第2章 电力电子器件(打印稿)
第2章 电力电子器件
主讲教材：
1.《电力电子技术》（第5版） 王兆安 刘进军 1.《 电力电子技术》 （第5 机械工业出版社
2.1 电力电子器件概述
参考教材：
2.《电力电子装置与系统》 2.《 电力电子装置与系统》 杨荫福 段善旭 朝泽云 清华大学出版社
2.1.1 电力电子器件的概念和特征 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类
第2章 电力电子器件
河南科技大学《电力电子技术》课件 河南科技大学《 电力电子技术》
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
主要内容
2.1 电力电子器件概述 2.2 不可控器件——电力二极管 不可控器件——电力二极管 2.3 半控型器件——晶闸管 半控型器件——晶闸管 2.4 典型全控型器件 （GTO,GTR; P-MOSFET, IGBT） PIGBT）
2.5 其他新型电力电子器件 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块
电力电子器件的概念与特征
电力电子器件（Power Electronic Device）指可直接用于 用于处 电力电子器件 理电能的主电路 主电路中，实现电能的变换或控制 实现电能的变换或控制的电子器件。 ?主电路：在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换 主电路： 或控制任务的电路。 ?广义上，电力电子器件可分为：电真空器件、半导体器件 两类。 ? 电真空器件：汞弧整流器、闸流管等。仅在频率很高大功 率电源。 ? 半导体器件：主要材料是“硅”。 。 半导体器件：
目前，专指电力半导体器件。
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引言
模拟和数字电子电路的基础 ——晶体管和集成电路等电子器件 电力电子电路的基础 ——电力电子器件 ——电力电子器件
2.1.1 电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的特征
① 所能处理电功率的大小（也就是其承受电压和电流 所能处理电功率的大小 的能力）是其最重要的参数。一般都远大于处理信 是其最重要的参数。 息的电子器件。 ② 电力电子器件一般都工作在“开关”状态。为了减小 电力电子器件一般都工作在“ 开关” 状态。 本身的损耗，提高效率。
? 导通时：阻抗小，近于短路；电流由外电路决定。 ? 阻断时：阻抗大，近于断路；电流几乎为0；端压决于外电路。
只有了解器件，才能用好器件！
本章：
? 先，电力电子器件的概念、特征、分类 概念、特征、分类等问题；系统组成。 ? 后，各种“常用”电力电子器件的结构原理、特性、主要参 结构原理、特性、 数，以及选择和使用中应注意的一些问题 选择和使用中应注意的一些问题。
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③ 由信息电子电路来控制 ，而且需要驱动电路（信号 ，而且需要驱动电路（信号 放大）。 放大）。 ④ 器件封装讲究散热设计，工作时一般要装散热器。 器件封装讲究散热设计，工作时一般要装散热器。 原因：工作时，并非理想的短路和断路；有损耗。 原因：
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2.1.1 电力电子器件的概念和特征 ?电力电子器件的功率损耗
通态损耗。导通时,有通态压降。 通态损耗。 断态损耗。阻断时,有微小的漏电流。 断态损耗。 开通损耗。 开关损耗 关断损耗
2.1.2 应用电力电子器件的系统组成
电力电子系统：一般是由控制电 控制电 电力电子系统 路、驱动电路和以电力电子器件为 路、驱动电路 核心的主电路 主电路组成。
保护电路： 保护电路：
控 制
检测 电路 V
1
?通态损耗 是电力电子器件功率损耗的主要成因 主要成因。 ?当器件的开关频率较高时，开关损耗 开关损耗会随之增大 当器件的开关频率较高时 而可能成为器件功率损耗的主要因素 主要因素。 注意：某些器件（流控器件: GTO、GTR、SCR），驱动电
路向其注入的驱动电流也是造成器件发热的原因。
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L
R
电
驱动 V
路
2
电路
主电路
1）主电路中往往有电 压和电流的过冲。 2）电力电子器件一般 比较昂贵，且承受 过电压和过电流的 能力差。 需要加保护电路。 位置：主电路、控 位置： 制电路中。
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图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
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2.1.2 应用电力电子器件的系统组成
电力电子系统：一般是由控制电 控制电 电力电子系统 路、驱动电路和以电力电子器件为 路、驱动电路 核心的主电路 主电路组成。 控 制 电
驱动 V 检测 电路 V
1
2.1.3 电力电子器件的分类
1、按器件能够被控制电路信号所控制的程度
通过控制信号只可控制其开通， 1) 半控型器件 而不能控制其关断 ? 晶闸管及其大部分派生器件（GTO除外）. ? 咋关断？ 由其在主电路中承受的电压和电流决定. 由其在主电路中承受的电压和电流决定. 通过控制信号既可控制其开通又可 2) 全控型器件 控制其关断。又称自关断器件。 ? 电力场效应晶体管（MOSFET）. ? 绝缘栅双极晶体管（IGBT）. ? 其他：GTO、GTR 等. 不能用控制信号来控制其通断,不 3) 不可控器件 需要驱动电路 ? 电力二极管。只有两个端子。 ? 器件的“通”和“断”，都是由其在主电路中承受的电 压和电流决定的。
L
R
? 控制电路：信息电子 控制电路： 电路组成，产生控制 信号。 ? 驱动电路：把控制信 驱动电路： 号放大，驱动电力电 子器件动作。 ? 检测电路：检测主电 检测电路： 路或应用现场信息。 ? 广义上讲：驱动电 路、检测电路都归为 控制电路。 8
路
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电路
主电路
图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
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2.1.2 应用电力电子器件的系统组成
电力电子系统：一般是由控制电 控制电 电力电子系统 路、驱动电路和以电力电子器件为 路、驱动电路 核心的主电路 主电路组成。 控 制 电
驱动 V 电气隔离 电气隔离 电气隔离 检测 电路 V
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2.1.3 电力电子器件的分类
2、按(加在器件控制端和公共端之间)驱动信号的性质 驱动信号的性质 、按
1) 电流驱动型 2) 电压驱动型 （场控器件）
通过从控制端注入或抽出电流，来实现开 通、关断控制 仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电 压信号，就可实现导通或者关断的控制
L
R
路
2
电路
主电路
图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
电气隔离：控制元件只 电气隔离： 能承受小电压、小电 流，在主电路和控制 在主电路和控制 电路的连接路径上， 要进行电气隔离。 隔离点： ? 驱动电路与主电路的 连接处、驱动电路与 控制信号的连接处。 ? 主电路与检测电路的 连接处。 隔离措施：通过光、磁 隔离措施： 等手段传递信号。 ? 光隔离：光电耦合器. 光隔离： ? 磁隔离：隔离变压器. 磁隔离： 9
3、按器件内部参与导电的载流子情况 、按器件内部参与导电的载流子情况
1) 单极型器件 2) 双极型器件 3) 复合型器件
由一种载流子参与导电的器件，如MOSFET 由电子和空穴两种载流子参与导电，如：GTR 由单极型器件和双极型器件集成混合成， 如：IGBT、MCT 等
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2.1.3 电力电子器件的分类
4、按照驱动信号的波形 、按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ）
1) 脉冲触发型 通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲 脉冲 信号，来实现器件的开通或者关断控制。 代表：晶闸管，GTO。 代表：晶闸管，GTO。
2.2 不可控器件—电力二极管·引言 不可控器件— 电力二极管·
电力二极管（Power Diode）自20世纪50年代初获得 电力二极管（Power Diode）
应用；半导体整流器。 虽不可控，但结构和原理简单，工作可靠。目前，仍大量 虽不可控，但结构和原理简单，工作可靠。 应用于许多电气设备。 即便在采用全控型器件的电路中，电力二极管往往是不可 缺少的。
2)电平控制型 2)电平控制型
必须通过持续 持续在控制端和公共端之间施加 一定电平的电压或电流信号，来使器件开 通并维持 维持在导通状态（或者，关断并维持 在阻断状态）。 代表：GTR、MOSFET、IGBT等器件。 代表：GTR、MOSFET、 IGBT等器件。
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整流元件；释能元件；箝位或保护
——特别是（开通和关断速度很快的）快恢复二极管 肖 快恢复二极管、肖 特基二极管，在中高频整流和逆变，以及低压高频整流的 特基二极管 场合，具有不可替代的地位。
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2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 PN结与电力二极管的工作原理
器件端子(管脚)：一般 有三个端子。
控制端
? ?
一个 控制端 两个 主电路端子 其中，一个为公共端 （控制电路和控制电路 的公共端）。 电力二极管：二个（主电路）端子。
主 电 路 端 子 公共端
基本结构和工作原理：也 基本结构和工作原理： 以半导体PN结为基础。 半导体PN结为基础。 —由一个面积较大的PN PN 结和两端引线 两端引线以及封装 封装组 成。 封装形式：螺栓型、平板 型；模块封装。
A K A a)
K A I A c) P N J b) K
K
图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 基本结构 c) 电气图形符号
以IGBT为例
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整流二极管及模块
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2.2 不可控器件——电力二极管
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2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
1. PN结的概念 N型半导体和P型半导体结合后构成PN结 PN结的概念：
（多子）扩散运动 空间电荷（“杂质离 子”）。建立“内电 “ 场”： ? 阻止（多子）扩散； 阻止（ 多子）扩散； ? 促进（少子）漂移。 “扩散”与“漂移”最终 扩散” 漂移” 达到动态平衡。正负 达到动态平衡。 空间电荷量达到稳定 值, 形成稳定的“空间 “ 电荷区”。或：耗尽层、 耗尽层、 电荷区”
图:PN结的形成
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2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 PN结与电力二极管的工作原理 2.2.2 2.2.3 2.2.4 电力二极管的基本特性 电力二极管的主要参数 电力二极管的主要类型
阻挡层、势垒区。
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2. PN结的单向导电性 PN结的单向导电性
⑴ PN结“正向导通”状态 PN结 正向导通”
① PN结外加正向电压: 内、外电场反向，多子扩散“多于”少子漂 多子扩散“多于” PN结外加正向电压: 移。外部形成P区入、N区出的正向电流IF = PN结正向导通. PN结正向导通. IF较小时: 电阻为常量，较高。 较小时: 外电场 IF较大时: 积累在低搀杂N 低搀杂N 较大时:
区中的少子空穴浓度增加到 很高；为维持电中性，多子 很高； 相应增加,电导率大增。 电导率大增。 ——电导调制效应。 IF ——电导调制效应。
3. PN结的电容效应 PN结的电容效应
⑴ PN结的电荷量 PN结的电荷量随外加 电压而变化，呈现电容 IF 效应，称为结电容。 结电容。
外电场
包括：势垒电容、 扩散电容。 势垒电容
? “空间电荷”随外加电压而变化——势垒电容。 空间电荷”随外加电压而变化——势垒电容。 ? 只在外加电压变化时才起作用；外加电压频率越高，势 只在外加电压变化时才起作用； 垒电容作用越明显。 ? 势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度 成反比。
② 电导调制效应使得PN 电导调制效应 结在正向电流较大时 正向电流较大时 表现为低阻态. 表现为低阻态. （1V左右） 1V左右）
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2. PN结的单向导电性
⑵ PN结的“反向截止”状态 PN结的“反向截止”
PN结外加反向电压: 内、外电场同向，内电场加强（空间电 PN结外加反向电压: 内、外电场同向，内电场加强 荷区变宽)，漂移大于扩散； 漂移大于扩散；在外电路上，形成N区流入，P区 流出的 反向（漂移）电流 IR。
外电场
扩散电容
? 在“扩散长度”内存储了一 定数量的电荷。 ? 电荷的“数量”和“分布梯度” 电荷的“数量” 分布梯度” 与“正向电流大小”成正比 正向电流大小” ——这也相当于一个电 容效应，扩散电容。 扩散电容。 ? 仅在“正向偏置”时起作用。 仅在“正向偏置”
河南科技大学《电力电子技术》课件 河南科技大学《 电力电子技术》 外电场
? 但少子浓度很低， IR很小。反向“截 很小。反向“ 止”状态！ 状态！ 微安数量级！
IF
二极管的单向 二极管的单向 导电性！ 导电性！
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正向偏置时： 正向偏置时： 正向电压较低时，势垒电容 为主。 正向电压较低时，势垒电容 为主。 正向电压较高时，扩散电容 为结电容主要成分。 正向电压较高时，扩散电容 为结电容主要成分。 ⑵ 结电容的影响。结电容影响PN结的“工作频率”。 结电容的影响。 结电容影响PN结的“工作频率” 单向导电性变差。 特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差。
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电力二极管有承受高电压、大电流的能力 电力二极管有承受高电压、大电流的能力
结构上采取措施：
和普通二极管不同之处！
2.2.2 电力二极管的基本特性 1、静态特性（伏安特性） 、静态特性（伏安特性）
正向特性： 正向特性：
? 门槛电压UTO: 正向电压大到一 门槛电压U
定值（UTO），正向电流才开始明 （ ）， 显增加，处于稳定导通状态。
① 采用垂直导电结构，提高“通流”能力； ② P+与N+之间多一层低参杂N-区（漂移区），提高 耐压能力。
P15页，图2-4
? 正向电流IF，UF正向电压降. 反向特性：当承受反向电压 反向特性：
时，只有少子引起的微小的反向 漏电流。
注意：反向承压也有限制！
反向电压过大时，PN结会反向击穿。 反向电压过大时，PN结会反向击穿。
如采取措施，限制反向电流，反压降降低后仍能恢 复原状态；否则，导致热击穿，彻底损坏！
2
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静特性与温度的关系 温升 UTO 下降，曲线左移; 反向漏电流增大。
图2-5 电力二极管的伏安特性
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2.2.2 电力二极管的基本特性 2. 动态特性
因结电容的存在，在零偏、正偏、反偏三种状 因结电容的存在， 态之间的转换必然有一个过渡过程，调整PN结一些 过渡过程，调整PN结一些 区域的带电状态。其“电压—电流”特性是随时间变 区域的带电状态。 “ 电压— 电流” 化的。即动态特性。 化的 往往专指“通态”和“断态”之间转换的 “开关特性”。 往往专指“ 通态” 断态” 开关特性”
零偏->正偏的开通过程
ui
U FP
① 电力二极管的正向压降先出现一 正向压降先出现一
iF
uF 2V 0
个过冲UFP；过一段时间才趋于 过冲U 某个稳态值（如2V）。 ——这一动态过程时间被称为 正向恢复时间tfr。 正向恢复时间t
② 产生正向过电压的原因
t
tfr
图2-5 电力二极管的动态过程波形 b)零偏置转换为正向偏置
? 电导调制效应起作用需一定的 时间来储存大量少子，达到稳 时间来储存大量少子， 态导通前，管压降较大。 管压降较大。 ? 正向电流的上升会因器件自身 器件自身 电感而产生较大压降。电流上 电感而产生较大压降。 升率越大，UFP越高。 U
反映通态和断态之间的转换过渡过程
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当由反偏到正偏时: 除上述时间外，势垒电容电荷的调整也需 当由反偏到正偏时: 要较多的时间来完成。 28
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正偏->反偏时关断过程 正偏- 反偏时关断过程 外加电压反向时, 要过一定时间才关断； 关断前有较大反向电流出现，并伴有反压过冲。
IF diF
dt
UF
2.2.3 电力二极管的主要参数 1、正向平均电流IF(AV) 正向平均电流I
电流定额
trr
td tf
在指定管壳温度和散热条件下， 允许流过的“最大工频正弦半波” “最大工频正弦半波” 电流的平均值。 电流的平均值。 t2
UR t
tF t 0
t1
diR
dt IRP
使用时： 1）按“有效值相等”的原则来选取电流定额。 “有效值相等”的原则 即:
1.57IF(AV)=I （实际波形电流的有效值）。 1.57I
URP
2）使用中还要留一定的裕量倍数。 裕量倍数。 在频率较高的场合, 开关损耗造成的发热往往不能忽略。 开关损耗 反向漏电流较大的电力二极管，断态损耗 断态损耗发热效应 。
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图2-6 电力二极管的动态过程波形
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正偏->反偏时关断过程 正偏- 反偏时关断过程
IF
UF
? tf时刻外压反向，电流下降。 时刻外压反向， ? t0时刻，if=0。但无法恢复反 向阻断能力。出现较大反向 电流。（少子需吸收）。
2.2.3 电力二极管的主要参数
diF
dt
td
trr
t1
tf
2、反向重复峰值电压URRM 、反向重复峰值电压U
电压定额
tF t0
t2
UR
t
? 在t1处，出现电流峰值IRF。 处，出现电流峰值I ? 随后，反流瞬降, 开始恢复反 随后，反流瞬降, 阻能力。但在外电感作用, 产 生电压过冲URP。 ? 电流变率近于0的t2时刻，反 电流变率近于0 时刻， 向电压降到外加电压大小, 完 全恢复反向阻断能力。 全恢复反向阻断能力。
diR
dt IRP
指对电力二极管所“能重复施加的”反向最高 指对电力二极管所“ 能重复施加的” 峰值电压。 （通常是其 雪崩击穿电压 UB 的2/3倍）。 使用时：常按电路中电力二极管“可能承受的” 使用时： 按 最高反向峰值电压的两倍选定。 两倍选定。
URP
延迟时间： tt = tt --tt 延迟时间： dd= 11 00 电流下降时间： tt= tt2-tt1 电流下降时间： ff= 2- 1 反向恢复时间： ttrr=ttd+ttf 反向恢复时间： rr= d+ f
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2.2.3 电力二极管的主要参数 其他参数
2、正向压降UF 、正向压降U 指定温度下，流过指定的稳态正向电流时，对应的正 向管压降。 4. 最高工作结温 TJM 结温TJ：是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 TJM： 最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所 能承受 的最高平均温度。通常在125~175°C范围之内。 5. 反向恢复时间trr（trr=td+tf） 反向恢复时间t
关断过程中，电流降到零起到恢复反向阻断能力为止的时间。
3.肖特基二极管 3.肖特基二极管
以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管。 简称：肖特基二极管（SBD）。
简
优点：
① ② ③ 反向恢复时间很短（10~40ns）； 反向恢复时间很短（ 10~40ns）； 正向恢复过程中也没有明显的电压过冲 没有明显的电压过冲； 在“反向耐压较低”的情况下，正向压降也很小 正向压降也很小。明显低于 快恢复二极管； 效率高。 所以：开关损耗和导通损耗都比快速二极管小，效率高。
弱点： 耐压低，温度敏感
① 当 反向耐压提高时，正向压降会很高 反向耐压提高时，正向压降会很高。多用于200V以下 （低压）。 ② 反向漏电流较大、且对温度敏感。损耗不能忽略，且须严 反向漏电流较大、且对温度敏感。 格限制工作温度。
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6. 浪涌电流 IFSM：指电力二极管所能承受最大的连续一个 或几个工频周期的过电流。
3
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2.2.4 电力二极管的主要类型
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应用：在电力电子电路中，有着广泛应用。
①整流元件； ②电感电路的释能元件（续流元件）； ③电压隔离、箝位或保护元件。
按照：正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向 反向 恢复特性的不同，介绍几种常用的电力二极管。
2.3 半控型器件——晶闸管
2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的基本特性 晶闸管的主要参数 晶闸管的派生器件
1、普通二极管，又称整流二极管（Rectifier Diode） Diode） 普通二极管，又称整流二极管
? 多用于（1kHz以下）开关频率不高的整流电路中。 多用于（1kHz以下） ? 反向恢复时间较长，一般在5μs以上。 一般在5 以上。 ? 正向电流定额、反向电压定额可以达到很高。数千安、 正向电流定额、反向电压定额可以达到很高。 数千伏以上。
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2. 快恢复二极管（Fast Recovery Diode—FRD） Diode— FRD）
简
2.3.1 晶闸管的结构与工作原理
晶闸管（Thyristor）, 可控硅整流器（SCR）
1956年: 美国贝尔实验室（Bell Lab）发明 发明晶闸管。 1956年 开发出第一只晶闸管。 1957年: 美国通用电气公司（GE）开发 1957年 1958年: 商业化。开辟了电力电子技术的崭新时代 开辟了电力电子技术的崭新时代。 1958年 20世纪80年代以来，地位开始被全控型器件取代。 大容量场合仍具有重要地位。能承受电压、电流容量最高。 大容量场合仍具有重要地位。 能承受电压、电流容量最高。 “晶闸管”往往专指“普通晶闸管”。广义上讲,包括其派生器件。
恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（5μs 以 （ 恢复过程很短， 下）的二极管，也简称快速二极管。 下）的二极管，
工艺上: 多采用了掺金措施。 结构上: 有采用PN结型结构，但大多采用改进的PiN结构。 P
从性能上：可分为快速恢复 超快速恢复两个等级。 快速恢复和超快速恢复 ? 快速恢复: 反向恢复时间为数百纳秒或更长 数百纳秒或更长; 快速恢复: ? 超快速恢复: 在100ns以下，甚至达到20~30ns。 超快速恢复: 100ns以下，
晶闸管 33 晶闸管模块 36
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1)晶闸管的结构与电气图形符号 1)晶闸管的结构与电气图形符号
? 两种基本封装：螺栓型、平板型。现代：模块。 现代：模块。 两种基本封装： ? 三个联结端：阳极A、 阴极K、 门极（控制端）G; 三个联结端： ? 内部是PNPN四层半导体结构。
其他几种可能导通的情况
1) 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 2) 阳极电压上升率du/dt过高 3) 结温较高 因不易控制 而难以应用 于实践. 于实践.
2) 晶闸管工作原理 晶闸管工作原理
无门极G驱动信号时： 无门极G驱动信号时： ① 加“正向”电压时: J2反偏， 正向” 电压时: 阻断（仅流过很小漏电流）. ② 加“反向”电压时: J1、J3 反 反向” 电压时: 偏阻断（流过很小漏电流）. 有门极G驱动信号时: 有门极G 驱动信号时: 工作原理可用双晶体 管模型来解释。
4) 光直接照射硅片——光触发 光直接照射硅片——光触发
光触发可保证 控制电路与主电路之间 的良好绝 缘而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管 光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT）
图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速、 只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速、 可靠的控制手段。
37 40
第2章 电力电子器件
河南科技大学《电力电子技术》课件 河南科技大学《 电力电子技术》
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双晶 体管 模型
晶闸管的开通和关断
(1)开通时（承受正电压） (1)开通时（承受正电压） ? IG 注入 V2 放大(IC2) V1 放大(IC1)…。 形成强烈正反馈，饱和导通。 饱和导通。 ? 开通后: 门极失控。（半控原因!）. 开通后: 门极失控。（半控原因! (2)关断时: 设法使阳极电流降到IH以下。 (2)关断时: 方法: 去掉所加正向电压或加反压。 半控型器件，驱动为“触发”过程。 半控型器件，驱动为“触发”
2.3.2 晶闸管的基本特性
简单归纳晶闸管正常工作时的特性 晶闸管正常工作时的特性： ① 承受反向电压时，晶闸管都不会导通。 承受反向电压时，晶闸管都不会导通。 ② 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情 承受正向电压时， 仅在门极有触发电流的情 况下才能开通。 况下才能开通。 ③ 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 ④ 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到 要使晶闸管关断， 接近于零的某一数值(维持电流)以下。 接近于零的某一数值( 维持电流) 以下。
定量分析
晶体管的特性
Ic1=α1 IA + ICBO1 Ic2=α2 IK + ICBO2 IK=IA+IG IA=Ic1+Ic2
a I +I +I
①在阻断时：IG=0，(α1+α2)很小，IA也很小（稍 I ①在阻断时：I =0， 很小 IA = 2 G CBO1 CBO2 1-(a1 +a2 ) 大于两管漏电流之和）。 ②当注入触发电流,使α1+α2≈1时: IA↗达无穷大 ? α1和α2共基极电流增益; ②当注入触发电流, 饱和导通。受外电路限制, IA实为有限值。 饱和导通 ? ICBO共基极漏电流。 38 一般：α1+α2≥1.15。 1.15。
1. 静态特性（指：静态时 伏安特性） 伏安特性）
晶闸管 阳极电流 和 阳极电压 之间的关系曲线。
41
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（总结）晶闸管的 “开通”和“关断”条件 开通” 关断”
由以上晶闸管工作原理可知： 开通晶闸管，需满足两个条件： ① 在晶闸管“阳极-阴极”间加正向电压。 ② 在晶闸管“门极-阴极”间加上正向（触发）电流。 晶闸管关断条件：使通过晶闸管的阳极电流降到维持 晶闸管关断条件：使通过晶闸管的阳极电流降到维持 电流以下。 电流以下。 ——晶闸管一旦开通，门极失控。 具体办法：① “去掉阳极所加的正向电压”； 具体办法：① 去掉阳极所加的正向电压” ② 或 “给阳极施加反向电压”。 给阳极施加反向电压”
39
2.3.2 晶闸管的基本特性 1. 静态特性（伏安特性） 正向特性
① IG=0时: 两端加正向电压，仍正 =0时
+ IA 正向 导通
正向转 折电压 Ubo
IG1 IG=0
向阻断状态，只有很小的正向漏 电流流过。
② 当正向电压超过（正向转折电 压）Ubo时，漏电流急增 时， === 器件（硬）开通。 ③ 增大IG门极电流, Ubo降低。 增大I 门极电流, ④ 导通后 的特性类似二极管特性. 管压降很小(约1V)。 管压降很小( 1V)。 ⑤ 导通期间，如果门极电流为零， 通期间
URSM U RRM -U
A
IH O
IG2
U DRM U bo + UA U DSM
雪崩 击穿
- IA
图2-9 晶闸管的伏安特性 IG2 >IG1 >IG
且阳极电流降至接近于零的某一 数值IH 以下，再回到正向阻断状 态。IH称为维持电流。 称为维持电流。 42
7
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+ IA 正向 导通
2.3.2 晶闸管的基本特性 1. 静态特性（伏安特性） 静态特性（伏安特性）
+ IA 正向 导通
2.3.3晶闸管的主要参数 2.3.3晶闸管的主要参数 反向特性
? 反向伏安特性类似二极 管的反向特性。 ? 晶闸管处于反向阻断状 态时，只有极小的反相 漏电流流过。 ? 当反向电压超过一定限 度后，反向漏电流急剧 增加。 反向击穿。
43
1、电压定额
1) 断态重复峰值电压UDRM 断态重复峰值电压U 门极断路、额定结温时：允许重复 加在器件上的正向峰值电压。
重复条件:50Hz、持续时间不过10ms 重复条件:50Hz、持续时间不过10ms
-U
A
90%
U RSM U RRM IH
O IG2
正向转 折电压 Ubo
IG1 IG=0 U bo + UA
正向转 折电压 Ubo
IG1 IG=0
U DRM UDSM
URSM U RRM -U
A
IH O
IG2
U DRM U bo + UA U DSM
2) 反向重复峰值电压URRM 反向重复峰值电压U 门极断路、额定结温时：允许重复 加在器件上的反向峰值电压。
雪崩 击穿
90%
- IA
雪崩 击穿
- IA
常取UDRM和URRM中较小的值，作为该器件的额定电压。 额定电压。 常取U 中较小的值， 选用时：要留一定裕量。一般取为晶闸管所（实际）承受峰值 一般取为晶闸管所（实际）承受峰值 电压的2~3倍。 电压的2~3倍 通态（峰值）电压U
晶闸管通以“某一规定倍数的额定通态 平均电流”时，瞬态峰值电压。
TM
46
图2-9 晶闸管的伏安特性 IG2 >IG1 >IG
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2.3.2 晶闸管的基本特性 2、动态特性
1) 开通过程
iA
100% 90%
内部正反馈形成需要时间 内部正反馈形成需要时间 外电路电感限制 外电路电感限制
阳极电流快速上升 (正反馈已形成， α1+α2>1) 内部正反馈形成过 程,(α1+α2) 1 ,(α
2.3.3晶闸管的主要参数 2.3.3晶闸管的主要参数 2. 电流定额
1) 通态平均电流IT(AV) —额定电流 通态平均电流I
? 在环境温度为40°C和规定冷却状态下，稳定 结温不超过额定结温时，所允许流过的最
①延迟时间td：门极电流阶 ①延迟时间t 跃时刻开始，到阳极电 流上升到稳态值10%。 10% 0 ②上升时间tr：阳极电流从 u ②上升时间t 10% 上 升 到 稳 态 值 的 90%所需的时间。
AK
大工频正弦半波电流的平均值。 大工频正弦半波电流的平均值。
t
1.57IF(AV)=I
——应等于流过管子的实际波形 电流的有效值.
td
tr
? 使用时：应按有效值相等的原则 有效值相等的原则来选取晶闸 使用时： 管。应留一定的裕量，一般取1.5￣2倍。 留一定的裕量，一般取1.5￣2倍。
IRM
维持电流 IH
t
开通时间: 开通时间:
tgt=td+tr
O
? 使晶闸管维持导通所需的最小电流。 ? 一般几十到几百毫安。结温高，则IH小。 ? 刚从断态转入通态, 并移除触发信号后, 能维持导通所需的最小电流. ? 通常：IL约为IH的2~4倍。 I 约为I 2~4倍。
普通晶闸管： ? 延迟时间：0.5~1.5μs， ? 上升时间：0.5~3μs。
90%到100%扩展时间ts（新版略）。 90%到 100%扩展时间t
擎住电流 IL
IG
trr URRM tgr 44
图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形
浪涌电流ISM
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2) 关断过程
① 反向阻断恢复时间trr： 反向阻断恢复时间t
? 因J1、J3附近积累有大量载流子. 附近积累有大量载流子. ? 正向电流降为零 到反向恢复电
流衰减至近于零 所用时间.
iA
90% 反向恢复电 流峰值 10% 0 t
d
3. 动态参数
开通时间tgt和关断时间tq 开通时间t 和关断时间t 断态电压临界上升率du/dt 断态电压临界上升率du/dt
指在额定结温和门极开路的情况 下，不导致晶闸管从断态到通态 转换的外加电压最大上升率。
② 正向阻断恢复时间tgr： 正向阻断恢复时间t
反向阻断恢复后，还需一段时 间恢复对正向电压的阻断能力. （J2两侧载流子靠自然复合）
t
r
t
uAK
IRM
? 注意: 在tgr内，重新对SCR加正 注意:
向电压，会重新正向导通。
阻断晶闸管两端电压正向上升时，J2结电 J 容有充电电流流过，被称为位移电流。 位移电流。 容有充电电流流过， 位移电流流经J3结时，起到类似门极触发 起到类似门极触发 电流的作用。 电流的作用。 如果电压上升率过大，使充电电流足够 大，就会使晶闸管误导通。 误导通。 通态电流临界上升率di/dt 通态电流临界上升率d /dt 指在规定条件下，晶闸管 能承受而无有害影响的最 大通态电流上升率。 如果电流上升太快，在晶闸管刚 如果电流上升太快， 开通时，会有很大的电流集中在 电流集中在 门极附近的小区域内，从而造成 门极附近的小区域内， 局部过热而使晶闸管损坏。 使晶闸管损坏。 48
? 实用中: 应对晶闸管施加足够长 实用中:
时间的反压，使其充分恢复对正 向电压的阻断能力。
O
IG
尖峰电压 trr
t
关断时间: tq=trr+tgr 关断时间: 约几百微秒。
U RRM
tgr
45
8
2.3.4 晶闸管的派生器件（课下阅读）
快速晶闸管（Fast Switching Thyristor—FST）
? 有快速晶闸管 高频晶闸管。 快速晶闸管和高频晶闸管 ? 快速晶闸管的开关时间 开关时间以及du/dt和di/dt的耐量都有了明显
2.3.4 晶闸管的派生器件（课下阅读）
光控晶闸管（Light
Triggered Thyristor— LTT） ? 利用一定波长的光照信号
G O K UAK A 强 光强度 弱 IA
改善。
? 从关断时间来看: 1）普通晶闸管一般为数百微秒; 2）快速 ）普通晶闸管一般为数百微秒 晶闸管为数十微秒；3）高频晶闸管则为10μs左右。 晶闸管为数十微秒； ）高频晶闸管则为 左右。 ? 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。 电压和电流定额都不易做高。 ? 由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的通态
触发导通的晶闸管。
? 采用光触发：1）保证了
a)
b)
平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。 不能忽略其开关损耗的发热效应。
主电路与控制电路之间的 绝缘；2）而且可以避免 电磁干扰的影响。因此光 控晶闸管目前在高压大功 率的场合。
图2-13 光控晶闸管的电气图形符 号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性
2.3.4 晶闸管的派生器件（课下阅读）
I
T
1 I G =0
（Triode AC Switch—TRIAC或Bidirectional triode thyristor）
双向晶闸管
2.4 典型全控型器件
2.4.1 门极可关断晶闸管（GTO） 门极可关断晶闸管（ GTO） 2.4.2 电力晶体管（GTR） 电力晶体管（ GTR） 2.4.3 电力场效应晶体管（P-MOSFET） MOSFET） 2.4.4 绝缘栅双极晶体管（IGBT） 绝缘栅双极晶体管（ IGBT）
? 可以认为是一对反并联联接 反并联联接
O
U
G
T
2
的普通晶闸管的集成。 的普通晶闸管的集成。 ? 门极使器件在主电极的正反 两方向均可触发导通，在第 对称的伏安 Ｉ和第III象限有对称的伏安 特性。 特性。
? 双向晶闸管通常用在交流电 用在交流电
a)
b)
图2-11 双向晶闸管的电气图形 符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性
路中，因此不用平均值而用 不用平均值而用 路中 有效值来表示额定电流值。 有效值来表示额定电流值。 ? 用于: 交流调压电路。
2.3.4 晶闸管的派生器件（课下阅读）
Conducting Thyristor—RCT） ? 是将晶闸管反并联一个二极 将晶闸管反并联一个二极
G K O I G =0 U
逆导晶闸管（Reverse
I
2.4 典型全控型器件
引言
? 20世纪80年代以来，信息电子技术、电力电子技术在各 20世纪80年代以来， 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（全控型器件），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(GTO)、电力晶体管 典型代表: (GTR)、电力场效应晶体管(Power MOSFET)、绝缘栅 双极晶体管(IGBT)。 封装形式：现在多采用模块。
管制作在同一管芯上的功率 管制作在同一管芯上 集成器件，不具有承受反向 不具有承受反向 电压的能力。 电压的能力。 ? 具有正向压降小、关断时间 短、高温特性好、额定结温 高等优点，可用于不需要阻 可用于不需要阻 断反向电压的电路中。
A
a)
b)
图2-12 逆导晶闸管的电气图形符号 和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性
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2.4.1 门极可关断晶闸管
GTO开通时： GTO开通时：
? 与普通晶闸管一样, 只是导通时饱和程度较浅。 ? 多元集成结构：1）使GTO比普通SCR开通过程快，承受di/dt 能力强；2）不存在电流集中现象。
IGBT单管
电力MOSFET
IGBT模块(单管)
GTO关断时：门极加负脉 GTO关断时：
冲。也会产生强烈的正反 馈。 ? Ib2↓ IK、Ic2↓ IA、Ic1↓ Ib2↓ …
IGBT模块(双管)
55
电力MOSFET模块
? 当IA和IK的减小使 α1+α2<1 时，器件退出饱和而关断。
58
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2.4.1 门极可关断晶闸管
晶闸管的一种派生器件。 可通过在门极施加负脉冲电流 可通过在门极施加负脉冲电流 使其关断。 使其关断。 GTO的电压、电流容量较大。 GTO的电压、电流容量较大。 在兆瓦级以上的大功率场合仍 有较多的应用。 电压、电流已达: 6KV、6KA 6KV、
2. GTO的动态特性 GTO的动态特性
?开通过程（与普晶闸管类似）。
要经过： 1）延迟时间td; ）延迟时间t 2）电流上升时间tr。 ）电流上升时间t
iG
阳极电 流下降 时间
O
关断过程（与晶闸管不同）
①储存时间ts：抽取饱和导通 储存时间t 时储存的大量载流子，退 出饱和。 ②下降时间tf：双晶体管已退至 下降时间t
t
尾部 时间
1、GTO的结构与工作原理 GTO的结构与工作原理 结构：
放大区，阳极电流逐渐减小。
①与普通晶闸管的相同点：PNPN ①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、门极”。 ②与普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元功率集成器件（内 ②与普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元功率集成器件 部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元 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）。 阴极和门极则在器件内部“并联” 目的：便于门极关断控制；提高di/dt能力。 目的：便于门极关断控制；提高d /dt能力。 56
储存 时间 iA
IA 90% IA 10% IA 0
③尾部时间tt: 残存载流子复 尾部时间t 合时间。
td
tr
ts
tf
tt
t0
t1
t2
t3
t4
t5
t6
图2-15 GTO的开通和关断过程电流波形
通常: tf << ts< tt。但： 通常: ? 门极负脉冲电流幅值越 大，前沿越陡，ts 越短。 ? 在tt 阶段仍保持适当门极负 t 阶段 t 电压，可缩短尾部时间。
59
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河南科技大学《电力电子技术》课件 河南科技大学《 电力电子技术》 iG
阳极电 流下降 时间
O
2.4.1 门极可关断晶闸管
仍用双晶体管模型分 析工作原理 工作原理 GTO门极关断的原因？ GTO门极关断的原因？
在于以下几个特点: 在于以下几个特点: 1) 设计的α2较大。使晶体管V2控 设计的α 制灵敏，易于GTO关断。 2) 导通时α1+α2更接近1(≈1.05). 导通时α 1(≈ 导通时接近临界饱和，有利于 接近临界饱和，
门极关断。但管压降增大。
共基极电流增益：P1N1P2 α1 N1P2N2 α2
3、GTO的主要参数 GTO的主要参数
1) 开通时间ton 开通时间t
t on = t d + t r
延迟时间一般约1~2μs；上升时间 1~2μ 随通态阳极电流值 通态阳极电流值的增大而增大.
根据普通晶闸管分析，可知：
α1+α2<1时：不能维持饱和导通，关断。 α1+α2=1时：是器件临界导通条件。 α1+α2>1时：两个等效晶体管过饱和而 使器件导通。普通SCR: α1+α2≥1.15。 普通SCR: 1.15。
尾部 时间
t
延迟 时间
上升 时间 tr
储存 时间 ts tf tt
2) 关断时间toff 关断时间t
t off = t s + t f
（不含未部时间） 储存时间随阳极电流 阳极电流的增大而增 大, 下降时间一般小于2μs。 一般小于2
iA
IA 90% IA 10% IA 0
td
3) 最大可关断阳极电流IATO 最大可关断阳极电流I
t0
t1
t2
t3
t4
t5
t6
t
图2-15 GTO的开通和关断过程电流波形
3) 多元集成结构。使“GTO元”阴 多元集成结构 能从门极抽出较大电流。
极面积很小；门、阴极间距大为缩 短，使得P2基区横向电阻很小，
图2-8 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 57 a) 双晶体管模型 b) 工作原理
——能被可靠关端的最大阳极电流（额 （ 定电流）。限制因素： 定电流） ① 热学上的限制（额定结温）. ② α1、α2都是电流的函数。当阳极电流 过大时, 饱和加深, 可能关不断。 注意: 脉冲状态下, 阳极电流均值小 注意: 于IATO, 但脉冲幅值大, 可能关不断。
4) 电流关断增益 βoff
βoff
=I
ATO
最大可关断阳极电流 门极负脉冲电流最大值
60
IGM
是GTO的一个主要缺点。 缺点。
βoff一般很小, 只有5左右。这 一般很小, 只有5 左右
10
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2.4.2 电力晶体管
电力晶体管（Giant Transistor——GTR） 按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的 巨型晶体管， 双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor——BJT） BJT） GTR的结构和工作原理 GTR的结构和工作原理
? 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。 ? 最主要的特性是 耐压高、同流能力强、开关特性好。 耐压高、同流能力强、开关特性好。
2. GTR的基本特性 GTR的基本特性
（1）静态特性
? 共射接法时输出特性：截 截 止区、放大区、饱和区。 ? 在电力电子电路中GTR工 作在开关状态：截止区、 开关状态：截止区、 饱和区。 饱和区。 ? 开关过程中，要经过放大 经过放大 区。
Ic
饱和区
放大区
i b3
i b2 i b1 O U ce 图16 共发射极接法时GTR的输出特性
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。 目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。
61
截止区
i b1 < ib2
64
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2.4.2 电力晶体管
2. GTR的基本特性
（2）动态特性—开通、关断 开通过程
ib
90% I b1 I b1
+表示高 掺杂浓 度，-表 示低掺杂 浓度
? 延迟时间 Td: 主要是由发 势 射结势垒电容和 集电结势 势垒电容和 垒电容充电产生的。 垒电容
图2-16 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动
10% I b1 0
提高ib幅值和上升率， 可缩短 Td。 ? 上升时间tr: 是ic 从10%上 上升时间t 升到90%所需要的时间。 开通时间：ton=td+tr
62
延迟 时间 ic
90% I cs
上升 时间
t
on
t I b2 t I cs ts
off
td tr
tf
GTR的结构
? GTR是由三层半导体（分别引出集电极、基极和发射极）形成的两个PN结 三层半导体 PN结 （集电结和发射结）构成，多采用NPN结构。 NPN结构。 ? 采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的“单元结构”。 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”。 许多这种单元“并联而成”
10% I cs 0 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t
图2-18 GTR的开通和关断过程电流波形 65
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90% I b1 10% I b1 0 I b1
2.4.2 电力晶体管
1) 应用中, 一般共发射极接法。 应用中, 一般共发射极接法。 2) GTR的电流放大系数。 GTR的 电流放大系数。
达林顿晶体管
2. GTR的基本特性
（2）动态特性—开通、关断 关断过程
? 储存时间ts：用来除去饱和导通 储存时间t
时储存在基区的载流子，是关断 是关断 时间的主要部分。 时间的主要部分 减小导通时的饱和深度（会 减小导通时的饱和深度 导通压降会增大），以减小储存 的载流子；或 增大基极抽取负电 或 流 Ib2 的 幅 值 ， 可 以 缩 短 储 存 时 间，从而加快关断速度。 间，从而加快关断速度。 降到10%所需要的时间。
t
储存 时间
t on
I b2 t off
β =
ic ib
NPN
PNP
ic
90% I cs
td tr
I cs
ts
tf
下降 时间
反映了对集电极电流的控制力。 对集电极电流的控制力。
使用达林顿结构
10% I cs 0 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t
单管GTR的β值,常为10左右。 单管GTR的 常为10左右。
常 采 用 达 林 顿 接 法 ，增 大电 流 增 益。
VD1
V1 V2
VD2
? 电流下降时间tf：是ic从90%下 电流下降时间t ? 关断时间：toff=（ts+tf ） 关断时间：t
图2-18 GTR的开通和关断过程电流波形
63
GTR的开关时间 几微秒以内。比SCR和GTO都短很多。 GTR的开关时间在几微秒以内。
66
11
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3. GTR的主要参数 GTR的主要参数
前已述及：
β － 电流放大倍数、 ton －开通时间、 Uces－集-射极间饱和导通压降、 toff －关断时间。
基极开路, 集电极-发射极 间击穿电压
5）GTR的二次击穿现象与安全工作区（SOA） （ SOA）
? 最高电压UceM、 ? 最大集流IcM、 ? 最大耗功PcM、 ? 二次击穿临界线PSB. 二次击穿临界线P
O
Ic
IcM
穿 二次击 临界线
1）最高工作电压 （电压定额）
? ?
PSB
GTR上电压超过规定值时会发生击穿。 击穿电压和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。
几个电压参数：BUcbo> BUcex> BUces> BUcer> BUceo 几个电压参数
① ② ③ ④ ⑤ BUcbo：发射极开路时, “集电极-基极”间反向击穿电压； “集电极-发射极”间击穿电压； BUcex：发射结反偏时, “集电极-发射极”间击穿电压； BUces：发射极与基极间短路, BUcer：发射极与基极间连接电阻, “集电极-发射极”间击穿电压； “集电极-发射极”间击穿电压。 BUceo：基极开路时,
SOA
PcM
U U ce 图18 GTR的安全工作区 ceM
实际使用时：为确保安全，最高工作电压要比 BUceo 低 实际使用时：为确保安全，最高工作电压要比 得多。要留裕量。
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第2章 电力电子器件
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第2章 电力电子器件
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3. GTR的主要参数
2) 集电极最大允许电流IcM（电流定额） 集电极最大允许电流I
通常规定为：直流电流放大倍数 hFE下降到规定 值的1/2~1/3时所对应的 Ic 。 注意：实际使用时要留有裕量（ 1.5 ～ 2 倍的裕 量）。 3) 集电极最大耗散功率 PcM ——最高工作温度ＴＪＭ 下允许的耗散功率。 4) 最高结温额定值ＴＪＭ： ①塑料封装硅管：125°~150° ②金属封装硅管：150°~175° ③高可靠平面管：175°~200°
68
2.4.3 电力场效应晶体管（Power MosFET） MosFET）
分为结型 绝缘栅型。 结型和绝缘栅型 但通常主要指绝缘栅型中的MOS型，简称电力MOSFET 电力MOSFET （Power MOSFET）。 MOSFET）
电力MOSFET的特点 电力MOSFET的特点
显著特点：用栅极电压来控制漏极电流 优点： 优点： ① 驱动电路简单，驱动功率小。 ② 开关速度快，工作频率高。 ③ 热稳定性优于GTR。 缺点：电流容量小，耐压低，一般只适用于10kW以下的电 缺点： 力电子装置 。
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第2章 电力电子器件
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第2章 电力电子器件
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GTR的二次击穿现象与安全工作区（SOA） GTR的二次击穿现象与安全工作区（SOA）
GTR的二次击穿现象 GTR的二次击穿现象
饱和区
1.4.3 电力场效应晶体管 电力MOSFET的种类 电力MOSFET的种类
按导电沟道的类型 按导电沟道的类型，分为：P沟道, N沟道。 按沟道的形成过程 按沟道的形成过程，分为： 耗尽型—当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。 耗尽型 增强型—对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于） 增强型 零 时才存在导电沟道。
?
?
? ?
当GTR的集电极电压升高至击穿电 压时，集电极电流迅速增大，这种 首先出现的击穿是雪崩击穿，被称 雪崩击穿， 为一次击穿。 一次击穿。 一次击穿时如不有效地限制电流， Ic增大到某个临界点时会突然急剧 上升，同时伴随着电压的陡然下 电压的陡然下 降，这种现象称为二次击穿。 二次击穿。 二次击穿常常立即导致器件的永久 损坏。 将不同基极电流下二次击穿的临界 点连接起来，就构成了二次击穿临 二次击穿临 界线。 界线。
Ic 放大区
二次击穿 临界限
二次击穿
i b3 i b2 i b1 O
一次 击穿
截止区
i b1 < ib2
图16 共发射极接法时GTR的输出特性
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河南科技大学《电力电子技术》课件 》 河南科技大学《 电力电子技术多了 ? 相比信息MOSFET，还多了
第2章 电力电子器件
1. 电力MOSFET的结构和工作原理 电力MOSFET的结构和工作原理 电力MOSFET 电力MOSFET 的结构
单极型晶体管。 导电机理与小功率 MOS管相同，但结 结 构上有较大区别： 构上有较大区别：
图2-20 N沟道增强型 VDMOS结构和图形符号 VDMOS
S G N+ P N+
层（低掺杂）N-漂移区。提 层（低掺杂）N 高耐压能力。 高耐压能力。 ? 因多子导电，无电导调制， 无电导调制， 通态电阻高，损耗大。 通态电阻高， ? 正耐压大都1000V以下. D D漏 栅
NG S源 G S
2. 电力MOSFET的基本特性
一. 静态特性： 饱 1）转移特性; 2）输出特性
河南科技大学《电力电子技术》课件 河南科技大学《 电力电子技术》 S G N+ P N+ N+ P N+ 沟道 NN+ D
和：指漏源电压增大时， 漏极电流不再增大； 非饱和：指漏源电压增大时， 非饱和 漏极电流也相应增大。
沟道 N+
N+ P N+
2) 输出特性（漏极伏安特性）
P沟道
N沟道 D 漏极 ① 一般 小功率MOS管；横向导电器件 沟道平行于芯片表面。 ② 电力MOSFET大多为垂直导电结构(VMOSFET) 电力MOSFET大多为垂直导电结构(VMOSFET)
——可提高耐压、耐流能力！ ——可提高耐压、耐流能力！
③ 按导电沟道结构的差异，分为: VVMOSFET、VDMOSFET。
采用多元集成结构。不同的生产厂家采用了不同设计： 采用多元集成结构。
① 国际整流器公司（IR）的HEXFET： 六边形单元 ② 西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET：正方形单元 ③ 摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS： 矩形单元 ,按‘品’字形排列. 73
图2-21 电力MOSFET的输出特性
——漏极电流与漏源电压间 漏源电压间的关系。 截止区、饱和区、非饱和区。 截止区、饱和区、非饱和区。 电力MOSFET工作在开关状态: 在 工作在开关状态: “截止区”和“非饱和区”之间来回 转换。 本身结构所致：漏-源极之间有寄 生二极管，无反压阻断能力。 无反压阻断能力。 电力MOSFET的 通态电阻具有正 温度系数，利于 温度系数，利于器件并联均流。76
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up—巨型脉冲信号源, Rs—信号源内阻； RG—栅极电阻 RL—负载电阻； RF—检测漏极电流
1. 电力MOSFET的结构和工作原理 电力MOSFET的结构和工作原理 电力MOSFET的工作原理 电力MOSFET的工作原理
图2-20 N沟道增强型VDMOS VDMOS的结构和电气图形符号
2.4.3 电力场效应晶体管 二、动态特性
导通: 漏源极加正电源。 导通:
当栅源间也加正电压时: D 当栅源间也加正电压时: ? 栅极绝缘，无栅极电流。 ? 栅极正电压：会把其下面 P 区中的 ( 多子 ) 空穴推开，而 空穴推开，而 把 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） 大于U 时，栅极下的P型区表面的 时，栅极下的P型区 电子浓度将超过空穴浓度， 反型为N型半导体。 反型为 型半导体。 ? 该 “ 反型层 ” 就是（N 型）导 就是（N 电沟道。J1结消失，导电。 电沟道。J ? UGS超过UT越多, 导电能力越 强, 漏极电流ID越大。
74
S G N+ P N+ N+ P N+ 沟道 NN+ D G
D
开通过程
①开通延迟时间 td(on): (输入电容Cin) 输入电容C
从up前沿时刻到uGS=UT, 并出现 iD。
G S N沟道 S P沟道
②电流上升时间tr:
从uGS= uT时刻起, 到iD达到稳态值ID。 u i
反型层，导电沟道
UGSP= ID/Gfs + UT ③电压下降时间 tfv：UGS到UGSP后保持 开通时间 ton：
截止: 当漏源极间加正电源。 截止:
当栅源极间电压为零时： 当栅源极间电压为零时： ? P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反 PN结 偏，漏源极之间无电流流过。 无电流流过。
一段时间, 直到uDS下降到零。（密勒平台 一段时间, 直到u 下降到零。（密勒平台 期：给栅-漏电容反充电）。 期：给栅-
ton= td(on) + tri + tfv
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up—巨型脉冲信号源, Rs—信号源内阻； RG—栅极电阻 RL—负载电阻； RF—检测漏极电流
2. 电力MOSFET的基本特性 电力MOSFET的基本特性
一. 静态特性： 1）转移特性; 2)输出特性 ）转移特性;
1) 转移特性——漏极电流ID 和栅 栅 转移特性 源电压UGS的关系。 源电压U ? ID 较大时，ID 与UGS 近似线 性关系； ? 曲线斜率，定义为跨导Gfs
2.4.3 电力场效应晶体管
二、动态特性
关断过程
①关断延迟时间td(off) ①关断延迟时间td(off)
—— up下降到零起, Cin通过Rs和RG放电; 到uGS 下降到零起, 通过R 放电; 按指数曲线下降到UGSP时, uDS才开始上升。 按指数曲线下降到U
②电压上升时间trv: （密勒平台期） ②电压上升时间t
栅漏电容充电， uDS电压上升； 栅源电压uGS=uGSP。 栅源电压u
Gfs =
dI D dU GS
③ 电流下降时间tfi 电流下降时间t
——uGS 从 UGSP 继 续 下 降 起 ， iD 减 小 ， 到 ——u uGS
图2-21 电力MOSFET的转移特性
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关断时间toff 关断时间t
toff= td(off) + trv + tfi
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up—巨型脉冲信号源, Rs—信号源内阻； RG—栅极电阻 RL—负载电阻； RF—检测漏极电流
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2.4.3 电力场效应晶体管
二、动态特性
从开关过程可看出： ? MOSFET的开关速度和其输入电容的 MOSFET的开关速度和其输入电容的 充放电有很大关系。可以（降低栅极 充放电有很大关系。 驱动电路内阻Rs) 减小栅极回路充放电 时间常数，加快开关速度。 ? 不存在少子储存效应，因而其关断过 程是非常迅速的。开关时间在10~ 程是非常迅速的。 100ns之间，工作频率可达100kHz以 工作频率可达 上。是主要电力电子器件中最高的。 是主要电力电子器件中最高的。 ? 开关过程中需要对输入电容充放电， 仍需一定的驱动功率。开关频率越 仍需一定的驱动功率。 高，所需要的驱动功率越大。
2.4.4 绝缘栅双极晶体管（IGBT） 绝缘栅双极晶体管（IGBT）
GTR和GTO GTR和 优点: 双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强。 缺点: 开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 MOSFET 优点：单极型，电压驱动，开关速度快；输入阻抗高，热稳 优点： 定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单。 缺点：通流能力不及双极型器件, 管压降高（无电导调制). 缺点： 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 （ IGBT 或 IGT ） ——GTR 和 MosFet 复 合。结合二者的优点，具有好的特性。 特点：驱动功率小，开关速度快；较低的导通压降。 1983年问世。1986年投入市场。 目前是中小功率领域的主导器件。耐压、耐大电流能力还 目前是中小功率领域的主导器件 在不断提高，以期再取代GTO的地位。
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3.电力MOSFET的主要参数 3.电力MOSFET的主要参数
前已述及：跨导Gfs、ton、 toff 、UT U ① 阀值电压UT: 使管子开通的最小栅源控制电压，门槛电压。 门槛电压。 阀值电压U ② 漏-源击穿电压U(BR)DS：UGS=0时，漏源之间所能 电压 源击穿电压U 定额 承受的最大电压。选管子时要留裕量。 要留裕量。 ② 漏极额定（直流）电流ID：流过漏极的最大连续电流。 电流 最大连续电流。 漏极额定（直流）电流I 漏极“峰值”电流IDM：流过漏极的脉冲电流最大幅值。 定额 脉冲电流最大幅值。 漏极“峰值”电流I ④ 栅源电压UGS。取值范围：10~18V； 一般取15V。 一般取15V。 栅源电压U ⑤ 通态电阻rDS(on)：导通时漏源电压与漏极电流的比值。 通态电阻rDS(on)
——随栅源电压的升高而减小；具有正温度系数（优点） 。 具有正温度系数（优点）
80
1、IGBT的结构和工作原理 IGBT的结构和工作原理
1) IGBT的结构 IGBT的结构
三端器件：栅极-G；集电极-C； 发射极-E
? 图(a): N沟道IGBT(N-IGBT) N沟道IGBT(N-
—N 沟 道 VDMOSFET 与 GTR 组 合 。 比 VDMOSFET多一层P+注入区, 形成了 VDMOSFET多一层P+注入区, 一个大面积的PN结J1。 导通时: 由P+向N基区发射少子,对漂 移区电导率进行调制, 使得IGBT具有 很强的通流能力。 由MOSFET驱动厚基区PNP晶体管。RN 为晶体管基区内的调制电阻。
RN为晶体管 基区内的调 制电阻
? 图(b): 简化等效电路. 达林顿结构； 简化等效电路.
图2-23 IGBT的结构、 简化等效电路和 电气图形符号 a) 内部结构断面示 意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号
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第2章 电力电子器件
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3.电力MOSFET的主要参数 3.电力MOSFET的主要参数
⑥ 极间电容: CGS、CGD 和CDS 。 厂家提供的电容数据： ? 漏-源短路时，输入电容Ciss 输入电容C ? 共源极 输出电容Coss 输出电容C ? 反向转移电容Crss 反向转移电容C
1、IGBT的结构和工作原理
2) IGBT的工作原理 IGBT的工作原理
驱动原理：与电力MOSFET基 驱动原理： 本相同, 为场控器件； “通断”由栅射 极电压uGE决定。
之间的关系
Ciss= CGS+ CGD Coss= CDS+ CGD Crss= CGD
这些电容都是非线性的。输入电容可近似用Ciss代替。 输入电容可近似用C 电力MOSFET的安全工作区。 一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题（优点）。
81
导通: 当uGE>UGE(th)（开启电压） 导通: 时, MOSFET内形成沟道，为晶体 管提供基极电流，IGBT导通。 导通压降: 电导调制效应使电阻 导通压降 RN 减小;这样高耐压的IGBT也具 有很小的通态压降。 很小的通态压降。 关断: 栅-射极间施加反压或不加 关断: 栅-射信号时，MOSFET内的沟道 消失，晶体管的基极电流被切 断，IGBT关断。
RN为晶体管 基区内的调 制电阻
图2-23 IGBT的结 构、简化等效 电路和电气图 形符号 a) 内部结构断面 示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号
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2.4.4 绝缘栅双极晶体管
2. IGBT的基本特性
2) IGBT的动态特性 IGBT的动态特性
IGBT的关断过程 IGBT的
与MOSFET关断过程也相似。 因IGBT开通过程中，大部分时 间是作为MOSFET运行的。
1）静态特性
?转移特性
描述的是集电极电流 IC与“栅-射” 电压UGE之间的关系。 开启电压UGE(th)：是IGBT能实现 开启电压UGE(th) 电导调制而导通的最低“栅-射”电 压，随温度升高而略有下降。 随温度升高而略有下降。 UGE(th)：2～6V左右 6V左右 GE(th)
? 关断延迟时间td(off)——从uGE后沿 —— 关断延迟时间t
下降到其幅值90%的时起，到 集-射电 压uCE上升到幅值的10%。
? uCE电压上升时间trv（密勒平台期） 电压上升时间t ? 电流下降时间tf—iC从90%ICM下降 电流下降时间t
（a）
图2-24 IGBT的转 移特性和输出特性 a) 转移特性
至10%ICM 。分两个阶段： I 1) tfi1: IGBT内部的MOSFET的关 断过程, iC下降较快； 2) tfi2: IGBT内部的PNP晶体管的关 （ Mosfet已关, 断过程, iC下降较慢。（Mosfet已关,又 无反压，基区少子复合缓慢）。 无反压，基区少子复合缓慢）。
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关断时间toff 关断时间t toff = td(off) +trv+tfi d(off) tfi =（tfi1+ tfi2）
图2-25 IGBT的开关过程
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2.4.4 绝缘栅双极晶体管
1）静态特性 ?输出特性（伏安特性） 输出特性（伏安特性）
? 描述的是以“栅-射”电压为参考 变量时，集电极电流 IC与“集射”极间电压UCE 之间的关系。 U ? 分三个区域：正向阻断区、有 源区和饱和区。 ? 当UCE<0时，IGBT为“反向阻 断”工作状态。
(b)
采用MOSFET和GRT复合的优缺点: 采用MOSFET和GRT复合的优缺点:
IGBT中双极型PNP的存在， 带 来了电导调制效应的好处。使通 来了电导调制效应的好处。使通 态 压 降 有 所 降 低 。 如 1000V 的 IGBT，通态压降越2~3V。 通态压降越2~3V。 IGBT 中双极型 PNP 的存在也 引 入了少子储存现象 。 因而IGBT 的开关速度低于电力MOSFET。 开关速度低于电力MOSFET。 IGBT 的击穿电压、通态压降和 关断时间也是需要折衷的参数。
比如：高压器件的N基区必须有足 够宽度和较高的电阻率，这会引起通态 压降的增大和关断时间的延长。
RN为晶体管 基区内的调 制电阻 图2-23 IGBT的结构、 简化等效电路和 电气图形符号 a) 内部结构断面示 意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号
图2-24 IGBT的转移特性 和输出特性 b) 输出特性
? 在电力电子电路中，IGBT工作 在开关状态，因而是在正向阻 断区和饱和区之间转换。
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第2章 电力电子器件
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2) IGBT的动态特性 IGBT的动态特性
IGBT的开通过程 IGBT的
与MOSFET开通相似。因 IGBT开通过程中，大部分时 间是作为MOSFET运行的。
2.4.4 绝缘栅双极晶体管 3. IGBT的主要参数 IGBT的主要参数
前面提到的各参数外：
? 开通延迟时间 td(on)
从uGE 上升至其幅值10%时起，到 iC上升至10% ICM。
? 电流上升时间 tr： iC ：10%ICM 90% ICM。 ? uCE电压下降时间 tfv:
? 最大“集-射”极间电压 UCES 最大“ ? 最大集电极电流 ICM，ICP
? 由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所确定的。 击穿电压所确定的。 ? 包括额定直流电流ICM，和1ms脉宽最大脉冲电流ICP。 I I
而增大；PNP由放大转饱和需时间。过 程慢！）。
1) tfv1：IGBT中MOSFET单独工作的 电压下降过程；（密勒平台期）. （密勒平台期）. 2) tfv2 ： MOSFET和PNP同时工作的 电压下降过程。（CGD随电压uCE下降
? 最大集电极功耗 PCM
? 在正常工作温度下允许的最大耗散功率。
开通时间 ton:
图2-25 IGBT的开关过程
ton= td(on)+tr+ tfv
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2.5 其他新型电力电子器件
IGBT的特性和参数特点，总结： IGBT的特性和参数特点，总结：
① 开关速度高，开关损耗小。 （开关速度快！）。
② 在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比 IGBT的安全工作区比 GTR大，且有耐脉冲电流冲击的能力.（无二次击穿）。 （无二次击穿）。 GTR大 ③ 通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。 态压降比VDMOSFET低
（引入了电导调制效应）。
课下阅读
2.5.1 MOS控制晶闸管MCT 2.5.2 静电感应晶体管SIT 2.5.3 静电感应晶闸管SITH
2.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT 集成门极换流晶闸管IGCT
2.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件
④ 输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。 入阻抗高， ⑤ 与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还 IGBT的耐压和通流能力还 可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。 可以进一步提高
2.5.6 功率集成电路与集成电力电子模块
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第2章 电力电子器件
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5. IGBT的擎住效应和安全工作区 IGBT的擎住效应和安全工作区
发射极 E N+ N+ NN+ P+ C 集电极 栅极 G I N+ N+ 漂移区 缓冲区 注入区 D N + + I R -D on R C I + V J1 J2 G J3 C
提示
C
J3
P J 2
P
J1
G
E
E
a) 内部结构断面示意图
b) 简化等效电路
c) 电气图形符号
寄生晶闸管：由一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成。 寄生晶闸管：由一个N 晶体管和作为主开关器件的P ? NPN晶体管“基极与发射极之间”存在体区短路电阻；P形体区的横向空 体区短路电阻； 穴电流会在该电阻上产生压降没，相当于对J3结施加正偏压； ? 一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用, 电流失控(自锁)。 电流失控(自锁)
20世纪90年代中后期，已得到很好解决。
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第2章 电力电子器件
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IGBT的安全工作区 IGBT的安全工作区
正偏安全工作区（FBSOA） 正偏安全工作区（FBSOA）
根据：最大集电极电流、最大集-射极间电压、最大 参数极限范围。 集电极功耗，确定的“导通状态”下的参数极限范围。 “导通状态”
反向偏置安全工作区（RBSOA） 反向偏置安全工作区（RBSOA）
根据：最大集电极电流、最大集射极间电压、最大 阻断状态”下的参数极 允许电压上升率duCE/dt，确定的“阻断状态 限范围。 IGBT往往与“反并联的快速二极管”封装在一起， 与 反并联的快速二极管”封装在一起， IGBT 制成模块，成为逆导器件。 逆导器件。
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