【正文】 02I G B TG T RM O S F E TG T OI G C T ()f Hz()PW3. 應(yīng)用范圍 1 021 031 041 051 061 0711 01 021 031 071 08電 力 機(jī) 車(chē)直 流 電 源U P S1 0 1 081 041 051 061 09高壓直流輸電設(shè)備S C RG T O民用電器G T OI G C TU P S電 機(jī) 控 制逆 變 器感 應(yīng) 加 熱G T R 模 塊I G B T自 動(dòng) 焊 機(jī)電 動(dòng) 汽 車(chē)高 頻 電 源I G B TM O S F E TH V I C 開(kāi) 關(guān) 電 源通 信 設(shè) 備M O S F E TG T R 模 塊S P I CS I T ()f H z()P V A電力電子器件應(yīng)用領(lǐng)域與設(shè)備容量、工作頻率關(guān)系曲線(xiàn)如圖。 ?雙極型器件 ——內(nèi)部?jī)煞N載流子（自由電子和空穴）都參與導(dǎo)電。 ④ 多功能化。 ? 現(xiàn)代電力電子開(kāi)關(guān)器件 ——高速、全控型器件。 ?介紹常用電力電子器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性和主要參數(shù)。 ① 全控化。 目前常用的有：普通晶閘管 SCR及其派生的系列晶閘管器件。 電力電子開(kāi)關(guān)器件的比較 1. 裝置容量及電壓、電流定額 容 量 ( V A )1 021 031 041 051 061 071 031 041 051 061 071 08S C RG T OI G C TI G B TG T RM O S F E T TS I T H()f H z變換器每個(gè)橋臂僅用一個(gè)器件時(shí)，裝置容量與變換頻率的關(guān)系曲線(xiàn)如圖。 二極管處于正向?qū)顟B(tài)時(shí)，若外電路沒(méi)有限流措施，會(huì)因電流過(guò)大而損壞二極管。 反向恢復(fù)時(shí)間 trr對(duì)二極管的工作頻率有著決定性意義，它限制了功率二極管的開(kāi)關(guān)速度。試計(jì)算該電流的平均值和有效值 。 功率二極管的主要類(lèi)型 1. 普通二極管 （ General Purpose Diode， GPD） ?正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高 ?又稱(chēng)整流二極管 ?多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（ 1kHz以下）的整流電路 ?其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng) 5μs 2. 快恢復(fù)二極管 （ Fast Recovery Diode， FRD） 從性能上可分為 快恢復(fù) 和 超快恢復(fù) 兩個(gè)等級(jí)。它是一種半控型開(kāi)關(guān)器件，工作頻率較低，是目前電壓、電流定額最大的電力電子開(kāi)關(guān)器件。 當(dāng)晶閘管陽(yáng)極與陰極 之間外加正向電壓時(shí)， J2 結(jié)反偏，流過(guò)很小的漏電 流，稱(chēng)為晶閘管 正向阻斷狀態(tài) ； 只在晶閘管陽(yáng)極與陰極上加電壓，以上兩種接法下，晶閘管均處于阻斷狀態(tài)。 可見(jiàn) 關(guān)斷晶閘管，必須使陽(yáng)極電壓減小或反向，陽(yáng)極電流減小到維持電流以下， (?1+?2)迅速減小，晶閘管才能重新恢復(fù)阻斷狀態(tài)。 2. 門(mén)極伏安特性 ?晶閘管門(mén)極伏安特性是指 門(mén)極電壓 UGK與門(mén)極電流 IG 的關(guān)系 低阻特性高 阻 特 性ABCDGIFGMIGTIOGTU FGMU GKUGMP 由門(mén)極觸發(fā)電流 IGT，門(mén)極觸發(fā)電壓 UGT和坐標(biāo)軸圍成的區(qū)域稱(chēng) 不可靠觸發(fā)區(qū) 。標(biāo)稱(chēng)其額定電流的參數(shù)?？梢?jiàn)，晶閘管允許通過(guò)的電流與電流波形有關(guān)。 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 晶閘管派生器件，采用多元集成結(jié)構(gòu)使工作頻率大大提高，可以通過(guò)門(mén)極加正脈沖信號(hào)控制開(kāi)通，也可以通過(guò)門(mén)極加負(fù)脈沖信號(hào)控制關(guān)斷，屬于全控型器件。 GTO門(mén)極加反向電壓后： C點(diǎn)到 D點(diǎn)是尾部時(shí)間，到達(dá) D點(diǎn) GTO完全關(guān)斷。 2. 關(guān)斷增益 ?off ——最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流 IATO與門(mén)極負(fù)電流最大值 IGM之比 : ATOoffGMII? ? ? ?off是表征 GTO關(guān)斷能力的參數(shù)，其值一般為 3～8。 過(guò)高的動(dòng)態(tài) du/dt會(huì)使瞬時(shí)關(guān)斷功耗過(guò)大，可關(guān)斷陽(yáng)極電 流下降，嚴(yán)重時(shí)造成 GTO過(guò)電壓，導(dǎo)致器件損壞。 目前常用的電力晶體管常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)有單管、達(dá)林頓管和 GTR模塊三個(gè)系列。 常見(jiàn)的有：?jiǎn)喂堋? 雙管、四管和六管 模塊，可以很方便 地構(gòu)成各種變換電 路。 ?深飽和區(qū)：隨基極電流 IB增加，當(dāng)?IB大于集電極工作電流時(shí)， GTO進(jìn)入深飽和區(qū)。 ② 飽和壓降 UCES ——GTR工作在深飽和區(qū)集電極與發(fā)射極間的導(dǎo)通電壓。 使用時(shí)，應(yīng)留有裕量，實(shí)際工作電流約為 ICM/2 。 （ S/B） 二次擊穿按晶體管基極 —射極偏置狀態(tài)不同可以分成三類(lèi)： 正偏二次擊穿 、 開(kāi)路二次擊穿 和 反偏二次擊穿 。 RBSOA是 GTR在反向偏置下關(guān)斷的瞬態(tài)過(guò)程 ?基極反向關(guān)斷電流 IRB越大安全區(qū)越小。 可變電阻區(qū)： 當(dāng)漏源極電壓 UDS較小時(shí)，對(duì)導(dǎo)電溝道影響不大， ID與 UDS幾乎呈線(xiàn)性關(guān)系。 ② 飽和特性 主要體現(xiàn)在通態(tài)電阻 RON的變化上。 2. 柵源擊穿電壓 BUGS ——由于功率 MOSFET的柵極 SiO2絕緣層很薄，柵極電阻極高，靜電感應(yīng)的電荷積累容易產(chǎn)生過(guò)高的柵極電壓使 SiO2絕緣層介電擊穿。 0 2 0 4 0 6 0051 01 5()FIAFMI2 0 0 /As?/ 1 0 0 /d i d t A s??DSU ()DSUV?通常二極管反向電流越大，功率MOSFET換向越困難，安全區(qū)越小。 ?IGBT處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，其耐反壓能力一般較差，只有幾十伏。 ( a ) 輸 出 特 性 ( b ) 轉(zhuǎn) 移 特 性截 止 區(qū)放 大 區(qū)擊穿區(qū)飽和區(qū)CI CMPORMU CEBU CEU 1GEU 2GEU 3GEU 4GEU 5GEUCIO GEUTU 25jTC? 125jTC??輸出特性分為飽和區(qū)、放 大區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)四個(gè) 區(qū)域。 IGBT的開(kāi)通過(guò)程： 與 MOSFET的相似 開(kāi)通延遲時(shí)間 td(on) 電流上升時(shí)間 tr 開(kāi)通時(shí)間 ton ( b )( a )( c ),G G EUU GU GEU1GUG ESU TO2GU ()d ont ()d offt tCiCI1fit 2fitO trit rvtCEuCEUO U?t1fvt 2fvt?UCE的下降過(guò)程分為 tfv1 和 tfv2兩段。 IGBT的主要參數(shù) 1. 最大集電極電壓 UCEM ——IGBT內(nèi)部 PNP三 極管所承受的最高電壓。 ?由最大集電極電流 ICM、最大集電極電壓 UCEM和最大允許的耗散功率 PCM確定。 柵極不加信號(hào)時(shí)導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，使用不太方便。 MOS控制晶閘管 MCT MOS控制晶閘管 (MOS Controlled Thyristor， MCT)，是一種新型的 MOS/雙極型復(fù)合器件。 ( a ) G C T 的 剖 面 結(jié) 構(gòu) ( b ) 符 號(hào)GAKGKP+NA陽(yáng) 極N+N+門(mén) 極陰 極P緩 沖 層PN+NP+逆 導(dǎo)二 極 管P N P隔 離 區(qū)?4層三端器件。 1. 高壓集成電路（ HVIC） ——是橫向高耐壓電力半導(dǎo)體器件和控制電路的單片集成。功率集成電路 PIC屬于新型混合型器件，它的出現(xiàn)將帶動(dòng)電力電子技術(shù)進(jìn)入智能化階段。 ① 智能功率開(kāi)關(guān) ，智能功率開(kāi)關(guān)屬于固態(tài)開(kāi)關(guān)，在同一個(gè)芯片中集成了控制部件（邏輯、接口、驅(qū)動(dòng)器）、診斷、保護(hù)功能以及功率級(jí)。 ?與 GTO的重要差別是 GCT陽(yáng)極內(nèi)側(cè)多了緩沖層，以透明（可穿透）陽(yáng)極代替 GTO的短路陽(yáng)極。 ?P溝道 MOSFET用來(lái)控制 SCR的導(dǎo)通，稱(chēng)為 ONFET； ?MCT是 MOSFET與晶閘管的復(fù)合，結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn) : 應(yīng)用領(lǐng)域： 在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等。 IGBT的反向偏置安全工作區(qū)（ RBSOA） ?IGBT關(guān)斷時(shí)的安全工作范圍。此定額與結(jié)溫有關(guān)。 IGBT的關(guān)斷過(guò)程： 關(guān)斷延遲時(shí)間 td(off） 電流下降時(shí)間 關(guān)斷時(shí)間 toff ?電流下降時(shí)間又可分為 tfi1和 tfi2兩段。 ?轉(zhuǎn)移特性與功率 MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同。 ?IGBT按緩沖區(qū)的有無(wú)可分為對(duì)稱(chēng)型和非對(duì)稱(chēng)型。 2. 反向偏置安全工作區(qū) ——功率 MOSFET關(guān)斷時(shí)容許的工作范圍 。 20V。提高柵源控制電壓 UGS，可 以減小通態(tài)電阻。 擊穿區(qū)： 漏源極電壓 UDS繼續(xù)增大，漏極 PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿時(shí)，漏極電流 ID突然增大。 主要優(yōu)點(diǎn)： ?輸入阻抗高（ 108～1013Ω），驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單； ?開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性好，沒(méi)有二次擊穿問(wèn)題，安全工作區(qū)較寬 。 使用 GTR時(shí)應(yīng)特別注意在 關(guān)斷時(shí)對(duì)管子集電極上的 du/dt 限制。 （ 3）集電極最大允許耗散功率 PCM —— PCM是 GTR在最高允許結(jié)溫下的耗散功率，其大小等 于管子集電極工作電壓和電流的乘積。 2. 極限參數(shù) ——允許施加在 GTR上的電壓、電流、耗散功率和結(jié)溫等參數(shù)的最大額定值。 ?GTR的工作過(guò)程 可以分為 開(kāi)通過(guò)程 、 導(dǎo)通狀態(tài) 、 關(guān)斷過(guò) 程 和 阻斷狀態(tài) 4個(gè) 階段。 電力晶體管的基本特性 1. 共發(fā)射極輸入輸出特性 截 止 區(qū)深 飽和 區(qū)放 大 區(qū)準(zhǔn) 飽 和 區(qū)( a ) 輸 入 特 性 ( b ) 輸 出 特 性BIOTOU BEUCIOCEU0BI