功率半导体器件

1.1概述

1.1.1 功率半导体器件的定义

图1-1为电力电子装置的示意图，输入电功率经功率变换器变换后输出至负载。功率变 换器即为通常所说的电力电子电路(也称主电路)，它由电力电子器件构成。目前，除了在 大功率高频微波电路中仍使用真空管(电真空器件)外，其余的电力电子电路均由功率半导 体器件组成。

图1-1电力电子装置示意图

一个理想的功率半导体器件、应该具有好的静态和动态特性，在截止状态时能承受高电 压且漏电流要小；在导通状态时，能流过大电流和很低的管压降;在开关转换时，具有短的 开、关时间；通态损耗、断态损耗和开关损耗均要小。同时能承受高的di/dt和du/dt以及具 有全控功能。

1.1.2 功率半导体器件的发展

功率半导体器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。从1958 年美国通用电气公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转 的变流机组和静止的离子变流器进入由功率半导体器件构成的变流器时代。功率半导体器件 的发展经历了以下阶段：

大功率二极管产生于20世纪40年代，是功率半导体器件中结构最简单、使用最广泛的 一种器件。目前已形成整流二极管(Rectifier Diode)、快恢复二极管(Fast Recovery Diode 一尸区口)和肖特基二极管(Schottky Barrier Diode—SBD)等3种主要类型。

晶闸管(Thyristor, or Silicon Controlled Rectifier —SCR)可以算作是第一代电力电子器 件，它的出现使电力电子技术发生了根本性的变化。但它是一种无自关断能力的半控器件， 应用中必须考虑关断方式问题，电路结构上必须设置关断(换流)电路，大大复杂了电路结 构、增加了成本、限制了在频率较高的电力电子电路中的应用。此外晶闸管的开关频率也不 高，难于实现变流装置的高频化。晶闸管的派生器件有逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸 管等。

20世纪70年代出现了称之为第二代的自关断器件，如门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor-GTO)，大功率双极型晶体管(Bipolar Junction Transistor-BJT, or Giant Transistor 一GTR)，功率场效应管(Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor-Power MOSFET)等。

20世纪80年代出现了以绝缘栅极双极型晶体管(Insulated-gate Bipolar Transistor-IGBT, or

IGT)为代表的第三代复合导电机构的场控半导体器件。

20世纪80年代后期，功率半导体器件的发展趋势为模块化、集成化，按照电力电子电

路的各种拓朴结构，将多个相同的功率半导体器件或不同的功率半导体器件封装在一个模块 中，这样可缩小器件体积、降低成本、提高可靠性。

值得指出的是新的一代器件的出现并不意味着老的器件被淘汰，世界上SCR产量仍占

全部功率半导体器件总数的一半，是目前高压、大电流装置中不可替代的元件。

1.1.3 功率半导体器件的分类

功率半导体器件可按可控性、驱动信号类型来进行分类。 1 .按可控性分类

根据能被驱动(触发)电路输出控制信号所控制的程度，可将功率半导体器件分为不控 型器件、半控型器件、全控型器件等3种。

(1)不控型器件

不能用控制信号来控制开通、关断的功率半导体器件。 (2)半控型器件

能利用控制信号控制其导通，但不能控制其关断的功率半导体器件称为半控型器件。 (3)全控型器件

能利用控制信号控制其导通，也能控制其关断的功率半导体器件称为全控型器件，通常 也称为自关断器件。

2 .按驱动信号类型分类 (1)电流驱动型

通过在控制端注入或抽出电流来实现开通或关断的器件称为电流驱动型功率半导体器 件。GTO、GTR为电流驱动型功率半导体器件。

(2)电压驱动型

通过在控制端和另一公共得端加入一定的电压信号来实现开通或关断的器件称为电压 驱动型功率半导体器件。P-MOSFET、IGBT为电压驱动型功率半导体器件。

1.2大功率二极管

1.2.1 大功率二极管的结构

大功率二极管的内部结构是一个具有P型及N型两层半导体、一个PN结和阳极A、阴 极K的两层两端半导体器件，其符号表示如图1-2a)所示。

a)符号

式

b)螺旋式

图1-2大功率二极管

c)平板

从外部构成看，也分成管芯和散热器两部分。这是由于二极管工作时管芯中要通过强大 的电流，而PN结又有一定的正向电阻，管芯要因损耗而发热。为了管芯的冷却，必须配备 散热器。一般情况下，200A以下的管芯采用螺旋式(图1-2b)), 200A以上则采用平板式(图 1-2c))。

1.2.2 大功率二极管的特性

1 .大功率二极管的伏安特性

二极管阳极和阴极间的电压Uak与阳极电流，•间的关系称为伏安特性，如图1-3所示。 第I象限为正向特性区，表现为正向导通状态。第m象限为反向特性区，表现为反向阻断状 态。

a）实际特性 b）理想特性

图1-3大功率二极管的伏安特性

2 .大功率二极管的开通、关断特性

大功率二极管具有延迟导通和延迟关断的特征，关断时会出现瞬时反向电流和瞬时反向 过电压。

（1）大功率二极管的开通过程

大功率二极管的开通需一定的过程，初期出现较高的瞬态压降，过一段时间后才达到稳 定，且导通压降很小。图1-4为大功率二极管开通过程中的管压降uD和正向电流iD的变化 曲线。由图可见，在正向恢复时间％内，正在开通的大功率二极管上承受的峰值电压UDM 比稳态管压降高的多，在有些二极管中的峰值电压可达几十伏。

图1-4大功率二极管的开通过程 图1-5大功率二极管的关断过程

（2）大功率二极管的关断过程

图1-5为大功率二极管关断过程电压、电流波形。

大功率二极管应用在低频整流电路时可不考虑其动态过程，但在高频逆变器、高频整流 器、缓冲电路等频率较高的电力电子电路中就要考虑大功率二极管的开通、关断等动态过程。

1.2.3大功率二极管的主要参数

1、额定正向平均电流（额定电流）I

F

指在规定+40℃的环境温度和标准散热条件下，元件结温达额定且稳定时，容许长时间 连续流过工频正弦半波电流的平均值。将此电流整化到等于或小于规定的电流等级，则为该 二极管的额定电流。在选用大功率二极管时，应按元件允许通过的电流有效值来选取。对应 额定电流IF的有效值为1.571F。

2、反向重复峰值电压（额定电压）U.

在额定结温条件下，元件反向伏安特性曲线（第m象限）急剧拐弯处于所对应的反向峰 值电压称为反向不重复峰值电压URRSM。反向不重复峰值电压值的80%称为反向重复峰值电 压URRM。再将URRM整化到等于或小于该值的电压等级，即为元件的额定电压。

对应于反向重复峰值电压URRRM下的平均漏电流称为反向重复平均电

3、反向漏电流

流IRRO r 4、正向平均电压U

F

在规定的+40℃环境温度和标准的散热条件下，元件通以工频正弦半波额定正向平均电

流时，元件阳、阴极间电压的平均值，有时亦称为管压降。元件发热与损耗与UF有关， 般应选用管压降小的元件以降低元件的导通损耗。

5、大功率二极管的型号 普通型大功率二极管型号用ZP表示，其中Z代表整流特性，P为普通型。普通型大功 率二极管型号可表示如下

ZP［电流等级］一［电压等级/100］［通态平均电压组别］

如型号为ZP50-16的大功率二极管表示：普通型大功率二极管，额定电流为50A,额 定电压为1600VO

1.3晶闸管（SCR）

1.3.1 晶闸管的结构

晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，可区分为管芯及散热器两大部分，分

a）螺栓型 b）平板型

别如图1-6及图1-7所示。

c）符号

图1-6晶闸管管芯及电路符号表示

管芯是晶闸管的本体部分，由半导体材料构成，具有三个与外电路可以连接的电极：阳 极A,阴极K和门极（或称控制极）G,其电路图中符号表示如图1-6c）所示。散热器则是 为了将管芯在工作时由损耗产生的热量带走而设置的冷却器。按照晶闸管管芯与散热器间的 安装方式，晶闸管可分为螺栓型与平板型两种。螺栓型（图1-6a））依靠螺栓将管芯与散热 器紧密连接在一起，并靠相互接触的一个面传递热量。\\

2）自冷

c）水冷

b）风冷

图1-7晶闸管的散热器

晶闸管管芯的内部结构如图1-3所示，是一个四层（P1—N1—P2—N2）三端（A、K、G） 的功率半导体器件。它是在N型的硅基片（NJ的两边扩散「型半导体杂质层（PJP2）, 形成了两个PN结J「J2。再在P2层内扩散N型半导体杂质层N2又形成另一个PN结J3。然 后在相应位置放置钼片作电极，引出阳极A,阴极K及门极G,形成了一个四层三端的大 功率电子元件。这个四层半导体器件由于有三个PN结的存在，决定了它的可控导通特性。

图1-8晶闸管管芯结构原理图

1.3.2 晶闸管的工作原理

通过理论分析和实验验证表明：

1）只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时晶闸管才能导通，两者不可 缺一。

2）晶闸管一旦导通后门极将失去控制作用，门极电压对管子随后的导通或关断均不起 作用，故使晶闸管导通的门极电压不必是一个持续的直流电压，只要是一个具有一定宽度的 正向脉冲电压即可，脉冲的宽度与晶闸管的开通特性及负载性质有关。这个脉冲常称之为触 发脉冲。

3）要使已导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到某一数值之下（约几十毫安）。 这可以通过增大负载电阻，降低阳极电压至接近于零或施加反向阳极电压来实现。这个能保 持晶闸管导通的最小电流称为维持电流，是晶闸管的一个重要参数。

晶闸管为什么会有以上导通和关断的特性，这与晶闸管内部发生的物理过程有关。晶闸 管是一个具有P1-N1-P2-N2四层半导体的器件，内部形成有三个PN结J「J2、J3,晶闸 管承受正向阳极电压时，其中J「J3承受反向阻断电压，J2承受正向阻断电压。这三个PN 结的功能可以看作是一个PNP型三极管V1（P[—N1—P2）和一个NPN型三极管VT2 （N1

图1-9晶闸管的等效复合三极管效应

可以看出，两个晶体管连接的特点是一个晶体管的集电极电流就是另一个晶体管的基极 电流，当有足够的门极电流I流入时，两个相互复合的晶体管电路就会形成强烈的正反馈， 导致两个晶体管饱和导通，也即晶闸管的导通。

如果晶闸管承受的是反向阳极电压，由于等效晶体管VT「VT2均处于反压状态，无论 有无门极电流Ig，晶闸管都不能导通。

1.3.3 晶闸管的基本特性

1 .静态特性

静态特性又称伏安特性，指的是器件端电压与电流的关系。这里介绍阳极伏安特性和门 极伏安特性。

（1）阳极伏安特性

晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与阴极之间的电压U忌与阳极电流i之间的关

a

系 曲线，如图1-10所示。

图1-10晶闸管阳极伏安特性

①正向阻断高阻区；②负阻区；③正向导通低阻区；④反向阻断高阻区

阳极伏安特性可以划分为两个区域：第I象限为正向特性区，第ni象限为反向特性区。 第I象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。

（2）门极伏安特性

晶闸管的门极与阴极间存在着一个PN结J3，门极伏安特性就是指这个PN结上正向门 极电压U与门极电流I间的关系。由于这个结的伏安特性很分散，无法找到一条典型的代 表曲线，只能用一条极限高阻门极特性和一条极限低阻门极特性之间的一片区域来代表所有 元件的门极伏安特性，如图1-11阴影区域所示。

图1-11晶闸管门极伏安特性

2 .动态特性

晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路时，有时也在高频电力电子电路中得到应用， 如逆变器等。在高频电路应用时，需要严格地考虑晶闸管的开关特性，即开通特性和关断特 性。

（1）开通特性

晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。图1-12给出了晶闸管的开关特性。在晶闸 管处在正向阻断的条件下突加门极触发电流，由于晶闸管内部正反馈过程及外电路电感的影 响，阳极电流的增长需要一定的时间。从突加门极电流时刻到阳极电流上升到稳定值IT的 10%所需的时间称为延迟时间td，而阳极电流从10%IT上升到90%IT所需的时间称为上升时 间tr，延迟时间与上升时间之和为晶闸管的开通时间tmd+tr，普通晶闸管的延迟时间为0.5〜 1.5p s,上升时间为0.5〜3P s。延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随 阳极电压上升而下降。

图1-12晶闸管的开关特性

（2）关断特性

通常采用外加反压的方法将已导通的晶闸管关断。反压可利用电源、负载和辅助换流电 路来提供。

要关断已导通的晶闸管，通常给晶闸管加反向阳极电压。晶闸管的关断，就是要使各层 区内载流子消失，使元件对正向阳极电压恢复阻断能力。突加反向阳极电压后，由于外电路 电感的存在，晶闸管阳极电流的下降会有一个过程，当阳极电流过零，也会出现反向恢复电 流，反向电流达最大值4M后，再朝反方向快速衰减接近于零，此时晶闸管恢复对反向电压

RM

的阻断能力。

1.3.4晶闸管的主要参数

要正确使用一个晶闸管，除了了解晶闸管的静态、动态特性外，还必须定量地掌握晶闸 管的一些主要参数。现对经常使用的几个晶闸管的参数作一介绍。

1 .电压参数

（1）断态重复峰值电压uuM

.DR.M1

门极开路，元件额定结温时，从晶闸管阳极伏安特性正向阻断高阻区（图1-10中的曲线 ①）漏电流急剧增长的拐弯处所决定的电压称断态不重复峰值电压U.DSM, “不重复”表明这 个电压不可长期重复施加。取断态不重复峰值电压的90%定义为断态重复峰值电压U.DRM， “重复”表示这个电压可以以每秒50次，每次持续时间不大于10ms的重复方式施加于元件 上。

（2）反向重复峰值电压URRM

RRM

门极开路，元件额定结温时，从晶闸管阳极伏安特性反向阻断高阻区（图1-10中曲线④） 反向漏电流急剧增长的拐弯处所决定的的电压称为反向不重复峰值电压URSM,这个电压是 不能长期重复施加的。取反向不重复峰值电压的90%定义为反向重复峰值电压URRM，这个 电压允许重复施加。

（3）晶闸管的额定电压U

R

取UDRM和URRM中较小的一个，并整化至等于或小于该值的规定电压等级上。电压等级 不是任意决定的，额定电压在1000V以下是每100V一个电压等级，1000V至3000V则是 每200 V一个电压等级。

由于晶闸管工作中可能会遭受到一些意想不到的瞬时过电压，为了确保管子安全运行， 在选用晶闸管时应使其额定电压为正常工作电压峰值UM的2~3倍，以作安全余量。

UR =（

2

〜

3

）M

（

）

U（1

-4）

（4）通态平均电压UTAV

指在晶闸管通过单相工频正弦半波电流，额定结温、额定平均电流下，晶闸管阳极与阴 极间电压的平均值，也称之为管压降。在晶闸管型号中，常按通态平均电压的数值进行分组， 以大写英文字母A〜I表示。通态平均电压影响元件的损耗与发热，应该选用管压降小的元

件来使用。

2 .电流参数

（1）通态平均电流ITAV

在环境温度为+40℃、规定的冷却条件下，晶闸管元件在电阻性负载的单相、工频、正 弦半波、导通角不小于170°的电路中，当结温稳定在额定值125c时所允许的通态时的最大 平均电流称为额定通态平均电流ITAV选用晶闸管时应根据有效电流相等的原则来确定晶 闸管的额定电流。由于晶闸管的过载能力小，为保证安全可靠工作，所选用晶闸管的额定电 流I^.）应使其对应有效值电流为实际流过电流有效值的1.5〜2倍。按晶闸管额定电流的 定义，一个额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的电流有效值为157A。晶闸管额定电 流的选择可按下式计算。

（

）

（

）O

（1-5）

（2）维持电流1

H

维持电流是指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。维持电流 与结温有关，结温越高，维持电流越小，晶闸管越难关断。

（3）掣住电流IL

晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号，此时要维持元件导通所需 的最小阳极电流称为掣住电流。一般掣住电流比维持电流大（2〜4）倍。

3 .晶闸管的型号

普通型晶闸管型号可表示如下

KP［电流等级］一［电压等级/100］［通态平均电压组别］

其中其中K代表闸流特性，P为普通型。如KP500-15型号的晶闸管表示其通态平均 电流（额定电流）IT^v）为500A,正反向重复峰值电压（额定电压）URR为1500V,通态平 均电压组别以英文字母标出，小容量的元件可不标。.

1.4大功率晶体管（GTR）

1.4.1 结构

从工作原理和基本特性上看，大功率晶体管与普通晶体管并无本质上的差别，但它们在 在工作特性的侧重面上有较大的差别。对于普通晶体管，所被注重的特性参数为电流放大倍 数、线性度、频率响应、噪声、温漂等；而对于大功率晶体管，重要参数是击穿电压、最大 允许功耗、开关速度等。为了承受高压大电流、大功率晶体管不仅尺寸要随容量的增加而加 大，其内部结构、外形也需作相应的变化。

a）普通晶体管结构

b） GTR结构

图1-19 GTR的结构与符号

c）符号

普通晶体管的结构已在模拟电子技术中作过专门介绍，它是由两个PN结相间而成。图 1-19a）为NPN型普通晶体管的结构示意图。图1-19b）为GTR的结构原理图，一个GTR 芯片包含大量的并联晶体管单元，这些晶体管单元共用一个大面积集电极，而发射极和基极 则被化整为零。这种结构可以有效解决所谓的发射极电流聚边现象。图1-19c）为GTR的标 识符号，与普通晶体管完全相同。

1.4.2 工作特性

1 .静态特性

GTR的静态特性可分为输入特性和输出特性： （1）输入特性

输入特性如图1-20a）所示，它表示UCE一定时，基极电流IB与基极一发射极UBE之间 的函数关系，它与二极管PN结的正向伏安特性相似。当UCE增大时，输入特性右移。一般 情况下，GTR的正向偏压UBE大约为IV。

a）输入特性 性

b）输出特

图1-20 GTR的输入、输出特性

（2）输出特性

大功率晶体管运行时常采用共射极接法，共射极电路的输出特性是指集电极电流IC和 集电极一发射极电压UCE的函数关系，如图1-20b）所示。由图中可以看出，GTR的工作状 态可以分成四个区域：截止区（也称阻断区）、线性放大区、准饱和区和饱和区（也称深饱 和区）。

截止区对应于基极电流IB等于零的情况，在该区域中，GTR承受高电压，仅有很小的 漏电流存在，相当于开关处于断态的情况。该区的特点是发射结和集电结均为反向偏置。

在线性放大区中，集电极电流与基极电流呈线性关系，特性曲线近似平直。该区的特点 是集电结反向偏置、发射结正向偏置。对工作于开关状态的GTR来说，应当尽量避免工作 于线性放大区，否则由于工作在高电压大电流下，功耗会很大。

准饱和区是指线性放大区和饱和区之间的区域，正是输出特性中明显弯曲的部分。在 此区域中，随着基区电流的增加，开始出现基区宽调制效应，电流增益开始下降，集电极电 流与基区电流之间不再呈线性关系，但仍保持着发射结正偏、集电极反偏。

而在饱和区中，在基极电流变化时，集电极电流却不再随之变化。此时，该区域的电 流增益与导通电压均很小，相当于处于通态的开关。此区的特点是发射结和集电结均处于 正向偏置状态。

2 .动态特性

GTR主要工作在截止区及饱和区，切换过程中快速通过放大区，这个开关过程即反映 了 GTR的动态特性。

当在GTR基极施以脉冲驱动信号时，GTR将工作在开关状态，如图1-21所示。在t0 时刻加入正向基极电流，GTR经延迟和上升阶段后达到饱和区，故开通时间t为延迟时间 td与上升时间t之和，其中td是由基极与发射极间结电容Cb充电而引起，t是由基区电荷 储存需要一定时间而造成的。当反向基极电流信号加到基极时，GTR经存储和下降阶段才 返回载止区，则关断时间t ff为存储时间t与下降时间tf之和，其中t是除去基区超量储存 电荷过程引起的，tf是基极与发射极间结电容cb放电而产生的结果。s

在实际应用时，增大驱动电流，可使14和t和减小，但电流也不能太大，否则将增大存 储时间。在关断GTR时，加反向基极电压可加快电容上电荷的释放，从而减少t与tf，但 基极电压不能太大，以免使发射结击穿。 s

为提高GTR的开关速度，可选用结电容比较小的快速开关晶体管，也可利用加速电容 来改善GTR的开关特性。在GTR基极电路电阻Rb两端并联一电容C ,利用换流瞬间其上 电压不能突变的特性可改善晶体管的开关特性。 s

图1-21 GTR动态等值电路及开关特性

1.4.3主要参数

1 .电压参数

（1）集电极额定电压

CE^d

加在GTR上的电压如超过规定值时，会出现电压击穿现象。击穿电压与GTR本身特性 及外电路的接法有关。各种不同接法时的击穿电压的关系如下

>CEX>CES>CER>CEO

其中，BUCBO为发射极开路，集电极与基极间的反向击穿电压；BUCEX 置为发射极反向偏 时集电极与发射极间的击穿电压；BUCES、BUCER分别为发射极与基极间用电阻联接或短 路连接时集电极和发射极间的击穿电压；BUCEO为基极开路时集电极和发射极间的击穿电 压。GTR的最高工作电压UCEM应比最小击穿BUCEO低，从而保证元件工作安全。

（2）饱和压降Ug

CBO

CES

BUBUBUBUBU单个GTR的饱和压降一般不超过1〜1.5V, UCES随集电极电流ICM的增大而增大。 2 .电流参数

（1）连续（直流）额定（集电极）电流IC

连续（直流）额定电流指只要保证结温不超过允许的最大结温、晶体管所允许连续通过 的直流电流值。

（2）集电极额定电流（最大允许电流）ICM

集电极额定电流是取决于最高允许结温下引线、硅片等的破坏电流，超过这一额定值必 将导致晶体管内部结构件的烧毁。在实际使用中可以利用热容量效应，根据占空比来增大连 续电流，但不能超过峰值额定电流。

（3）基极电流最大允许值

BM

基极电流最大允许值比集电极额定电流的数值要小得多，通常IBM= （1/2〜1/10） ICM, 而基极一发射极间的最大电压额定值通常只有几伏。

（4）集电极最大耗散功率P CM

集电极最大耗散功率是指最高工作温度下允许的耗散功率。它受结温的限制，由集电极 工作电压和电流的乘积所决定。

1.4.4二次击穿现象与安全工作区

1 .二次击穿现象

二次击穿是GTR突然损坏的主要原因之一，成为影响其安全可靠使用的一个重要因素。 二次击穿现象可以用图1-22来说明。当集电极电压UCE增大到集射极间的击穿电压UCEO时， 集电极电流iC将急剧增大，出现击穿现象，如图1-22a）的AB段所示。这是首次出现正常 性质的雪崩现象，称为一次击穿，一般不会损坏GTR器件。一次击穿后如继续增大外加电 压UCE，电流iC将持续增长。当达到图示的C点时仍继续让GTR工作时，由于UCE高，将 产生相当大的能量，使集电结局部过热。当过热持续时间超过一定程度时，UCE会急剧下降 至

某一低电压值，如果没有限流措施，则将进入低电压、大电流的负阻区CD段，电流增长 直至元件烧毁。这种向低电压大电流状态的跃变称为二次击穿，C点为二次击穿的临界点。 所以二次击穿是在极短的时间内（纳秒至微秒级），能量在半导体处局部集中，形成热斑点， 导致热电击穿的过程。

a）

图1-22 GTR的二次击穿现象

b）

二次击穿在基极正偏（/B>0）、反偏（/B<0）及基极开路的零偏状态下均成立，如图 1-22b）所示。把不同基极偏置状态下开始发生二次击穿所对应的临界点连接起来，可形成 二次击穿临界线。由于正偏时二次击穿所需功率往往小于元件的功率容量PCM，故正偏对 GTR安全造成的威胁最大。反偏工作时尽管集电极电流很小，但在电感负载下关断时将有 感应电势迭加在电源电压上形成高压，也能使瞬时功率超过元件的功率容量而造成二次击 穿。

为了防止发生二次击穿，重要的是保证GTR开关过程中瞬时功率不要超过允许的功率 容量PCM，这可通过规定GTR的安全工作区及采用缓冲（吸收）电路来实现。

2 .安全工作区

二次击穿在基极正偏（/B>0）、反偏（/B<0）及基极开路的零偏状态下均成立，把不同 基极偏置状态下开始发生二次击穿所对应的临界点连接起来，可形成二次击穿临界线。因此， GTR在工作时不能超过最高工作电压UCEM、峰值脉冲额定（集电极）电流ICM、最大耗散 功率PCM及二次击穿临界线。这些限制条件构成了 GTR的安全工作区SOA （Safe Operating Area）。

安全工作区在基极正向偏置时称为正向偏置安全工作区（FBSOA），如图1-23a）所示； 安全工作区在基极反向偏置时称为反向偏置安全工作区（RBSOA）,如图1-23b）所示。

a) FBSOA b) RBSOA

1.5功率瑙效就S体答作吊-MOSFET)

1.5.1 结构与工作原理

1 .结构

MOSFET的类型很多，按导电沟道可分为P沟道和N沟道；根据栅极电压与导电沟道 出现的关系可分为耗尽型和增强型。功率场效应晶体管一般为N沟道增强型。从结构上看， 功率场效应晶体管与小功率的MOS管有比较大的差别。小功率MOS管的导电沟道平行于 芯片表面，是横向导电器件。而P-MOSFET常采用垂直导电结构，称VMOSFET （Vertical

MOSFET),这种结构可提高MOSFET器件的耐电压、耐电流的能力。图1-24给出了具有 垂直导电双扩散MOS结构的VD-MOSFET(Vertical Double-diffused MOSFET)单元的结构 图及电路符号。一个MOSFET器件实际上是由许多小单元并联组成。

a)结构图

b)符号(N沟道) c)符号(P沟道)

图1-24 MOSFET的结构图及电路符号

2 .工作原理

如图1-24所示，MOSFET的三个极分别为栅极G、漏极D和源极S。当漏极接正电源， 源极接负电源，栅源极间的电压为零时，P基区与N区之间的PN结反偏，漏源极之间无电 流通过。如在栅源极间加一正电压UGS，则栅极上的正电压将其下面的P基区中的空穴推开， 而将电子吸引到栅极下的P基区的表面，当UGS大于开启电压UT时，栅极下P基区表面的 电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成N型半导体，成为反型层，由反型层 构成的N沟道使PN结消失，漏极和源极间开始导电。UGS数值越大，P-MOSFET导电能力 越

强，/D也就越大。

1.5.2工作特性

1. 静态特性

(1)漏极伏安特性

漏极伏安特性也称输出特性，如图1-25所示，可以分为三个区：可调电阻区I,饱和区 II,击穿区m。在I区内，固定栅极电压UGS，漏源电压UDS从零上升过程中，漏极电流i D 首先线性增长，接近饱和区时，iD变化减缓，而后开始进入饱和。达到饱和区I后，此后虽 UDS增大，但iD维持恒定。从这个区域中的曲线可以看出，在同样的漏源电压UDS下，UGS 越高，因而漏极电流i D也大。当UDS过大时，元件会出现击穿现象，进入击穿区m。

(2)、转移特性

漏极电流ID与栅源极电压UGS反映了输入电压和输出电流的关系，称为转移特性，如 图

UUU示的GS (th)为开启电压，只有GS>GS (th) 时才会出现导电沟道，产生栅极电流IDo

1-26所示。当ID较大时，该特性基本上为线性。曲线的斜率g =△ ID/AUGS称为跨导， 表示P-MOSFET栅源电压对漏极电流的控制能力，与GTR的电流增益£含义相似。图中所

图1-25漏极伏安特性 图1-26转移特性

3 .开关特性

P-MOSFET是多数载流子器件，不存在少数载流子特有的存贮效应，因此开关时间很 短，典型值为20ns,而影响开关速度的主要是器件极间电容。图1-27为元件极间电容的等 效电路，从中可以求得器件输入电容为C.=CGS+CGD。正是C,在开关过程中需要进行充、 放电，影

响了开关速度。同时也可看出，，静态时虽栅极电流很小，驱动功率小，但动态时由

于电容充放电电流有一定强度，故动态驱动仍需一定的栅极功率。开关频率越高，栅极驱动 功率也越大。

P-MOSFET的开关过程如图1-28所示，其中U.P为驱动电源信号，U为栅极电压，0 为漏极电流。当UP信号到来时，输入电容C.有一充电过程，使栅极电压U0s只能按指数 规律上升。P-MOSFET的开通时间为t = t +1。当U.P信号下降为零后，栅极输入电容c .上贮存的电荷将通过信号源进行放电，使栅极电压U0s按指数下降，到UP结束后的t 时刻，iD电流才开始减小，故td(o曾称为关断延迟时间。P-MOSFET的关断时间应为10ff=t：：曾 +1f。

图 1-27输入电容等效电路

图1-28开关特性

1.5.3主要参数与安全工作区

1 .主要参数

(1)漏极电压U0s

漏极电压U0s为P-MOSFET的电压定额。 (2)电流定额ID

电流定额ID为漏极直流电流，10M为漏极脉冲电流幅值。 (3)栅源电压Ur0

OS

栅源间加的电压不能大于此电压，否则将击穿元件。 2 .安全工作区

P-MOSFET是多数载流子工作的器件，元件的通态电阻具有正的温度系数，即温度升 高通态电阻增大，使漏极电流能随温度升高而下降，因而不存在电流集中和二次击穿的限制， 有较宽的安全工作区。P-MOSFET的正向偏置安全工作区由四条边界包围框成，如图1-29 所示。其中I为漏源通态电阻限制线；n为最大漏极电流10M限制线；III为最大功耗限制线; W为最大漏源电压限制线。

图 1-29 P-MOSFET正向偏置安全工作区

1.6绝缘栅双极型晶体管(1681)

1.6.1 结构与工作原理

1 .结构

IGBT的基本结构如图1-30a）所示，与P-MOSFET结构十分相似，相当于一个用MOSFET

驱动的厚基区PNP晶体管。仔细观察发现其内部实际上包含了两个双极型晶体管P+NP及 N+PN,它们又组合成了一个等效的晶闸管。这个等效晶闸管将在IGBT器件使用中引起一 种“擎住效应，，，会影响IGBT的安全使用。

a）结构示意图

b）等效电路

c）符号

图1-30 IGBT示意图

2 .工作原理

IGBT的等效电路如图1-30b）所示，是以PNP型厚基区GTR为主导元件、N沟道MOSFET 为驱动元件的达林顿电路结构器件，Rd为GTR基区内的调制电阻。图1-30c）则是IGBT 的

电路符号。 r

IGBT的开通与关断由栅极电压控制。栅极上加正向电压时MOSFET内部形成沟道，使 IGBT高阻断态转入低阻通态。在栅极加上反向电压后，MOSFET中的导电沟道消除，PNP 型晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。

1.6.2工作特性

1 .静态特性

IGBT的静态特性主要有输出特性及转移特性，如图1-31所示。输出特性表达了集电 极电流/C与集电极一发射极间电压UCE之间的关系，分饱和区、放大区及击穿区。

IGBT的转移特性表示了栅极电压UG对集电极电流IC的控制关系。在大部分范围内，IC

与UG呈线性关系。

a）输出特性

性

图1-31 IGBT的输出特性和转移特性

b）转移特

2 .动态特性

IGBT的动态特性即开关特性，如图1-32所示，其开通过程主要由其MOSFET结构决 定。当栅极电压UG达开启电压UG（th后，集电极电流IC迅速增长，其中栅极电压从负偏置 值增大至开启电压所需时间td 为开通延迟时间；集电极电流由10%额定增长至90%额 定所需时

）

间为电流上升时间t,0故总的开通时间为t = td（ ）+ t.o

IGBT的关断过程较为复杂，其中UG由正常15力降至开启电压UT所需时间为关断延迟 时间t即0田，自此IC开始衰减。集电极电流由90%额定值下降至10%额定所需时间为下降 时间tf. = tf1+1f.2，其中tf1对应器件中MOSFET部分的关断过程，tf2对应器件中PNP晶体 管中存贮电荷的消失过程。由于经tf1时间后MOSFET结构已关断,，IGBT又未承受反压， 器件内存贮电荷难以被迅速消除，所以集电极电流需较长时间下降，形成电流拖尾现象。由 于此时集射极电压U已建立，电流的过长拖尾将形成较大功耗使结温升高。总的关断时间 则为 tLd(off) +1fi。

图1-32 IGBT的开关特性

1.6.3擎住效应和安全工作区

如前所述，在IGBT管内存在一个由两个晶体管构成的寄生晶闸管，同时P基区内存在 一个体区电阻R，跨接在N+PN晶体管的基极与发射极之间，P基区的横向空穴电流会在 br 其上产生压降，在J3结上形成一个正向偏置电压。若IGBT的集电极电流IC大到一定程度， 这个Rb上的电压足以使N+PN晶体管开通，经过连锁反应，可使寄生晶闸管导通，从而IGBT 栅极对器件失去控制，这就是所谓的擎住效应。它将使IGBT集电极电流增大，产生过高功 耗导致器件损坏。

擎住现象有静态与动态之分。静态擎住指通态集电极电流大于某临界值ICM后产生的擎 住现象，对此规定有IGBT最大集电极电流ICM的限制。动态擎住现象是指关断过程中产生 的擎住现象。IGBT关断时，MOSFET结构部分关断速度很快，J2结的反压迅速建立，反压 建立速度与IGBT所受重加dUCE/dt大小有关。dUCE/dt越大，J2结反压建立越快，关断越迅 速，但在J2结上引起的位移电流CJ2.（dUCE/dt）也越大。此位移电流流过体区电阻Rb时可 产生足以使N+PN管导通的正向偏置电压，使寄生晶闸管开通，即发生动态擎住现象：由于 动态擎住时所允许的集电极电流比静态擎住时小，故器件的ICM应按动态擎住所允许的数值 来决定。为了避免发生擎住现象，使用中应保证集电极电流不超过ICM，或者增大栅极电阻 RG以减缓IGBT的关断速度，减小重加dUCE/dt值。总之，使用中必须避免发生擎住效应， 以确保器件的安全。

2 .安全工作区

IGBT开通与关断时，均具有较宽的安全工作区。IGBT开通时对应正向偏置安全工作 区（FBSOA）,如图1-33a）所示。它是由避免动态擎住而确定的最大集电极电流ICM、器件 内P+NP晶体管击穿电压确定的最大允许集射电极电压U^0、以及最大允许功耗线所框成。 值得指出的是，由于饱和导通后集电极电流IC与集射极间电压UCE无关，其大小由栅极电 压UG决定（图1-31a））,故可通过控制UG来控制IC，进而避免擎住效应发生，因此还可确 定出与最大集电极电流ICM相应的最大栅极电压UGM这个参数。

1 .擎住效应

a） FBSOA b） RBSOA

图1-33 IGBT的安全工作区

IGBT关断时所对应的为反向偏置安全工作区（RBSOA）,如图1-33b）所示。它是随着 关断时的重加电压上升率duCE/dt变化，duCE/dt越大，越易产生动态擎住效应，安全工作区 越小。

一般可以通过选择适当栅极电压UG和栅极驱动电阻RG来控制dUCJdt，避免擎住效 应，扩大安全工作区。

1.7 其他新型功率开关器件

1.7.1 静电感应晶体管和静电感应晶闸管

静电感应晶体管（SIT）和静电感应晶闸管（SITH）是两种结构与原理有许 多相似之处的新型高频大功率电力电子器件，是利用静电感应原理控制工作电流 的功率开关器件。SIT和SITH具有功耗低，开关速度高，输入阻抗高，可用栅 压控制开关的优点，在感应加热、超声波加工、广播发射等高频大功率装置以及 逆变电源、开关电源、放电设备电源等新型电源的应用中具有很强的优势。

1 .静电感应晶体管（SIT）

图1-34a）为SIT的结构原理图，图1-34b）和图1-34c）分别为SIT和SITH 的符号。

图1-34 SIT的结构和符号

静电感应晶体管（SIT）是一种结型场效应晶体管，于1970年已开始研制。 SIT的结构如图1-34a）所示。在一块掺杂浓度很高的N型半导体两侧有P型半 导体薄层，分别引出漏极D、源极S和栅极G。当G、S之间电压UGS=0时，电 源US可以经很宽的N区（有多数载流子电子可导电）流过电流，N区通道的等 效电阻不大，SIT处于通态。如果在G、S两端外加负电压，即UGS<0，即图中 半导体N接正电压，半导体P接负电压，P1N与P2N这两个PN结都加了反向电 压，则会形成两个耗尽层A1和A2 （耗尽层中无载流子，不导电），使原来可以 导电的N区变窄，等效电阻加大。当G、S之间的反偏电压大到一定的临界值以 后，两侧的耗尽层变宽到连在一起时，可使导电的N区消失，则漏极D和源极 S之间的等效电阻变为无限大而使SIT转为断态。由于耗尽层是由外加反偏电压 形成外静电场而产生的，通过外加电压形成静电场作用控制管子的通、断状态， 故称之为静电感应晶体管SIT。SIT在电路中的开关作用类似于一个继电器的常 闭触点，G、S两端无外加电压UGS=0时SIT处于通态（闭合）接通电路，有外 加电压UGS作用后SIT由通态（闭合）转为断态（断开）。

2 .静电感应晶闸管（SITH）

静电感应晶闸管（SITH）又称为场控晶闸管FCT （Field Controlled Thyristor）, 其通一断控制机理与SIT类似。结构上的差别仅在于SITH是在SIT结构基础上 增加了一个PN结，而在内部多形成了一个三极管，两个三极管构成一个晶闸管 而成为静电感应晶闸管。

栅极不加电压时，SITH与SIT 一样也处于通态，外加栅极负电压时由通态 转入断态。由于SITH比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结，所以SITH 属于两种载流子导电的双极型功率器件。实际使用时，为了使器件可靠地导通， 常取5〜6V的正栅压而不是零栅压以降低器件通态压降。一般关断SIT和SITH 需要几十伏的负栅压。

1.7.2 MOS控制晶闸管和集成门极换流晶闸管

1 . MOS控制晶闸管（MCT）

MOS控制晶闸管（MCT）的静态特性与晶闸管相似，由于它的输入端由MOS 管控制，MCT属场控型器件，其开关速度快，驱动电路比GTO的驱动电路要简单； MCT的输出端为晶闸管结构，其通态压降较低，与SCR相当，比IGBT和GTR都 要低。

MCT出现于20世纪80年代，开始发展很快，但其结构和制造工艺比较复 杂，成品率不高，由于这些关键技术问题没有得到很好的解决，目前MCT没能 投入实际使用。MCT的结构类似于IGBT,是一种复合型大功率器件，它将 P-MOSFET

的高输入阻抗、低驱动功率及快开关速度和晶闸管的高电压、大电流、 低导通压降的特点结合起来。其等值电路和符号如图1-35所示。

2 .集成门极换流晶闸管（IGCT）

集成门极换流晶闸管(IGCT)于20世纪90年代开始出现。IGCT的结构是 将

GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再将其门极驱动器在 外部以低电感方式连接成环状的门电极。IGCT具有大电流、高电压、高开关频 率(比GTO高10倍)、结构紧凑、可靠性好、损耗低、制造成品率高等特点。 目前，IGCT已在电力系统中得到应用，以后有可能取代GTO在大功率场合应 用的地位。

a) MCT等值电路 b)符号

图1-35 MCT等值电路及符号

1.7.3功率模块与功率集成电路

近十多年来，功率半导体器件研制和开发中的一个共同趋势是模块化。功率 半导体开关模块(功率模块)是把同类的开关器件或不同类的一个或多个开关器 件，按一定的电路拓扑结构连接并封装在一起的开关器件组合体。模块化可以缩 小开关电路装置的体积，降低成本，提高可靠性，便于电力电子电路的设计、研 制，更重要的是由于各开关器件之间的连线紧凑，减小了线路电感，在高频工作 时可以简化对保护、缓冲电路的要求。

功率模块(Power Module)最常见的拓扑结构有串联、并联、单相桥、三相 桥以及它们的子电路，而同类开关器件的串、并联目的是要提高整体额定电压、 电流。 如将功率半导体器件与电力电子装置控制系统中的检测环节、驱动电路、故 障保护、缓冲环节、自诊断等电路制作在同一芯片上，则构成功率集成电路(Power Integrated Circuit—PIC)o PIC 中有高压集成电路(High Voltage IC-HVIC)、 智能功率集成电路(Smart Power IC-SPIC)、智能功率模块(Intelligent Power Module—IPM)等，这些功率模块已得到了较为广泛的应用。

图1-36 IPM的原理框图

三菱电机公司在1991年推出智能功率模块（IPM）是较为先进的混合集成功 率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片和优化的门极驱动及保护电路构成，其基 本结构如图1-36所示。由于采用了能连续监测功率器件电流的具有电流传感功 能的IGBT芯片，从而实现了高效的过流保护和短路保护。IPM集成了过热和欠 压锁定保护电路，系统的可靠性得到进一步提高。目前，IPM已经在中频 （＜20kHz）、中功率范围内得到了应用。

IPM的特点为：采用低饱和压降、高开开关速度、内设低损耗电流传感器的 IGBT功率器件。采用单电源、逻辑电平输入、优化的栅极驱动。实行实时逻辑 栅

压控制模式，以严密的时序逻辑，对过电流、欠电压、短路、过热等故障进行 监控保护。提供系统故障输出，向系统控制器提供报警信号。对输出三相故障， 如桥臂直通、三相短路、对地短路故障也提供了良好的保护。

本章小结

本章介绍了功率二极管、晶闸管SCR、大功率晶体管GTR、晶闸管派生器件（可关断 晶闸管GTO等）、功率场效应晶体管P-MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT、MOS控制 晶闸管MCT、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（智能功率模块IPM等）等各种功率半导体开关器件、模块的基 本结构、工作原理、基本特性、主要参数等内容。

功率半导体器件可按下列形式分类：

1 .按开关器件开通、关断可控性的不同分类 （1）不可控器件

功率二极管是不可控开关器件。加正向阳极电压时，功率二极管导通，反之，功率二极 管关断。

（2）半控器件

普通晶闸管SCR属于半控器件。只有在正向阳极电压、正向门极电压时，SCR导通； 导通后，SCR的门极失去控制作用，即门极只能控制其导通而不能控制其关断；要使已导 通的SCR关断，需加反向阳极电压，或使使其阳极电流减至小于维持电流1Ho

（3）全控型器件

大功率晶体管GTR、可关断晶闸管GTO、功率场效应晶体管P-MOSFET、绝缘栅双极 型晶体管IGBT、MOS控制晶闸管MCT、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等功率半导体器件为全控型器件，即通过控制极上的驱动信号既能

控制其开通又能控制其关断。

2 .按控制极驱动信号的类型区分

根据开通和关断所需控制极驱动信号的不同要求，开关器件又可分为电流控制型开 关器件和电压控制型开关器件两大类。

(1)电流控制型开关器件

SCR、GTR、GTO等器件为电流驱动控制型器件。电流驱动控制型器件具有通态压降 低、导通损耗小、工作频率低、驱动功率大、驱动电路复杂等特点。

(2)电压控制型开关器件

P-MOSFET、IGBT、MCT、SIT、SITH、IGCT等器件为电压控制型开关器件。电压控 制型开关器件具有输入阻抗大、驱动功率小、驱动电路简单、工作频率高等特点。

3 .按开关器件内部导电载流子的情况区分

按开关器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，开关器件又可分为单极型器 件、双极型器件和复合型器件。

(1)单极型器件

只有一种载流子(电子或空穴)参与导电的功率半导体器件称为单极型器件，如 P-MOSFET、SIT等，单极型器件都是电压驱动型全控器件。

(2)双极型器件

电子和空穴两种载流子均参与导电的功率半导体器件称为双极型器件。功率二极管、 SCR、GTO、GTR、SITH等器件中的电子与空穴均参与导电，故属双极型器件。

(3)复合型器件

IGBT和MCT是由MOSFET和GTR或SCR复合而成，因此是复合型电力电子器件。 IGBT和MCT的驱动输入部分是MOSFET,因此也都是电压驱动型全控器件。

目前已广泛应用的开关器件中电压、电流额定值最高的功率半导体开关器件是SCR, 其余依次是GTO, IGBT、MCT、SIT、GTR,最小的是P-MOSFET。允许工作频率最高的 功率半导体开关器件是P-MOSFET、SIT、SITH,其余依次是IGBT、GTR、MCT和GTO, 最低的是SCR。

功率集成电路是最近十年功率半导体器件发展的一个重要趋势是将功率半导体电力开 关器件与其驱动、缓冲、检测、控制和保护等硬件集成一体，构成一个功率集成电路PIC。 PIC器件不仅方便了使用，而且能降低系统成本，减轻重量，缩小体积，把寄生电感减小到 几乎为零，大大提高电力电子变换和控制的可靠性。IPM功率集成电路中典型的例子，近年 得到了较为广泛应用。