1.3 典型全控型器件

在晶閘管問世后不久，出現了門極可關斷晶閘管，特別是20世紀80年代以來，大量涌現出高頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，電力電子技術進入了一個高速發展的嶄新時代，典型代表有門極可關斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。典型全控型器件的外形，如圖1-1-14所示。

1.3.1 門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor，GTO）

GTO是晶閘管的一種派生器件，GTO導通過程與普通晶閘管一樣，只是導通時飽和程度較淺，且通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷，在GTO關斷過程中有強烈正反饋，使器件退出飽和而達到關斷目的。多元集成結構還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強。GTO的電氣圖形符號如圖1-1-15所示。

GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，雖然門極關斷電流較大，但在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用。

1.3.2 電力晶體管（Giant Transistor，GTR）

電力晶體管是耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管（Bipolar Junction Transistor，BJT），又稱為Power BJT。在電力電子技術的范圍內，GTR與BJT這兩個名稱等效。

1.GTR的結構和工作原理

從工作原理和基本特性上看，大功率晶體管與普通晶體管并無本質上的差別，但它們在工作特性的側重面上有較大的差別。對于普通晶體管，所被注重的特性參數為電流放大倍數、線性度、頻率響應、噪聲、溫漂等；而對于大功率晶體管，重要參數是擊穿電壓、最大允許功耗、開關速度等。

GTR主要特性是耐壓高、電流大、開關特性好。通常采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結構，采用集成電路工藝將許多這種單元并聯而成。圖1-1-16為GTR的電氣圖形符號，與普通晶體管完全相同。

2.GTR的基本特性

在應用中，GTR一般采用共發射極接法。

1）靜態特性

GTR的靜態特性可分為輸入特性和輸出特性。

（1）輸入特性。

輸入特性如圖1-1-17（a）所示。它表示UCE一定時，基極電流IB與基極—發射極UBE之間的函數關系，它與二極管PN結的正向伏安特性相似。當UBE增大時，輸入特性右移。一般情況下，GTR的正向偏壓UBE大約為1V。

（2）輸出特性。

輸出特性是指集電極電流IC和集電極—發射極電壓UCE的函數關系，如圖1-1-17（b）所示。從圖1-1-17（b）中可以看出，GTR的工作狀態可以分成4個區域：截止區（又稱阻斷區）、線性放大區、準飽和區和飽和區（又稱深飽和區）。

截止區對應基極電流IB等于零的情況，在該區域中，GTR承受高電壓，僅有很小的漏電流存在，相當于開關處于斷態的情況。

在線性放大區中，集電極電流與基極電流呈線性關系。對工作于開關狀態的GTR來說，應當盡量避免工作于線性放大區，否則由于工作在高電壓大電流下，功耗會很大。在開關過程中，即在截止區和飽和區之間過渡時，要經過放大區。

準飽和區是指線性放大區和飽和區之間的區域，正是輸出特性中明顯彎曲的部分，集電極電流與基區電流之間不再呈線性關系。

在飽和區中，在基極電流變化時，集電極電流卻不再隨之變化。此時，該區域的電流增益與導通電壓均很小，相當于處于通態的開關。

2）動態特性

（1）開通過程。

延遲時間td和上升時間tr，兩者之和為開通時間ton。

增大基極驅動電流Ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時間，同時可縮短上升時間，從而加快開通過程。

（2）關斷過程。

儲存時間ts和下降時間tf，兩者之和為關斷時間toff。

減小導通時的飽和深度以減小儲存的載流子，或者增大基極抽取負電流Ib2的幅值和負偏壓，可縮短儲存時間，從而加快關斷速度。負面作用是會使集電極和發射極間的飽和導通壓降UCES增加，從而增大通態損耗。

為提高GTR的開關速度，可選用結電容比較小的快速開關晶體管，也可利用加速電容來改善GTR的開關特性。在GTR基極電路電阻Rb兩端并聯一電容Cs，利用換流瞬間其上電壓不能突變的特性可改善晶體管的開關特性。

GTR的開關時間在幾微秒以內，比晶閘管和GTO都短很多。其開通和關斷過程電流波形，如圖1-1-18所示。

3.GTR的主要參數

1）電壓參數

（1）集電極額定電壓UCEM。

加在GTR上的電壓如超過規定值時，會出現電壓擊穿現象。擊穿電壓與GTR本身特性及外電路的接法有關。各種不同接法時的擊穿電壓的關系如下：

BUCBO＞BUCEX＞BUCES＞BUCER＞BUCEO

其中，BUCBO為發射極開路時集電極與基極間的反向擊穿電壓；BUCEX為發射極反向偏置時集電極與發射極間的擊穿電壓；BUCES、BUCER分別為發射極與基極間用電阻連接或短路連接時集電極和發射極間的擊穿電壓；BUCEO為基極開路時集電極和發射極間的擊穿電壓。GTR的最高工作電壓UCEM應比最小擊穿電壓BUCEO低，從而保證元件工作安全。

（2）飽和壓降UCES。

單個GTR的飽和壓降一般不超過1.5V，UCES隨集電極電流ICM的增大而增大。

2）電流參數

（1）集電極額定電流（最大允許電流）ICM。

集電極額定電流是取決于最高允許結溫下引線、硅片等的破壞電流，超過這一額定值必將導致晶體管內部結構件的燒毀。

（2）基極電流最大允許值IBM。

基極電流最大允許值比集電極額定電流的數值要小得多，通常IBM=（1/2～1/10）ICM，而基極—發射極間的最大電壓額定值通常只有幾伏。

（3）集電極最大耗散功率PCM。

集電極最大耗散功率是指最高工作溫度下允許的耗散功率。它受結溫的限制，由集電極工作電壓和電流的乘積決定。

4.GTR的二次擊穿現象與安全工作區

1）一次擊穿

集電極電壓升高至擊穿電壓時，IC迅速增大，出現雪崩擊穿；只要IC不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。

2）二次擊穿

一次擊穿發生時，IC增大到某個臨界點時會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降，常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。

3）安全工作區（Safe Operating Area，SOA）

最高電壓UCEM、集電極最大電流ICM、最大耗散功率PCM和二次擊穿臨界線限定，這些限制條件構成了GTR的安全工作區。

1.3.3 電力場效應晶體管

電力場效應晶體管分為結型和絕緣柵型。但通常電力場效應晶體管主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），簡稱電力MOSFET（Power MOSFET）；而結型電力場效應晶體管一般稱為靜電感應晶體管（Static Induction Transistor，SIT）。

電力場效應晶體管的特點：用柵極電壓來控制漏極電流；控制極（柵極）內阻極高（109Ω），驅動電路簡單，需要的驅動功率小；開關速度快，工作頻率高；無二次擊穿，安全工作區寬；熱穩定性優于GTR；電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。

1.電力MOSFET的結構和工作原理

（1）電力MOSFET的種類：

按導電溝道可分為P溝道和N溝道。MOSFET的電氣圖形符號如圖1-1-19所示。

耗盡型：當柵極電壓為零時，漏源極之間就存在導電溝道。

增強型：對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道。

電力MOSFET主要是N溝道增強型。

（2）電力MOSFET的結構：

導通時只有一種極性的載流子（多子）參與導電，是單極型晶體管，導電機理與小功率MOS管相同，但結構上有較大區別。小功率MOS管是橫向導電器件，電力MOSFET大都采用垂直導電結構，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。

按垂直導電結構的差異，又分為利用V型槽實現垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散MOS結構的VDMOSFET（Vertical Double-Diffused MOSFET）。一個MOSFET器件實際上是由許多小單元并聯組成的。

MOSFET的三個極分別為柵極G、漏極D和源極S。當漏極接正電源，源極接負電源，柵源極間的電壓為零時，漏源極之間無電流通過。如在柵源極間加一正電壓UGS，漏極和源極間開始導電。UGS數值越大，P-MOSFET導電能力越強，ID也就越大。

2.電力MOSFET的基本特性

1）靜態特性

漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉移特性（圖1-1-20）。ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導gm，表示P-MOSFET柵源電壓對漏極電流的控制能力，與GTR的電流增益β含義相似。圖1-1-20中的UGS（th）為開啟電壓，只有UGS＞UGS（th）時才會出現導電溝道，產生漏極電流ID。

漏極伏安特性又稱為輸出特性，如圖1-1-21所示。它分為三個區：可調電阻區Ⅰ、飽和區Ⅱ、擊穿區Ⅲ。在Ⅰ區內，固定柵源電壓UGS，漏源電壓UDS從零上升的過程中，漏極電流ID首先線性增長，接近飽和區時，ID變化減緩，然后開始進入飽和。達到飽和區Ⅱ后，此后雖然UDS增大，但ID維持恒定。從這個區域中的曲線可以看出，在同樣的漏源電壓UDS下，UGS越高，漏極電流ID也越大。當UDS過大時，元件會出現擊穿現象，進入擊穿區Ⅲ。

電力MOSFET工作在開關狀態，即在截止區和非飽和區之間來回轉換。

電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導通。

電力MOSFET的通態電阻具有正溫度系數，對器件并聯時的均流有利。

2）動態特性

在圖1-1-22中，UP為脈沖信號源，RS為信號源內阻，RG為柵極電阻，RL為負載電阻，RF為檢測漏極電流電阻。

（1）開通過程。

開通延遲時間td（on）：UP前沿時刻到UGS=UT并開始出現ID的時刻間的時間段。

上升時間tr：UGS從UT上升到MOSFET進入非飽和區的柵壓UGSP的時間段。

ID穩態值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定，UGSP的大小和ID的穩態值有關，UGS達到UGSP后，在UP作用下繼續升高直至達到穩態，但ID已不變，開通時間ton為開通延遲時間與上升時間之和。

（2）關斷過程。

關斷延遲時間td（off）：UP下降到零起，Cin通過RS和RG放電，UGS按指數曲線下降到UGSP時，ID開始減小的時間段。

下降時間tf：UGS從UGSP繼續下降起，ID減小到UGS＜UT時溝道消失，ID下降到零為止的時間段。

關斷時間toff：關斷延遲時間和下降時間之和。

（3）MOSFET的開關速度。

MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關系，使用者無法降低Cin，但可降低驅動電路內阻RS減小時間常數，加快開關速度。MOSFET只靠多子導電，不存在少子儲存效應，因而關斷過程非常迅速。開關時間在10～100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的場控器件，靜態時幾乎不需要輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率。開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。

3.電力MOSFET的主要參數

（1）漏源電壓UDS：標稱功率MOSFET電壓定額的參數。

（2）漏源電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM：表征功率MOSFET電流定額的參數。

（3）柵源擊穿電壓U（BR）GS：表征柵源間能承受的最高正反向電壓，一般為20V。

（4）漏源擊穿電壓U（BR）DS：用于表征功率MOSFET的耐壓極限。

（5）極間電容：功率MOSFET的三個電極之間分別存在極間電容CGS、CGD和CDS。

1.3.4 絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistor，IGBT或IGT）

IGBT是GTR、GTO與MOSFET兩類器件取長補短結合而成的復合器件——Bi-MOS器件。1986年投入市場后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場，是中小功率電力電子設備的主導器件。繼續提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。

1.IGBT的結構和工作原理

IGBT也是三端器件，具有柵極G、集電極C和發射極E。

圖1-1-23為IGBT簡化等效電路和電氣圖形符號。簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結構，一個由MOSFET驅動的厚基區PNP晶體管，RN為晶體管基區內的調制電阻。

IGBT的開通與關斷由柵極電壓控制。柵極上加正向電壓時MOSFET內部形成溝道，使IGBT高阻斷態轉入低阻通態。在柵極加上反向電壓后，MOSFET中的導電溝道消除，PNP型晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。

2.IGBT 的基本特性

1）IGBT的靜態特性

IGBT的靜態特性主要有轉移特性及輸出特性，如圖1-1-24所示。IGBT的轉移特性表示柵射電壓UGE對集電極電流IC的控制關系，與MOSFET轉移特性類似。

開啟電壓UGE（th）為IGBT能實現電壓調制而導通的最低柵射電壓。

UGE（th）隨溫度升高而略有下降，在+25℃時，UGE（th）的值一般為2～6V。

輸出特性表達了集電極電流IC與集電極—發射極間電壓UCE之間的關系。其分為三個區域：正向阻斷區、有源區和飽和區，分別與GTR的截止區、放大區和飽和區相對應，當UGE＜0時，IGBT為反向阻斷工作狀態。

2）IGBT的動態特性

IGBT的動態特性即開關特性，如圖1-1-25所示。其開通過程主要由其MOSFET結構決定。當柵射電壓UGE達開啟電壓UGE（th）后，集電極電流IC迅速增長，其中，柵射電壓從負偏置值增大至開啟電壓所需的時間為開通延遲時間td（on）；集電極電流由10%額定增長至90%額定所需的時間為電流上升時間tri，故總的開通時間為ton＝td（on）＋tri。

IGBT的關斷過程較為復雜，其中，UGE由正常15V降至開啟電壓UGE（th）所需的時間為關斷延遲時間td（off），自此IC開始衰減。集電極電流由90%額定值下降至10%額定所需時間為下降時間tfi＝tfi1＋tfi2，其中，tfi1對應器件中MOSFET部分的關斷過程，tfi2對應器件中PNP晶體管中存儲電荷的消失過程。由于經tfi1時間后MOSFET結構已關斷，IGBT又未承受反壓，器件內存儲電荷難以被迅速消除，所以集電極電流需要較長時間下降，形成電流拖尾現象。由于此時集射極電壓UCE已建立，電流的過長拖尾將形成較大功耗使結溫升高。總的關斷時間則為toff＝td（off）＋tfi。

3.IGBT的主要參數

（1）最大集射極間電壓UCES：由內部PNP晶體管的擊穿電壓確定。

（2）最大集電極電流ICM：包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。

（3）最大集電極功耗PCM：正常工作溫度下允許的最大功耗。

IGBT的特性和參數特點：

（1）開關速度快，開關損耗小。在電壓1000V以上時，開關損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當。

（2）相同電壓和電流定額時，安全工作區比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。

（3）通態壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區域。

（4）輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。

（5）與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關頻率高的特點。

4.IGBT的擎住效應和安全工作區

IGBT為四層結構，體內存在一個寄生晶體管，等效電路如圖1-1-26所示。NPN晶體管基極與發射極之間存在體區短路電阻，P型溝道體區的橫向空穴電流會在該電阻上產生壓降，相當于對J3結施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。

擎住效應曾限制IGBT電流容量提高，20世紀90年代中后期開始逐漸解決。

IGBT往往與反并聯的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導器件。

1.3.5 其他新型電力電子器件

1.靜電感應晶體管（SIT）

SIT是一種結型場效應晶體管，它有三個極，即漏極D、源極S和柵極G，其電氣圖形符號如圖1-1-27（a）所示。

當G、S之間的電壓UGS=0時，D、S間等效電阻不大，電源即可以經DS流過電流，SIT處于通態；如果在G、S兩端外加負電壓，即UGS＜0，D、S間等效電阻加大；當G、S之間的反偏電壓大到一定的臨界值以后，則漏極D和源極S之間的等效電阻變為無限大而使SIT轉為斷態。SIT在電路中的開關作用類似于一個繼電器的常閉觸點，G、S兩端無外加電壓，UGS=0時，SIT處于通態（閉合）；接通電路，有外加電壓UGS作用后，SIT由通態（閉合）轉為斷態（斷開）。

SIT已在雷達通信設備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應加熱等領域獲得應用。因其柵極不加信號時導通，加負偏壓時關斷，稱為正常導通型器件，使用不太方便，通態電阻較大，通態損耗也大，因而還未在大多數電力電子設備中得到廣泛應用。

2.靜電感應晶閘管（SITH）

SITH又稱為場控晶閘管，其工作原理與SIT類似，其電氣圖形符號如圖1-1-27（b）所示。SITH是兩種載流子導電的雙極型器件，具有電導調制效應，通態壓降低、通流能力強。其很多特性與GTO類似，但開關速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。SITH一般也是正常導通型，但也有正常關斷型。此外，其制造工藝比GTO復雜得多，電流關斷增益較小，因而其應用范圍還有待拓展。

3.MOS控制晶閘管（MCT）

MCT是MOSFET與晶閘管的復合產物，其電氣圖形符號如圖1-1-28所示。其靜態特性與晶閘管相似，由于它的輸入端由MOS管控制，因此，MCT結合了二者的優點：MOSFET的高輸入阻抗、低驅動功率、快速的開關過程；晶閘管的高電壓大電流、低導通壓降。目前，其關鍵技術問題沒有得到很好的解決，電壓和電流容量都遠未達到預期的數值，未能投入實際應用。

4.集成門極換流晶閘管（IGCT）

IGCT的結構是將GTO芯片與反并聯二極管和門極驅動電路集成在一起，它結合了IGBT與GTO的優點，容量與GTO相當，開關速度快10倍，具有結構緊湊、可靠性好、損耗低、制造成品率高等特點，且可省去GTO龐大而復雜的緩沖電路，只不過所需的驅動功率仍很大。目前，IGCT已在電力系統中得到應用，以后有可能取代GTO在大功率場合應用的地位。

5.功率模塊與功率集成電路

功率半導體開關模塊（功率模塊）是把同類的開關器件或不同類的一個或多個開關器件，按一定的電路拓撲結構連接并封裝在一起的開關器件組合體。它可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性；對工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對保護和緩沖電路的要求。

功率模塊（Power Module）最常見的拓撲結構有串聯、并聯、單相橋、三相橋及它們的子電路，而同類開關器件的串、并聯目的是要提高整體額定電壓與電流。

將器件與邏輯、控制、保護、傳感、檢測、緩沖、自診斷、驅動等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（Power Integrated Circuit，PIC）。

功率集成電路應用系列有以下幾種：

（1）高壓集成電路（High Voltage IC，HVIC）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。

（2）智能功率集成電路（Smart Power IC，SPIC）一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。

（3）智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM）則專指IGBT及其輔助器件與其保護和驅動電路的單片集成，又稱為智能IGBT（Intelligent IGBT）。圖1-1-29為一個較為先進的混合集成智能功率模塊（IPM）的結構框圖。

IPM的特點為采用低飽和壓降、高開關速度、內設低損耗電流傳感器的IGBT功率器件；采用單電源、邏輯電平輸入、優化的柵極驅動；實行實時邏輯柵壓控制模式，以嚴密的時序邏輯，對過電流、欠電壓、短路、過熱等故障進行監控保護；提供系統故障輸出，向系統控制器提供報警信號；對輸出三相故障，如橋臂直通、三相短路、對地短路故障也提供了良好的保護。

功率集成電路實現了電能和信息的集成，成為機電一體化的理想接口。最近幾年獲得了迅速發展。