1.靜態(tài)特性圖1-19共射極電路的集電極輸出特性2021/5/9621.5.1GTR的特性

輸出特性可分為四個(gè)區(qū)：截止區(qū)Ⅰ、放大區(qū)Ⅱ、臨界飽和區(qū)Ⅲ和深飽和區(qū)Ⅳ。在電力電子電路中，要盡量避免GTR工作于線性區(qū)，否則功耗將會(huì)很大。器件作為開(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí)，其工作只穩(wěn)定在截止區(qū)和飽和區(qū)兩個(gè)狀態(tài)，但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中要經(jīng)過(guò)放大區(qū)的過(guò)渡。2.動(dòng)態(tài)特性圖1-20GTR的開(kāi)關(guān)特性2021/5/963功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是一種單極型電壓控制器件，通過(guò)柵極電壓來(lái)控制漏極電流。1.6功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管PowerMOSFET顯著優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)功率小，同時(shí)開(kāi)關(guān)速度快（開(kāi)關(guān)時(shí)間10~100ns），工作頻率可達(dá)１MHz，不存在二次擊穿問(wèn)題；其缺點(diǎn)是電流容量小，耐壓低，通態(tài)壓降大。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管適用于開(kāi)關(guān)電源、高頻感應(yīng)加熱等高頻場(chǎng)合，但不適用于大功率裝置。

2021/5/9641.6功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.6.1結(jié)構(gòu)和工作原理1.6.2特性1.6.3參數(shù)2021/5/9651.6功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.6.1結(jié)構(gòu)和工作原理增強(qiáng)型

UGS=0時(shí)，無(wú)導(dǎo)電溝道，ID=0耗盡型

UGS=0時(shí)，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婋妷弘娏髂芰?021/5/966DGSN溝道DSGP溝道PN+N+N-N+N+N+P溝道SGD無(wú)反向阻斷能力無(wú)二次擊穿，寬安全工作區(qū)多元功率集成器件2021/5/967DGSN溝道當(dāng)漏、源極間加正向電壓，柵、源極間UGS=0時(shí)，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。如在柵源極間加正電壓UGS，柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過(guò)。但當(dāng)UGS>UT（UT為開(kāi)啟電壓或閾值電壓）時(shí)，漏極和源極導(dǎo)電，流過(guò)漏極電流。2021/5/968PowerElectronics1.6.2特性、1.6.3參數(shù)與MOSFET類似，不再展開(kāi)討論。2021/5/969第1章電力電子器件1.1電力電子器件概述1.2電力二極管1.3晶閘管及其派生器件1.4門極可關(guān)斷晶閘管1.5電力晶體管1.6功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管

1.7絕緣柵雙極性晶體管

1.8

其他新型電力電子器件

本章小結(jié)2021/5/970絕緣柵雙極晶體管，是一種復(fù)合型電壓控制器件。1.7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(dòng)功率小、無(wú)二次擊穿、安全工作區(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升高，有進(jìn)一步取代GTO的趨勢(shì)。

2021/5/9711.7絕緣柵雙極晶體管1.7.1結(jié)構(gòu)與工作原理1.7.2特性1.7.3參數(shù)1.7.4掣住效應(yīng)與安全工作區(qū)2021/5/9721.7.1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(dòng)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。

2021/5/973IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷由柵極電壓控制。以N溝道IGBT為例，柵極施以正電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成導(dǎo)電溝道，為PNP晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。在柵極施以負(fù)壓時(shí)，MOSFET內(nèi)導(dǎo)電溝道消失，PNP晶體管無(wú)基極電流，IGBT關(guān)斷。2021/5/9741.7絕緣柵雙極晶體管1.7.1結(jié)構(gòu)與工作原理1.7.2特性1.7.3參數(shù)1.7.4掣住效應(yīng)與安全工作區(qū)2021/5/9751.7.2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、發(fā)射極電壓UCE間關(guān)系的曲線族2021/5/976當(dāng)UGE<UT時(shí)，IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)，微弱漏電流。

2021/5/977當(dāng)UGE>UT時(shí)，IGBT處于放大區(qū)。集電極電流IC大小幾乎不隨uCE而變化，其大小取決于uGE，正常情況下不會(huì)進(jìn)入擊穿區(qū)。

2021/5/978當(dāng)UGE>UT，集電極電流IC與uCE成線性關(guān)系，不隨uGE而變化，IGBT處于飽和區(qū)，導(dǎo)通壓降較小。UT=2~6V，UGE=15V2021/5/9791.7.2特性靜態(tài)特性——轉(zhuǎn)移特性集電極電流IC和柵射電壓UGE的關(guān)系，它表征UGE對(duì)IC的控制能力。2021/5/980當(dāng)UGE小于開(kāi)啟電壓時(shí)，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)UGE大于開(kāi)啟電壓時(shí)，IGBT開(kāi)通，導(dǎo)通后，IC與UGE基本呈線性關(guān)系。2021/5/9811.7.2特性動(dòng)態(tài)特性輸入電壓（uGE）和集電極電流（IC）、輸出電壓（uCE）的關(guān)系2021/5/982延遲時(shí)間td

從驅(qū)動(dòng)電壓uGE的前沿上升至其幅值10%時(shí)刻開(kāi)始，到集電極電流iC上升至其幅值的10%所需時(shí)間上升時(shí)間tr集電極電流iC從其幅值10%上升至90%所需時(shí)間開(kāi)通時(shí)間tonton=td+tr

2021/5/983集射電壓uCE的下降過(guò)程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1MOSFET單獨(dú)工作時(shí)的電壓下降時(shí)間tfv2MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降時(shí)間只有在tfv2段結(jié)束時(shí)，IGBT才完全進(jìn)入飽和狀態(tài)2021/5/984關(guān)斷延遲時(shí)間ts

從驅(qū)動(dòng)電壓uGE的后沿下降至其幅值90%時(shí)刻開(kāi)始，到集電極電流iC下降至其幅值的90%所需時(shí)間電流下降時(shí)間tf集電極電流iC從其幅值90%下降至10%所需時(shí)間關(guān)斷時(shí)間tofftoff=ts+tf

2021/5/985集電極電流iC的下降過(guò)程分為tfi1和tfi2兩段。tfi1對(duì)應(yīng)MOSFET的關(guān)斷過(guò)程tfi2對(duì)應(yīng)PNP晶體管的關(guān)斷過(guò)程，集電極電流iC下降較慢。集射電壓uCE建立，功耗較大開(kāi)通tfv22021/5/9861.7絕緣柵雙極晶體管1.7.1結(jié)構(gòu)與工作原理1.7.2特性1.7.3參數(shù)1.7.4掣住效應(yīng)與安全工作區(qū)2021/5/9871.7.3主要參數(shù)集射極擊穿電壓UCES決定器件的最高工作電壓，由內(nèi)部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓確定。隨溫度的升高而增大。最大柵射極電壓柵射極電壓是由柵極氧化層的厚度和特性所限制的，為了限制故障電流、確保長(zhǎng)期使用的可靠性，應(yīng)將柵極電壓限制在20V之內(nèi)，其最佳值一般取15V左右。2021/5/988集電極連續(xù)電流IC

、集電極峰值電流ICM

表征電流容量，額定電流。集電極連續(xù)電流IC主要受結(jié)溫限制。集電極峰值電流ICM為避免掣住效應(yīng)而定義。只要不超過(guò)額定結(jié)溫，IGBT可以工作在峰值電流范圍內(nèi)，峰值電流大約是額定值的2倍。最大集電極功率PCM在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。2021/5/9891.7絕緣柵雙極晶體管1.7.1結(jié)構(gòu)與工作原理1.7.2特性1.7.3參數(shù)1.7.4掣住效應(yīng)與安全工作區(qū)2021/5/990掣住效應(yīng)（自鎖效應(yīng)）

IGBT內(nèi)部存在寄生晶閘管，若集電極電流過(guò)大或duCE/dt過(guò)大，寄生晶閘管將開(kāi)通，柵極就失去對(duì)集電極電流的控制作用，導(dǎo)致集電極電流增大，造成器件損壞。這種電流失控現(xiàn)象被稱為掣住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)。靜態(tài)、動(dòng)態(tài)。溫度升高動(dòng)態(tài)掣住效應(yīng)比靜態(tài)掣住效應(yīng)所允許的集電極電流小。因此IGBT所允許的最大集電極電流實(shí)際上根據(jù)動(dòng)態(tài)掣住效應(yīng)確定。限制電流容量原因之一1.7.4IGBT的掣住效應(yīng)和安全區(qū)2021/5/9911.7.4IGBT的掣住效應(yīng)和安全區(qū)正向偏置安全工作區(qū)規(guī)范開(kāi)通過(guò)程、通態(tài)工作點(diǎn)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定IGBT在導(dǎo)通工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍。反向偏置安全工作區(qū)規(guī)范關(guān)斷過(guò)程、斷態(tài)工作點(diǎn)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大最大允許電壓上升率確定IGBT在阻斷工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍。2021/5/992第1章電力電子器件1.1電力電子器件概述1.2電力二極管1.3晶閘管及其派生器件1.4門極可關(guān)斷晶閘管1.5電力晶體管1.6功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管

1.7絕緣柵雙極性晶體管

1.8

其他新型電力電子器件

本章小結(jié)2021/5/9931.8其他新型電力電子器件1.8.1靜電感應(yīng)晶體管SIT1.8.2MOS控制晶閘管MCT1.8.3集成門極換向型晶閘管IGCT1.8.4電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì)2021/5/9941.8.1靜電感應(yīng)晶體管SIT

多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力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(chǎng)合。在雷達(dá)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(diǎn)：柵極不加信號(hào)時(shí)導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時(shí)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。SIT

——結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管2021/5/9951.