电力电子-第2章-课件

l电力电子-第2章2 2 半导体电力开关器件半导体电力开关器件2.1 2.1 电力二极管电力二极管2.2 2.2 双极结型电力晶体双极结型电力晶体管管BJTBJT2.3 2.3 晶闸管及其派生器件晶闸管及其派生器件2.4 2.4 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTOGTO2.5 2.5 电力场效应晶体管电力场效应晶体管P PMOSFETMOSFET2.6 2.6 绝缘门极双极型晶体管绝缘门极双极型晶体管IGBT IGBT*2.7*2.8*2.7*2.8 自学自学2.9 2.9 半导体电力开关模块和功率集成电路半导体电力开关模块和功率集成电路本章小结本章小结22电力开关器件家族树电力开关器件家族树33电力开关器件发展史电力开关器件发展史442.1 2.1 电力二极管电力二极管5电力二极管实物图552.1.1 半导体半导体PN结结P型、N型半导体和PN结662.1.2 半导体二极管基本特性半导体二极管基本特性单向导电性单向导电性 正向接法时内电场被削正向接法时内电场被削弱，扩散运动强于漂移弱，扩散运动强于漂移运动，掺杂形成的多数运动，掺杂形成的多数载流子导电，等效电阻载流子导电，等效电阻较小。较小。反向接法时内电场被增反向接法时内电场被增强，漂移运动强于扩散强，漂移运动强于扩散运动，光热激发形成的运动，光热激发形成的少数载流子导电，等效少数载流子导电，等效电阻很大电阻很大。7半导体二极管的符号及正反向接法77l l大家应该也有点累了，稍作休息l l大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流882.1.2 半导体二极管基本特性半导体二极管基本特性单向导电性（续单向导电性（续1）正向接法反向接法992.1.2 半导体二极管基本特性半导体二极管基本特性单向导电性（续单向导电性（续2）一般表达式：反向时的表达式：正向时的表达式：Is：反向饱和电流10102.1.2 半导体二极管基本特性半导体二极管基本特性单向导电性（续单向导电性（续3）PN结高频等效电路结高频等效电路11112.1.3 半导体电力二极管重要参数半导体电力二极管重要参数 半导体电力二极管的重要参数主要用来衡量半导体电力二极管的重要参数主要用来衡量二极管使用过程中：二极管使用过程中：是否被过压击穿是否会过热烧毁开关特性1212额定电流的定义：额定电流的定义：其额定发热所允许的正弦半波电流的平均值其额定发热所允许的正弦半波电流的平均值。当正弦半波电流的峰值为当正弦半波电流的峰值为Im时，它可用下式计算：时，它可用下式计算：1313当正弦半波电流的峰值为当正弦半波电流的峰值为Im时，它可用下式计算：时，它可用下式计算：最大允许全周期均方根正向电流的定义：最大允许全周期均方根正向电流的定义：当二极管流过半波正弦电流的平均值为当二极管流过半波正弦电流的平均值为IFR时，与时，与其发热等效的全周期均方根正向电流其发热等效的全周期均方根正向电流IFrms称为最称为最大允许全周期均方根正向电流。大允许全周期均方根正向电流。1414二极管电流定额的含义二极管电流定额的含义如手册上某电力二极管的额定电流为100A，说明：允许通过平均值为允许通过平均值为100A的正弦半波电流；的正弦半波电流；允许通过正弦半波电流的幅值为允许通过正弦半波电流的幅值为314A；允许通过任意波形的有效值为允许通过任意波形的有效值为157A的电流；的电流；在以上所有情况下其功耗发热不超过允许值。在以上所有情况下其功耗发热不超过允许值。由额定电流和最大允许全周期均方根正向电流的公式，得：由额定电流和最大允许全周期均方根正向电流的公式，得：1515选择二极管电流定额的过程：选择二极管电流定额的过程：求出电路中二极管电流的有效值求出电路中二极管电流的有效值IFrms；求二极管电流定额求二极管电流定额IFR，等于，等于有效值有效值IFrms 除以除以1.57；将选定的定额放大将选定的定额放大1.5到到2倍以保证安全。倍以保证安全。1616半导体电力二极管的开关特性半导体电力二极管的开关特性开关过程，由导通状态转为阻断状态开关过程，由导通状态转为阻断状态并不是立即完成，它要经历一个短时并不是立即完成，它要经历一个短时的过渡过程；的过渡过程；此过程的长短、过渡过程的波形对不此过程的长短、过渡过程的波形对不同性能的二极管有很大差异；同性能的二极管有很大差异；理解开关过程对今后选用电力电子器理解开关过程对今后选用电力电子器件，理解电力电子电路的运行是很有件，理解电力电子电路的运行是很有帮助的，因此应对二极管的开关特性帮助的，因此应对二极管的开关特性有较清晰的了解。有较清晰的了解。状态：状态：过程：过程：导通、阻断开通、关断1717半导体电力二极管的开关特性（续）半导体电力二极管的开关特性（续）二极管开通及反向恢复过程示意图二极管开通及反向恢复过程示意图1818半导体电力二极管的开关特性（续）半导体电力二极管的开关特性（续）二极管关断过程示意图二极管关断过程示意图1919半导体电力二极管重要参数半导体电力二极管重要参数 有关半导体电力二极管使用特性和准则的几个有关半导体电力二极管使用特性和准则的几个重要参数是：重要参数是：最大允许反向重复峰值电压最大允许反向重复峰值电压额定电流额定电流最大允许的全周期均方根正向电流最大允许的全周期均方根正向电流最大允许非重复浪涌电流最大允许非重复浪涌电流最大允许的最大允许的PN结结温和管壳温度结结温和管壳温度结壳、壳散热器热阻结壳、壳散热器热阻反向恢复时间反向恢复时间20202.2.2 2.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数（1）普通二极管：普通二极管又称整流管（Rectifier Diode），多用于开关频率在KHZ以下的整流电路中，其反向恢复时间在us以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。（2）快恢复二极管：反向恢复时间在us以下的称为快恢复二极管（Fast Recovery Diode简称FDR）。快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在100ns以下，其容量可达1200V/200A的水平,多用于高频整流和逆变电路中。（3）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为0.40.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但反向耐压在200以下。它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中。电力二极管的主要类型：电力二极管的主要类型：半导体电力二极管重要参数半导体电力二极管重要参数（续（续1）二极管关断电压、电流波形22222.1.4 二极管的基本应用二极管的基本应用 整流整流续流续流23232.2.1 2.2.1 晶体管基极电流对集电极电流的控制作用晶体管基极电流对集电极电流的控制作用2.2.2 2.2.2 静态特性静态特性 2.2.3 2.2.3 电力三极管使用参数和特性电力三极管使用参数和特性BJT(Bipolar Junction Transistor)或或GTR(Giant Transistor)2.2 2.2 双极结型电力晶体管双极结型电力晶体管BJTBJT24242.2.1 晶体管基极电流对集电极电流的控制作用晶体管基极电流对集电极电流的控制作用三极管的结构和符号25252.2.1 晶体管基极电流对集电极电流的控制作用晶体管基极电流对集电极电流的控制作用(续续1)载流子流向示意图26262.2.1 晶体管基极电流对集电极电流的控制作用晶体管基极电流对集电极电流的控制作用(续续2)基极电流控制集电极电流27272.2.2 三极管的特性三极管的特性三极管输入、输出特性28282.2.3 电力三极管使用参数和特性电力三极管使用参数和特性 图2.9 不同基极状态时，集射极击穿电压 1.集电极额定电压集电极额定电压2.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）3.饱和压降饱和压降4.基极电流的最大允许值基极电流的最大允许值5.开通和关断时间开通和关断时间6.安全工作区安全工作区2929q 一次击穿一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击迅速增大，出现雪崩击 穿。穿。只要只要Ic不超过限度，不超过限度，GTR一般一般不会损坏，工作特性也不变。不会损坏，工作特性也不变。二次击穿二次击穿 一次击穿发生时一次击穿发生时Ic增大到某个临增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降电压的陡然下降。常常立即导致常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变明显衰变。l2、二次击穿和安全工作区l（1）二次击穿图2.5.6 一次击穿、二次击穿原理l图2.5.7 二次击穿临界线q 按基极偏置分类可分为正偏安全工作按基极偏置分类可分为正偏安全工作q区区FBSOAFBSOA和反偏安全工作区和反偏安全工作区RBSOARBSOA。2.5.1 电力晶体管及其工作原理l（2）安全工作区l 安全工作区SOA(Safe Operation Area)l是指在输出特性曲线图上GTR能够安全运行l的电流、电压的极限范围。正正偏偏安安全全工工作作区区又又叫叫开开通通安安全全工工作作区区，它它是是基基极极正正向向偏偏置置条条件件下下由由GTRGTR的的最最大大允允许许集集电电极极电电流流I ICMCM、最最大大允允许许集集电电极极电电压压BUBUCEOCEO、最最大大允允许许集集电电极极功功耗耗P PCMCM以以及及二二次次击击穿穿功功率率P PSBSB四四条条限制线所围成的区域。限制线所围成的区域。q 反偏安全工作区又称反偏安全工作区又称GTR的关断安全工作区。它表示在的关断安全工作区。它表示在反向偏置状态下反向偏置状态下GTR关断过程关断过程中电压中电压UCE、电流、电流 IC 限制界线所限制界线所围成的区域围成的区域。2.5.1 电力晶体管及其工作原理（2 2）、安全工作区）、安全工作区l图2.5.9 GTR的反偏安全工作区l图2.5.8 GTR正偏安全工作区l 正偏安全工作区FBSOAl 反偏安全工作区RBSOA电力三极管的主要特点电力三极管的主要特点是电流驱动器件，控制基极电流就可控制电力三是电流驱动器件，控制基极电流就可控制电力三极管的开通和关断；极管的开通和关断；开关速度较快；开关速度较快；饱和压降较低；饱和压降较低；有二次击穿现象；有二次击穿现象；能控制较大的电流和较高的电压；能控制较大的电流和较高的电压；电力三极管由于结构所限其耐压难于超过电力三极管由于结构所限其耐压难于超过1500V，现今商品化的电力三极管的额定电压、电流大，现今商品化的电力三极管的额定电压、电流大都不超过都不超过1200V、800A;已经淘汰已经淘汰33332.3 2.3 晶闸管及其派生器件晶闸管及其派生器件晶闸管实物图34342.3.1 2.3.1 逆阻型晶闸管逆阻型晶闸管SCRSCR两个三极管正反馈两个三极管正反馈2.3.2 2.3.2 逆导型晶闸管逆导型晶闸管RCTRCT2.3.3 2.3.3 光控晶闸管光控晶闸管LCTLCT2.3.4 2.3.4 双向晶闸管双向晶闸管TRIACIGBTTRIACIGBT2.3 2.3 晶闸管及其派生器件晶闸管及其派生器件35352.3.1 逆阻型晶闸管逆阻型晶闸管SCR两个三极管正反馈两个三极管正反馈晶闸管的结构、符号和结构模型3636AGKVsRIAIC1IgVgRgIC2ICT1T2P1J1N1J2J3J2P2P2N1N2iB2(d)等效电路可控开通关断时：强迫其电流 下降到维持电流以下通态时晶闸管的等值电路晶闸管的等值电路3737静态伏安特性静态伏安特性 及及 dv/dt 防护防护38383.晶闸管的主要特性参数晶闸管的主要特性参数 1 1）正向重复峰值电压）正向重复峰值电压UDRM:门门极极断断开开(I(Ig g=0),=0),元元件件处处在在额额定定结结温温时时,正正向向阳阳极极电电压压为为正正向向阻阻断断不不重重复复峰峰值值电电压压U UDSMDSM (此此电电压压不不可可连连续续施施加加)的的80%80%所所对对应应的的电电压压(此此电电压压可可重重复复施施加加,其其重重复复频频率率为为50HZ50HZ，每次持续时间不大于，每次持续时间不大于10ms)10ms)。2 2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压URRM:元元件件承承受受反反向向电电压压时时,阳阳极极电电压压为为反反向向不不重重复复峰峰值值电电压压URRM的的80%80%所对应的电压。所对应的电压。3 3）晶晶闸闸管管铭铭牌牌标标注注的的额额定定电电压压通通常常取取U UDRMDRM与与U URRMRRM中中的的最最小小值值,选选用用时时，额额定定电电压压要要留留有有一一定定裕裕量量,一一般般取取额额定定电电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2 23 3倍。倍。（1）晶闸管的重复峰值电压额定电压Ute（2）晶闸管的额定通态平均电流）晶闸管的额定通态平均电流额定电流额定电流IT(AV)在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算后至少还要乘以后至少还要乘以1.51.52 2的安全系数，使其有一定的电的安全系数，使其有一定的电流裕量。流裕量。1）定义：在环境温度为40和规定的冷却条件下,晶闸管在电阻性负载导通角不小于170的单相工频正弦半波电路中,当结温稳定且不超过额定结温时所允许的最大通态平均电流。（3）门极触发电流IGT和门极触发电压UGT 1 1）定义：在室温下，晶闸管加）定义：在室温下，晶闸管加6V正向阳极电压正向阳极电压时，使元件完全导通所必须的最小门极电流，称为时，使元件完全导通所必须的最小门极电流，称为门极触发电流门极触发电流IGT。对应于门极触发电流的门极电压。对应于门极触发电流的门极电压称为门极触发电压称为门极触发电压UGT。2 2）晶闸管由于门极特性的差异，其触发电流、触）晶闸管由于门极特性的差异，其触发电流、触发电压也相差很大。所以对不同系列的元件只规定发电压也相差很大。所以对不同系列的元件只规定了触发电流、电压的上、下限值。了触发电流、电压的上、下限值。3 3）晶闸管的铭牌上都标明了其触发电流和电压在）晶闸管的铭牌上都标明了其触发电流和电压在常温下的实测值，但触发电流、电压受温度的影响常温下的实测值，但触发电流、电压受温度的影响很大，温度升高，很大，温度升高，UGT、IGT 值会显著降低，温度降值会显著降低，温度降低，低，UGT、IGT 值又会增大。为了保证晶闸管的可靠值又会增大。为了保证晶闸管的可靠触发，在实际应用中，外加门极电压的幅值应比触发，在实际应用中，外加门极电压的幅值应比UGT 大几倍。大几倍。（4）通态平均电压UT(AV)1 1）定义：在规定环境温度、标准散热条件下，）定义：在规定环境温度、标准散热条件下，元件通以元件通以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值，称通正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值，称通态平均电压态平均电压(又称管压降又称管压降)2 2）在实际使用中，从减小损耗和元件发热来看，应选择）在实际使用中，从减小损耗和元件发热来看，应选择T(AV)小的晶闸管。小的晶闸管。（5）维持电流）维持电流 和掣住电流和掣住电流Lq1 1）维持电流）维持电流：v在在室室温温下下门门极极断断开开时时，元元件件从从较较大大的的通通态态电电流流降降至至刚刚好能保持导通的最小阳极电流为维持电流好能保持导通的最小阳极电流为维持电流H。v维维持持电电流流与与元元件件容容量量、结结温温等等因因素素有有关关，同同一一型型号号的的元元件件其其维维持持电电流流也也不不相相同同。通通常常在在晶晶闸闸管管的的铭铭牌牌上上标标明了常温下明了常温下IH 的实测值。的实测值。q2 2）掣住电流）掣住电流L：v给给晶晶闸闸管管门门极极加加上上触触发发电电压压，当当元元件件刚刚从从阻阻断断状状态态转转为为导导通通状状态态就就撤撤除除触触发发电电压压，此此时时元元件件维维持持导导通通所所需需要的最小阳极电流称掣住电流要的最小阳极电流称掣住电流L。v对对同同一一晶晶闸闸管管来来说说，掣掣住住电电流流L 要要比比维维持持电电流流H 大大24倍。倍。（6）通态电流临界上升率）通态电流临界上升率 di/dt 1 1、定定义义：晶晶闸闸管管能能承承受受而而没没有有损损害害影影响响的的最最大大通态电流上升率称通态电流临界上升率通态电流上升率称通态电流临界上升率 di/dt。2 2、影影响响：门门极极流流入入触触发发电电流流后后，晶晶闸闸管管开开始始只只在在靠靠近近门门极极附附近近的的小小区区域域内内导导通通，随随着着时时间间的的推推移移，导导通通区区才才逐逐渐渐扩扩大大到到PN结结的的全全部部面面积积。如如果果阳阳极极电电流流上上升升得得太太快快，则则会会导导致致门门极极附附近近的的结结因因电电流流密密度度过过大大而而烧烧毁毁，使使晶晶闸闸管管损损坏。坏。（7）断态电压临界上升率）断态电压临界上升率du/dt q1 1）定义：把在规定条件下，不导致晶闸管直接从）定义：把在规定条件下，不导致晶闸管直接从断态转换到通态的最大阳极电压上升率，称为断断态转换到通态的最大阳极电压上升率，称为断态电压临界上升率态电压临界上升率du/dt。q2 2）影响：晶闸管的结面在阻断状态下相当于一个）影响：晶闸管的结面在阻断状态下相当于一个电容，若突然加一正向阳极电压，便会有一个充电容，若突然加一正向阳极电压，便会有一个充电电流流过结面，该充电电流流经靠近阴极的电电流流过结面，该充电电流流经靠近阴极的结时，产生相当于触发电流的作用，如果这个结时，产生相当于触发电流的作用，如果这个电流过大，将会使元件误触发导通。电流过大，将会使元件误触发导通。图中画斜线部分为一个图中画斜线部分为一个2 周期中晶闸管的电流波形。若周期中晶闸管的电流波形。若各波形的最大值为各波形的最大值为Im=100A，试计算各波形电流的平均值，试计算各波形电流的平均值Id1、Id2、Id3和电流有效值和电流有效值I1、I2、I3。若考虑二倍的电流安全裕量，选择额定电流为若考虑二倍的电流安全裕量，选择额定电流为100A的晶闸的晶闸管能否满足要求？管能否满足要求？例例2-146462.3.2 逆导型晶闸管逆导型晶闸管RCT逆导晶闸管等值电路和符号48482.3.3 光控晶闸管光控晶闸管LCT光控晶闸管符号及等值电路4949双向晶闸管符号、等效电路和伏安特性2.3.4 双向晶闸管双向晶闸管TRIAC5050可关断晶闸管可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor)(Gate-Turn-Off Thyristor)简称简称GTOGTO。它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲大等。同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。2.4 2.4 可关断晶闸管可关断晶闸管 51512.4.12.4.1 可关断晶闸管及其工作原理可关断晶闸管及其工作原理 与普通晶闸管的相同点：与普通晶闸管的相同点：PNPNPNPN四层半导体结构，外部四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。引出阳极、阴极和门极。和和普普通通晶晶闸闸管管的的不不同同点点：GTOGTO是是一一种种多多元元的的功功率率集集成成器器件件，内内部部包包含含数数十十个个甚甚至至数数百百个个共共阳阳极极的的小小GTOGTO元元，这这些些GTOGTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。图1-13 GTO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 b)并联单元结构断面示意图 c)电气图形符号l1、可关断晶闸管的结构2.4.12.4.1 可关断晶闸管及其工作原理可关断晶闸管及其工作原理q2 2、可关断晶闸管的工作原理、可关断晶闸管的工作原理q 1 1）GTOGTO的导通机理与的导通机理与SCRSCR是相同的。是相同的。q 2 2）在关断机理上与）在关断机理上与SCRSCR是不同的。是不同的。2 2）关断过程：）关断过程：与普通晶闸管不同与普通晶闸管不同储存时间储存时间t ts s：抽取饱和导通时储存：抽取饱和导通时储存的大量载流子，使等效晶体管退出的大量载流子，使等效晶体管退出饱和。饱和。下降时间下降时间t tf f：等效晶体管从饱和区：等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小。退至放大区，阳极电流逐渐减小。尾部时间尾部时间t tt t：残存载流子复合。通：残存载流子复合。通常常tftf比比tsts小得多，而小得多，而tttt比比tsts要长。要长。门极负脉冲电流幅值越大，前沿越门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡，抽走储存载流子的速度越快，陡，抽走储存载流子的速度越快，tsts越短。越短。门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tttt阶段仍保持适当负电压，则可缩短阶段仍保持适当负电压，则可缩短尾部时间。尾部时间。l图2.4.2 可关断晶闸管l 的开关特性 2.4.2 可关断晶闸管的特性与主要参数可关断晶闸管的特性与主要参数l1、可关断晶闸管的特性2.4.2 可关断晶闸管的特性与主要参数可关断晶闸管的特性与主要参数q（1）开通时间）开通时间ton:延迟时间与上升时间之和。延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大；电流值的增大而增大；q（2）关关断断时时间间toff:一一般般指指储储存存时时间间和和下下降降时时间间之之和和，不不包包括括尾尾部部时时间间。GTO的的储储存存时时间间随随阳阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s；q（3）最最大大可可关关断断阳阳极极电电流流IATO:它它是是GTO的的额额定电流；定电流；l2、可关断晶闸管的主要参数q GTO的门极可关断能力可用电流关断增益的门极可关断能力可用电流关断增益off来表征，来表征，最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO与门极与门极负脉冲电流最大值负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益；之比称为电流关断增益；通常大容量通常大容量GTO的关断增益的关断增益很小，很小，不超过不超过35。这正是。这正是GTO的缺点。的缺点。一个一个1000A的的GTO关断关断时门极负脉冲电流峰值要时门极负脉冲电流峰值要200A。l（2.4.3）l（4）电流关断增益off ：l2.4.2 可关断晶闸管的特性与主要参数可关断晶闸管的特性与主要参数q2 2）使用时必须注意）使用时必须注意 ：l 3、可关断晶闸管的应用 l 1）GTO主要用于直流变换和逆变等需要元件强迫关断的地方，电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，达到兆瓦级的数量级。v 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时应和电力二极管串联。v 用门极正脉冲可使GTO开通，用门极负脉冲可以使其关断，这是GTO最大的优点。但要使GTO关断的门极反向电流比较大，约为阳极电流的/左右。v GTO的通态管压降比较大，一般为23V。v GTO有能承受反压和不能承受反压两种类型，在使用时要特别注意。l2.4.2 可关断晶闸管的特性与主要参数可关断晶闸管的特性与主要参数l1）分为结型场效应管简称JFET）和绝缘栅金属-氧化物-l半导体场效应管（简称MOSFET）。l2）通常指绝缘栅型中的MOS型，简称电力MOSFET。l3）4）特点：输入阻抗高(可达40M以上)、开关速度快，工作频率高(开关频率可达1000kHz)、驱动电路简单，需要的驱动功率小、热稳定性好、无二次击穿问题、安全工作区(SOA)宽；电流容量小，耐压低，一般只适用功率不超过10kW的电力电子装置。lN沟道lP沟道l电力MOSFETl耗尽型：l增强型:l耗尽型l增强型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道；对于N（P）沟道器件,栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道2.5 2.5 电力场效应晶体管电力场效应晶体管P PMOSFET MOSFET 2.5 2.5 电力场效应晶体管电力场效应晶体管P PMOSFET MOSFET P-MOSFET基本结构、符号和外接电路5959特点：特点：(1)(1)垂直安装漏极，实现垂直导电，这不仅使硅片面积得以充分利垂直安装漏极，实现垂直导电，这不仅使硅片面积得以充分利用，而且可获得大的电流容量；用，而且可获得大的电流容量；(2)(2)设置了高电阻率的设置了高电阻率的N N区以提高电压容量；区以提高电压容量；(3)(3)短沟道短沟道(1(1 2m)2m)降低了栅极下端降低了栅极下端S Si iO O2 2层的栅沟本征电容和层的栅沟本征电容和沟道电阻，提高了开关频率；沟道电阻，提高了开关频率；(4)(4)载流子在沟道内沿表面流动，然后垂直流向漏极。载流子在沟道内沿表面流动，然后垂直流向漏极。VDMOS的典型结构l图2.6.1 N沟道VDMOS管元胞结构与电气符号2.5 2.5 电力场效应晶体管电力场效应晶体管P PMOSFET MOSFET P-MOSFET特性曲线IDVGSVGSth(d)转移特性IDVDSVGS=0VGS1=4VGS2=8VGS3=10(e)输出特性VBRPMOSFET的工况可用其转移特性和输出特性表述：2.5 2.5 电力场效应晶体管电力场效应晶体管P PMOSFETMOSFET6161q 在不同的在不同的UGS下，漏极电流下，漏极电流ID 与漏极电压与漏极电压UDS 间的关系曲线间的关系曲线族称为族称为VDMOS的输出特性曲线的输出特性曲线。如图。如图2.6.2所示，它可以分为所示，它可以分为四个区域：四个区域：l 1）截止区：当UGSUT(UT的典型值为24V)时；l 2）线性(导通)区：当UGSUT且l UDS很小时，ID和UGS几乎成 l 线性关系。又叫欧姆工作区；l 3）饱和区(又叫有源区)：l 在UGSUT时，l 且随着UDS的增大，ID几乎不变;l 4）雪崩区：当UGSUT，且l UDS 增大到一定值时；l1、静态输出特性 l图2.6.2 VDMOS管的输出特性2.5 2.5 电力场效应晶体管电力场效应晶体管P PMOSFET MOSFET 2.6 2.6 绝缘门极双极型晶体管绝缘门极双极型晶体管IGBTIGBT IGBT结构和等效电路GCERdrRbrT2T1AB6363IGBTIGBT：绝缘栅双极型晶体管：绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar(Insulated Gate Bipolar Transistor)Transistor)。兼具功率兼具功率MOSFETMOSFET高速开关特性和高速开关特性和GTRGTR的低导通压降特性的低导通压降特性两者优点的一种复合器件。两者优点的一种复合器件。IGBTIGBT于于19821982年开始研制，年开始研制，19861986年投产，是发展最快而年投产，是发展最快而且很有前途的一种混合型器件。且很有前途的一种混合型器件。目前目前IGBTIGBT产品已系列化，最大电流容量达产品已系列化，最大电流容量达1800A1800A，最高，最高电压等级达电压等级达4500V4500V，工作频率达，工作频率达50kHZ50kHZ。在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它高速在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它高速低损耗的中小功率领域，低损耗的中小功率领域，IGBTIGBT取代了取代了GTRGTR和一部分和一部分MOSFETMOSFET的市场。的市场。2.6 2.6 绝缘门极双极型晶体管绝缘门极双极型晶体管IGBTIGBT q1.IGBT的结构的结构 IGBTIGBT的结构如图的结构如图2.7.1(a)2.7.1(a)所示。所示。简简化化等等效效电电路路如如图图2.7.1(b)2.7.1(b)所所示。示。电气符号如图电气符号如图1.7.11.7.1（c c）所示）所示它它是是在在VDMOSVDMOS管管结结构构的的基基础础上上再再增增加加一一个个P P+层层，形形成成了了一一个个大大面面积积的的P+NP+N结结J1J1，和和其其它它结结J J2 2、J J3 3一一起起构构成成了了一一个个相相当当于于由由VDMOSVDMOS驱驱动动的的厚厚基基区区PNPPNP型型GTR;GTR;IGBTIGBT有有三三个个电电极极:集集电电极极、发射极和栅极发射极和栅极;l图2.7.1 IGBT的结构、简化等l 效电路 与电气符号 2.6 2.6 绝缘门极双极型晶体管绝缘门极双极型晶体管IGBTIGBT q IGBT IGBT也属场控器件，其驱动原也属场控器件，其驱动原理与电力理与电力MOSFETMOSFET基本相同，是一基本相同，是一种由种由栅极电压栅极电压UGEUGE控制集电极电流控制集电极电流的栅控自关断器件。的栅控自关断器件。v 导导通通：U UGEGE大大于于开开启启电电压压U UGE(th)GE(th)时时，MOSFETMOSFET内内形形成成沟沟道道，为为晶晶体体管管提提供基极电流，供基极电流，IGBTIGBT导通。导通。v 导导通通压压降降：电电导导调调制制效效应应使使电电阻阻R RN N减小，使通态压降小。减小，使通态压降小。v 关关断断：栅栅射射极极间间施施加加反反压压或或不不加加信信号号时时，MOSFETMOSFET内内的的沟沟道道消消失失，晶晶体体管管的的基基极极电电流流被被切切断断，IGBTIGBT关断。关断。l图2.7.2 IGBT伏安特性l2.IGBT的工作原理2.6 2.6 绝缘门极双极型晶体管绝缘门极双极型晶体管IGBTIGBT ICVCEVGE=0VGE1VGE2VGE3VRM0(c)输出特性正向阻断区VGEVBRIcVGEVGEth(d)转移特性(a)符号ICGECGCEVgVSR(b)电路RdrRbrT2T1ICABRg符号、电路及静态特性 2.6 2.6 绝缘门极双极型晶体管绝缘门极双极型晶体管IGBTIGBT67672.6 2.6 绝缘门极双极型晶体管绝缘门极双极型晶体管IGBTIGBTGCEVgVRRdrRbrT2T1ICABRg什么是擎住效应：什么是擎住效应：v 集电极电流iC过大；v 集电极电压过高；v 关断速度过快。Rbr上的电压过大，可使T2导通，使IGBT失去关断能力。产生擎住效应的原因：产生擎住效应的原因：6868q2、IGBT的开关特性的开关特性（1）IGBT的开通过程：的开通过程：q 从正向阻断状态转换从正向阻断状态转换到正向导通的过程。到正向导通的过程。v开通延迟时间开通延迟时间td(on)：IC从从10%UCEM到到10%ICM所需时间。所需时间。v电流上升时间电流上升时间tr：IC从从10%ICM上升至上升至90%ICM所需时间。所需时间。v开通时间开通时间ton ton：q ton=td(on)+trl图2.7.3 IGBT的开关特性 2.6 2.6 绝缘门极双极型晶体管绝缘门极双极型晶体管IGBTIGBT2、IGBT的开关特性的开关特性（2）IGBT的关断过程的关断过程v关断延迟时间关断延迟时间td(off)：从从UGE后沿下降到其幅值后沿下降到其幅值90%的时刻的时刻起，到起，到ic下降至下降至90%ICM v电流下降时间：电流下降时间：ic从从90%ICM下降至下降至10%ICM。v关断时间关断时间toff：关断延迟时间关断延迟时间与电流下降之和。与电流下降之和。电流下降时间又可分为电流下降时间又可分为tfi1和和tfi2 tfi1IGBT内部的内部的MOSFET的的关断过程，关断过程，ic下降较快；下降较快；tfi2IGBT内部的内部的PNP晶体管晶体管的关断过程，的关断过程，ic下降较慢。下降较慢。l图2.7.3 IGBT的开关特性 2.6 2.6 绝缘门极双极型晶体管绝缘门极双极型晶体管IGBTIGBTv（1 1）最大集射极间电压）最大集射极间电压U UCEMCEM：q IGBTIGBT在关断状态时集电极和发射极之间能承受的在关断状态时集电极和发射极之间能承受的最高电压。最高电压。v（2 2）通态压降：）通态压降：q 是指是指IGBTIGBT在导通状态时集电极和发射极之间的管压在导通状态时集电极和发射极之间的管压降。降。v（3 3）集电极电流最大值）集电极电流最大值I ICMCM：q IGBTIGBT的的 I IC C增大，可至器件发生擎住效应，此时为增大，可至器件发生擎住效应，此时为防止防止 发生擎住效应，规定的集电极电流最大值发生擎住效应，规定的集电极电流最大值I ICMCM。v（4 4）最大集电极功耗）最大集电极功耗P PCMCM：q 正常工作温度下允许的最大功耗正常工作温度下允许的最大功耗 。l3、IGBT的主要参数2.6 2.6 绝缘门极双极型晶体管绝缘门极双极型晶体管IGBTIGBTq3、IGBT的主要参数的主要参数v(5)(5)安全工作区安全工作区正偏安全工作区正偏安全工作区FBSOAFBSOA：IGBTIGBT在开通在开通时为正向偏置时的安全工作区，如图时为正向偏置时的安全工作区，如图2.7.5(a)2.7.5(a)所示。所示。反偏安全工作区反偏安全工作区RBSOARBSOA：IGBTIGBT在关断在关断时为反向偏置时的安全工作区，如图时为反向偏置时的安全工作区，如图2.7.5(b)2.7.5(b)IGBTIGBT的导通时间越长，发热越严重，的导通时间越长，发热越严重，安全工作区越小。安全工作区越小。2.7.2 缘栅双极型晶体管的特性与主要参数缘栅双极型晶体管的特性与主要参数 l图2.7.5 IGBT的l 安全工作区 (6)输入阻抗：输入阻抗：IGBT的输入阻抗高，可达的输入阻抗高，可达1091011数量级，呈纯电容性，驱动功率小，数量级，呈纯电容性，驱动功率小，这些与这些与VDMOS相似。相似。(7)最最高高允允许许结结温温TjM：IGBT的的最最高高允允许许结结温温TjM为为150。VDMOS的的通通态态压压降降随随结结温温升升高高而而显显著著增增加加，而而IGBT的的通通态态压压降降在在室室温温和和最最高结温之间变化很小，具有良好的温度特性。高结温之间变化很小，具有良好的温度特性。l3、IGBT的主要参数2.6 2.6 绝缘门极双极型晶体管绝缘门极双极型晶体管IGBTIGBTIGBTIGBT的特性和参数特点的特性和参数特点1.开开关关速速度度高高，开开关关损损耗耗小小。在在电电压压1000V以以上上时时，开开关损耗只有关损耗只有GTR的的1/10，与电力，与电力MOSFET相当相当2.相相同同电电压压和和电电流流定定额额时时，安安全全工工作作区区比比GTR大大，且且具具有耐脉冲电流冲击能力有耐脉冲电流冲击能力3.通通态态压压降降比比VDMOSFET低低，特特别别是是在在电电流流较较大大的的区区域域4.输入阻抗高，输入特性与输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似类似5.与与MOSFET和和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点步提高，同时保持开关频率高的特点晶闸管引入一对MOSFET构成了场控晶闸管MCT（图2.19）开通P沟道的MOS管使MCT导通开通N沟道的MOS管使MCT关断*2.7 MOS2.7 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT7575：N沟道变宽，等效电阻小，SIT开通：N沟道夹断，等效电阻大，SIT关断特点：开关速度很快，可在100500kHz的高频开关状态下工作SIT是一种结型场效应晶体管，控制GS之间的电压可以改变电流通道（图中N沟道）的宽窄，从而控制SIT的通断。静电感应静电感应晶闸管晶闸管 SIT*2.8 2.8 静电感应晶体管静电感应晶体管76762.9 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 2020世纪世纪8080年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。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，从而对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。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、自诊断将器件与逻辑、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，称为功率集成等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（电路（Power Integrated CircuitPower Integrated CircuitPICPIC）。）。l PIC（Power Integrated Circuit）：v 类类似似功功率率集集成成电电路路的的还还有有许许多多名名称称，但但实实际际上各有侧重上各有侧重:高高压压集集成成电电路路（High Voltage IC，简简称称HVIC，一一般般指指横横向向高高压压器器件件与与逻逻辑辑或或模模拟拟控控制制电电路路的单片集成）的单片集成）;智智能能功功率率集集成成电电路路（Smart Power IC，简简称称SPIC，一一般般指指纵纵向向功功率率器器件件与与逻逻辑辑或或模模拟拟控控制制电路的单片集成）电路的单片集成）;智智能能功功率率模模块块（Intelligent Power Module，简简称称IPM，专专指指IGBT及及其其辅辅助助器器件件与与其其保保护护和和驱动电路的单片集成，也称智能驱动电路的单片集成，也称智能IGBT）。）。2.9 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 l二极管和晶闸管模块二极管和晶闸管模块2.9 2.9 半导体电力开关模块和功率集成电路半导体电力开关模块和功率集成电路7979l达林顿三极管功率模块达林顿三极管功率模块2.9 2.9 半导体电力开关模块和功率集成电路（续半导体电力开关模块和功率集成电路（续1 1）8080lMOSFET功率模块功率模块2.9 2.9 半导体电力开关模块和功率集成电路（续半导体电力开关模块和功率集成电路（续2 2）8181lAC-DC-AC变频功率模块变频功率模块2.9 2.9 半导体电力开关模块和功率集成电路（续半导体电力开关模块和功率集成电路（续3 3）8282小小 结结 根据开关器件开通、关断可控性的不同，开关器件可以分为三类：不可控器件：仅二极管不可控器件：仅二极管D是不可控开关器件。是不可控开关器件。半控器件：半控器件：仅普通晶闸管仅普通晶闸管SCR属于半控器件。可以控制属于半控器件。可以控制其导通起始时刻，一旦其导通起始时刻，一旦SCR导通后，导通后，SCR仍继续处于通仍继续处于通态。态。全控型器件：三极管全控型器件：三极管BJT、可关断晶闸管、可关断晶闸管GTO、电力场、电力场效应晶体管效应晶体管P-MOSFET、绝缘门极晶体管、绝缘门极晶体管IGBT都是全控都是全控型器件，即通过门极（或基极或栅极）是否施加驱动信型器件，即通过门极（或基极或栅极）是否施加驱动信号既能控制其开通又能控制其关断号既能控制其开通又能控制其关断8383小小 结（续结（续1 1）根据开通和关断所需门极（栅极）驱动信号的不同要求，根据开通和关断所需门极（栅极）驱动信号的不同要求，开关器件又可分为电流控制型开关器件和电压控制型开关器件开关器件又可分为电流控制型开关器件和电压控制型开关器件两大类：两大类：SCR、BJT和和GTO为电流驱动控制型器件为电流驱动控制型器件PMOSFET、IGBT均为电压驱动控制型器件均为电压驱动控制型器件 三极管三极管BJT要求有正的、持续的基极电流开通并保持为通态，要求有正的、持续的基极电流开通并保持为通态，当基极电流为零后当基极电流为零后BJT关断。为了加速其关断，最好能提供负关断。为了加速其关断，最好能提供负的脉冲电流。的脉冲电流。P-MOSFET和和IGBT要求有正的持续的驱动电压使其开通并要求有正的持续的驱动电压使其开通并保持为通态，要求有负的、持续的电压使其关断并保持为可靠保持为通态，要求有负的、持续的电压使其关断并保持为可靠的断态。电压型驱动器件的驱动功率都远小于电流型开关器件，的断态。电压型驱动器件的驱动功率都远小于电流型开关器件，驱动电路也比较简单可靠。驱动电路也比较简单可靠。8484可控性可控性驱动信号驱动信号额定额定电压、电流电压、电流工作频率工作频率饱和压降饱和压降二极管二极管不可控不可控无无 最大最大有高有高有低有低小小晶闸管晶闸管半控半控脉冲电流脉冲电流（开通）（开通）最大最大最低最低小小GTO全控全控正、负正、负脉冲电流脉冲电流大大较低较低中中 BJT全控全控正电流正电流中中中中小小IGBT全控全控正电压正电压较大较大较高较高较小较小MOSFET全控全控正电压正电压小小最高最高大大常用电力半导体开关器件性能对比常用电力半导体开关器件性能对比8585qq附表2.1.1:主要电力半导体器件 的特性及其应用领域l器件种类l开关功能l器件特性概略l应用领域l电力l二极管l不可控l5kV/3kA400Hzl各种整流装置l晶闸管l可控导通l6kV/6kA400Hzl8kV/3.5kA光控SCRl炼钢厂、轧钢机、直流输电、电解用整流器l可关断l晶闸管l自关断型l6kV/6kA500Hzl工业逆变器、电力机车用逆变器、无功补偿器lMOSFETl600V/70A100kHzl开关电源、小功率UPS、小功率逆变器lIGBTl1200V/1200A20kHzl4.5kV/1.2kA2kHzl各种整流/逆变器（UPS、变频器、家电）、电力机车用逆变器、中压变频器