【正文】 ? 一般指 儲(chǔ)存 時(shí)間和 下降 時(shí)間之和，而不包括 尾部 時(shí)間。 ? 關(guān)斷過程 √需要經(jīng)過儲(chǔ)存時(shí)間 ts和下降時(shí) 間 tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間 toff。 ? GTR工作時(shí)不僅不能超過最高電壓 UceM，集電極最大電流 IcM和最大耗散功 率 PcM，也不能超過 二次擊穿臨界線 。 √當(dāng) UGS大于某一電壓值 UT時(shí)，使 P型半導(dǎo)體反型成 N型半導(dǎo)體，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。 ◆ 漏極直流電流 ID和漏極脈沖電流幅值 IDM ? 標(biāo)稱電力 MOSFET電流定額的參數(shù)。 絕緣柵雙極晶體管 ■ IGBT的基本特性 ◆ 靜態(tài)特性 ? 轉(zhuǎn)移特性 √描述的是集電極電流 IC與柵射電壓 UGE之間的 關(guān)系。 ? 與電力 MOSFET和 GTR相比， IGBT的 耐壓 和 通流能力 還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持 開關(guān)頻率 高 的特點(diǎn)。 ■ 其很多特性與 GTO類似，但 開關(guān)速度 比 GTO高 得多，是 大容量 的快速器件。 ◆ 以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在 中小功 率 應(yīng)用場(chǎng)合。 ◆ 電力 MOSFET和 IGBT中的技術(shù)創(chuàng)新仍然在繼 續(xù)， IGBT還在不斷奪取傳統(tǒng)上屬于晶閘管的應(yīng)用 領(lǐng)域 。 功率集成電路與集成電力電子模塊 ■ 實(shí)際應(yīng)用電路 ◆ 高壓集成電路（ High Voltage IC—— HVIC） ? 一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片 集成。 ■ 是一種 多子導(dǎo)電 的器件，其 工作頻率 與電力 MOSFET相 當(dāng)，甚至超過電力 MOSFET，而 功率容量 也比電力 MOSFET大，因而適用于 高頻大功率 場(chǎng)合。 絕緣柵雙極晶體管 ◆ IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下： ? 開關(guān)速度 高， 開關(guān)損耗 小。 ? 其開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓 UGE決定的。 ? 開關(guān)時(shí)間在 10~100ns之間，其工作頻率可 達(dá) 100kHz以上，是主要電力電子器件中最高 的。 ? 按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用 V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的 VVMOSFET （ Vertical Vgroove MOSFET） 和具有 垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散 MOS結(jié)構(gòu)的 DMOSFET （ Vertical Doublediffused MOSFET） 。 電力晶體管 ■ GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū) ◆ 當(dāng) GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，集電極電流迅速增大， 這種首先出現(xiàn)的擊穿是 雪崩擊穿 ，被稱為一次擊穿。 ? 在電力電子電路中， GTR工作在 開關(guān)狀態(tài) ，即工 作在 截止區(qū) 或 飽和區(qū) 。 ◆ 電流關(guān)斷增益 ?off ? 最大可關(guān)斷陽極電流 IATO與門極負(fù)脈沖電流最大值 IGM之比。 ■ GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 ◆ GTO的結(jié)構(gòu) ? 是 PNPN四層半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu) 。 ◆ 快速晶閘管的 開關(guān)時(shí)間 以及 du/dt和 di/dt的耐量都有了 明顯改善。 ? 反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于 反向擊穿電壓 。 √隨著 門極電流幅值 的增大， 正向轉(zhuǎn)折電壓 降低，晶閘管本身的壓降很小，在 1V左右。 ◆ 引出 陽極 A、 陰極 K和 門極（控制端） G三個(gè)聯(lián)接端。 ■ 反向恢復(fù)時(shí)間 trr ■ 浪涌電流 IFSM ◆ 指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流 。 ◆ 承受反向電壓時(shí)，只有 少子 引起的微小而數(shù)值恒定的 反向 漏電流 。 ■ 在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少 的，特別是開通和關(guān)斷速度很快的 快恢復(fù)二極管 和 肖特基 二極管 ，具有不可替代的地位。 ? 通過控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。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 典型全控型器件 其他新型電力電子器件 功率集成電路與集成電力電子模塊 本章小結(jié) 引言 ■ 模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ) —— 晶體管和集成電路等電子器件 電力電子電路的基礎(chǔ) —— 電力電子器件 ■ 本章主要內(nèi)容： ◆ 對(duì)電力電子器件的 概念 、 特點(diǎn) 和 分類 等問題作了簡(jiǎn)要概述 。 ◆ 不可控器件 ? 電力二極管（ Power Diode） ? 不能用控制信號(hào)來控制其通斷。 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。 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)換過程的開關(guān)特性 。 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。 ◆ 內(nèi)部是 PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。 √如果門極電流為零，并且陽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 。 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。 ◆ 從 關(guān)斷時(shí)間 來看，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。 ? 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。 ? ?off一般很小，只有 5左右，這是 GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。 ? 在開關(guān)過程中，即在截 止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時(shí)， 一般要經(jīng)過 放大區(qū) 。 ◆ 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 MOSFET也是 多元集成 結(jié)構(gòu)。 ? 在開關(guān)過程中需要對(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。 √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。 ? 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。 ■ 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。 ◆ 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。 ◆ 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 。 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。 ■ 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)。 ? 輸入阻抗 高，其輸入特性與電力 MOSFET類 似。 ? 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 。 ◆ 漏極電壓 UDS ? 標(biāo)稱電力 MOSFET電壓定額的參數(shù)。 ? 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。 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，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。 √增大基極驅(qū)動(dòng)電流 ib的幅值并 增大 dib/dt，可以縮短 延遲時(shí)間 ， 同時(shí)也可以縮短 上升時(shí)間 ，從而 加快開通過程。 ? 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。 ?1+?2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件，大于 1導(dǎo)通，小于 1則關(guān)斷。 ◆ 由于工作頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的 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)。 選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓 2~3倍 。 √晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的 反向漏電流 通過。 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 ◆ 晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 ? 是很小的，而當(dāng) 發(fā)射極電流建立起來之后， ? 迅速增大。 ? 其 反向恢復(fù)時(shí)間 較長(zhǎng)，一般在 5?s以上 。 ? 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 22 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 基本結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào) PN結(jié)與電力二極管的工作原理 ■ 二極管的基本原理 —— PN結(jié)的 單向?qū)щ娦? ◆ 當(dāng) PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時(shí)，在外電路上則形成自 P區(qū)流入而從 N區(qū)流出的電流，稱為 正向電流 IF，這就是 PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。 ◆ 電壓驅(qū)動(dòng)型 ? 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的 電壓 信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。