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1、第四讲 全控型电力电子器件4.1 概述门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor GTO)在晶闸管问世后不久出现；20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代；典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管(Giant TransistorGTR)、电力场效应晶体管(Power MOSFET )、绝缘栅双极晶体管(Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT)。4.2 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyris
2、tor GTO）门极可关断晶闸管是晶闸管的一种派生器件；可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断；GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。4.2.1 GTO的结构和工作原理结构：与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极；和普通晶闸管的不同：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。图1 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) 电气图形符号工作原理： 与普通晶闸管一样，可
3、以用图2所示的双晶体管模型来分析是器件临界导通的条件。当a1+a21时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当a1+a2 BUcex BUces BUcer Buceo实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多2)集电极最大允许电流IcM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 4.3.5 GTR的二次击穿现象与安全工作区一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿只要Ic不超过
4、限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变二次击穿一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 安全工作区（Safe Operating AreaSOA）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图1-18 GTR的安全工作区4.4电力场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型（类似小功率Field Effect TransistorFET）但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）简称电力MOSFET（Power MOSFET）结型电力场效应
5、晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT）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 4.4.1 电力MOSFET的结构和工作原理电力MOSFET的种类按导电沟道可分为 P沟道 和N沟道耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道电力MOSFET主要是N沟道增强型电力MOSFET的结构图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号导通时只有一种极性的载流子（
6、多子）参与导电，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电力MOSFET的多元集成结构国际整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六边形单元西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列 小功率MOS管是横向导电器件电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为 VMOSFET（Vertical MOSFET）大大提高了 MOSFET器件的耐压和耐电流能力按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂 直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散结
7、构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）这里主要以VDMOS器件为例进行讨论电力MOSFET的工作原理截止：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：在栅源极间加正电压UGS栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电4.4.2电力MOSFET的基本特性1) 静态特性 a) 转移特性 b) 输出特性图1-20 电力MOSFET的转移特性和输出特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为 跨导GfsMOSFET的漏极伏安特性（输出特性）：截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应于GTR的饱和区）电力MOS
