【正文】 區(qū)比 GTR大 ， 且 具有耐脈沖電流沖擊能力 。 通態(tài)壓降比 VDMOSFET低 。 輸入阻抗高 ， 輸入特性與 MOSFET類似 。 與 MOSFET和 GTR相比，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) 。 103 絕緣柵雙極晶體管 擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)： IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件 。 ——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確定。 反向偏臵安全工作區(qū) （ RBSOA） —— 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。 正偏安全工作區(qū) （ FBSOA） 動態(tài)擎住效應(yīng) 比 靜態(tài)擎住效應(yīng) 所允許的集電極電流小。 擎住效應(yīng)曾限制 IGBT電流容量提高， 20世紀(jì) 90年代中后期開始逐漸解決。 ——NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在 體區(qū)短路電阻 ， P形體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對 J3結(jié)施加正偏壓，一旦 J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。 104 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 功率模塊與功率集成電路 105 MOS控制晶閘管 MCT MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)： 承受極高 di/dt和 du/dt， 快速的開關(guān)過程 ， 開關(guān)損耗小 。 高電壓 ， 大電流 、 高載流密度 ， 低導(dǎo)通壓降 。 一個 MCT器件由數(shù)以萬計(jì)的 MCT元組成 。 每個元的組成為：一個 PNPN晶閘管 ， 一個控制該晶閘管開通的 MOSFET， 和一個控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。 其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破 ， 電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值 ， 未能投入實(shí)際應(yīng)用 。 MCT（ MOS Controlled Thyristor） ——MOSFET與晶閘管的復(fù)合 106 靜電感應(yīng)晶體管 SIT 多子導(dǎo)電的器件 ， 工作頻率與電力 MOSFET相當(dāng) ， 甚至更高 ， 功率容量更大 ， 因而適用于高頻大功率場合 。 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)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用 。 缺點(diǎn) ： 柵極不加信號時(shí)導(dǎo)通 ， 加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷 ， 稱為 正常導(dǎo)通型 器件 ， 使用不太方便 。 通態(tài)電阻較大 ， 通態(tài)損耗也大 ， 因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用 。 SIT（ Static Induction Transistor） ——結(jié)型場效應(yīng)晶體管 107 靜電感應(yīng)晶閘管 SITH SITH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) 。 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 。 SITH一般也是正常導(dǎo)通型 ， 但也有正常關(guān)斷型 。 此外 ，電流關(guān)斷增益較小 ， 因而其應(yīng)用范圍還有待拓展 。 SITH（ Static Induction Thyristor） ——場控晶閘管（ Field Controlled Thyristor—FCT） 108 集成門極換流晶閘管 IGCT 20世紀(jì) 90年代后期出現(xiàn) ， 結(jié)合了 IGBT與 GTO的優(yōu)點(diǎn) ， 容量與 GTO相當(dāng) ， 開關(guān)速度快 10倍 。 可省去 GTO復(fù)雜的緩沖電路 ， 但驅(qū)動功率仍很大 。 目前正在與 IGBT等新型器件激烈競爭 ， 試圖最終取代 GTO在大功率場合的位置 。 IGCT（ Integrated GateCommutated Thyristor） ——GCT（ GateCommutated Thyristor） 109 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。 ■ 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)量級的提高。 ■ 寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展一直受制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。 ■ 21世紀(jì)推出基于碳化硅的肖特基二極管 ■氮化鎵半導(dǎo)體、金剛石材料 110 功率模塊與功率集成電路 20世紀(jì) 80年代中后期開始 ， 模塊化趨勢 ， 將多個器件封裝在一個模塊中 ， 稱為 功率模塊 。 可縮小裝置體積 ， 降低成本 ， 提高可靠性 。 對工作頻率高的電路 ， 可大大減小線路電感 ， 從而簡化對保護(hù)和緩沖電路的要求 。 將器件與邏輯 、 控制 、 保護(hù) 、 傳感 、 檢測 、 自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上 ， 稱為 功率集成電路（ Power Integrated Circuit——PIC） 。 基本概念 111 (a )(d )(c )(b )? 二極管和晶閘管模塊 112 ? 達(dá)林頓三極管功率模塊 113 ? MOSFET功率模塊 (a ) 雙開關(guān)模塊(b ) 三相橋模塊(c ) 四個開關(guān)并聯(lián)114 功率模塊與功率集成電路 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 。 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 。 智能功率模塊 （ Intelligent Power Module——IPM）則專指 IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動電路的單片集成 ， 也稱智能 IGBT（ Intelligent IGBT） 。 實(shí)際應(yīng)用電路 115 功率模塊與功率集成電路 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 。 以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在中小功率應(yīng)用場合 。 智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個難點(diǎn) ,最近幾年獲得了 迅速發(fā)展 。 功率集成電路實(shí)現(xiàn)了電能和信息的集成 ， 成為機(jī)電一體化的理想接口 。 發(fā)展現(xiàn)狀 116 可控性 驅(qū)動信號 額定 電壓、電流 工作頻率 飽和壓降 二極管 不可控 無 最大 有高 有低 小 晶閘管 半控 脈沖電流（開通） 最大 最低 小 GTO 全控 正、負(fù) 脈沖電流 大 較低 中 BJT 全控 正電流 中 中 小 IGBT 全控 正電壓 較大 較高 較小 MOSFET 全控 正電壓 小 最高 大 常用電力半導(dǎo)體開關(guān)器件性能對比 117 電力電子器件器件的驅(qū)動 電力電子器件驅(qū)動電路概述 晶閘管的觸發(fā)電路 典型全控型器件的驅(qū)動電路 118 電力電子器件驅(qū)動電路概述 使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài) ， 縮短開關(guān)時(shí)間 ， 減小開關(guān)損耗 。 對裝置的運(yùn)行效率 、 可靠性和安全性都有重要的意義 。 一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動電路中 ， 或通過驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn) 。 驅(qū)動電路的基本任務(wù) ： 按控制目標(biāo)的要求施加開通或關(guān)斷的信號 。 對半控型器件只需提供開通控制信號 。 對全控型器件則既要提供開通控制信號 ， 又要提供關(guān)斷控制信號 。 驅(qū)動電路 —— 主電路與控制電路之間的接口 119 電力電子器件驅(qū)動電路概述 驅(qū)動電路還要提供控制電路與主電路之間的 電氣隔離 環(huán)節(jié) ， 一般采用光隔離或磁隔離 。 光隔離一般采用光耦合器 磁隔離的元件通常是 脈沖變壓器 ERERERa ) b ) c )UinUoutR1ICIDR1R1圖 225 光耦合器的類型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高傳輸比型 120 電力電子器件驅(qū)動電路概述 按照驅(qū)動信號的性質(zhì)分 ， 可分為 電流驅(qū)動型 和 電壓驅(qū)動型 。 驅(qū)動電路具體形式可為 分立元件 的 ， 但目前的趨勢是采用 專用集成驅(qū)動電路 。 雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內(nèi)的混合集成電路 。 為達(dá)到參數(shù)最佳配合 ， 首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)動電路 。 分類 121 晶閘管的觸發(fā)電路 作用 ： 產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖 ， 保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通 。 晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求 ： 脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通 。 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度 。 不超過門極電壓 、 電流和功率定額 ， 且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi) 。 有良好的抗干擾性能 、 溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離 。 t I I M t 1 t 2 t 3 t 4 圖 226 理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形 t1~t2?脈沖前沿上升時(shí)間（ 1?s） t1~t3?強(qiáng)脈寬度 IM?強(qiáng)脈沖幅值（ 3IGT~5IGT） t1~t4?脈沖寬度 I?脈沖平頂幅值（ ~2IGT） 晶閘管的觸發(fā)電路 122 晶閘管的觸發(fā)電路 V V2構(gòu)成 脈沖放大環(huán)節(jié) 。 脈沖變壓器 TM和附屬電路構(gòu)成 脈沖輸出環(huán)節(jié) 。 V V2導(dǎo)通時(shí)，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。 圖 227 常見的晶閘管觸發(fā)電路 常見的晶閘管觸發(fā)電路 123 典型全控型器件的驅(qū)動電路 (1) GTO GTO的 開通控制 與普通晶閘管相似 。 GTO關(guān)斷控制 需施加負(fù)門極電流 。 圖 228 推薦的 GTO門極電壓電流波形 O t t O u G i G 1) 電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路 正的門極電流 5V的負(fù)偏壓 GTO驅(qū)動電路通常包括開通驅(qū)動電路 、 關(guān)斷驅(qū)動電路 和 門極反偏電路三部分 ， 可分為 脈沖變壓器耦合式 和 直接耦合式 兩種類型 。 124 典型全控型器件的驅(qū)動電路 直接耦合式驅(qū)動電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩 ， 可得到較陡的脈沖前沿 。 目前應(yīng)用較廣 ， 但其功耗大 ， 效率較低 。 圖 229 典型的直接耦合式 GTO驅(qū)動電路 125 典型全控型器件的驅(qū)動電路 開通驅(qū)動電流應(yīng)使 GTR處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài) ， 使之不進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū) 。 關(guān)斷 GTR時(shí) ， 施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗 。 關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值 （ 6V左右 ） 的負(fù)偏壓 。 t O i b 圖 230 理想的 GTR基極驅(qū)動電流波形 (2) GTR 126 典型全控型器件的驅(qū)動電路 GTR的一種驅(qū)動電路 ， 包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分 。 VD1AVVS0 V+ 10V+ 15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2圖 231 GTR的一種驅(qū)動電路 驅(qū)動 GTR的集成驅(qū)動電路中， THOMSON公司的 UAA4002和三菱公司的 M57215BL較為常見。 127 典型全控型器件的驅(qū)動電路 電力 MOSFET和 IGBT是電壓驅(qū)動型器件 。 為快速建立驅(qū)動電壓 ， 要求驅(qū)動電路輸出電阻小 。 使 MOSFET開通的驅(qū)動電壓一般 10~15V， 使 IGBT開通的驅(qū)動電壓一般 15 ~ 20V。 關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動電壓 （ 一般取 5 ~ 15V）有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗 。 在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩 。 2) 電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路 128 典型全控型器件的驅(qū)動電路 (1) 電力 MOSFET的一種驅(qū)動電路： 電氣隔離 和 晶體管放大電路 兩部分 圖 232 電力 MOSFET的一種驅(qū)動電路 專為驅(qū)動電力 MOSFET而設(shè)計(jì)的混合集成電路有三菱公司的 M57918L，其輸入信號電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為 +2A和 3A，輸出驅(qū)動電壓 +15V和 10V。 129 典型全控型器件的驅(qū)動電路 (2) IGBT的驅(qū)動 圖 233 M57962L型 IGBT驅(qū)動器的原理和接線圖 常用的有三菱公司的 M579系列（如 M57962L和 M57959L）和富士公司的 EXB系列（如 EXB8EXB84 EXB850和 EXB851）。