1.3 典型全控型器件

在晶闸管问世后不久，出现了门极可关断晶闸管，特别是20世纪80年代以来，大量涌现出高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，电力电子技术进入了一个高速发展的崭新时代，典型代表有门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。典型全控型器件的外形，如图1-1-14所示。

1.3.1 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor，GTO）

GTO是晶闸管的一种派生器件，GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅，且通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，在GTO关断过程中有强烈正反馈，使器件退出饱和而达到关断目的。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。GTO的电气图形符号如图1-1-15所示。

GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，虽然门极关断电流较大，但在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。

1.3.2 电力晶体管（Giant Transistor，GTR）

电力晶体管是耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT），又称为Power BJT。在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。

1.GTR的结构和工作原理

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。

GTR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。图1-1-16为GTR的电气图形符号，与普通晶体管完全相同。

2.GTR的基本特性

在应用中，GTR一般采用共发射极接法。

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1-1-17（a）所示。它表示UCE一定时，基极电流IB与基极—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UBE增大时，输入特性右移。一般情况下，GTR的正向偏压UBE大约为1V。

（2）输出特性。

输出特性是指集电极电流IC和集电极—发射极电压UCE的函数关系，如图1-1-17（b）所示。从图1-1-17（b）中可以看出，GTR的工作状态可以分成4个区域：截止区（又称阻断区）、线性放大区、准饱和区和饱和区（又称深饱和区）。

截止区对应基极电流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。

在线性放大区中，集电极电流与基极电流呈线性关系。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。在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。

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，集电极电流与基区电流之间不再呈线性关系。

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。

2）动态特性

（1）开通过程。

延迟时间td和上升时间tr，两者之和为开通时间ton。

增大基极驱动电流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。

（2）关断过程。

储存时间ts和下降时间tf，两者之和为关断时间toff。

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。

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Cs，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。

GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。其开通和关断过程电流波形，如图1-1-18所示。

3.GTR的主要参数

1）电压参数

（1）集电极额定电压UCEM。

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：

BUCBO＞BUCEX＞BUCES＞BUCER＞BUCEO

其中，BUCBO为发射极开路时集电极与基极间的反向击穿电压；BUCEX为发射极反向偏置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连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应比最小击穿电压BUCEO低，从而保证元件工作安全。

（2）饱和压降UCES。

单个GTR的饱和压降一般不超过1.5V，UCES随集电极电流ICM的增大而增大。

2）电流参数

（1）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。

（2）基极电流最大允许值IBM。

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—发射极间的最大电压额定值通常只有几伏。

（3）集电极最大耗散功率PCM。

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决定。

4.GTR的二次击穿现象与安全工作区

1）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。

2）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。

3）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和二次击穿临界线限定，这些限制条件构成了GTR的安全工作区。

1.3.3 电力场效应晶体管

电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型。但通常电力场效应晶体管主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称电力MOSFET（Power MOSFET）；而结型电力场效应晶体管一般称为静电感应晶体管（Static Induction Transistor，SIT）。

电力场效应晶体管的特点：用栅极电压来控制漏极电流；控制极（栅极）内阻极高（109Ω），驱动电路简单，需要的驱动功率小；开关速度快，工作频率高；无二次击穿，安全工作区宽；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。

1.电力MOSFET的结构和工作原理

（1）电力MOSFET的种类：

按导电沟道可分为P沟道和N沟道。MOSFET的电气图形符号如图1-1-19所示。

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。

（2）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）。一个MOSFET器件实际上是由许多小单元并联组成的。

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，漏源极之间无电流通过。如在栅源极间加一正电压UGS，漏极和源极间开始导电。UGS数值越大，P-MOSFET导电能力越强，ID也就越大。

2.电力MOSFET的基本特性

1）静态特性

漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性（图1-1-20）。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导gm，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β含义相似。图1-1-20中的UGS（th）为开启电压，只有UGS＞UGS（th）时才会出现导电沟道，产生漏极电流ID。

漏极伏安特性又称为输出特性，如图1-1-21所示。它分为三个区：可调电阻区Ⅰ、饱和区Ⅱ、击穿区Ⅲ。在Ⅰ区内，固定栅源电压UGS，漏源电压UDS从零上升的过程中，漏极电流ID首先线性增长，接近饱和区时，ID变化减缓，然后开始进入饱和。达到饱和区Ⅱ后，此后虽然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，漏极电流ID也越大。当UDS过大时，元件会出现击穿现象，进入击穿区Ⅲ。

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）动态特性

在图1-1-22中，UP为脉冲信号源，RS为信号源内阻，RG为栅极电阻，RL为负载电阻，RF为检测漏极电流电阻。

（1）开通过程。

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为开通延迟时间与上升时间之和。

（2）关断过程。

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。

（3）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，静态时几乎不需要输入电流。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。

3.电力MOSFET的主要参数

（1）漏源电压UDS：标称功率MOSFET电压定额的参数。

（2）漏源电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM：表征功率MOSFET电流定额的参数。

（3）栅源击穿电压U（BR）GS：表征栅源间能承受的最高正反向电压，一般为20V。

（4）漏源击穿电压U（BR）DS：用于表征功率MOSFET的耐压极限。

（5）极间电容：功率MOSFET的三个电极之间分别存在极间电容CGS、CGD和CDS。

1.3.4 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor，IGBT或IGT）

IGBT是GTR、GTO与MOSFET两类器件取长补短结合而成的复合器件——Bi-MOS器件。1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场，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容量，以期再取代GTO的地位。

1.IGBT的结构和工作原理

IGBT也是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。

图1-1-23为IGBT简化等效电路和电气图形符号。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。

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。

2.IGBT 的基本特性

1）IGBT的静态特性

IGBT的静态特性主要有转移特性及输出特性，如图1-1-24所示。IGBT的转移特性表示栅射电压UGE对集电极电流IC的控制关系，与MOSFET转移特性类似。

开启电压UGE（th）为IGBT能实现电压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℃时，UGE（th）的值一般为2～6V。

输出特性表达了集电极电流IC与集电极—发射极间电压UCE之间的关系。其分为三个区域：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，当UGE＜0时，IGBT为反向阻断工作状态。

2）IGBT的动态特性

IGBT的动态特性即开关特性，如图1-1-25所示。其开通过程主要由其MOSFET结构决定。当栅射电压UGE达开启电压UGE（th）后，集电极电流IC迅速增长，其中，栅射电压从负偏置值增大至开启电压所需的时间为开通延迟时间td（on）；集电极电流由10%额定增长至90%额定所需的时间为电流上升时间tri，故总的开通时间为ton＝td（on）＋tri。

IGBT的关断过程较为复杂，其中，UGE由正常15V降至开启电压UGE（th）所需的时间为关断延迟时间td（off），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tfi＝tfi1＋tfi2，其中，tfi1对应器件中MOSFET部分的关断过程，tfi2对应器件中PNP晶体管中存储电荷的消失过程。由于经tfi1时间后MOSFET结构已关断，IGBT又未承受反压，器件内存储电荷难以被迅速消除，所以集电极电流需要较长时间下降，形成电流拖尾现象。由于此时集射极电压UCE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toff＝td（off）＋tfi。

3.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ICM：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）开关速度快，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。

4.IGBT的擎住效应和安全工作区

IGBT为四层结构，体内存在一个寄生晶体管，等效电路如图1-1-26所示。NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P型沟道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。

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。

1.3.5 其他新型电力电子器件

1.静电感应晶体管（SIT）

SIT是一种结型场效应晶体管，它有三个极，即漏极D、源极S和栅极G，其电气图形符号如图1-1-27（a）所示。

当G、S之间的电压UGS=0时，D、S间等效电阻不大，电源即可以经DS流过电流，SIT处于通态；如果在G、S两端外加负电压，即UGS＜0，D、S间等效电阻加大；当G、S之间的反偏电压大到一定的临界值以后，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。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）。

SIT已在雷达通信设备、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。因其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。

2.静电感应晶闸管（SITH）

SITH又称为场控晶闸管，其工作原理与SIT类似，其电气图形符号如图1-1-27（b）所示。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。

3.MOS控制晶闸管（MCT）

MCT是MOSFET与晶闸管的复合产物，其电气图形符号如图1-1-28所示。其静态特性与晶闸管相似，由于它的输入端由MOS管控制，因此，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。目前，其关键技术问题没有得到很好的解决，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。

4.集成门极换流晶闸管（IGCT）

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，它结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍，具有结构紧凑、可靠性好、损耗低、制造成品率高等特点，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，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。

5.功率模块与功率集成电路

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。它可缩小装置体积，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。

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与电流。

将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、缓冲、自诊断、驱动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）。

功率集成电路应用系列有以下几种：

（1）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。

（2）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。

（3）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，又称为智能IGBT（Intelligent IGBT）。图1-1-29为一个较为先进的混合集成智能功率模块（IPM）的结构框图。

IPM的特点为采用低饱和压降、高开关速度、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。

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。最近几年获得了迅速发展。