电力电子技术
Power Electronic Technology
唐 振第二讲 电力电子器件及其驱动电路
2.1 电力二极管
2.2 门极可关断晶闸管
2.3 电力场效应晶体管
2.4 绝缘栅双极晶体管
2.5 MOS控制晶闸管
2.6 其它新型功率器件
2.1 电力二极管
2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理
2.1.2 电力二极管的基本特性
2.1.3 电力二极管的主要参数
2.1.4 电力二极管的主要类型返回
2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理
电力二极管 结构和原理简单,工作可靠,
自 20世纪 50年代初期就获得应用
快恢复二极管 和 肖特基二极管,分别 在中,高频整流和逆变,以及低压高频整流的场合,具有不可替代的地位返回
2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理
电力二极管 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
2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理图 2－ 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
A
K
A K
a)
I
KA
P N
J
b)
c)
2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理
N型半导体和 P型半导体结合后构成 PN结 。 交界处电子和空穴的浓度差别,造成了各区的多子向另一区的 扩散运动,到对方区内成为少子,在界面两侧分别留下了带正,负电荷但不能任意移动的杂质离子 。 这些不能移动的正,负电荷称为 空间电荷 ） 。 空间电荷建立的电场被称为 内电场 或 自建电场,其方向是阻止扩散运动的,另一方面又吸引对方区内的少子 （ 对本区而言则为多子 ）
向本区运动,即 漂移运动 。 扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾,最终达到动态平衡,正,负空间电荷量达到稳定值,
形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围,被称为 空间电荷区,
按所强调的角度不同也被称为 耗尽层,阻挡层 或 势垒区 。
2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结的正向导通状态电导调制效应使得 PN结在正向电流较大时压降仍然很低,维持在 1V左右,所以正向偏置的 PN结表现为低阻态图 2－ 2 PN结的形成
-?￡ -?￡ -?￡
-?￡ -?￡ -?￡
-?￡ -?￡ -?￡
-?￡ -?￡ -?￡
-?￡ -?￡ -?￡
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+-
+-
+-
+-
+-
μ? oéP Dí N Dí
ú μ? 3?
2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结的反向截止状态
PN结的 单向导电性 二极管的基本原理就在于 PN
结的单向导电性这一主要特征
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
2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理
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
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 。
2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理
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
2.1.2 电力二极管的基本特性
1,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 反向漏电流返回
2.1.2 电力二极管的基本特性图 2－ 3 电力二极管的伏安特性
I
O
I
F
U
TO
U
F
U
2.1.2 电力二极管的基本特性
2,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 。 动态特性 主要指 开关特性,开关特性反映通态和断态之间的转换过程
关断过程
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
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
2.1.2 电力二极管的基本特性
延迟时间,td= t1- t0,电流下降时间,tf= t2- t1
反向恢复时间,trr= td+ tf
恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值 tf
/td，或称恢复系数，用 Sr表示
b)
U
FP
u
i
i
F
u
F
t
fr
t0
2V
a)
I
F
U
F
t
F
t
0
t
rr
t
d
t
f
t
1
t
2
t
U
R
U
RP
I
RP
d i
F
d t
d i
R
d t
图 2－ 4 电力二极管的动态过程波形
a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置
2.1.2 电力二极管的基本特性
开通过程 (Turn-on Transient)：
电力二极管的正向压降先出现一个过冲 UFP,经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值 （ 如 2V） 。 这一动态过程时间被称为 正向恢复时间 tfr。
电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子,
达到稳态导通前管压降较大
正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降 。 电流上升率越大,UFP越高
2.1.3 电力二极管的主要参数
1,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返回
2.1.3 电力二极管的主要参数
2,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
3,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
2.1.3 电力二极管的主要参数
4,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 125~175?C范围之内
5,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
6,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 。
2.1.4 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返回
2.1.4 电力二极管的主要类型
1,普通二极管
普通二极管又称 整流二极管
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 5?s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
2.1.4 电力二极管的主要类型
2,快恢复二极管
恢复过程很短特别是反向恢复过程很短 （ 5?s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
2.1.4 电力二极管的主要类型
采用外延型 PiN结构的的 快恢复外延二极管,其反向恢复时间更短 （ 可低于 50ns）,正向压降也很低
（ 0.9V左右 ）,但其反向耐压多在 400V以下
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。
2.1.4 电力二极管的主要类型
3,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,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
2.1.4 电力二极管的主要类型
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
2.2 门极可关断晶闸管
2.2.1 概述
2.2.2 GTO的结构和工作原理
2.2.3 GTO的动态特性
2.2.4 GTO的主要参数
2.2.5 GTO的驱动返回
2.2.1 概述
门极可关断晶闸管
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返回
2.2.2 GTO的结构和工作原理
结构,与普通晶闸管的相同点,PNPN四层半导体结构,
外部引出阳极,阴极和门极
和普通晶闸管的不同,GTO是一种多元的功率集成器件,内部包含数十个甚至数百个共阳极的小 GTO元,这些 GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起图 2－ 5 GTO的内部结构和电气图形符号
a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号
c)
图1 - 1 3
A
G K G GK
N 1
P 1
N 2N 2 P
2
b)a)
A
G
K
返回
2.2.2 GTO的结构和工作原理
工作原理：
与普通晶闸管一样,可以用图 2－ 6所示的双晶体管模型来分析
1+?2=1是器件临界导通的条件 。 当?1+?2>1时,两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当?1+?2<1时,不能维持饱和导通而关断
R
N P N
P N P
A
G
S
K
E
G
I
G
E
A
I
K
I
c2
I
c1
I
A
V
1
V
2
P
1
A
G
K
N
1
P
2
P
2
N
1
N
2
a) b)
图 2－ 6 GTO元或晶闸管的等效电路
2.2.2 GTO的结构和工作原理
GTO能够通过门极关断的原因 是其与普通晶闸管有如下区别,
（ 1） 设计?2较大,使晶体管 V2控制灵敏,易于 GTO关断
（ 2） 导通时?1+?2更接近 1（?1.05,普通晶闸管?1+?2?1.15）
导通时饱和不深,接近临界饱和,有利门极控制关断,但导通时管压降增大
（ 3） 多元集成结构使 GTO元阴极面积很小,门,阴极间距大为缩短,使得 P2基区横向电阻很小,能从门极抽出较大电流
导通过程,与普通晶闸管一样,只是导通时饱和程度较浅
关断过程,强烈正反馈 ——门极加负脉冲即从门极抽出电流,则 Ib2减小,使 IK和 Ic2减小,Ic2的减小又使 IA和 Ic1减小,又进一步减小 V2的基极电流
当 IA和 IK的减小使?1+?2<1时,器件退出饱和而关断
多元集成结构还使 GTO比普通晶闸管开通过程快,
承受 di/dt能力强
2.2.2 GTO的结构和工作原理
2.2.3 GTO的动态特性
开通过程,与普通晶闸管类似,需经过延迟时间 td和上升时间 tr
图 2－ 7 GTO的开通和关断过程电流波形
O
t
0 t
图1 - 1 4
i
G
i
A
I
A
90% I
A
10% I
A
t
t
t
f
t
s
t
d
t
r
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
t
6
返回
2.2.3 GTO的动态特性
关断过程,与普通晶闸管有所不同
抽取饱和导通时储存的大量载流子 ——储存时间 ts,使等效晶体管退出饱和
等效晶体管从饱和区退至放大区,阳极电流逐渐减小 ——下降时间 tf
残存载流子复合 ——尾部时间 tt
通常 tf比 ts小得多,而 tt比 ts要长
门极负脉冲电流幅值越大,前沿越陡,抽走储存载流子的速度越快,ts越短
门极负脉冲的后沿缓慢衰减,在 tt阶段仍保持适当负电压,则可缩短尾部时间
2.2.4 GTO的主要参数
GTO的 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同,以下只介绍意义不同的参数
1)开通时间 ton 延迟时间与上升时间之和 。 延迟时间一般约
1~2?s,上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大
2)关断时间 toff 一般指储存时间和下降时间之和,不包括尾部时间 。 GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大,下降时间一般小于 2?s
不少 GTO都制造成逆导型,类似于逆导晶闸管,需承受反压时,应和电力二极管串联返回
2.2.4 GTO的主要参数
3) 最大可关断阳极电流 IATO,GTO的 额定电流
4) 电流关断增益?off 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值 IGM之比称为电流关断增益
（ 1-8）
off一般很小，只有 5左右，这是 GTO的一个主要缺点。 1000A的
GTO关断时门极负脉冲电流峰值要 200A
GM
A T O
o f f I
I
2.2.5 GTO的驱动
GTO的 开通控制 与普通晶闸管相似,但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高,且一般需在整个导通期间施加正门极电流
使 GTO关断 需施加负门极电流,对其幅值和陡度的要求更高,关断后还应在门阴极施加约 5V的负偏压以提高抗干扰能力
推荐的 GTO门极电压电流波形如图 2－ 8所示。
O
t
t
O
u
G
i
G
图 2－ 8 推荐的 GTO门极电压电流波形返回
2.2.5 GTO的驱动
驱动电路通常包括 开通驱动电路,关断驱动电路 和 门极反偏电路 三部分,可分为 脉冲变压器耦合式 和 直接耦合式 两种类型
直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡,可得到较陡的脉冲前沿,因此目前应用较广,
但其功耗大,效率较低
典型的直接耦合式 GTO驱动电路如图 2－ 9所示 。
2.2.5 GTO的驱动
二极管 VD1和电容 C1提供 +5V电压
VD2,VD3,C2,C3构成倍压整流电路提供 +15V电压
VD4和电容 C4提供 -15V电压
V1开通时,输出正强脉冲
V2开通时输出正脉冲平顶部分
V2关断而 V3开通时输出负脉冲
V3关断后 R3和 R4提供门极负偏压
50 kH z
50 V
G T O
N
1
N
2
N
3
C
1
C
3
C
4
C
2
R
1
R
2
R
3
R
4
V
1
V
3
V
2
L
VD
1
VD
2
VD
3
VD
4
图 2－ 9 典型的直接耦合式
GTO驱动电路
2.3 电力场效应晶体管
2.3.1 概述
2.3.2 电力 MOSFET的结构和工作原理
2.3.3 电力 MOSFET的基本特性
2.3.4 电力 MOSFET的主要参数
2.3.5 电力 MOSFET的驱动返回
2.3.1 概述
也分为 结型 和 绝缘栅型 （ 类似小功率
FET）
但通常主要指 绝缘栅型 中的 MOS型 简称 电力 MOSFET
结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管返回
2.3.1 概述
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
2.3.2 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沟道增强型返回
2.3.2 电力 MOSFET的结构和工作原理
电力 MOSFET的结构
N
+
G
S
D
P 沟道
b)
N
+
N
-
S
G
D
P P
N
+
N
+
N
+
沟道
a)
G
S
D
N 沟道图1 - 1 9
图 2－ 10 电力 MOSFET的结构和电气图形符号
2.3.2 电力 MOSFET的结构和工作原理
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
电力 MOSFET的多元集成结构
国际整流器公司的 HEXFET采用了六边形单元
西门子公司的 SIPMOSFET采用了正方形单元
摩托罗拉公司的 TMOS采用了矩形单元按,品,
字形排列
2.3.2 电力 MOSFET的结构和工作原理
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——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结构的
VDMOSFET
这里主要以 VDMOS器件为例进行讨论
2.3.2 电力 MOSFET的结构和工作原理
电力 MOSFET的工作原理
截止,漏源极间加正电源,栅源极间电压为零
P基区与 N漂移区之间形成的 PN结 J1反偏,漏源极之间无电流流过
2.3.2 电力 MOSFET的结构和工作原理
电力 MOSFET的工作原理
导电,在栅源极间加正电压 UGS
栅极是绝缘的,所以不会有栅极电流流过 。 但栅极的正电压会将其下面 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 N沟道而使 PN结 J1消失,漏极和源极导电
2.3.3 电力 MOSFET的基本特性
1) 静态特性
0
10
20
30
50
40
图1 - 2 0
2 4 6 8
a)
10
20
30
50
40
0
b)
10 20 30 5040
饱和区非饱和区截止区
I
D
/
A
U
T
U
GS
/ V
U
DS
/ V
U
GS
= U
T
= 3 V
U
GS
= 4 V
U
GS
= 5 V
U
GS
= 6 V
U
GS
= 7 V
U
GS
= 8 V
I
D
/
A
图 2－ 11 电力 MOSFET的转移特性和输出特性
a) 转移特性 b) 输出特性返回
2.3.3 电力 MOSFET的基本特性
漏 极 电 流 ID 和 栅 源 间 电 压 UGS 的 关 系 称 为
MOSFET的转移特性
ID较大时,ID与 UGS的关系近似线性,曲线的斜率定义为 跨导 Gfs
2.3.3 电力 MOSFET的基本特性
MOSFET的漏极伏安特性 （ 输出特性 ）,
截止区 （ 对应于 GTR的截止区 ）
饱和区 （ 对应于 GTR的放大区 ）
非饱和区 （ 对应于 GTR的饱和区 ）
电力 MOSFET工作在开关状态,即在截止区和非饱和区之间来回转换
电力 MOSFET漏源极之间有寄生二极管,漏源极间加反向电压时器件导通
电力 MOSFET的通态电阻具有正温度系数,对器件并联时的均流有利
2.3.3 电力 MOSFET的基本特性
2) 动态特性
a ） b )
图1 - 2 1
R
s
R
G R
F
R
L
i
D
u
GS
u
p
i
D
信号
+ U
E
i
D
O
O
O
u
p
t
t
t
u
GS
u
G S P
u
T
t
d ( on)
t
r
t
d ( of f )
t
f
图 2－ 12 电力 MOSFET的开关过程
a) 测试电路 b) 开关过程波形
up—脉冲信号源,Rs—信号源内阻,RG—栅极电阻,RL—负载电阻,RF—检测漏极电流
2.3.3 电力 MOSFET的基本特性
开通过程 （ 开关过程 图 ）
开通延迟时间 td(on) —— up前沿时刻到 uGS=UT并开始出现 iD的时刻间的时间段
上升时间 tr—— uGS从 uT上升到 MOSFET进入非饱和区的栅压
UGSP的时间段
iD稳态值由漏极电源电压 UE和漏极负载电阻决定
UGSP的大小和 iD的稳态值有关
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
2.3.3 电力 MOSFET的基本特性
关断过程 （ 开关过程图 ）
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 uGS<UT
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
2.3.3 电力 MOSFET的基本特性
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 。
2.3.4 电力 MOSFET的主要参数除跨导 Gfs,开启电压 UT以及 td(on),tr,td(off)和 tf之还有,
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
返回
2.3.4 电力 MOSFET的主要参数
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
2.3.4 电力 MOSFET的主要参数
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
10m s
1m s
DC
10us
I D
0 V DS
图 2－ 13 MOSFET正向偏置安全工作区（图中的时间表示脉冲宽度）
2.3.5 电力 MOSFET的驱动
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 。
典型的电力 MOSFET的驱动电路如图 2－ 14所示 。
返回
2.3.5 电力 MOSFET的驱动
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
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。
A
+
-
M O S F E T
20 V
20 V
u
i
R
1 R
3
R
5
R
4
R
2
R
G
V
1
V
2
V
3
C
1
- V
CC
+ V
CC
图 2－ 14 电力 MOSFET的一种驱动电路
2.4 绝缘栅双极晶体管
2.4.1 概述
2.4.2 IGBT的结构和工作原理
2.4.3 IGBT的基本特性
2.4.4 IGBT的主要参数
2.4.5 IGBT的擎住效应和安全工作区
2.4.6 IGBT的驱动返回
2.4.1 概述
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器件返回
2.4.1 概述
绝缘栅双极晶体管 （ IGBT或 IGT）
GTR和 MOSFET复合,结合二者的优点,具有好的特性
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
2.4.2 IGBT的结构和工作原理
IGBT是三端器件：栅极 G,集电极 C和发射极 E
E G
C
N
+
N
-
a)
P
N
+
N
+
P
N
+
N
+
P
+
发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J 3 J
2
J
1
G
E
C
+
-
+-
+
-
I
D
R
N
I
C
V
J1
I
D
R
on
b )
G
C
c )
图 2－ 15 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) 电气图形符号返回
2.4.2 IGBT的结构和工作原理
IGBT的结构 （ 显示图 ）
图 2－ 15（ a） —N沟道 VDMOSFET与 GTR组合 ——N沟道
IGBT（ N-IGBT）
IGBT比 VDMOSFET多一层 P+注入区,形成了一个大面积的 P+N结 J1
——使 IGBT导通时由 P+注入区向 N基区发射少子,从而对漂移区电导率进行调制,使得 IGBT具有很强的通流能力
简化等效电路表明,IGBT是 GTR与 MOSFET组成的达林顿结构,一个由 MOSFET驱动的厚基区 PNP晶体管
RN为晶体管基区内的调制电阻
2.4.2 IGBT的结构和工作原理
IGBT的原理驱动原理与电力 MOSFET基本相同,场控器件,通断由栅射极电压 uGE决定
导通,uGE大于 开启电压 UGE(th)时,MOSFET内形成沟道,为晶体管提供基极电流,IGBT导通
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
2.4.3 IGBT的基本特性
1) IGBT的静态特性
O
有源区正向阻断区饱和区反向阻断区
a ) b )
I
C
U
G E ( t h)
U
GE
O
I
C
U
RM
U
FM
U
CE
U
G E ( t h)
U
GE
增加图 2－ 16 IGBT的转移特性和输出特性
a) 转移特性 b) 输出特性返回
2.4.3 IGBT的基本特性
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
uCE<0时,IGBT为反向阻断工作状态
2.4.3 IGBT的基本特性
2) IGBT的动态特性
t
t
t
10%
90%
10%
90%
U
CE
I
C
0
O
0
U
GE
U
G E M
I
CM
U
CE M
t
f v 1
t
f v 2
t
o f f
t
on
t
f i 1
t
f i 2
t
d (o f f )
t
f
t
d (o n )
t
r
U
CE (o n )
U
G E M
U
G E M
I
CM
I
CM
图 2－ 17 IGBT的开关过程
2.4.3 IGBT的基本特性
IGBT的开通过程 （ 开关过程图 ） 与 MOSFET的相似,
因为开通过程中 IGBT在大部分时间作为 MOSFET运行
开通延迟时间 td(on) ——从 uGE上升至其幅值 10%的时刻,
到 iC上升至 10%ICM2
电流上升时间 tr——iC从 10%ICM上升至 90%ICM所需时间
开通时间 ton——开通延迟时间与电流上升时间之和
uCE的下降过程分为 tfv1和 tfv2两段。 tfv1——IGBT中
MOSFET单独工作的电压下降过程； tfv2——MOSFET和
PNP晶体管同时工作的电压下降过程
2.4.3 IGBT的基本特性
IGBT的关断过程 （ 开关过程图 ）
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下降至 90%ICM
电流下降时间 tf——iC从 90%ICM下降至 10%ICM
关断时间 toff——关断延迟时间与电流下降之和
电流下降时间又可分为 tfi1和 tfi2两段 。
tfi1——IGBT内部的 MOSFET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
2.4.3 IGBT的基本特性
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
2.4.4 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返回
2.4.4 IGBT的主要参数
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
2.4.5 IGBT的擎住效应和安全工作区
E G
C
N
+
N
-
a)
P
N
+
N
+
P
N
+
N
+
P
+
发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J 3 J
2
J
1
G
E
C
+
-
+-
+
-
I
D
R
N
I
C
V
J1
I
D
R
on
b )
G
C
c )
图 2－ 15 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) 电气图形符号返回
2.4.5 IGBT的擎住效应和安全工作区
寄生晶闸管 —— 由一个 N-PN+晶体管和作为主开关器件的 P+N-P晶体管组成
正偏安全工作区 ——最大集电极电流,最大集射极间电压和最大集电极功耗确定
反向偏置安全工作区 ——最大集电极电流,最大集射极间电压和最大允许电压上升率 duCE/dt
确定
2.4.5 IGBT的擎住效应和安全工作区
擎住效应或自锁效应
NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻,P形体区的横向空穴电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,栅极就会失去对集电极电流的控制作用,电流失控
动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小
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决
IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起,制成模块,成为逆导器件
2.4.6 IGBT的驱动
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。
M57962L型 IGBT驱动器的内部结构 和外部接线如图 2－ 18
所示 。
返回
2.4.6 IGBT的驱动
13
故障指示检测端
V
CC
接口电路门极关断电路定时及复位电路检测电路
4
1
5
8
6
14
13
u
o
V
EE
8
1
5
4
6
- 10 V
+ 15 V
30 V
+5 V
M 57962 L
14
u
i
1
快恢复
t
rr
≤0,2? s
4,7 k?
3,1?
100? F
100? F
图 2－ 18 M57962L型 IGBT驱动器的内部结构和外部接线图
2.5 MOS控制晶闸管
2.5.1 概述
2.5.2 MCT的结构和工作原理
2.5.3 MCT的基本特性
2.5.4 MCT的主要参数
2.5.5 MCT的门极驱动返回
2.5.1 概述综合利用晶闸管高电压、大电流技术与
MOSFET控制技术，研制出 MOS控制晶闸管复合器件。这种复合器件的基本结构是一个晶闸管与一个或几个 MOSFET的集成。根据门极控制方法的不同,MOS晶闸管可分为 MOS－ GTO(MCT)和 MOS光控晶闸管。 MCT将 MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率与快的开关速度和 SCR的高压大电流结合在一起，成为 80年代末最热门的器件之一。
返回
2.5.2 MCT的结构和工作原理
MCT是在 SCR结构中集成了一对 MOSFET，通过 MOSFET
来控制 SCR的导通与关断。
使 MCT导通的 P沟道 MOSFET称为 ON－ FET。
使 MCT关断的 N沟道 MOSFET称为 OFF－ FET。
MCT是采用 DMOSFET集成电路工艺制成的。一个 MCT
大约 105个单胞。每个单胞含有一个宽基区的 NPN晶体管和一个窄基区 PNP晶体管以及一个 OFF－ FET。
OFF－ FET连接在 PNP晶体管的基射极之间，另有 4％
的单胞含有 ON－ FET，连接在 PNP晶体管的集射极之间，这两组的 MOSFET栅极连接在一起，构成 MCT的单门极。含有 ON－ FET的 MCT单胞如图 2－ 19所示。
返回
2.5.2 MCT的结构和工作原理门极
N
P
－
N
+
P
+
P P
N
+
N
+
阴 极阳 极
ON － F ET
沟道
O FF － F ET
沟道图 2－ 19 MCT的典型结构
2.5.2 MCT的结构和工作原理
MCT的等效电路和符号如图 2－ 20所示
O F F － F ET O N － F ET
门极阴极阳极图 2－ 20 MCT的等效电路与符号
2.5.2 MCT的结构和工作原理
在结构上 MCT需要用双门极控制，对外只有单门极，门极信号以阳极为基准而不是以阴极为基准。
当门极相对阳极加负脉冲电压时,ON－ FET导通它的漏极电流使
NPN晶体管导通。 NPN晶体管又使 PNP晶体管导通，并且形成正反馈触发过程。通过正反馈的循环使?PNP+?NPN?1，于是,MCT
导通。
当门极相对阳极加正脉冲电压时,OFF－ FET导通,PNP晶体管基极电流中断,PNP晶体管被切断，破坏了正反馈过程,于是，
MCT关断。
一般来说，－ 5V～－ 10V脉冲电压可使 MCT导通，＋ 10V脉冲电压可使 MCT关断。
2.5.3 MCT的基本特性
1,静态正向特性
MCT实质上是一个 MOS控制的晶闸管。在静态时，其内含的
MOSFET不起作用,MCT相当于晶闸管，因此具有高的阻断电压和低的通态压降。其正向伏安特性如图 2－ 17所示。
MCT的正向伏安特性随温度升高左移，也就是说，温度升高管压降减小，但反向漏电流增大。
MCT的实际工作温度一般在－ 55oC～ 150oC。
MCT的正向伏安特性类似于二极管，在很大的电流下，通态电压仅有一定程度的增加，十分适合于大电流场合。同时，
MCT又是双注入器件，通态电压随阻断电压的升高变化不大，
所以，在高电压场合更具优势。
返回
2.5.3 MCT的基本特性
1,0
0,5 1,0 2,0 1.5 2.5
100 0
0
10 0
1 0
N － MOSF ET
达林顿
N － I G BT
P － M C T
N － M C T
图 2－ 21 MCT正向伏安特性
2.5.3 MCT的基本特性
2,开关特性
MCT由内含的 MOSFET控制其开通与关断，开关机理与晶闸管不同。特别是在 MCT中，无论是开通或关断，都是在芯片各个部分同时进行的，与晶闸管相比,MCT具有较快的开关速度。 MCT
典型的感性开关电路与相应的开关波形如图 2－ 22所示。
I k
V k
2 0 0 uH
图 2－ 22（ a） MCT典型的感性开关电路
2.5.3 MCT的基本特性图 2－ 22（ b） MCT开关波形
TD(off)
I
90%
TFI
TRI
TD(on)I
10%
vG
IK
-VKA
2.5.3 MCT的基本特性
MCT的关断有两个过程：先破坏晶闸管的擎住条件，然后使器件两个基区中的过剩载流子复合。表征关断过程的参数主要是关断时间和关断损耗。
关断时间由关断延时时间 TD（ off） I和关断电流下降时间 TFI组成，如图 2－ 22（ b）所示。
关断损耗 Eoff的定义则是，从 VG上升变化 10％的时刻起到 IK＝
0的时间内，瞬时功耗 VKAIK对时间的积分。
2.5.3 MCT的基本特性
MCT的关断特性与阴极电流、阴阳极电压和温度等有关。
阴极电流增大，关断延时时间 TD（ off） I减小；关断电流下降时间 TFI略微增大。
阴阳极电压数值增大，关断延时时间 TD（ off） I增大；关断电流下降时间 TFI减小。
温度升高，关断延时时间 TD（ off） I、关断电流下降时间 TFI、关断损耗均增大。
2.5.3 MCT的基本特性
MCT开通过程中的参数变化远没有关断过程那样剧烈。阴极电流上升的同时，阳－阴极之间的电压是在减小的，
可避免开通过程中同时产生峰值电流和峰值电压，并使开通损耗减小。表征开通特性的参数开通时间 TON和开通损耗 EON。
开通时间 TON包括开通延迟时间 TD（ ON） I和开通电流上升时间 TRI，
其定义如图 2－ 22（ b）所示。
开通损耗 EON的定义则是，从 VG下降变化 10％的时刻起到 VKA=VTM
的时间内，瞬时功耗 VKAIK对时间的积分。（ VTM是 MCT的通态压降）
2.5.3 MCT的基本特性
MCT的关断特性与阴极电流、阴阳极电压等有关。
阴极电流增大，开通延时时间 TD（ ON） I增大；开通电流上升时间 TRI略微增大。
阴阳极电压数值增大，开通延时时间 TD（ ON） I增大；开通电流上升时间 TRI减小。
2.5.3 MCT的基本特性
3,安全工作区
MCT无正偏安全工作区。在没有吸收电路时的反偏安全工作区，也即是 MCT关断时的电流与电压极限容量，如图 2－
23所示。它们与结温、电流和工作周期等有关。
当工作电流超出安全工作区时,MCT可能失效。但是当峰值可控电流超出安全工作区时,MCT不会像 GTO那样损坏，
而只是不能用门极信号关断而已。
2.5.3 MCT的基本特性图 2－ 23 MCT的安全工作区
100
6 00
5 00
4 00
3 00
3 00 4 00
2 00
100 2 00 0
0
15 0
o
C SO A
3
00
o
C
2
00
o
C
15
0
o
C
10
0
o
C
峰值可控电流 （ A ）
M
CT
阳
－阴电压
（
V
）
2 5 0
o
C
15 0
o
C
5 0
o
C
2.5.4 MCT的主要参数
MCT的特性参数分为两大类：绝对最大额定值和电特性值。
绝对最大额定值：在任何情况下都不能超越，否则器件讲损坏。
电特性值：一般已最小值、典型值、最大值的形式给出，它们与测试方法和应用条件密切相关。在实际应用中，若特性值应用，器件本省不一定损坏，单可能导致电路的工作失常。
MCT的主要参数包括：断态峰值电压 VDRM、反向峰值电压
VRRM、阴极连续电流 IKXX、阴极非重复峰值电流 ITSM、峰值可控制电流 ITC、门阳极电压（连续） VGA、门阳极电压（峰值）
VGAM、电流变化率 di/dt,最大功耗 PT、工作与储存温度 Tj，
Tstg和最大引线焊接温度 TL。
返回
2.5.4 MCT的主要参数
MCT是非反向阻断器件，反向峰值电流 VRRM很低（大约 5V左右,MCT35P60F1），但是使用时还需反并联二极管。
阴极非重复峰值电流 ITSM是通态脉宽下所允许的流过器件的最大电流限制允许峰值电流和脉宽的是结温。
当 MCT门极通过换向信号时额定关断的最大阴极电流称器件的峰值可控制电流 ITC。
美国 Harris公司生产的型号为 MCT35P60F1的 MCT的主要参数见表 2－ 1所示。
2.5.4 MCT的主要参数参数 符号 数值 备注断态峰值电压 V
D R M
- 600V
除非特别注明,
T
j
＝ 25
o
C
反向峰值电压 V
RRM
+ 5V
阴极连续电流
T
C
＝ 25
o
C
T
C
＝ 1 15
o
C
I
K 25
I
K 1 15
60A
35A
最大脉宽 2 00u s（正弦半波），假设
T
j 起始
＝ 90
o
C
T
j 最后
＝ T
j 最大
＝ 150
o
C
阴极非重复峰值电流 I
T SM
800A
峰值可控电流 I
TC
50A
门－阳极电压（连续） V
GA
± 20V
门－阳极电压（峰值） V
G A M
± 25V
电流变化率 di / dt 800 A / us
最大功耗 P
T
178W
线性降额因子 1.43W /
o
C
工作和储存温度 T
J
,T
s tg
- 55~ 150
o
C
最大引线焊接温度 T
L
260
o
C
表 2－ 1 MCTG35P60F1的最大额定值
2.5.5 MCT的门极驱动
MCT具有 MOS门极，因而门极驱动比较容易实现。
门极电容的典型值为 10nF，在开关动作期间基本上没有 miller效应（对 MOSFET或 IGBT的栅极和漏极或集电极之间的结电容称 miller电容，从而使得栅极驱动电压波形上升沿有一小段平台，这就称作 miller效应）的电容电流，门极的驱动要求进一步简化。
返回
2.5.5 MCT的门极驱动
1,门极驱动波形
MCT的额定性能对门极驱动波形在幅值和上升时间两方面都有一定的要求。图 2－ 24给出了 MCT门极驱动波形的边界极限。在 MCT开通或关断的门极脉冲期间，门极波形应处于稳态极限之内。在门极波形变换过程中，门极波形应处于阴影线所示范围之内。
2.5.5 MCT的门极驱动图 2－ 24 推荐的 MCT门极电压驱动波形关断 导通时间（ us）
稳态
MCT
导通稳态
MCT
关断门
－
阳极电压
（
V
）
－ 25
10
5
－ 5
－ 10
－ 15
－ 20
15
20
25
0 1 2 210
2.5.5 MCT的门极驱动
负电压幅值 在 MCT的门极上施加相对于阳极为负值的门极电压时,MCT开通。由于 MCT内部的输出极为晶闸管，一旦阴极电流超过器件的维持电流（毫安级），器件将完全进入通态。－ 7V的稳态开通极限电压将保证 MCT开通，但最高不能低于－ 20V。
电压的负转换过程 MCT与其它 MOS门极器件相比，
它的门极不能控制开关时间。允许门极电压在负转换过程中有过冲，但幅值不能低于－ 25V，维持时间不超过 1,8us。
2.5.5 MCT的门极驱动
正电压幅值 在 MCT的门极上施加相对于阳极为正值的门极电压时,MCT关断或维持断态。 7V的稳态关断极限电压将保证 MCT维持断态，但最高不能超过 20V。
在关断过程中，要求门极电压大于 18V，持续时间大于
1,5us，但最高电压不能超过 25V。
电压的正转换过程 MCT是通过内部 MOSFET短路
PNP晶体管的基射结实现关断的。为了实现最大关断容量，短路的 FET必须均匀而快速地开通，以保证
MCT关断相同的电流。因此，门极电压正转换时间不能超过 200ns，允许门极电压有一定地过冲，但必须大于 18V小于 25V。
2.5.5 MCT的门极驱动
MCT门极驱动电压波形的边界极限总结：
1) 由于 MCT内部 MOSFET地高温直流阻断能力，限定了＋ 20V
和－ 20V地直流电压极限。
2) 持续 1,5us的最小为＋ 18V的电压使电流流过内部 OFF－ FET
时，其阻抗很小，从而保证额定的关断容量。
3) MCT关断时最小为＋ 7V的电压是 OFF－ FET阀值电压的 2～ 3
倍，保证了器件不会因 dv/dt或漏电流而开通。
4) 200ns的上升和下降时间保证了所有单胞像一个整体，否则性能会下降。
5)?25V瞬态峰值电压取决于器件的重复瞬态击穿电压，典型值至少为 40V。
6) － 7V的最小值是 MCT内部 ON－ FET阀值电压的 2～ 3倍，能保证良好的开通。
2.5.5 MCT的门极驱动
2,门极驱动对关断电流的影响
在 MCT完全关断之前，门极电压必须达到并维持推荐值，
如果降低正的最小稳态门极电压，则 MCT的关断能力下降。
如果增大正的门极电压转换时间，则 MCT的关断能力下降。
门极驱动条件与可关断电流之间的关系如图 2－ 25所示。
2.5.5 MCT的门极驱动
25
6 0
20
15
10
35
30
5
80
100
20
0
40
0,03
0
1,0 3,0 10 30 100 0,10 0,30 0,01
温度,150
o
C
门极电压,5V
600V P － MC T
门极可关断电流（
A
）
门极上升 时间（ us ）
图 2－ 25（ a） Ioff与门极电压上升时间之间的关系
2.5.5 MCT的门极驱动
50
67
83
17
0
33
2
0
8 10 12 14
160
4 6 0
温度,150
o
C
门极上升时间,200ns
600V MCT 100
18 20
14 0
13 0
12 0
11 0
10 0
9 0
8 0
7 0
6 0
5 0
1 0
2 0
3 0
4 0
门极电压（ V ）
门极可关断电流（
A
）
图 2－ 25（ b） Ioff与门极电压之间的关系
2.5.5 MCT的门极驱动
3,MCT门极驱动的典型电路
MCT的门极驱动电路有很多种，其中较常用的是由集成功率驱动器 UC3705构成的驱动电路如图 2－ 26所示。
图 2－ 26 MCT门极驱动电路
+ 2 8 V
光接收器反向输入无感输入输出
A
K
R1
R2
C2
C1
G
R 3
R 4
U C 3 7 0 5
Vc
G N D
2.6 其它新型功率器件
除了我们前面介绍的几种功率器件外，还有一些常用的功率器件，如：静电感应晶体管 SIT；静电感应晶闸管 SITH；集成门极换流晶闸管 IGCT；功率模块与功率集成电路。
1,静电感应晶体管 SIT
SIT诞生于 1970年，实际上是一种结型场效应晶体管。一般的 SIT为横向导电结构，功率 SIT为纵向导电结构。 SIT是一种多子导电器件，其工作频率与电力 MOSFET相当，甚至超过电力 MOSFET，其容量亦比 MOSFET大。 SIT在栅极不加任何信号时导通，加负压时关断，称正常导通型器件，使用不方便。
返回
2.6 其它新型功率器件
2,静电感应晶闸管 SITH
静电感应晶闸管 SITH诞生于 1972年，是在 SIT的漏极层上附加一层于漏极层导电类型不同的发射极层而得到的。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又称作场控晶闸管。 SITH是双极型器件，通态压降低，
通流能力强。开关速度比 GTO高的多，是大容量的快速器件。
SITH一般也是正常通器件，但也有正常关断型。其制造工艺比
GTO复杂的多。
2.6 其它新型功率器件
3,集成门极换流晶闸管 IGCT
IGCT有的厂家称 GCT，即门极换流晶闸管，是
20世纪 90年代后期出现的新型电力电子器件。 IGCT
将 IGBT与 GTO的优点结合起来，其容量与 GTO相当，
但开关速度比 GTO快 10倍，而且可省去 GTO应用时庞大而复杂的缓冲电路，其所需的驱动功率仍然很大。
2.6 其它新型功率器件
4,功率模块与功率集成电路
20世纪 80年代中后期，电力电子器件开始出现模块化结构，如 IGBT模块等，这种模块称作功率模块。后来将电力电子器件与逻辑、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，则称作功率集成电路。与功率集成电路类似的还有：高压集成电路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。
图 2－ 1 电力二极管的外形、结构和电气图形符号
A
K
A K
a)
I
KA
P N
J
b)
c)
返回图 2－ 2 PN结的形成 -。 -。 -。
-。 -。 -。
-。 -。 -。
-。 -。 -。
-。 -。 -。
+
·
+
·
+
·
+
·
+
·
+
·
+
·
+
·
+
·
+
·
+
·
+
·
+
·
+
·
+
·
+-
+-
+-
+-
+-
空间电荷区P 型区 N 型区内电场返回图 2－ 3 电力二极管的伏安特性
I
O
I
F
U
TO
U
F
U
返回图 2－ 4 电力二极管的动态过程波形
b)
U
FP
u
i
i
F
u
F
t
fr
t0
2V
a)
I
F
U
F
t
F
t
0
t
rr
t
d
t
f
t
1
t
2
t
U
R
U
RP
I
RP
d i
F
d t
d i
R
d t
正向偏置转换为反向偏置 零偏置转换为正向偏置返回图 2－ 5 GTO的内部结构和电气图形符号
c)
图1 - 1 3
A
G K G G
K
N
1
P
1
N
2
N
2 P
2
b)a)
A
G
K
返回
R
N P N
P N P
A
G
S
K
E
G
I
G
E
A
I
K
I
c2
I
c1
I
A
V
1
V
2
P
1
A
G
K
N
1
P
2
P
2
N
1
N
2
a) b)
图 2－ 6 GTO元或晶闸管的等效电路返回图 2－ 7 GTO的开通和关断过程电流波形
O
t
0 t
图1 - 1 4
i
G
i
A
I
A
90% I
A
10% I
A
t
t
t
f
t
s
t
d
t
r
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
t
6
返回图 2－ 8 推荐的 GTO门极电压电流波形
O
t
t
O
u
G
i
G
返回图 2－ 9 典型的直接耦合式 GTO驱动电路
50 kH z
50 V
G T O
N
1
N
2
N
3
C
1
C
3
C
4
C
2
R
1
R
2
R
3
R
4
V
1
V
3
V
2
L
VD
1
VD
2
VD
3
VD
4
返回图 2－ 10 电力 MOSFET的结构和电气图形符号
N
+
G
S
D
P 沟道
b)
N
+
N
-
S
G
D
P P
N
+
N
+
N
+
沟道
a)
G
S
D
N 沟道图1 - 1 9
a)内部结构断面示意图 b)电气图形符号返回图 2－ 11 电力 MOSFET的转移特性和输出特性
0
10
20
30
50
40
图1 - 2 0
2 4 6 8
a)
10
20
30
50
40
0
b)
10 20 30 5040
饱和区非饱和区截止区
I
D
/
A
U
T
U
GS
/ V
U
DS
/ V
U
GS
= U
T
= 3 V
U
GS
= 4 V
U
GS
= 5 V
U
GS
= 6 V
U
GS
= 7 V
U
GS
= 8 V
I
D
/
A
a)转移特性 b)输出特性返回图 2－ 12 电力 MOSFET的开关过程
a ） b )
图1 - 2 1
R
s
R
G R
F
R
L
i
D
u
GS
u
p
i
D
信号
+ U
E
i
D
O
O
O
u
p
t
t
t
u
GS
u
G S P
u
T
t
d ( on)
t
r
t
d ( of f )
t
f
a) 测试电路 b)开关过程波形
up—脉冲信号源,Rs—信号源内阻,RG—栅极电阻,RL—负载电阻,RF—检测漏极电流返回图 2－ 13 MOSFET正向偏置安全工作区
（图中的时间表示脉冲宽度）
10m s
1m s
DC
10us
I
D
0 V DS
返回图 2－ 14 电力 MOSFET的一种驱动电路
A
+
-
M O S F E T
20 V
20 V
u
i
R
1 R
3
R
5
R
4
R
2
R
G
V
1
V
2
V
3
C
1
- V
CC
+ V
CC
返回图 2－ 15 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号
E G
C
N
+
N
-
a)
P
N
+
N
+
P
N
+
N
+
P
+
·￠ é¤
ˉ μ
×￠ è
o 3
ˉ òJ
3
J
2
J
1
G
E
C
+
-
+-
+
-
I
D
R
N
I
C
V
J1
I
D
R
on
b )
G
C
c )
E
a)内部结构断面示意图 b)简化等效电路 c)电气图形符号返回图 2－ 16 IGBT的转移特性和输出特性
O
有源区正向阻断区饱和区反向阻断区
a ) b )
I
C
U
G E ( t h)
U
GE
O
I
C
U
RM
U
FM
U
CE
U
G E ( t h)
U
GE
增加
a)转移特性 b)输出特性返回图 2－ 17 IGBT的开关过程
t
t
t
10%
90%
10%
90%
U
CE
I
C
0
O
0
U
GE
U
G E M
I
CM
U
CE M
t
f v 1
t
f v 2
t
o f f
t
on
t
f i 1
t
f i 2
t
d (o f f )
t
f
t
d (o n )
t
r
U
CE (o n )
U
G E M
U
G E M
I
CM
I
CM
返回图 2－ 18 M57962L型 IGBT驱动器的内部结构和外部接线图
13
故障指示检测端
V
CC
接口电路门极关断电路定时及复位电路检测电路
4
1
5
8
6
14
13
u
o
V
EE
8
1
5
4
6
- 10 V
+ 15 V
30 V
+5 V
M 57962 L
14
u
i
1
快恢复
t
rr
≤0,2? s
4,7 k?
3,1?
100? F
100? F
返回图 2－ 19 MCT的典型结构门极
N
P
－
N
+
P
+
P P
N
+
N
+
阴 极阳 极
ON － F ET
沟道
O FF － F ET
沟道返回图 2－ 20 MCT的等效电路与符号
O F F － F ET O N － F ET
门极阴极阳极返回图 2－ 21 MCT
正向伏安特性
1,0
0,5 1,0 2,0 1.5 2.5
100 0
0
10 0
1 0
N － MOSF ET
达林顿
N － I G BT
P － M C T
N － M C T
返回图 2－ 22（ a） MCT典型的感性开关电路
I k
V k
2 0 0 uH
返回图 2－ 22（ b） MCT开关波形
TD(off)I
90%
TFI
TRI
TD(on)I
10%
vG
IK
-VKA
返回图 2－ 23 MCT的安全工作区
100
6 00
5 00
4 00
3 00
3 00 4 00
2 00
100 2 00 0
0
15 0
o
C SO A
3
00
o
C
2
00
o
C
15
0
o
C
10
0
o
C
峰值可控电流 （ A ）
M
CT
阳
－阴电压
（
V
）
2 5 0
o
C
15 0
o
C
5 0
o
C
返回图 2－ 24 推荐的 MCT门极电压驱动波形关断 导通时间（ us）
稳态 MCT
导通稳态 MCT
关断门－
阳极电压
（ V
）
－ 25
10
5
－ 5
－ 10
－ 15
－ 20
15
20
25
0 1 2 210
返回图 2－ 25（ a） Ioff与门极电压上升时间之间的关系
25
6 0
20
15
10
35
30
5
80
100
20
0
40
0,03
0
1,0 3,0 10 30 100 0,10 0,30 0,01
温度,150
o
C
门极电压,5V
600V P － MC T
门极可关断电流（
A
）
门极上升 时间（ us ）
返回图 2－ 25（ b） Ioff与门极电压之间的关系
50
67
83
17
0
33
2
0
8 10 12 14
160
4 6 0
温度,150
o
C
门极上升时间,200ns
600V MCT
100
18 20
14 0
13 0
12 0
11 0
10 0
9 0
8 0
7 0
6 0
5 0
1 0
2 0
3 0
4 0
门极电压（ V ）
门极可关断电流（
A
）
返回图 2－ 26 MCT门极驱动电路
+ 2 8 V
光接收器反向输入无感输入输出
A
K
R1
R2
C2
C1
G
R 3
R 4
U C 3 7 0 5
Vc
G N D
返回
Power Electronic Technology
唐 振第二讲 电力电子器件及其驱动电路
2.1 电力二极管
2.2 门极可关断晶闸管
2.3 电力场效应晶体管
2.4 绝缘栅双极晶体管
2.5 MOS控制晶闸管
2.6 其它新型功率器件
2.1 电力二极管
2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理
2.1.2 电力二极管的基本特性
2.1.3 电力二极管的主要参数
2.1.4 电力二极管的主要类型返回
2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理
电力二极管 结构和原理简单,工作可靠,
自 20世纪 50年代初期就获得应用
快恢复二极管 和 肖特基二极管,分别 在中,高频整流和逆变,以及低压高频整流的场合,具有不可替代的地位返回
2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理
电力二极管 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
2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理图 2－ 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
A
K
A K
a)
I
KA
P N
J
b)
c)
2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理
N型半导体和 P型半导体结合后构成 PN结 。 交界处电子和空穴的浓度差别,造成了各区的多子向另一区的 扩散运动,到对方区内成为少子,在界面两侧分别留下了带正,负电荷但不能任意移动的杂质离子 。 这些不能移动的正,负电荷称为 空间电荷 ） 。 空间电荷建立的电场被称为 内电场 或 自建电场,其方向是阻止扩散运动的,另一方面又吸引对方区内的少子 （ 对本区而言则为多子 ）
向本区运动,即 漂移运动 。 扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾,最终达到动态平衡,正,负空间电荷量达到稳定值,
形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围,被称为 空间电荷区,
按所强调的角度不同也被称为 耗尽层,阻挡层 或 势垒区 。
2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结的正向导通状态电导调制效应使得 PN结在正向电流较大时压降仍然很低,维持在 1V左右,所以正向偏置的 PN结表现为低阻态图 2－ 2 PN结的形成
-?￡ -?￡ -?￡
-?￡ -?￡ -?￡
-?￡ -?￡ -?￡
-?￡ -?￡ -?￡
-?￡ -?￡ -?￡
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+
¤
+-
+-
+-
+-
+-
μ? oéP Dí N Dí
ú μ? 3?
2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结的反向截止状态
PN结的 单向导电性 二极管的基本原理就在于 PN
结的单向导电性这一主要特征
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
2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理
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
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 。
2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理
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
2.1.2 电力二极管的基本特性
1,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 反向漏电流返回
2.1.2 电力二极管的基本特性图 2－ 3 电力二极管的伏安特性
I
O
I
F
U
TO
U
F
U
2.1.2 电力二极管的基本特性
2,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 。 动态特性 主要指 开关特性,开关特性反映通态和断态之间的转换过程
关断过程
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
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
2.1.2 电力二极管的基本特性
延迟时间,td= t1- t0,电流下降时间,tf= t2- t1
反向恢复时间,trr= td+ tf
恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值 tf
/td，或称恢复系数，用 Sr表示
b)
U
FP
u
i
i
F
u
F
t
fr
t0
2V
a)
I
F
U
F
t
F
t
0
t
rr
t
d
t
f
t
1
t
2
t
U
R
U
RP
I
RP
d i
F
d t
d i
R
d t
图 2－ 4 电力二极管的动态过程波形
a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置
2.1.2 电力二极管的基本特性
开通过程 (Turn-on Transient)：
电力二极管的正向压降先出现一个过冲 UFP,经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值 （ 如 2V） 。 这一动态过程时间被称为 正向恢复时间 tfr。
电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子,
达到稳态导通前管压降较大
正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降 。 电流上升率越大,UFP越高
2.1.3 电力二极管的主要参数
1,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返回
2.1.3 电力二极管的主要参数
2,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
3,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
2.1.3 电力二极管的主要参数
4,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 125~175?C范围之内
5,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
6,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 。
2.1.4 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返回
2.1.4 电力二极管的主要类型
1,普通二极管
普通二极管又称 整流二极管
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 5?s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
2.1.4 电力二极管的主要类型
2,快恢复二极管
恢复过程很短特别是反向恢复过程很短 （ 5?s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
2.1.4 电力二极管的主要类型
采用外延型 PiN结构的的 快恢复外延二极管,其反向恢复时间更短 （ 可低于 50ns）,正向压降也很低
（ 0.9V左右 ）,但其反向耐压多在 400V以下
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。
2.1.4 电力二极管的主要类型
3,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,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
2.1.4 电力二极管的主要类型
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
2.2 门极可关断晶闸管
2.2.1 概述
2.2.2 GTO的结构和工作原理
2.2.3 GTO的动态特性
2.2.4 GTO的主要参数
2.2.5 GTO的驱动返回
2.2.1 概述
门极可关断晶闸管
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返回
2.2.2 GTO的结构和工作原理
结构,与普通晶闸管的相同点,PNPN四层半导体结构,
外部引出阳极,阴极和门极
和普通晶闸管的不同,GTO是一种多元的功率集成器件,内部包含数十个甚至数百个共阳极的小 GTO元,这些 GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起图 2－ 5 GTO的内部结构和电气图形符号
a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号
c)
图1 - 1 3
A
G K G GK
N 1
P 1
N 2N 2 P
2
b)a)
A
G
K
返回
2.2.2 GTO的结构和工作原理
工作原理：
与普通晶闸管一样,可以用图 2－ 6所示的双晶体管模型来分析
1+?2=1是器件临界导通的条件 。 当?1+?2>1时,两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当?1+?2<1时,不能维持饱和导通而关断
R
N P N
P N P
A
G
S
K
E
G
I
G
E
A
I
K
I
c2
I
c1
I
A
V
1
V
2
P
1
A
G
K
N
1
P
2
P
2
N
1
N
2
a) b)
图 2－ 6 GTO元或晶闸管的等效电路
2.2.2 GTO的结构和工作原理
GTO能够通过门极关断的原因 是其与普通晶闸管有如下区别,
（ 1） 设计?2较大,使晶体管 V2控制灵敏,易于 GTO关断
（ 2） 导通时?1+?2更接近 1（?1.05,普通晶闸管?1+?2?1.15）
导通时饱和不深,接近临界饱和,有利门极控制关断,但导通时管压降增大
（ 3） 多元集成结构使 GTO元阴极面积很小,门,阴极间距大为缩短,使得 P2基区横向电阻很小,能从门极抽出较大电流
导通过程,与普通晶闸管一样,只是导通时饱和程度较浅
关断过程,强烈正反馈 ——门极加负脉冲即从门极抽出电流,则 Ib2减小,使 IK和 Ic2减小,Ic2的减小又使 IA和 Ic1减小,又进一步减小 V2的基极电流
当 IA和 IK的减小使?1+?2<1时,器件退出饱和而关断
多元集成结构还使 GTO比普通晶闸管开通过程快,
承受 di/dt能力强
2.2.2 GTO的结构和工作原理
2.2.3 GTO的动态特性
开通过程,与普通晶闸管类似,需经过延迟时间 td和上升时间 tr
图 2－ 7 GTO的开通和关断过程电流波形
O
t
0 t
图1 - 1 4
i
G
i
A
I
A
90% I
A
10% I
A
t
t
t
f
t
s
t
d
t
r
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
t
6
返回
2.2.3 GTO的动态特性
关断过程,与普通晶闸管有所不同
抽取饱和导通时储存的大量载流子 ——储存时间 ts,使等效晶体管退出饱和
等效晶体管从饱和区退至放大区,阳极电流逐渐减小 ——下降时间 tf
残存载流子复合 ——尾部时间 tt
通常 tf比 ts小得多,而 tt比 ts要长
门极负脉冲电流幅值越大,前沿越陡,抽走储存载流子的速度越快,ts越短
门极负脉冲的后沿缓慢衰减,在 tt阶段仍保持适当负电压,则可缩短尾部时间
2.2.4 GTO的主要参数
GTO的 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同,以下只介绍意义不同的参数
1)开通时间 ton 延迟时间与上升时间之和 。 延迟时间一般约
1~2?s,上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大
2)关断时间 toff 一般指储存时间和下降时间之和,不包括尾部时间 。 GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大,下降时间一般小于 2?s
不少 GTO都制造成逆导型,类似于逆导晶闸管,需承受反压时,应和电力二极管串联返回
2.2.4 GTO的主要参数
3) 最大可关断阳极电流 IATO,GTO的 额定电流
4) 电流关断增益?off 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值 IGM之比称为电流关断增益
（ 1-8）
off一般很小，只有 5左右，这是 GTO的一个主要缺点。 1000A的
GTO关断时门极负脉冲电流峰值要 200A
GM
A T O
o f f I
I
2.2.5 GTO的驱动
GTO的 开通控制 与普通晶闸管相似,但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高,且一般需在整个导通期间施加正门极电流
使 GTO关断 需施加负门极电流,对其幅值和陡度的要求更高,关断后还应在门阴极施加约 5V的负偏压以提高抗干扰能力
推荐的 GTO门极电压电流波形如图 2－ 8所示。
O
t
t
O
u
G
i
G
图 2－ 8 推荐的 GTO门极电压电流波形返回
2.2.5 GTO的驱动
驱动电路通常包括 开通驱动电路,关断驱动电路 和 门极反偏电路 三部分,可分为 脉冲变压器耦合式 和 直接耦合式 两种类型
直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡,可得到较陡的脉冲前沿,因此目前应用较广,
但其功耗大,效率较低
典型的直接耦合式 GTO驱动电路如图 2－ 9所示 。
2.2.5 GTO的驱动
二极管 VD1和电容 C1提供 +5V电压
VD2,VD3,C2,C3构成倍压整流电路提供 +15V电压
VD4和电容 C4提供 -15V电压
V1开通时,输出正强脉冲
V2开通时输出正脉冲平顶部分
V2关断而 V3开通时输出负脉冲
V3关断后 R3和 R4提供门极负偏压
50 kH z
50 V
G T O
N
1
N
2
N
3
C
1
C
3
C
4
C
2
R
1
R
2
R
3
R
4
V
1
V
3
V
2
L
VD
1
VD
2
VD
3
VD
4
图 2－ 9 典型的直接耦合式
GTO驱动电路
2.3 电力场效应晶体管
2.3.1 概述
2.3.2 电力 MOSFET的结构和工作原理
2.3.3 电力 MOSFET的基本特性
2.3.4 电力 MOSFET的主要参数
2.3.5 电力 MOSFET的驱动返回
2.3.1 概述
也分为 结型 和 绝缘栅型 （ 类似小功率
FET）
但通常主要指 绝缘栅型 中的 MOS型 简称 电力 MOSFET
结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管返回
2.3.1 概述
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
2.3.2 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沟道增强型返回
2.3.2 电力 MOSFET的结构和工作原理
电力 MOSFET的结构
N
+
G
S
D
P 沟道
b)
N
+
N
-
S
G
D
P P
N
+
N
+
N
+
沟道
a)
G
S
D
N 沟道图1 - 1 9
图 2－ 10 电力 MOSFET的结构和电气图形符号
2.3.2 电力 MOSFET的结构和工作原理
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
电力 MOSFET的多元集成结构
国际整流器公司的 HEXFET采用了六边形单元
西门子公司的 SIPMOSFET采用了正方形单元
摩托罗拉公司的 TMOS采用了矩形单元按,品,
字形排列
2.3.2 电力 MOSFET的结构和工作原理
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——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结构的
VDMOSFET
这里主要以 VDMOS器件为例进行讨论
2.3.2 电力 MOSFET的结构和工作原理
电力 MOSFET的工作原理
截止,漏源极间加正电源,栅源极间电压为零
P基区与 N漂移区之间形成的 PN结 J1反偏,漏源极之间无电流流过
2.3.2 电力 MOSFET的结构和工作原理
电力 MOSFET的工作原理
导电,在栅源极间加正电压 UGS
栅极是绝缘的,所以不会有栅极电流流过 。 但栅极的正电压会将其下面 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 N沟道而使 PN结 J1消失,漏极和源极导电
2.3.3 电力 MOSFET的基本特性
1) 静态特性
0
10
20
30
50
40
图1 - 2 0
2 4 6 8
a)
10
20
30
50
40
0
b)
10 20 30 5040
饱和区非饱和区截止区
I
D
/
A
U
T
U
GS
/ V
U
DS
/ V
U
GS
= U
T
= 3 V
U
GS
= 4 V
U
GS
= 5 V
U
GS
= 6 V
U
GS
= 7 V
U
GS
= 8 V
I
D
/
A
图 2－ 11 电力 MOSFET的转移特性和输出特性
a) 转移特性 b) 输出特性返回
2.3.3 电力 MOSFET的基本特性
漏 极 电 流 ID 和 栅 源 间 电 压 UGS 的 关 系 称 为
MOSFET的转移特性
ID较大时,ID与 UGS的关系近似线性,曲线的斜率定义为 跨导 Gfs
2.3.3 电力 MOSFET的基本特性
MOSFET的漏极伏安特性 （ 输出特性 ）,
截止区 （ 对应于 GTR的截止区 ）
饱和区 （ 对应于 GTR的放大区 ）
非饱和区 （ 对应于 GTR的饱和区 ）
电力 MOSFET工作在开关状态,即在截止区和非饱和区之间来回转换
电力 MOSFET漏源极之间有寄生二极管,漏源极间加反向电压时器件导通
电力 MOSFET的通态电阻具有正温度系数,对器件并联时的均流有利
2.3.3 电力 MOSFET的基本特性
2) 动态特性
a ） b )
图1 - 2 1
R
s
R
G R
F
R
L
i
D
u
GS
u
p
i
D
信号
+ U
E
i
D
O
O
O
u
p
t
t
t
u
GS
u
G S P
u
T
t
d ( on)
t
r
t
d ( of f )
t
f
图 2－ 12 电力 MOSFET的开关过程
a) 测试电路 b) 开关过程波形
up—脉冲信号源,Rs—信号源内阻,RG—栅极电阻,RL—负载电阻,RF—检测漏极电流
2.3.3 电力 MOSFET的基本特性
开通过程 （ 开关过程 图 ）
开通延迟时间 td(on) —— up前沿时刻到 uGS=UT并开始出现 iD的时刻间的时间段
上升时间 tr—— uGS从 uT上升到 MOSFET进入非饱和区的栅压
UGSP的时间段
iD稳态值由漏极电源电压 UE和漏极负载电阻决定
UGSP的大小和 iD的稳态值有关
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
2.3.3 电力 MOSFET的基本特性
关断过程 （ 开关过程图 ）
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 uGS<UT
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
2.3.3 电力 MOSFET的基本特性
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 。
2.3.4 电力 MOSFET的主要参数除跨导 Gfs,开启电压 UT以及 td(on),tr,td(off)和 tf之还有,
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
返回
2.3.4 电力 MOSFET的主要参数
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
2.3.4 电力 MOSFET的主要参数
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
10m s
1m s
DC
10us
I D
0 V DS
图 2－ 13 MOSFET正向偏置安全工作区（图中的时间表示脉冲宽度）
2.3.5 电力 MOSFET的驱动
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 。
典型的电力 MOSFET的驱动电路如图 2－ 14所示 。
返回
2.3.5 电力 MOSFET的驱动
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
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。
A
+
-
M O S F E T
20 V
20 V
u
i
R
1 R
3
R
5
R
4
R
2
R
G
V
1
V
2
V
3
C
1
- V
CC
+ V
CC
图 2－ 14 电力 MOSFET的一种驱动电路
2.4 绝缘栅双极晶体管
2.4.1 概述
2.4.2 IGBT的结构和工作原理
2.4.3 IGBT的基本特性
2.4.4 IGBT的主要参数
2.4.5 IGBT的擎住效应和安全工作区
2.4.6 IGBT的驱动返回
2.4.1 概述
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器件返回
2.4.1 概述
绝缘栅双极晶体管 （ IGBT或 IGT）
GTR和 MOSFET复合,结合二者的优点,具有好的特性
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
2.4.2 IGBT的结构和工作原理
IGBT是三端器件：栅极 G,集电极 C和发射极 E
E G
C
N
+
N
-
a)
P
N
+
N
+
P
N
+
N
+
P
+
发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J 3 J
2
J
1
G
E
C
+
-
+-
+
-
I
D
R
N
I
C
V
J1
I
D
R
on
b )
G
C
c )
图 2－ 15 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) 电气图形符号返回
2.4.2 IGBT的结构和工作原理
IGBT的结构 （ 显示图 ）
图 2－ 15（ a） —N沟道 VDMOSFET与 GTR组合 ——N沟道
IGBT（ N-IGBT）
IGBT比 VDMOSFET多一层 P+注入区,形成了一个大面积的 P+N结 J1
——使 IGBT导通时由 P+注入区向 N基区发射少子,从而对漂移区电导率进行调制,使得 IGBT具有很强的通流能力
简化等效电路表明,IGBT是 GTR与 MOSFET组成的达林顿结构,一个由 MOSFET驱动的厚基区 PNP晶体管
RN为晶体管基区内的调制电阻
2.4.2 IGBT的结构和工作原理
IGBT的原理驱动原理与电力 MOSFET基本相同,场控器件,通断由栅射极电压 uGE决定
导通,uGE大于 开启电压 UGE(th)时,MOSFET内形成沟道,为晶体管提供基极电流,IGBT导通
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
2.4.3 IGBT的基本特性
1) IGBT的静态特性
O
有源区正向阻断区饱和区反向阻断区
a ) b )
I
C
U
G E ( t h)
U
GE
O
I
C
U
RM
U
FM
U
CE
U
G E ( t h)
U
GE
增加图 2－ 16 IGBT的转移特性和输出特性
a) 转移特性 b) 输出特性返回
2.4.3 IGBT的基本特性
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
uCE<0时,IGBT为反向阻断工作状态
2.4.3 IGBT的基本特性
2) IGBT的动态特性
t
t
t
10%
90%
10%
90%
U
CE
I
C
0
O
0
U
GE
U
G E M
I
CM
U
CE M
t
f v 1
t
f v 2
t
o f f
t
on
t
f i 1
t
f i 2
t
d (o f f )
t
f
t
d (o n )
t
r
U
CE (o n )
U
G E M
U
G E M
I
CM
I
CM
图 2－ 17 IGBT的开关过程
2.4.3 IGBT的基本特性
IGBT的开通过程 （ 开关过程图 ） 与 MOSFET的相似,
因为开通过程中 IGBT在大部分时间作为 MOSFET运行
开通延迟时间 td(on) ——从 uGE上升至其幅值 10%的时刻,
到 iC上升至 10%ICM2
电流上升时间 tr——iC从 10%ICM上升至 90%ICM所需时间
开通时间 ton——开通延迟时间与电流上升时间之和
uCE的下降过程分为 tfv1和 tfv2两段。 tfv1——IGBT中
MOSFET单独工作的电压下降过程； tfv2——MOSFET和
PNP晶体管同时工作的电压下降过程
2.4.3 IGBT的基本特性
IGBT的关断过程 （ 开关过程图 ）
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下降至 90%ICM
电流下降时间 tf——iC从 90%ICM下降至 10%ICM
关断时间 toff——关断延迟时间与电流下降之和
电流下降时间又可分为 tfi1和 tfi2两段 。
tfi1——IGBT内部的 MOSFET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
2.4.3 IGBT的基本特性
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
2.4.4 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返回
2.4.4 IGBT的主要参数
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
2.4.5 IGBT的擎住效应和安全工作区
E G
C
N
+
N
-
a)
P
N
+
N
+
P
N
+
N
+
P
+
发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J 3 J
2
J
1
G
E
C
+
-
+-
+
-
I
D
R
N
I
C
V
J1
I
D
R
on
b )
G
C
c )
图 2－ 15 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) 电气图形符号返回
2.4.5 IGBT的擎住效应和安全工作区
寄生晶闸管 —— 由一个 N-PN+晶体管和作为主开关器件的 P+N-P晶体管组成
正偏安全工作区 ——最大集电极电流,最大集射极间电压和最大集电极功耗确定
反向偏置安全工作区 ——最大集电极电流,最大集射极间电压和最大允许电压上升率 duCE/dt
确定
2.4.5 IGBT的擎住效应和安全工作区
擎住效应或自锁效应
NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻,P形体区的横向空穴电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,栅极就会失去对集电极电流的控制作用,电流失控
动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小
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决
IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起,制成模块,成为逆导器件
2.4.6 IGBT的驱动
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。
M57962L型 IGBT驱动器的内部结构 和外部接线如图 2－ 18
所示 。
返回
2.4.6 IGBT的驱动
13
故障指示检测端
V
CC
接口电路门极关断电路定时及复位电路检测电路
4
1
5
8
6
14
13
u
o
V
EE
8
1
5
4
6
- 10 V
+ 15 V
30 V
+5 V
M 57962 L
14
u
i
1
快恢复
t
rr
≤0,2? s
4,7 k?
3,1?
100? F
100? F
图 2－ 18 M57962L型 IGBT驱动器的内部结构和外部接线图
2.5 MOS控制晶闸管
2.5.1 概述
2.5.2 MCT的结构和工作原理
2.5.3 MCT的基本特性
2.5.4 MCT的主要参数
2.5.5 MCT的门极驱动返回
2.5.1 概述综合利用晶闸管高电压、大电流技术与
MOSFET控制技术，研制出 MOS控制晶闸管复合器件。这种复合器件的基本结构是一个晶闸管与一个或几个 MOSFET的集成。根据门极控制方法的不同,MOS晶闸管可分为 MOS－ GTO(MCT)和 MOS光控晶闸管。 MCT将 MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率与快的开关速度和 SCR的高压大电流结合在一起，成为 80年代末最热门的器件之一。
返回
2.5.2 MCT的结构和工作原理
MCT是在 SCR结构中集成了一对 MOSFET，通过 MOSFET
来控制 SCR的导通与关断。
使 MCT导通的 P沟道 MOSFET称为 ON－ FET。
使 MCT关断的 N沟道 MOSFET称为 OFF－ FET。
MCT是采用 DMOSFET集成电路工艺制成的。一个 MCT
大约 105个单胞。每个单胞含有一个宽基区的 NPN晶体管和一个窄基区 PNP晶体管以及一个 OFF－ FET。
OFF－ FET连接在 PNP晶体管的基射极之间，另有 4％
的单胞含有 ON－ FET，连接在 PNP晶体管的集射极之间，这两组的 MOSFET栅极连接在一起，构成 MCT的单门极。含有 ON－ FET的 MCT单胞如图 2－ 19所示。
返回
2.5.2 MCT的结构和工作原理门极
N
P
－
N
+
P
+
P P
N
+
N
+
阴 极阳 极
ON － F ET
沟道
O FF － F ET
沟道图 2－ 19 MCT的典型结构
2.5.2 MCT的结构和工作原理
MCT的等效电路和符号如图 2－ 20所示
O F F － F ET O N － F ET
门极阴极阳极图 2－ 20 MCT的等效电路与符号
2.5.2 MCT的结构和工作原理
在结构上 MCT需要用双门极控制，对外只有单门极，门极信号以阳极为基准而不是以阴极为基准。
当门极相对阳极加负脉冲电压时,ON－ FET导通它的漏极电流使
NPN晶体管导通。 NPN晶体管又使 PNP晶体管导通，并且形成正反馈触发过程。通过正反馈的循环使?PNP+?NPN?1，于是,MCT
导通。
当门极相对阳极加正脉冲电压时,OFF－ FET导通,PNP晶体管基极电流中断,PNP晶体管被切断，破坏了正反馈过程,于是，
MCT关断。
一般来说，－ 5V～－ 10V脉冲电压可使 MCT导通，＋ 10V脉冲电压可使 MCT关断。
2.5.3 MCT的基本特性
1,静态正向特性
MCT实质上是一个 MOS控制的晶闸管。在静态时，其内含的
MOSFET不起作用,MCT相当于晶闸管，因此具有高的阻断电压和低的通态压降。其正向伏安特性如图 2－ 17所示。
MCT的正向伏安特性随温度升高左移，也就是说，温度升高管压降减小，但反向漏电流增大。
MCT的实际工作温度一般在－ 55oC～ 150oC。
MCT的正向伏安特性类似于二极管，在很大的电流下，通态电压仅有一定程度的增加，十分适合于大电流场合。同时，
MCT又是双注入器件，通态电压随阻断电压的升高变化不大，
所以，在高电压场合更具优势。
返回
2.5.3 MCT的基本特性
1,0
0,5 1,0 2,0 1.5 2.5
100 0
0
10 0
1 0
N － MOSF ET
达林顿
N － I G BT
P － M C T
N － M C T
图 2－ 21 MCT正向伏安特性
2.5.3 MCT的基本特性
2,开关特性
MCT由内含的 MOSFET控制其开通与关断，开关机理与晶闸管不同。特别是在 MCT中，无论是开通或关断，都是在芯片各个部分同时进行的，与晶闸管相比,MCT具有较快的开关速度。 MCT
典型的感性开关电路与相应的开关波形如图 2－ 22所示。
I k
V k
2 0 0 uH
图 2－ 22（ a） MCT典型的感性开关电路
2.5.3 MCT的基本特性图 2－ 22（ b） MCT开关波形
TD(off)
I
90%
TFI
TRI
TD(on)I
10%
vG
IK
-VKA
2.5.3 MCT的基本特性
MCT的关断有两个过程：先破坏晶闸管的擎住条件，然后使器件两个基区中的过剩载流子复合。表征关断过程的参数主要是关断时间和关断损耗。
关断时间由关断延时时间 TD（ off） I和关断电流下降时间 TFI组成，如图 2－ 22（ b）所示。
关断损耗 Eoff的定义则是，从 VG上升变化 10％的时刻起到 IK＝
0的时间内，瞬时功耗 VKAIK对时间的积分。
2.5.3 MCT的基本特性
MCT的关断特性与阴极电流、阴阳极电压和温度等有关。
阴极电流增大，关断延时时间 TD（ off） I减小；关断电流下降时间 TFI略微增大。
阴阳极电压数值增大，关断延时时间 TD（ off） I增大；关断电流下降时间 TFI减小。
温度升高，关断延时时间 TD（ off） I、关断电流下降时间 TFI、关断损耗均增大。
2.5.3 MCT的基本特性
MCT开通过程中的参数变化远没有关断过程那样剧烈。阴极电流上升的同时，阳－阴极之间的电压是在减小的，
可避免开通过程中同时产生峰值电流和峰值电压，并使开通损耗减小。表征开通特性的参数开通时间 TON和开通损耗 EON。
开通时间 TON包括开通延迟时间 TD（ ON） I和开通电流上升时间 TRI，
其定义如图 2－ 22（ b）所示。
开通损耗 EON的定义则是，从 VG下降变化 10％的时刻起到 VKA=VTM
的时间内，瞬时功耗 VKAIK对时间的积分。（ VTM是 MCT的通态压降）
2.5.3 MCT的基本特性
MCT的关断特性与阴极电流、阴阳极电压等有关。
阴极电流增大，开通延时时间 TD（ ON） I增大；开通电流上升时间 TRI略微增大。
阴阳极电压数值增大，开通延时时间 TD（ ON） I增大；开通电流上升时间 TRI减小。
2.5.3 MCT的基本特性
3,安全工作区
MCT无正偏安全工作区。在没有吸收电路时的反偏安全工作区，也即是 MCT关断时的电流与电压极限容量，如图 2－
23所示。它们与结温、电流和工作周期等有关。
当工作电流超出安全工作区时,MCT可能失效。但是当峰值可控电流超出安全工作区时,MCT不会像 GTO那样损坏，
而只是不能用门极信号关断而已。
2.5.3 MCT的基本特性图 2－ 23 MCT的安全工作区
100
6 00
5 00
4 00
3 00
3 00 4 00
2 00
100 2 00 0
0
15 0
o
C SO A
3
00
o
C
2
00
o
C
15
0
o
C
10
0
o
C
峰值可控电流 （ A ）
M
CT
阳
－阴电压
（
V
）
2 5 0
o
C
15 0
o
C
5 0
o
C
2.5.4 MCT的主要参数
MCT的特性参数分为两大类：绝对最大额定值和电特性值。
绝对最大额定值：在任何情况下都不能超越，否则器件讲损坏。
电特性值：一般已最小值、典型值、最大值的形式给出，它们与测试方法和应用条件密切相关。在实际应用中，若特性值应用，器件本省不一定损坏，单可能导致电路的工作失常。
MCT的主要参数包括：断态峰值电压 VDRM、反向峰值电压
VRRM、阴极连续电流 IKXX、阴极非重复峰值电流 ITSM、峰值可控制电流 ITC、门阳极电压（连续） VGA、门阳极电压（峰值）
VGAM、电流变化率 di/dt,最大功耗 PT、工作与储存温度 Tj，
Tstg和最大引线焊接温度 TL。
返回
2.5.4 MCT的主要参数
MCT是非反向阻断器件，反向峰值电流 VRRM很低（大约 5V左右,MCT35P60F1），但是使用时还需反并联二极管。
阴极非重复峰值电流 ITSM是通态脉宽下所允许的流过器件的最大电流限制允许峰值电流和脉宽的是结温。
当 MCT门极通过换向信号时额定关断的最大阴极电流称器件的峰值可控制电流 ITC。
美国 Harris公司生产的型号为 MCT35P60F1的 MCT的主要参数见表 2－ 1所示。
2.5.4 MCT的主要参数参数 符号 数值 备注断态峰值电压 V
D R M
- 600V
除非特别注明,
T
j
＝ 25
o
C
反向峰值电压 V
RRM
+ 5V
阴极连续电流
T
C
＝ 25
o
C
T
C
＝ 1 15
o
C
I
K 25
I
K 1 15
60A
35A
最大脉宽 2 00u s（正弦半波），假设
T
j 起始
＝ 90
o
C
T
j 最后
＝ T
j 最大
＝ 150
o
C
阴极非重复峰值电流 I
T SM
800A
峰值可控电流 I
TC
50A
门－阳极电压（连续） V
GA
± 20V
门－阳极电压（峰值） V
G A M
± 25V
电流变化率 di / dt 800 A / us
最大功耗 P
T
178W
线性降额因子 1.43W /
o
C
工作和储存温度 T
J
,T
s tg
- 55~ 150
o
C
最大引线焊接温度 T
L
260
o
C
表 2－ 1 MCTG35P60F1的最大额定值
2.5.5 MCT的门极驱动
MCT具有 MOS门极，因而门极驱动比较容易实现。
门极电容的典型值为 10nF，在开关动作期间基本上没有 miller效应（对 MOSFET或 IGBT的栅极和漏极或集电极之间的结电容称 miller电容，从而使得栅极驱动电压波形上升沿有一小段平台，这就称作 miller效应）的电容电流，门极的驱动要求进一步简化。
返回
2.5.5 MCT的门极驱动
1,门极驱动波形
MCT的额定性能对门极驱动波形在幅值和上升时间两方面都有一定的要求。图 2－ 24给出了 MCT门极驱动波形的边界极限。在 MCT开通或关断的门极脉冲期间，门极波形应处于稳态极限之内。在门极波形变换过程中，门极波形应处于阴影线所示范围之内。
2.5.5 MCT的门极驱动图 2－ 24 推荐的 MCT门极电压驱动波形关断 导通时间（ us）
稳态
MCT
导通稳态
MCT
关断门
－
阳极电压
（
V
）
－ 25
10
5
－ 5
－ 10
－ 15
－ 20
15
20
25
0 1 2 210
2.5.5 MCT的门极驱动
负电压幅值 在 MCT的门极上施加相对于阳极为负值的门极电压时,MCT开通。由于 MCT内部的输出极为晶闸管，一旦阴极电流超过器件的维持电流（毫安级），器件将完全进入通态。－ 7V的稳态开通极限电压将保证 MCT开通，但最高不能低于－ 20V。
电压的负转换过程 MCT与其它 MOS门极器件相比，
它的门极不能控制开关时间。允许门极电压在负转换过程中有过冲，但幅值不能低于－ 25V，维持时间不超过 1,8us。
2.5.5 MCT的门极驱动
正电压幅值 在 MCT的门极上施加相对于阳极为正值的门极电压时,MCT关断或维持断态。 7V的稳态关断极限电压将保证 MCT维持断态，但最高不能超过 20V。
在关断过程中，要求门极电压大于 18V，持续时间大于
1,5us，但最高电压不能超过 25V。
电压的正转换过程 MCT是通过内部 MOSFET短路
PNP晶体管的基射结实现关断的。为了实现最大关断容量，短路的 FET必须均匀而快速地开通，以保证
MCT关断相同的电流。因此，门极电压正转换时间不能超过 200ns，允许门极电压有一定地过冲，但必须大于 18V小于 25V。
2.5.5 MCT的门极驱动
MCT门极驱动电压波形的边界极限总结：
1) 由于 MCT内部 MOSFET地高温直流阻断能力，限定了＋ 20V
和－ 20V地直流电压极限。
2) 持续 1,5us的最小为＋ 18V的电压使电流流过内部 OFF－ FET
时，其阻抗很小，从而保证额定的关断容量。
3) MCT关断时最小为＋ 7V的电压是 OFF－ FET阀值电压的 2～ 3
倍，保证了器件不会因 dv/dt或漏电流而开通。
4) 200ns的上升和下降时间保证了所有单胞像一个整体，否则性能会下降。
5)?25V瞬态峰值电压取决于器件的重复瞬态击穿电压，典型值至少为 40V。
6) － 7V的最小值是 MCT内部 ON－ FET阀值电压的 2～ 3倍，能保证良好的开通。
2.5.5 MCT的门极驱动
2,门极驱动对关断电流的影响
在 MCT完全关断之前，门极电压必须达到并维持推荐值，
如果降低正的最小稳态门极电压，则 MCT的关断能力下降。
如果增大正的门极电压转换时间，则 MCT的关断能力下降。
门极驱动条件与可关断电流之间的关系如图 2－ 25所示。
2.5.5 MCT的门极驱动
25
6 0
20
15
10
35
30
5
80
100
20
0
40
0,03
0
1,0 3,0 10 30 100 0,10 0,30 0,01
温度,150
o
C
门极电压,5V
600V P － MC T
门极可关断电流（
A
）
门极上升 时间（ us ）
图 2－ 25（ a） Ioff与门极电压上升时间之间的关系
2.5.5 MCT的门极驱动
50
67
83
17
0
33
2
0
8 10 12 14
160
4 6 0
温度,150
o
C
门极上升时间,200ns
600V MCT 100
18 20
14 0
13 0
12 0
11 0
10 0
9 0
8 0
7 0
6 0
5 0
1 0
2 0
3 0
4 0
门极电压（ V ）
门极可关断电流（
A
）
图 2－ 25（ b） Ioff与门极电压之间的关系
2.5.5 MCT的门极驱动
3,MCT门极驱动的典型电路
MCT的门极驱动电路有很多种，其中较常用的是由集成功率驱动器 UC3705构成的驱动电路如图 2－ 26所示。
图 2－ 26 MCT门极驱动电路
+ 2 8 V
光接收器反向输入无感输入输出
A
K
R1
R2
C2
C1
G
R 3
R 4
U C 3 7 0 5
Vc
G N D
2.6 其它新型功率器件
除了我们前面介绍的几种功率器件外，还有一些常用的功率器件，如：静电感应晶体管 SIT；静电感应晶闸管 SITH；集成门极换流晶闸管 IGCT；功率模块与功率集成电路。
1,静电感应晶体管 SIT
SIT诞生于 1970年，实际上是一种结型场效应晶体管。一般的 SIT为横向导电结构，功率 SIT为纵向导电结构。 SIT是一种多子导电器件，其工作频率与电力 MOSFET相当，甚至超过电力 MOSFET，其容量亦比 MOSFET大。 SIT在栅极不加任何信号时导通，加负压时关断，称正常导通型器件，使用不方便。
返回
2.6 其它新型功率器件
2,静电感应晶闸管 SITH
静电感应晶闸管 SITH诞生于 1972年，是在 SIT的漏极层上附加一层于漏极层导电类型不同的发射极层而得到的。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又称作场控晶闸管。 SITH是双极型器件，通态压降低，
通流能力强。开关速度比 GTO高的多，是大容量的快速器件。
SITH一般也是正常通器件，但也有正常关断型。其制造工艺比
GTO复杂的多。
2.6 其它新型功率器件
3,集成门极换流晶闸管 IGCT
IGCT有的厂家称 GCT，即门极换流晶闸管，是
20世纪 90年代后期出现的新型电力电子器件。 IGCT
将 IGBT与 GTO的优点结合起来，其容量与 GTO相当，
但开关速度比 GTO快 10倍，而且可省去 GTO应用时庞大而复杂的缓冲电路，其所需的驱动功率仍然很大。
2.6 其它新型功率器件
4,功率模块与功率集成电路
20世纪 80年代中后期，电力电子器件开始出现模块化结构，如 IGBT模块等，这种模块称作功率模块。后来将电力电子器件与逻辑、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，则称作功率集成电路。与功率集成电路类似的还有：高压集成电路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。
图 2－ 1 电力二极管的外形、结构和电气图形符号
A
K
A K
a)
I
KA
P N
J
b)
c)
返回图 2－ 2 PN结的形成 -。 -。 -。
-。 -。 -。
-。 -。 -。
-。 -。 -。
-。 -。 -。
+
·
+
·
+
·
+
·
+
·
+
·
+
·
+
·
+
·
+
·
+
·
+
·
+
·
+
·
+
·
+-
+-
+-
+-
+-
空间电荷区P 型区 N 型区内电场返回图 2－ 3 电力二极管的伏安特性
I
O
I
F
U
TO
U
F
U
返回图 2－ 4 电力二极管的动态过程波形
b)
U
FP
u
i
i
F
u
F
t
fr
t0
2V
a)
I
F
U
F
t
F
t
0
t
rr
t
d
t
f
t
1
t
2
t
U
R
U
RP
I
RP
d i
F
d t
d i
R
d t
正向偏置转换为反向偏置 零偏置转换为正向偏置返回图 2－ 5 GTO的内部结构和电气图形符号
c)
图1 - 1 3
A
G K G G
K
N
1
P
1
N
2
N
2 P
2
b)a)
A
G
K
返回
R
N P N
P N P
A
G
S
K
E
G
I
G
E
A
I
K
I
c2
I
c1
I
A
V
1
V
2
P
1
A
G
K
N
1
P
2
P
2
N
1
N
2
a) b)
图 2－ 6 GTO元或晶闸管的等效电路返回图 2－ 7 GTO的开通和关断过程电流波形
O
t
0 t
图1 - 1 4
i
G
i
A
I
A
90% I
A
10% I
A
t
t
t
f
t
s
t
d
t
r
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
t
6
返回图 2－ 8 推荐的 GTO门极电压电流波形
O
t
t
O
u
G
i
G
返回图 2－ 9 典型的直接耦合式 GTO驱动电路
50 kH z
50 V
G T O
N
1
N
2
N
3
C
1
C
3
C
4
C
2
R
1
R
2
R
3
R
4
V
1
V
3
V
2
L
VD
1
VD
2
VD
3
VD
4
返回图 2－ 10 电力 MOSFET的结构和电气图形符号
N
+
G
S
D
P 沟道
b)
N
+
N
-
S
G
D
P P
N
+
N
+
N
+
沟道
a)
G
S
D
N 沟道图1 - 1 9
a)内部结构断面示意图 b)电气图形符号返回图 2－ 11 电力 MOSFET的转移特性和输出特性
0
10
20
30
50
40
图1 - 2 0
2 4 6 8
a)
10
20
30
50
40
0
b)
10 20 30 5040
饱和区非饱和区截止区
I
D
/
A
U
T
U
GS
/ V
U
DS
/ V
U
GS
= U
T
= 3 V
U
GS
= 4 V
U
GS
= 5 V
U
GS
= 6 V
U
GS
= 7 V
U
GS
= 8 V
I
D
/
A
a)转移特性 b)输出特性返回图 2－ 12 电力 MOSFET的开关过程
a ） b )
图1 - 2 1
R
s
R
G R
F
R
L
i
D
u
GS
u
p
i
D
信号
+ U
E
i
D
O
O
O
u
p
t
t
t
u
GS
u
G S P
u
T
t
d ( on)
t
r
t
d ( of f )
t
f
a) 测试电路 b)开关过程波形
up—脉冲信号源,Rs—信号源内阻,RG—栅极电阻,RL—负载电阻,RF—检测漏极电流返回图 2－ 13 MOSFET正向偏置安全工作区
（图中的时间表示脉冲宽度）
10m s
1m s
DC
10us
I
D
0 V DS
返回图 2－ 14 电力 MOSFET的一种驱动电路
A
+
-
M O S F E T
20 V
20 V
u
i
R
1 R
3
R
5
R
4
R
2
R
G
V
1
V
2
V
3
C
1
- V
CC
+ V
CC
返回图 2－ 15 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号
E G
C
N
+
N
-
a)
P
N
+
N
+
P
N
+
N
+
P
+
·￠ é¤
ˉ μ
×￠ è
o 3
ˉ òJ
3
J
2
J
1
G
E
C
+
-
+-
+
-
I
D
R
N
I
C
V
J1
I
D
R
on
b )
G
C
c )
E
a)内部结构断面示意图 b)简化等效电路 c)电气图形符号返回图 2－ 16 IGBT的转移特性和输出特性
O
有源区正向阻断区饱和区反向阻断区
a ) b )
I
C
U
G E ( t h)
U
GE
O
I
C
U
RM
U
FM
U
CE
U
G E ( t h)
U
GE
增加
a)转移特性 b)输出特性返回图 2－ 17 IGBT的开关过程
t
t
t
10%
90%
10%
90%
U
CE
I
C
0
O
0
U
GE
U
G E M
I
CM
U
CE M
t
f v 1
t
f v 2
t
o f f
t
on
t
f i 1
t
f i 2
t
d (o f f )
t
f
t
d (o n )
t
r
U
CE (o n )
U
G E M
U
G E M
I
CM
I
CM
返回图 2－ 18 M57962L型 IGBT驱动器的内部结构和外部接线图
13
故障指示检测端
V
CC
接口电路门极关断电路定时及复位电路检测电路
4
1
5
8
6
14
13
u
o
V
EE
8
1
5
4
6
- 10 V
+ 15 V
30 V
+5 V
M 57962 L
14
u
i
1
快恢复
t
rr
≤0,2? s
4,7 k?
3,1?
100? F
100? F
返回图 2－ 19 MCT的典型结构门极
N
P
－
N
+
P
+
P P
N
+
N
+
阴 极阳 极
ON － F ET
沟道
O FF － F ET
沟道返回图 2－ 20 MCT的等效电路与符号
O F F － F ET O N － F ET
门极阴极阳极返回图 2－ 21 MCT
正向伏安特性
1,0
0,5 1,0 2,0 1.5 2.5
100 0
0
10 0
1 0
N － MOSF ET
达林顿
N － I G BT
P － M C T
N － M C T
返回图 2－ 22（ a） MCT典型的感性开关电路
I k
V k
2 0 0 uH
返回图 2－ 22（ b） MCT开关波形
TD(off)I
90%
TFI
TRI
TD(on)I
10%
vG
IK
-VKA
返回图 2－ 23 MCT的安全工作区
100
6 00
5 00
4 00
3 00
3 00 4 00
2 00
100 2 00 0
0
15 0
o
C SO A
3
00
o
C
2
00
o
C
15
0
o
C
10
0
o
C
峰值可控电流 （ A ）
M
CT
阳
－阴电压
（
V
）
2 5 0
o
C
15 0
o
C
5 0
o
C
返回图 2－ 24 推荐的 MCT门极电压驱动波形关断 导通时间（ us）
稳态 MCT
导通稳态 MCT
关断门－
阳极电压
（ V
）
－ 25
10
5
－ 5
－ 10
－ 15
－ 20
15
20
25
0 1 2 210
返回图 2－ 25（ a） Ioff与门极电压上升时间之间的关系
25
6 0
20
15
10
35
30
5
80
100
20
0
40
0,03
0
1,0 3,0 10 30 100 0,10 0,30 0,01
温度,150
o
C
门极电压,5V
600V P － MC T
门极可关断电流（
A
）
门极上升 时间（ us ）
返回图 2－ 25（ b） Ioff与门极电压之间的关系
50
67
83
17
0
33
2
0
8 10 12 14
160
4 6 0
温度,150
o
C
门极上升时间,200ns
600V MCT
100
18 20
14 0
13 0
12 0
11 0
10 0
9 0
8 0
7 0
6 0
5 0
1 0
2 0
3 0
4 0
门极电压（ V ）
门极可关断电流（
A
）
返回图 2－ 26 MCT门极驱动电路
+ 2 8 V
光接收器反向输入无感输入输出
A
K
R1
R2
C2
C1
G
R 3
R 4
U C 3 7 0 5
Vc
G N D
返回
