1電力系統(tǒng)中的常用電力電子器件21.1電力電子器件概述1.2不可控器件——二極管1.3半控型器件——晶閘管1.4經(jīng)典全控型器件1.5其他新型電力電子器件1.6電力電子器件的驅(qū)動(dòng)1.7電力電子器件的保護(hù)1）概念:電力電子器件（PowerElectronicDevice）——可直接用于主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。主電路（MainPowerCircuit）——電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。2）分類:電真空器件(汞弧整流器-大功率高頻電源中、閘流管)半導(dǎo)體器件(采用的重要材料硅）3電子技術(shù)的基礎(chǔ)

———電子器件：晶體管和集成電路電力電子電路的基礎(chǔ)

———電力電子器件能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)不小于處理信息的電子器件（毫瓦-兆瓦）。電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)（處理的電功率較大）；模電：放大狀態(tài)；數(shù)電：開(kāi)關(guān)狀態(tài)，運(yùn)用開(kāi)關(guān)狀態(tài)表達(dá)不一樣信息。電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制（需要把信號(hào)放大，即加驅(qū)動(dòng)電路）。電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)不小于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。43）同處理信息的電子器件相比的一般特性：通態(tài)損耗是器件功率損耗的重要成因。器件開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也許成為器件功率損耗的重要原因。5主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗（微小的漏電流流過(guò)）開(kāi)關(guān)損耗關(guān)斷損耗開(kāi)通損耗

電力電子器件的損耗電力電子器件的分類半控型器件（Thyristor）(半導(dǎo)體閘流管)

——通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件（IGBT,MOSFET)——通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。6按照器件可以被控制的程度，分為如下三類：電力電子器件的分類電流驅(qū)動(dòng)型

——通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動(dòng)型

——僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。7

按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：不可控器件—電力二極管·引言PowerDiode構(gòu)造和原理簡(jiǎn)樸，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用（半導(dǎo)體整流器，逐漸取代汞弧整流器）。大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備中，快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場(chǎng)所，具有不可替代的地位。8整流二極管及模塊PN結(jié)與電力二極管的工作原理基本構(gòu)造和工作原理與信息電子電路中的二極管同樣。由一種面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝構(gòu)成的。從外形上看，重要有螺栓型和平板型兩種封裝。9圖1-2電力二極管的外形、構(gòu)造和電氣圖形符號(hào)a)外形b)構(gòu)造c)電氣圖形符號(hào)AKAKa)IKAPNJb)c)AK1.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理

狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷壕S持1V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)——10二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一重要特性。PN結(jié)的反向擊穿（兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿均也許導(dǎo)致熱擊穿PN結(jié)的狀態(tài)PN結(jié)與電力二極管的工作原理PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，展現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差異分為勢(shì)壘電容CB（只在外加電壓變化時(shí)才起作用，大小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層厚度成反比）和擴(kuò)散電容CD（僅在正向偏置時(shí)起作用）。電容影響PN結(jié)的工作頻率，尤其是在高速的開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，可使其單向?qū)щ娦宰儾睢?1PN結(jié)的電容效應(yīng)：電力二極管的基本特性重要指其伏安特性門檻電壓UTO，正向電流IF伴隨所對(duì)應(yīng)的電壓增長(zhǎng)而開(kāi)始明顯增長(zhǎng)。與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF。承受反向電壓時(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。12圖1-4電力二極管的伏安特性1)靜態(tài)特性IOIFUTOUFU電力二極管的基本特性2)動(dòng)態(tài)特性

——二極管的電壓-電流特性隨時(shí)間變化的

——結(jié)電容的存在13b)UFPuiiFuFtfrt02Va)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形

a)正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置延遲時(shí)間：td=t1-t0,電流下降時(shí)間：tf=t2-t1反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td+tf恢復(fù)特性的軟度：下降時(shí)間與延遲時(shí)間的比值tf/td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表達(dá)。電力二極管的基本特性正向壓降先出現(xiàn)一種過(guò)沖UFP，通過(guò)一段時(shí)間才趨于靠近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如2V）。正向恢復(fù)時(shí)間tfr。電流上升率越大，UFP越高。14UFPuiiFuFtfrt02V圖1-5(b)開(kāi)通過(guò)程

開(kāi)通過(guò)程：關(guān)斷過(guò)程須通過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5(b)關(guān)斷過(guò)程電力二極管的重要參數(shù)額定電流——電力二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，在指定的管殼溫度和散熱條件下，其容許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選用電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。有效值相等：工作中實(shí)際波形的電流與正向平均電流所導(dǎo)致的發(fā)熱效應(yīng)相等。151)

正向平均電流IF(AV)電力二極管的重要參數(shù)在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。3）反向反復(fù)峰值電壓URRM對(duì)電力二極管所能反復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量（按照電路中電力二極管也許承受的反向最高峰值電壓的兩倍來(lái)選定）。4）反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr=td+tf162）正向壓降UF電力二極管的重要參數(shù)結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表達(dá)。TJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM一般在125~175C范圍之內(nèi)。6)浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的持續(xù)一種或幾種工頻周期的過(guò)電流。175）最高工作結(jié)溫TJM電力二極管的重要類型1)一般二極管（GeneralPurposeDiode）又稱整流二極管（RectifierDiode）多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz如下）的整流電路其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)（5μs）正向電流定額和反向電壓定額可以到達(dá)很高（千安或千伏）18電力二極管的重要類型反向恢復(fù)過(guò)程很短的二極管簡(jiǎn)稱迅速二極管（5μs如下）快恢復(fù)外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其反向恢復(fù)時(shí)間trr更短（可低于50ns），正向壓降UF也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V如下。從性能上可分為迅速恢復(fù)和超迅速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者trr為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns如下，甚至到達(dá)20~30ns。192)快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode——FRD）電力二極管的重要類型肖特基二極管的弱點(diǎn)反向耐壓提高時(shí)正向壓降會(huì)提高，多用于200V如下的低壓場(chǎng)所。反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽視，必須嚴(yán)格地限制其工作溫度。肖特基二極管的長(zhǎng)處反向恢復(fù)時(shí)間很短（10~40ns）。正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖。反向耐壓較低時(shí)其正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管。效率高，其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比迅速二極管還小。203.肖特基二極管以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD）是一種低功耗超高速半導(dǎo)體器件，多用于低壓高頻大電流的整流、續(xù)流和保護(hù)二極管。半控器件—晶閘管·引言1956年美國(guó)貝爾試驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管。1957年美國(guó)通用電氣企業(yè)開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化。開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代。20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場(chǎng)所具有重要地位。21晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）晶閘管的構(gòu)造與工作原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝。有三個(gè)聯(lián)接端。螺栓型封裝，一般螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝以便。平板型晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。22圖1-6晶閘管的外形、構(gòu)造和電氣圖形符號(hào)a)外形b)構(gòu)造c)電氣圖形符號(hào)常用晶閘管的構(gòu)造23螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及構(gòu)造晶閘管的構(gòu)造與工作原理24圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b)工作原理晶閘管導(dǎo)通的工作原理可以用雙晶體管模型來(lái)解釋：圖中晶閘管可以看作由P1N1P2和NIP2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管V1、V2組合而成。假如外電路向門極注入電流IG，也就是注入驅(qū)動(dòng)電流，則IG流入晶體管的V2的基極，產(chǎn)生集電極電流IC2，它構(gòu)成晶體管V1的基極電流，放大成集電極電流IC1，又深入增大V2的基極電流，如此形成強(qiáng)烈的正反饋，最終V2和V1進(jìn)入完全飽和狀態(tài)，即晶閘管導(dǎo)通。此時(shí)假如撤掉外電路注入門極的電流，晶閘管由于內(nèi)部已經(jīng)形成了強(qiáng)烈的正反饋會(huì)仍然維持導(dǎo)通狀態(tài)。而若要使晶閘管關(guān)斷，必須去掉陽(yáng)極所加的正向電壓，或者給陽(yáng)極施加反壓，晶閘管才能關(guān)斷。由于通過(guò)晶閘管的門極智能控制其開(kāi)通，不能控制其關(guān)斷，晶閘管才被稱為半控型器件。晶閘管的構(gòu)造與工作原理式中

1和

2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由以上式可得：25圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b)工作原理

按晶體管的工作原理，得：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）（1-5）晶閘管的構(gòu)造與工作原理晶體管特性：在低發(fā)射極電流下是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后，迅速增大。在晶體管阻斷狀態(tài)下：IG=0，1+2很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍不小于兩個(gè)晶體管漏電流之和。開(kāi)通狀態(tài)：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過(guò)晶閘管的電流IA，將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。26晶閘管的構(gòu)造與工作原理陽(yáng)極電壓升高至相稱高的數(shù)值導(dǎo)致雪崩效應(yīng)陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高結(jié)溫較高光直接照射硅片，即光觸發(fā)光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中，光觸發(fā)的晶閘管稱為光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。27其他幾種也許導(dǎo)通的狀況：晶閘管的基本特性承受反向電壓時(shí)，不管門極與否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的狀況下晶閘管才能開(kāi)通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到靠近于零的某一數(shù)值如下。28晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：晶閘管的基本特性（1）正向特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過(guò)正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。伴隨門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓減少。晶閘管自身的壓降很小，在1V左右。29正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1）靜態(tài)特性圖1-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG晶閘管的基本特性反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過(guò)。當(dāng)反向電壓到達(dá)反向擊穿電壓后，也許導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。30圖1-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性晶閘管的基本特性1)

開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td(0.5~1.5

s)上升時(shí)間tr(0.5~3

s)開(kāi)通時(shí)間tgt以上兩者之和，tgt=td+tr

（1-6）31100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2)關(guān)斷過(guò)程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr關(guān)斷時(shí)間tq以上兩者之和tq=trr+tgr（1-7)一般晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒2）動(dòng)態(tài)特性圖1-9晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形晶閘管的重要參數(shù)斷態(tài)反復(fù)峰值電壓UDRM——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，容許反復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。反向反復(fù)峰值電壓URRM——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，容許反復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。通態(tài)（峰值）電壓UT——晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。32一般取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。使用注意：1）電壓定額晶閘管的重要參數(shù)通態(tài)平均電流IT(AV）——在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所容許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)?！褂脮r(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選用晶閘管。維持電流IH——使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。一般為幾十到幾百毫安。IH與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH越小。擎住電流IL——晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，一般IL約為IH的2~4倍。浪涌電流ITSM——指由于電路異常狀況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不反復(fù)性最大正向過(guò)載電流。332）電流定額晶閘管的重要參數(shù)除開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，尚有：斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt——指在額定結(jié)溫和門極開(kāi)路的狀況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率?！妷荷仙蔬^(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。通態(tài)電流臨界上升率di/dt——指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率。——假如電流上升太快，也許導(dǎo)致局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。343）動(dòng)態(tài)參數(shù)晶閘管的派生器件有常規(guī)的迅速晶閘管和工作在更高頻率的高頻晶閘管。開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt耐量均有明顯改善。一般晶閘管關(guān)斷時(shí)間數(shù)百微秒，迅速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s左右。高頻晶閘管的局限性在于其電壓和電流定額都不易做高。由于工作頻率較高，選擇這兩種晶閘管的通態(tài)平均電流時(shí)不能忽視其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。351）迅速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST)晶閘管的派生器件2）雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）36圖1-10雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的一般晶閘管的集成。有兩個(gè)主電極T1和T2，一種門極G。門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，因此在第Ｉ和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。多用于交流電路中，因此不用平均值而用有效值來(lái)表達(dá)其額定電流值。晶閘管的派生器件逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）37a)KGAb)UOIIG=0圖1-11逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性將晶閘管反并聯(lián)一種二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開(kāi)通。與一般晶閘管相比，具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等長(zhǎng)處?？捎糜诓恍枰钄喾聪螂妷旱碾娐分?。晶閘管的派生器件光控晶閘管（LightTriggeredThyristor—LTT）38AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA圖1-12光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性又稱光觸發(fā)晶閘管，是運(yùn)用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可防止電磁干擾的影響。因此目前在高壓大功率的場(chǎng)所占重要地位。經(jīng)典全控型器件·引言門極可關(guān)斷晶閘管——在晶閘管問(wèn)世后很快出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一種嶄新時(shí)代。經(jīng)典代表——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。39經(jīng)典全控型器件·引言常用的經(jīng)典全控型器件40電力MOSFETIGBT單管及模塊門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件。可以通過(guò)在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。GTO的電壓、電流容量較大，與一般晶閘管靠近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)所仍有較多的應(yīng)用。41門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）門極可關(guān)斷晶閘管構(gòu)造：與一般晶閘管的相似點(diǎn)：PNPN四層半導(dǎo)體構(gòu)造，外部引出陽(yáng)極、陰極和門極。和一般晶閘管的不一樣點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件。42圖1-13GTO的內(nèi)部構(gòu)造和電氣圖形符號(hào)a)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形b)并聯(lián)單元構(gòu)造斷面示意圖c)電氣圖形符號(hào)1）GTO的構(gòu)造和工作原理門極可關(guān)斷晶閘管工作原理：與一般晶閘管同樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來(lái)分析。43圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理

1+

2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益

1和

2

。門極可關(guān)斷晶閘管GTO可以通過(guò)門極關(guān)斷的原因是其與一般晶閘管有如下區(qū)別：44設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制敏捷，使GTO易于關(guān)斷。導(dǎo)通時(shí)1+2更靠近1，一般晶閘管設(shè)計(jì)為1+2≥1.15，而GTO設(shè)計(jì)為1+2≈1.05其導(dǎo)通時(shí)飽和程度不深，靠近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。多元集成構(gòu)造，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。圖1-7晶閘管的工作原理門極可關(guān)斷晶閘管GTO導(dǎo)通過(guò)程與一般晶閘管同樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過(guò)程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成構(gòu)造還使GTO比一般晶閘管開(kāi)通過(guò)程快，承受di/dt能力強(qiáng)。45由上述分析我們可以得到如下結(jié)論：門極可關(guān)斷晶閘管開(kāi)通過(guò)程：與一般晶閘管相似關(guān)斷過(guò)程：與一般晶閘管有所不一樣儲(chǔ)存時(shí)間ts，使等效晶體管退出飽和。下降時(shí)間tf尾部時(shí)間tt—?dú)埓孑d流子復(fù)合。一般tf比ts小得多，而tt比ts要長(zhǎng)。門極負(fù)脈沖電流幅值越大，ts越短。46Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6

圖1-14GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形GTO的動(dòng)態(tài)特性門極可關(guān)斷晶閘管GTO的重要參數(shù)47——延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約1~2

s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流的增大而增大?！话阒竷?chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。下降時(shí)間一般不不小于2s。（2）關(guān)斷時(shí)間toff（1）開(kāi)通時(shí)間ton

不少GTO都制導(dǎo)致逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)。許多參數(shù)和一般晶閘管對(duì)應(yīng)的參數(shù)意義相似，如下只簡(jiǎn)介意義不一樣的參數(shù)。門極可關(guān)斷晶閘管（3）最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO48（4）

電流關(guān)斷增益

offoff一般很小，只有5左右，這是GTO的一種重要缺陷。1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要200A?！脕?lái)標(biāo)稱GTO額定電流參數(shù)?！畲罂申P(guān)斷陽(yáng)極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。（1-8）電力晶體管電力晶體管（GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管）。耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時(shí)候也稱為PowerBJT。

應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被絕緣柵雙極晶體管IGBT和電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管取代。49術(shù)語(yǔ)使用方法：電力晶體管1）GTR的構(gòu)造和工作原理50與一般的雙極結(jié)型晶體管基本原理是同樣的。重要特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。一般采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法構(gòu)成的單元構(gòu)造。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。圖1-15GTR的構(gòu)造、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)a)內(nèi)部構(gòu)造斷面示意圖b)電氣圖形符號(hào)c)內(nèi)部載流子的流動(dòng)電力晶體管在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為（1-9）——GTR的電流放大系數(shù)，反應(yīng)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Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為ic=ib+Iceo（1-10）單管GTR的值比處理信息用的小功率的晶體管小得多，一般為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益。51空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib1）GTR的構(gòu)造和工作原理電力晶體管52共發(fā)射極：同步放大電壓和電流，帶寬最小。共基極：只放大電壓，帶寬很大，適于放大高頻小信號(hào)。共集電極：射極跟隨器，只放大電流，適于做緩沖，即阻抗變換。三極管的接法：電力晶體管(1)

靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)的經(jīng)典輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)和飽和區(qū)。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，要通過(guò)放大區(qū)。53截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖1-16共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性2）GTR的基本特性電力晶體管開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，兩者之和為開(kāi)通時(shí)間ton。加緊開(kāi)通過(guò)程的措施：增大基極驅(qū)動(dòng)電力ib的幅值并增大dib/dt，可以縮短延遲時(shí)間，同步也可以縮短上升時(shí)間，從而加緊開(kāi)通時(shí)間。關(guān)斷過(guò)程儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，兩者之和為關(guān)斷時(shí)間toff。加緊關(guān)斷速度的措施：存儲(chǔ)時(shí)間是用來(lái)除去飽和導(dǎo)通時(shí)存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時(shí)間的重要部分。減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減小儲(chǔ)存的載流子，或者增大基極抽取副電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓，可以縮短儲(chǔ)存時(shí)間，從而加緊關(guān)斷速度。GTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短諸多。54ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖1-17GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形(2)

動(dòng)態(tài)特性電力晶體管前已述及：電流放大倍數(shù)、直流電流增益hFE、集射極間漏電流Iceo、集射極間飽和壓降Uces、開(kāi)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff(此外尚有)：1)

最高工作電壓GTR上電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿。擊穿電壓不僅和晶體管自身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)。BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>Buceo。實(shí)際使用時(shí)，最高工作電壓要比BUceo低得多。注：Bucbo：發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電極和基極間的反向擊穿電壓。Bucex：發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。Buces：發(fā)射極與基極間短路連接時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。Bucer：發(fā)射極與基極間用電阻連接時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。Buceo：基極開(kāi)路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。553）GTR的重要參數(shù)電力晶體管一般規(guī)定為直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3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的二分之一或稍多一點(diǎn)。3)集電極最大耗散功率PcM指在最高工作溫度下容許的耗散功率。產(chǎn)品闡明書(shū)中給PcM時(shí)同步給出殼溫TC，間接表達(dá)了最高工作溫度。562)

集電極最大容許電流IcM電力晶體管一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大，這種首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿。只要Ic不超過(guò)程度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。二次擊穿：在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)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)忽然急劇上升，同步電壓陡然下降，這個(gè)現(xiàn)象被稱為二次擊穿。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。57安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）將不一樣基極電流下的二次擊穿的臨界點(diǎn)連接起來(lái)，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。GTR工作時(shí)不能超過(guò)最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線，這些限定條件構(gòu)成了GTR的安全工作區(qū)。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖1-18GTR的安全工作區(qū)GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型一般重要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）簡(jiǎn)稱電力MOSFET（PowerMOSFET）結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）58

特點(diǎn)——電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流的。驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)樸，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，一般只合用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力MOSFET的種類

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，柵極電壓不小于（不不小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道。

電力MOSFET重要是N溝道增強(qiáng)型。591）電力MOSFET的構(gòu)造和工作原理電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力MOSFET的構(gòu)造60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管相似，但構(gòu)造上有較大區(qū)別。采用多元集成構(gòu)造，一種器件由許多種小MOSFET構(gòu)成，每個(gè)元的形狀和排列措施，不一樣的生產(chǎn)廠家采用了不一樣設(shè)計(jì)。圖1-19電力MOSFET的構(gòu)造和電氣圖形符號(hào)電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?。電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電構(gòu)造，又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET）。按垂直導(dǎo)電構(gòu)造的差異，分為運(yùn)用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS構(gòu)造的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。這里重要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論。61電力MOSFET的構(gòu)造電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，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不小于某一電壓UT時(shí)，使P型半導(dǎo)體反型成N型半導(dǎo)體，形成反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。62圖1-19電力MOSFET的構(gòu)造和電氣圖形符號(hào)電力MOSFET的工作原理電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

(1)靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系反應(yīng)了輸入電壓和輸出電流的關(guān)系，稱為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。63010203050402468a)10203050400b)1020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖1-20電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性2）電力MOSFET的基本特性電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管截止區(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)GTR的飽和區(qū)）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。漏源極之間有一種與之反向的寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。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。64圖1-20電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性MOSFET的漏極伏安特性：010203050402468a)10203050400b)1020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)

上升時(shí)間tr開(kāi)通時(shí)間ton——開(kāi)通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)下降時(shí)間tf關(guān)斷時(shí)間toff——關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和65）)abRsRGRFRLiDuGSupiD信號(hào)+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖1-21電力MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程a)測(cè)試電路b)開(kāi)關(guān)過(guò)程波形up—脈沖信號(hào)源，Rs—信號(hào)源內(nèi)阻，RG—柵極電阻，RL—負(fù)載電阻，RF—檢測(cè)漏極電流(2)

動(dòng)態(tài)特性電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和輸入電容Cin充放電有很大關(guān)系?？蓽p少驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加緊開(kāi)關(guān)速度。MOSFET只靠多子導(dǎo)電，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10~100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是重要電力電子器件中最高的。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。66MOSFET的開(kāi)關(guān)速度電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管3)電力MOSFET的重要參數(shù)67——標(biāo)稱電力MOSFET電壓定額的參數(shù)(1)

漏極電壓UDS

(2)

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM——標(biāo)稱電力MOSFET電流定額的參數(shù)(3)

柵源電壓UGS——柵源之間的絕緣層很薄，

UGS

>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。

除跨導(dǎo)Gfs、啟動(dòng)電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外尚有：(4)

極間電容——三個(gè)電極之間分別存在極間電容CGS、CGD和CDS絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件—Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合兩者的長(zhǎng)處。1986年投入市場(chǎng)，是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。68GTR和GTO的特點(diǎn)——雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，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的長(zhǎng)處——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)功率小并且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)樸。絕緣柵雙極晶體管1)IGBT的構(gòu)造和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E69圖1-22IGBT的構(gòu)造、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部構(gòu)造斷面示意圖b)簡(jiǎn)化等效電路c)電氣圖形符號(hào)絕緣柵雙極晶體管圖1-22a—N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強(qiáng)的通流能力。簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET構(gòu)成的達(dá)林頓構(gòu)造，一種由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。70圖1-22IGBT的構(gòu)造、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部構(gòu)造斷面示意圖b)簡(jiǎn)化等效電路c)電氣圖形符號(hào)IGBT的構(gòu)造絕緣柵雙極晶體管

驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相似，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE不小于啟動(dòng)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。通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。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。71IGBT的原理絕緣柵雙極晶體管2)IGBT的基本特性

(1)

IGBT的靜態(tài)特性72a)b)圖1-23IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性O(shè)有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加轉(zhuǎn)移特性——IC與UGE間的關(guān)系(開(kāi)啟電壓UGE(th))輸出特性分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。絕緣柵雙極晶體管IGBT的開(kāi)通過(guò)程

與MOSFET的相似開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)電流上升時(shí)間tr開(kāi)通時(shí)間tonuCE的下降過(guò)程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1——IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程；tfv2——MOSFET和PNP晶體管同步工作的電壓下降過(guò)程。73ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖1-24IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程(2)

IGBT的動(dòng)態(tài)特性絕緣柵雙極晶體管關(guān)斷延遲時(shí)間td(off）電流下降時(shí)間

關(guān)斷時(shí)間toff電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT器件內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過(guò)程，iC下降較快。tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過(guò)程，iC下降較慢。74圖1-24IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程IGBT的關(guān)斷過(guò)程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管3)IGBT的重要參數(shù)75——正常工作溫度下容許的最大功耗。(3)

最大集電極功耗PCM——包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。

(2)

最大集電極電流——由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1)

最大集射極間電壓UCES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：76開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。相似電壓和電流定額時(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。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以深入提高，同步保持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)。絕緣柵雙極晶體管77擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：IGBT往往與反并聯(lián)的迅速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件。——最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大容許電壓上升率duCE/dt確定。

反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）——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。

正偏安全工作區(qū)（FBSOA）動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所容許的集電極電流小。擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高，20世紀(jì)90年代中后期開(kāi)始逐漸處理?！狽PN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相稱于對(duì)J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開(kāi)通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控。1.5其他新型電力電子器件1.5.1MOS控制晶閘管MCT1.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT1.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH1.5.4集成門極換流晶閘管IGCT1.5.5功率模塊與功率集成電路78MOS控制晶閘管MCTMCT結(jié)合了兩者的長(zhǎng)處：承受極高di/dt和du/dt，迅速的開(kāi)關(guān)過(guò)程，開(kāi)關(guān)損耗小。高電壓，大電流、高載流密度，低導(dǎo)通壓降。一種MCT器件由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的MCT元構(gòu)成。每個(gè)元的構(gòu)成為：一種PNPN晶閘管，一種控制該晶閘管開(kāi)通的MOSFET，和一種控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未到達(dá)預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。79MCT（MOSControlledThyristor）——MOSFET與晶閘管的復(fù)合(DATASHEET)靜電感應(yīng)晶體管SIT將用于信息處理的小功率SIT器件的橫向?qū)щ姌?gòu)造改為豎直導(dǎo)電構(gòu)造，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相稱，甚至更高，功率容量更大，因而合用于高頻大功率場(chǎng)所。在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。缺陷：柵極不加任何信號(hào)時(shí)是導(dǎo)通的，加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太以便。通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而尚未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。80SIT（StaticInductionTransistor）——結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITH是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓減少、通流能力強(qiáng)。其諸多特性與GTO類似，但開(kāi)關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的迅速器件。

SITH一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍尚有待拓展。81SITH（StaticInductionThyristor）——場(chǎng)控晶閘管（FieldControlledThyristor—FCT）集成門極換流晶閘管IGCT20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的長(zhǎng)處，容量與GTO相稱，開(kāi)關(guān)速度快10倍?？墒∪TO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動(dòng)功率仍很大。目前正在與IGBT等新型器件劇烈競(jìng)爭(zhēng)，試圖最終取代GTO在大功率場(chǎng)所的位置。82IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）

——GCT（Gate-CommutatedThyristor）功率模塊與功率集成電路20世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始，電力電子器件研制和開(kāi)發(fā)的一種共同趨勢(shì)—模塊化，將多種器件封裝在一種模塊中，稱為功率模塊?？煽s小裝置體積，減少成本，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)和緩沖電路的規(guī)定。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，稱為功率集成電路（PowerIntegratedCircuit——PIC）。83基本概念功率模塊與功率集成電路高壓集成電路（HighVoltageIC——HVIC）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（SmartPowerIC——SPIC）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（IntelligentPowerModule——IPM）則專指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片集成，也稱智能IGBT（IntelligentIGBT）。84實(shí)際應(yīng)用電路功率模塊與功率集成電路功率集成電路的重要技術(shù)難點(diǎn)：高下壓電路之間的絕緣問(wèn)題以及溫升和散熱的處理。此前功率集成電路的開(kāi)發(fā)和研究重要在中小功率應(yīng)用場(chǎng)所。智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個(gè)難點(diǎn),將保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路與IGBT器件封裝在一起，近來(lái)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，成為機(jī)電一體化的理想接口。85發(fā)展現(xiàn)實(shí)狀況電力電子器件器件的驅(qū)動(dòng)1.6.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述1.6.2晶閘管的觸發(fā)電路1.6.3經(jīng)典全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路86電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述使電力電子器件工作在較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減小開(kāi)關(guān)損耗。對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性均有重要的意義。某些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：按控制目的的規(guī)定施加開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。對(duì)半控型器件只需提供開(kāi)通控制信號(hào)。對(duì)全控型器件則既要提供開(kāi)通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。87驅(qū)動(dòng)電路——主電路與控制電路之間的接口電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離。

光隔離一般采用光耦合器

磁隔離的元件一般是脈沖變壓器88圖1-25光耦合器的類型及接法a)一般型b)高速型c)高傳播比型電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)分，可分為電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型。驅(qū)動(dòng)電路詳細(xì)形式可為分立元件的，但目前的趨勢(shì)是采用專用集成驅(qū)動(dòng)電路。雙列直插式集成電路以及將光耦隔離電路也集成在內(nèi)的混合集成電路。為到達(dá)參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開(kāi)發(fā)的集成驅(qū)動(dòng)電路。89分類晶閘管的觸發(fā)電路作用：產(chǎn)生符合規(guī)定的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列規(guī)定：脈沖的寬度應(yīng)保