第九章电力半导体器件.ppt

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1、模拟、数字电子技术模拟、数字电子技术 电子器件：晶体管和集成电路电子器件：晶体管和集成电路电力电子技术电力电子技术 电力电子器件电力电子器件本章主要内容：本章主要内容：概述电力电子器件的概念概念、特点特点和分类分类等问题。介绍常用电力电子器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主主要参数要参数以及选择和使用中应注意问题。第第九九章章 电力电力半导体半导体器件器件引言引言2021/9/2111.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征1.1.2 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1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类1.1.4 本章内容和学习要点本章

2、内容和学习要点第一节第一节 电力半导体器件的发展概况电力半导体器件的发展概况2021/9/2121 1）概念）概念:电力电子器件电力电子器件（Power Electronic Device）可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路（主电路（MainPowerCircuit）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。2 2）分类）分类:电真空器件电真空器件 (汞弧整流器、闸流管)半导体器件半导体器件 (采用的主要材料硅）仍然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半导体器件电力半导体器件2021/9/213能处理电功率的能力，一般远大于处理信

3、息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。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3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：）同处理信息的电子器件相比的一般特征：2021/9/214通态损耗通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗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 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗2021/9/215电力电子系统电力电

4、子系统：由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路、保护电路保护电路和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成。图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行1.2 应用电力电子器件系统组成应用电力电子器件系统组成电气隔离控制电路2021/9/216不可控器件不可控器件(PowerDiode)不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。半控型器件（半控型器件（Thyristor）通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（全控型器件（IGBT,MOSFET)通过

5、控制信号既可控制其导通又可控制其关 断，又称自关断器件。1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：晶闸管晶闸管及其派生器件及其派生器件绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管电力效应晶体管电力效应晶体管门极可关断晶体管门极可关断晶体管门极可关断晶体管门极可关断晶体管处理兆瓦级处理兆瓦级大功率电能大功率电能电力二极管电力二极管只有两个端子只有两个端子2021/9/217电流驱动型电流驱动型通过从控制端注入或者抽出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信号就可实现导通或者关

6、断的控制。1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照驱动电路信号的性质，分为两类：按照驱动电路信号的性质，分为两类：2021/9/218单极型单极型有一种载流子参与导电。如功率晶体管（GTR）、门极可关断晶闸管（GTO）。双极型双极型电子和空穴两种载流子参与导电。如功率场效应晶体管（MODFET）混合型混合型单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。如晶闸管（SCR）1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，分为三类：情况，分为三类：2021/9/219PowerDiode结构和原理简单，工作可靠

7、，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。二、不可控器件二、不可控器件功率功率二极管二极管整流二极管及模块2021/9/2110基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。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，主要有螺栓型和平板型两种封装。图9.2-1电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号1.2.1PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK2021/9/2111 状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向

8、大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。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2.1PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理PN结的状态2021/9/2112PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电电容容效效应应，称为结电容结电容CJ，又称为微分电容微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势势垒垒电电容容CB和扩散电容扩散电容CD。电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。2.1PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理PN结的电容效应：2021/9/2113主要指其伏安特

9、性伏安特性门门槛槛电电压压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正正向向电电压降压降UF。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。图9.2-4电力二极管的伏安特性2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1)静态特性静态特性IOIFUTOUFU2021/9/21142)动态特性动态特性 二极管的电压二极管的电压-电流特性随时间变化的电流特性随时间变化的 结电容的存在结电容的存在2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性零偏置正向偏置反向偏置过渡过程中电压电流特性随时间变化2021/9/21152.2 电力二极管的基本特性电力二极

10、管的基本特性a)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图9.2-5电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置电流过冲最大值：IRP电压过冲最大值：URP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：下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示。电力二极管的关断电力二极管的关断经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断，进入截止状态。在关断之前有较大的反向电流，伴随明显的反向电压过冲。2021/9/2116正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V

11、）。正向恢复时间tfr。电流上升率越大，UFP越高。UFPuiiFuFtfrt02V图9.2-5(b)开通过程2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性开通过程开通过程：电压过冲原因电压过冲原因1)电导调制效应起作用所需大量少子,需要一定时间储存达到稳态导通前管压降较大。2)正向电流的上升因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大,UFP越高。2021/9/21172.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 注意：电流、电压反向问题注意：电流、电压反向问题 正偏压时，正向偏压降约为正偏压时，正向偏压降约为2V2V左右；导通时，二极左右；导通时，二极管看成是理想开关元件，因为它的

12、过渡时间与电路的瞬管看成是理想开关元件，因为它的过渡时间与电路的瞬时过程相比要小的得多；时过程相比要小的得多；但在关断时，它需要一个反向恢复的时间以清除过但在关断时，它需要一个反向恢复的时间以清除过剩载流子。剩载流子。2021/9/2118额额定定电电流流在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频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，使用时应按有有效效值值相相等等的的原原则则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。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)2021/9/2119在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时

13、对应的正向压降。3）反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。4）反向恢复时间）反向恢复时间trrtrr=td+tf，是从二极管正向电流过零到反向电流下降到其峰值10%时的时间间隔。1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2）正向（峰值）压降正向（峰值）压降UFM2021/9/2120结温结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125175C范围之内。6)正向浪涌电流正向浪涌电流IFSM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

14、。2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数5）最高允许结温）最高允许结温TJM2021/9/21211)普通二极管普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（RectifierDiode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路其反向恢复时间较长正向电流定额和反向电压定额可以达到很高按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍。2.4 二极管的主要类型二极管的主要类型2021/9/2122简称快速二极管快恢复外延二极管快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodesFRED），其trr更短（可低于50ns），

15、UFM也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。2.4 二极管的主要类型二极管的主要类型2)快恢复二极管快恢复二极管 （FastRecoveryDiodeFRD）2021/9/2123肖特基二极管的弱点弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优点优点反向恢复时间很短（1040ns）。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。效率高，其开关损耗和正向

16、导通损耗都比快速二极管还小。2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型3.肖特基二极管肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiodeSBD）。2021/9/2124第三节第三节 晶闸管晶闸管3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件2021/9/2125半控器件半控器件晶闸管晶闸管引言引言1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业

17、化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。晶晶闸闸管管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifierSCR）2021/9/2126图9.3-1晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号3.1晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理外形有螺栓型和平板型两种封装。有三个联接端。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。2021/9/21273

18、.1晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构2021/9/21283.1晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式可得：图9.3-3晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理 按晶体管的工作原理晶体管的工作原理，得：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）（1-5）2021/9/21293.1晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。

19、阻阻断断状状态态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开开通通状状态态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。2021/9/21303.1晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高光触发光触发光触发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，称为光光控控晶晶闸闸管管（LightTriggeredThyristorLTT）。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段只有门极触发

20、是最精确、迅速而可靠的控制手段。其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况：2021/9/21313.2晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的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。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。晶闸管正常工作时的特性总结如下：晶闸管正常工作时的特性总结如下：2021/9/21323.2晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性（1）正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电

21、流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1 1）静态特性静态特性图9.3-4晶闸管的伏安特性IG2IG1IG2021/9/21333.2晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。图9.3-4晶闸管的伏安特性IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM

22、（2）反向特性反向特性2021/9/21343.2晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2）动态特性动态特性图9.3-5晶闸管的开通和关断过程波形开通过程开通过程延迟时间延迟时间td阳极电流从零上升到稳态值10%的时间上升时间上升时间tr阳极电流从10%上到稳态值的90%所需的时间开通时间开通时间tgt tgt=td+tr（1-6）普通晶闸管的延迟时间为0.5ms，上升时间为0.53ms。其延迟时间随门极电流的增大而减小；2021/9/21353.2晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrr

23、tgrURRMIRMiA2）动态特性动态特性图9.3-5晶闸管的开通和关断过程波形开通过程开通过程关断过程关断过程反反向阻断恢复时间向阻断恢复时间trr 正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近零的时间正正向阻断恢复时间向阻断恢复时间tgr晶体管恢复载流子复合过程对正向电压的阻断的时间关断时间关断时间tqtq=trr+tgr （1-7）普通晶闸管的时间约为几百微秒延迟时间延迟时间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tgttgt=td+tr(1-6)2021/9/21363.3晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM在门极断路

24、而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态（峰值）电压通态（峰值）电压UTM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。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。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。使用注意：使用注意：1）电压定额电压定额2021/9/21373.3晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数通态平均电流通态平均电流 ITa在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流

25、过的最大工频正弦半波电流的平均值最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流维持电流 IH使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流擎住电流 IL晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说对同一晶闸管来说，通常通常IL约为约为IH的的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不重复性最大正向过载电流。2 2）电流定额电流定额2021/9/21383.3晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：断态电压临界上升率断态

26、电压临界上升率du/dt 指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，就会使晶闸管误导通。通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。3 3）动态参数动态参数2021/9/2139五、五、特殊特殊晶闸管晶闸管有快速晶闸管和高频晶闸管。开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10s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。由于工

27、作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。（一）快速晶闸管（一）快速晶闸管（FastSwitchingThyristorFST)2021/9/2140（二）双向晶闸管（二）双向晶闸管（TriodeACSwitchTRIAC或或Bidirectionaltriodethyristor）图9.3-11 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。在第和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值不用平均值而用有效值来表示其额定电流值来表示其额定电流值。门极使器件在主

28、电极的正反两方向均可触发导通。2021/9/2141（三）逆导晶闸管（三）逆导晶闸管（ReverseConductingThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG=0图9.3-12逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。正向特性同晶闸管一样，具有可控性；反向特性是整流二极管的正向特性。2021/9/2142（三）逆导晶闸管（三）逆导晶闸管（ReverseConductingThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG=0图9.3-12逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性不具有承

29、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。2021/9/2143结构结构：与普通晶闸管的相相同同点点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不不同同点点：GTO是一种内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元的多元的功率集成器件。GTO元的阴极和门极在器件内部并联在一起。图9.3-13GTO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1）GTO的结构和工作原理的结构和工作原理（四）（四）门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管2021/9/2144工作原理工作原

30、理：与普通晶闸管一样，可以用图9.3-14所示的双晶体管模型来分析。图9.3-14 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 1 1+2 2=1=1是器件临界导通的条件。是器件临界导通的条件。由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益 1 1和 2 2。（四）（四）门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管2021/9/2145GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别区别：设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO。导通时1+2更接近1，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。多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。图9.

31、3-14晶闸管的工作原理（四）（四）门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管2021/9/2146GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。由上述分析我们可以得到以下结论结论：（四）（四）门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管2021/9/2147开开通通过过程程：与普通晶闸管相同关关断断过过程程：与普通晶闸管有所不同储储存存时时间间ts，使等效晶体管退出饱和。下降时间下降时间tf尾尾部部时时间间tt残存载流子复合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。门极负脉冲电流幅值越大

32、，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6图9.3-15GTO的开通和关断过程电流波形2)GTO的动态特性的动态特性（四）（四）门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管2021/9/21483)GTO的主要参数的主要参数延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于2s。（2）关断时间关断时间toff（1）开通时间开通时间ton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。许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以

33、下只介绍意义不同的参数。（四）（四）门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管2021/9/2149（四）（四）门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（3）最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO（4）电流关断增益电流关断增益 off off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A。GTO额定电流。最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。2021/9/2150第四节第四节功率晶体管功率晶体管20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。典型代表门极可关断晶闸管、功率（电力）晶体管、功率（电力）场效应晶体管、绝缘

34、栅双极晶体管。2021/9/2151第四节第四节功率晶体管功率晶体管常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件功率MOSFET绝缘栅双极晶体管（IGBT）单管及模块2021/9/2152第四节第四节功率功率晶体管晶体管功率晶体管（GiantTransistorGTR，直译为巨型晶体管）。耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistorBJT），英文有时候也称为PowerBJT。应用应用20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和功率MOSFET取代。术语用法术语用法：2021/9/2153与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。

35、主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。第四节第四节功率功率晶体管晶体管1）GTR的结构和工作原理的结构和工作原理图9.4-2GTR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b)电气图形符号c)内部载流子的流动2021/9/2154第四节第四节功率功率晶体管晶体管在应用中，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 GTR的电流放大系数电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力。当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为 ic=ib+Ice

36、o单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+)ib1）GTR的结构和工作原理的结构和工作原理2021/9/2155第四节第四节功率功率晶体管晶体管(1)静态特性静态特性共发射极接法时的典型输出特性：截截止止区区、放放大大区区和饱和区饱和区。在电力电子电路中GTR工作在开关状态。在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2BUcexBUcesBUcerBuceo。实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。3）GTR的主要参数的主

37、要参数2021/9/2158第四节第四节功率功率晶体管晶体管通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic。实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。3)集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率。产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。2)集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM2021/9/2159第四节第四节功率功率晶体管晶体管一次击穿一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿二次击穿：一次击穿发生时，Ic突然急剧上升，电压陡然下降。常常立

38、即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。安安 全全 工工 作作 区区（SafeOperatingAreaSOA）最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceMGTR的安全工作区4)GTR的二次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区2021/9/2160第五节第五节功率功率场效应晶体管场效应晶体管分为结型结型和绝缘栅型绝缘栅型通常主要指绝绝缘缘栅栅型型中的MOSMOS型型（MetalOxideSemiconductorFET）简称功率MOSFET（PowerMOSFET）结型功率场效应晶体管一般称作静电感应

39、晶体管（StaticInductionTransistorSIT）特点特点用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于GTR。电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。功率场效应晶体管功率场效应晶体管2021/9/2161第五节第五节功率功率场效应晶体管场效应晶体管功率功率MOSFET的种类的种类按导电沟道可分为P沟道沟道和N沟道沟道。耗耗尽尽型型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。增增强强型型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。功率MOSFET主要是N沟道增强型沟道增强型。一、功率一、功率

40、MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理2021/9/2162第五节第五节功率场效应晶体管功率场效应晶体管功率功率MOSFET的结构的结构是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。图9.5-1功率MOSFET的结构和电气图形符号2021/9/2163第五节第五节功率场效应晶体管功率场效应晶体管小功率MOS管是横向导电器件。功 率 MOSFET大 都 采 用 垂 直 导 电 结 构，又 称 为VMOSFET（VerticalMOSFET）。按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双

41、扩散MOS结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。功率功率MOSFET的结构的结构2021/9/2164第五节第五节功率场效应晶体管功率场效应晶体管截止截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电导电：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反反型型层层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。图9.5-1功率MOSFET的结构和电气图形符号功率功率MOSFET的工作原理的工作原理2021/9/2165

42、第五节第五节功率场效应晶体管功率场效应晶体管(1)静态特性静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性转移特性。ID较大时，ID与与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导跨导Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图9.5-2功率MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性2）功率）功率MOSFET的基本特性的基本特性G GS SD DV VGSGS+-V VDSDS

43、+-n-channeln-channel2021/9/2166第五节第五节功率场效应晶体管功率场效应晶体管截止区截止区（对应于GTR的截止区）饱和区饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区非饱和区（对应GTR的饱和区）工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。图9.5-2功率MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性MOSFET的漏极伏安特性的漏极伏安特性：010203050402468a)10203050400b)10 20 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS

44、=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A漏源电压增加时漏极电流不再增加饱和饱和非饱和非饱和漏源电压增加时漏极电流相应增加2021/9/2167第五节第五节功率场效应晶体管功率场效应晶体管图9.5-2功率MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性MOSFET的漏极伏安特性的漏极伏安特性：010203050402468a)10203050400b)10 20 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/AMOSFET在漏极和源极之间形成一个反向并联的寄生二极管，与MOSF

45、ET构成整体，使得在漏、源极间加反向电压时器件导通。需要保持Vgs的值，以使电流通过，门电流为零，除了开关作用期间的充放电过程。开关时间短（几个ns-几百ns）。源漏极之间的导通电阻为阻断电压的函数。BVDSS（BlockingVoltage）缺点是导通电阻较大。Rds（on）=kBVss，k取决于器件的几何尺寸，正的温度特性。2021/9/2168第五节第五节功率场效应晶体管功率场效应晶体管开通过程开通过程开开通通延延迟迟时时间间td(on):从uP前沿时刻到 uGS=UT 并开始出现 iD的这段时间上上升升时时间间tr:uGS从开启电压上升到MOSFET进入非饱和区的栅压uGSP的时间开开

46、通通时时间间ton开通延迟时间与上升时间之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图9.5-5功率MOSFET的开关过程a)测试电路b)开关过程波形up脉冲信号源，Rs信号源内阻，RG栅极电阻，RL负载电阻，RF检测漏极电流(2)动态特性动态特性ton=td(on)+tr2021/9/2169第五节第五节功率场效应晶体管功率场效应晶体管关断过程关断过程关关断断延延迟迟时时间间td(off):从脉冲电压up下降到零时，栅极输入电容Cin通过信号源内阻RG(RS)和栅极电阻开始放电，栅极电压uGS按指数曲线下降，

47、下降到uGSP时，漏极电流iD开始减小的这段时间.下下降降时时间间tf:Cin继续放电，uGS从继续下降，iD减小，到 uSG 20V将导致绝缘层击穿。除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：(4)极间电容极间电容极间电容CGS、CGD和CDS2021/9/2173第六节第六节 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistorIGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。继续

48、提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。MOSFET的优点单极型，电压驱动，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动电路简单。2021/9/2174第六节第六节 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1)IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极E图9.6-1IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号2021/9/2175第六节第六节 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管图aN沟道VDM

49、OSFET与GTR组合N沟道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力。简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。RN为晶体管基区内的调制电阻。图9.6-1IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号IGBT的结构的结构2021/9/2176第六节第六节 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管驱动原理与功率MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导导通通：uGE大于开开启启电电压压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提

50、供基极电流，IGBT导通。通态压降通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关关断断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。IGBT的原理的原理2021/9/2177a)b)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加第六节第六节 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2)IGBT的基本特性的基本特性(1)IGBT的静态特性的静态特性图9.6-2IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性转移特性转移特性IC与UGE间的关系(开启电开启电压压UGE(th)输出特性