【正文】 同時(shí)也可以縮短 上升時(shí)間 ，從而 加快開通過(guò)程。 ? 發(fā)射極開路時(shí)集電極和基極間的反向擊穿電壓 BUcbo 基極開路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓 BUceo 發(fā)射極與基極間用電阻聯(lián)接或短路聯(lián)接時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓 BUcer和 BUces 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 BUcex 且存在以下關(guān)系： ? 實(shí)際使用 GTR時(shí)，為了確保安全，最高工作電壓要比 BUceo低得 多。 SOA O I c I cM P SB P cM U ce U ceM 圖 219 GTR的安全工作區(qū) 二次擊穿功率 ◆ 安全工作區(qū)（ Safe Operating Area——SOA） ? 將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn) 連接起來(lái)，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。 ? 當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道的稱為 耗盡型 。 ? 導(dǎo)通 √在 柵極 和 源極 之間加一 正電壓 UGS，正電壓會(huì)將其下面 P區(qū)中的空穴推開，而將 P區(qū)中的少子 —— 電子吸引到柵極下面的 P區(qū)表面。 ? 本身結(jié)構(gòu)所致， 漏極 和 源極 之間形成了一個(gè)與 MOSFET反向并聯(lián)的 寄生二極管 。 ◆ 漏極電壓 UDS ? 標(biāo)稱電力 MOSFET電壓定額的參數(shù)。 絕緣柵雙極晶體管 ■ IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理 ◆ IGBT的結(jié)構(gòu) ? 是三端器件，具有 柵極 G、 集電極 C和 發(fā)射極 E。 ? 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) 使得電阻 RN減小，這樣高耐壓的 IGBT也 具有很小的 通態(tài)壓降 。 ? 關(guān)斷過(guò)程 √關(guān)斷延遲時(shí)間 td(off) 電壓上升時(shí)間 trv 電流下降時(shí)間 tfi 關(guān)斷時(shí)間 toff = td(off) +trv+tfi √tfi分為 tfi1和 tfi2兩段 ? 引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而 IGBT的開關(guān)速度要低于電力 MOSFET。 ? 輸入阻抗 高，其輸入特性與電力 MOSFET類 似。 其他新型電力電子器件 MOS控制晶閘管 MCT 靜電感應(yīng)晶體管 SIT 靜電感應(yīng)晶閘管 SITH 集成門極換流晶閘管 IGCT 基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力 電子器件 MOS控制晶閘管 MCT ■ MCT（ MOS Controlled Thyristor）是將 MOSFET與 晶閘管 組合而成的復(fù)合型器件。 ■ 又被稱為 場(chǎng)控晶閘管（ Field Controlled Thyristor—— FCT）， 本質(zhì)上是兩種載流子導(dǎo)電 的 雙極型 器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、 通流能力強(qiáng)。 ■ 寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展一直佑于材料的提煉和制造以 及隨后的半導(dǎo)體制造工藝的困難。 功率集成電路與集成電力電子模塊 ■ 發(fā)展現(xiàn)狀 ◆ 功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)：高低壓電路之 間的 絕緣 問題以及 溫升 和 散熱 的處理。 圖 226 電力電子器件分類“樹” 本章小結(jié) ◆ 按驅(qū)動(dòng)類型 ? 電壓 驅(qū)動(dòng)型器件 √單極型器件和復(fù)合型器件。 ◆ 寬禁帶半導(dǎo)體材料由于其各方面性能都優(yōu)于 硅材料，因而是很有前景的電力半導(dǎo)體材料 。 ? 雙極型 ：基于 PN結(jié)的電 力二極管、晶閘管、 GTO和 GTR等。 ◆ 智能功率集成電路（ Smart Power IC—— 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。 基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件 ■ 硅的禁帶寬度為 （ eV） ，而寬禁帶半導(dǎo)體 材料是指禁帶寬度在 左右及以上的半導(dǎo)體材 料，典型的是碳化硅（ SiC）、氮化鎵（ GaN）、金剛石等 材料。 ■ 柵極不加任何信號(hào)時(shí)是導(dǎo)通的，柵極加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷， 這被稱為 正常導(dǎo)通型器件 ，使用不太方便，此外 SIT通態(tài)電 阻 較大，使得 通態(tài)損耗 也大，因而 SIT還未在大多數(shù)電力電 子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。 絕緣柵雙極晶體管 ◆ IGBT的安全工作區(qū) ? 正向偏置 安全工作區(qū)（ Forward Biased Safe Operating Area—— FBSOA） √根據(jù)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。 ? 在相同電壓和電流定額的情況下， IGBT的 安 全工作區(qū) 比 GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的 能力。 √在電力電子電路中，IGBT工作在 開關(guān)狀態(tài) ，因而是在 正向阻斷區(qū) 和 飽和區(qū) 之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。 √當(dāng) UGE為正且大于開啟電壓 UGE(th)時(shí)， MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使 IGBT導(dǎo)通。而電力 MOSFET是單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件，開關(guān)速度快， 輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū) 動(dòng)電路簡(jiǎn)單。 ? 在開關(guān)過(guò)程中需要對(duì)輸入電容充放電，仍 需要一定的 驅(qū)動(dòng)功率 ，開關(guān)頻率越高，所需 要的驅(qū)動(dòng)功率越大。 √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)于 GTR的飽和區(qū)）三個(gè)區(qū)域，飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極電流不再增加，非飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極電流相應(yīng)增加。 ? 電力 MOSFET也是 多元集成 結(jié)構(gòu)。 ◆ 電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過(guò) 10kW的電力電子裝置。 ◆ 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)突然急劇上升，同時(shí)伴隨著電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊 穿。 電力晶體管 ■ GTR的主要參數(shù) ◆ 電流放大倍數(shù) ?、直流電流增益 hFE、集電極與發(fā)射極間漏電流 Iceo、 集電極和發(fā)射極間飽和壓降 Uces、開通時(shí)間 ton和關(guān)斷時(shí)間 toff ◆ 最高工作電壓 ? GTR上所加的電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)，就會(huì)發(fā)生 擊穿 。 ? 在開關(guān)過(guò)程中，即在截 止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)， 一般要經(jīng)過(guò) 放大區(qū) 。 ◆ 最主要的特性是 耐壓高 、 電流大 、 開關(guān) 特性好。 ? ?off一般很小，只有 5左右，這是 GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。 ? GTO的 多元集成結(jié)構(gòu) 使得其比普通晶閘管 開通過(guò)程 更快，承受 di/dt的能力增強(qiáng)。 ? 是一種多元的功率集成 器件，雖然外部同樣引出個(gè) 極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個(gè)甚 至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的 小 GTO 元 ，這些 GTO元的 陰極 和 門 極 則在器件內(nèi)部 并聯(lián) 在一起。 圖 212 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 晶閘管的派生器件 A G K a) AK 光強(qiáng)度 強(qiáng) 弱 b) O U I A ■ 光控晶閘管（ Light Triggered Thyristor——LTT） ◆ 是利用一定波長(zhǎng)的 光照信號(hào) 觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。 ◆ 從 關(guān)斷時(shí)間 來(lái)看，普通晶閘管一般為 數(shù)百 微秒，快速 晶閘管為 數(shù)十 微秒，而高頻晶閘管則為 10?s左右。 ◆ 擎住電流 IL ? 擎住電流是晶閘管剛從斷態(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。 晶閘管的主要參數(shù) ◆ 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。 ? 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=trr+tgr ? 關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。 √如果門極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值 IH以下，則晶閘管又回到 正向阻斷 狀態(tài)，IH稱為 維持電流 。只 有 門極觸發(fā) 是最精確、迅速而可靠的控制手段。 ◆ 內(nèi)部是 PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。 電力二極管的主要類型 ◆ 肖特基二極管（ Schottky Barrier Diode—— SBD） ? 屬于 多子 器件 ? 優(yōu)點(diǎn)在于： 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 ；在反向耐壓較低的情 況下其 正向壓降 也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管；因此， 其 開關(guān)損耗 和 正向?qū)〒p耗 都比快速二極管還要小，效率 高。 電力二極管的主要類型 ■ 按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性 能，特別是反向恢復(fù)特性的不同，介紹幾種常用 的電力二極管。 ◆ 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)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。 I O I F U TO U F U 圖 25 電力二極管的伏安特性 電力二極管的基本特性 a) IF U F t F t 0 t rr t d t f t 1 t 2 t U R U RP I R P d i F d t d i R d t u b) U FP i i F u F t fr t 0 2V 圖 26 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 ■ 動(dòng)態(tài)特性 ◆ 因?yàn)?結(jié)電容 的存在，電壓 — 電流特性是隨時(shí)間變化的，這就是電力二極管的動(dòng)態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過(guò)程的開關(guān)特性 。 PN結(jié)與電力二極管的工作原理 ■ PN結(jié)的電容效應(yīng) ◆ 稱為 結(jié)電容 CJ，又稱為 微分電容 ◆ 按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為 勢(shì)壘電容 CB和 擴(kuò)散電容 CD ? 勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。 整流二極管及模塊 A K A K a) I K A P N J b) c) A K PN結(jié)與電力二極管的工作原理 ■ 電力二極管是以半 導(dǎo)體 PN結(jié) 為基礎(chǔ)的 , 實(shí)際上是由一個(gè)面積 較大的 PN結(jié) 和 兩端引 線 以及 封裝 組成的。 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn) ■ 本章內(nèi)容 ◆ 按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的順序，分別介紹各種電力電子器件的 工作原理 、 基本特性 、 主要參數(shù) 以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。 ◆ 不可控器件 ? 電力二極管（ Power Diode） ? 不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷。 ◆ 自身的 功率損耗 通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工作時(shí)一般都需要安裝 散熱器 。第 2章 電力電子器件 電力電子器件概述 不可控器件 —— 電力二極管 半控型器件 —— 晶閘管 典型