【正文】 ? 復(fù)合型 ： IGBT、 SITH 和 MCT等。 ■ 基于寬禁帶半導(dǎo)體材料（如碳化硅）的電力電子器件將 具有比硅器件高得多的耐受高電壓的能力、低得多的通態(tài) 電阻、更好的導(dǎo)熱性能和熱穩(wěn)定性以及更強(qiáng)的耐受高溫和 射線輻射的能力，許多方面的性能都是成數(shù)量級(jí)的提高。 ? 反向偏置 安全工作區(qū)（ Reverse Biased Safe Operating Area—— RBSOA） √根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率 dUCE/dt。 (b) 圖 224 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 b) 輸出特性 絕緣柵雙極晶體管 ◆ 動(dòng)態(tài)特性 ? 開通過程 √開通延遲時(shí)間 td(on) 電流上升時(shí)間 tr 電壓下降時(shí)間 tfv 開通時(shí)間 ton= td(on)+tr+ tfv √tfv分為 tfv1和 tfv2兩段。 絕緣柵雙極晶體管（ Insulatedgate Bipolar Transistor—— IGBT或 IGT） 綜合了 GTR 和 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。 √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。 電力場效應(yīng)晶體管 ■ 電力 MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 ◆ 電力 MOSFET的種類 ? 按導(dǎo)電溝道可分為 P溝道和 N溝道。 ? 擊穿電壓不僅和晶體管本身的 特性 有關(guān)，還與外電路的接法有關(guān)。 ◆ GTR的結(jié)構(gòu) ? 采用至少由兩個(gè)晶體管按 達(dá)林頓接法 組成的單元結(jié)構(gòu)，并采用集 成電路工藝將許多這種單元 并聯(lián) 而成。 門極可關(guān)斷晶閘管 ■ GTO的動(dòng)態(tài)特性 ◆ 開通過程與普通晶閘管類似。 ◆ 由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的 絕緣 ，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在 高壓大功率的場合 。 ? 約為 IH的 2~4倍 ◆ 浪涌電流 ITSM ? 指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的 不重復(fù)性 最大正向過載電流 。 ? 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)?，而不是受門極電 流控制而導(dǎo)通。 晶閘管的基本特性 ■ 靜態(tài)特性 ◆ 正常工作時(shí)的特性 ? 當(dāng)晶閘管承受 反向電壓 時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通 。 ? 弱點(diǎn)在于：當(dāng)所能承受的反向耐壓提高時(shí)其 正向壓降 也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于 200V以下的低壓場 合； 反向漏電流 較大且對(duì) 溫度 敏感，因此 反向穩(wěn)態(tài)損耗 不 能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。 ■ 正向壓降 UF ◆ 指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的 穩(wěn)態(tài)正向電流 時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢壘電容為主。 ■ 學(xué)習(xí)要點(diǎn) ◆ 最重要的是掌握其 基本特性 。 電力電子器件的概念和特征 ? 通態(tài)損耗 是電力電子器件功率損耗的主要成因。 ◆ 為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在 開關(guān)狀態(tài) 。 ◆ 雙極型器件 ? 由 電子 和 空穴 兩種載流子參與導(dǎo)電。 ? 反向擊穿發(fā)生時(shí)，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)， PN結(jié)仍可恢復(fù)原來的狀態(tài)。 電流上升率 越大， UFP越高。 ? 從性能上可分為 快速恢復(fù) 和 超快速恢復(fù) 兩個(gè)等 級(jí)。 ◆ 由于外電路負(fù)載的限制， IA實(shí)際上會(huì)維持 有限值 。提高 陽極 電壓 ,延遲時(shí)間和上升時(shí)間都 可顯著縮短。 晶閘管的主要參數(shù) ◆ 維持電流 IH ? 維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的 最小 電流， 一般為幾十到幾百毫安。 圖 211 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 晶閘管的派生器件 a) K G A b) U O I I G = 0 ■ 逆導(dǎo)晶閘管（ Reverse Conducting Thyristor——RCT） ◆ 是將 晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管 制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受 反向電壓 的能力，一旦承受反向電壓即開通。 門極可關(guān)斷晶閘管 ? GTO的導(dǎo)通過程與普通晶閘管是一樣的， 只不過導(dǎo)通時(shí) 飽和程度 較淺。當(dāng)需要承受反向電 壓時(shí)，應(yīng)和 電力二極管 串聯(lián)使用。 i b I b1 I b2 I cs i c 0 0 90% I b1 10% I b1 90% I cs 10% I cs t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t t t off t s t f t on t r t d 圖 218 GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形 主要是由發(fā)射結(jié)勢壘電容和集電結(jié)勢壘電容充電產(chǎn)生的。 ◆ 開關(guān)速度快，工作頻率高。 √ID較大時(shí)， ID與 UGS的關(guān)系近似 線性，曲線的斜率被定義為 MOSFET的 跨導(dǎo) Gfs，即 電力場效應(yīng)晶體管 GSDfs ddUIG ?圖 221 電力 MOSFET的 轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 (211) √是電壓控制型器件，其輸入阻 抗極高，輸入電流非常小。 ◆ 漏源間的 耐壓 、漏極最大允許 電流 和最大 耗散功率 決 定了電力 MOSFET的安全工作區(qū)。 √分為三個(gè)區(qū)域： 正向阻斷區(qū) 、 有源區(qū) 和 飽和區(qū) 。 ? 引發(fā)擎住效應(yīng)的原因，可能是 集電極電流 過大（靜 態(tài)擎住效應(yīng)）， dUCE/dt過大（動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)），或 溫度 升高。 ■容量 與普通 GTO相當(dāng)，但 開關(guān)速度 比普通的 GTO快 10倍，而且可以簡化普通 GTO應(yīng)用時(shí)龐大 而復(fù)雜的 緩沖電路 ，只不過其所需的 驅(qū)動(dòng)功率 仍然 很大。 本章小結(jié) ■ 將各種主要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)等問題作了全面的介紹。 ? 電流 驅(qū)動(dòng)型器件 √雙極型器件。 ◆ 可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性。 ■ 由數(shù)以萬計(jì)的 MCT元 組成，每個(gè)元的組成為： 一個(gè) PNPN晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開通的 MOSFET，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的 MOSFET。 ◆ 最大集射極間電壓 UCES ? 由器件內(nèi)部的 PNP晶體管所能承受的擊穿電壓所確定的。 ? 簡化等效電路表明， IGBT 是用 GTR與 MOSFET組成的 達(dá) 林頓 結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個(gè)由 MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū) PNP晶 體管。 圖 221 電力 MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 b) 輸出特性 ◆ 動(dòng)態(tài)特性 ? 開通過程 √開通延遲時(shí)間 td(on) 電流上升時(shí)間 tr 電壓下降時(shí)間 tfv 開通時(shí)間 ton= td(on)+tr+ tfv ? 關(guān)斷過程 √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 ? MOSFET的 開關(guān)速度 和其 輸入 電容的充放電 有很大關(guān)系，可以降 低柵極驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻 Rs，從而減 小柵極回路的充放電時(shí)間常數(shù)，加 快開關(guān)速度。 ? 在電力 MOSFET中，主要是 N溝道增強(qiáng)型 。 ? 實(shí)際使用時(shí)要留有較大裕量，只能用到 IcM的 一半 或 稍多一點(diǎn) 。集電極電流 ic與基極電流 ib之比為 ?稱為 GTR的 電流放大系數(shù) ，它反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力。使門極負(fù)脈沖的 后沿緩慢衰減，在 tt階段仍能保持適當(dāng)?shù)?負(fù)電壓 ，則可以縮短 尾部時(shí)間 。 ■ 20世紀(jì) 80年代以來，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè) 嶄新時(shí)代。 ◆ 通態(tài)電流臨界上升率 di/dt ? 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 。 ? 斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于 正向轉(zhuǎn)折電壓 Ubo。 ? 若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的 電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。 ■ 1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室（ Bell Laboratories）發(fā)明了晶閘管，到 1957年美國通用電氣公司（ General Electric）開發(fā)出了世界上第一只 晶閘管產(chǎn)品，并于 1958年使其商業(yè)化。 電力二極管的主要參數(shù) ■ 最高工作結(jié)溫 TJM ◆ 結(jié)溫是指管芯 PN結(jié)的平均溫度，用 TJ表示。 ◆ 結(jié)電容影響 PN結(jié)的 工作頻率 ，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾睿踔敛荒芄ぷ鳌? ◆ 了解某些主電路中對(duì)其它電路元件的特殊要求。 電氣隔離 控制電路檢 測電 路保 護(hù)電 路驅(qū) 動(dòng)電 路RLV1V2主 電 路圖 21 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成 電力電子器件的分類 ■ 按照能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度 ◆ 半控型器件 ? 主要是指 晶閘管（ Thyristor） 及其大部分派生器件。 ? 主電路：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。 ■ 按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形（電力二極管除外 ） ◆ 脈沖觸發(fā)型 ? 通過在控制端施加一個(gè)電壓或電流的 脈沖 信號(hào)來實(shí)現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制。 ◆ 當(dāng) PN結(jié)外加反向電壓時(shí)（反向偏置）時(shí)，反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為 高阻態(tài) ，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止?fàn)顟B(tài)。 ? 延遲時(shí)間 ： td=t1t0 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 ： tf /td，或稱恢復(fù)系 數(shù)，用 Sr表示。 ? 其 正向電流定額 和 反向電壓定額 可以達(dá)到很高。 ◆ 在晶體管 阻斷狀態(tài) 下， IG=0，而 ?1+?2是很小的。 √當(dāng)反向電壓超過一定限度，到 反向擊穿電壓 后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。 ■ 電流定額 ◆ 通態(tài)平均電流 IT(AV） ? 國標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為 40?C和規(guī)定的 冷 卻狀態(tài) 下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的最大工頻正弦半 波電流的平均值。 晶閘管的派生器件 a) b) I O U I G = 0 G T 1 T 2 ■ 雙向晶閘管（ Triode AC Switch—— TRIAC或Bidirectional triode thyristor） ◆ 可以認(rèn)為是一對(duì) 反并聯(lián)聯(lián) 接 的普通晶閘管的集成 。 ? GTO與普通晶閘管的不同 √設(shè)計(jì) ?2較大，使晶體管 V2控制 靈敏，易于 GTO關(guān)斷。 ◆ 關(guān)斷時(shí)間 toff