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電子技術(shù)的基礎(chǔ)

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(wèn)題簡(jiǎn)要概述電力電子器件的概念、特點(diǎn)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(shí)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(kāi)關(guān)狀態(tài)。實(shí)用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)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(guò)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(shí)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(shí)器件上有一定的通態(tài)壓降斷態(tài)損耗：阻斷時(shí)器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過(guò)開(kāi)關(guān)損耗：開(kāi)通損耗：在器件開(kāi)通的轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的損耗關(guān)斷損耗：在器件關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過(guò)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(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)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(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成控制電路檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2圖2-1電力電子器件在實(shí)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(hào)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-GateBipolarTransistor——IGBT）電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力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(gè)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(guò)控制信號(hào)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(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。

按照驅(qū)動(dòng)電路加在器件控制端和公共端之間信號(hào)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(dòng)型

1)

單極型器件電力電子器件的分類2)

電壓驅(qū)動(dòng)型通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)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(hào)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(gè)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(hào)

a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)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(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)為低阻態(tài)。

PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)

PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?/p>

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。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(kāi)始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流IF對(duì)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(shí)，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(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5s以上，這在開(kāi)關(guān)頻率不高時(shí)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。2.快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode——FRD）功率二極管的主要類型恢復(fù)過(guò)程很短特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短（5s以下）的二極管，也簡(jiǎn)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(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20~30ns。

工藝上多采用了摻金措施、改進(jìn)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（SiliconControlledRectifier——SCR）1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLab）發(fā)明了晶閘管1957年美國(guó)通用電氣公司（GE）開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品

1958年商業(yè)化開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代能承受的電壓和電流容量大，工作可靠，在大容量的場(chǎng)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(hào)外形有塑封式、螺栓型和平板型三種封裝形式引出陽(yáng)極A、陰極K和門極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)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(gè)散熱器將其夾在中間圖2-4晶閘管的外形、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)

阻斷特性

①正向阻斷

UAK為正，IG=0②反向阻斷

UAK為負(fù)，

圖2-5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2.

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）圖2-6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(shí)1和2很小IA=IK≈IC0正向阻斷

當(dāng)UAK↑→IC0

↑→1、2↑→IA↑

當(dāng)1+2≈1時(shí)IA急劇增大當(dāng)UAK達(dá)到某一電壓，使晶閘管由阻斷轉(zhuǎn)狀態(tài)為導(dǎo)通狀態(tài)。稱為正向轉(zhuǎn)折現(xiàn)象

晶閘管的工作原理門級(jí)控制開(kāi)通原理IG

→Ib2→IC2=Ib1→IC1

↓

形成正反饋工作過(guò)程，很快使兩個(gè)晶體管都轉(zhuǎn)為飽和導(dǎo)通狀態(tài)，晶閘管開(kāi)通。當(dāng)S閉和，形成門級(jí)電流晶閘管的工作原理晶閘管的關(guān)斷

由式：當(dāng)：1+2?1，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IA<IH可實(shí)現(xiàn)關(guān)斷晶閘管的工作原理

幾點(diǎn)結(jié)論：具有單向?qū)щ娦?，承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。在承受正向電壓時(shí)，可通過(guò)門極控制開(kāi)通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。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。晶閘管的伏安特性

第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性圖2-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG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(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Ubo，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。晶閘管的伏安特性2)反向特性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)，只有極小的反相漏電流流過(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)致晶閘管發(fā)熱損壞。晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性

動(dòng)態(tài)特性

晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形晶閘管的基本特性1)開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td：門極電流階躍時(shí)刻開(kāi)始，到陽(yáng)極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時(shí)間。上升時(shí)間tr：陽(yáng)極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間。開(kāi)通時(shí)間tgt以上兩者之和，tgt=td+tr

（1-6）普通晶閘管延遲時(shí)為0.5~1.5s，上升時(shí)間為0.5~3s。晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形動(dòng)態(tài)特性2)關(guān)斷過(guò)程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間關(guān)斷時(shí)間tq：trr與tgr之和，即tq=trr+tgr

（1-7)）

普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形動(dòng)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(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。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(shí)，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2～3倍?！?/p>

在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。——晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。1)

斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM2)

反向重復(fù)峰值電壓URRM3)

通態(tài)（峰值）電壓UTM2.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(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。稱為晶閘管的額定電流。

——使用時(shí)應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管。應(yīng)留一定的裕量，一般取1.5~2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(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小陽(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。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(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流3.動(dòng)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(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。——指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)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(kāi)通，便會(huì)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(guò)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(shí)，相當(dāng)于一個(gè)電容的J2結(jié)會(huì)有充電電流流過(guò)，被稱為位移電流。此電流流經(jīng)J3結(jié)時(shí)，起到類似門極觸發(fā)電流的作用。如果電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。(1)斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

除開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有：如何選擇晶閘管？

晶閘管電流定額可按下式計(jì)算選擇：

在實(shí)際應(yīng)用中，選擇晶閘管時(shí)，應(yīng)從額定電壓和額定電流兩方面共同計(jì)算選擇。

由于晶閘管承受瞬間過(guò)電壓能力較差，因此選擇晶閘管額定電壓時(shí)，應(yīng)留有充分的安全裕量，可按下式計(jì)算選擇：三.晶閘管的派生器件1.快速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST)包括所有專為快速應(yīng)用(400HZ以上)而設(shè)計(jì)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(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)關(guān)時(shí)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(shí)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(shí)不能忽略其開(kāi)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(hào)和伏安特性電氣圖形符號(hào)伏安特性晶閘管的派生器件

有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)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Ｉ和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。

與一對(duì)反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡(jiǎn)單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（SSR）和交流電機(jī)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(lái)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(hào)和伏安特性電氣圖形符號(hào)伏安特性晶閘管的派生器件

將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)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(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。

逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個(gè)，一個(gè)是晶閘管電流，一個(gè)是反并聯(lián)二極管的電流。4.光控晶閘管（LightTriggeredThyristor）圖光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)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(zhǎng)的光照信號(hào)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(chǎng)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。典型全控型器件

門極可關(guān)斷晶閘管

電力晶體管

功率場(chǎng)效應(yīng)管

絕緣柵雙極晶體管2.4門極可關(guān)斷晶閘管——在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，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(gè)嶄新時(shí)代。典型代表——門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、功率場(chǎng)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-OffThyristor—GTO）晶閘管的一種派生器件可以通過(guò)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(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用1.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(diǎn)：

PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)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(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)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(hào)

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(hào)門極可關(guān)斷晶閘管術(shù)語(yǔ)用法：電力晶體管（GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時(shí)候也稱為PowerBJT。在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個(gè)名稱等效。

應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來(lái)，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。

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(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)

a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號(hào)c)內(nèi)部載流子的流動(dòng)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(kāi)關(guān)特性好。通常采用至少由兩個(gè)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。2.

動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開(kāi)通時(shí)間ton。td主要是由發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容和集電結(jié)勢(shì)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(shí)間，同時(shí)可縮短上升時(shí)間，從而加快開(kāi)通過(guò)程。圖

GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形電力晶體管關(guān)斷過(guò)程儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff

。ts是用來(lái)除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時(shí)間的主要部分。減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減小儲(chǔ)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(chǔ)存時(shí)間，從而加快關(guān)斷速度。GTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)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(shí)，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿。只要Ic不超過(guò)限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。

二次擊穿一次擊穿發(fā)生時(shí)Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)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。電力晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型（類似小功率FieldEffectTransistor——FET）但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）簡(jiǎn)稱功率MOSFET（PowerMOSFET）結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）2.4.3功率場(chǎng)效應(yīng)管

特點(diǎn)——用柵極電壓來(lái)控制漏極電流驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。開(kāi)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(guò)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(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道增強(qiáng)型——對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型功率場(chǎng)效應(yīng)管功率MOSFET的結(jié)構(gòu)功率場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)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(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。電力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(jì)。國(guó)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(hào)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(wú)電流流過(guò)。導(dǎo)電：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)。但柵極的正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開(kāi)，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(kāi)啟電壓或閾值電壓）時(shí)，漏極和源極導(dǎo)電。功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的開(kāi)關(guān)速度

MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系。使用者無(wú)法降低Cin，但可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開(kāi)關(guān)速度。MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而關(guān)斷過(guò)程非常迅速。開(kāi)關(guān)時(shí)間在10~100ns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(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。功率場(chǎng)效應(yīng)管2.4.4絕緣柵雙極晶體管GTR和GTO的特點(diǎn)——雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。MOSFET的優(yōu)點(diǎn)——單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。

絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT）

GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有好的特性。

1986年投入市場(chǎng)后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場(chǎng),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(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡(jiǎn)化等效電路c)電氣圖形符號(hào)絕緣柵雙極晶體管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(gè)大面積的P+N結(jié)J1?！笽GBT導(dǎo)通時(shí)由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流能力。簡(jiǎn)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(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡(jiǎn)化等效電路c)電氣圖形符號(hào)絕緣柵雙極晶體管IGBT的原理

驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，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(hào)時(shí)，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(diǎn)可以總結(jié)如下：絕緣柵雙極晶體管(1)

開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng)。(2)

相同電壓和電流定額時(shí)，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