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1、学习情境二学习情境二+电力电子器件及其电力电子器件及其驱动保护驱动保护2.1.1概念概念2.1.2同同处理信息的理信息的电子器件相比一般特征子器件相比一般特征2.1.3电力力电子器件的分子器件的分类2.1电力电子器件概述22.2电力二极管2.2.1PNPN结与与电力二极管的工作原理力二极管的工作原理2.2.2电力二极管的基本特性力二极管的基本特性2.2.3电力二极管的主要参数力二极管的主要参数2.2.4电力二极管的主要力二极管的主要类型型2.2.5电力二极管命名力二极管命名92.2.1PN结与电力二极管的工作原理PowerPowerDiodeDiode结构构和和原原理理简单，工工作作可可靠靠，
2、自自2020世世纪5050年代初期就年代初期就获得得应用。用。快快恢恢复复二二极极管管和和肖肖特特基基二二极极管管，分分别在在中中、高高频整整流流和和逆逆变，以以及及低低压高高频整整流流的的场合合，具具有有不不可可替替代代的的地位。地位。102.2.1PN结与电力二极管的工作原理基基本本结结构构和和工工作作原原理理与与信信息息电电子子电电路路中的二极管一中的二极管一样样。由由一一个个面面积积较较大大的的PNPN结和和两两端端引引线以以及封装及封装组成的。成的。从从外外形形上上看看，主主要要有有螺螺栓栓型型和和平平板板型型两种封装两种封装。AKAKa)IKAPNJb)c)AK图图2-1电力二极管
3、的外形、力二极管的外形、结构和构和电气气图形形符号符号a)外形外形b)结构构c)电气气图形符号形符号阳极阳极阴极阴极112.2.1PN结与电力二极管的工作原理PN结的状的状态 状状态态参数参数正向导通正向导通反向截止反向截止反向击穿反向击穿电流电流正向大正向大几乎为零几乎为零反向大反向大电压电压维持维持1V反向大反向大反向大反向大阻态阻态低阻态低阻态高阻态高阻态二极管的基本原理就在于二极管的基本原理就在于PN结的的单向向导电性性这一主要特征一主要特征。PN结的反向的反向击穿（两种形式穿（两种形式)雪崩雪崩击击穿（高穿（高压压）齐纳击齐纳击穿（低穿（低压压）两种两种击击穿均可能穿均可能导导致致热
4、击热击穿穿122.2.1PN结与电力二极管的工作原理PN结的的电容效容效应：PN结结的的电电荷荷量量随随外外加加电电压压而而变变化化，呈呈现现电电容效应容效应，称为，称为结电容结电容CJ，又称为，又称为微分电容微分电容。结结电电容容按按其其产产生生机机制制和和作作用用的的差差别别分分为为势势垒垒电容电容CB和和扩散电容扩散电容CD。电电容容影影响响PN结结的的工工作作频频率率，尤尤其其是是高高速速的的开关状态。开关状态。132.2.2电力二极管的基本特性主要指其主要指其伏安特性伏安特性门门槛槛电电压压UTO，正正向向电电流流IF开始明显增加所对应的电压。开始明显增加所对应的电压。与与IF对对应
5、应的的电电力力二二极极管管两两端端的的电电压压即即为为其其正正向向电电压压降降UF。承承受受反反向向电电压压时时，只只有有微微小小而数值恒定的反向漏电流。而数值恒定的反向漏电流。1)静静态态特性特性图图2-2电力二极管的伏安特性力二极管的伏安特性142.2.2电力二极管的基本特性2)动态动态特性特性二极管的二极管的电压电压- -电流特性随流特性随时间变化的化的特性特性 一一般般专专指指反反映映通通态态和和断断态态之之间间转转换换过过程程的的开开关特性。关特性。延延迟时间迟时间：t td d= =tt1 1-t t0 0,电流下降流下降时间：t tf f= =tt2 2- -tt1 1反向恢复反
6、向恢复时间：t trrrr= =ttd d+ + tf正向恢复正向恢复时间时间：t tfrfr恢复特性的恢复特性的软软度：下降度：下降时间时间与延与延迟时间迟时间的比的比值值t tff/ /t td d，或称恢复系数，用，或称恢复系数，用S Sr r表示。表示。图图2-3电力二极管的力二极管的动态过程波形程波形a)正向偏置正向偏置转换为反向偏置反向偏置b)零偏置零偏置转换为正向偏置正向偏置t0PN结结PN结结152.2.3电力二极管的主要参数1)额额定定电电流（正向平均流（正向平均电电流）流）IF(AV)电电力力二二极极管管的的正正向向平平均均电电流流IIF(AV)F(AV)是是指指在在规规定
7、定的的管管壳壳温温度度和和散散热热条条件件下下允允许许通通过过的的最大工最大工频频半波半波电电流的平均流的平均值值,元件元件标称的称的额定定电流就是流就是这个个电流。流。F式中的系数式中的系数1.51.52 2是安全系数是安全系数电流的有效值：电流的有效值：波形系数波形系数Kf：额定电流（平均值）为：额定电流（平均值）为：额定电流（平均值）为：额定电流（平均值）为：实际应用中，用中，额定定电流流一般一般选择为 正弦半波电流的波形系数正弦半波电流的波形系数Kf：ImIF(AV)2.2.3电力二极管的主要参数2）正向平均正向平均电压电压UF在在指指定定的的管管壳壳温温度度和和散散热热条条件件下下，
8、元元件件通通过过50Hz50Hz正正弦弦半半波波额定定正正向向平平均均值电流流时，元元件件阳阳极极和和阴阴极极之之间的的电压平平均均值，取取规规定系列定系列级别级别称称为为，简称管称管压降，一般在降，一般在0.451V之之间3）（额定电压）反向重复峰值电压（额定电压）反向重复峰值电压URRM对对电电力力二二极极管管所所能能重重复复施施加加的的反反向向最最高高峰峰值值电电压压。通通常常为为击击穿穿电压电压UB的三分之二。的三分之二。使使用用时时，若若电电力力二二极极管管所所承承受受到到的的最最大大反反向向瞬瞬时时值值电电压压UDM，则则其其额额定定电压电压一般一般选择为选择为URRM=（2323
9、）UDM思考思考题题：实际电实际电路中反向最高峰路中反向最高峰值电压为值电压为200V200V，选择二极管的二极管的 U URRMRRM是多少？是多少？4）反向恢复时间反向恢复时间trrtrr= td+ tf172.2.3电力二极管的主要参数5）最高工作结温最高工作结温TJM结结温是指管芯温是指管芯PNPN结的平均温度，用的平均温度，用T TJ J表示。表示。T TJMJM是是指指在在PNPN结不不致致损坏坏的的前前提提下下所所能能承承受受的的最最高高平平均温度。均温度。T TJMJM通常在通常在125175125175 C C范范围之内之内。6)浪涌电流浪涌电流IFSM指指电电力力二二极极管
10、管所所能能承承受受最最大大的的连连续续一一个个或或几几个个工工频频周期的周期的过电过电流。流。182.2.4 电力二极管的主要类型按按照照正正向向压压降降、反反向向耐耐压压、反反向向漏漏电电流流等等性性能能，特特别别是反向恢复特性的不同介是反向恢复特性的不同介绍绍。1)普通二极管普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（RectifierDiode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路。其反向恢复时间较长，一般为5微秒以上。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高额定电流达数千安培,额定电压达数千伏以上。192.2.4 电力二极管的主要类型2)快恢复二极管快恢复
11、二极管（FastRecoveryDiodeFRD）简简称快速二极管称快速二极管快恢复外延二极管快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodesFastRecoveryEpitaxialDiodesFREDFRED），其），其t trrrr更短（可低于更短（可低于50ns50ns），）， U UF F也很低（也很低（0.9V0.9V左右），左右），但其反向耐但其反向耐压多在多在400V400V以下。以下。从性能上可分从性能上可分为为快速恢复快速恢复和和超快速恢复超快速恢复两个等两个等级级。前者前者t trrrr为为数百数百纳纳秒或更秒或更长长，后者，后者则则在在100ns
12、100ns以下，以下，甚至达到甚至达到2030ns2030ns。202.2.4 电力二极管的主要类型3.肖特基二极管肖特基二极管以以金金属属和和半半导导体体接接触触形形成成的的势势垒垒为为基基础础的的二二极极管管称称为为肖肖特基特基势垒势垒二极管（二极管（SchottkyBarrierDiodeSBD）。）。肖特基二极管的肖特基二极管的弱点弱点反向耐反向耐压压提高提高时时正向正向压压降会提高，多用于降会提高，多用于200V200V以下。以下。反反向向漏漏电流流较大大且且对温温度度敏敏感感，故故反反向向稳态损耗耗不不能能忽忽略略，且必且必须严格地限制其工作温度。格地限制其工作温度。肖特基二极管的
13、肖特基二极管的优优点点反向恢复反向恢复时间时间很短（很短（1040ns1040ns）。）。正向恢复正向恢复过程中也不会有明程中也不会有明显的的电压过冲。冲。反反向向耐耐压较低低时其其正正向向压降降明明显低低于于快快恢恢复复二二极极管管（效效率率高高，其开关其开关损耗和正向耗和正向导通通损耗都比快速二极管耗都比快速二极管还小。小。212.2.5电力二极管命名222.3晶闸管（SCR）2.3.1引言引言2.3.2 晶晶闸管的管的结构与工作原理构与工作原理2.3.3晶晶闸管的基本特性管的基本特性2.3.4晶晶闸管的主要参数管的主要参数2.3.5 晶晶闸管的派生器件管的派生器件232.3.1引言晶晶闸
14、闸管管（Thyristor）：晶晶体体闸闸流流管管，可可控控硅硅整整流流器器（Silicon Controlled RectifierSCR）19561956年美国年美国贝尔实验室室发明了晶明了晶闸管。管。19571957年美国通用年美国通用电气公司开气公司开发出第一只晶出第一只晶闸管管产品。品。19581958年商年商业化。化。开辟了开辟了电力力电子技子技术迅速迅速发展和广泛展和广泛应用的用的崭新新时代。代。2020世世纪8080年代以来，开始被全控型器件取代。年代以来，开始被全控型器件取代。能能承承受受的的电压和和电流流容容量量最最高高，工工作作可可靠靠，在在大大容容量量的的场合具有重要地
15、位。合具有重要地位。242.3.2晶闸管的结构与工作原理1)晶闸管的结构图图2-4晶晶闸管的外形管的外形a）d），），电气气图形符号形符号e），），结构构f）外形有外形有塑封型塑封型，螺栓型螺栓型和和平板型平板型三种封装。三种封装。有三个有三个联联接端。接端。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热热器器紧紧密密联联接且安装方便。接且安装方便。平板型晶平板型晶闸闸管可由两个散管可由两个散热热器将其器将其夹夹在中在中间间。252.3.2晶闸管的结构与工作原理常用常用晶闸管的结构晶闸管的结构螺栓型晶螺栓型晶螺栓型晶螺栓型晶闸闸闸闸管管管管晶晶晶晶闸闸闸闸管模管模管
16、模管模块块块块平板型晶平板型晶平板型晶平板型晶闸闸闸闸管外形及管外形及管外形及管外形及结结结结构构构构262.3.2晶闸管的结构与工作原理2)晶闸管的工作原理按晶体管的工作原理按晶体管的工作原理，得得：（2-2）（2-1）（2-3）（3-4）式中式中 1和和 2分分别别是晶体管是晶体管V1和和V2的的共基极共基极电电流增益；流增益；ICBO1和和ICBO2分分别别是是V1和和V2的共基极漏的共基极漏电电流。由以上流。由以上式可得式可得：（2-5）图图2-5晶晶闸管的双晶体管模型及其工作原理管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型双晶体管模型b)工作原理工作原理272.3.2晶闸管的结构与工
17、作原理在低在低发发射极射极电电流下流下 是很小的，而当是很小的，而当发发射极射极电电流建立流建立起来之后，起来之后， 迅速增大。迅速增大。阻阻断断状状态态：I IG G=0=0， 1 1+ + 2 2很很小小。流流过过晶晶闸闸管管的的漏漏电电流流稍稍大于两个晶体管漏大于两个晶体管漏电电流之和。流之和。开开通通状状态态：注注入入触触发发电电流流使使晶晶体体管管的的发发射射极极电电流流增增大大以以致致 1 1+ + 2 2趋趋近近于于1 1的的话，流流过晶晶闸管管的的电流流I IA A，将将趋趋近于无近于无穷穷大，大，实现饱实现饱和和导导通。通。I IA A实际实际由外由外电电路决定。路决定。28
18、2.3.2晶闸管的结构与工作原理其他几种可能其他几种可能导导通的情况通的情况：阳极阳极电压电压升高至相当高的数升高至相当高的数值值造成雪崩效造成雪崩效应应阳极阳极电压电压上升率上升率d du u/d/dt t过过高高结结温温较较高高光触光触发发光光触触发发可可以以保保证证控控制制电电路路与与主主电电路路之之间间的的良良好好绝绝缘缘而而应应用用于于高高压压电电力力设设备备中中，称称为为光光控控晶晶闸闸管管（LightLightTriggeredThyristorTriggeredThyristorLTTLTT）。）。只有只有门门极触极触发发是最精确、迅速而可靠的控制手段是最精确、迅速而可靠的控制
19、手段。292.3.3晶闸管的基本特性晶晶闸闸管正常工作管正常工作时时的特性的特性总结总结如下：如下：承承受受反反向向电电压压时时，不不论论门门极极是是否否有有触触发发电电流流，晶晶闸闸管都不会管都不会导导通。通。承承受受正正向向电电压压时时，仅仅在在门门极极有有触触发发电电流流的的情情况况下下晶晶闸闸管才能开通。管才能开通。晶晶闸闸管一旦管一旦导导通，通，门门极就失去控制作用。极就失去控制作用。要要使使晶晶闸闸管管关关断断，只只能能使使晶晶闸闸管管的的电电流流降降到到接接近近于于零的某一数零的某一数值值以下以下。302.3.3晶闸管的基本特性1 1） 静静态特性特性（1）正向特性正向特性I I
20、G G=0=0时，器件两端施加正向，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏，只有很小的正向漏电流，流，为正向阻断状正向阻断状态。正向正向电压电压超超过过正向正向转转折折电电压压U Ubobo，则则漏漏电电流急流急剧剧增大，增大，器件开通。器件开通。随随着着门门极极电电流流幅幅值值的的增增大大，正向正向转转折折电压电压降低。降低。晶晶闸闸管管本本身身的的压压降降很很小小，在在1V1V左右。左右。正正向向阻阻断断反向反向阴断阴断图图2-6晶晶闸管的伏安特性管的伏安特性IG2IG1IG312.3.3晶闸管的基本特性（2）反向特性反向特性反反向向特特性性类类似似二二极极管管的的反反向特性。向特性。反反
21、向向阻阻断断状状态态时时，只只有有极极小的反相漏小的反相漏电电流流流流过过。当当反反向向电电压压达达到到反反向向击击穿穿电电压压后后，可可能能导导致致晶晶闸闸管管发热损发热损坏。坏。URO图图2-7晶晶闸管的伏安特性管的伏安特性IG2IG1IG322.3.3晶闸管的基本特性(1)开通开通过过程程延延迟时间迟时间td(0.51.5(0.51.5 s)s)上升上升时间时间tr (0.53(0.53 s)s)开开通通时间t tgtgt以以上上两两者者之之和和，tgt=td+tr t td d与与门门极极电电流流有有关关，t tr r 与与晶晶闸管管本本身身特特性性和和外外电路路的的电感感有有关关，
22、t td d和和t tr r与与阳阳极极电压电压的大小有关。的大小有关。2）动态动态特性特性(2)关断关断过过程程反向阻断恢复反向阻断恢复时间时间trr正向阻断恢复正向阻断恢复时间时间tgr关断关断时间时间t tq q以上两者之和以上两者之和tq=trr+tgr 普通晶普通晶闸闸管的关断管的关断时间约时间约几百微秒几百微秒图图2-8晶晶闸管的开通和关断管的开通和关断过程波形程波形332.3.4晶闸管的主要参数1）电压电压定定额额正向重复峰正向重复峰值电压值电压U UDRMDRM在在门门极断路而极断路而结结温温为额为额定定值时值时，允，允许许重重复加在器件上的正向峰复加在器件上的正向峰值电压值电
23、压。反向重复峰反向重复峰值电压值电压U URRMRRM在在门门极断路而极断路而结结温温为额为额定定值时值时，允，允许许重重复加在器件上的反向峰复加在器件上的反向峰值电压值电压。重复峰重复峰值电压 （额定定电压）UTe通通常常取取晶晶闸闸管管的的UDRM和和URRM中中较较小小的的标标值值作作为该为该器件的器件的额额定定电压电压。URO使使使使用用用用注注注注意意意意选选用用时时，一一般般取取额额定定电电压压为为正正常常工工作作时时晶晶闸闸管管所所承承受受峰峰值值电电压压23倍，即：倍，即：UTe=(23)UTM342.3.4晶闸管的主要参数2 2）电电流定流定额额额额定通定通态态平均平均电电流
24、流I IT(AVT(AV）在在环境温度境温度为40 C和和规定的冷却状定的冷却状态下，晶下，晶闸管管导通角不通角不小于小于170的的电电阻性阻性负载电负载电路中，当路中，当稳稳定定结结温不超温不超过额过额定定结结温温时时所允所允许许流流过过的工的工频频正弦半波正弦半波电电流流的平均的平均值值。将。将该电该电流按晶流按晶闸闸管管标标准准电电流系列取流系列取值值，称，称为该为该晶晶闸闸管的管的额额定定电电流流。使用使用时应按按有效有效值值相等的原相等的原则则来来选选取晶取晶闸闸管。考管。考虑虑1.52倍倍裕量。裕量。通态平均电流为：通态平均电流为：通态平均电流为：通态平均电流为：352.3.4晶闸
25、管的主要参数电流波形的有效值：电流波形的有效值：有效值与平均值之比：有效值与平均值之比：在在给给定晶定晶闸闸管的管的额额定定电电流流之后，任意波形的之后，任意波形的实际实际允允许电许电流平均流平均值为值为通态平均电流为：通态平均电流为：通态平均电流为：通态平均电流为：362.3.4晶闸管的主要参数例例例例: : : :在半波整流在半波整流电电路中，晶路中，晶闸闸管从管从/3/3时刻开始刻开始导通。通。试计算算该电流波形的平流波形的平均均值、有效、有效值、波形系数。若取安全系数、波形系数。若取安全系数为2 2，求，求额定定电流流为100A100A的晶的晶闸管管实际允允许通通过的平均的平均值和最大
26、和最大值是多少？是多少？解：解：实际电实际电流平均流平均值值电电流有效流有效值值波形系数波形系数100A100A的晶的晶闸管管实际允允许通通过的的电流平均流平均值最大最大电电流流372.3.4晶闸管的主要参数维维持持电电流流I IH H 使晶使晶闸管管维持持导通所必需的最小通所必需的最小电流。流。擎住擎住电电流流I ILL晶晶闸管管刚从断从断态转入通入通态并并移除触移除触发发信号信号后，后，能能维维持持导导通所需的最小通所需的最小电电流。流。对对同一晶同一晶闸闸管来管来说说，通通常常I IL L约为约为I IH H的的2424倍倍。浪涌浪涌电电流流I ITSMTSM指由于指由于电路异常情况引起
27、的并使路异常情况引起的并使结温超温超过额定定结温温的不重复性最大正向的不重复性最大正向过载电流流 。其有上下两个。其有上下两个级，可作可作为设计保保护电路的依据。路的依据。382.3.4晶闸管的主要参数3 3）动态动态参数参数除开通除开通时间时间t tgtgt和关断和关断时间时间t tq q外，外，还还有：有：断断态电压临态电压临界上升率界上升率d du u/d/dt t 指指在在额定定结温温和和门极极开开路路的的情情况况下下，不不导致致晶晶闸管管从从断断态到到通通 态转换的外加的外加电压最大上升率。最大上升率。 电压上上升升率率过大大，使使充充电电流流足足够大大，就就会会使使晶晶闸管管误导通
28、通 。通通态电态电流流临临界上升率界上升率d di i/d/dt t 指指在在规规定定条条件件下下，晶晶闸闸管管能能承承受受而而无无有有害害影影响响的的最最大大通通态态电电流上升率。流上升率。如果如果电流上升太快，可能造成局部流上升太快，可能造成局部过热而使晶而使晶闸管管损坏坏。392.3.5晶闸管的派生器件5)5)晶晶闸管的命名管的命名40型号为KP100-3，维持电流IH=4mA的晶闸管，使用在下图所示电路中是否合理？为什么？（不考虑电压电流裕量）画出下图所示电路的负载电阻Rg上的电压波形41下图阴影部分表示流过晶闸管的电流波形，高最大值均为下图阴影部分表示流过晶闸管的电流波形，高最大值均
29、为IM,试计试计算各图中的电流平均值，有效值。算各图中的电流平均值，有效值。422.3.5晶闸管的派生器件(1)双向晶双向晶闸闸管的外形及管的外形及结结构构双向晶双向晶闸闸管管(TRIAC)(TRIAC)是一种是一种NPNPNNPNPN的五的五层三端三端(T1(T1、T2T2和和G)G)元件，有元件，有四个四个PNPN结。1)1)双双 向向 晶晶 闸闸 管管（ Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectionaltriodethyristor） 可可认为是一是一对反并反并联联接的普接的普通晶通晶闸管的集成。管的集成。 有两个主有两个主电极极T1和和T2，一个，一个门门极极G
30、。图图2-92-9双向晶双向晶闸管管432.3.5晶闸管的派生器件(2)伏安特性与参数伏安特性与参数有两个主有两个主电电极极T1和和T2，一个，一个门门极极G。在第在第和第和第IIIIII象限有象限有对称称的伏安特性。的伏安特性。不用平均不用平均值值而用有效而用有效值值来表来表示其示其额额定定电电流流值值(I(IT T（RMSRMS）) )。双向晶双向晶闸闸管与普通晶管与普通晶闸闸管管额额定定电电流流换换算关系。算关系。图图2-102-10双向晶双向晶闸管的管的电气气图形符号和伏安特性形符号和伏安特性a)电气气图形符号形符号b)伏安特性伏安特性442.3.5晶闸管的派生器件2)2)快速晶快速晶
31、闸管管（FastSwitchingThyristorFST)有有快速晶快速晶闸闸管管和和高高频频晶晶闸闸管管。开关开关时间时间以及以及d du u/d/dt t和和d di i/d/dt t耐量都有明耐量都有明显显改善。改善。普普通通晶晶闸闸管管关关断断时时间间数数百百微微秒秒，快快速速晶晶闸闸管管数数十十微微秒秒，高高频频晶晶闸闸管管1010 s s左右。左右。高高频晶晶闸管的不足在于其管的不足在于其电压和和电流定流定额都不易做高。都不易做高。由于工作由于工作频率率较高，不能忽略其开关高，不能忽略其开关损耗的耗的发热效效应。452.3.5晶闸管的派生器件3)逆逆导导晶晶闸闸管管（Revers
32、eConductingThyristorRCT）将晶将晶闸闸管反并管反并联联一一个二极管制作在同个二极管制作在同一管芯上的功率集一管芯上的功率集成器件。不具有承成器件。不具有承受反向受反向电压电压的能力。的能力。具有正向具有正向压压降小、降小、关断关断时间时间短、高温短、高温特性好、特性好、额额定定结结温温高等高等优优点。点。a)KGA图图2-11逆逆导晶晶闸管的管的电气气图形符号和伏安特性形符号和伏安特性a)电气气图形符号形符号b)伏安特性伏安特性462.3.5晶闸管的派生器件4) 光光控控晶晶闸闸管管（Light Triggered ThyristorLTT）又称光触又称光触发发晶晶闸闸管
33、，管，是利用一定波是利用一定波长长的光的光照信号触照信号触发导发导通的晶通的晶闸闸管。管。光触光触发发保保证证了主了主电电路路与控制与控制电电路之路之间间的的绝绝缘缘，且可避免，且可避免电电磁干磁干扰扰的影响。的影响。因此目前在高因此目前在高压压大功大功率的率的场场合。合。AGKa)图图212光控晶光控晶闸管的管的电气气图形符号形符号和伏安特性和伏安特性a)电气气图形符号形符号b)伏安特性伏安特性472.4门极关断晶闸管（GTO）2.4.1引言引言2.4.2GTO的的结结构和工作原理构和工作原理2.4.3GTO的的动态动态特性特性2.4.4GTO的主要参数的主要参数482.4.1引 言 门门极
34、关断晶极关断晶闸闸管管（Gate-Turn-OffThyristorGTO）晶晶闸闸管的一种派生器件。管的一种派生器件。可以通可以通过过在在门门极施加极施加负负的脉冲的脉冲电电流流使其关断。使其关断。GTOGTO的的电压、电流流容容量量较大大，与与普普通通晶晶闸管管接接近近，因而在兆瓦因而在兆瓦级以上的大功率以上的大功率场合仍有合仍有较多的多的应用。用。49结构结构：与与普普通通晶晶闸闸管管的的相相同同点点：PNPNPNPN四四层半半导体体结构构，外外部部引引出出阳极、阴极和阳极、阴极和门极。极。和普通晶和普通晶闸管的管的不同点不同点：GTOGTO是一种多元的功率集成器件。是一种多元的功率集成
35、器件。图图2-13GTO2-13GTO的内部的内部结构和构和电气气图形符号形符号a)a)各各单元的阴极、元的阴极、门极极间隔排列的隔排列的图形形b)b)并并联单元元结构断面示意构断面示意图c)c)电气气图形形符号符号C）GKN2P2N2N1P1A2.4.2GTO的结构和工作原理50工作原理工作原理：与普通晶与普通晶闸闸管一管一样样，可以用，可以用图图2-132-13所示的双晶体管模型来分析所示的双晶体管模型来分析。图图2-132-13晶晶闸管的双晶体管模型及其工作原理管的双晶体管模型及其工作原理由由P1N1P2和和N1P2N2构成的两个晶体管构成的两个晶体管V1、V2分分别别具有共具有共基极基
36、极电电流增益流增益 1 1和和 2 2。 1 1 1 1+ + + + 2 2 2 21111是器件是器件是器件是器件临临界界界界导导通的条件。通的条件。通的条件。通的条件。2.4.2GTO的结构和工作原理51GTOGTO能能够通通过门极关断的原因是其与普通晶极关断的原因是其与普通晶闸管有如下管有如下区区别别：设计设计 2较较大，使晶体管大，使晶体管V2控控制制灵敏，晶体管灵敏，晶体管V1饱饱和度和度较较浅，浅，易于易于GTO控制。控制。导通通时 1+ 2更接近更接近1，导通通时接近接近临界界饱和，有利和，有利门极控极控制关断，但制关断，但导通通时管管压降增大。降增大。多元集成多元集成结结构，
37、使得构，使得P2基区基区（较较薄）横向薄）横向电电阻很小，能从阻很小，能从门门极抽出极抽出较较大大电电流。流。图图2-14晶晶闸管的工作原理管的工作原理2.4.2GTO的结构和工作原理52结论结论：GTOGTO导通通过程程与与普普通通晶晶闸管管一一样，只只是是导通通时饱和和程度程度较较浅浅。GTOGTO关关断断过程程中中有有强烈烈正正反反馈使使器器件件退退出出饱和和而而关关断。断。多多元元集集成成结构构还使使GTOGTO比比普普通通晶晶闸管管开开通通过程程快快，承受承受d di i/d/dt t能力能力强强。2.4.2GTO的结构和工作原理532.4.3GTO的动态特性开通开通过过程程：与普通
38、晶：与普通晶闸闸管相同管相同关关断断过过程程：与与普普通通晶晶闸闸管管有有所所不不同同储储存存时时间间t ts s使使等等效效晶晶体体管管退退出出饱饱和。和。下下降降时时间间t tff等等效效晶晶体体管管从从饱饱和和区区退退至至放放大大区区，阳阳极极电电流逐流逐渐渐减小。减小。尾尾部部时时间间t tt t 残残存存载载流流子子复复合。合。通通常常t tf f比比t ts s小小得得多多，而而t tt t比比t ts s要要长长。门门极极负负脉脉冲冲电电流流幅幅值值越越大大，t ts s越短。越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6图图215
39、GTO的开通和关断的开通和关断过过程程电电流波形流波形542.4.4GTO的主要参数许许多参数和普通晶多参数和普通晶闸闸管相管相应应的参数意的参数意义义相同，相同，以下只介以下只介绍绍意意义义不同的参数不同的参数。（1）开通开通时间时间ton延延迟时间迟时间与上升与上升时间时间之和。延之和。延迟时间迟时间一般一般约约12 s，上升，上升时间则随通随通态阳极阳极电流的增大而增大。流的增大而增大。（2）关断关断时间时间toff一般指一般指储储存存时间时间和下降和下降时间时间之和，不包括尾之和，不包括尾部部时间时间。下降。下降时间时间一般小于一般小于2 s。不少不少GTO都制造成逆都制造成逆导型型，
40、类类似于逆似于逆导导晶晶闸闸管管，需承需承受反受反压时压时，应应和和电电力二极管串力二极管串联联。55（3）最大可关断阳极最大可关断阳极电电流流IATOIATOGTO额额定定电电流。流。（4）电电流关断增益流关断增益 offoff最大可关断阳极最大可关断阳极电电流与流与门门极极负负脉冲脉冲电电流最大流最大值值IGM之比称之比称为电为电流关断增益。流关断增益。 off一般很小，只有一般很小，只有5左右，左右，这这是是GTO的一个主要缺点。的一个主要缺点。1000A的的GTO关断关断时门时门极极负负脉冲脉冲电电流峰流峰值值要要200A。2.4.4GTO的主要参数56(5)阳极尖峰电压阳极尖峰电压U
41、P是在下降时间末尾出现的极值电压，它几乎随阳极可关是在下降时间末尾出现的极值电压，它几乎随阳极可关断电流线性增加，断电流线性增加，UP过高可能导致过高可能导致GTO晶闸管失效。晶闸管失效。(6)维持电流维持电流是是指阳极电流减小到开始出现指阳极电流减小到开始出现GTO晶闸管不能维持导晶闸管不能维持导通的数值。通的数值。(7)擎住电流擎住电流是指是指GTO晶闸管经门极触发后，阳极电流上升到保持所晶闸管经门极触发后，阳极电流上升到保持所有有GTO晶闸管元导通导通的最低值。晶闸管元导通导通的最低值。2.4.4GTO的主要参数572.5.1引言引言2.5.2GTR的的结结构和工作原理构和工作原理2.5
42、.3GTR的基本特性的基本特性2.5.4GTR的主要参数的主要参数2.5.5BJTBJT与晶与晶闸闸管的性能比管的性能比较较2.5电力晶体管（GTR）582.5.1引言术语术语用法用法：电电力力晶晶体体管管（GiantGiantTransistorTransistorGTRGTR，直直译为巨巨型晶体管）型晶体管） 。耐耐高高电压、大大电流流的的双双极极结型型晶晶体体管管（BipolarBipolarJunctionJunctionTransistorTransistorBJTBJT），英英文文有有时候候也也称称为PowerBJTPowerBJT。应应用用2020世世纪8080年年代代以以来来，
43、在在中中、小小功功率率范范围内内取取代代晶晶闸管，但目前又大多被管，但目前又大多被IGBTIGBT和和电力力MOSFETMOSFET取代。取代。592.5.2GTR的结构和工作原理图图2-16GTR的的结构、构、电气气图形符号和内部形符号和内部载流子的流流子的流动a)内部内部结构断面示意构断面示意图b)电气气图形符号形符号c)内部内部载流子的流流子的流动e与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。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。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。602.5.2GTR的结构和工作原理在在应应用中，用中，GTRGTR一般
44、采用共一般采用共发射极接法。射极接法。集集电极极电流流i ic c与基极与基极电电流流i ib b之比之比为为 GTRGTR的的电电流放大系数流放大系数，反映了基极，反映了基极电电流流对对集集电电极极电电流的控制能力流的控制能力。当考当考虑虑到集到集电电极和极和发发射极射极间间的漏的漏电电流流I Iceoceo时时，i ic c和和i ib b的关系的关系为为单单管管GTRGTR的的 值值比比小小功功率率的的晶晶体体管管小小得得多多，通通常常为为1010左左右右，采采用用达达林林顿接法可有效增大接法可有效增大电流增益。流增益。ic= ib+Iceo612.5.2GTR的结构和工作原理达林顿达林
45、顿GTR1.R1，R2：稳定电阻，提供反向漏电流：稳定电阻，提供反向漏电流通路，提高复合管的温度稳定性通路，提高复合管的温度稳定性2.VD1：加速二极管，为：加速二极管，为V2提供反向提供反向IB通路通路3.VD2：续流二极管：续流二极管图图2-17达林达林顿顿管管622.5.3GTR的基本特性1)静静态态特性特性共共发发射射极极接接法法时时的的典典型型输输出出特特性性：截截止止区区、放放大区大区和和饱饱和区和区。在在电电力力电电子子电电路路中中GTRGTR工作在开关状工作在开关状态。在在开开关关过程程中中，即即在在截截止止区区和和饱和和区区之之间过渡渡时，要，要经过放大区。放大区。图图2-1
46、8共共发射极接法射极接法时GTR的的输出特性出特性632.5.3GTR的基本特性2)动态动态特性特性开通开通过过程程延延迟迟时时间间t td d和和上上升升时时间间t tr r，二二者之和者之和为为开通开通时间时间t tonon。加加快快开开通通过过程程的的办办法法：增增大大i ib b和和didib b/dt/dt。关断关断过过程程储储存存时时间间t ts s和和下下降降时时间间t tf f，二二者者之之和和为为关断关断时间时间t toffoff 。加加快快关关断断速速度度的的办办法法：减减少少导导通通的的饱饱和和深深度度或或增增大大基基极极抽抽取取负负电电流流I Ib2b2幅幅值值和和负负
47、偏偏压压。GTRGTR的的开开关关时间在在几几微微秒秒以以内内，比比晶晶闸管和管和GTOGTO都短很多都短很多 。ibIb1Ib2Icsic0090% Ib110% Ib190% Ics10% Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd图图2-19GTR的开通和关断的开通和关断过过程程电电流波形流波形642.5.4GTR的主要参数前前已已述述及及：电电流流放放大大倍倍数数 、直直流流电电流流增增益益h hFEFE、集集射射极极间间漏漏电电流流I Iceoceo、集集射射极极间间饱饱和和压压降降U Ucesces、开开通通时时间间t tonon和和关关断断时间时间t tof
48、foff( (此外此外还有有) )：1)1) 最高工作最高工作电压电压GTRGTR上上电压超超过规定定值时会会发生生击穿。穿。击穿穿电压不不仅和和晶晶体体管管本本身身特特性性有有关关，还与与外外电路路接接法法有关。有关。BUBUcbocboBUBUcexcexBUBUcescesBUBUcercerBuBuceoceo。实际实际使用使用时时，最高工作，最高工作电压电压要比要比BUBUceoceo低得多。低得多。652)集集电电极最大允极最大允许电许电流流IcM通常通常规规定定为为h hFEFE下降到下降到规规定定值值的的1/21/31/21/3时所所对应的的I Icc。实际实际使用使用时时要留
49、有裕量，只能用到要留有裕量，只能用到I IcMcM的一半或稍多一点。的一半或稍多一点。 3)3) 集集电电极最大耗散功率极最大耗散功率P PcMcM最高工作温度下允最高工作温度下允许许的耗散功率。的耗散功率。产产品品说说明明书书中中给给P PcMcM时时同同时时给给出出壳壳温温T TC C，间间接接表表示示了了最最高高工工作温度作温度。2.5.4GTR的主要参数664)GTR的二次的二次击击穿穿现现象与安全工作区象与安全工作区一次一次击击穿：穿：集集电电极极电压电压升高至升高至击击穿穿电压时电压时，I Ic c迅速增大。迅速增大。只要只要I Ic c不超不超过过限度，限度，GTRGTR一般不会
50、一般不会损坏，工作特性也不坏，工作特性也不变。二次二次击击穿穿：一次一次击击穿穿发发生生时时，I Ic c突然急突然急剧剧上升，上升，电压电压陡然下降。陡然下降。常常立即常常立即导导致器件的永久致器件的永久损损坏，或者工作特性明坏，或者工作特性明显显衰衰变变。安安全全工工作作区区（SafeOperatingAreaSOA）最最高高电电压压UceM、集集电电极极最最大大电电流流IcM、最最大大耗耗散散功功率率PcM、二次二次击击穿穿临临界界线线限定。限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图图2-20GTR的安全工作区的安全工作区2.5.4GTR的主要参数672.5.5BJT与晶闸管的
51、性能比较项目项目晶闸管晶闸管BJT最高耐压最高耐压额定电流额定电流12000V4000A1200V600A开通时间开通时间几微秒几微秒几微秒几微秒关断时间关断时间几十至几百微秒几十至几百微秒几微秒几微秒正向压降正向压降12V0.10.7V（单管）（单管）0.82.1V（达林顿管）（达林顿管）漏电流漏电流几毫安以下几毫安以下几百微安以下几百微安以下开关方法及开关方法及所需能量所需能量开通：控制极触发电流（功率为几瓦以下）开通：控制极触发电流（功率为几瓦以下）关断：阴极加负电压关断：阴极加负电压开通：基极流过电流（功率为几瓦以下）开通：基极流过电流（功率为几瓦以下）关断：基极电流消失关断：基极电流
52、消失关断时的保护关断时的保护用缓冲电路抑制反峰电压及用缓冲电路抑制反峰电压及du/dt用缓冲电路将电压电流限制在安全工作区用缓冲电路将电压电流限制在安全工作区浪涌冲击浪涌冲击10倍的额定电流（重复性）倍的额定电流（重复性）20倍的额定电流（非重复性）倍的额定电流（非重复性）二倍的额定电流（非重复性）二倍的额定电流（非重复性）误动作误动作（控制可靠性）（控制可靠性）控制极干扰信号，过大的控制极干扰信号，过大的du/dt会引起误触发，会引起误触发，故需抑制措施，以防止电源短路损坏元件故需抑制措施，以防止电源短路损坏元件基极干扰信号，过大基极干扰信号，过大du/dt造成瞬时导通，但可造成瞬时导通，但
53、可复原，不致引起损坏。若是电源短路，工作点超复原，不致引起损坏。若是电源短路，工作点超出安全工作区，会损坏元件出安全工作区，会损坏元件维护维护无活动部件，不易损坏部件，需维护无活动部件，不易损坏部件，需维护（同晶闸管（同晶闸管）寿命寿命半永久性半永久性半永久性半永久性二次击穿二次击穿不存在不存在存在存在682.6电力场效应晶体管（MOSFET）2.6.1引言引言2.6.2电电力力MOSFET的的结结构和工作原理构和工作原理2.6.3 电电力力MOSFET的特性的特性2.6.4电力电力MOSFET的主要参数的主要参数692.6.1引言分分为为结结型和型和绝缘栅绝缘栅型型通通 常常 主主 要要 指
54、指 绝绝 缘缘 栅栅 型型 中中 的的 MOSMOS型型 （ MetalMetal OxideOxide SemiconductorFieldEffectTransistorSemiconductorFieldEffectTransistor）简称称电力力MOSFETMOSFET（PowerMOSFETPowerMOSFET）结型型电力力场效效应晶晶体体管管一一般般称称作作静静电感感应晶晶体体管管（StaticStaticInductionTransistorInductionTransistorSITSIT）特点特点用用栅栅极极电压电压来控制漏极来控制漏极电电流流驱动电驱动电路路简单简单，需
55、要的，需要的驱动驱动功率小。功率小。开关速度快，工作开关速度快，工作频频率高。率高。热稳热稳定性定性优优于于GTR。电电流流容容量量小小，耐耐压压低低，一一般般只只适适用用于于功功率率不不超超过过10kW的的电电力力电电子装置子装置。电电力力场场效效应应晶体管晶体管702.6.2电力电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理电力电力MOSFET的种类的种类按按导电导电沟道可分沟道可分为为P P沟道沟道和和N N沟道沟道。耗耗尽尽型型当当栅栅极极电电压压为为零零时时漏漏源源极极之之间间就就存在存在导电导电沟道。沟道。 增增强强型型对对于于N N（P P）沟沟道道器器件件，栅极极电压大于（小
56、于）零大于（小于）零时才存在才存在导电沟道。沟道。电电力力MOSFETMOSFET主要是主要是N N沟道增沟道增强型型。71电力电力MOSFET的结构的结构是是单单极型晶体管。极型晶体管。导电导电机理与小功率机理与小功率MOS管相同，但管相同，但结结构上有构上有较较大区大区别别。采用多元集成采用多元集成结结构，不同的生构，不同的生产产厂家采用了不同厂家采用了不同设计设计：1.1.国国际整流器公司（整流器公司（InternationalRectifierInternationalRectifier）的）的HEXFETHEXFET采用了六采用了六边形形单元元2.2.西西门子公司（子公司（Sieme
57、nsSiemens）的）的SIPMOSFETSIPMOSFET采用了正方形采用了正方形单元元3.3.摩托摩托罗拉公司（拉公司（MotorolaMotorola）的）的TMOSTMOS采用了矩形采用了矩形单元按元按“品品”字形排列字形排列 图图2-21电力力MOSFET的的结构和构和电气气图形符号形符号2.6.2电力电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理72小功率小功率MOSMOS管是横向管是横向导电器件。器件。电力力MOSFETMOSFET大都采用垂直大都采用垂直导电结构，又称构，又称为VMOSFETVMOSFET（VerticalMOSFETVerticalMOSFET）。）。按垂
58、直按垂直导电结导电结构的差异，分构的差异，分为为利利用用V V型槽型槽实现垂直垂直导电的的VVMOSFETVVMOSFET和具有垂直和具有垂直导电导电双双扩扩散散MOSMOS结构的构的VDMOSFETVDMOSFET（VerticalDouble-VerticalDouble-diffusedMOSFETdiffusedMOSFET）。）。这这里主要以里主要以VDMOSVDMOS器件器件为例例进行行讨论。BG栅栅极极D漏极漏极SiO2P型硅衬底型硅衬底S源极源极图图2-222-22小功率小功率MOSMOS管管结构构图N+N+2.6.2电力电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理73VV
59、MOSFET和和VDMOSFET图2-23VVMOSFET和和UMOSFET基本基本结构构电电场场集集中中，不不易易提提高高耐耐压压2.6.2电力电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理74截止截止：漏源极漏源极间间加正加正电电源源，栅栅源极源极间电压为间电压为零零。P P基区与基区与N N漂移区之漂移区之间形成的形成的PNPN结J J1 1反偏，漏源极之反偏，漏源极之间间无无电电流流流流过过。导电导电：在在栅栅源极源极间间加正加正电压电压U UGSGS当当U UGSGS大大于于U UT T时时，P P型型半半导体体反反型型层N N型型而而成成为反反型型层层，该该反反型型层层形形成成N
60、 N沟道而使沟道而使PNPN结J J1 1消失，漏极和源极消失，漏极和源极导电导电。电电力力MOSFET的工作原理的工作原理图图2-24电力力MOSFET的的结构和构和电气气图形符号形符号2.6.2电力电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理752.6.3电力MOSFET的特性1)静态特性静态特性漏极漏极电电流流I ID D和和栅栅源源间电间电压压U UGSGS的关系称的关系称为为MOSFETMOSFET的的转转移特性移特性。I ID D较较大大时时，I ID D与与U UGSGS的关的关系近似系近似线线性，曲性，曲线线的斜的斜率定率定义为义为跨跨导导G Gfsfs。图图2-25电力力
61、MOSFET的的转转移特性和移特性和输输出特性出特性a)转移特性移特性b)输出特性出特性762.6.3电力MOSFET的特性MOSFET的漏极伏安特性的漏极伏安特性：截止区截止区（对应对应于于GTRGTR的截止区）的截止区）饱饱和区和区（对应对应于于GTRGTR的放大区）的放大区）非非饱饱和区和区（对应对应GTRGTR的的饱和区）和区）工工作作在在开开关关状状态态，即即在在截截止止区区和和非非饱饱和区之和区之间间来回来回转换转换。漏漏源源极极之之间间有有寄寄生生二二极极管管，漏漏源源极极间间加反向加反向电压时电压时器件器件导导通。通。通通态态电电阻阻具具有有正正温温度度系系数数，对对器器件并件
62、并联时联时的的均流均流有利。有利。010203050402468a)10203050400b)10 20 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图图2-25电电力力MOSFET的的转转移特性和移特性和输输出特性出特性a)转移特性移特性b)输出特性出特性772.6.3电力MOSFET的特性极间电容极间电容图图226226功率功率MOSFETMOSFET极极间电容分布及其等效容分布及其等效电路路Cin=CGS+CGDCout=CDS+CGDCf=CGD782.6.3电力MOSFET的特性
63、2)动态动态特性特性开通过程开通过程开开通通延延迟迟时时间间td(on)up前前沿沿时时刻刻到到uGS=UT并并开开始始出出现现iD的的时时刻刻间间的时间段。的时间段。上上升升时时间间tr uGS从从uT上上升升到到MOSFET进进入入非非饱饱和和区区的的栅栅压压UGSP的时间段。的时间段。iD稳稳态态值值由由漏漏极极电电源源电电压压UE和和漏漏极极负载电阻决定。负载电阻决定。UGSP的大小和的大小和iD的稳态值有关的稳态值有关UGS达达到到UGSP后后，在在up作作用用下下继继续续升高直至达到稳态，但升高直至达到稳态，但iD已不变。已不变。开开通通时时间间ton开开通通延延迟迟时时间间与与上
64、上升时间之和。升时间之和。图图2-27电力力MOSFET的开关的开关过过程程a)测试电路路b)开关开关过程波形程波形up脉冲信号源，脉冲信号源，Rs信号源内阻，信号源内阻，RG栅极极电阻，阻，RL负载电阻，阻，RF检测漏极漏极电流流79v关断关断过过程程关断延关断延迟时间迟时间td(off)u up p下下降到零起，降到零起，C Cinin通通过过R Rs s和和R RG G放放电电，u uGSGS按指数曲按指数曲线线下降到下降到U UGSPGSP时时，i iD D开始减小的开始减小的时间时间段。段。下降下降时间时间t tf fuuGSGS从从U UGSPGSP继续继续下降起，下降起，i iD
65、 D减小，到减小，到u uGSGS 20V将将导导致致绝缘层击绝缘层击穿穿。82（4)4)极极间电容容极极间电间电容容CGS、CGD和和CDS 厂厂家家提提供供：漏漏源源极极短短路路时的的输入入电容容Ciss、共共源源极极输输出出电电容容Coss和反向和反向转转移移电电容容CrssCiss= CGS+ CGDCrss= CGDCoss= CDS+ CGD 输入入电容可近似用容可近似用Ciss代替。代替。 这些些电容都是非容都是非线性的。性的。 漏源漏源间的耐的耐压、漏极最大允、漏极最大允许电流和最大耗散功率决流和最大耗散功率决定了定了电力力MOSFETMOSFET的安全工作区。的安全工作区。
66、一般来一般来说，电力力MOSFETMOSFET不存在二次不存在二次击穿穿问题，这是它是它的一大的一大优点。点。 实际使用中仍使用中仍应注意留适当的裕量。注意留适当的裕量。2.6.4电力MOSFET的主要参数832.7绝缘栅双极晶体管（IGBT）2.7.1引言引言2.7.2IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理2.7.3IGBT的基本特性的基本特性2.7.4IGBT的主要参数的主要参数842.7.1引言图图2-291700V/1200A，3300V/1200AIGBT模块模块GTR和和GTO的的特特点点双双极极型型，电流流驱动，有有电导调制制效效应，通通流流能能力力很很强，开关速度，开关速度较
67、低，所需低，所需驱动功率大，功率大，驱动电路复路复杂。MOSFET的的优优点点单极极型型，电压驱动，开开关关速速度度快快，输入入阻阻抗抗高高，热稳定定性性好好，所所需需驱动功功率率小小而而且且驱动电路路简单，不不存存在在二二次次击穿穿问题，但但存存在通在通态压降大，降大，电流容量低等流容量低等问题，难制成高制成高电压、大、大电流器件。流器件。两两类类器器件件取取长长补补短短结结合合而而成成的的复复合合器器件件Bi-Bi-MOSMOS器件器件绝 缘 栅 双双 极极 晶晶 体体 管管 （ Insulated-gateInsulated-gateBipolarTransistorBipolarTra
68、nsistorIGBTIGBT或或IGTIGT）GTRGTR和和MOSFETMOSFET复合，复合，结合二者的合二者的优点。点。19861986年年投投入入市市场，是是中中小小功功率率电力力电子子设备的主的主导器件。器件。继续提提高高电压和和电流流容容量量，以以期期再再取取代代GTOGTO的地位。的地位。852.7.2IGBT的结构和工作原理1)IGBT的结构的结构三端器件：三端器件：栅栅极极G G、集、集电极极C C和和发射极射极E E图图3-30a3-30aN N沟道沟道VDMOSFETVDMOSFET与与GTRGTR组合合N N沟道沟道IGBTIGBT。IGBTIGBT比比VDMOSFE
69、TVDMOSFET多一多一层P P+ +注入区，具有很注入区，具有很强强的通流能力。的通流能力。简简化化等等效效电电路路表表明明，IGBTIGBT是是GTRGTR与与MOSFETMOSFET组成成的的达达林林顿结构构，一一个个由由MOSFETMOSFET驱动的厚基区的厚基区PNPPNP晶体管。晶体管。R RN N为为晶体管基区内的晶体管基区内的调调制制电电阻。阻。图图2-30IGBT的的结构、构、简化等效化等效电路和路和电气气图形符号形符号a)内部内部结构断面示意构断面示意图b)简化等效化等效电路路c)电气气图形符号形符号862.7.2IGBT的结构和工作原理图图2-31双双载流子参与流子参与
70、导电示意示意图872.7.2IGBT的结构和工作原理IGBT的原理的原理驱驱动动原原理理与与电电力力MOSFETMOSFET基基本本相相同同，场控控器器件件，通通断断由由栅射射极极电压u uGEGE决定。决定。导导通通：u uGEGE大大于于开开启启电电压压U UGE(th)GE(th)时时，MOSFETMOSFET内内形形成成沟沟道道，为晶晶体管提供基极体管提供基极电流，流，IGBTIGBT导通。通。通通态压态压降降：电导调电导调制效制效应应使使电电阻阻R RN N减小，使通减小，使通态压态压降减小。降减小。关关断断：栅栅射射极极间间施施加加反反压压或或不不加加信信号号时时，MOSFETMO
71、SFET内内的的沟沟道道消消失，晶体管的基极失，晶体管的基极电流被切断，流被切断，IGBTIGBT关断。关断。882.7.3IGBT的基本特性1)IGBT的静的静态态特性特性a)b)O有源区有源区正向阻断区正向阻断区饱饱和和区区反向阻断区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加增加图图2-32IGBT2-32IGBT的的转移特性和移特性和输出特性出特性a)a)转移特性移特性b)b)输出特性出特性转转移特性移特性IC与与UGE间间的关系的关系(开启开启电压UGE(th)输输出特性出特性分分为为三三个个区区域域：正正向向阻阻断断区区、有有源源区区和和饱饱和
72、区。和区。892.7.3IGBT的基本特性IGBTIGBT的开通的开通过程程与与MOSFETMOSFET的相似的相似开通延开通延迟时间迟时间t td(on)d(on) 电流上升流上升时间t tr r 开通开通时间时间t tononu uCECE的的下下降降过过程程分分为为t tfv1fv1和和t tfv2fv2两段。两段。 t tfv1fv1IGBTIGBT中中MOSFETMOSFET单独独工工作的作的电压下降下降过程；程； t tfv2fv2MOSFETMOSFET和和 PNPPNP晶晶 体体 管管同同时工作的工作的电压下降下降过程。程。2)IGBT的的动态动态特性特性图图2-33IGBT的
73、开关的开关过程程90关关断断延延迟迟时时间间td(off)从从uGE后后沿沿下下降降到到其其幅幅值值90%的的时时刻刻起，到起，到iC下降至下降至90%ICM。电电流流下下降降时时间间iC从从90%ICM下降至下降至10%ICM。关关断断时时间间toff关关断断延延迟迟时时间间与电流下降之和。与电流下降之和。电电流流下下降降时时间间又又可可分分为为tfi1和和tfi2两两 段段 。 tfi1IGBT内内 部部 的的MOSFET的的关关断断过过程程，iC下下降降较较快快；tfi2IGBT内内部部的的PNP晶体管的关断过程，晶体管的关断过程，iC下降较慢。下降较慢。2.7.3IGBT的基本特性IG
74、BT的关断的关断过程程图图2-34IGBT的开关的开关过程程912.7.4IGBT的主要参数正常工作温度下允正常工作温度下允许许的最大功耗的最大功耗。(3)最大集最大集电电极功耗极功耗PCM最大集电极连续（直流）电流最大集电极连续（直流）电流IC额定电流；额定电流；为避免擎住效应，规定了为避免擎住效应，规定了ICM，ICM2IC(2)最大集最大集电电极极连续连续（直流）（直流）电电流流IC和最大峰和最大峰值电值电流流ICM由内部由内部PNPPNP晶体管的晶体管的击穿穿电压确定。确定。(1)最大集射极最大集射极间电压间电压UCES92IGBTIGBT的特性和参数特点可以的特性和参数特点可以总结如
75、下如下：开关速度高，开关开关速度高，开关损损耗小。耗小。相相同同电电压压和和电电流流定定额额时时，安安全全工工作作区区比比GTRGTR大大，且且 具有耐脉冲具有耐脉冲电流冲流冲击能力。能力。通通态压降比降比VDMOSFETVDMOSFET低。低。输入阻抗高，入阻抗高，输入特性与入特性与MOSFETMOSFET类似。似。与与MOSFETMOSFET和和GTRGTR相比，耐相比，耐压和通流能力和通流能力还可以可以进一步一步提高，同提高，同时保持开关保持开关频率高的特点率高的特点 。2.7.4IGBT的主要参数93IGBT的擎住效的擎住效应应和安全工作区和安全工作区图图2-35IGBT的的结构、具有
76、寄生晶构、具有寄生晶闸管的等效管的等效电路路左：左：内部内部结结构断面示意构断面示意图图右：右：等效等效电电路路#寄寄生生晶晶闸闸管管由由一一个个N N- -PNPN+ +晶晶体体管管和和作作为为主主开开关关器器件件的的P P+ +N N- -P P晶体管晶体管组成。成。2.7.4IGBT的主要参数94擎住效擎住效应应或自或自锁锁效效应应：IGBTIGBT往往与反并往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模的快速二极管封装在一起，制成模块，成，成为逆逆导器件器件 。最大集最大集电电极极电电流流、最大集射极最大集射极间电压间电压和和最大允最大允许电压许电压上升率上升率d du uCECE/dt/
77、dt确定。确定。反向偏置安全工作区反向偏置安全工作区（RBSOA）正偏安全工作区正偏安全工作区（FBSOA）动态动态擎住效擎住效应应比比静静态态擎住效擎住效应应所允所允许许的集的集电电极极电电流小。流小。擎住效擎住效应应曾限制曾限制IGBTIGBT电流容量提高，流容量提高，2020世世纪9090年代中后期开始年代中后期开始逐逐渐解决。解决。NPNNPN晶体管基极与晶体管基极与发射极之射极之间存在存在体区短路体区短路电电阻阻，P P形体区的横向形体区的横向空穴空穴电流会在流会在该电阻上阻上产生生压降，相当于降，相当于对J J3 3结结施加正偏施加正偏压压，一旦，一旦J J3 3开通，开通，栅栅极
78、就会失去极就会失去对对集集电电极极电电流的控制作用，流的控制作用，电电流失控。流失控。最大集最大集电电极极电电流流、最大集射极最大集射极间电压间电压和和最大集最大集电电极功耗极功耗确定。确定。2.7.4IGBT的主要参数952.82.8GTOGTO、GTRGTR、MOSFETMOSFET、IGBTIGBT驱动驱动与保与保护护2.8.1电力力电子器件子器件驱动电路概述路概述2.8.2 典型全控型器件的典型全控型器件的驱动电路路2.8.3 电力力电子器件的保子器件的保护96使使电电力力电电子子器器件件工工作作在在较较理理想想的的开开关关状状态态，缩缩短短开开关关时时间间，减减小开关小开关损损耗。耗
79、。对对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义义。一些保一些保护护措施也往往措施也往往设设在在驱动电驱动电路中，或通路中，或通过驱动电过驱动电路路实现实现。驱动电驱动电路的基本任路的基本任务务：按控制目按控制目标标的要求施加开通或关断的信号。的要求施加开通或关断的信号。对对半控型器件只需提供开通控制信号。半控型器件只需提供开通控制信号。对对全全控控型型器器件件则则既既要要提提供供开开通通控控制制信信号号，又又要要提提供供关关断断控控制制信信号。号。驱动电驱动电路路主主电电路与控制路与控制电电路之路之间间的接口的接口2.8.1电力电子器件驱动电路概述
80、97驱驱动动电电路路还还要要提提供供控控制制电电路路与与主主电电路路之之间间的的电电气气隔隔离离环节环节，一般采用光隔离或磁隔离。，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用由光隔离一般采用由发发光二极管和光敏晶体管光二极管和光敏晶体管组组成的成的光耦合器光耦合器磁隔离的元件通常是磁隔离的元件通常是脉冲脉冲变压变压器器图图2-36光耦合器的光耦合器的类型及接法型及接法a)普通型普通型b)高速型高速型c)高高传输比型比型2.8.1电力电子器件驱动电路概述98按照按照驱动驱动信号的性信号的性质质分，可分分，可分为为电电流流驱动驱动型型和和电压驱动电压驱动型型。按开关信号按开关信号频频率，可分率，可分为
81、为低低频频信号信号驱动驱动型和高型和高频频信号信号驱动驱动型型驱驱动动电电路路具具体体形形式式可可为为分分立立元元件件的的，但但目目前前的的趋趋势势是是采采用用专专用用集成集成驱动电驱动电路路。双双列列直直插插式式集集成成电电路路及及将将光光耦耦隔隔离离电电路路也也集集成成在在内内的的混混合合集集成成电电路。路。为为达达到到参参数数最最佳佳配配合合，首首选选所所用用器器件件生生产产厂厂家家专专门门开开发发的的集集成成驱动电驱动电路。路。分分类类2.8.1电力电子器件驱动电路概述992.8.2典型全控型器件的驱动电路(1)GTOGTOGTO的的开开通通控控制制与与普普通通晶晶闸闸管管相相似似。但
82、但对对触触发发前前沿沿的的幅幅值值和和陡陡度度的的要要求求高高, ,且且一一般般需需要要在在整整个个导通通期期间施施加正加正门极极电流流 GTOGTO关关断断控控制制需需施施加加负负门门极极电电流流。对对其其幅幅值值和和陡陡度度的的要要求求更更高高，幅幅值值需需达达阳阳极极电电流流的的1/31/3左左右右，陡陡度度需需达达50A/s50A/s,强负脉脉冲冲宽度度约 30s30s，负脉脉冲冲总宽约10s10s, ,关关断断后后还应在在门阴阴极极施施加加约 5V5V的的负偏偏压，以以提高抗干提高抗干扰能力能力 图图2-372-37推荐的推荐的GTOGTO门极极电压电流波形流波形1)电流流驱动型器件
83、的型器件的驱动电路路GTOGTO驱动电路路通通常常包包括括开开通通驱驱动动电电路路、关关断断驱驱动动电电路路和和门门极极反反偏偏电电路路三三部部分分，可可分分为为脉脉冲冲变变压压器器耦合式耦合式和和直接耦合式直接耦合式两种两种类类型。型。100直直接接耦耦合合式式驱驱动动电电路路可可避避免免电电路路内内部部的的相相互互干干扰扰和和寄寄生生振振荡荡，可可得得到到较较陡陡的的脉脉冲前沿。冲前沿。目前目前应应用用较较广，但其功耗大，效率广，但其功耗大，效率较较低。低。图图2-382-38典型的直接耦合式典型的直接耦合式GTOGTO驱动电路路 该电路路的的电源源由由高高频电源源经二二极极管管整整流流后
84、后提提供供，二二极极管管VD1VD1和和电容容 C1C1提提供供 +5V+5V电压，VD2VD2、VD3VD3、C2C2、 C3C3构构成成倍倍压整整流流电路路提提供供15V15V电压，VD4VD4和和电容容 C4C4提提供供 15V15V电压。场效效应管管 VlVl开开通通时，输出出正正强脉脉冲冲；V2V2开开通通时输出出正正脉脉冲冲平平顶部分；部分；V2V2关断而关断而V3V3开通开通时输出出负脉冲；脉冲；V3V3关断后关断后电阻阻R3R3和和R4R4提供提供门极极负偏偏压。2.8.2典型全控型器件的驱动电路101开开通通驱驱动动电电流流应应使使GTRGTR处于于准准饱和和导通通状状态，使
85、使之之不不进入入放放大大区区和和深深饱和区。和区。关关断断GTRGTR时，施施加加一一定定的的负基基极极电流流有利于减小关断有利于减小关断时间和关断和关断损耗。耗。关关断断后后同同样应在在基基射射极极之之间施施加加一一定幅定幅值（6V6V左右）的左右）的负偏偏压。驱动电流流的的前前沿沿上上升升时间应小小于于1s1s，以保，以保证能快速开通和关断。能快速开通和关断。tOib图图2-39理想的理想的GTR基极基极驱动电流波形流波形(2)GTR2.8.2典型全控型器件的驱动电路102GTRGTR的一种的一种驱动电路，包括路，包括电气隔离和晶体管放大气隔离和晶体管放大电路两部分路两部分。图图2-40G
86、TR的一种的一种驱动电路路二二极极管管VDVD2 2和和电电位位补补偿偿二二极极管管VDVD3 3构构成成贝贝克克箝箝位位电电路路，也也即即一一种种抗抗饱饱和和电电路路，负负载载较较轻轻时时，如如V V5 5发发射射极极电电流流全全注注入入V V，会会使使V V过饱和和。有有了了贝克克箝箝位位电路路，当当V V过饱和和使使得得集集电极极电位位低低于于基基极极电位位时，VDVD2 2会会自自动动导导通通，使使多多余余的的驱驱动动电电流流流入集流入集电电极，极，维维持持U Ubcbc00。 C C2 2为为加加速速开开通通过过程程的的电电容容。开开通通时时，R R5 5被被C C2 2短短路路。可
87、可实实现现驱驱动动电电流流的的过过冲冲，并增加前沿的陡度，加快开通。并增加前沿的陡度，加快开通。2.8.2典型全控型器件的驱动电路103电电力力MOSFETMOSFET和和IGBTIGBT是是电压驱动型器件。型器件。为快速建立快速建立驱动电压，要求，要求驱动电路路输出出电阻小。阻小。使使MOSFETMOSFET开开通通的的驱动电压一一般般1015V1015V，使使IGBTIGBT开开通通的的驱动电压一般一般1520V1520V。关关断断时施施加加一一定定幅幅值的的负驱动电压（一一般般取取-5-5-15V-15V）有有利于减小关断利于减小关断时间和关断和关断损耗。耗。在在栅极串入一只低极串入一只
88、低值电阻可以减小寄生振阻可以减小寄生振荡。2)电压驱动型器件的型器件的驱动电路路2.8.2典型全控型器件的驱动电路104(1)电电力力MOSFETMOSFET的一种的一种驱动电驱动电路路：电电气隔离气隔离和和晶体管放大晶体管放大电电路路两部分两部分图图2-40电力力MOSFET的一种的一种驱动电路路无无输输入信号入信号时时高速放大器高速放大器A A输出出负电平平,V,V3 3导导通通输输出出负驱动电压负驱动电压。 当有当有输入信号入信号时A A输出正出正电平，平，V V2 2导导通通输输出正出正驱动电压驱动电压专专为为驱驱动动电电力力MOSFETMOSFET而而设计的的混混合合集集成成电路路有
89、有三三菱菱公公司司的的M57918LM57918L，其其输入入信信号号电流流幅幅值为16mA16mA，输出出最最大大脉脉冲冲电流流为+2A+2A和和-3A-3A，输出出驱动电压+15V+15V和和-10V-10V。2.8.2典型全控型器件的驱动电路105(2)IGBT的驱动的驱动图图2-41M57962L型型IGBT驱动器的原理和接器的原理和接线图常常用用的的有有三三菱菱公公司司的的M579系系列列（如如M57962L和和M57959L）和和富富士士公公司司的的EXB系列（如系列（如EXB840、EXB841、EXB850和和EXB851）。）。内内部部具具有有退退饱饱和和检检测测和和保保护护
90、环环节节，当当发发生生过过电电流流时时能能快快速速响响应应但但慢慢速速关关断断IGBT，并向外部电路给出故障信号。，并向外部电路给出故障信号。M57962L输出的正驱动电压均为输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为左右，负驱动电压为-10V。多采用多采用专专用的混合集成用的混合集成驱动驱动器器。2.8.2典型全控型器件的驱动电路1061)过电压的产生及过电压保护外因外因过电压过电压：主要来自雷：主要来自雷击击和系和系统统操作操作过过程等外因程等外因操作操作过电压过电压：由分：由分闸闸、合、合闸闸等开关操作引起等开关操作引起雷雷击过电压击过电压：由雷：由雷击击引起引起内因内因过电压过电压
91、：主要来自：主要来自电电力力电电子装置内部器件的开关子装置内部器件的开关过过程程换换相相过过电电压压：晶晶闸闸管管或或与与全全控控型型器器件件反反并并联联的的二二极极管管在在换换相相结结束束后后，反反向向电电流流急急剧剧减减小小，会会由由线线路路电电感感在在器器件件两两端端感感应应出出过电压过电压。关关断断过过电电压压：全全控控型型器器件件关关断断时时，正正向向电电流流迅迅速速降降低低而而由由线线路路电电感在器件两端感感在器件两端感应应出的出的过电压过电压。电电力力电电子装置可能的子装置可能的过电压过电压2.8.3电力电子器件器件的保护107过电压保护措施过电压保护措施图图2-422-42过电
92、压抑制措施及配置位置抑制措施及配置位置F F避雷器避雷器D D变压变压器静器静电电屏蔽屏蔽层层C C静静电电感感应过电压应过电压抑制抑制电电容容RCRC1 1阀侧阀侧浪涌浪涌过电压过电压抑制用抑制用RCRC电路路RCRC2 2阀侧阀侧浪涌浪涌过电压过电压抑制用反向阻断式抑制用反向阻断式RCRC电路路RVRV压压敏敏电电阻阻过电压过电压抑制器抑制器RCRC3 3阀阀器件器件换换相相过电压过电压抑制用抑制用RCRC电路路RCRC4 4直流直流侧侧RCRC抑制抑制电路路RCDRCD阀阀器件关断器件关断过电压过电压抑制用抑制用RCDRCD电路路电电力力电电子装置可子装置可视视具体情况只采用其中的几种。
93、具体情况只采用其中的几种。其中其中RC3和和RCD为抑制内因抑制内因过电压的措施，属于的措施，属于缓冲冲电路范畴。路范畴。2.8.3电力电子器件器件的保护1082)过电流保护过电过电流流过载过载和和短路短路两种情况两种情况负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子保护电路快速熔断器变流器直流快速断路器电流互感器变压器同同时时采用几种采用几种过电过电流保流保护护措施，提高可靠性和合理性。措施，提高可靠性和合理性。电电子子电电路作路作为为第一保第一保护护措施，快熔措施，快熔仅仅作作为为短路短路时时的部分区段的保的部分区段的保护护，直流快速断路器整定在，直流快速断路器
94、整定在电电子子电电路路动动作之后作之后实现实现保保护护，过电过电流流继电继电器整定在器整定在过载时动过载时动作。作。图图2-43过电流保流保护措施及配置位置措施及配置位置2.8.3电力电子器件器件的保护109全全保保护护：过过载载、短短路路均均由由快快熔熔进进行行保保护护，适适用用于于小小功率装置或器件裕度功率装置或器件裕度较较大的大的场场合。合。短短路路保保护护：快快熔熔只只在在短短路路电电流流较较大大的的区区域域起起保保护护作作用。用。对对重重要要的的且且易易发发生生短短路路的的晶晶闸闸管管设设备备，或或全全控控型器件，需采用型器件，需采用电电子子电电路路进进行行过电过电流保流保护护。常常
95、在在全全控控型型器器件件的的驱驱动动电电路路中中设设置置过过电电流流保保护护环节环节，响，响应应最快最快。快熔快熔对对器件的保器件的保护护方式：方式：全保全保护护和和短路保短路保护护两种两种2.8.3电力电子器件器件的保护110图图2-44电力力电子器件分子器件分类“树”本章小结主要内容主要内容全全面面介介绍绍各各种种主主要要电电力力电电子子器器件件的的基基本本结结构构、工工作作原原理理、基基本特性和主要参数等。本特性和主要参数等。集集中中讨讨论论电电力力电电子子器器件件的的驱驱动动、保保护护。电电力力电电子器件子器件类类型型归纳归纳单单极型：极型：电电力力MOSFETMOSFET和和SITSIT双极型：双极型：电力二极管、晶力二极管、晶闸管、管、GTOGTO、GTRGTR和和SITHSITH 复合型：复合型：IGBTIGBT和和MCTMCT111
