第2章电力电子器件

《第2章电力电子器件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章电力电子器件（67页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、1/892.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构晶闸管的结构 从外形上来看，晶从外形上来看，晶闸管也主要有闸管也主要有螺栓型螺栓型和和平板型平板型两种封装结两种封装结构构。引出引出阳极阳极A、阴极阴极K和和门极（控制端）门极（控制端）G三个联接端。三个联接端。内部是内部是PNPN四层四层半导体结构。半导体结构。图图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a)外形外形 b)结构结构 c)电气图形符号电气图形符号 2/892.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理图图2-8 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管

2、模型及其工作原理 a)双晶体管模型双晶体管模型 b)工作原理工作原理 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 按照晶体管工作原理，按照晶体管工作原理，可列出如下方程：可列出如下方程：（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）式中式中 1和和 2分别是晶体管分别是晶体管V1和和V2的共基极电流增益；的共基极电流增益；ICBO1和和ICBO2分别是分别是V1和和V2的共基极漏电流。的共基极漏电流。3/892.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶体管的特性是：在低发射极电流下晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当是很小的，而当发射极电流建立起来之后，发射极电流建立起来之后，迅速增

3、大。迅速增大。在晶体管在晶体管阻断状态阻断状态下，下，IG=0，而，而 1+2是很小的。由上是很小的。由上式式可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。漏电流之和。如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致 1+2趋近于趋近于1的话，流过晶闸管的电流的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）（阳极电流）将将趋近于趋近于无穷大无穷大，从而实现器件，从而实现器件饱和导通饱和导通。由于外电路负载的限制，由于外电路负载的限制，IA实际上会维持实际上会维持有限值有限值。由以上式（由以上

4、式（2-1）（2-4）可得）可得(2-5)4/892.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理除门极触发外其他几种可能导通的情况除门极触发外其他几种可能导通的情况 阳极电压升高至相当高的数值造成阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应雪崩效应 阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高过高 结温结温较高较高 光触发光触发这些情况除了这些情况除了光触发光触发由于可以保证控制电路与由于可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。只之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。只有有门极触发门极触发

5、是最精确、迅速而可靠的控制手段。是最精确、迅速而可靠的控制手段。5/892.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性静态特性静态特性 正常工作时的特性正常工作时的特性 当晶闸管承受当晶闸管承受反向电压反向电压时，不论门极是否有触发电时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通流，晶闸管都不会导通。当晶闸管承受当晶闸管承受正向电压正向电压时，仅在时，仅在门极门极有有触发电流触发电流的的情况下晶闸管才能开通情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。若要使已导

6、通的晶闸管关断，只能利用外加电压和若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一电流降到接近于零的某一数值以下数值以下。6/892.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 正向特性正向特性 当当IG=0时，如果在器件时，如果在器件两端施加正向电压，则晶两端施加正向电压，则晶闸管处于正向闸管处于正向阻断状态阻断状态，只有很小的正向漏电流流只有很小的正向漏电流流过。过。如果正向电压超过临界如果正向电压超过临界极限即极限即正向转折电压正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器，则漏电流急剧增大，器

7、件件开通开通。随着随着门极电流幅值门极电流幅值的增的增大，大，正向转折电压正向转折电压降低，降低，晶闸管本身的压降很小，晶闸管本身的压降很小，在在1V左右。左右。如果门极电流为零，并如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零且阳极电流降至接近于零的某一数值的某一数值IH以下，则晶以下，则晶闸管又回到闸管又回到正向阻断正向阻断状态，状态，IH称为称为维持电流维持电流。图图2-9 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向转正向转折电压折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+7/892.3.2 晶闸管的基

8、本特性晶闸管的基本特性反向特性反向特性 其伏安特性类似其伏安特性类似二极管二极管的反的反向特性。向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的只有极小的反向漏电流反向漏电流通过。通过。当反向电压超过一定限度，当反向电压超过一定限度，到到反向击穿电压反向击穿电压后，外电路如后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。剧增大，导致晶闸管发热损坏。图图2-9 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG正向正向转折转折电压电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURR

9、MURSM+8/892.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性动态特性动态特性 开通过程开通过程 由于晶闸管内部的由于晶闸管内部的正反馈正反馈 过程过程需要时间，再加上需要时间，再加上外电路外电路 电感电感的限制，晶闸管受到触发的限制，晶闸管受到触发 后，其阳极电流的增长不可能后，其阳极电流的增长不可能 是是瞬时瞬时的。的。延迟时间延迟时间td(0.51.5 s)上升时间上升时间tr (0.53 s)开通时间开通时间tgt=td+tr 延迟时间随延迟时间随门极电流门极电流的增的增 大而减小大而减小,上升时间除反映晶上升时间除反映晶 闸管本身特性外，还受到闸管本身特性外，还受到外电外电 路电感

10、路电感的严重影响。提高的严重影响。提高阳极阳极 电压电压,延迟时间和上升时间都延迟时间和上升时间都 可显著缩短。可显著缩短。图图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的10%9/892.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性关断过程关断过程 由于由于外电路电感外电路电感的存在，原处的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加电压突于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是有过

11、渡过程的。在衰减时必然也是有过渡过程的。反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr 关断时间关断时间tq=trr+tgr 关断时间约几百微秒。关断时间约几百微秒。在在正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间内如果重内如果重新对晶闸管施加新对晶闸管施加正向电压正向电压，晶闸管，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。流控制而导通。图图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形100%反向恢复电反向恢复电流最大值流最大值尖峰电压尖峰电压90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA10/892

12、.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数电压定额电压定额 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 是在门极断路而结温为额定值时，允许是在门极断路而结温为额定值时，允许重复重复加在器件上的加在器件上的正向正向 峰值电压峰值电压（见图（见图2-9）。）。国标规定断态重复峰值电压国标规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值电压（即为断态不重复峰值电压（即 断态最大瞬时电压）断态最大瞬时电压）UDSM的的90%。断态不重复峰值电压应低于断态不重复峰值电压应低于正向转折电压正向转折电压Ubo。反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 是在门极断路而结温为额定值时，允许是在门极断路而结温为额定值时

13、，允许重复重复加在器件上的加在器件上的反向反向 峰值电压峰值电压（见图（见图2-8）。）。规定反向重复峰值电压规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压（即反向为反向不重复峰值电压（即反向 最大瞬态电压）最大瞬态电压）URSM的的90%。反向不重复峰值电压应低于反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压反向击穿电压。11/892.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 通态（峰值）电压通态（峰值）电压UT 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电 压。压。通常取晶闸管的通常取晶闸管的UDRM和和URRM中较小的标值作为该器件

14、的中较小的标值作为该器件的额定电压额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍倍。电流定额电流定额 通态平均电流通态平均电流 IT(AV）国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40 C和规定的和规定的冷冷 却状态却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半 波电流的平均值。波电流的平均值。按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应发热效应来定义的。来定义的。一般取

15、其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的 原则所得计算结果的原则所得计算结果的1.52倍。倍。12/892.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数维持电流维持电流IH 维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小最小电流，电流，一般为几十到几百毫安。一般为几十到几百毫安。结温结温越高，则越高，则IH越小。越小。擎住电流擎住电流 IL 擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的后，能维持导通所需的最小最小电流。电流。约为约为IH的的

16、24倍倍 浪涌电流浪涌电流ITSM 指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性不重复性最大正向过载电流最大正向过载电流。13/892.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数动态参数动态参数 开通时间开通时间tgt和关断时间和关断时间tq 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的断态到通态转换的外加电压最大上升率外加电压最大上升率。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通

17、管误导通 。通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大最大通态电流上升率通态电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。损坏。14/892.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件快速晶闸管（快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST）有有快速晶闸管快速晶闸管和和高频晶闸管高频晶闸管。快速晶闸管的快速晶闸管的开关时间开关时间以及以及du/dt和和di/dt的耐量都有了的耐量都有了明显改善。明显改善。从从关断时间关断时间来

18、看，普通晶闸管一般为来看，普通晶闸管一般为数百数百微秒，快速微秒，快速晶闸管为晶闸管为数十数十微秒，而高频晶闸管则为微秒，而高频晶闸管则为10 s左右。左右。高频晶闸管的不足在于其高频晶闸管的不足在于其电压电压和和电流电流定额都不易做高。定额都不易做高。由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的通态平均电流时不能忽略其通态平均电流时不能忽略其开关损耗开关损耗的发热效应。的发热效应。15/892.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidir

19、ectional triode thyristor）可以认为是一对可以认为是一对反并联联反并联联 接接的普通晶闸管的集成的普通晶闸管的集成。门极使器件在主电极的正门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第反两方向均可触发导通，在第和第和第III象限有象限有对称的伏安特对称的伏安特性性。双向晶闸管通常用在交流双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用电路中，因此不用平均值而用有效值有效值来表示其额定电流值。来表示其额定电流值。图图2-11 双向晶闸管的电气图形双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性符号和伏安特性a)电气图形符号电气图形符号 b)伏安特性伏安特性 16/892.3.4 晶闸

20、管的派生器件晶闸管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）是将是将晶闸管反并联一个晶闸管反并联一个二极管二极管制作在同一管芯上制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有的功率集成器件，不具有承受承受反向电压反向电压的能力，一的能力，一旦承受反向电压即开通。旦承受反向电压即开通。具有正向压降小、关断具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电不需要阻断反向电压的电路中。路中。图图2-12 逆导晶闸管的电气图形符号逆导晶闸管的电气图

21、形符号和伏安特性和伏安特性 a)电气图形符号电气图形符号 b)伏安特性伏安特性 17/892.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件AGKa)AK光强度强弱b)OUIA光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）是利用一定波长的是利用一定波长的光光照信号照信号触发导通的晶闸管。触发导通的晶闸管。由于采用光触发保证由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间了主电路与控制电路之间的的绝缘绝缘，而且可以避免电，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在晶闸管目前在高压大功率高压大功率的场合的场合。图图2-13 光控晶闸管的电气图形符光

22、控晶闸管的电气图形符 号和伏安特性号和伏安特性 a)电气图形符号电气图形符号 b)伏安特性伏安特性 18/892.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 2.4.2 电力晶体管电力晶体管 2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管19/892.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。20世纪世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。崭新时代。典型代表典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、门

23、极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。电力电力MOSFETIGBT单管及模块单管及模块20/892.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管晶闸管的一种派生器件，但晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于电流使其关断，因而属于全控全控型器件型器件。GTO的结构和工作原理的结构和工作原理 GTO的结构的结构 是是PNPN四层半导体结四层半导体结 构构。是一种多元的功率集成是一种多元的功率集成 器件，虽然外部同样引出个器件，虽然外部同样引出个 极，但内部则包含数十个甚极，但内部则

24、包含数十个甚 至数百个共阳极的至数百个共阳极的小小GTO 元元，这些，这些GTO元的元的阴极阴极和和门门 极极则在器件内部则在器件内部并联并联在一起。在一起。图图2-14 GTO的内部结构和电气图形符号的内部结构和电气图形符号a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b)并联单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图 c)电气图形符号电气图形符号 21/892.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 图图2-8 晶闸管的双晶体管模型晶闸管的双晶体管模型 及其工作原理及其工作原理 a)双晶体管模型双晶体管模型 b)工作原理工作原理GTO的工作原理的工作原理 仍然可以用

25、如图仍然可以用如图2-8所示的所示的双晶体双晶体管模型管模型来分析，来分析，V1、V2的共基极电流的共基极电流增益分别是增益分别是 1、2。1+2=1是器件是器件临界导通的条件，大于临界导通的条件，大于1导通，小于导通，小于1则关断。则关断。GTO与普通晶闸管的不同与普通晶闸管的不同 设计设计 2较大，使晶体管较大，使晶体管V2控制控制 灵灵敏，易于敏，易于GTO关断。关断。导通时导通时 1+2更接近更接近1，导通时接，导通时接近近临界饱和临界饱和，有利门极控制关断，但，有利门极控制关断，但导通时管导通时管压降压降增大。增大。多元集成结构，使得多元集成结构，使得P2基区基区横向横向电阻很小，能

26、从门极抽出较大电流。电阻很小，能从门极抽出较大电流。22/892.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时只不过导通时饱和程度饱和程度较浅。较浅。而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，当两个晶体管发射极电流出电流，当两个晶体管发射极电流IA和和IK的的减小使减小使 1+21时，器件退出时，器件退出饱和饱和而关断。而关断。GTO的的多元集成结构多元集成结构使得其比普通晶闸管使得其比普通晶闸管开通过程开通过程更快，承受更快，承受di/dt的能力增强。的能力增强。23/892.

27、4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO的动态特性的动态特性 开通过程与普通晶闸管开通过程与普通晶闸管类似。类似。关断过程关断过程 储存时间储存时间ts 下降时间下降时间tf 尾部时间尾部时间tt 通常通常tf比比ts小得多，而小得多，而tt比比ts要长。要长。门极负脉冲电流门极负脉冲电流幅值幅值越大，越大，前沿前沿越陡，越陡，ts就越就越短。使门极负脉冲的短。使门极负脉冲的后沿后沿缓慢衰减，在缓慢衰减，在tt阶段仍能阶段仍能保持适当的保持适当的负电压负电压，则可，则可以缩短以缩短尾部时间尾部时间。图图2-15 GTO的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形 Ot0tiGiAIA

28、90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取饱和导通时抽取饱和导通时储存的大量载流储存的大量载流子的时间子的时间等效晶体管从饱等效晶体管从饱和区退至放大区，和区退至放大区，阳极电流逐渐减阳极电流逐渐减小时间小时间 残存载残存载流子复流子复合所需合所需时间时间 24/892.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO的主要参数的主要参数 GTO的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO 用来标称用来标称GTO额定电流额定电流。电流关断增益电流关断增益 off 最大可关断阳极电

29、流最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值与门极负脉冲电流最大值IGM之比。之比。off一般很小，只有一般很小，只有5左右，这是左右，这是GTO的一个主要缺点。的一个主要缺点。开通时间开通时间ton 延迟延迟时间与时间与上升上升时间之和。时间之和。延迟时间一般约延迟时间一般约12 s，上升时间则随，上升时间则随通态阳极电流值通态阳极电流值的增大而的增大而 增大。增大。关断时间关断时间toff 一般指一般指储存储存时间和时间和下降下降时间之和，而不包括时间之和，而不包括尾部尾部时间。时间。储存时间随储存时间随阳极电流阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于的增大而增大，下降时间一般小于2

30、s。不少不少GTO都制造成都制造成逆导型逆导型，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电压时，应和压时，应和电力二极管电力二极管串联使用。串联使用。25/892.4.2 电力晶体管电力晶体管电力晶体管（电力晶体管（Giant TransistorGTR）按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的大电流的双极结型晶体管（双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT）GTR的结构和工作原理的结构和工作原理 与普通的双极结型晶体管基本原理是一与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。样的。最主要

31、的特性是最主要的特性是耐压高耐压高、电流大电流大、开关开关特性好。特性好。26/89 GTR的结构的结构 采用至少由两个晶体管按采用至少由两个晶体管按达林顿接法达林顿接法组成的单元结构，并采用集组成的单元结构，并采用集成电路工艺将许多这种单元成电路工艺将许多这种单元并联并联而成。而成。GTR是由是由三层半导体三层半导体（分别引出集电极、基极和发射极）形成（分别引出集电极、基极和发射极）形成的两个的两个PN结（集电结和发射结）构成，多采用结（集电结和发射结）构成，多采用NPN结构。结构。2.4.2 电力晶体管电力晶体管图图2-16 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动的结构、电气图形符号

32、和内部载流子的流动a)内部结构断面示意图内部结构断面示意图 b)电气图形符号电气图形符号 c)内部载流子的流动内部载流子的流动+表示高表示高掺杂浓掺杂浓度，度，-表表示低掺示低掺杂浓度杂浓度 27/892.4.2 电力晶体管电力晶体管空穴流电子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib图图2-16 c)内部载流子的流动内部载流子的流动 在应用中，在应用中，GTR一般采用共发射极接一般采用共发射极接法。集电极电流法。集电极电流ic与基极电流与基极电流ib之比为之比为 称为称为GTR的的电流放大系数电流放大系数，它反映，它反映了基极电流对集电极电流的控制能力。了基极电流对集电极电流的控制能

33、力。当考虑到集电极和发射极间的漏电流当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，时，ic和和ib的关系为的关系为 单管单管GTR的的 值比处理信息用的小功值比处理信息用的小功率晶体管小得多，通常为率晶体管小得多，通常为10左右，采用左右，采用达林顿接法达林顿接法可以有效地增大电流增益。可以有效地增大电流增益。(2-9)(2-10)28/892.4.2 电力晶体管电力晶体管GTR的基本特性的基本特性 静态特性静态特性 在在共发射极共发射极接法时的典接法时的典 型输出特性分为型输出特性分为截止区截止区、放放 大区大区和和饱和区饱和区三个区域。三个区域。在电力电子电路中，在电力电子电路中，GTR工作

34、在工作在开关状态开关状态，即工，即工 作在作在截止区截止区或或饱和区饱和区。在开关过程中，即在截在开关过程中，即在截 止区和饱和区之间过渡时，止区和饱和区之间过渡时，一般要经过一般要经过放大区放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib220V将导致绝缘层将导致绝缘层击穿。击穿。极间电容极间电容 CGS、CGD和和CDS。漏源间的漏源间的耐压耐压、漏极最大允许、漏极最大允许电流电流和最大和最大耗散功率耗散功率决决定了电力定了电力MOSFET的安全工作区。的安全工作区。46/892.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管GTR和和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有是双极型电流

35、驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。动电路简单。绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolar TransistorIGBT或或IGT）综合了综合了GTR和和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。的优点，因而具有良好的特性。47/892.4

36、.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理 IGBT的结构的结构 是三端器件，具有是三端器件，具有栅极栅极G、集电极集电极C和和发射极发射极E。由由N沟道沟道VDMOSFET与与双双 极型晶体管极型晶体管组合而成的组合而成的IGBT，比比VDMOSFET多一层多一层P+注入注入 区，实现对漂移区电导率进行调区，实现对漂移区电导率进行调 制，使得制，使得IGBT具有很强的具有很强的通流通流 能力。能力。简化等效电路表明，简化等效电路表明，IGBT 是用是用GTR与与MOSFET组成的组成的达达 林顿林顿结构，相当于一个由结构，相当于一个由 MOSFET驱动的厚

37、基区驱动的厚基区PNP晶晶 体管。体管。图图2-23 IGBT的结构、的结构、简化等效电路和电气图简化等效电路和电气图形符号形符号a)内部结构断内部结构断面示意图面示意图 b)简化等效简化等效电路电路 c)电气图形符号电气图形符号RN为晶体为晶体管基区内的管基区内的调制电阻。调制电阻。48/892.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的工作原理的工作原理 IGBT的驱动原理与电力的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种基本相同，是一种场场控控器件。器件。其开通和关断是由栅极和发射极间的电压其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的。决定的。当当UGE为正且大于开启电压为正

38、且大于开启电压UGE(th)时，时，MOSFET内形成内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。导通。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得得IGBT关断。关断。电导调制效应电导调制效应使得电阻使得电阻RN减小，这样高耐压的减小，这样高耐压的IGBT也也具有很小的具有很小的通态压降通态压降。49/892.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的基本特性的基本特性 静态特性静态特性 转移特性转移特性 描

39、述的是集电极电流描述的是集电极电流 IC与栅射电压与栅射电压UGE之间的之间的 关系。关系。开启电压开启电压UGE(th)是是 IGBT能实现电导调制而能实现电导调制而 导通的最低栅射电压，随导通的最低栅射电压，随 温度温度升高而略有下降。升高而略有下降。（a）图图2-24 IGBT的转的转移特性和输出特性移特性和输出特性 a)转移特性转移特性 50/892.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管输出特性（伏安特性）输出特性（伏安特性）描述的是以栅射电压描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电为参考变量时，集电极电流流IC与集射极间电压与集射极间电压UCE之间的关系。之间的关系。分为三个区域

40、：分为三个区域：正向正向阻断区阻断区、有源区有源区和和饱和区饱和区。当当UCE0时，时，IGBT为为反向阻断工作状态。反向阻断工作状态。在电力电子电路中，在电力电子电路中，IGBT工作在工作在开关状态开关状态，因而是在因而是在正向阻断区正向阻断区和和饱饱和区和区之间来回转换。之间来回转换。(b)图图2-24 IGBT的转的转移特性和输出特性移特性和输出特性 b)输出特性输出特性 51/892.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管动态特性动态特性 开通过程开通过程 开通延迟时间开通延迟时间td(on)电流上升时间电流上升时间tr 电压下降时间电压下降时间tfv 开通时间开通时间ton=td(

41、on)+tr+tfv tfv分为分为tfv1和和tfv2两段。两段。关断过程关断过程 关断延迟时间关断延迟时间td(off)电压上升时间电压上升时间trv 电流下降时间电流下降时间tfi 关断时间关断时间toff=td(off)+trv+tfi tfi分为分为tfi1和和tfi2两段两段 引入了少子储存现象，因而引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度要低于电力的开关速度要低于电力MOSFET。图图2-25 IGBT的开关过程的开关过程52/892.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的主要参数的主要参数 前面提到的各参数。前面提到的各参数。最大集射极间电压最大集射极间电压UCE

42、S 由器件内部的由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电晶体管所能承受的击穿电压所确定的。压所确定的。最大集电极电流最大集电极电流 包括额定直流电流包括额定直流电流IC和和1ms脉宽最大电流脉宽最大电流ICP。最大集电极功耗最大集电极功耗PCM 在正常工作温度下允许的最大耗散功率。在正常工作温度下允许的最大耗散功率。53/892.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的特性和参数特点可以总结如下：的特性和参数特点可以总结如下：开关速度开关速度高，高，开关损耗开关损耗小。小。在相同电压和电流定额的情况下，在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的的安安全工作区全工作区比比GTR大，而且具

43、有耐脉冲电流冲击的大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。能力。通态压降通态压降比比VDMOSFET低，特别是在电流较低，特别是在电流较大的区域。大的区域。输入阻抗输入阻抗高，其输入特性与电力高，其输入特性与电力MOSFET类类似。似。与电力与电力MOSFET和和GTR相比，相比，IGBT的的耐压耐压和和通流能力通流能力还可以进一步提高，同时保持还可以进一步提高，同时保持开关频率开关频率高高的特点。的特点。54/892.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的擎住效应和安全工作区的擎住效应和安全工作区 IGBT的擎住效应的擎住效应 在在IGBT内部寄生着一个内部寄生着一个N-PN+晶体管和

44、作为主开晶体管和作为主开关器件的关器件的P+N-P晶体管组成的寄生晶闸管。其中晶体管组成的寄生晶闸管。其中NPN晶体晶体管的基极与发射极之间存在管的基极与发射极之间存在体区短路电阻体区短路电阻，P形体区的横形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加一结施加一个个正向偏压正向偏压，一旦，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控，这种现象称为控制作用，电流失控，这种现象称为擎住效应擎住效应或或自锁效应自锁效应。引发擎住效应的原因，可能是引发擎住效应的原因，可能是集电极电流集电极电流过大（静过

45、大（静态擎住效应），态擎住效应），dUCE/dt过大（动态擎住效应），或过大（动态擎住效应），或温度温度升高。升高。动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流还要小，因此所允许的最大集电极电流实际上是根据还要小，因此所允许的最大集电极电流实际上是根据动态动态擎住效应擎住效应而确定的。而确定的。55/892.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 IGBT的安全工作区的安全工作区 正向偏置正向偏置安全工作区（安全工作区（Forward Biased Safe Operating AreaFBSOA）根据最大集电极电流、最大集射极间电压和根据最大集电

46、极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。最大集电极功耗确定。反向偏置反向偏置安全工作区（安全工作区（Reverse Biased Safe Operating AreaRBSOA）根据最大集电极电流、最大集射极间电压和根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率最大允许电压上升率dUCE/dt。56/892.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 2.5.1 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCT 2.5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SIT 2.5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITH 2.5.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT 2.5.5 基于宽禁带半

47、导体材料的电力基于宽禁带半导体材料的电力 电子器件电子器件57/892.5.1 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT（MOS Controlled Thyristor）是将）是将MOSFET与与晶闸管晶闸管组合而成的复合型器件。组合而成的复合型器件。结合了结合了MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程和晶闸管的高电压大电流、低导通快速的开关过程和晶闸管的高电压大电流、低导通压降的特点。压降的特点。由数以万计的由数以万计的MCT元元组成，每个元的组成为：组成，每个元的组成为：一个一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOS

48、FET，和一个控制该晶闸管关断的，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。58/892.5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SIT是一种是一种结型场效应晶体管结型场效应晶体管。是一种是一种多子导电多子导电的器件，其的器件，其工作频率工作频率与电力与电力MOSFET相相当，甚至超过电力当，甚至超过电力MOSFET，而，而功率容量功率容量也比电力也比电力MOSFET大，因而适用于大，因而适用于高频大功率高频大功率场合。场合。栅极不加任何信

49、号时是导通的，栅极加负偏压时关断，栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，这被称为这被称为正常导通型器件正常导通型器件，使用不太方便，此外，使用不太方便，此外SIT通态电通态电阻阻较大，使得较大，使得通态损耗通态损耗也大，因而也大，因而SIT还未在大多数电力电还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。子设备中得到广泛应用。59/892.5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITH可以看作是可以看作是SIT与与GTO复合而成。复合而成。又被称为又被称为场控晶闸管（场控晶闸管（Field Controlled ThyristorFCT），），本质上是两种载流子导电本质上是两种载流子导电的的双

50、极型双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。通流能力强。其很多特性与其很多特性与GTO类似，但类似，但开关速度开关速度比比GTO高高得多，是得多，是大容量大容量的快速器件。的快速器件。一般也是正常导通型，但也有一般也是正常导通型，但也有正常关断型正常关断型，电，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。60/892.5.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT是将一个平板型的是将一个平板型的GTO与由很多个并联的电力与由很多个并联的电力MOSFET器件和其它辅助元件组成的器件和其它辅助元件组成

51、的GTO门极驱门极驱动电路采用精心设计的互联结构和封装工艺集成在动电路采用精心设计的互联结构和封装工艺集成在一起。一起。容量容量与普通与普通GTO相当，但相当，但开关速度开关速度比普通的比普通的GTO快快10倍，而且可以简化普通倍，而且可以简化普通GTO应用时庞大应用时庞大而复杂的而复杂的缓冲电路缓冲电路，只不过其所需的，只不过其所需的驱动功率驱动功率仍然仍然很大。很大。目前正在与目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争。等新型器件激烈竞争。61/892.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件基于宽禁带半导体材料的电力电子器件硅的禁带宽度为硅的禁带宽度为1.12电子伏特（电子伏特（eV），而宽

52、禁带半导体，而宽禁带半导体材料是指禁带宽度在材料是指禁带宽度在3.0电子伏特电子伏特左右及以上的半导体材左右及以上的半导体材料，典型的是碳化硅（料，典型的是碳化硅（SiC）、氮化镓（）、氮化镓（GaN）、金刚石等）、金刚石等材料。材料。基于宽禁带半导体材料（如碳化硅）的电力电子器件将基于宽禁带半导体材料（如碳化硅）的电力电子器件将具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和射线辐射的能力，许多方面的性能都是成数量级的提高。射线辐射的能力，许

53、多方面的性能都是成数量级的提高。宽禁带半导体器件的发展一直受制于材料的提炼和制造宽禁带半导体器件的发展一直受制于材料的提炼和制造以及随后的半导体制造工艺的困难。以及随后的半导体制造工艺的困难。62/892.6 功率集成电路与集成电力电子模块功率集成电路与集成电力电子模块基本概念基本概念 20世纪世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为个器件封装在一个模块中，称为功率模块功率模块。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从

54、而简化对保护和缓冲电路的要求。从而简化对保护和缓冲电路的要求。将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率功率集成电路（集成电路（Power Integrated CircuitPIC）。63/892.6 功率集成电路与集成电力电子模块功率集成电路与集成电力电子模块实际应用电路实际应用电路 高压集成电路（高压集成电路（High Voltage ICHVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片 集成。集成。智能功率集成电路（

55、智能功率集成电路（Smart Power ICSPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片 集成。集成。智能功率模块（智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPM）专指专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片 集成，也称智能集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。）。64/892.6 功率集成电路与集成电力电子模块功率集成电路与集成电力电子模块发展现状发展现状 功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的间的绝缘绝

56、缘问题以及问题以及温升温升和和散热散热的处理。的处理。以前功率集成电路的开发和研究主要在以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功中小功率率应用场合。应用场合。智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点点,最近几年获得了迅速发展。最近几年获得了迅速发展。功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。机电一体化的理想接口。65/89本章小结本章小结将各种主要电力电子器件的基本结构、工作原理、基本将各种主要电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性和主要参数等问题作了全面的介绍。特性和主要参数等问题作了全

57、面的介绍。电力电子器件归类电力电子器件归类 按照器件内部按照器件内部电子电子和和空穴空穴两种载流子参与导电的情况两种载流子参与导电的情况 单极型单极型：肖特基二极管、：肖特基二极管、电力电力MOSFET和和SIT等。等。双极型双极型：基于：基于PN结的电结的电 力二极管、晶闸管、力二极管、晶闸管、GTO和和 GTR等。等。复合型复合型：IGBT、SITH 和和MCT等。等。图图2-26 电力电子器件分类电力电子器件分类“树树”66/89本章小结本章小结按驱动类型按驱动类型 电压电压驱动型器件驱动型器件 单极型器件和复合型器件。单极型器件和复合型器件。共同特点是：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动

58、电路简单，工共同特点是：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。作频率高。电流电流驱动型器件驱动型器件 双极型器件。双极型器件。共同特点是：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，共同特点是：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大，驱动电路也比较复杂。但工作频率较低，所需驱动功率大，驱动电路也比较复杂。按控制信号的波形按控制信号的波形 电平电平控制型器件控制型器件 电压驱动型器件和部分电流驱动型器件（如电压驱动型器件和部分电流驱动型器件（如GTR）脉冲脉冲触发型器件触发型器件 部分电流驱动型器件（如晶闸管和部分电流驱动型器件（如晶闸管和

59、GTO）67/89本章小结本章小结电力电子器件的现状和发展趋势电力电子器件的现状和发展趋势 20世纪世纪90年代中期以来，逐渐形成了年代中期以来，逐渐形成了小功率小功率（10kW以下）以下）场合以场合以电力电力MOSFET为主，为主，中、大中、大功率功率场合以场合以IGBT为主的压倒性局面，在为主的压倒性局面，在10MVA以以上或者数千伏以上上或者数千伏以上的应用场合，如果不需要自关的应用场合，如果不需要自关断能力，那么断能力，那么晶闸管晶闸管仍然是目前的首选器件仍然是目前的首选器件。电力电力MOSFET和和IGBT中的技术创新仍然在继中的技术创新仍然在继续，续，IGBT还在不断夺取传统上属于晶闸管的应用还在不断夺取传统上属于晶闸管的应用领域领域。宽禁带半导体材料由于其各方面性能都优于宽禁带半导体材料由于其各方面性能都优于硅材料，因而是很有前景的电力半导体材料硅材料，因而是很有前景的电力半导体材料。