第四章 全控型电力电子器件第一节 电力晶体管 第二节 可关断晶闸管 第三节 功率场效应晶体管第五节 电力电子器件的缓冲电路第四节 绝缘栅双极晶体管 第六节 其它新型电力电子器件 Ø门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现Ø20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Ø典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管典型全控型器件Ø术语用法：• 电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为 巨型晶体管） • 耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor——BJT），英文有时候也称 为Power BJT • 在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称 等效 Ø 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和电力MOSFET取代第一节 电力晶体管(GTR) 一. GTR的结构和工作原理GTR的结构与工作原理Ø 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。
Ø 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好Ø 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Ø 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 Ø在应用中，GTR一般采用共发射极接法 Ø集电极电流ic与基极电流ib之比为 ——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对 集电极电流的控制能力 Ø产品说明书中通常给直流电流增益hFE—— 在直流工作情况下集电极电流与基极电流之 比一般可认为 hFE Ø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 电流增益二. GTR的基本特性1、 静态特性Ø 共发射极接法时的典型 输出特性：截止区、放 大区和饱和区Ø 在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区2、 动态特性Ø开通过程• 延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间tonØ关断过程• 储存时间ts和下降 时间tf，二者之和 为关断时间toff • GTR的开关时间 在几微秒以内， 比晶闸管和GTO 都短很多 前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff 此外还有：1、 最高工作电压 UMØGTR上电压超过规定值时会发生击穿Ø击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。
ØBUcbo> BUcex> BUces> BUcer> BuceoØ实际使用时，最高电压UM取（1/2~1/3）BUceo三、GTR的主要参数2、 集电极最大允许电流IcMØ通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的IcØ实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半3、集电极最大耗散功率PcMØ最高工作温度下允许的耗散功率Ø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 门极可关断晶闸管简称GTO，是一种通过门极来控制器件导通和关断的电力半导体器件可以通过在门极施加正的脉冲电流使其导通，负的脉冲电流使其关断目前GTO的生产水平已达到6000V、6000A，频率为1kHz其研制水平可达到9000V、8000A一、GTO的结构与工作原理 GTO结构原理与普通晶闸管相似，为PNPN四层三端半导体器件第二节 可关断晶闸管 二、GTO的主要特性1．阳极伏安特性逆阻型GTO的阳极伏安特性它与普通晶闸管的伏安特性极其相似，目UDRM和URRM等术语的含义也相同2．通态压降特性三、GTO的主要参数1．最大可关断阳极电流IATO2．关断增益βoffoff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 ——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GMATO offII=Ø 也分为结型和绝缘栅型（类似小功率Field Effect Transistor——FET） Ø 但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET） Ø 简称电力MOSFET（Power MOSFET） Ø 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）Ø 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，工作频率高可达１MHz • 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 第三节 功率场效应晶体管电力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沟道增强型一、功率MOSFET的结构与工作原理电力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• 导通：在栅源极间加正电压UGS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 二、功率MOSFET的主要特性静态特性Ø漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性ØID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率 定义为跨导Gfs电力MOSFET的转移特性和输出特性a) 转移特性 b) 输出特性Ø MOSFET的漏极伏安特性：• 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MOSFET工作在开关状态， 即在截止区和非饱和区之间来回 转换• 电力MOSFET漏源极之间有寄生 二极管，漏源极间加反向电压时 器件导通• 电力MOSFET的通态电阻具有正 温度系数，对器件并联时的均流 有利电力MOSFET的转移特性和输出特性a) 转移特性 b) 输出特性开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是电力电子器件中最高的。
• 场控器件，静态时几乎不需输入电流但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率开关频率越高，所需要的驱动功率越大——电力MOSFET电压定额1) 漏极电压UDS 2) 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM——电力MOSFET电流定额3) 栅源电压UGS——栅源之间的绝缘层很薄， UGS>20V将导致绝缘层击穿 除跨导Gfs、开启电压UT外还有： 三、功率MOSFET的主要参数ü 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ü 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Ø 两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS器件Ø 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor— —IGBT或IGT）• GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性• 1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小 功率电力电子设备的主导器件。
• 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位★第四节 绝缘栅双极晶体管 一. IGBT的工作原理 Ø三端器件：栅极G、集电极C和发射极Ea) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号E1、IGBT的结构• 图a— N沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道 IGBT（N-IGBT）• 图b— 简化等效电路表明，IGBT是GTR与N沟道 MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动 的厚基区PNP晶体管E2. IGBT的原理驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通关断：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1. IGBT的静态特性二、IGBT的主要特性Ø转移特性——IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似• 开启电压UGE(th)——IGBT能实现电导调制而导通的 最低栅射电压• UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25C时，UGE(th)的 值一般为2~6V。
Ø输出特性（伏安特性）——以UGE为参考变量时，IC与 UCE间的关系• 分为四个区域：截止区、放大区、饱和区、击穿区三、IGBT的主要参数1．集射极击穿电压BUCES2．开启电压UGE（th） ：2—6V3．通态压降UCE（on） ：2—3V4．最大栅射极电压UGES：＜20V5．集电极连续电流IC和峰值电流ICMIGBT与MOSFET和GTR的比较 静电感应晶体管简称SIT，是一种靠场效应引起元件中导电沟道形成或消失来实现开关功能的器件第六节 其它新型电力电子器件 一、静电感应晶体管SITØSIT（Static Induction Transistor）——结型场效 应晶体管 • 多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚 至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合 • 在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高 频感应加热等领域获得应用 缺点： –栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常 导通型器件，使用不太方便 –通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数 电力电子设备中得到广泛应用静电感应晶闸管简称SITH，它是利用电场效应来控制器件的导通能力，又称为场控晶闸管。
二、静电感应晶闸管SITHØSITH（Static Induction Thyristor）——又被 称为场控晶闸管（Field Controlled Thyristor ——FCT）• 比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结， SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应， 通态压降低、通流能力强其很多特性与GTO类似， 但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件• SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型此 外，其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展Ø IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）-集成门极换流晶闸管，也称GCT（Gate-Commutated Thyristor）• 20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大• 目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置返回三、MOS控制晶闸管 MCTMOS控制晶闸管--MCT ，是80年代末出现的一种新型的电压控制型全控器件，它将MOSFET的高输入阻抗、快开关速度的特性与晶闸管的高压大电流特性结合在一起，产生出较理想的功率器件特性。
MCT的控制信号以阳极为基准门极加负脉冲导通，加正脉冲关断ØMCT（MOS Controlled Thyristor）—— MOSFET与晶闸管的复合 • MCT结合了二者的优点： – MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开 关过程 – 晶闸管的高电压大电流、低导通压降 • 一个MCT器件由。