電力電子技術(shù)及應(yīng)用課件05

1、2022-3-812.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)世紀(jì)80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代。嶄新時(shí)代。典型代表典型代表門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力電力MOSFETIGBT單管及模塊單管及模塊2022-3-822.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件，但晶閘管的一種派生器件，但可以通過(guò)在門極施加負(fù)的脈沖可以通過(guò)在門極施加負(fù)的脈沖

2、電流使其關(guān)斷，因而屬于電流使其關(guān)斷，因而屬于全控全控型器件型器件。 GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 GTO的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 是是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)四層半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)構(gòu)。 是一種多元的功率集成是一種多元的功率集成 器件，雖然外部同樣引出個(gè)器件，雖然外部同樣引出個(gè) 極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個(gè)甚極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個(gè)甚 至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小小GTO 元元，這些，這些GTO元的元的陰極陰極和和門門 極極則在器件內(nèi)部則在器件內(nèi)部并聯(lián)并聯(lián)在一起。在一起。 圖圖2-14 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形各單元的陰極、門極間隔排列的圖形

3、b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào) 2022-3-832.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 圖圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型晶閘管的雙晶體管模型 及其工作原理及其工作原理 a) 雙晶體管模型雙晶體管模型 b) 工作原理工作原理GTO的工作原理的工作原理 仍然可以用如圖仍然可以用如圖2-8所示的所示的雙晶體雙晶體管模型管模型來(lái)分析，來(lái)分析，V1、V2的共基極電流的共基極電流增益分別是增益分別是 1、 2。 1+ 2=1是器件臨是器件臨界導(dǎo)通的條件，大于界導(dǎo)通的條件，大于1導(dǎo)通，小于導(dǎo)通，小于1則則關(guān)斷。關(guān)斷。 GTO與普通晶閘管的不同與普通

4、晶閘管的不同 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 2較大，使晶體管較大，使晶體管V2控制控制 靈靈敏，易于敏，易于GTO關(guān)斷。關(guān)斷。 導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí) 1+ 2更接近更接近1，導(dǎo)通時(shí)接，導(dǎo)通時(shí)接近近臨界飽和臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管導(dǎo)通時(shí)管壓降壓降增大。增大。 多元集成結(jié)構(gòu)，使得多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)基區(qū)橫向橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。電阻很小，能從門極抽出較大電流。 2022-3-842.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管GTO的導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管是一樣的，的導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管是一樣的，只不過(guò)導(dǎo)通時(shí)只不過(guò)導(dǎo)通時(shí)飽和程度飽和程度較淺。較淺。 而關(guān)斷時(shí)，給門極加負(fù)脈沖，

5、即從門極抽而關(guān)斷時(shí)，給門極加負(fù)脈沖，即從門極抽出電流，當(dāng)兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流出電流，當(dāng)兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流IA和和IK的的減小使減小使 1+ 21時(shí)，器件退出時(shí)，器件退出飽和飽和而關(guān)斷。而關(guān)斷。 GTO的的多元集成結(jié)構(gòu)多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管使得其比普通晶閘管開通過(guò)程開通過(guò)程更快，承受更快，承受di/dt的能力增強(qiáng)。的能力增強(qiáng)。 2022-3-852.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管GTO的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性 開通過(guò)程與普通晶閘管開通過(guò)程與普通晶閘管類似。類似。 關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程 儲(chǔ)存時(shí)間儲(chǔ)存時(shí)間ts 下降時(shí)間下降時(shí)間tf 尾部時(shí)間尾部時(shí)間tt 通常通常tf比比ts小得多，而小得

6、多，而tt比比ts要長(zhǎng)。要長(zhǎng)。 門極負(fù)脈沖電流門極負(fù)脈沖電流幅值幅值越大，越大，前沿前沿越陡，越陡， ts就越就越短。使門極負(fù)脈沖的短。使門極負(fù)脈沖的后沿后沿緩慢衰減，在緩慢衰減，在tt階段仍能階段仍能保持適當(dāng)?shù)谋３诌m當(dāng)?shù)呢?fù)電壓負(fù)電壓，則可，則可以縮短以縮短尾部時(shí)間尾部時(shí)間。圖圖2-15 GTO的開通和關(guān)斷過(guò)程電流波形的開通和關(guān)斷過(guò)程電流波形 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導(dǎo)通時(shí)抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流儲(chǔ)存的大量載流子的時(shí)間子的時(shí)間等效晶體管從飽等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減陽(yáng)極電流逐漸減小時(shí)間

7、小時(shí)間 殘存殘存載流載流子復(fù)子復(fù)合所合所需時(shí)需時(shí)間間 2022-3-862.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同。的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同。 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO 用來(lái)標(biāo)稱用來(lái)標(biāo)稱GTO額定電流額定電流。 電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益 off 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO與門極負(fù)脈沖電流最大值與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。之比。 off一般很小，只有一般很小，只有5左右，這是左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。的一個(gè)主要缺點(diǎn)。 開通時(shí)間開通時(shí)間ton 延遲延遲時(shí)

8、間與時(shí)間與上升上升時(shí)間之和。時(shí)間之和。 延遲時(shí)間一般約延遲時(shí)間一般約12 s，上升時(shí)間則隨，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流值通態(tài)陽(yáng)極電流值的增大而的增大而 增大。增大。 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff 一般指一般指儲(chǔ)存儲(chǔ)存時(shí)間和時(shí)間和下降下降時(shí)間之和，而不包括時(shí)間之和，而不包括尾部尾部時(shí)間。時(shí)間。 儲(chǔ)存時(shí)間隨儲(chǔ)存時(shí)間隨陽(yáng)極電流陽(yáng)極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般小于的增大而增大，下降時(shí)間一般小于2 s。不少不少GTO都制造成都制造成逆導(dǎo)型逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管。當(dāng)需要承受反向電，類似于逆導(dǎo)晶閘管。當(dāng)需要承受反向電壓時(shí)，應(yīng)和壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管電力二極管串聯(lián)使用。串聯(lián)使用。 2022-3-872.4.2 電

9、力晶體管電力晶體管電力晶體管（電力晶體管（Giant TransistorGTR）按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的大電流的雙極結(jié)型晶體管（雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT） GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。樣的。 最主要的特性是最主要的特性是耐壓高耐壓高、電流大電流大、開關(guān)開關(guān)特性好。特性好。 2022-3-88 GTR的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 采用至少由兩個(gè)晶體管按采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)，并

10、采用集組成的單元結(jié)構(gòu)，并采用集成電路工藝將許多這種單元成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)并聯(lián)而成。而成。 GTR是由是由三層半導(dǎo)體三層半導(dǎo)體（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成的兩個(gè)的兩個(gè)PN結(jié)（集電結(jié)和發(fā)射結(jié)）構(gòu)成，多采用結(jié)（集電結(jié)和發(fā)射結(jié)）構(gòu)成，多采用NPN結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。2.4.2 電力晶體管電力晶體管圖圖2-16 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào) c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng)內(nèi)部載流子的流動(dòng)+表示高表示高摻雜濃摻雜濃度，度，-表表示低摻示低摻雜

11、濃度雜濃度 2022-3-892.4.2 電力晶體管電力晶體管Iiiceobc空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib圖圖2-16 c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng)內(nèi)部載流子的流動(dòng) iibc在應(yīng)用中，在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流法。集電極電流ic與基極電流與基極電流ib之比為之比為 稱為稱為GTR的的電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)，它反映，它反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力。了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，時(shí)，ic和和ib的關(guān)系為的關(guān)系為 單管單管GTR的的 值比處理信息用

12、的小功值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為率晶體管小得多，通常為10左右，采用左右，采用達(dá)林頓接法達(dá)林頓接法可以有效地增大電流增益?？梢杂行У卦龃箅娏髟鲆?。(2-9)(2-10)2022-3-8102.4.2 電力晶體管電力晶體管GTR的基本特性的基本特性 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 在在共發(fā)射極共發(fā)射極接法時(shí)的典接法時(shí)的典 型輸出特性分為型輸出特性分為截止區(qū)截止區(qū)、放放 大區(qū)大區(qū)和和飽和區(qū)飽和區(qū)三個(gè)區(qū)域。三個(gè)區(qū)域。 在電力電子電路中，在電力電子電路中， GTR工作在工作在開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)，即工，即工 作在作在截止區(qū)截止區(qū)或或飽和區(qū)飽和區(qū)。 在開關(guān)過(guò)程中，即在截在開關(guān)過(guò)程中，即在截 止區(qū)和飽和區(qū)之

13、間過(guò)渡時(shí)，止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)， 一般要經(jīng)過(guò)一般要經(jīng)過(guò)放大區(qū)放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib220V將導(dǎo)致絕緣層將導(dǎo)致絕緣層擊穿。擊穿。 極間電容極間電容 CGS、CGD和和CDS。 漏源間的漏源間的耐壓耐壓、漏極最大允許、漏極最大允許電流電流和最大和最大耗散功率耗散功率決決定了電力定了電力MOSFET的安全工作區(qū)。的安全工作區(qū)。 2022-3-8242.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管GTR和和GTO是雙極型電流驅(qū)動(dòng)器件，由于具有是雙極型電流驅(qū)動(dòng)器件，由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)，但開關(guān)速度較電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)，但開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)

14、功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。而電力低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。而電力MOSFET是單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件，開關(guān)速度快，是單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。動(dòng)電路簡(jiǎn)單。絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolar TransistorIGBT或或IGT）綜合了綜合了GTR和和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。 2022-3-8252.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 IGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

15、是三端器件，具有是三端器件，具有柵極柵極G、 集電極集電極C和和發(fā)射極發(fā)射極E。 由由N溝道溝道VDMOSFET與與雙雙 極型晶體管極型晶體管組合而成的組合而成的IGBT， 比比VDMOSFET多一層多一層P+注入注入 區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào) 制，使得制，使得IGBT具有很強(qiáng)的具有很強(qiáng)的通流通流 能力。能力。 簡(jiǎn)化等效電路表明，簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT 是用是用GTR與與MOSFET組成的組成的達(dá)達(dá) 林頓林頓結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個(gè)由結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個(gè)由 MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶晶 體管。體管。 圖圖2-23 IGBT的結(jié)構(gòu)、的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和

16、電氣簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等簡(jiǎn)化等效電路效電路 c) 電氣圖形符電氣圖形符號(hào)號(hào)RN為晶體為晶體管基區(qū)內(nèi)的管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。調(diào)制電阻。 2022-3-8262.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT的工作原理的工作原理 IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，是一種基本相同，是一種場(chǎng)場(chǎng)控控器件。器件。 其開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓其開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。決定的。 當(dāng)當(dāng)UGE為正且大于開啟電壓為正且大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，時(shí)，MOSFET內(nèi)形成內(nèi)形成溝道，并為

17、晶體管提供基極電流進(jìn)而使溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。導(dǎo)通。 當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號(hào)時(shí)，當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得得IGBT關(guān)斷。關(guān)斷。 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得電阻使得電阻RN減小，這樣高耐壓的減小，這樣高耐壓的IGBT也也具有很小的具有很小的通態(tài)壓降通態(tài)壓降。 2022-3-8272.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT的基本特性的基本特性 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 描述的是集電極電流描述的是集電極電流 IC與柵射電壓與柵

18、射電壓UGE之間的之間的 關(guān)系。關(guān)系。 開啟電壓開啟電壓UGE(th)是是 IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而 導(dǎo)通的最低柵射電壓，隨導(dǎo)通的最低柵射電壓，隨 溫度溫度升高而略有下降。升高而略有下降。 （a）圖圖2-24 IGBT的轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 2022-3-8282.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管輸出特性（伏安特性）輸出特性（伏安特性） 描述的是以柵射電壓描述的是以柵射電壓為參考變量時(shí)，集電極電為參考變量時(shí)，集電極電流流IC與集射極間電壓與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 分為三個(gè)區(qū)域：分為三個(gè)區(qū)域：正向正向阻斷區(qū)阻斷

19、區(qū)、有源區(qū)有源區(qū)和和飽和區(qū)飽和區(qū)。 當(dāng)當(dāng)UCE0時(shí)，時(shí)，IGBT為為反向阻斷工作狀態(tài)。反向阻斷工作狀態(tài)。 在電力電子電路中，在電力電子電路中，IGBT工作在工作在開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)，因而是在因而是在正向阻斷區(qū)正向阻斷區(qū)和和飽飽和區(qū)和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。 (b)圖圖2-24 IGBT的轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性移特性和輸出特性 b) 輸出特性輸出特性 2022-3-8292.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 開通過(guò)程開通過(guò)程 開通延遲時(shí)間開通延遲時(shí)間td(on) 電流上升時(shí)間電流上升時(shí)間tr 電壓下降時(shí)間電壓下降時(shí)間tfv 開通時(shí)間開通時(shí)間ton= td(on)+tr

20、+ tfv tfv分為分為tfv1和和tfv2兩段。兩段。 關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程 關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) 電壓上升時(shí)間電壓上升時(shí)間trv 電流下降時(shí)間電流下降時(shí)間tfi 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff = td(off) +trv+tfi tfi分為分為tfi1和和tfi2兩段兩段 引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度要低于電力的開關(guān)速度要低于電力MOSFET。 圖圖2-25 IGBT的開關(guān)過(guò)程的開關(guān)過(guò)程2022-3-8302.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù) 前面提到的各參數(shù)。前面提到的各參數(shù)。 最大集射極間電壓最大集射

21、極間電壓UCES 由器件內(nèi)部的由器件內(nèi)部的PNP晶體管所能承受的擊穿電晶體管所能承受的擊穿電壓所確定的。壓所確定的。 最大集電極電流最大集電極電流 包括額定直流電流包括額定直流電流IC和和1ms脈寬最大電流脈寬最大電流ICP。 最大集電極功耗最大集電極功耗PCM 在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。 2022-3-8312.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下： 開關(guān)速度開關(guān)速度高，高，開關(guān)損耗開關(guān)損耗小。小。 在相同電壓和電流定額的情況下，在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的的安安全

22、工作區(qū)全工作區(qū)比比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。能力。 通態(tài)壓降通態(tài)壓降比比VDMOSFET低，特別是在電流較低，特別是在電流較大的區(qū)域。大的區(qū)域。 輸入阻抗輸入阻抗高，其輸入特性與電力高，其輸入特性與電力MOSFET類類似。似。 與電力與電力MOSFET和和GTR相比，相比，IGBT的的耐壓耐壓和和通流能力通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開關(guān)頻率開關(guān)頻率高高的特點(diǎn)。的特點(diǎn)。 2022-3-8322.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū) IGBT的擎住效應(yīng)的擎住效應(yīng) 在在I

23、GBT內(nèi)部寄生著一個(gè)內(nèi)部寄生著一個(gè)N-PN+晶體管和作為主開晶體管和作為主開關(guān)器件的關(guān)器件的P+N-P晶體管組成的寄生晶閘管。其中晶體管組成的寄生晶閘管。其中NPN晶體晶體管的基極與發(fā)射極之間存在管的基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫形體區(qū)的橫向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)J3結(jié)施加一結(jié)施加一個(gè)個(gè)正向偏壓正向偏壓，一旦，一旦J3開通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的開通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控，這種現(xiàn)象稱為控制作用，電流失控，這種現(xiàn)象稱為擎住效應(yīng)擎住效應(yīng)或或自鎖效應(yīng)自鎖效應(yīng)。 引發(fā)擎住效應(yīng)的原因，可能是引

24、發(fā)擎住效應(yīng)的原因，可能是集電極電流集電極電流過(guò)大（靜過(guò)大（靜態(tài)擎住效應(yīng)），態(tài)擎住效應(yīng)），dUCE/dt過(guò)大（動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)），或過(guò)大（動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)），或溫度溫度升高。升高。 動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流還要小，因此所允許的最大集電極電流實(shí)際上是根據(jù)還要小，因此所允許的最大集電極電流實(shí)際上是根據(jù)動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)擎住效應(yīng)而確定的。而確定的。2022-3-8332.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBT的安全工作區(qū)的安全工作區(qū) 正向偏置正向偏置安全工作區(qū)（安全工作區(qū)（Forward Biased Safe Operating Ar

25、eaFBSOA） 根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。最大集電極功耗確定。 反向偏置反向偏置安全工作區(qū)（安全工作區(qū)（Reverse Biased Safe Operating AreaRBSOA） 根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率最大允許電壓上升率dUCE/dt。 2022-3-834全控型器件特點(diǎn)表UGE2022-3-8352.5 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件 2.5.1 MOS控制晶閘管控制晶閘管MCT 2.5.2 靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶體管SIT 2.5

26、.3 靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管SITH 2.5.4 集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管IGCT 2.5.5 基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力 電子器件電子器件2022-3-8362.5.1 MOS控制晶閘管控制晶閘管MCTMCT（MOS Controlled Thyristor）是將）是將MOSFET與與晶閘管晶閘管組合而成的復(fù)合型器件。組合而成的復(fù)合型器件。 結(jié)合了結(jié)合了MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率、的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率、快速的開關(guān)過(guò)程和晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通快速的開關(guān)過(guò)程和晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降的特點(diǎn)。壓降的特點(diǎn)。由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的由數(shù)以萬(wàn)計(jì)

27、的MCT元元組成，每個(gè)元的組成為：組成，每個(gè)元的組成為：一個(gè)一個(gè)PNPN晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開通的晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。 其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有大的突破，電壓和電流容量其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。 2022-3-8372.5.2 靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶體管SIT是一種是一種結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。是一種是一種多子導(dǎo)電多子導(dǎo)電的器件，其的器件，其工作頻率工作頻率與電力與電力MOSFET相相當(dāng)，甚至超過(guò)電力當(dāng)

28、，甚至超過(guò)電力MOSFET，而，而功率容量功率容量也比電力也比電力MOSFET大，因而適用于大，因而適用于高頻大功率高頻大功率場(chǎng)合。場(chǎng)合。柵極不加任何信號(hào)時(shí)是導(dǎo)通的，柵極加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，柵極不加任何信號(hào)時(shí)是導(dǎo)通的，柵極加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，這被稱為這被稱為正常導(dǎo)通型器件正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便，此外，使用不太方便，此外SIT通態(tài)電通態(tài)電阻阻較大，使得較大，使得通態(tài)損耗通態(tài)損耗也大，因而也大，因而SIT還未在大多數(shù)電力電還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。 2022-3-8382.5.3 靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管SITH可以看作是可以看作是SIT與與GTO復(fù)合而成。復(fù)

29、合而成。 又被稱為又被稱為場(chǎng)控晶閘管（場(chǎng)控晶閘管（Field Controlled ThyristorFCT），），本質(zhì)上是兩種載流子導(dǎo)電本質(zhì)上是兩種載流子導(dǎo)電的的雙極型雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)。通流能力強(qiáng)。 其很多特性與其很多特性與GTO類似，但類似，但開關(guān)速度開關(guān)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。 一般也是正常導(dǎo)通型，但也有一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型正常關(guān)斷型 ，電，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。 2022-3-8392.5.

30、4 集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管IGCT是將一個(gè)平板型的是將一個(gè)平板型的GTO與由很多個(gè)并聯(lián)的電力與由很多個(gè)并聯(lián)的電力MOSFET器件和其它輔助元件組成的器件和其它輔助元件組成的GTO門極驅(qū)門極驅(qū)動(dòng)電路采用精心設(shè)計(jì)的互聯(lián)結(jié)構(gòu)和封裝工藝集成在動(dòng)電路采用精心設(shè)計(jì)的互聯(lián)結(jié)構(gòu)和封裝工藝集成在一起。一起。 容量容量與普通與普通GTO相當(dāng)，但相當(dāng)，但開關(guān)速度開關(guān)速度比普通的比普通的GTO快快10倍，而且可以簡(jiǎn)化普通倍，而且可以簡(jiǎn)化普通GTO應(yīng)用時(shí)龐大應(yīng)用時(shí)龐大而復(fù)雜的而復(fù)雜的緩沖電路緩沖電路，只不過(guò)其所需的，只不過(guò)其所需的驅(qū)動(dòng)功率驅(qū)動(dòng)功率仍然仍然很大。很大。 目前正在與目前正在與IGBT等新型器件

31、激烈競(jìng)爭(zhēng)。等新型器件激烈競(jìng)爭(zhēng)。2022-3-8402.5.5 基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件硅的禁帶寬度為硅的禁帶寬度為1.12電子伏特（電子伏特（eV），而寬禁帶半導(dǎo)體，而寬禁帶半導(dǎo)體材料是指禁帶寬度在材料是指禁帶寬度在3.0電子伏特電子伏特左右及以上的半導(dǎo)體材左右及以上的半導(dǎo)體材料，典型的是碳化硅（料，典型的是碳化硅（SiC）、氮化鎵（）、氮化鎵（GaN）、金剛石等）、金剛石等材料。材料。基于寬禁帶半導(dǎo)體材料（如碳化硅）的電力電子器件將基于寬禁帶半導(dǎo)體材料（如碳化硅）的電力電子器件將具有比硅器件高得多的耐受高電壓的能力、低得多的通態(tài)具有比硅器件高得多的

32、耐受高電壓的能力、低得多的通態(tài)電阻、更好的導(dǎo)熱性能和熱穩(wěn)定性以及更強(qiáng)的耐受高溫和電阻、更好的導(dǎo)熱性能和熱穩(wěn)定性以及更強(qiáng)的耐受高溫和射線輻射的能力，許多方面的性能都是成數(shù)量級(jí)的提高。射線輻射的能力，許多方面的性能都是成數(shù)量級(jí)的提高。寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展一直佑于材料的提煉和制造以寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展一直佑于材料的提煉和制造以及隨后的半導(dǎo)體制造工藝的困難。及隨后的半導(dǎo)體制造工藝的困難。 2022-3-8412.6 功率集成電路與集成電力電子模功率集成電路與集成電力電子模塊塊基本概念基本概念 20世紀(jì)世紀(jì)80年代中后期開始，模塊化趨勢(shì)，將多年代中后期開始，模塊化趨勢(shì)，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱

33、為個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱為功率模塊功率模塊。 可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性?？煽s小裝置體積，降低成本，提高可靠性。 對(duì)工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，對(duì)工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡(jiǎn)化對(duì)保護(hù)和緩沖電路的要求。從而簡(jiǎn)化對(duì)保護(hù)和緩沖電路的要求。 將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測(cè)、自將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測(cè)、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率功率集成電路（集成電路（Power Integrated CircuitPIC）。2022-3-8422.6 功率集成電路與集成電力電子模功率集成電路與集成電力電

34、子模塊塊實(shí)際應(yīng)用電路實(shí)際應(yīng)用電路 高壓集成電路（高壓集成電路（High Voltage ICHVIC） 一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片 集成。集成。 智能功率集成電路（智能功率集成電路（Smart Power ICSPIC） 一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片 集成。集成。 智能功率模塊（智能功率模塊（Intelligent Power ModuleIPM） 專指專指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片 集成，也稱智能集成，也稱智能IGBT（Intelligent IGBT）。）。 2022-3-8432.6 功率集成電路與集成電力電子模功率集成電路與集成電力電子模塊塊發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀 功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)：高低壓電路之功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)：高低壓電路之間的間的絕緣絕緣問(wèn)題以及問(wèn)題以及溫升溫升和和散熱散熱的處理。的處理。 以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在中小功中小功率率應(yīng)用場(chǎng)合。應(yīng)用場(chǎng)合。 智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個(gè)難智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個(gè)難點(diǎn)點(diǎn),最近幾年獲得了迅速發(fā)展。最近幾年獲得了迅速發(fā)展。 功率集成電路實(shí)現(xiàn)了電能和信息的集成，成為功率集成