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1、第第2章章 电力电子器件电力电子器件Chapter 2:Power Electronic Devices/Power Semiconductor Devices12/13/202212/13/20221第第2章章 电力电子器件电力电子器件2.1 电力力电子器件概述子器件概述2.2 不可控器件不可控器件电力二极管力二极管2.3 半控型器件半控型器件晶晶闸管管2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.5 其他新型其他新型电力力电子器件子器件2.6 功率集成功率集成电路与集成路与集成电力力电子模子模块 本章小本章小结12/13/202212/13/202222.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件
2、概述 2.1.1 电力力电子器件的概念和特征子器件的概念和特征2.1.2 应用用电力力电子器件的系子器件的系统组成成2.1.3 电力力电子器件的分子器件的分类2.1.4 本章内容和学本章内容和学习要点要点12/13/202212/13/202232.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念电力电子器件的概念 电力电子器件电力电子器件：可直接用于处理电能的主主电路电路中，实现电能的变换或控制的电子器件电子器件。主电路(Main Power Circuit)：在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。电力电子器件可分为电真空器件电真空器件和半导体
3、器件半导体器件两类，目前往往专指电力半导电力半导体器件体器件。12/13/202212/13/202242.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征电力电子器件的特征电力电子器件的特征 所能处理电功率电功率的大小，也就是其承受电压和电流承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于远大于处理信息的电子器件。为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关开关状态状态。由信息电子电路来控制,而且需要驱动电路驱动电路。自身的功率损耗功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器散热器。12/13/202212/13/202252.1.1 电力电子器件的概念和特
4、征电力电子器件的概念和特征n电力电子器件的功率损耗电力电子器件的功率损耗12/13/202212/13/20226通态损耗VonIo断态损耗VoffIleak开关损耗开通损耗Won关断损耗Woff损耗2.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成12/13/202212/13/20227电力电子器件在实际应用中，一般是由电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱控制电路、驱动电路动电路和以电力电子器件为核心的和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成一个系组成一个系统。统。电气隔离图图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成电力电子器件在实际应用中的系统组成2.1.3 电
5、力电子器件的分类电力电子器件的分类按照能够被控制电路信号所控制的程度按照能够被控制电路信号所控制的程度 12/13/202212/13/20228晶闸管（晶闸管（Thyristor,Silicon Controlled Rectifier,SCR）及其大部分派生器件及其大部分派生器件半控型器件半控型器件器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。全控型器件全控型器件绝缘栅双极性晶体管绝缘栅双极性晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor,IGBT）电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（Power MOSFET）通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关
6、断。不能用控制信号来控制其通断。不可控器件不可控器件 电力二极管（电力二极管（Power Diode）2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类12/13/202212/13/20229按照驱动信号的性质按照驱动信号的性质电流驱动型电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出电流电流来实现导通或者关断的控制。电压驱动型电压驱动型仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压电压信号就可实现导通或者关断的控制。SCR,GTO,GTR电力电力MOSFET,IGBT,IGCT,IEGT,MCT按照驱动信号的波形按照驱动信号的波形脉冲触发型脉冲触发型通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲脉冲信号来实现器件的开通
7、或者关断的控制。电平控制型电平控制型 必须通过持续持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号使器件开通并维持维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。SCRGTO,GTR,电力电力MOSFET,IGBT 等等2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类12/13/202212/13/202210按照载流子参与导电的情况按照载流子参与导电的情况单极型器件单极型器件 多子(Majority)器件，由一种载流子(carrier)参与导电。双极型器件双极型器件少子(Minority)器件，由电子和空穴两种载流子参与导电。电力电力MOSFET,Schottky 二极管二极管SCR,GTO,G
8、TR复合型器件复合型器件 单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。IGBT,MCT2.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点本章内容本章内容 按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主要参数主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。以及选择和使用中应注意的一些问题。学习要点学习要点 最重要的是掌握其最重要的是掌握其基本特性基本特性。了解了解电力电子器件的电力电子器件的型号命名法型号命名法，掌握其，掌握其
9、参数参数和和特性曲特性曲线线的使用方法。的使用方法。了解电力电子器件的了解电力电子器件的半导体物理结构半导体物理结构和和基本工作原理基本工作原理。了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。12/13/202212/13/2022112.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管12/13/202212/13/202212电力二极管（电力二极管（Power Diode）自20世纪50年代初期就获得应用，其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。Semiconductor Rectifier,SR 取代汞弧整流器汞弧整
10、流器在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管快恢复二极管和肖特肖特基二极管基二极管，具有不可替代的地位。续流，钳位续流，钳位2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管2.2.1 PN结与与电力二极管的工作原理力二极管的工作原理2.2.2 电力二极管的基本特性力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数力二极管的主要参数2.2.4 电力二极管的主要力二极管的主要类型型12/13/202212/13/2022132.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理基本结构基本结构和工作原理工作原理与信息电子电路中的二极管一
11、样。电力二极管是以半导体半导体PN结结为基础基础的，实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，可以有螺栓型、螺栓型、平板型平板型等多种封装。12/13/202212/13/202214AKAKa)IKAPNJb)c)AK图图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a)外形外形 b)基本结构基本结构 c)电气图形符号电气图形符号2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理pPN结结12/13/202212/13/202215图图2-32-3PNPN结的形成结的形成二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性单向导
12、电性这一主要特征。2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理p二极管的基本原理二极管的基本原理PN结的结的单向导电性单向导电性12/13/202212/13/202216 状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持约1V反向大反向大阻态低阻态高阻态PN结的反向击穿（两种形式)雪崩击穿齐纳击穿均可能导致热击穿2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理p电力二极管与信息电子中普通二极管电力二极管与信息电子中普通二极管区别区别垂直导电结构垂直导电结构提高提高二极管通流能力通流能力P-i-N结构结构提高提高二极管反反向耐压向耐压电导调制
13、效应电导调制效应降低降低二极管通态压降通态压降12/13/202212/13/202217图图2-42-4电力二极管内部结构断面示意图电力二极管内部结构断面示意图2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理pPN结的电容效应结的电容效应l称为结电容结电容CJ，又称为微分电容微分电容l按其产生机制和作用的差别分为势垒电容势垒电容CB和扩散电容扩散电容CD。势垒电容势垒电容只在外加电压变化电压变化时才起作用，外加电压频率频率越高越高，势垒电容作用越明显越明显。扩散电容扩散电容仅在正向偏置正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。正向电压较高正向电压较高时，
14、扩散电容为结电容主要成分主要成分。结电容结电容影响PN结的工作频率工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差单向导电性变差，甚至不能工作。12/13/202212/13/2022182.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性p静态特性静态特性-伏安特性伏安特性 正向电压大到一定值（门槛电门槛电压压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态导通状态。与IF对应的电力二极管两端的 电压即为其正向电压降正向电压降UF。承受反向电压时，只有少子少子引起的微小而数值恒定的反向漏反向漏电流电流。12/13/202212/13/202219图图2-5 电力二极管的伏安特性电
15、力二极管的伏安特性2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性p动态特性动态特性 定义：二极管的电压-电流特性是随时间变化。（专指反映通态和断态通态和断态之间转换过程转换过程的开关特性开关特性）因为结电容结电容的存在，必然引入的过渡过程。u 由正向偏置转换为反向偏置由正向偏置转换为反向偏置-关断关断电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲反向电压过冲。延迟时间：td=t1-t0 电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf恢复特性的软度：tf/td，或称恢复系数
16、，用Sr表示。12/13/202212/13/202220 图图2-6 电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置正向偏置转换为反向偏置 b)零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性p由零偏置转换为正向偏置由零偏置转换为正向偏置-开通开通先出现一个先出现一个过冲过冲UFP，经过一段时间才趋，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如于接近稳态压降的某个值（如2V）。）。u正向恢复时间正向恢复时间tfr u出现电压过冲的原因：电导调制效应电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管
17、压降较大管压降较大；正向电流的上升会因器件自身的电电感感而产生较大压降。电流上升率电流上升率越大，UFP越高。12/13/202212/13/202221图图2-6 电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形 b)零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1）正向平均电流）正向平均电流IF(AV)指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度指定的管壳温度（简称壳温，用用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频工频(50Hz)正弦半波电流正弦半波电流的平均值。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等有效值相等的原则来
18、选取电流定额，并应留有一定的裕量。换算关系：正弦半波电流正弦半波电流的有效值IFrms和平均值IF(AV)之比：12/13/202212/13/2022222.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数12/13/202212/13/202223l换算关系推导换算关系推导 正弦半波电流的有效值正弦半波电流的有效值:正弦半波电流的平均值：正弦半波电流的平均值：IFrms和平均值和平均值IF(AV)之比之比：2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2）正向压降正向压降UFu指电力二极管在指定温度指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流稳态正向电流时对应的正向压降。3）反向重复峰值电
19、压）反向重复峰值电压URRM u指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。u使用时，应当留有两倍两倍的裕量。4）最高工作结温）最高工作结温TJMu结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度最高平均温度。uTJM通常在125175C范围之内。5）反向恢复时间）反向恢复时间trr：trr=td+tf6）浪涌电流）浪涌电流IFSMu指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流工频周期的过电流。12/13/202212/13/2022242.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型n按照正向压降、反向耐压、反向漏电流
20、正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向反向恢复特性恢复特性的不同，介绍几种常用的电力二极管。普通二极管（普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（整流二极管（Rectifier Diode），多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。其反向恢复时间反向恢复时间较长，一般在5s以上。其正向电流定额正向电流定额和反向电压定额反向电压定额可以达到很高。12/13/202212/13/2022252.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型快恢复二极管（快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）恢复过程很短，特别是反向恢复过程反向
21、恢复过程很短（一般在5s以下）。快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），采用外延型外延型P-i-N结构，其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右）。从性能上可分为快速恢复快速恢复和超快速恢复超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。12/13/202212/13/2022262.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型肖特基二极管（肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD）属于多子多子器件优点在于：反向恢复时间反向恢复时间很
22、短（1040ns），正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降正向压降也很小，明显低于快恢复二极管低于快恢复二极管；因此，其开关损耗开关损耗和正向导通损耗正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高效率高。弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时，其正向压降正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场合；反向漏电流反向漏电流较大较大且对温温度度敏感，因此反向稳态损耗反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。12/13/202212/13/2022272.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型12/13/202212/13/202
23、228类型类型普通二极普通二极管管快恢复二极管快恢复二极管超快恢复二极管超快恢复二极管肖特基二极管肖特基二极管原理PiN结PiN结、掺金、外延PiN结、掺金、外延金属与半导体接触反向耐压高较高较高低正向压降高较高较低低正向电流大大较大小反向恢复时间5uS5uSIG1 IG 2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性12/13/202212/13/2022372）反向特性）反向特性其伏安特性类似二极管二极管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流反向漏电流通过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿反向击穿电压电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。
24、图图2-9 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性12/13/202212/13/202238p动态特性动态特性 1）开通过程）开通过程由于晶闸管内部的正反馈过程正反馈过程需要时间，再加上外电路电感外电路电感的限制，晶闸管受到触发后，其阳极电流的增长不可能是瞬时瞬时的。u延迟时间td(0.51.5s)u上升时间tr (0.53s)u开通时间tgt=td+tr延迟时间延迟时间随门极电流门极电流的增大增大而减小减小，上升时间除反映晶闸管本身特性外，还受到外电路电感外电路电感的严重影响。提高阳极电压阳极电压，延迟时间和上升时间都可显著缩短显著缩短
25、。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%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性12/13/202212/13/2022392）关断过程）关断过程 由于外电路电感外电路电感的存在，原处于导导通状态通状态的晶闸管当外加电压外加电压突然由正向正向变为反向反向时，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。u反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间-trru正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间-tgru关断时间关断时间-tq=trr+tgru关断时间关断时间-约几百微秒。在正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间内内，如
26、果重新对晶闸管施加正向电压正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。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%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数p电压定额电压定额1）断态重复峰值电压）断态重复峰值电压UDRM是在门极断路门极断路而结温为额定值结温为额定值时，允许重复重复加在器件上的正向峰值电压正向峰值电压（见图2-9）。国标规定断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值电压断态不重复峰值电压（即断态最大瞬时
27、断态最大瞬时电压）电压）UDSM的90%。断态不重复峰值电压应低于应低于正向转折电压Ubo。2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压URRM 是在门极断路门极断路而结温为额定值结温为额定值时，允许重复重复加在器件上的反向峰值电压反向峰值电压（见图2-8）。规定反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压（即反向最大瞬态电压）反向不重复峰值电压（即反向最大瞬态电压）URSM的90%。反向不重复峰值电压应低于应低于反向击穿电压反向击穿电压。12/13/202212/13/2022402.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数3）通态（峰值）电压）通态（峰值）电压UTM晶闸管通以某一
28、规定倍数的额定通态平均电流倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压瞬态峰值电压。l通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压额定电压。l选用时，一般取额定电压额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍倍。p电流定额电流定额1）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40 C和规定的冷却状态冷却状态下，稳定结温不超过不超过额定结温时所允许流过允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。同电力二极管的正向平均电流一样，这个参数也是按正向电流造成的器件本身的通态损耗通态损耗的发热效应发热效应来定义的。使用时，一般取其通态平均电流通态平均电流为
29、按发热效应相等（即有效值相等）发热效应相等（即有效值相等）的原则所得计算结果的1.52倍。12/13/202212/13/2022412.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2）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必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。结温越高，则IH越小。3）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断态转入通态并移除触发信号后移除触发信号后，能维持导通所需需的最小电流。约为IH的24倍 4）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超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。12/13/202212/13/202242
30、2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数p动态参数动态参数 u开通时间开通时间=tgtu关断时间关断时间=tq；u断态电压临界上升率断态电压临界上升率=du/dt在额定结温额定结温和门极开路门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压外加电压最大上升率最大上升率。电压上升率过大过大，使充电电流足够大充电电流足够大，就会使晶闸管误导通晶闸管误导通 。u通态电流临界上升率通态电流临界上升率=di/dt在规定条件规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响无有害影响的最大通态电流上升率最大通态电流上升率。如果电流上升太快上升太快，可能造成局部过热局部过热而使晶闸管损坏晶闸管损坏。12/13/
31、202212/13/2022432.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件1）快速晶闸管（）快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST）u有快速晶闸管快速晶闸管和高频晶闸管高频晶闸管。快速晶闸管快速晶闸管的开关时间开关时间以及du/dt和di/dt的耐量都有了明显改善。从关断时间关断时间来看，普通晶闸管普通晶闸管一般为数百微秒，快速晶闸管快速晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管高频晶闸管则为10s左右。高频晶闸管高频晶闸管的不足不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的通态平均电流时不能忽略不能忽略其开关损耗开关损耗的发热效应。12/
32、13/202212/13/2022442.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件12/13/202212/13/2022452）双向晶闸管（）双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）可以认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。门极门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第和第III象限有对称的伏安特性。双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。a)b)IOUIG=0GT1T2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
33、图形符号 b)伏安特性伏安特性 2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件12/13/202212/13/2022463）逆导晶闸管（）逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）是将晶闸管晶闸管反并联一个二极管二极管制作在同一管芯上的功率集成器功率集成器件件，不具有承受反向电压反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。具有正向压降小正向压降小、关断时间短关断时间短、高温特性好高温特性好、额定结温高额定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压不需要阻断反向电压的电路中。a)KGAb)UOIIG=0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形符号和伏安
34、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 2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件12/13/202212/13/2022474）光控晶闸管（）光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）是利用一定波长的光照信号光照信号触发导通的晶闸管。由于采用光触发保证了主电主电路路与控制电路控制电路之间的绝缘绝缘，而且可以避免电磁干扰避免电磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前应用在高高压大功率压大功率的场合。AGKa)AK光强度强弱b)OUIA图图2-13 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a)电气图形符号电气图形符号
35、 b)伏安特性伏安特性2.4 典型全控型器件典型全控型器件12/13/202212/13/202248门极可关断门极可关断晶闸管晶闸管在晶闸管晶闸管问世后不久出现。20世纪世纪80年代年代以来，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、电力场效门极可关断晶闸管、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2.4 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
36、栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管12/13/202212/13/2022492.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO12/13/202212/13/202250n门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（Gate Turn Off Thyristor,GTO）晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流负的脉冲电流使其关断关断，因而属于全控型器件全控型器件。GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用pGTO的结构和工作原理的结构和工作原理 uGTO的结构的结构是PNPN四层半导体结构。图图2-14 GTO的内部结构和电气图形符号的内部结
37、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是一种多元的功率集成器件功率集成器件，虽然外部同样引出3个极，但内部则包含数十个甚至数百个共阳极数十个甚至数百个共阳极的小小GTO元元，这些GTO元的阴极阴极和门极门极则在器件内部并联并联在一起。2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO12/13/202212/13/202251 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uGTO的工作
38、原理的工作原理 仍然可以用如图2-8所示的双晶体管模型来分析，V1、V2的共基极电流增益共基极电流增益分别是1、2。1+2=1是器件临界导通的条件，大于1导通，小于1则关断。lGTO与普通晶闸管的不同与普通晶闸管的不同设计2较大，使晶体管V2控制灵敏控制灵敏，易于GTO关断关断。导通时1+2更接近1，导通导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大增大。多元集成多元集成结构，使得P2基区基区横向电阻横向电阻很很小小，能从门极抽出较大电流。2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO结论结论:导通导通：GTO的导通过程通过程与普通晶闸管普通晶闸管是一样一样的，只不过导通时饱和程
39、度饱和程度较浅。关断：关断：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IA和IK的减小使1+21时，器件退出饱和饱和而关断。多元集成结构：多元集成结构：使得GTO比普通晶闸管开通过程开通过程更快更快，承受di/dt的能力增强能力增强。12/13/202212/13/2022522.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO12/13/202212/13/202253pGTO的动态特性的动态特性u开通过程开通过程与普通晶闸管类似。u关断过程关断过程储存时间=ts下降时间=tf尾部时间=tt通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。门极负脉冲电流幅值幅值越大越大，前沿前沿越陡越陡，t
40、s就越短越短。门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍能保持适当的负电压，则可以缩短尾部时间tt。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 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取饱和导通抽取饱和导通时储存的大量时储存的大量载流子的时间载流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流残存载流子复合所子复合所需时间需时间 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTOpGTO的主要参数的主要参数GTO的许多参数许多参数都和普通晶闸管普通晶闸管相
41、应的参数意义相同意义相同。p其它参数其它参数最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO；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最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值门极负脉冲电流最大值IGM之比比。off一般很小很小，只有5左右左右，这是GTO的一个主要缺点主要缺点。12/13/202212/13/2022542.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO开通时间开通时间ton延迟时间延迟时间与上升时间上升时间之和和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流值通态阳极电流值的增大增大而增大增大。关断时间关断时间toff一般指储存
42、时间储存时间和下降时间下降时间之和和，而不包括尾部时间尾部时间。储存时间储存时间随阳极电流阳极电流的增大增大而增大增大，下降时间一般小于2s。u不少GTO都制造成逆导型逆导型，类似于类似于逆导晶闸管逆导晶闸管。当需要承受承受反向电压反向电压时，应和电力二极管电力二极管串联串联使用。12/13/202212/13/202255l电力晶体管（电力晶体管（Giant TransistorGTR）按英文直译为巨型晶体管。巨型晶体管。lGTR是一种耐高电压、大电流高电压、大电流的双极结型晶体管双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），），有时英文也称为Power B
43、JT。l20世纪80年代以来，GTR在中、小功率中、小功率范围内取代取代晶闸晶闸管管，但目前又大多被被IGBT和和电力电力MOSFET取代。取代。2.4.2 电力晶体管电力晶体管12/13/202212/13/202256pGTR的结构和工作原理的结构和工作原理 2.4.2 电力晶体管电力晶体管12/13/202212/13/202257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度，掺杂浓度，-表示低掺表示低掺杂浓度
44、杂浓度 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样基本原理是一样的。主要的特性：耐压高耐压高、电电流大流大、开关特性好开关特性好。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。单元结构。并采用集成电路工艺将许多这种单元并联单元并联而成。GTR是由三层半导体构成，多采用NPN结构。2.4.2 电力晶体管电力晶体管12/13/202212/13/202258空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+)ib图图2-16 c)内部载流子的流动内部载流子的流动 u在应用中，GTR一般采用共发射极接法。集电极电流ic与基极电流ib之比为：称为GTR的电流放大系数电流放大系数，它反映了基极电流
45、对集电极电流的控制能力。u当考虑到集电极集电极和发射极间发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为：单管GTR的 值比处理信息用的小功率小功率晶体管晶体管小得多小得多，通常为10左右，采用达林达林顿接法顿接法可以有效地增大电流增益增大电流增益。(2-9)(2-10)2.4.2 电力晶体管电力晶体管12/13/202212/13/202259pGTR的基本特性的基本特性u静态特性静态特性在共发射极共发射极接法时的典型输出特性分为截止区截止区、放大区放大区和饱和区饱和区三个区域。在电力电子电路电力电子电路中，GTR工作在开关状态开关状态，即工作在截止区截止区或饱和饱和区区。在开关过程开关过程中
46、，即在截止区截止区和饱饱和区和区之间过渡时，一般要经过放大放大区区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib220V将导致绝缘层击穿绝缘层击穿。u极间电容CGS、CGD和CDS。u漏源间的耐压耐压、漏极最大允许电流电流和最大耗散功率耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区安全工作区。12/13/202212/13/202275COOL MOS 12/13/202212/13/202276uCOOL MOS 也有叫也有叫super junction mosfet的。的。一种基于电子科技大学陈星弼院士发明专一种基于电子科技大学陈星弼院士发明专利，打破传统功率利，打破传统功率MOSFE
47、T理论极限，被国理论极限，被国际上盛誉为功率际上盛誉为功率MOSFET领域里程碑的新型领域里程碑的新型功率功率MOSFET-CoolMOS于于1998年问世并很快年问世并很快走向市场。走向市场。2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管GTR和GTO是双极型电流驱动双极型电流驱动器件，由于具有电导调制电导调制效应效应，其通流能力很强通流能力很强，但开关速度较低开关速度较低，所需驱动功率驱动功率大，驱动电路复杂大，驱动电路复杂。电力MOSFET是单极型电压驱动单极型电压驱动器件，开关速度快，输入开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单驱动功率小而且驱
48、动电路简单。绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或或IGT）综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。12/13/202212/13/202277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)内部结构断面示意图内部结构断面示意图 b)简化等效电路简化等效电路 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。2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管12/13/202212/13/202278pIGBT的结构和工作原理的结构和
49、工作原理 uIGBT的结构的结构是三端器件，具有栅极栅极G、集电极、集电极C和发射极发射极E。由N沟道沟道VDMOSFET与双极型晶体双极型晶体管管组合而成的IGBT，比VDMOSFET多一层P+注入区，实现对漂移区电漂移区电导率进行调制导率进行调制，使得IGBT具有很强很强的的通流通流能力能力。简化等效电路表明，IGBT是用GTR与MOSFET组成的达林顿达林顿结构，相当于一个由由MOSFET驱动的厚基区驱动的厚基区PNP晶体管晶体管。2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管uIGBT的工作原理的工作原理IGBT的驱动原理驱动原理与电力MOSFET基本相同基本相同，是一种场控场控器件。其
50、开通和关断是由栅极栅极和发射极间发射极间的电压电压UGE决定的。当UGE为正且大于大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为为晶体管提供基极电流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施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟沟道消失道消失，晶体管的基极电流被切断晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断关断。电导调制效应电导调制效应使得电阻RN减小，这样高耐压的高耐压的IGBT也具有很小的通通态压降态压降。12/13/202212/13/2022792.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管12/13/202212/13/202280