第1章 电力电子器件.ppt

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1、第第1章章电力电子器件电力电子器件1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述1.2电力二极管电力二极管1.3晶闸管晶闸管1.4绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.5电力电子器件的新发展电力电子器件的新发展1.6电力电子器件的应用问题电力电子器件的应用问题1.1电力电子器件概述电力电子器件概述1.1.1电力电子电力电子器件的器件的主要特征主要特征1.1.2电力电子电力电子器件的分类器件的分类2/1091.1.1电力电子器件的电力电子器件的主要特征主要特征电力电子器件一般工作电力电子器件一般工作于开关状态于开关状态导通（通态）时器件阻抗很小，接近于短路，管压降导通（通态）时器件阻抗很小，接近于短路，

2、管压降接近于零，而电流由外电路决定；接近于零，而电流由外电路决定；阻断（断态）时器件阻抗很大，接近于断路，电流几阻断（断态）时器件阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而器件两端的电压由外电路决定。乎为零，而器件两端的电压由外电路决定。工作特性接近于普通电力开关，因此常将电力电子器工作特性接近于普通电力开关，因此常将电力电子器件称为电力电子开关。件称为电力电子开关。电路分析时用理想开关代替。电路分析时用理想开关代替。电力电子器件电力电子器件一般需要专门的驱动电路一般需要专门的驱动电路性能良好的驱动电路可使电力电子器件工作性能良好的驱动电路可使电力电子器件工作于于最佳的最佳的开关状态。开关状态。3

3、/1091.1.1电力电子器件的电力电子器件的主要特征主要特征电力电子器件处理电功率的能力强电力电子器件处理电功率的能力强电力电子器件所能处理电功率的大小电力电子器件所能处理电功率的大小即即其承受电压和其承受电压和电流的能力，额定电压和额定电流是其最重要的参数。电流的能力，额定电压和额定电流是其最重要的参数。其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，一般其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，一般都远大于处理信息的电子器件都远大于处理信息的电子器件。电力电子器件电力电子器件使用中一般要进行保护使用中一般要进行保护半导体器件承受过电压半导体器件承受过电压、过电流的能力较弱。实际应过电流的能力较

4、弱。实际应用中，除选择电力电子器件时要留有足够的安全裕用中，除选择电力电子器件时要留有足够的安全裕量量外，还必须根据实际情况采取一定的过电压、过电流外，还必须根据实际情况采取一定的过电压、过电流保护措施。保护措施。4/1091.1.1电力电子器件的电力电子器件的主要特征主要特征电力电子器件电力电子器件一般一般需要需要安装散热器安装散热器图图2-3-3晶晶闸闸管的散管的散热热器器（a）自冷（）自冷（b）风风冷（冷（c）水冷）水冷5/1091.1.1电力电子器件的电力电子器件的主要特征主要特征电力电子器件电力电子器件一般一般需要需要安装散热器安装散热器电力电子器件自身的功率损耗通常远大于信息电子器

5、电力电子器件自身的功率损耗通常远大于信息电子器件件，一般需要安装散热器。一般需要安装散热器。电力电子器件的功率损耗电力电子器件的功率损耗：通态损耗通态损耗功率损耗的主要成因功率损耗的主要成因断态损耗断态损耗开关损耗开关损耗开关频率较高时，可能成为器件功率开关频率较高时，可能成为器件功率损耗的主要因素。损耗的主要因素。开通损耗开通损耗关断损耗关断损耗6/1091.1.2电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管晶闸管派生器件晶闸管派生器件全控型器件全控型器件门极可关断晶闸管（门极

6、可关断晶闸管（GTO）电力晶体管（电力晶体管（GTR）、）、电力场效应管（电力场效应管（MOSFET）、）、绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等等）等等不可控器件不可控器件整流二极管整流二极管7/1091.1.2电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况单极型器件单极型器件电力电力MOSFET静电感应晶体管（静电感应晶体管（SIT）双极型器件双极型器件电力二极管电力二极管晶闸管晶闸管GTOGTR静电感应晶闸管（静电感应晶闸管（SITH）等）等复合型器件复合型器件IGBT8/1091.1.2电力

7、电子器件的分类电力电子器件的分类按照驱动信号按照驱动信号的性质的性质电流驱动型电流驱动型控制功率较大控制功率较大、控制电路复杂控制电路复杂、工作工作频率较低，但容量较大。频率较低，但容量较大。晶闸管晶闸管GTOGTR电压驱动型电压驱动型驱动电路简单驱动电路简单、控制功率小控制功率小、工作频工作频率高率高、性能稳定，性能稳定，是是电力电子器件的重要发展方向电力电子器件的重要发展方向电力电力MOSFETIGBT9/1091.2电力电力二极管二极管1.2.1电力二极管的结构及工作原理电力二极管的结构及工作原理1.2.2电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1.2.3电力二极管的主要参数电力二极管的

8、主要参数1.2.4电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型10/1091.2.1电力二极管的结构及工作原理电力二极管的结构及工作原理电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管相同的二极管相同图图1-1 电电力二极管的外形、基本力二极管的外形、基本结结构、构、电电气气图图形符号形符号(a)螺栓型螺栓型(b)平板型平板型(c)基本基本结结构构(d)电电气气图图形符号形符号螺栓型，螺栓型，（200A以下）以下）平板型，平板型，（200A以上）以上）阳极阳极阴极阴极以半导体以半导体PN结为基础结为基础具有单向导通特性具有单向导通特性11/109

9、1.2.1电力二极管的结构及工作原理电力二极管的结构及工作原理电力二极管电力二极管区别于区别于信息电子二极管信息电子二极管的主要特征：的主要特征：图图1-2 电电力二极管内部力二极管内部结结构断面示意构断面示意图图承受承受高高电压电压、大、大电流电流电力二极管承受电力二极管承受高高电压电压、大、大电流电流的原因的原因电力二极管大都是电力二极管大都是垂直导电结构而垂直导电结构而非非横向横向导电结构导电结构在在P区和区和N区之间多区之间多了一层低掺杂了一层低掺杂N区区(用用N-表示表示)，也称也称为漂移区为漂移区12/1091.2.1电力二极管的结构及工作原理电力二极管的结构及工作原理电力二极管电

10、导调制效应电力二极管电导调制效应(ConductivityModulation)低掺杂低掺杂N区电阻率高区电阻率高，对电力二极管的正向导通不利，对电力二极管的正向导通不利电导调制效应：电导调制效应：正向电流较小时，二极管的电阻主要是作为基片的正向电流较小时，二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂低掺杂N区的欧姆电阻，阻值较高且为常量，管压区的欧姆电阻，阻值较高且为常量，管压降随正向电流的上升而增加降随正向电流的上升而增加;正向电流较大时，由正向电流较大时，由P区注入并积累在低掺杂区注入并积累在低掺杂N区区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体的电中性的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体的电中性条件，

11、其多子浓度也相应大幅增加，使其电阻率明条件，其多子浓度也相应大幅增加，使其电阻率明显下降，即电导率大大增加。显下降，即电导率大大增加。电导调制效应使电力二极管在正向电流较大时压降电导调制效应使电力二极管在正向电流较大时压降维持在维持在1V左右。左右。13/1091.2.2电力二极管的电力二极管的基本特性基本特性静态特性静态特性主要是指其伏安特性主要是指其伏安特性图图1-3 电电力二极管的伏安特性力二极管的伏安特性14/109UUTO(门槛电压)，正向电流，正向电流才开始才开始明显增加，处于稳定导通状态。明显增加，处于稳定导通状态。U0，只有少子引起的微小而恒定的，只有少子引起的微小而恒定的反向

12、漏电流。反向漏电流。PN结具有一定的反向结具有一定的反向耐压能力耐压能力,反向电压过大时反向电压过大时反向反向电电流急剧流急剧增大增大,反向击穿。反向击穿。雪崩击穿雪崩击穿齐纳击穿齐纳击穿电击穿电击穿热击穿。热击穿。1.2.2电力二极管的电力二极管的基本特性基本特性动动态特性态特性电力二极管的电力二极管的PN结也存在电容效应结也存在电容效应势垒电容势垒电容PN结加反向电压时，空间电荷区的宽度随外加电结加反向电压时，空间电荷区的宽度随外加电压压的大小而改变，即耗尽层的电荷量随外加电压而变。的大小而改变，即耗尽层的电荷量随外加电压而变。扩散电容扩散电容图图1-4 电电力二极管力二极管PN结结两两侧

13、侧 少数少数载载流子流子浓浓度分布情况度分布情况15/109PN结加正向电压导通时，结加正向电压导通时，大量载流子流过大量载流子流过PN结形结形成正向扩散成正向扩散(导通导通)电流，同电流，同时产生时产生少数载流子的存储效应少数载流子的存储效应1.2.2电力二极管的电力二极管的基本特性基本特性动动态特性态特性16/109结电容的存在，电力二极管在零偏置、正向偏置、反向结电容的存在，电力二极管在零偏置、正向偏置、反向偏置三种状态之间转换时，必然经历过渡过程。偏置三种状态之间转换时，必然经历过渡过程。过渡过程中，过渡过程中，PN结的一些区域需要一定时间来调整其电结的一些区域需要一定时间来调整其电状

14、态，其伏状态，其伏-安特性是随时间变化的安特性是随时间变化的电力二极管的电力二极管的动态特性，通常专指反映通态和断态之间转换过程动态特性，通常专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。的开关特性。掌握下述概念有助于理解动掌握下述概念有助于理解动态特性态特性少数载流子存储效应少数载流子存储效应电导调制效应电导调制效应1.2.2电力二极管的电力二极管的基本特性基本特性动动态特性态特性开通过程开通过程图图1-5 电电力二极管开通力二极管开通过过程的程的电压电压、电电流流关断过程关断过程图图1-6 电电力二极管关断力二极管关断过过程的程的电压电压、电电流流17/1091.2.3电力二极管的电力二极管的

15、主要参数主要参数正向平均电流正向平均电流IF(av)电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度和散热条电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。图图1-7 电电力二极管关断力二极管关断过过程的程的电压电压、电电流流18/1091.2.3电力二极管的电力二极管的主要参数主要参数之所以对电流大小进行限制，是因为电流的热效应。之所以对电流大小进行限制，是因为电流的热效应。电流所产生热量的大小由其有效值决定。电流所产生热量的大小由其有效值决定。设正向平均电流设正向平均电流IF(av)对应的有效值为对应的有效

16、值为I，电力二极管流，电力二极管流过的实际电流有效值为过的实际电流有效值为ID,二极管电流二极管电流为非工频为非工频正弦半波电流正弦半波电流时时其额定电流其额定电流的的确定确定I=(1.52)ID工频正弦半波电流有效值和平均值的关系工频正弦半波电流有效值和平均值的关系I=（/2）Iav=1.57Iav额定电流选择原则额定电流选择原则IF(av)=(1.52)ID/1.57(1-1)(1-4)(1-5)19/1091.2.3电力二极管的电力二极管的主要参数主要参数在指定温度下，电力二极管流过某一指定的稳态正向在指定温度下，电力二极管流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降电流时对应的正向压降正

17、向压降正向压降UF电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是其雪崩击穿电压是其雪崩击穿电压UB的的2/3用用URRM标称电力二极管的额定电压标称电力二极管的额定电压UDN反向重复峰值反向重复峰值URRMUDN=(23)URM(1-6)URM：电力二极管在电路中可能承受的最高反向电压：电力二极管在电路中可能承受的最高反向电压20/1091.2.3电力二极管的电力二极管的主要参数主要参数在在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度,通常在通常在125175之间之间最高工作结温最高工作结温TJM从电力二极

18、管的正向电流降到从电力二极管的正向电流降到0开始，由少数载流子开始，由少数载流子的存储效应产生反向电流，到反向电流及其变化率均的存储效应产生反向电流，到反向电流及其变化率均降至接近于降至接近于0的时间的时间反向反向恢恢复复时间时间trr电力二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周电力二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流期的过电流浪涌电流浪涌电流IFSM21/1091.2.4电力二极管的电力二极管的主要类型主要类型普通整流二极管普通整流二极管多用于多用于1kHz以下的整流电路中。以下的整流电路中。反向恢复时间较长，一般为反向恢复时间较长，一般为25s几百几百s额定电压、额定电流

19、可达数额定电压、额定电流可达数kV、数、数kA。快恢复二极管快恢复二极管适用于高频下的斩波和逆变电路中的整流或续流适用于高频下的斩波和逆变电路中的整流或续流反向恢复时间很短，一般反向恢复时间很短，一般25s用外延法制造的二极管反向恢复时间用外延法制造的二极管反向恢复时间0,UF0。晶闸管的关断条件晶闸管的关断条件:利用外加电压和外电路的作用，使阳极电流降到接利用外加电压和外电路的作用，使阳极电流降到接近于零的某一数值以下。近于零的某一数值以下。晶闸管导通后，门极电压不起作用。晶闸管导通后，门极电压不起作用。门极电压只能控制晶闸管的导通门极电压只能控制晶闸管的导通,不能控制其关断。不能控制其关断

20、。晶闸管称为半控型器件。晶闸管称为半控型器件。26/1091.3.1晶闸晶闸管的结构管的结构和和工作原理工作原理晶闸管晶闸管其它可能导通其它可能导通的的情况情况阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应;阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt 过高过高;结温过高结温过高;光直接照射硅片，即光触发。光直接照射硅片，即光触发。上述情况只有光触发可以保证控制电路与主电路之间上述情况只有光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，其他都因不易的良好绝缘而应用于高压电力设备中，其他都因不易控制而难以应用于实践。控制而难以应用于实践。只有门极触发是

21、最精确、迅速而可靠的控制手段。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。27/1091.3.2晶闸晶闸管的管的基本特性基本特性晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 图图1-13 晶晶闸闸管管的伏安特性的伏安特性28/1091.3.2晶闸晶闸管的管的基本特性基本特性晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性正向特性正向特性正向阻断状态正向阻断状态 IG=0时，依靠增大阳极电时，依靠增大阳极电压而强迫晶闸管导通的方压而强迫晶闸管导通的方式称为式称为“硬开通硬开通”,多次多次“硬开通硬开通”会使晶闸管损坏会使晶闸管损坏正向导通状态正向导通状态晶闸管由正向导通恢复关断，只有逐步减小阳极电流晶闸管由正向导通恢复关断

22、，只有逐步减小阳极电流IA，至维持电流以下。，至维持电流以下。反向特性反向特性阻断状态阻断状态反向击穿（会造成晶闸管永久性损坏）。反向击穿（会造成晶闸管永久性损坏）。图图1-13 晶晶闸闸管管的伏安特性的伏安特性(IG2 IG1 0)29/1091.3.2晶闸晶闸管的管的基本特性基本特性晶闸管的晶闸管的开关开关特性特性开通过程开通过程td：延迟时间：延迟时间0.51.5s管子内部正反馈 的建立需要时间 tr：上升时间上升时间0.53stgt：开通时间：开通时间 tgt=td+tr约为约为6stgt与触发脉冲的大与触发脉冲的大小、陡度、结温以及主回路中的电感量等因素有关。小、陡度、结温以及主回路

23、中的电感量等因素有关。一般要求触发脉冲的宽度稍大于一般要求触发脉冲的宽度稍大于tgt 图图1-14 晶晶闸闸管的开通和关断管的开通和关断过过程程电压电压和和电电流波形流波形30/1091.3.2晶闸晶闸管的管的基本特性基本特性晶闸管的晶闸管的开关开关特性特性关断过程关断过程外电路电感的存在外电路电感的存在trr：反向阻断：反向阻断恢复时间恢复时间tgr：正向阻断：正向阻断恢复时间恢复时间tq：关：关断时间断时间tq=trr+tgr数百数百s 图图1-14 晶晶闸闸管的开通和关断管的开通和关断过过程程电压电压和和电电流波形流波形31/1091.3.3晶闸晶闸管的管的主要参数主要参数额定电压额定电

24、压UVN断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM门极开路及额定结温下门极开路及额定结温下,允许重复施加于晶闸管阳允许重复施加于晶闸管阳极和阴极之间的正向峰值极和阴极之间的正向峰值电压电压反向反向重复峰值电压重复峰值电压URRM门极开路及额定结温下门极开路及额定结温下,允允许重复施加于晶闸管阳极和阴极之间的反向峰值电压许重复施加于晶闸管阳极和阴极之间的反向峰值电压相关标准规定相关标准规定:图图1-13 晶晶闸闸管管的伏安特性的伏安特性(IG2 IG1 0)UVNUDRMURRMUDSMURSM3000V90%UDSM90%URSMUD03000VUDSM-300VURSM-300V32/1091

25、.3.3晶闸晶闸管的管的主要参数主要参数额定电压额定电压UVN额定电压额定电压UVN:取晶闸管的取晶闸管的UDRM和和URRM中较小的一个标值中较小的一个标值,作为该作为该器件的额定电压。器件的额定电压。考虑安全裕量考虑安全裕量UVN=(23)UAKM(1-8)UAKM：晶闸管在电路中可能承受的最大：晶闸管在电路中可能承受的最大正向阳极电压、最大反向阳极电正向阳极电压、最大反向阳极电压中较大的一个压中较大的一个33/1091.3.3晶闸晶闸管的管的主要参数主要参数额定电流额定电流IV(av)晶闸管在环境温度为晶闸管在环境温度为40和规定的冷却状态下和规定的冷却状态下，稳定稳定结温结温不不超过额

26、定结温时所允许流过的最大工频正弦半超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值波电流的平均值。流过晶闸管的流过晶闸管的电流非电流非工频正弦半波电流工频正弦半波电流时，考虑安全时，考虑安全裕量：裕量：IV(av)=(1.52)IT/1.57(1-9)IT:晶闸管晶闸管流过的实际电流有效值流过的实际电流有效值34/1091.3.3晶闸晶闸管的管的主要参数主要参数额定电流额定电流IV(av)【例例2-2】晶闸管流过如图晶闸管流过如图1-15所示波所示波形的电流，试确定晶闸管的额定电流。形的电流，试确定晶闸管的额定电流。35/109 图图1-15 例例 2-2 电电流波形流波形解：流过晶闸管

27、电流的有效值为解：流过晶闸管电流的有效值为按标准电流等级，取额定电流为按标准电流等级，取额定电流为70A。=64.485.9A1.3.3晶闸晶闸管的管的主要参数主要参数维持电流维持电流IH使晶闸管维持导通所必需的最小电流使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般一般数数十十数数百百mA。结温越高结温越高，IH越小。越小。擎住电流擎住电流IL晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持能维持导通所需的最小电流。导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说对同一晶闸管来说，通常通常IL约为约为24IH。浪涌电流浪涌电流ITSM由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的

28、不由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。重复性最大正向过载电流。36/1091.3.3晶闸晶闸管的管的主要参数主要参数通态通态(峰值峰值)电压电压UTM晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压态峰值电压。断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt在额定结温和门极开路的条件下，使晶闸管保持断态在额定结温和门极开路的条件下，使晶闸管保持断态所能承受的最大电压上升率所能承受的最大电压上升率。通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt在规定条件下在规定条件下，用门极触发信号使晶闸管导通时用门极触发信号

29、使晶闸管导通时，晶晶闸管能够承受而不会导致损坏的通态电流最大上升率闸管能够承受而不会导致损坏的通态电流最大上升率37/1091.3.3晶闸晶闸管的管的主要参数主要参数38/1091.3.4晶闸晶闸管的管的派生器件派生器件快速晶闸管快速晶闸管工作频率工作频率关断时间关断时间普通普通晶闸管晶闸管数百数百s常规快速晶闸管常规快速晶闸管400Hz以上以上数十数十s高频晶闸管高频晶闸管10kHz以上以上10s左右左右双向双向晶闸管晶闸管可认为是一对反并联连接可认为是一对反并联连接的普通晶闸管的集成的普通晶闸管的集成图图1-1 6 双向晶双向晶闸闸管的管的电电气气图图形符号和伏安特性形符号和伏安特性 (a

30、)电电气气图图形符号形符号 (b)伏安特性伏安特性39/1091.3.4晶闸晶闸管的管的派生器件派生器件逆导逆导晶闸管晶闸管将晶闸管反并联一个二极将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功管制作在同一管芯上的功率集成器件率集成器件。无。无承受反向承受反向电压的能力。电压的能力。与普通晶闸管相比与普通晶闸管相比，具有具有正向压降小、关断时间短、正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高高温特性好、额定结温高等优点等优点,可用于不需要阻断反向电可用于不需要阻断反向电压的电路中压的电路中图图1-1 7 逆逆导导晶晶闸闸管的管的电电气气图图形符号形符号 和伏安特性和伏安特性 (a)电电气气图图形

31、符号形符号 (b)伏安特性伏安特性40/1091.3.4晶闸晶闸管的管的派生器件派生器件光控光控晶闸管晶闸管又称光触发晶闸管，是利又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。发导通的晶闸管。目前在高压大功率的场合目前在高压大功率的场合(如高压直流输电和高压如高压直流输电和高压核聚变装置核聚变装置)中占据重要的中占据重要的地位地位图图1-1 8 光控晶光控晶闸闸管的管的电电气气图图形符号和伏安特性形符号和伏安特性 (a)电电气气图图形符号形符号 (b)伏安特性伏安特性41/1091.4绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4.1绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管

32、的结构及工作原理的结构及工作原理1.4.2绝缘栅双极型晶体管的静态特性和动绝缘栅双极型晶体管的静态特性和动态特性态特性1.4.3绝缘栅双极型晶体管的主要参数绝缘栅双极型晶体管的主要参数1.4.4绝缘栅双极型晶体管的模块结构绝缘栅双极型晶体管的模块结构1.4.5绝缘栅双极型晶体管设计、使用和保绝缘栅双极型晶体管设计、使用和保管中的注意事项管中的注意事项1.4.6其他全控型电力电子器件其他全控型电力电子器件42/1091.4.1IGBT的结构及工作原理的结构及工作原理IGBT，Insulated-GateBipolarTransistor，绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT是由是由GTR(G

33、iantTransistor，电力晶体管，电力晶体管)和和PowerMOSFET(电力场效应晶体管电力场效应晶体管)取长补短适当结合而成的复取长补短适当结合而成的复合器件合器件GTR20世纪世纪80年代是年代是GTR发展和应用的全盛期，尤其是电压发展和应用的全盛期，尤其是电压等级等级AC200400V、功率等级数、功率等级数kW数百数百kW的各类逆的各类逆变电源、变频调速器、变电源、变频调速器、UPS等主要选用等主要选用GTR。随着。随着IGBT的兴起，目前的兴起，目前GTR作为大功率开关器件的地位已逐步被作为大功率开关器件的地位已逐步被IGBT所取代。所取代。43/1091.4.1IGBT的

34、结构及工作原理的结构及工作原理GTRGTR通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构元结构，采用集成电路工艺将许多单元并联而成。采用集成电路工艺将许多单元并联而成。单管的单管的GTR结构与普通的双极结型晶体管类似。多采用结构与普通的双极结型晶体管类似。多采用NPN结构结构，共发射极接法共发射极接法。图图1-1 9 GTR 的的结结构、构、电电气气图图形符号和内部形符号和内部载载流子的流流子的流动动(a)内部内部结结构断面示意构断面示意图图 (b)电电气气图图形符号形符号 (c)内部内部载载流子的流流子的流动动44/1091.4.1IGBT的结

35、构及工作原理的结构及工作原理GTRGTR的的二次击穿现象二次击穿现象GTR的的C-E极间最高电压极间最高电压UCEO又称为一次击穿电压又称为一次击穿电压发生一次击穿时集电极电流迅速增加，这种击穿一发生一次击穿时集电极电流迅速增加，这种击穿一般是雪崩击穿。如果有外接电阻限制电流的增长，般是雪崩击穿。如果有外接电阻限制电流的增长，一般不会引起一般不会引起GTR特性变坏。特性变坏。发生一次击穿后，若集电极电发生一次击穿后，若集电极电流没有得到外接电阻的限制而流没有得到外接电阻的限制而继续增加，在电流增大到某个继续增加，在电流增大到某个临界点时，集电极电压突然降临界点时，集电极电压突然降低，产生工作点

36、向低阻抗区高低，产生工作点向低阻抗区高速移动的负阻现象。这种现象速移动的负阻现象。这种现象称为称为GTR的二次击穿。的二次击穿。图图1 2 0 GTR 的二次的二次击击穿特性穿特性45/1091.4.1IGBT的结构及工作原理的结构及工作原理GTRGTR的的安全工作区安全工作区最高最高C-E极电压极电压UCEM、最大集电极电流最大集电极电流ICM、最大集电极耗散功率最大集电极耗散功率PCM、二次击穿临界线二次击穿临界线，规定了规定了GTR的安的安全工作区全工作区(SafeOperatingArea，SOA)图图1 2 1 GTR 的安全工作区的安全工作区46/1091.4.1IGBT的结构及工

37、作原理的结构及工作原理PowerMOSFETPowerMOSFET的结构和特点的结构和特点PowerMOSFET中，主要是中，主要是N沟道增强型。沟道增强型。其结构大都采用垂直导电结构，以提高器件的耐压其结构大都采用垂直导电结构，以提高器件的耐压和耐电流能力。和耐电流能力。为多元集成结构，一个器件由许多个小为多元集成结构，一个器件由许多个小MOSFET元元组成。组成。图图1 2 2 电电力力 MOSFET 的的结结构和构和电电气气图图形符号形符号 (a)内部内部结结构断面示意构断面示意图图 (b)电电气气图图形符号形符号47/1091.4.1IGBT的结构及工作原理的结构及工作原理PowerM

38、OSFETPowerMOSFET的结构和特点的结构和特点导导通通时时只只有有多多子子参参与与导导电电，属属单单极极型型晶晶体体管管。无无少少数数载载流流子子导导电电所所需需的的存存储储时时间间，因因此此具具有有较较高高的的开开关速度，工作频率可达关速度，工作频率可达100kHz以上以上(是目前电力电是目前电力电子器件中开关速度最高的子器件中开关速度最高的)。一般不存在二次击穿问题一般不存在二次击穿问题48/1091.4.1IGBT的结构及工作原理的结构及工作原理PowerMOSFET转移特性和输出转移特性和输出特性特性转移特性：漏极直流电流转移特性：漏极直流电流ID和栅源间电压和栅源间电压UG

39、S的关系。的关系。它反映了输入电压和输出电流的关系它反映了输入电压和输出电流的关系输出特性：漏极伏安特性输出特性：漏极伏安特性图图1 2 3 电电力力 MOSFET 转转移特性和移特性和输输出特性出特性(a)转转移特性移特性 (b)输输出特性出特性49/1091.4.1IGBT的结构及工作原理的结构及工作原理PowerMOSFET开关开关特性特性电力电力MOSFET内寄生着两种类型的电容内寄生着两种类型的电容:与与MOS结构有关的结构有关的MOS电容，如电容，如CGS、CGD;与与PN结有关的电容，如结有关的电容，如CDS。极间电容的充放电影响极间电容的充放电影响了了PowerMOSFET的的

40、开通、关断开通、关断图图1 2 4 电电力力 MOSFET 的的极极间电间电容等效容等效电电路路图图1 2 5 电电力力 MOSFET 开关开关过过程的程的电压电压波形波形50/1091.4.1IGBT的结构及工作原理的结构及工作原理IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理GTR：双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较慢，流能力很强，但开关速度较慢，所需驱动功率大，驱动电路复杂。所需驱动功率大，驱动电路复杂。PowerMOSFET：单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗

41、高，热稳定性好，稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单。所需驱动功率小且驱动电路简单。IGBT：PowerMOSFET和和GTR相互取长补短适当结合而成的相互取长补短适当结合而成的复合型器件复合型器件。51/1091.4.1IGBT的结构及工作原理的结构及工作原理IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理图图1 2 6 IGBT的基本的基本结结构、构、简简化等效化等效电电路和路和电电气气图图形符号形符号 （a）基本）基本结结构构 （b）简简化等效化等效电电路路 （c）电电气气图图形符号形符号集电集电极极发射发射极极门门(栅栅)极极IGBT比比PowerMOSFET多一层多一层P+注入区，形成大面

42、积注入区，形成大面积PN结结J1，使使IGBT导导通通时时由由于于J1结结的的电电导导调调制制作作用用，具具有很强的通流能力。有很强的通流能力。52/1091.4.1IGBT的结构及工作原理的结构及工作原理IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理IGBT的驱动原理与的驱动原理与PowerMOSFET基本相同，是一种场基本相同，是一种场控器件，其开通和关断由门射极电压控器件，其开通和关断由门射极电压UGE决定决定UGEUT(开启电压开启电压)时，时，PowerMOSFET内部形成沟内部形成沟道，并为晶体管提供基极电流，使道，并为晶体管提供基极电流，使IGBT导通。导通。由于由于PN结结J1的电导

43、调制效应，使的电导调制效应，使IGBT的的通态压降比通态压降比PowerMOSFET更小更小UGE为负或不加信号时，为负或不加信号时，PowerMOSFET内的沟道消失，内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。关断。UGE为负时，为负时，J1结处于反向偏置，类似于反偏二极管，结处于反向偏置，类似于反偏二极管，器件呈反向阻断状态。说明器件呈反向阻断状态。说明IGBT具有反向阻断能力。具有反向阻断能力。53/1091.4.2IGBT的静态特性和动态特性的静态特性和动态特性IGBT的的静态特性静态特性转移特性：描述转移特性：描述IC与与UGE间的关系，间的

44、关系，与与PowerMOSFET的转移特性类似。的转移特性类似。输出特性输出特性(也称伏安特性也称伏安特性)：描述以：描述以UGE为参考变量时，为参考变量时，IC与与UCE间的关系。间的关系。与与GTR的输出特性相似。的输出特性相似。图图1 2 7 IGBT的的转转移特性和移特性和输输出特性出特性 （a）转转移特性移特性 （b）输输出特性出特性54/1091.4.2IGBT的静态特性和动态特性的静态特性和动态特性IGBT的的静态特性静态特性开启电压开启电压UGE(th)：IGBT能实现电导调制而导通的最低能实现电导调制而导通的最低UGE。UGE(th)随温度升高而略有下降，温度每升高随温度升高

45、而略有下降，温度每升高1 C，其值，其值下降下降5mV左右。左右。+25 C时，时，UGE(th)一般为一般为26V。IGBT输出特性也分为三个区域：正向阻断区、有源区、输出特性也分为三个区域：正向阻断区、有源区、饱和区饱和区，uCE0时，时，IGBT为反向阻断工作状态。为反向阻断工作状态。图图1 2 7 IGBT的的转转移特性和移特性和输输出特性出特性 （a）转转移特性移特性 （b）输输出特性出特性电力电子电电力电子电路中，路中，IGBT工作在开关工作在开关状态，在正状态，在正向阻断区和向阻断区和饱和区之间饱和区之间来回转换来回转换。55/1091.4.2IGBT的静态特性和动态特性的静态特

46、性和动态特性IGBT的动的动态特性态特性IGBT开通运行时，其电流、开通运行时，其电流、电压波形与电压波形与PowerMOSFET开通时波形相似。开通时波形相似。IGBT关断运行时，关断运行时，关断延迟时间关断延迟时间td(off)由由IGBT中中MOSFET决定决定，tfi1由由该该MOSFET的关断过的关断过程决定，较快；程决定，较快；tfi2由器件内的由器件内的PNP型晶体型晶体管中存储电荷决定，较长管中存储电荷决定，较长。图图1 2 8 IGBT的的开关开关过过程程56/1091.4.2IGBT的静态特性和动态特性的静态特性和动态特性IGBT的动的动态特性态特性IGBT中双极型中双极型

47、PNP晶体管晶体管带来了电导调制效应的好处，带来了电导调制效应的好处，引入了少子储存现象，引入了少子储存现象，使使IGBT的开关速度的开关速度ICM，产生静态擎住效应产生静态擎住效应。IGBT关断时，关断时，由于由于tfi1阶段阶段总电流下降很快而产生总电流下降很快而产生动态擎住效应。动态擎住效应。温度温度过过高高。避免发生擎住效应避免发生擎住效应的措施的措施限制限制 IC不超过不超过ICM。加大门极电阻加大门极电阻RG延长延长IGBT的关断时间的关断时间。IGBT的的安全工作区安全工作区：最大集电极电流、最大集射极间最大集电极电流、最大集射极间电压电压、最大集电极功耗确定最大集电极功耗确定了

48、了IGBT在导通工作状态的在导通工作状态的参数极限范围，即正向偏置安全工作区参数极限范围，即正向偏置安全工作区(ForwardBiasedSafeOperatingArea，FBSOA)。63/1091.4.4IGBT的的模块结构模块结构图图1 3 部分部分IGBT模模块块内部内部结结构构图图（a）（）（e）为为一一单单元元封装模封装模块块（f）（）（g）为为两两单单元封元封装模装模块块（h）四）四单单元封装模元封装模块块（i）六）六单单元封装模元封装模块块（j）带单带单相整流相整流桥桥的六的六单单元封装模元封装模块块（k）同）同时带时带有温度有温度传传感器、直流感器、直流侧电侧电流流传传感感

49、器及独立三相整流器及独立三相整流桥桥的的六六单单元封装模元封装模块块64/109部分部分IGBT模模块块内部内部结结构构图图1.4.5IGBT设计、使用和保管中的注意事项设计、使用和保管中的注意事项IGBT门极电路设计中的注意事项门极电路设计中的注意事项正向驱动电压正向驱动电压UGE，一般应在一般应在1218V之间，应用中推荐之间，应用中推荐 UGE15V，允许波动率小于，允许波动率小于10%。负驱动电压负驱动电压-UGE，应不小于应不小于5V，以以有效避免管子的误导有效避免管子的误导通。通。门极电阻门极电阻RG管子导通时，管子导通时，RG可减小集电极电流上升率可减小集电极电流上升率dic/d

50、t，防止，防止门极电流振荡；门极电流振荡；管子关断时，管子关断时，RG可减小集电极电压上升率可减小集电极电压上升率du/dt，避免，避免动态擎住效应的发生。动态擎住效应的发生。RG会增大会增大IGBT的开通、关断时间，增加的开通、关断时间，增加IGBT开关损开关损耗。应根据耗。应根据IGBT的电压、电流定额，选择合适的的电压、电流定额，选择合适的RG。65/1091.4.5IGBT设计、使用和保管中的注意事项设计、使用和保管中的注意事项IGBT门极电路设计中的注意事项门极电路设计中的注意事项门极电阻门极电阻RG表表1-4门极电阻门极电阻RG的推荐值的推荐值图图1 3 3 IGBT的的门门极极稳