【正文】 ■ 絕緣柵雙極晶體管 ? IGBT的原理 驅(qū)動(dòng)原理與電力 MOSFET基本相同 ， 場(chǎng)控器件 ， 通斷由柵射極電壓 uGE決定 ? 導(dǎo)通 ： ， uGE大于 開啟電壓 UGE(th)時(shí) ， MOSFET內(nèi)形成溝道 ， 為晶體管提供基極電流 ， IGBT導(dǎo)通 ? 導(dǎo)通壓降 ：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻 RN減小 ， 使通態(tài)壓降小 ? 關(guān)斷 ：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí) ，MOSFET內(nèi)的溝道消失 ， 晶體管的基極電流被切斷 ， IGBT關(guān)斷 ■ 絕緣柵雙極晶體管 2. IGBT的基本特性 1) IGBT的靜態(tài)特性 圖 123 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性 O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)a ) b )ICUG E ( th)UGEOICURMUFMUCEUG E ( th)UGE增加 ■ 絕緣柵雙極晶體管 ? 轉(zhuǎn)移特性 —— IC與 UGE間的關(guān)系 ， 與 MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似 ?開啟電壓 UGE(th)—— IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓 ?UGE(th)隨溫度升高而略有下降 ， 在 +25?C時(shí) ，UGE(th)的值一般為 2~6V ? 輸出特性 （ 伏安特性 ） —— 以 UGE為參考變量時(shí) ， IC與 UCE間的關(guān)系 ?分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū) 、 有源區(qū)和飽和區(qū) 。 延遲時(shí)間一般約 1~2?s， 上升時(shí)間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大 ?2)關(guān)斷時(shí)間 toff 一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和 ，不包括尾部時(shí)間 。 ?3) 通態(tài) （ 峰值 ） 電壓 UTM—— 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 。 IA實(shí)際由外電路決定 。 電流上升率越大 ， UFP越高 ■ 電力二極管的主要參數(shù) ? 1. 正向平均電流 IF(AV) 額定電流 —— 在指定的管殼溫度 （ 簡(jiǎn)稱殼溫 ， 用 TC表示 ） 和散熱條件下 ， 其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值 ?正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的 ，因此使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額 ， 并應(yīng)留有一定的裕量 。 勢(shì)壘電容的大小與 PN結(jié)截面積成正比 ， 與阻擋層厚度成反比 ? 而擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用 。++ 。 ■ PN結(jié)與電力二極管的工作原理 ? PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài) 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得 PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低 ， 維持在 1V左右 ， 所以正向偏置的 PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài) 圖 13 PN結(jié)的形成 。 ? 器件一般有三個(gè)端子（或稱極或管角），其中兩個(gè)聯(lián)結(jié)在主電路中，而第三端被稱為控制端（或控制極）。 ■ 電力電子器件的概念和特征 (2) 電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài) ?導(dǎo)通時(shí) （ 通態(tài) ） 阻抗很小 ， 接近于短路 ， 管壓降接近于零 ， 而電流由外電路決定 ?阻斷時(shí) （ 斷態(tài) ） 阻抗很大 ， 接近于斷路 ， 電流幾乎為零 ， 而管子兩端電壓由外電路決定 ?電力電子器件的動(dòng)態(tài)特性 （ 也就是開關(guān)特性 ） 和參數(shù) ， 也是電力電子器件特性很重要的方面 ， 有些時(shí)候甚至上升為第一位的重要問題 。因此 ， 電力電子器件目前也往往專指電力半導(dǎo)體器件 。 廣義上往往其和驅(qū)動(dòng)電路等主電路之外的電路都?xì)w為控制電路 ， 從而粗略地說電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成的 。 這些不能移動(dòng)的正 、 負(fù)電荷稱為 空間電荷 。 。 。++ ? 2. 動(dòng)態(tài)特性 ?動(dòng)態(tài)特性 —— 因結(jié)電容的存在 ， 三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個(gè)過渡過程 ， 此過程中的電壓 — 電流特性是隨時(shí)間變化的 ■ 電力二極管的基本特性 ? 開關(guān)特性 —— 反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程 ? 關(guān)斷過程 ： ?須經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力 ， 進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài) ? 在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn) ， 并伴隨有明顯的反向電壓過沖 圖 15 電力二極管的動(dòng)態(tài)過程波形 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 ■ b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPd iFd td iRd t 電力二極管的基本特性 ■ b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPd iFd td iRd t 延遲時(shí)間： td= t1 t0, 電流下降時(shí)間： tf= t2 t1 反向恢復(fù)時(shí)間： trr= td+ tf 恢復(fù)特性的軟度：下降時(shí)間與延遲時(shí)間 的比值 tf /td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用 Sr表示 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 電力二極管的基本特性 ? 開通過程 ： 電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過沖 UFP，經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值 （ 如 2V） 。 ? 式中 ?1和 ?2分別是晶體管 V1和 V2的共基極電流增益； ICBO1和ICBO2分別是 V1和 V2的共基極漏電流 。 （ 伏安特性圖 ） ■ 晶閘管的基本特性 2. 動(dòng)態(tài)特性 圖 19 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形 ■ 100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrUR R MIRMiA 晶閘管的基本特性 ? 1) 開通過程 （ 特性圖 ) ?延遲時(shí)間 td：門極電流階躍時(shí)刻開始 ， 到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的 10%的時(shí)間 ?上升時(shí)間 tr：陽極電流從 10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間 ?開通時(shí)間 tgt以上兩者之和 ， tgt=td+ tr （ 16） 普通晶閘管延遲時(shí)間為 ~?s， 上升時(shí)間為~3?s ■ 晶閘管的基本特性 ?2) 關(guān)斷過程 ?反向阻斷恢復(fù)時(shí)間 trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間 ?正向阻斷恢復(fù)時(shí)間 tgr：晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間 ?在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓 ， 晶閘管會(huì)重新正向?qū)? ?實(shí)際應(yīng)用中 ， 應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓 ， 使晶閘管充分恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力 ， 電路才能可靠工作 ? 關(guān)斷時(shí)間 tq： trr與 tgr之和 ， 即 tq=trr+tgr （ 17)） 普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒 。如果電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 ■ 晶閘管的主要參數(shù) ?(2) 通態(tài)電流臨界上升率 di/dt —— 指在規(guī)定條件下 ， 晶閘管能承受而 無有害影響的最大通態(tài)電流上升率 ? 如果電流上升太快 ， 則晶閘管剛一開通 ，便會(huì)有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi) ， 從而造成局部過熱而使晶閘管損壞 ■ 晶閘管的派生器件 1. 快速晶閘管 （ Fast Switching Thyristor——FST) ?包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管 ， 有快速晶閘管和高頻晶閘管 ?管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn) ， 開關(guān)時(shí)間以及 du/dt和 di/dt耐量都有明顯改善 ?普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間數(shù)百微秒 ， 快速晶閘管數(shù)十微秒 ， 高頻晶閘管 10?s左右 ?高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高 ?由于工作頻率較高 ， 選擇通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng) ■ 晶閘管的派生器件 2. 雙向晶閘管 （ Triode AC Switch—— TRIAC或Bidirectional triode thyristor） 圖 110 雙向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 ■ a) b)IO UIG= 0GT1T2 晶閘管的派生器件 ?可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成 ?有兩個(gè)主電極 T1和 T2， 一個(gè)門極 G ?正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通 ， 所以雙向晶閘管在第Ｉ和第 III象限有對(duì)稱的伏安特性 ?與一對(duì)反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的 ， 且控制電路簡(jiǎn)單 ， 在交流調(diào)壓電路 、 固態(tài)繼電器 （ Solid State Relay—— SSR） 和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多 ?通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。 但柵極的正電壓會(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 ?當(dāng) UGS大于 UT（ 開啟電壓或閾值電壓 ） 時(shí) ， 柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度 ， 使 P型半導(dǎo)體反型成 N型而成為 反型層 ， 該反型層形成 N溝道而使 PN結(jié) J1消失 ， 漏極和源極導(dǎo)電 ■ 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 2. 電力 MOSFET的基本特性 ? 1) 靜態(tài)特性 圖 120 電力 MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性 ? 漏極電流 ID和柵源間電壓 UGS的關(guān)系稱為 MOSFET的 轉(zhuǎn)移特性 ? ID較大時(shí) ， ID與 UGS的關(guān)系近似線性 ， 曲線的斜率定義為 跨導(dǎo) Gfs 01020305040圖1 2 02 4 6 8a)10203050400b)10 20 30 5040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)I D/AUTUGS/ VUDS/ VUGS= UT= 3 VUGS= 4 VUGS= 5 VUGS= 6 VUGS= 7 VUGS= 8 VI D/A ■ 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ? MOSFET的漏極伏安特性 （ 輸出特性 ） ： ?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) ） ?電力 MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài) ， 即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換 ?電力 MOSFET漏源極之間有寄生二極管 ， 漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通 ?電力 MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù) ， 對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利 ■ 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ?2) 動(dòng)態(tài)特性 圖 121 電力 MOSFET的開關(guān)過程 a) 測(cè)試電路 b) 開關(guān)過程波形 up— 脈沖信號(hào)源， Rs— 信號(hào)源內(nèi)阻， RG— 柵極電阻， RL— 負(fù)載電阻， RF— 檢測(cè)漏極電流 a ） b )圖1 2 1RsRG RFRLiDuGSupiD信號(hào)+ UEiDOOOuptttuGSuG S PuTtd ( o n )trtd ( o ff )tf ■ 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ?開通過程 （ 開關(guān)過程圖 ） ? 開通延遲時(shí)間 td(on) —— up前沿時(shí)刻到 uGS=UT并開始出現(xiàn) iD的時(shí)刻間的時(shí)間段 ? 上升時(shí)間 tr—— uGS從 uT上升到 MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓 UGSP的時(shí)間段 ?iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓 UE和漏極負(fù)載電阻決定