1、第2章 電力電子器件(II)2目 錄2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型電力電子器件 2.6 功率集成電路與集成電力電子模塊32.4 典型全控型器件門(mén)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)80年代以來(lái)，信息電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合 高頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，從而將電力電子技術(shù)又帶入了一個(gè)嶄新時(shí)代。全控型電力電子器件的典型代表 門(mén)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MOSFETIGBT單管及模塊42.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）晶閘管的

2、一種派生器件；可以通過(guò)在門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷；GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。5GTO的結(jié)構(gòu)與普通晶閘管的相同點(diǎn)： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門(mén)極；和普通晶閘管的不同：GTO是一種多元的功率集成器件6GTO的工作原理與普通晶閘管一樣，可以用雙晶體管模型來(lái)分析1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。當(dāng)1+21時(shí)，兩個(gè)等效晶體管過(guò)飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)1+21時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷7GTO的工作原理GTO能夠通過(guò)門(mén)極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：（1）設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷；（2）導(dǎo)通時(shí)

3、1+2更接近1（1.05），GTO導(dǎo)通時(shí)飽和不深，接近臨界飽和，有利于門(mén)極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大；（3）多元集成結(jié)構(gòu)使GTO元陰極面積很小，門(mén)、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門(mén)極抽出較大電流。8GTO的工作原理GTO導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺關(guān)斷過(guò)程門(mén)極加負(fù)脈沖，即從門(mén)極抽出電流，則Ib2減小，使IK和Ic2減小，Ic2的減小又使IA和Ic1減小，又進(jìn)一步減小V2的基極電流；當(dāng)IA和IK的減小使1+21時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷；多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程快，承受di/dt 能力強(qiáng)。 9GTO的動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通過(guò)程：與普通晶閘管類(lèi)似，需經(jīng)過(guò)

4、延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr關(guān)斷過(guò)程：與普通晶閘管有所不同通常下降時(shí)間tf 儲(chǔ)存時(shí)間ts BUcex BUces BUcer BUceo實(shí)際使用時(shí)，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。19GTR的主要參數(shù) 集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/21/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic；實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。 集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率；產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中給PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度 。20GTR的二次擊穿現(xiàn)象一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿，被稱(chēng)為一次擊穿；出現(xiàn)一次擊穿后，只要Ic

5、不超過(guò)限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。21GTR的二次擊穿現(xiàn)象二次擊穿一次擊穿發(fā)生時(shí)，如不有效地限制電流，Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱(chēng)為二次擊穿；二次擊穿常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。注：從上而下分別表示發(fā)射結(jié)處于正向偏置、開(kāi)路和反向偏置情況下的二次擊穿特性22GTR的安全工作區(qū)安全工作區(qū)（Safe Operating Area SOA）將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn)連接起來(lái)，構(gòu)成二次擊穿臨界線；臨界線上的點(diǎn)反應(yīng)了二次擊穿功率PSB；最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM不能超過(guò)二次擊穿臨界線限定。G

6、TR的安全工作區(qū)SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM二次擊穿功率232.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管類(lèi)似小功率的用于信息處理的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field Effect TransistorFET），電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型；電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），簡(jiǎn)稱(chēng)電力MOSFET（Power MOSFET）；結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱(chēng)作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction Transistor SIT）；242.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力MOSFET 的特點(diǎn) 用柵極電壓來(lái)控制漏極電流驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)

7、單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小；開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高；熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR；電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置。25電力MOSFET的結(jié)構(gòu)按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道耗盡型 當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道增強(qiáng)型 對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型三端器件：漏極（D），源極（S）和柵極（G）26電力MOSFET的結(jié)構(gòu)導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管；導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別；小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷浑娏OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，大大提高了 M

8、OSFET器件的耐壓和耐電流能力電力MOSFET是多元集成結(jié)構(gòu)，由許多個(gè)小MOSFET單元組成。27電力MOSFET的工作原理截止：漏源極間（DS）加正電壓，柵源極間（GS）電壓為零，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS，當(dāng)UGS大于UT（開(kāi)啟電壓或閾值電壓）時(shí)，使P型半導(dǎo)體反型成N型半導(dǎo)體，形成反型層，使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電 。一般電力MOSFET的耐壓能力在1000V以下28電力MOSFET的基本特性1)靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱(chēng)為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性；ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs是電壓控制型器件，其輸入

9、阻抗極高，輸入電流非常小。29電力MOSFET的基本特性 MOSFET的漏極伏安特性截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）電力MOSFET工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換電力MOSFET的輸出特性30電力MOSFET的基本特性電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。兩個(gè)器件并聯(lián)，若R1 I2。正溫度特性導(dǎo)致R1 R2，最后使R1R2，I1I2，均流！31電力MOSFET的基本特性2)動(dòng)態(tài)特性開(kāi)關(guān)過(guò)程a) 測(cè)試電路 b) 開(kāi)關(guān)過(guò)程波

10、形up為矩形脈沖電壓信號(hào)源，Rs為信號(hào)源內(nèi)阻，RG為柵極電阻，RL為漏極負(fù)載電阻，RF用于檢測(cè)漏極電流。32電力MOSFET的基本特性MOSFET的開(kāi)關(guān)速度MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和輸入電容的充放電有很大關(guān)系Cin無(wú)法降低，但可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開(kāi)關(guān)速度不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而關(guān)斷過(guò)程非常迅速開(kāi)關(guān)時(shí)間在10100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的電力MOSFET是場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大33電力MOSFET的主要參數(shù)跨導(dǎo)Gfs、開(kāi)啟電壓UT以及td(

11、on)、tr、td(off)和tf漏極電壓UDS 電力MOSFET電壓定額漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM 電力MOSFET電流定額柵源電壓UGSUGS20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿極間電容MOSFET三個(gè)電極之間分別存在極間電容CGS、CGD和CDS漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區(qū)；電力MOSFET一般不存在二次擊穿問(wèn)題342.4.4 絕緣柵雙極晶體管GTR和GTO的特點(diǎn) 雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，通流能力很強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜；MOSFET的優(yōu)點(diǎn) 單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開(kāi)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)動(dòng)電路

12、簡(jiǎn)單；絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT）綜合了 GTR和電力MOSFET二者的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的特性；351.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT于1986年投入市場(chǎng)后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場(chǎng)，成為中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件；繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。36IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極EN溝道VDMOSFET與GTR組合 N溝道IGBT（N-IGBT）簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管RN

13、為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。 37IGBT的工作原理驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通；導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使調(diào)制電阻RN減小，使通態(tài)壓降小關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷38IGBT的基本特性1) IGBT的靜態(tài)特性轉(zhuǎn)移特性 IC與UGE間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類(lèi)似開(kāi)啟電壓UGE(th) IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25C時(shí)，U

14、GE(th)的值一般為26V39IGBT的基本特性輸出特性（伏安特性） 以UGE為參考變量時(shí)，IC與UCE間的關(guān)系分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對(duì)應(yīng)uCE0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)40IGBT的基本特性2)IGBT的動(dòng)態(tài)特性IGBT的開(kāi)通過(guò)程與MOSFET的相似開(kāi)通時(shí)，uCE的下降過(guò)程分為tfv1和tfv2兩段。前者為IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程；后者為MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過(guò)程。41IGBT的基本特性 IGBT的關(guān)斷過(guò)程電流下降分為兩段。第一段對(duì)應(yīng)IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過(guò)程，iC下降較快；

15、第二段對(duì)應(yīng)IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過(guò)程，iC下降較慢。關(guān)斷延遲時(shí)間與電流下降時(shí)間之和為關(guān)斷時(shí)間toff42IGBT的主要參數(shù)1) 最大集射極間電壓UCES由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定2)最大集電極電流包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP3) 最大集電極功耗PCM 正常工作溫度下允許的最大功耗43IGBT的特性和特點(diǎn)開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。 相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力；通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域；輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類(lèi)似；與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開(kāi)關(guān)

16、頻率高的特點(diǎn)。IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件。 442.5 其他新型電力電子器件 2.5.1 MOS控制晶閘管MCT2.5.2 靜電感應(yīng)晶體管SIT2.5.3 靜電感應(yīng)晶閘管SITH2.5.4 集成門(mén)極換流晶閘管IGCT2.5.5 基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件452.5.1 MOS控制晶閘管MCT MCT（MOS Controlled Thyristor） MOSFET與晶閘管的復(fù)合 MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)： MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率、快速的開(kāi)關(guān)過(guò)程； 晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降；一個(gè)MCT器件由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的MCT元組成MCT曾一度被認(rèn)

17、為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器件。但其關(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。462.5.2 靜電感應(yīng)晶體管SITSIT（Static Induction Transistor），結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管；小功率SIT器件的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)改為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，即可制成大功率的SIT器件；多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場(chǎng)合；缺點(diǎn)柵極不加信號(hào)時(shí)導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，稱(chēng)為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用472.5.3 靜電感應(yīng)晶閘管SITHSIT

18、H（Static Induction Thyristor），在SIT的漏極層上附加一層與漏極層導(dǎo)電類(lèi)型不同的發(fā)射極層而得到；工作原理與SIT類(lèi)似，門(mén)極和陽(yáng)極電壓均能通過(guò)電場(chǎng)控制陽(yáng)極電流，因此SITH又被稱(chēng)為場(chǎng)控晶閘管（Field Controlled Thyristor FCT）；很多特性與GTO類(lèi)似，但開(kāi)關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件；SITH一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，其制造工藝比GTO復(fù)雜得多，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。482.5.4 集成門(mén)極換流晶閘管IGCTIGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）

19、，也稱(chēng)GCT（Gate-Commutated Thyristor），20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)；結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點(diǎn)，容量與GTO相當(dāng)，開(kāi)關(guān)速度快10倍，且可省去GTO龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過(guò)所需的驅(qū)動(dòng)功率仍很大；目前正在與IGBT等新型器件激烈競(jìng)爭(zhēng)，試圖最終取代GTO在大功率場(chǎng)合的位置。492.5.5 基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件典型的是碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、金剛石等材料。特點(diǎn)：具有高的擊穿電場(chǎng)、高的熱導(dǎo)率、高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力特別適合制作高溫、高頻及大功率器件又稱(chēng)為高溫半導(dǎo)體材料寬禁帶半導(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

20、藝的困難。 502.5.5 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)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。以碳化硅為例最高工作溫度有可能超過(guò)600度擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的8倍電子飽和漂移速度是硅的2倍工作頻率可達(dá)硅器件的10倍以上512.6 功率集成電路與集成電力電子模塊20世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始，模塊化趨勢(shì)，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱(chēng)為功率模塊；可縮小裝置體積，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，從而簡(jiǎn)化對(duì)保護(hù)和緩沖電路的要求；

21、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(chēng)為功率集成電路（Power Integrated Circuit PIC）。522.6 功率集成電路與集成電力電子模塊實(shí)際應(yīng)用電路 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集成。 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集成。 智能功率模塊（Intelligent Power ModuleIPM）專(zhuān)指IGBT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(chēng)智能IGBT（Intelligent IGBT）。 532.6 功率集成電路與集成電力電子模塊發(fā)展現(xiàn)狀功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)：高低壓電路之間的絕緣問(wèn)題以