电力电子器件大全及BBIN使用方法详解

　　主要内容：各种二极管、半控型器件-晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、 主要静态、动态参数，器件的选取原则，典型全控型器件：GTO、电力 MOSFET、 IGBT，功率集成电路和智能功率模块，电力电子器件的串并联、电力电子器 件的保护，电力电子器件的驱动电路。

　　重点：晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，器件 的选取原则，典型全控型器件。

　　难点：晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数。 基本要求：掌握半控型器件-晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静 态、动态参数，熟练掌握器件的选取原则，掌握典型全控型器件，了解电力电 子器件的串并联，了解电力电子器件的保护。

　　主电路（main power circuit）--电气设备或电力系统中，直接承担电能 的变换或控制任务的电路；

　　电力电子器件（power electronic device）--可直接用于处理电能的主 电路中，实现电能的变换或控制的电子器件；

　　广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。 两类中，自 20 世纪 50 年代以来，真空管仅在频率很高（如微波）的大功 率高频电源中还在使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、闸流管（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。因此，电 力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。 电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。 同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征： a. 能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数；

　　其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多都远大于处理信息的 电子器件。

　　b. 电力电子器件一般都工作在开关状态； 导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电 路决定； 阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压 由外电路决定； 电力电子器件的动态特性（也就是开关特性）和参数，也是电力电子器件 特性很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。 作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替 c. 实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放 大，这就是电力电子器件的驱动电路。 d. 为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器 件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。 导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗 阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态损耗 在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是器件功率损耗的主 要成因 器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主 要因素

　　(2) 应用电力电子器件的系统组成 电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路

　　组成。 控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中

　　电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能。 有的电力电子系统中，还需要有检测电路。广义上往往其和驱动电路等主

　　电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控 制电路组成的。

　　主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的 电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的 连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路的连接处， 一般需要进行电气隔离，而通过其它手段如光、磁等来传递信号。

　　由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件一般比主电路中 普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主 电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系 统正常可靠运行，也往往是非常必要的。

　　器件一般有三个端子（或称极），其中两个联结在主电路中，而第三端被 称为控制端（或控制极）。器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间 加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般 是主电路电流流出器件的端子。 (3) 电力电子器件的分类

　　按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类： a. 半控型器件--通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断

　　晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定 b. 全控型器件--通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关 断器件 是绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor--IGBT） 电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称为电力 MOSFET） 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor--GTO） c. 不可控器件--不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路 电力二极管（Power Diode） 只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定 的 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类： 电流驱动型--通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的 控制 电压驱动型--仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可 实现导通或者关断的控制 电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路 端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为 场控器件，或场效应器件 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类： 单极型器件--由一种载流子参与导电的器件 双极型器件--由电子和空穴两种载流子参与导电的器件 复合型器件--由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件

　　2 不可控器件--电力二极管 Power Diode 结构和原理简单，工作可靠，自 20 世纪 50 年代初期就获得

　　高频整流的场合，具有不可替代的地位 （1） PN 结与电力二极管的工作原理 基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样 以半导体 PN 结为基础 由一个面积较大的 PN 结和两端引线以及封装组成的 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装

　　图 1-1 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号

　　PN 结的反向截止状态，PN 结的单向导电性； PN 结的反向击穿： 有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。 PN 结的电容效应：

　　PN 结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容 CJ，又称 为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容 CB 和扩散电容 CD

　　势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作 用越明显。势垒电容的大小与 PN 结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比

　　而扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时， 势垒电容为主正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分

　　结电容影响 PN 结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单 向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。

　　造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素： 正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注 入水平较高，电导调制效应不能忽略 引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响 承受的电流变化率 di/dt 较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有 较大影响 为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大

　　（2） 电力二极管的基本特性 a 静态特性 主要指其伏安特性 当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压 UTO），正向电流才

　　开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流 IF 对应的电力二极管两端的电

　　压 UF 即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微 小而数值恒定的反向漏电流。

　　b 动态特性 动态特性--因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程， 此过程中的电压-电流特性是随时间变化的 开关特性--反映通态和断态之间的转换过程 关断过程： 须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态 在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲

　　a. 正向平均电流 IF(AV) 额定电流 --在指定的管壳温度（简称壳温，用 TC 表示）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 正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值 相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。 当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略 当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也 不小 b. 正向压降 UF 指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正 向压降 有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最 大瞬时正向压降 c. 反向重复峰值电压 URRM 指对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 UB 的 2/3 使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两 倍来选定 d. 最高工作结温 TJM 结温是指管芯 PN 结的平均温度，用 TJ 表示 最高工作结温是指在 PN 结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度 TJM 通常在 125~175ºC 范围之内

　　e. 反向恢复时间 trr trr= td tf ，关断过程中，电流降到 0 起到恢复反响阻断能力止的时间 f. 浪涌电流 IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。

　　(4) 电力二极管的主要类型 按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的 不同介绍 在应用时，应根据不同场合的不同要求，选择不同类型的电力二极管 性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的

　　a. 普通二极管（General Purpose Diode） 又称整流二极管（Rectifier Diode） 多用于开关频率不高（1kHz 以下）的整流电路中 其反向恢复时间较长，一般在 5s 以上，这在开关频率不高时并不重要 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏 以上 b. 快恢复二极管（Fast Recovery Diode--FRD） 恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5s 以下）的二极管，也简称快 速二极管 工艺上多采用了掺金措施 有的采用 PN 结型结构 有的采用改进的 PiN 结构

　　从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为 数百纳秒或更长，后者则在 100ns 以下，甚至达到 20~30ns。

　　图 1-3 快速整流二极管的正向恢复特性 a） 管压降随时间变化的曲线 b) 二极管开通电流波形

　　c. 肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管 （Schottky Barrier Diode--SBD），简称为肖特基二极管 20 世纪 80 年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用

　　肖特基二极管的优点： 反向恢复时间很短（10~40ns）； 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲； 在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；

　　其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。 肖特基二极管的弱点： 当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于 200V 以下； 反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须 更严格地限制其工作温度。 3 半控型器件--晶闸管 基本要求：掌握半控型器件-晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要 静态、动态参数，熟练掌握器件的选取原则。 重点：晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，器件 的选取原则。 难点：晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数。

　　1956 年美国贝尔实验室（Bell Laboratories）发明了晶闸管 1957 年美国通用电气公司（General Electric Company）开发出第一只晶 闸管产品 1958 年商业化 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代 20 世纪 80 年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地 位

　　晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型--普通晶闸管 广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件 (1) 晶闸管的结构与工作原理

　　图 1-4 晶闸管的外形、内部结构、电气图形符号和模块外形 a) 晶闸管外形 b) 内部结构 c) 电气图形符号 d) 模块外形

　　阻断状态：IG=0，α1α2 很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏 电流之和

　　开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致 α1α2

　　趋近于 1 的话，流过晶闸管的电流 IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和 导通。IA 实际由外电路决定。

　　（2 ）晶闸管的基本特性 a. 静态特性： 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通； 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通； 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用； 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。 晶闸管的伏安特性： 第 I 象限的是正向特性； 第 III 象限的是反向特性； IG=0 时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电 流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压 Ubo，则漏电流急剧增大，器 件开通； 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低； 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿； 晶闸管本身的压降很小，在 1V 左右； 导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值 IH 以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH 称为维持电流。 晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。

　　晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出， 阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端，。 门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而 产生的。 晶闸管的门极和阴极之间是 PN 结 J3，其伏安特性称为门极伏安特性。 为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在 可靠触发区。 b. 动态特性

　　1) 开通过程 延迟时间 td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的 10%的 时间； 上升时间 tr：阳极电流从 10%上升到稳态值的 90%所需的时间；

　　开通时间 tgt：以上两者之和，tgt= td tr （1-6） 普通晶闸管延迟时间为 0.5-1.5μs，上升时间为 0.5-3μs。 2) 关断过程 反向阻断恢复时间 trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的 时间； 正向阻断恢复时间 tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段 时间； 在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新 正向导通； 实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢 复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。 关断时间 tq：trr 与 tgr 之和，即 tq=trrtgr （1-7） 普通晶闸管的关断时间约几百微秒。

　　(3) 晶闸管的主要参数 a. 电压定额 1) 断态重复峰值电压 UDRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。 2) 反向重复峰值电压 URRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。 3) 通态（峰值）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态峰值电压。

　　通常取晶闸管的 UDRM 和 URRM 中较小的标值作为该器件的额定电压。选 用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受

　　1) 通态平均电流 IT(AV) （额定电流） 晶闸管在环境温度为 40(C 和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结

　　正弦半波电流平均值 IT (AV)、电流有效值 IT 和电流最大值 Im 三者的关系为：

　　各种有直流分量的电流波形，其电流波形的有效值 I 与平均值 Id 之比，称 为这个电流的波形系数，用 K f 表示。因此，在正弦半波情况下电流波形系数 为：

　　2) 维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流 一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则 IH 越小 3) 擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流 对同一晶闸管来说，通常 IL 约为 IH 的 2~4 倍 4) 浪涌电流 ITSM 指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 c. 动态参数 除开通时间 tgt 和关断时间 tq 外，还有： a.） 断态电压临界上升率 du/dt

　　的 J2 结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流流经 J3 结时，起到类似

　　管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及 du/dt 和 di/dt 耐量都有

　　图 1-9 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a）电气图形符号 b) 伏安特性

　　电路、固态继电器（Solid State Relay--SSR）和交流电机调速等领域应用较多

　　逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极 管的电流

　　图 1-10 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a） 电气图形符号 b) 伏安特性

　　图 1-11 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a） 电气图形符号 b) 伏安特性

　　d. 光控晶闸管（Light Triggered Thyristor--LTT） 又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管 小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子 大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极 管或半导体激光器 光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响， 因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重 要的地位。

　　门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。 20 世纪 80 年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础 上相结合——高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而 将电力电子技术又带入了一个崭新时代 典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘 栅双极晶体管 (1) 门极可关断晶闸管 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor——GTO） 晶闸管的一种派生器件 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断

　　GTO 的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的 大功率场合仍有较多的应用

　　（2） 电力晶体管 电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为巨型晶体管） 耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor——BJT）， 英文有时候也称为 Power BJT，在电力电子技术的范围内，GTR 与 BJT 这两 个名称等效。 应用： 20 世纪 80 年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被 IGBT 和电力 MOSFET 取代； a. GTR 的结构和工作原理 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好 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 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 一般采用共发射极接法，集电极电流 ic 与基极电流 ib 之比为

　　当考虑到集电极和发射极间的漏电流 Iceo 时，ic 和 ib 的关系为

　　单管 GTR 的值比小功率的晶体管小得多，通常为 10 左右，采用达林顿接

　　(2) 动态特性 开通过程 延迟时间 td 和上升时间 tr，二者之和为开通时间 ton td 主要是由发射结势垒电容和集电结 势垒电容充电产生的。增大 ib 的幅值并增 大 dib/dt，可缩短延迟时间，同时可缩短上 升时间，从而加快开通过程 关断过程 储存时间 ts 和下降时间 tf，二者之和为 关断时间 toff ts 是用来除去饱和导通时储存在基区 的载流子的，是关断时间的主要部分 减小导通时的饱和深度以减小储存的 载流子，或者增大基极抽取负电流 Ib2 的幅 值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关 图 1.13 GTR 的开通和关断过程电流波形 断速度 负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降 Uces 增加，从而增大 通态损耗 GTR 的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和 GTO 都短很多 c. GTR 的主要参数 前已述及：电流放大倍数(、直流电流增益 hFE、集射极间漏电流 Iceo、 集射极间饱和压降 Uces、开通时间 ton 和关断时间 toff 此外还有： 1) 最高工作电压 GTR 上电压超过规定值时会发生击穿 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关

　　BUcbo BUcex BUces BUcer BUceo 实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比 BUceo 低得多 2) 集电极最大允许电流 IcM 通常规定为 hFE 下降到规定值的 1/2~1/3 时所对应的 Ic 实际使用时要留有裕量，只能用到 IcM 的一半或稍多一点 3) 集电极最大耗散功率 PcM 最高工作温度下允许的耗散功率 产品说明书中给 PcM 时同时给出壳温 TC，间接表示了最高工作温度 d. GTR 的二次击穿现象与安全工作区

　　一次击穿： 集电极电压升高至击穿电压时，Ic 迅速增大，出现雪崩击穿； 只要 Ic 不超过限度，GTR 一般不会损坏，工作特性也不变。 二次击穿： 一次击穿发生时 Ic 增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的 陡然下降， 常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。 安全工作区（Safe Operating Area——SOA） 最高电压 UceM、集电极最大电流 IcM、最大耗散功率 PcM、二次击穿临 界线 GTR 的安全工作区

　　(3) 电力场效应晶体管 也分为结型和绝缘栅型（类似小功率 Field Effect Transistor——FET） 但通常主要指绝缘栅型中的 MOS 型（Metal Oxide Semiconductor FET） 简称电力 MOSFET（Power MOSFET） 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT） 特点——用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小 开关速度快，工作频率高 热稳定性优于 GTR 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过 10kW 的电力电子装置 a. 电力 MOSFET 的结构和工作原理 电力 MOSFET 的种类 按导电沟道可分为 P 沟道和 N 沟道 耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道

　　增强型——对于 N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导 电沟道

　　电力 MOSFET 主要是 N 沟道增强型 电力 MOSFET 的结构 导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管 导电机理与小功率 MOS 管相同，但结构上有较大区别 小功率 MOS 管是横向导电器件 电力 MOSFET 大都采用垂直导电结构，又称为 VMOSFET（Vertical MOSFET）——大大提高了 MOSFET 器件的耐压和耐电流能力 按垂直导电结构的差异，又分为利用 V 型槽实现垂直导电的 VVMOSFET 和具有垂直导电双扩散 MOS 结构的 VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET） 这里主要以 VDMOS 器件为例进行讨论 电力 MOSFET 的多元集成结构 国际整流器公司（International Rectifier）的 HEXFET 采用了六边形单元 西门子公司（Siemens）的 SIPMOSFET 采用了正方形单元 摩托罗拉公司（Motorola） 的 TMOS 采用了矩形单元按“品” 字形排列 电力 MOSFET 的工作原理

　　图 1-15 电力 MOSFET 的结构和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号

　　P 区中的空穴推开，而将 P 区中的少子——电子吸引到栅极下面的 P 区表面

　　当 UGS 大于 UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下 P 区表面的电子浓

　　度将超过空穴浓度，使 P 型半导体反型成 N 型而成为反型层，该反型层形成

　　图 1-16 电力 MOSFET 的转移特性和输出特性 a）转移特性 b) 输出特性

　　UGS 达到 UGSP 后，在 up 作用下继续升高直至达到稳态，但 iD 已不变

　　开通时间 ton——开通延迟时间与上升时间之和 开通过程 关断延迟时间 td(off) ——up 下降到零起，Cin 通过 Rs 和 RG 放电，uGS 按指数曲线下降到 UGSP 时，iD 开始减小止的时间段 下降时间 tf—— uGS 从 UGSP 继续下降起，iD 减小，到 uGSUT 时沟 道消失，iD 下降到零为止的时间段 关断时间 toff——关断延迟时间和下降时间之和 MOSFET 的开关速度 MOSFET 的开关速度和 Cin 充放电有很大关系 使用者无法降低 Cin，但可降低驱动电路内阻 Rs 减小时间常数，加快开 关速度 MOSFET 只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速 开关时间在 10~100ns 之间，工作频率可达 100kHz 以上，是主要电力电 子器件中最高的 场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充 放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。 c. 电力 MOSFET 的主要参数 跨导 Gfs、开启电压 UT 以及 td(on)、tr、td(off)和 tf 之外，还有 1) 漏极电压 UDS 电力 MOSFET 电压定额 2) 漏极直流电流 ID 和漏极脉冲电流幅值 IDM 电力 MOSFET 电流定额 3) 栅源电压 UGS 栅源之间的绝缘层很薄，?UGS?20V 将导致绝缘层击 穿 4) 极间电容 极间电容 CGS、CGD 和 CDS 厂家提供：漏源极短路时的输入电容 Ciss、共源极输出电容 Coss 和反向 转移电容 Crss Ciss= CGS CGD （1-14） Crss= CGD （1-15） Coss= CDS CGD （1-16） 输入电容可近似用 Ciss 代替 这些电容都是非线性的 漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力 MOSFET 的安全工作区 一般来说，电力 MOSFET 不存在二次击穿问题，这是它的一大优点 实际使用中仍应注意留适当的裕量

　　(4) 绝缘栅双极晶体管 GTR 和 GTO 的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能 力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂 MOSFET 的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热 稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单 两类器件取长补短结合而成的复合器件——Bi-MOS 器件 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor——IGBT 或 IGT） GTR 和 MOSFET 复合，结合二者的优点，具有良好的特性 1986 年投入市场后，取代了 GTR 和一部分 MOSFET 的市场，中小功率 电力电子设备的主导器件 继续提高电压和电流容量，以期再取代 GTO 的地位 a. IGBT 的结构和工作原理 三端器件：栅极 G、集电极 C 和发射极 E

　　图 1-18 IGBT 的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符

　　导通压降：电导调制效应使电阻 RN 减小，使通态压降小 关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET 内的沟道消失，晶体 管的基极电流被切断，IGBT 关断 b. IGBT 的基本特性 1) IGBT 的静态特性

　　图 1-19 IGBT 的转移特性和输出特性 a）转移特性 b) 输出特性

　　转移特性——IC 与 UGE 间的关系，与 MOSFET 转移特性类似 开启电压 UGE(th)——IGBT 能实现电导调制而导通的最低栅射电压 UGE(th)随温度升高而略有下降，在25(C 时，UGE(th)的值一般为 2~6V 输出特性（伏安特性）——以 UGE 为参考变量时，IC 与 UCE 间的关系 分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与 GTR 的截止区、 放大区和饱和区相对应

　　下降过程；tfv2——MOSFET 和 PNP 晶体管同时工作的电压下降过程 IGBT 的关断过程 关断延迟时间 td(off) ——从 uGE 后沿下降到其幅值 90%的时刻起，到 iC

　　的关断过程，iC 下降较快；tfi2——IGBT 内部的 PNP 晶体管的关断过程，iC 下降较慢

　　IGBT 中双极型 PNP 晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处， 但也引入了少子储存现象，因而 IGBT 的开关速度低于电力 MOSFET

　　IGBT 的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数 c. IGBT 的主要参数 1) 最大集射极间电压 UCES 由内部 PNP 晶体管的击穿电压确定 2) 最大集电极电流 包括额定直流电流 IC 和 1ms 脉宽最大电流 ICP 3) 最大集电极功耗 PCM 正常工作温度下允许的最大功耗 IGBT 的特性和参数特点 (1) 开关速度高，开关损耗小。在电压 1000V 以上时，开关损耗只有 GTR 的 1/10，与电力 MOSFET 相当 (2) 相同电压和电流定额时，安全工作区比 GTR 大，且具有耐脉冲电流 冲击能力 (3) 通态压降比 VDMOSFET 低，特别是在电流较大的区域 (4) 输入阻抗高，输入特性与 MOSFET 类似 (5) 与 MOSFET 和 GTR 相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时 保持开关频率高的特点 d. IGBT 的擎住效应和安全工作区

　　流会在该电阻上产生压降，相当于对 J3 结施加正偏压，一旦 J3 开通，栅极就

　　擎住效应曾限制 IGBT 电流容量提高，20 世纪 90 年代中后期开始逐渐解

　　(1) MOS 控制晶闸管 MCT ⊕MCT（MOS Controlled Thyristor）——MOSFET 与晶闸管的复合 ⊕MCT 结合了二者的优点： MOSFET 的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程 晶闸管的高电压大电流、低导通压降 一个 MCT 器件由数以万计的 MCT 元组成，每个元的组成为：一个 PNPN 晶闸管，一个控制该晶闸管开通的 MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的

　　MOSFET MCT 曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。因此，20 世纪

　　80 年代以来一度成为研究的热点。但经过十多年的努力，其关键技术问题没 有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用

　　SIT（Static Induction Transistor）——1970 年，结型场效应晶体管 小功率 SIT 器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制成大功率的 SIT 器件 多子导电的器件，工作频率与电力 MOSFET 相当，甚至更高，功率容量 更大，因而适用于高频大功率场合 在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域 获得应用 缺点： 栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太 方便 通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广 泛应用 (3) 静电感应晶闸管 SITH SITH（Static Induction Thyristor）——1972 年，在 SIT 的漏极层上附加一层与漏极层导电类型不 同的发射极层而得到，因其工作原理与 SIT 类似，门极和阳极电压均能通过电 场控制阳极电流，因此 SITH 又被称为场控晶闸管（Field Controlled Thyristor——FCT） 比 SIT 多了一个具有少子注入功能的 PN 结， SITH 是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、 通流能力强。其很多特性与 GTO 类似，但开关速度比 GTO 高得多，是大容量 的快速器件 ⊕ SITH 一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，其制造工艺比 GTO 复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展 (4) 集成门极换流晶闸管 IGCT IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor），也称 GCT（Gate-Commutated Thyristor），20 世纪 90 年代后期出现，结合了 IGBT 与 GTO 的优点，容 量与 GTO 相当，开关速度快 10 倍，且可省去 GTO 庞大而复杂的缓冲电路， 只不过所需的驱动功率仍很大 目前正在与 IGBT 等新型器件激烈竞争，试图最终取代 GTO 在大功率场 合的位置 (5) 功率模块与功率集成电路 20 世纪 80 年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中， 称为功率模块 可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性

　　对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路 的要求

　　将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在 同一芯片上，称为功率集成电路（Power Integrated Circuit——PIC）

　　类似功率集成电路的还有许多名称，但实际上各有侧重 高压集成电路（High Voltage IC——HVIC）一般指横向高压器件与逻辑或 模拟控制电路的单片集成 智能功率集成电路（Smart Power IC——SPIC）一般指纵向功率器件与逻 辑或模拟控制电路的单片集成 智能功率模块（Intelligent Power Module——IPM）则专指 IGBT 及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片 集成，也称智能 IGBT（Intelligent IGBT） 功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散 热的处理 以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合 智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点，最近几年获得了迅速发 展 功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口

　　6 电力电子器件器件的驱动 (1) 电力电子器件驱动电路概述 驱动电路——主电路与控制电路之间的接口 使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，

　　对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义 对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电

　　路实现 驱动电路的基本任务：将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转

　　换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号 对半控型器件只需提供开通控制信号 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号 驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔

　　离或磁隔离 光隔离一般采用光耦合器 磁隔离的元件通常是脉冲变压器 电流驱动型和电压驱动型

　　GTR 开通驱动电流应使 GTR 处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱

　　关断 GTR 时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗， 关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V 左右）的负偏压

　　图 1-25 理想的 GTR 基极驱动电流波形 二极管 VD2 和电位补偿二极管 VD3 构成贝克箝位电路，也即一种抗饱和 电路，负载较轻时，如 V5 发射极电流全注入 V，会使 V 过饱和。有了贝克箝

　　位电路，当 V 过饱和使得集电极电位低于基极电位时，VD2 会自动导通，使 多余的驱动电流流入集电极，维持 Ubc≈0。

　　C2 为加速开通过程的电容。开通时，R5 被 C2 短路。可实现驱动电流的 过冲，并增加前沿的陡度，加快开通

　　图 1-26 GTR 的一种驱动电路 驱动 GTR 的集成驱动电路：THOMSON 公司的 UAA4002 和三菱公司的 M57215BL b. 电压驱动型器件的驱动电路 栅源间、栅射间有数千皮法的电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路 输出电阻小 使 MOSFET 开通的驱动电压一般 10~15V，使 IGBT 开通的驱动电压一般 15 ~ 20V 关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取 -5 ~ -15V）有利于减小关断 时间和关断损耗 在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值 应随被驱动器件电流额定值的增大而减小 电力 MOSFET 的一种驱动电路：电气隔离和晶体管放大电路两部分 无输入信号时高速放大器 A 输出负电平，V3 导通输出负驱动电压 当有输入信号时 A 输出正电平，V2 导通输出正驱动电压

　　图 1-27 电力 MOSFET 的一种驱动电路 专为驱动电力 MOSFET 而设计的混合集成电路有三菱公司的 M57918L， 其输入信号电流幅值为 16mA，输出最大脉冲电流为2A 和-3A，输出驱动电 压15V 和-10V。 IGBT 的驱动 多采用专用的混合集成驱动器 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 EXB840、EXB841、EXB850 和 EXB851） 内部具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断 IGBT，并向外部电路给出故障信号 M57962L 输出的正驱动电压均为15V 左右，负驱动电压为 -10V。

　　图 1-28 M57962L 型 IGBT 驱动器的原理和接线 电力电子器件器件的保护 重点：了解电力电子器件的保护

　　A 一避雷器；B 一接地电容，C 一阻容保护；D 一整流式阻容保护； 43 E 一压敏电阻保护；F 一器件侧阻容保护

　　快速熔断器 电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施 选择快熔时应考虑： a. 电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定 b. 电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定 c. 快熔的 I 2t 值应小于被保护器件的允许 I 2t 值 d. 为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间-电流特性 快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种 全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较 大的场合

　　其他分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓 图 1-32 GTR 开通时的电流、电压波形

　　通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做 di/dt 抑制电路

　　V 开通时：Cs 通过 Rs 向 V 放电，使 iC 先上一个台阶，以后因有 Li，iC

　　V 关断时：负载电流通过 VDs 向 Cs 分流，减轻了 V 的负担，抑制了 du/dt

　　关断时的负载曲线 无缓冲电路时：uCE 迅速升，L 感应电压使 VD 通，负载线从 A 移到 B， 之后 iC 才下降到漏电流的大小，负载线

　　有缓冲电路时：Cs 分流使 iC 在 uCE 开始上升时就下降，负载线经过 D 到达 C

　　负载线 ADC 安全，且经过的都是小电流或小电压区域，关断损耗大大降 低

　　图 1-33 关断时的负载线 缓冲电路中的元件选取及其他注意事项 Cs 和 Rs 的取值可实验确定或参考工程手册 VDs 必须选用快恢复二极管，额定电流不小于主电路器件的 1/10 尽量减小线路电感，且选用内部电感小的吸收电容 中小容量场合，若线路电感较小，可只在直流侧设一个 du/dt 抑制电路 对 IGBT 甚至可以仅并联一个吸收电容 晶闸管在实用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压，关断时也没有 较大的 du/dt，一般采用 RC 吸收电路即可 在 1/2 或 1/3 额定电流以下的区段，通态压降具有负的温度系数 在以上的区段则具有正温度系数 并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联

　　8 电力电子器件器件的串联和并联使用 重点：了解电力电子器件的串并联 当单个器件的电压或电流定额不能满足要求时，需将器件串联或并联或

　　者将装置串联或并联 (1) 晶闸管的串联 目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联 问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均

　　静态不均压：串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性， 各器件分压不等

　　承受电压高的器件首先达到转折电压而导通，使另一个器件承担全部电压 也导通，失去控制作用

　　反向时，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿 静态均压措施 选用参数和特性尽量一致的器件 采用电阻均压，Rp 的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多 动态均压措施 动态不均压——由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压 动态均压措施： 选择动态参数和特性尽量一致的器件 用 RC 并联支路作动态均压 采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间上的差异

　　图 1-35 晶闸管并联运行均流措施 a) 串电阻均流 b) 串电抗器均流 c) 互感器均流

　　电力 MOSFET 并联运行的特点 Ron 具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联

　　注意选用 Ron、BBIN bbinUT、Gfs 和 Ciss 尽量相近的器件并联 电路走线和布局应尽量对称 可在源极电路中串入小电感，起到均流电抗器的作用 IGBT 并联运行的特点 在 1/2 或 1/3 额定电流以下的区段，通态压降具有负的温度系数 在 1/2 或 1/3 额定电流以上的区段，通态压降具有正的温度系数 因而 IGBT 在并联使用时也具有电流的自动均衡能力

　　本章小结 全面介绍各种主要电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性和主要 参数等 集中讨论电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用 电力电子器件类型归纳

　　IGBT 为主体，第四代产品，制造水平 2.5kV / 1.8kA，兆瓦以下首选。不

　　光控晶闸管：功率更大场合，8kV / 3.5kA，装置最高达 300MVA，容量最