电力电子技术（第一篇）

第一章 绪论

1.1什么是电力电子技术

1.2 电力电子技术的发展史

1.3 电力电子技术的应用

第二章 电力电子器件

2.1 电力电子器件的概述

2.1.1 电力电子器件的概念和特征

2.1.2 应用电力电子器件的系统组成

2.1.3 电力电子器件的分类

2.2 不可控器件——二极管

2.2.1 PN结和电力二极管的工作原理

2.2.2 电力二极管的基本特性

2.2.3 电力二极管的主要参数

2.2.4 电力二极管的主要类别

2.3 半控型器件——晶闸管

2.3.1 晶闸管的结构和原理

2.3.2 晶闸管的基本特性

2.3.3 晶闸管的主要参数

2.3.4 晶闸管的派生器件

2.4 典型全控型器件

2.4.1 门极可关断晶闸管

2.4.2 电力晶体管

2.4.3 电力场效应晶体管

2.4.4 绝缘栅双极晶体管

2.5 其他新型电力电子器件

2.5.1 MOS控制晶闸管MCT

2.5.2 静电感应晶体管SIT

2.5.3 静电感应晶闸管SITH??

2.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT

2.5.5 基于宽禁带半导体的电力电子器件

2.6 功率集成模块和集成电力电子模块

前言

参考教材：王兆安老师的电力电子技术第5版??

http://链接：https://pan.baidu.com/s/1jt78zpy-OnjCypj0DEYJew?pwd=ye8j
参考ppt:? ? ?衡真教育

目的：分享自己的见解帮助其他人也方便自己复习

本书的框架：

1.1 什么是电力电子技术

• 电力电子技术变换的“电力”，可以大到MW甚至GW，也可以小到数W甚至mW级
• 电力电子技术——使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术
• 电力变换的四大类? ：交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流
• 
• 进行电力变换的技术称为变流技术
• 目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件
• 电力电子技术的两大分支
• 
• 与学科的相关关系

• 

• 1.2 电力电子技术的发展史? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

• 
• 一般认为，电力电子器件的产生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的

• 1.3 电力电子技术的应用

• 
• 一般工业
• 
• 
• 交通运输
• 
• 电力系统
• 
• 例如
• 
• 电子装置用电源
• 
• 电子装置用电源
• 
• UPS的简图
• 
• 
• 家用电器
• 
• 电子镇流器
• 
• 总结
• 

• 2.1 电力电子器件的概述

• 2.1.1电力电子器件的概述和特征

• 
• 
• 
• 硬开关和软开关
• 硬开关：开关过程中电压和电流均不为零，有显著的开关损耗。波形重叠，导致开关噪声
• 
• 软开关
• 在开关过程中前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了开关过程中电压电流的重叠，从而大大减小甚至消除了开关损耗，同时谐振过程限制了开关过程中电压、电流的变化率，这使得开关噪声显著减小
• 软开关技术分为零电压和零电流开关

• 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成

• 电力电子系统：有控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成
• 

• 2.1.3 电力电子器件的分类

• 按照器件能够被控制的程度分为三类
• 半控型器件（晶闸管Thyristor)——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断
• 全控型器件（IGBT、IGCT、GTO、GTR）——通过控制信号可以控制其导通也可以控制其关断，也称自关断器件
• 不可控器件（power diode)——不能用控制信号来控制其关断，因此不需要驱动电路
• 按照驱动电路信号的性质，分为两类
• 电流驱动型——通过从控制端注入或抽出电流来实现导通或者关断的控制
• 电压驱动型——仅通过控制端和公共端之间施加一定的电压信号实现导通和关断的控制
• 按照驱动信号的波形（电力二极管除外）
• 脉冲触发型——通过在控制端施加一个电流或者电压信号来实现器件的开通与关断
• 电平控制型——必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电流和电压信号来使器件开通并维持在导通状态或者关断并维持在关断状态
• 按照载流子和导电情况
• 单极性器件——只有一种载流子参与导电
• 双极性器件——由电子和空穴两种载流子参与导电
• 复合型器件——由单极性器件和双极性器件复合而成（也称复合型器件)

• 2.2 不可控器件——电力二极管

• 
• 电力二极管是以半导体PN结为基础的，由一个面积较大的PN结和两端引线以即封装组成的，从外形上看，可以有螺栓型和平板型等多种封装
• 半导体的基础知识：在物理学中，根据材料的导电能力，可以将他们划分成导体、绝缘体、半导体。典型的半导体是硅si 和锗ge ，他们都是4价元素。

• 本征半导体：化学成分纯净的半导体晶体，制作半导体器件的半导体材料纯度要高达99%
• 
• 在绝对温度T = 0K 时，所有的价电子被共价键紧紧的束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，靠近绝缘体。当温度升高或者受到光的照射，有的电子可以摆脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子出现的同时，在其原来的共价键上出现了一个空位，称为空穴。
• 
• N型半导体：在硅或者锗的晶体中掺入5价元素，如磷
• 
• P型半导体：在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。
• 
• 多子浓度——与温度无关（与掺杂浓度有关）? 少子浓度——与温度无关
• PN结：用专门的制造工艺在同一个半导体单晶上形成P型半导体和N型半导体区域，这两个区域交界处就形成了PN结
• 
• 少子：由热激发或者光照激发产生
• 多子：由浓度决定
• 
• PN结的形成
• 
• PN结的单向导电性小结
• PN结加正向电压、具有较大的正向扩散电流，展现低阻性，PN结导通
• PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高阻态
• PN结具有单向导电性

• 2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理

• PN结的单向导电性——二极管的基本原理
• PN结的反向击穿（两种形式）
• 
• 雪崩击穿和齐纳击穿：它们发生的位置不同。 雪崩击穿主要发生在高 电场强度 下，而齐纳击穿则发生在低电场强度下。 其次，它们产生的机理不同。 雪崩击穿是电子与原子碰撞导致空穴和 自由电子 同时增加而产生设防的；齐纳击穿则是由于电子被电场加速达到碰撞离子的离子化能力而发生。
• PN结的电容效应：电容影响PN结的工作效率，尤其是高速的开关状态
• 电力二极管大多数采用垂直导电结构，信息电子电路中的二极管一般采用横向导电结构，垂直导电结构能力强
• 电力二极管加入掺杂N区，承受反向电压增强
• PN结的电导调制效应：电导调制效应使得二极管正向电流较大时压降仍然很低，电力二极管维持在1V

• 2.2.2 电力二极管的基本特性

• 静态特性
• 门槛电压Uto，正向电流If开始明显增加所对应的电压
• 与If对应的电力二极管即为正向电压Uf
• 承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流
• 
• 动态特性（开关特性）
• 二极管的电压-电流特性随时间变化的
• 零偏置（电压为零）、正向偏置、反向偏置
• 结电容的存在
• 延迟时间：td = t1-t0,
• 电流恢复时间：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
• 
• 关断过程：需经过一段短暂的时间才能获得反向阻断能力，进入截至状态。关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显是反向电压过冲。
• 
• 开通过程：正向压降出现一个过冲Ufp，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）
• 正向恢复时间tfr 电流上升率越大，Ufp越高
• 

• 2.2.3 电力二极管的主要参数

• 正向平均电流If(av)
• 额定电流——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
• If(av)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，保留有一定的裕量。
• 
• 正向压降Uf：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
• 反向重复峰值电压Urrm：对电力二极管所能重复施加的反向最高重复峰值电压，使用时，应当留有两倍裕量。
• 反向恢复时间trr：trr = td+tf
• 最高工作结温Tjm：结温是指管芯PN结的平均温度，用Tj表示。Tjm是指在PN结不至损坏的前提下所能承受的最高平均温度。Tjm通常在125-175degree范围之间
• 浪涌电流Ifsm：指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

• 2.2.4 电力二极管的主要类型

• 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（1kfz以下）的整流电路
• 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高（KV KA）
• 快恢复二极管（Fast Recovery Diode——FRD)
• 快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial Diode——FRED）
• 其trr更短（可低于50ns），Uf也很低（0.9V左右）,但其反向耐压多在1200V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trr为数百纳秒甚至更长，后者在100ns以下，甚至20-30ns
• 肖特基二极管（属于多子器件——单极型）
• 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）
• 肖特基二极管的弱点
• 反向耐压提高是时正向压降会提高，多用于200V以下。
• 反向稳态损耗不能忽略，必须严格的限制其工作温度
• 肖特基二极管的优点? ?速度快，损耗低
• 反向恢复时间很短（10-40ns）
• 正向恢复过程中也不会有明显的冲击电压
• 反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管

• 效率高，其开关损耗和正向导通损耗比快速二极管还小

• 2.3半控型器件——晶闸管

• 2.3.1晶闸管结构和原理

• 晶闸管(Thyristor)是晶体晶闸管的简称，又称为可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier——SCR），以前被称为可控硅
• 由于其所能承受的电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的场合仍然具有比较重要的地位。
• 
• 晶闸管的结构
• 从外形上看，晶闸管主要有螺栓型和平板型两种封装结构
• 引出阳极A和阴极K和门极（控制极）G三个连接端
• 内部都是PNPN四层半导体结构··
• 
• 
• 晶闸管正常工作时的基本特点
  1.晶闸管具有可控制的单向导电性
  承受正向电压时，仅在门极有触发电流时晶闸管才会开通
  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
  2.晶闸管属于半控型器件
  门极只能用来控制晶闸管的导通，晶闸管导通后门极就失去控制作用
  电流驱动、脉冲触发、双极性器件
• 导通条件：阳极和阴极之间加有正向电压，同时门极有正向脉冲
• 关断条件：要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流接近于零的某一数值以下——维持电流Ih
• 实现方法：1.去掉阳极电源电压 2.将阳极电源反向
• 其他几种导通的可能
  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du/dt过高
  结温较高
  光触发（光直接照射硅片）
• 只有门极触发才是最精确的、迅速而可靠的控制方法
• 光触发可以保证控制电路与主电路之间良好绝缘而应用于高压电力应用中，成为光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT)

• 2.3.2 晶闸管的基本特性

• 静态特性：正向特性：当IG = 0时，如果在器件两端加上正向电压，则晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过；当IG = 0时，如果正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流极剧增大，器件开通（硬开通）
  随着门极电流IG幅值的增加，正向转折电压降低，晶闸管压降很小，在1V左右
  如果门极电流为零，并且阳极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值1H以下，则晶闸管又回到正向阻断状态，1H称为维持电流
  
• 反向特性：其反向伏安特性类似二极管的反向特性
  ? ? ? ? ? ? ? ? ? 晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流流过
  ? ? ? ? ? ? ? ? ? 当反向电压超过一定的限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施时，则向? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 漏电流增大，导致晶闸管发热损坏

• ??

• 动态特性：开通过程
  延迟时间td（0.5-1.5us）
  上升时间tr（0.5-3us)
  开通时间tgt以上两者之和
  tgt = td+tr

• 关断过程
  反向阻断恢复时间trr
  正向阻断恢复时间tgr
  关断时间tq以上两者之和tq = trr+tgr
  普通晶闸管的关断时间约几百微秒

• 

• 2.3.3 晶闸管的主要参数

• 电压定额
  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
  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
  通态平均电压Ut（av）
  在规定的条件下，通过额定通态平均电流时，阳极与阴极之间电压降的平均值
  管压降0.4V-1.2V对应字母A-I共九个等级，每0.1V为一级
  
• 电流定额
  通态平均电流It（av)——额定电流
  在环境温度为40摄氏度和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所规定的流过的最大正弦半波电流的平均值。标称齐额定电流的参数
  使用时应按照有效值相等的原则来选取晶闸管
  ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?有效值 = 1.57平均值
  额定电流100A的晶闸管允许通过的电流有效值为157A
  额定电流的选取要留有一定的裕量，一般选取1.5-2 倍
  
  维持电流Ih
  ——使晶闸管维持导通的所必须的最小维持电流
  擎柱电流IL
  ——晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号，能维持导通所需的最小电流 - 对同一晶闸管来说，通常IL为Ih的2-4倍
  浪涌电流Itsm
  ——只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
• 动态参数——除了开通时间tgt和关断时间tq外，还有
  断态电压临界上升率du/dt
  ——指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率
  ——电压上升率足够大，就会使晶闸管误导通
  通态电流临界上升率di/dt
  ——指在规定条件下，晶闸管所能承受的而无有害影响的最大通态电流上升率
  ——如果电流上升的太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏
• 晶闸管型号的命名方式
  

• 2.3.4 晶闸管的派生器件

• 快速晶闸管（Fast Switching Thyristor——FST）
  有快速晶闸管和高频晶闸管
  开关时间以及du/dt和di/dt耐量有明显的改善
  普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10微秒左右
  高频晶闸管的不足在于其电压电流的定额都不易做高
  由于开关频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应
• 双向晶闸管（Triode AC Switch——TRIAC或者Bidirectional triode thyristor）
  可以认为是一对反并联连接的普通晶闸管的集成
  有两个主电极T1和T2，一个门极（施加正反压都可以导通，波形是一个正弦波）
  在第一和第三象限有对称的伏安特性
  不要用平均值而用有效值，来表示其额定电流值
  
• 逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor——RCT）
  将晶闸管反并联一个二极管制作在同一个管芯上的功率集成器件
  具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高的优点
• 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
  光触发保证主电路与控制电路之间的绝缘，其可避免电磁干扰的影响
  因此目前在高压大功率的场合
  
• 晶闸管的串联
  对较大型的电力电子装置，当单个的电力电子器件的电压或者电流定额不能满足要求时，往往需要将电力电子器件串联或者并联起来工作，或者电力电子装置串联或者并联起来工作
  当晶闸管的额定电压小于实际要求时，可以用两个以上的同型号的器件相串联
  静态不均压问题
  ? ? 由于器件的静态特性不同而造成的均压问题
  ? ? 为达到静态均压，首先选择参数和特性一致的器件，称为可以参用电阻均压
  动态不均压问题
  ? ? 由于器件的动态参数和特性的差异造成的不均压问题
  ? ? 为达到动态均压，同样首先应选择动态参数和特性尽量一致的器件，另外还可以用RC并联（电容的电压不容易突变）支路做动态均压：对应晶闸管而言，参与门极强脉冲触发可以显著减小器件开通上的时间的差异
  
• 晶闸管的并联
  大功率晶闸管装置中，常用多个器件并联来承担较大的电流
  晶闸管并联就会因为静态和动态参数特性的差异而存在电流分配不均匀的问题
  均流的首要措施是挑选特性参数尽量一致的器件，除外还可以采用均流电抗器：同样，用门极强脉冲触发也有助于动态均流
  当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法连接

• 2.4 典型全控型器件

• 引言
  门极可关断晶闸管在晶闸管问世不久出现
  20世纪80年代以来，电力电子进入了一个崭新的时代
  典型代表——门极可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR、电力场效应晶体管MOSEFT、绝缘栅双极性晶体管IGBT
  

• 2.4.1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
  可以通过门极施加的负的脉冲电流使其关断
  GTO的电压和电流容量很大，与普通的晶闸管接近，因而在ZW级以上的大功率场和仍有较多的应用
• 门极可关断晶闸管的结构和工作原理
  与普通晶闸管的相同：PNPN四层半导体结构，外部引出门极、阴极和阳极
  与普通晶闸管的不同：GTO是一种多元的功率集成器件
  
• 工作原理
  与普通晶闸管类似，采用双晶体管的模型来分析
  
  由于P1N1P1和N1P2N2构成的两个晶体管V1和V2分别有两个基极电流增益a1和a2（多了一个电流增益）
  a1+a2= 1是器件临界开通的条件
• GTO能够通过门极关断的原因与普通晶闸管有以下区别
  区别
  1.导通时a1+a2 更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大
  2.设计a2较大，使V2控制灵敏，易于GTO关断
  3.多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小能从门极输出较大电流
  
• 从上述分析我们可以得到以下结论
  电流驱动、脉冲触发、双极性器件
  GTO导通过程和晶闸管一样，只是导通时程度较浅
  GTO关断过程有强烈的正反馈使器件退出饱和而关断
  GTO多元集成结构比晶闸管开通过程时，承受di/dt能力强
• GTO的动态特性
  开通过程：与普通晶闸管相似
  关断过程：与晶闸管有所不同
  存储时间ts：等效晶闸管退出饱和
  下降时间tf
  尾部时间tt——残存载流子复合
  

• GTO的主要参数
  ? ? ? ??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
  ——延迟时间和上升时间之和，延迟时间一般为1-2us，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大
  2、关断时间toff
  ——、一般指存储时间和下降时间之和，不包括尾部时间，下降时间一般为2us
  不少GTO都制作成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联
  3、最大可关断阳极电流Iato
  ——GTO额定电流
  

• 2.4.2 电力晶体管

• 术语用法：电力晶体管（Giant Transistor——GTR 巨型晶体管)
  耐高电压、大电流的双级结型晶体管（Bipolar Junction Transistor——BJT）
  应用：20世纪80年代以来，在中小功率中取代晶闸管，但目前大多数又被IGBT和电力MOSEFT取代
• GTR的结构和工作原理
  
  GTR由三层半导体（方便引出集电极、发射极、基极）形成的两个PN结（集电极和发射极），多采用NPN结构
  
  电流驱动、电平触发型、双极性器件
  主要特征是：耐压高、电流大、开关特性好
  通常至少有两个晶体管构成的达林顿管组成的单元结构
  采用集成电路的工艺将许多这种单元并联而成
• GTR的基本特性
  共发射极接法的典型输出：截止区、放大区和饱和区
  在电力电子电路中GTR工作在开关状态
  在开关过程中，即在截止和饱和之间过度时，要经过放大区
  
  2、动态特性
  开通过程
  ——延迟时间td上升时间tr，两者之和为开通时间ton
  加快开通过程的办法
  关断过程
  ——存储时间tg和下降时间tf，两者之和为关断时间toff
  加快关断速度的办法
  
  3、GTR的主要参数
  有电流放大倍数贝塔、直流电压增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和电压Uces、开通时间ton、和关断时间toff，此外还有
  
  集电极最大允许电流Icm
  ——通常规定为hFE下降到规定值1/2-1/3时所对应的Ic
  ——实际使用要留有裕量，只能用到Icm的一半或者稍微多一点
  集电极最大耗散功率Pcm
  ——最高工作电压下的耗散功率
  ——产品说明书中给出了Pcm时间同时的壳温Tc，间解表明了最高工作温度
  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，迅速增大
  ? ?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，如不处理，Ic极剧增加，电压陡然下降，常常导致器件永久损坏
  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、二次击穿的临界线限定
  cs

• 2.3.4电力场效应晶体管

• 分为结型和绝缘栅型
  通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称电力MOSEFT（powerMOSEFT)
  结型电力场效应管一般被称为静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）
• 电力MOSEFT的结构和工作原理
  电力MOSEFT的种类
  按导电型可以分为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）型沟道器件，珊极电压大于（小于）零时才会存在导电沟道
  电力MOSEFT主要是N沟道增强型
  
• 增强型MOSEFT的结构
  
  电力MOSEFT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飘移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过
  导电：在栅源极之间加正电压UGS
  ——当UGS大于Ut时，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，栅极和源极导电
  
• 电力MOSEFT的结构
  
  电力MOSEFT是用栅结电压来控制漏极电流的，它的特点有
  是单极型、电压驱动、电平控制型晶体管
  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（不存在二次击穿问题）
  电流容量小、耐压低、多用于功率不超过10KW的电力电子装置
  采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同的设计结构
• 电力MOSEFT的结构
  小功率MOS管是横向导电器件
  电力MOSEFT大多数采用的是垂直导电结构，又称为(VMOSEFT（Vertral MOSEFT）
  按垂直导电结构的差异，分为利于V型槽的垂直导电的VVMOSEFT和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSEFT（Vertral Double-diffused MOSEFT）
  资料主要以VDMOS器件为例进行讨论
• 电力MOSEFT的基本特性
  1、静态特性
  漏极电流ld和栅源间电压Ugs的关系称为MOSFET的转移特性
  Id较大时，Id和Ugs的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs
  
  MOSEFT的伏安特性曲线
  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）
  工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换
  漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加方向电压时器件导通
  通态电阻有正温度系数，对器件并联时均流有利
  
  与GTR对比
  
  2、动态特性
  开通时间
  ? ? 开通延时时间to
  ? ? 上升时间tf
  ? ? 开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和
  关断时间
  ? ? ?关断延迟时间to
  ? ? ?下降时间tf
  ? ? ?关断时间toff——关断延时和下降时间之和
  
• MOSEFT的开关速度
  ? ?MOSEFT的开关速度和Cin充放电有很大关系
  ? ?可降低驱动内内阻Rs减小时间常数，加快开关速度
  ? ?不存在少子储存效应，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最高的
  ? ?场控器件，静态时几乎不需要输入电流，但开关过程中需对输入电容充放电，仍需要一定的? ? ?驱动功率
  ? ?开关频率越高，所需要的驱动功率越大
  3、电力MOSEFT的主要参数
  除跨导Gfs、开启电压Ut以及ton、tr、toff和tf之外还有：
  栅源电压Ugs
  ——|Ugs|>20V将导致绝缘层的击穿
  漏极电压Uds
  ——电力MOSEFT的电压定额
  漏极直流电流Id和漏极脉冲电流幅值Idm
  ——电力MOSEFT的电流定额
  极间电容
  ——极间电容Cgs、Cgd和Cds

• 2.4.4 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
  MOSEFT的特点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小和所需驱动电路简单
  两类器件取长补短结和而成的复合器件——Bi-MOS器件
  绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor——IGBT或IGT
  ? ? ?GTR和MOSEFT的复合——集成了两者的优点
  ? ? ?是中小功率电力电子设备的主导器件
  ? ? ?继续提高电压和电流的容量，驱动GTO的位置
  
  IGBT的原理
  驱动原理基本和电力MOSEFT基本相同，场控器件，通断有栅射极电压uge决定
  ? ? ?导通：uge大于开启电压Uge(th)时（2-6V),MOSEFT形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通
  ? ? ?通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小
  ? ? ?关断：栅射极施加反压或不加信号时，MOSEFT内的沟道消失
• IGBT的基本特性
  
  2、IGBT的动态特性
  IGBT的开通过程
  ? 与MOSEFT的相似
  ? ?开通延迟时间ton
  ? ?电流上升时间tr
  ? ?开通时间ton
  ? ?uce的下降过程分为ttv1和ttv2两段
  ? ?ttv1——IGBT中MOSEFT单独工作的电压下降过程
  ? ?ttv2——MOSEFT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toff
  电流下降时间
  关断时间toff
  电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段
  til1——IGBT器件内部的MOSEFT的关断过程，ic下降较快
  til2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，ic下降较慢
  
  3、IGBT的主要参数
  最大集射极间电压Uces
  ——由内部PNP晶体管的击穿电压确定
  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
  最大集电极功耗Pcm
  ——正常工作温度下允许的最大功率
• IGBT的特性和参数特点总结
  ? ? ? 开关速度高，开关损耗小
  ? ? ? 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流的冲击能力
  ? ? ? 通态压降比VDMOSEFT低
  ? ? ? 输入阻抗高，输入特性和MOSEFT类似
  ? ? ? 与MOSEFT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
• 擎天效应和自锁效应
  ——NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P型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，一且J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控
  正偏安全工作区（FBSOA）
  ——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（RBSOA）
  ——最大偏置安全工作区、最大集射极间电压和最大允许上升率duce/dt确定

• 2.5其他新型电力电子器件

• 2.5.1 MOS控制晶闸管MCT

• MCT（MOS Controlled Thyristor）——MOSEFT和晶闸管的复合（DATASHEET）
  MCT结合了二者的优点
  ? ? 承受极高的di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小
  ? ? 高电压，大电流、高载流密度，低导通压降
  一个MCT器件由数以万计的MCT的元组成
  每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制晶闸管开通的MOSEFT和一个控制晶闸管关断的MOSEFT
  其关键技术问题没有巨大的突破，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

• 2.5.2 静电感应晶体管SIT

• SIT（Static Induction Transistor）——结型场效应管晶体管
  多子导电（单极型）的器件，工作频率与电力MOSEFT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

• 2.5.3 静电感应晶闸管SITH

• SITH（Sataic Induction Thyristor）——场控晶闸管（Field Controlled Thyristor——FCT）
  SITH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，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，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展

• 2.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT

• IGCT（intergated Gate-Commutated Thyristor)
  结合了MOSEFT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍。可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍然很大。目前正在与IGBT等新型器件竞争，试图取代GTO

• 2.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件

• 硅的禁带宽度为1.12电子伏特ev，而宽禁带半导体材料是指禁带宽度在3.0电子伏特ev左右及以上的半导体材料，典型的是碳化硅（sic）、氮化镓（gan）、金刚石等材料
  基于宽禁带半导体材料（如碳化硅）的电力电子器件将具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和射线辐射的能力，许多方面的性能都是数量级的提高
  宽禁带半导体器件的发展一直受到材料的提炼和制造以及随后半导体制造工艺的困难

• 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块

• 基本概念
  后来趋于模块化设计，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，称为功率集成模块（PIC——Power Integrated Circuit）
  智能功率模块（Intelligent Power Module——IPM）
  则专指IGBT及其辅助器件与保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）