电力电子技术功率半导体器件分解学习教案

会计学1电力电子电力电子(dinz)技术功率半导体器件分技术功率半导体器件分解解第一页，共85页。南华大学电气工程学院(xuyun) 吴荣燕 讲师Email: 办公室：电气学院(xuyun)四楼电子教研室（413）第1页/共85页第二页，共85页。3教材教材(jioci)：第2页/共85页第三页，共85页。41、内容、内容(nirng)第一部分第一部分(b fen) (b fen) 功率半导体器件功率半导体器件第二部分第二部分(b fen) (b fen) 功率半导体器件的驱动与保护功率半导体器件的驱动与保护第三部分第三部分 交流交流-直流（直流（AC-DC）变换）变换第四部分第四部分 直流直流-直流（直流（DC-DC）变换）变换第五部分第五部分 直流直流-交流（交流（DC-AC）变换）变换第六部分第六部分 交流交流-交流（交流（AC-AC）变换）变换第七部分第七部分 PWMPWM控制技术控制技术第3页/共85页第四页，共85页。5第4页/共85页第五页，共85页。6第5页/共85页第六页，共85页。7 第6页/共85页第七页，共85页。8注意：波形注意：波形(bxn)、相位。、相位。主要主要(zhyo)技术经济指标。技术经济指标。成绩：考试（闭卷）、平时（课后作业题应掌握）。成绩：考试（闭卷）、平时（课后作业题应掌握）。第7页/共85页第八页，共85页。9第一章功率(gngl)半导体器件第8页/共85页第九页，共85页。10功率功率(gngl)半导体器件的分类半导体器件的分类: 1、按可控性分类、按可控性分类 （1）不控型器件）不控型器件 （2）半控型器件）半控型器件 （3）全控型器件）全控型器件 2、按驱动信号类型分类、按驱动信号类型分类 （1）电流驱动型）电流驱动型 （2）电压驱动型）电压驱动型 第9页/共85页第十页，共85页。11 大功率二极管的内部结构与外部构成大功率二极管的内部结构与外部构成(guchng)与晶闸管基本相同，只与晶闸管基本相同，只是少了一个可控的门极。是少了一个可控的门极。 反向恢复时间反向恢复时间(shjin) trr： 普通普通25S 快速快速 200-500nS与普通二极管相比有延迟导通、关断现象。与普通二极管相比有延迟导通、关断现象。关断时会出现瞬时反向电流和瞬时反向过电压。关断时会出现瞬时反向电流和瞬时反向过电压。第10页/共85页第十一页，共85页。12 二、大功率二极管的伏安二、大功率二极管的伏安(f n)特性特性第11页/共85页第十二页，共85页。13第12页/共85页第十三页，共85页。14五、大功率二极管的型号五、大功率二极管的型号ZP电流电流电压电压(diny)/100 通态电通态电压压(diny)等级等级 第13页/共85页第十四页，共85页。15六、输入六、输入(shr)整流管的选择整流管的选择隔离式开关电源一般(ybn)采用由整流管构成的整流桥，亦可直接选用成品整流桥完成桥式整流。近年来，以大管芯、小封装为特点的各种塑料封装硅整流管大量上市。它们的体积小、性能优良、价格低廉。典型产品有1N40011N4007（1A）、1N53911N5399（1.5A）、1N54001N5408（3A）。第14页/共85页第十五页，共85页。16由四只硅整流管接成桥路形式，再由四只硅整流管接成桥路形式，再用塑料封装而成。广泛应用于开关用塑料封装而成。广泛应用于开关电源的整流电路。硅整流桥有电源的整流电路。硅整流桥有4个引个引出端，其中交流输入端、直流输出出端，其中交流输入端、直流输出端各两个。硅整流桥的最大整流电端各两个。硅整流桥的最大整流电流平均值分流平均值分0.5A、1A、1.5A、2A、3A、4A、5A、6A、8A、10A、15A、25A、35A、40A等规格。最等规格。最高反向高反向(fnxin)工作电压有工作电压有50V、100V、200V、400V、800V、1000V等规格。等规格。美国威世（美国威世（VISHAY）半导体公司）半导体公司生产的生产的3KBP005M3KBP08M。第15页/共85页第十六页，共85页。17如何如何(rh)检测整流二极管检测整流二极管？利用数字利用数字(shz)万用表的二极管档来检测万用表的二极管档来检测二极管正向(zhn xin)压降UF为0.550.7V（硅管），或者是0.150.3V（锗管）。第16页/共85页第十七页，共85页。18整流桥的检测(jin c)和使用需要注意在市场上出售的廉价硅整流桥中，有需要注意在市场上出售的廉价硅整流桥中，有的产品在管壳上标注的交流，直流标记位置不的产品在管壳上标注的交流，直流标记位置不准，少数产品甚至发生错位准，少数产品甚至发生错位90度的现象。直接度的现象。直接接入电路中会把整流桥烧掉，甚至会把变压器接入电路中会把整流桥烧掉，甚至会把变压器都会烧掉！因此都会烧掉！因此(ync)，在用产品之前一定要，在用产品之前一定要检测！检测！第17页/共85页第十八页，共85页。19其反向其反向(fn xin)恢复时间恢复时间较长，一般在较长，一般在5s以上以上 。其正向电流定额和反向其正向电流定额和反向(fn xin)电压定额可以达到很高。电压定额可以达到很高。第18页/共85页第十九页，共85页。20第19页/共85页第二十页，共85页。21快恢复快恢复(huf)及超快恢复及超快恢复(huf)二极管的选择二极管的选择20A以下的快恢复二极管及超快恢以下的快恢复二极管及超快恢复二极管大多采用复二极管大多采用TO-220封装。封装。从内部结构看，可分成单管、对管从内部结构看，可分成单管、对管两种。对管内部包含两只快恢复二两种。对管内部包含两只快恢复二极管或超快恢复二极管，根据两只极管或超快恢复二极管，根据两只二极管接法的不同二极管接法的不同(btn)，又，又有共阴对管、共阳对管之分。几十有共阴对管、共阳对管之分。几十安的快恢复、超快恢复二极管一般安的快恢复、超快恢复二极管一般采用采用TO-3P金属壳封装，更大容量金属壳封装，更大容量（几百到几千安）的管子则采用螺（几百到几千安）的管子则采用螺栓型或平板型封装。栓型或平板型封装。第20页/共85页第二十一页，共85页。22第21页/共85页第二十二页，共85页。23第22页/共85页第二十三页，共85页。24肖特基二极管的选择肖特基二极管的选择(xunz)第23页/共85页第二十四页，共85页。251-3 晶闸管晶闸管一、晶闸管的结构一、晶闸管的结构(jigu)结构结构(jigu):分为管芯及散热器两大部分。分为管芯及散热器两大部分。方式方式(fngsh): 分为螺栓型与平板型两种。分为螺栓型与平板型两种。第24页/共85页第二十五页，共85页。26螺栓型：散热效果螺栓型：散热效果(xiogu)差，用于差，用于200以下容量的元件以下容量的元件平板型：散热效果平板型：散热效果(xiogu)好，用于好，用于200以上的元件以上的元件a）自冷 b）风冷 c）水冷第25页/共85页第二十六页，共85页。27第26页/共85页第二十七页，共85页。282、 内部物理内部物理(wl)过程：过程： 晶体管的集电极电流晶体管的集电极电流(dinli)为另一只晶体管的基极电流为另一只晶体管的基极电流(dinli)形成正反馈形成正反馈第27页/共85页第二十八页，共85页。29晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 按照按照(nzho)晶体管工作原理，可列出如下方程：晶体管工作原理，可列出如下方程：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）图图2-8 晶闸管的双晶体管模型及其工作晶闸管的双晶体管模型及其工作(gngzu)原理原理 a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) 工作工作(gngzu)原理原理 式中式中1和和2分别是晶体管分别是晶体管V1和和V2的共基极电流的共基极电流(dinli)增益；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(dinli)。第28页/共85页第二十九页，共85页。30)(121CBO2CBO1G2AIIII 由以上由以上(yshng)式（式（2-1）（2-4）可得）可得(2-5)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，迅速增大。迅速增大。在晶体管阻断状态下，在晶体管阻断状态下，IG=0，而，而1+2是很小的。由上式是很小的。由上式可看出，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）将（阳极电流）将趋近于无穷大，从而实现器件饱和导通。趋近于无穷大，从而实现器件饱和导通。由于外电路负载由于外电路负载(fzi)的限制，的限制，IA实际上会维持有限值。实际上会维持有限值。第29页/共85页第三十页，共85页。31第30页/共85页第三十一页，共85页。32第31页/共85页第三十二页，共85页。331、晶闸管的阳极、晶闸管的阳极(yngj)伏安特性伏安特性 正向阻断高阻区正向阻断高阻区 负阻区负阻区 正向导正向导(xingdo)通通低阻区低阻区 反向阻断高阻区反向阻断高阻区 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，如果在器件两端时，如果在器件两端施加正向电压，则晶闸管处于正施加正向电压，则晶闸管处于正向向阻断状态阻断状态，只有很小的正向漏电流，只有很小的正向漏电流流过。流过。 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，则漏电流急剧增大，器件流急剧增大，器件开通开通 。随着随着门极电流幅值门极电流幅值的增大的增大，正向转折电压正向转折电压降低，晶闸管本身的降低，晶闸管本身的压降很小，在压降很小，在1V左右。左右。 如果门极电流为零，并且阳极电如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值流降至接近于零的某一数值IH以下，以下，则晶闸管又回到则晶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。第32页/共85页第三十三页，共85页。34确保触发(chf)：Ig IGT, Ug UGT 加反压 40微秒以微秒以上。上。第39页/共85页第四十页，共85页。419、通态电流、通态电流(dinli)临界上升率临界上升率 di/dtdi/dt过大过大J8、断态电压、断态电压(diny)临界上升率临界上升率 du/dt第40页/共85页第四十一页，共85页。42KP500-12通态平均电压组别通态平均电压组别正反向重复峰值电压正反向重复峰值电压通态平均电流通态平均电流普通型普通型闸流特性闸流特性第41页/共85页第四十二页，共85页。43如何如何(rh)检测晶闸管？检测晶闸管？第42页/共85页第四十三页，共85页。44晶闸管的应用晶闸管的应用(yngyng)第43页/共85页第四十四页，共85页。45第44页/共85页第四十五页，共85页。46常用常用(chnyn)的晶闸管型号的晶闸管型号第45页/共85页第四十六页，共85页。47快速晶闸管（快速晶闸管（FastSwitchingThyristorFST）有快速晶闸管和高频晶闸管。有快速晶闸管和高频晶闸管。快速晶闸管的开关时间以及快速晶闸管的开关时间以及(yj)du/dt和和di/dt的耐量都有了明显改善。的耐量都有了明显改善。从关断时间来看，普通晶闸管一般为数百微秒，快速从关断时间来看，普通晶闸管一般为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管则为晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管则为10s左右。左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。高频晶闸管的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开关损耗的发热效应。通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。快速晶闸管得型号与普通晶闸管类似，只是用快速晶闸管得型号与普通晶闸管类似，只是用KK来代替来代替KP。第46页/共85页第四十七页，共85页。48a)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符号(fho)和伏安特性和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号(fho) b) 伏安特性伏安特性 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可以认为是一对反并联联 接的普通晶闸管的集成。接的普通晶闸管的集成。 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。象限有对称的伏安特性。 双向晶闸管通常双向晶闸管通常(tngchng)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。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。 型号用型号用KS表示。表示。第47页/共85页第四十八页，共85页。49b)UOIIG=0KGA逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 是将晶闸管反并联一个是将晶闸管反并联一个(y )二极管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。二极管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。 具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电路中。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电路中。 用用KN表示。表示。第48页/共85页第四十九页，共85页。50AGKa)AK光强度强弱b)OUIA光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT） 是利用一定波长的光照信号触是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。发导通的晶闸管。 由于采用光触发保证了主电路由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，而且可以与控制电路之间的绝缘，而且可以避免电磁干扰的影响避免电磁干扰的影响(yngxing)，因此光控晶闸管目前在高压大功率因此光控晶闸管目前在高压大功率的场合。利用的场合。利用8KV、 3.5KA的光控的光控晶闸管所构成得晶闸管所构成得300MVA容量的电容量的电力变换装置是目前最大的电力电子力变换装置是目前最大的电力电子装置。装置。型号用型号用KL表示。表示。图图2-13 光控晶闸管的电气光控晶闸管的电气(dinq)图形符图形符 号和伏安特性号和伏安特性 a) 电气电气(dinq)图形符号图形符号 b) 伏安伏安特性特性 第49页/共85页第五十页，共85页。51电力电力(dinl)MOSFETIGBT单管及模块单管及模块第50页/共85页第五十一页，共85页。52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 并联并联(bnglin)单元结构断面示意图单元结构断面示意图 电气图形符号电气图形符号 第51页/共85页第五十二页，共85页。53 图图2-8 晶闸管的双晶体管模型晶闸管的双晶体管模型 及其工作及其工作(gngzu)原理原理 a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) 工作工作(gngzu)原理原理在在GTO的设计制造时，图的设计制造时，图2-8b中等效中等效(dn xio)晶体管晶体管V2的共基极电流放大的共基极电流放大系数系数2较大。较大。由图可知由图可知(k zh)：222222(1)BcKcKBKIIIIIII当当GTO处于通态时，处于通态时，IG=0，IB2=IC1，如果突加一个负触发电流，如果突加一个负触发电流-Ig。则会。则会发生强烈负反馈。最终导致发生强烈负反馈。最终导致GTO阳极阳极电流减小到维持电流电流减小到维持电流IH以下，使以下，使GTO从通态转入断态。从通态转入断态。第52页/共85页第五十三页，共85页。54第53页/共85页第五十四页，共85页。55GTO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(zhyu)5左右，这是左右，这是GTO的一个主要缺点。的一个主要缺点。第54页/共85页第五十五页，共85页。561、结构、结构(jigu)：普通晶体管结构普通晶体管结构GTR结构结构符号符号特点：特点： 开关频率较高、动态性能好、承受功耗小、控制方便。开关频率较高、动态性能好、承受功耗小、控制方便。 阻断阻断(z dun)能力差、瞬态过电压及过载能力差。能力差、瞬态过电压及过载能力差。第55页/共85页第五十六页，共85页。572、工作、工作(gngzu)特性特性（1）静态）静态(jngti)特性特性空穴流电子流c)EbEcibic=bibie=(1+b )ib第56页/共85页第五十七页，共85页。58（2）动态）动态(dngti)特性特性 td：延迟时间：延迟时间(shjin)； ts：存储时间：存储时间(shjin) tr：集电极电流上升时间：集电极电流上升时间(shjin)； tf：集电极电流下降：集电极电流下降时间时间(shjin) 第57页/共85页第五十八页，共85页。59ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd图图2-18 GTR的开通和关断过程电流的开通和关断过程电流(dinli)波形波形主要主要(zhyo)是由发射结势是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充垒电容和集电结势垒电容充电产生的。电产生的。 是用来除去饱和导是用来除去饱和导通时储存在基区的通时储存在基区的载流子的，是关断载流子的，是关断时间的主要部分。时间的主要部分。 第58页/共85页第五十九页，共85页。603、主要参数、主要参数（1）电压参数）电压参数 集电极额定电压集电极额定电压 UCEM 应应 小于小于 UCEO UCEO ：基极：基极(j j)开路，集电极电流较大时，集，射极间的击穿电压开路，集电极电流较大时，集，射极间的击穿电压（2）电流参数）电流参数 连续（直流）额定电流连续（直流）额定电流 IC ：指只要保证结温不超过允许得最大结温：指只要保证结温不超过允许得最大结温和晶体管所允许连续通过的直流电流值。和晶体管所允许连续通过的直流电流值。 集电极额定电流（最大允许电流）集电极额定电流（最大允许电流）ICM ：取决于最高允许结温下引线：取决于最高允许结温下引线、硅片等得破坏电流，超过这一电流元件、硅片等得破坏电流，超过这一电流元件(yunjin)比如损坏。比如损坏。BUBUBUBUBUceocercescexcbo单个单个GTR的饱和压降一般不超过的饱和压降一般不超过(chogu)11.5V，UCES随集电极电流随集电极电流ICM的增大而增大。的增大而增大。第59页/共85页第六十页，共85页。61(1) 二次击穿二次击穿(j chun)现象现象 出现击穿出现击穿(j chun)现象（现象（AB段），称一次击穿段），称一次击穿(j chun)。cceoceiUU,1)2)点达，仍CCceiU 集电极局部过热，集电极局部过热，CD负阻效应负阻效应, 低电流低电流(dinli)，大电压，称二次击穿，元件损坏，大电压，称二次击穿，元件损坏 。4、二次击穿现象与安全工作区二次击穿现象与安全工作区 第60页/共85页第六十一页，共85页。62 (2) 安全(nqun)工作区 FBSOARBSOA第61页/共85页第六十二页，共85页。63 特点：电压控制，控制极（栅极）静态内阻特点：电压控制，控制极（栅极）静态内阻(ni z)高高 驱动功率小，开关速度高，无二次击穿，安全工作区宽驱动功率小，开关速度高，无二次击穿，安全工作区宽 栅极偏压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称栅极偏压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型。栅极偏压大于零（为耗尽型。栅极偏压大于零（N沟道）才存在导沟道）才存在导电沟道的称为增强型。电沟道的称为增强型。第62页/共85页第六十三页，共85页。64如在栅源极间加一正电压如在栅源极间加一正电压UGS，则栅极上的电压将其下得，则栅极上的电压将其下得P基区中的空穴推开，而将基区中的空穴推开，而将电子吸引到栅极下的电子吸引到栅极下的P基区的表面，当基区的表面，当UGS大于开启电压大于开启电压UGS(th)时，栅极下时，栅极下P基区表基区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成型半导体反型成N半导体，成为反型层，使半导体，成为反型层，使PN结消失结消失(xiosh)，漏极和源极间开始导电。，漏极和源极间开始导电。第63页/共85页第六十四页，共85页。65()可调电阻可调电阻(dinz)区区()饱和区饱和区()击穿区击穿区1)漏极伏安漏极伏安(f n)特性特性2、工作特性、工作特性(txng) （1）静态特性）静态特性(txng)GSDmUIg跨导（与跨导（与GTR中中相似）相似）表示栅源电压对表示栅源电压对ID的控制的控制2)转移特性转移特性第64页/共85页第六十五页，共85页。66GDGSinCCC静态静态(jngti)驱动电流小驱动电流小动态动态Cin充放电，驱动电流稍大充放电，驱动电流稍大 开通：开通：a）GSinPUCU充电，,b) DTH(iUUGSGS时，导电沟道，有）c) 不变稳定，仍充电，预夹断随DGSinGSiUCUiDondonrttt（）输入输入(shr)电容电容:(2)开关开关(kigun)特性特性 为多数载流子器件，没有存储为多数载流子器件，没有存储 效应效应，开关时间短为，开关时间短为20ns左右左右第65页/共85页第六十六页，共85页。67关断：关断：a）UP高电平高电平 ，Cin放电放电(fng din)，UGS下降，下降，iD未变未变b）td（off）时，预夹断）时，预夹断(ji dun)，iD下降下降c）Cin仍放电，仍放电，UGS仍下降，夹断仍下降，夹断(ji dun)区上升，区上升，iD下降下降UGSUGS（TH）时，导电沟道消失，时，导电沟道消失，iD0从结构上看，还含有一从结构上看，还含有一个由个由S极下的极下的P区和区和D极极下的下的N区形成的寄生二区形成的寄生二极管，该寄生二极管极管，该寄生二极管的阳极和阴极就是功的阳极和阴极就是功率率MOSFET的的S极和极和D极极，它是与，它是与MOSFET不可不可分割的整体，是分割的整体，是MOSFET无反向阻断无反向阻断能力。能力。第66页/共85页第六十七页，共85页。68RsRGRFRLiDuGSupiD+ UEup为矩形脉冲电压信号源为矩形脉冲电压信号源，Rs为信号源内阻为信号源内阻(ni z)，RG为栅极电阻，为栅极电阻，RL为漏极负载电阻，为漏极负载电阻，RF用于用于检测漏极电流。检测漏极电流。从上面分析可以看出，要提高器件从上面分析可以看出，要提高器件(qjin)开关速度，需要减小开关速度，需要减小td(on)、tr、td(off)、tf，在元件极间电容已存在的条件下，需要减小栅极驱动电源内阻，以提高电容充放电的速度，同时驱动电路还要能向栅极输入电容，在元件极间电容已存在的条件下，需要减小栅极驱动电源内阻，以提高电容充放电的速度，同时驱动电路还要能向栅极输入电容Cin提供足够的充放电功率。提供足够的充放电功率。第67页/共85页第六十八页，共85页。692)安全安全(nqun)工作区工作区 (3)主要参数与安全主要参数与安全(nqun)工作区工作区 1)主要参数主要参数（a）漏极电压）漏极电压 UDS（b） 电流定额电流定额 ID（c） 栅源电压栅源电压 UGSP-MOSFET是多数载流子工作的器件，元件的是多数载流子工作的器件，元件的通态电阻具有正的温度系数，即温度升高通态电通态电阻具有正的温度系数，即温度升高通态电阻增大，使漏极电流能随温度升高而下降，因而阻增大，使漏极电流能随温度升高而下降，因而不存在电流集中和二次击穿的限制，有较宽的安不存在电流集中和二次击穿的限制，有较宽的安全工作区全工作区。第68页/共85页第六十九页，共85页。70IGBT输入输入(shr)（MOSFET）输出（输出（GTR）MOSFEF：开关速度高，驱动功率小，通态压降大：开关速度高，驱动功率小，通态压降大集中了集中了MOSFET和和GTR分别具有的优点：高输入阻抗，可采用逻辑电平来直分别具有的优点：高输入阻抗，可采用逻辑电平来直接驱动，实现电压控制，开关速度高，饱和压降低，电阻及耗损小，电流、接驱动，实现电压控制，开关速度高，饱和压降低，电阻及耗损小，电流、电压容量大，抗浪涌电流能力强，没有二次击穿现象，安全工作区宽等特点电压容量大，抗浪涌电流能力强，没有二次击穿现象，安全工作区宽等特点。第69页/共85页第七十页，共85页。711、结构、结构(jigu)：晶闸管结构图P-MOSFETP-MOSFET结构结构图图第70页/共85页第七十一页，共85页。72IGBT输出特性的特点是集电极电流输出特性的特点是集电极电流Ic由由栅极电压栅极电压UG控制，控制，UG越大越大IC越大。在反越大。在反向集射极电压作用下器件呈现向集射极电压作用下器件呈现(chngxin)反向阻断特性，一般只流过微小的反向漏反向阻断特性，一般只流过微小的反向漏电流。电流。输出特性输出特性转移转移(zhuny)特性特性最大栅极电压应受最大集电极最大栅极电压应受最大集电极电流电流ICM的限制，其最佳值为的限制，其最佳值为UG=15V。第71页/共85页第七十二页，共85页。73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(on)+tr+tfvtfv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+tfitfi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的开关速度的开关速度(sd)要低于电力要低于电力MOSFET。开通开通(kitng)过过程由程由MOSFET决决定定栅漏电容，晶体管由放大过栅漏电容，晶体管由放大过渡到饱和需要时间渡到饱和需要时间MOSFET单独工单独工作电压下降作电压下降MOSFET关断关断过程过程第72页/共85页第七十三页，共85页。743、擎住效应、擎住效应(xioyng)和安和安全工作区全工作区 Rbr上产生上产生NPN管导通的正向管导通的正向(zhn xin)偏压从而产生擎住现象偏压从而产生擎住现象 。dtdUCcej2大，此电流可在大，此电流可在,dtdUce措施措施(cush)：ICICM动态擎住：关断时产生，动态擎住：关断时产生，J2结反压很快建立，结反压很快建立， 体区短路电阻体区短路电阻GRT基区内的基区内的调制电阻调制电阻第73页/共85页第七十四页，共85页。75IGBT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UCES由器件内部的由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所确定的。晶体管所能承受的击穿电压所确定的。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在正常工作温度下允许的最大耗散(hosn)功率。功率。第74页/共85页第七十五页，共85页。76IGBT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(rxi)：开关速度高，开关损耗小。开关速度高，开关损耗小。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的安的安全工作区比全工作区比GTR大，而且具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。通态压降比通态压降比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。输入阻抗高，其输入特性与电力输入阻抗高，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的耐压和的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。的特点。第75页/共85页第七十六页，共85页。77MCT（MOSControlledThyristor）是将）是将MOSFET与晶闸管组合而成的复合型器件。与晶闸管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、低导通压降的特点。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。由数以万计的由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为：元组成，每个元的组成为：一个一个PNPN晶闸管，一个控制晶闸管，一个控制(kngzh)该晶闸管开通的该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制，和一个控制(kngzh)该晶闸管关断的该晶闸管关断的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。第76页/共85页第七十七页，共85页。78静电感应静电感应(jngdingnyng)晶体管晶体管SIT是一种结型场效应晶体管。是一种结型场效应晶体管。是一种多子导电的器件，其工作频率与电力是一种多子导电的器件，其工作频率与电力MOSFET相当，甚至超过电力相当，甚至超过电力MOSFET，而功率容量也比电力，而功率容量也比电力MOSFET大，因而适用于高频大功率场合。大，因而适用于高频大功率场合。栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，这被称为正常栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，这被称为正常(zhngchng)导通型器件，使用不太方便，此外导通型器件，使用不太方便，此外SIT通态电阻较大，使得通态损耗也大，因而通态电阻较大，使得通态损耗也大，因而SIT还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。第77页/共85页第七十八页，共85页。79静电感应静电感应(jngdingnyng)晶闸管晶闸管SITH可以看作是可以看作是SIT与与GTO复合而成。复合而成。又被称为场控晶闸管（又被称为场控晶闸管（FieldControlledThyristorFCT），本质上是两种载流子导电），本质上是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制的双极型器件，具有电导调制(tiozh)效应，通态压降低、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，但开关速度比类似，但开关速度比GTO高高得多，是大容量的快速器件。得多，是大容量的快速器件。一般也是正常导通型，但也有正常关断型一般也是正常导通型，但也有正常关断型，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。第78页/共85页第七十九页，共85页。80集成集成(jchn)门极换流晶闸管门极换流晶闸管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的GTO门极驱门极驱动电路动电路(dinl)采用精心设计的互联结构和封装工艺集成在一起。采用精心设计的互联结构和封装工艺集成在一起。容量与普通容量与普通GTO相当，但开关速度比普通的相当，但开关速度比普通的GTO快快10倍，而且可以简化普通倍，而且可以简化普通GTO应用时庞大而复杂的缓冲电路应用时庞大而复杂的缓冲电路(dinl)，只不过其所需的驱动功率仍然很大。，只不过其所需的驱动功率仍然很大。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。第79页/共85页第八十页，共85页。81基于宽禁带半导体材料基于宽禁带半导体材料(cilio)的电力电子器件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电子伏特左右及以上的半导体材电子伏特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）、金刚石等材料。）、金刚石等材料。基于宽禁带半导体材料（如碳化硅）的电力基于宽禁带半导体材料（如碳化硅）的电力(dinl)电子器件将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佑于材料的提炼和制造以宽禁带半导体器件的发展一直佑于材料的提炼和制造以及随后的半导体制造工艺的困难。及随后的半导体制造工艺的困难。第80页/共85页第八十一页，共85页。822.6功率集成电路与集成电力功率集成电路与集成电力(dinl)电子模块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，称为功率模块。个器件封装在一个模块中，称为功率模块。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(dinn)，从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，称为功率诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（集成电路（PowerIntegratedCircuitPIC）。）。第81页/共85页第八十二页，共85页。83实际应用电路实际应用电路高压集成电路（高压集成电路（HighVoltageICHVIC）一般指横向一般指横向(hnxin)高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片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（智能功率集成电路（SmartPowerICSPIC）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（IntelligentPowerModuleIPM）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（IntelligentIGBT）。）。第82页/共85页第八十三页，共85页。84发展发展(fzhn)现状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：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。间的绝缘问题以及温升和散热的处理。以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。率应用场合。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(fzhn)。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。第83页/共85页第八十四页，共85页。85第84页/共85页第八十五页，共85页。