【正文】 ◆ 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 。 ◆ 按控制信號的波形 ? 電平 控制型器件 √電壓驅(qū)動型器件和部分電流驅(qū)動型器件（如 GTR） ? 脈沖 觸發(fā)型器件 √部分電流驅(qū)動型器件（如晶閘管和 GTO） 89/89 本章小結(jié) ■ 電力電子器件的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 ◆ 20世紀(jì) 90年代中期以來，逐漸形成了 小功率 （ 10kW以下） 場合以 電力 MOSFET為主， 中、大 功率 場合以 IGBT為主的壓倒性局面，在 10MVA以 上或者數(shù)千伏以上 的應(yīng)用場合，如果不需要自關(guān) 斷能力，那么 晶閘管 仍然是目前的首選器件 。 ? 電流 驅(qū)動型器件 √雙極型器件。 圖 226 電力電子器件分類“樹” 88/89 本章小結(jié) ◆ 按驅(qū)動類型 ? 電壓 驅(qū)動型器件 √單極型器件和復(fù)合型器件。 ? 雙極型 ：基于 PN結(jié)的電 力二極管、晶閘管、 GTO和 GTR等。 87/89 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。 ◆ 智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個難 點 ,最近幾年獲得了迅速發(fā)展。 86/89 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：高低壓電路之 間的 絕緣 問題以及 溫升 和 散熱 的處理。 ◆ 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。 ◆ 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） 。 ◆ 可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性。 ■ 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。 83/89 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。 ■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)用時龐大 而復(fù)雜的 緩沖電路 ，只不過其所需的 驅(qū)動功率 仍然 很大。 ■ 一般也是正常導(dǎo)通型，但也有 正常關(guān)斷型 ，電 流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。 ■ 又被稱為 場控晶閘管（ 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)。 ■ 柵極不加任何信號時是導(dǎo)通的，柵極加負(fù)偏壓時關(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。 80/89 靜電感應(yīng)晶體管 SIT ■ 是一種 結(jié)型場效應(yīng)晶體管 。 ■ 由數(shù)以萬計的 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。 78/89 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 基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力 電子器件 79/89 MOS控制晶閘管 MCT ■ MCT（ MOS Controlled Thyristor）是將 MOSFET與 晶閘管 組合而成的復(fù)合型器件。 77/89 絕緣柵雙極晶體管 ◆ IGBT的安全工作區(qū) ? 正向偏置 安全工作區(qū)（ Forward Biased Safe Operating Area—— FBSOA） √根據(jù)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。 ? 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（動態(tài)擎住效應(yīng)），或 溫度 升高。 76/89 絕緣柵雙極晶體管 ■ IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū) ◆ IGBT的擎住效應(yīng) ? 在 IGBT內(nèi)部寄生著一個 NPN+晶體管和作為主開 關(guān)器件的 P+NP晶體管組成的寄生晶閘管。 ? 輸入阻抗 高，其輸入特性與電力 MOSFET類 似。 ? 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。 ◆ 最大集電極功耗 PCM ? 在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。 ◆ 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。 ? 關(guān)斷過程 √關(guān)斷延遲時間 td(off) 電壓上升時間 trv 電流下降時間 tfi 關(guān)斷時間 toff = td(off) +trv+tfi √tfi分為 tfi1和 tfi2兩段 ? 引入了少子儲存現(xiàn)象，因而 IGBT的開關(guān)速度要低于電力 MOSFET。 √在電力電子電路中，IGBT工作在 開關(guān)狀態(tài) ，因而是在 正向阻斷區(qū) 和 飽和區(qū) 之間來回轉(zhuǎn)換。 √分為三個區(qū)域： 正向阻斷區(qū) 、 有源區(qū) 和 飽和區(qū) 。 √開啟電壓 UGE(th)是 IGBT能實現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而 導(dǎo)通的最低柵射電壓，隨 溫度 升高而略有下降。 ? 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 。 √當(dāng) UGE為正且大于開啟電壓 UGE(th)時， 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。 70/89 絕緣柵雙極晶體管 ◆ IGBT的工作原理 ? IGBT的驅(qū)動原理與電力 MOSFET基本相同，是一種 場 控 器件。 ? 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)于一個由 MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū) PNP晶 體管。 69/89 絕緣柵雙極晶體管 ■ IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理 ◆ IGBT的結(jié)構(gòu) ? 是三端器件，具有 柵極 G、 集電極 C和 發(fā)射極 E。而電力 MOSFET是單極型電壓驅(qū)動器件，開關(guān)速度快， 輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū) 動電路簡單。 ◆ 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)。 ◆ 柵源電壓 UGS ? 柵源之間的絕緣層很薄， ?UGS?20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。 ◆ 漏極電壓 UDS ? 標(biāo)稱電力 MOSFET電壓定額的參數(shù)。 ? 在開關(guān)過程中需要對輸入電容充放電，仍 需要一定的 驅(qū)動功率 ，開關(guān)頻率越高，所需 要的驅(qū)動功率越大。 (a) (b) 66/89 電力場效應(yīng)晶體管 ? 不存在 少子儲存效應(yīng) ，因而其關(guān)斷過程是 非常迅速的。 圖 221 電力 MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 b) 輸出特性 65/89 ◆ 動態(tài)特性 ? 開通過程 √開通延遲時間 td(on) 電流上升時間 tr 電壓下降時間 tfv 開通時間 ton= td(on)+tr+ tfv ? 關(guān)斷過程 √關(guān)斷延遲時間 td(off) 電壓上升時間 trv 電流下降時間 tfi 關(guān)斷時間 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)動電路的內(nèi)阻 Rs，從而減 小柵極回路的充放電時間常數(shù)，加 快開關(guān)速度。 ? 本身結(jié)構(gòu)所致， 漏極 和 源極 之間形成了一個與 MOSFET反向并聯(lián)的 寄生二極管 。 √截止區(qū) （對應(yīng)于 GTR的截止區(qū)）、飽和區(qū) （對應(yīng)于 GTR的放大區(qū)）、 非飽和區(qū) （對應(yīng)于 GTR的飽和區(qū)）三個區(qū)域，飽和是指漏源電壓增加時漏極電流不再增加，非飽和是指漏源電壓增加時漏極電流相應(yīng)增加。 √ID較大時， 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。 √UT稱為 開啟電壓（或閾值電壓） ， UGS超過 UT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流 ID越大。 ? 導(dǎo)通 √在 柵極 和 源極 之間加一 正電壓 UGS，正電壓會將其下面 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。 ? 電力 MOSFET也是 多元集成 結(jié)構(gòu)。 ? 結(jié)構(gòu)上與小功率 MOS管有較大區(qū) 別，小功率 MOS管是 橫向 導(dǎo)電器件，而 目前電力 MOSFET大都采用了 垂直 導(dǎo)電 結(jié)構(gòu)，所以又稱為 VMOSFET（ Vertical MOSFET），這大大提高了 MOSFET器 件的 耐壓 和 耐電流 能力。 ? 在電力 MOSFET中，主要是 N溝道增強(qiáng)型 。 ? 當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道的稱為 耗盡型 。 ◆ 電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過 10kW的電力電子裝置。 ◆ 開關(guān)速度快，工作頻率高。 59/89 電力場效應(yīng)晶體管 ■ 分為 結(jié)型 和 絕緣柵型 ，但通常主要指絕緣柵型中 的 MOS型（ Metal Oxide Semiconductor FET） ,簡 稱電力 MOSFET（ Power MOSFET）。 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 連接起來，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。 ◆ 發(fā)現(xiàn)一次擊穿發(fā)生時如不有效地限制電流， Ic增大到某個臨界點時 會突然急劇上升，同時伴隨著電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊 穿。 ? 產(chǎn)品說明書中在給出 PcM時總是同時給出殼溫 TC，間接表示了最高工作溫度。 ? 實際使用時要留有較大裕量，只能用到 IcM的 一半 或 稍多一點 。 ? 發(fā)射極開路時集電極和基極間的反向擊穿電壓 BUcbo 基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓 BUceo 發(fā)射極與基極間用電阻聯(lián)接或短路聯(lián)接時集電極和發(fā)射極間的擊穿電