常用电力电子器件：电力二极管和MOSFET

1.不可控器件——电力二极管（见图3-1）

图3-1 电力二极管

电力二极管不同于普通的二极管，它承受的反向电压耐力与阳极通流能力均比普通二极管大得多，但它的工作原理和伏安（V-A）特性与普通二极管基本相同，都具有正向导电性和反向阻断型。电力二极管是最简单、十分重要的电力电子器件，在各类电源中应用广泛。

电力二极管的电路图形符号和静态特性（即伏安特性）如图3-2所示。当二极管A-K间承受的正向电压U大于阈值电压U_T0时，二极管导通，正向电流I由外电路决定，与I_F相对应的两端电压U_F称为二极管的正向通态电压降。当二极管承受反向电压时，只有少数载流子产生的反向微小漏电流，其数值基本上不随电压而变化。当反向电压超过一定数值（U_RBO）后，二极管的反向电流迅速增大，产生雪崩击穿，U_RBO称为反向击穿电压。

图3-2 电力二极管电路图形符号及伏安（V-A）特性

2.半控型器件——晶闸管

晶闸管是晶体闸流管的简称，早期又称为可控硅整流器（SCR），如图3-3所示。晶闸管可以承受的电压、电流在功率半导体中均为最高，具有价格便宜、工作可靠的优点，尽管其开关频率较低，但在大功率、低频电力电子装置中仍占主导地位。晶闸管有许多派生器件，通常所称的晶闸管是普通型晶闸管，它有门极（G）、阳极（A）和阴极（K），晶闸管的电路图形符号及伏安（V-A）特性如图3-4所示。

图3-3 晶闸管

晶闸管的基本特征是：

（1）电流触发特性。当晶闸管A-K极间承受正向电压时，如果G-K极间流过正向触发电流I_G，就会使晶闸管导通。

（2）单向导电特性。晶闸管与电力二极管一样，具有方向阻断特性，当承受反向电压时，此时无论门极有无触发电流，晶闸管都不会导通。

（3）半控型特征。晶闸管一旦导通，门极就会失去作用；此时，不论门极电流是否存在、触发电流极性如何，晶闸管都维持导通。要使导通的晶闸管恢复关断，可对其A-K极间施加反向电压或使其流过的电流小于维持电流（I_H）。

图3-4 晶闸管电路图形符号及伏安（V-A）特性

3.电力场效应晶体管——电力MOSFET（见图3-5）

电力场效应晶体管（Power MOSFET）是近年来发展最快的全控型电力电子器件之一，如图3-5所示。它的显著特点是用栅极电压来控制漏极电流，因此，所需驱动功率小、驱动电路简单；由于是靠多数载流子导电，没有少数载流子导电所需的存储时间，是目前开关速度最高的电力电子器件，是在中小功率高频电源中应用最广泛的器件。

电力MOSFET与信息电子技术应用的MOSFET类似，按导电沟道可分为P沟道和N沟道。在电力MOSFET中，应用最多的是绝缘栅N沟道增强型。

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图3-5 电力MOSFET

电力MOSFET是多元集结构，一个器件有许多个小MOSFET元组成，每个元的形状和排列方式不同。美国IR公司采用VDMOS技术生产的电力MOSFET称为HEXFET，具有6边形元胞结构。西门子公司的SIPMOSFET采用了正方形单元。图3-6a为N沟道增强型VD-MOSFET中一个元胞的内部结构，图3-6b为电力MOSFET的电路图形符号。

图3-6 电力MOSFET元胞内部结构图和电路图形符号

a）电力MOSFET元胞内部结构图 b）电路图形符号

对于N沟道增强型VDMOSFET，当漏极（D）接电源正极，源极（S）接电源负极，且栅极（G）与源极（S）间的电压U_GS为零时，由于P体区与N－漂移区形成的PN结为反向偏置，故漏源之间不导电。如果施加正的U_GS电压，由于栅极（G）是绝缘的，因此，几乎没有栅极电流流过。但栅极的正电压会将P区中的少数载流子——电子吸引到栅极下面的P区表面，当U_GS大于与阈值电压U_GT时，栅极下P区的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型反转成N型，形成反型层。该反型层形成N沟道，使PN结消失，漏极和源极之间形成导电通路。栅源电压U_GS越高，反型层越厚，导电沟道越宽，则漏极电流越大。漏极电流I_D不仅受到栅源电压U_GS控制，而且也与漏极电压U_DS密切相关。电力MOSFET的静态特征分为输入转移特性和输出V—A特性两部分：①漏极电流I_D和栅源电圧U_GS的关系I_D＝f（U_GS），它反映了输入电压与输出电流的关系，称为电力MOSFET的转移特性，如图3-7a所示；②以栅源电压U_GS为参变量，反映漏极电流I_D与源极之间电压的关系I_D＝f（U_DS）｜U_GS＝const^{的曲线称为电力MOSFET}的输出特性，如图3-7b所示。

图3-7 电力MOSFET的转移特性和输出特性

a）转移特性 b）输出特性

MOSFET是靠多子导电，不存在少子存储效应，因而关断过程非常迅速，开关时间在10～100ns之间，工作频率高达500kHz以上，是常用电力电子器件中最高的。由于电力MOSFET的结构，源漏极间形成一个寄生的反并联二极管（也称为本体二极管），使漏极电压U_DS为负时出现导通状态。它是MOSFET构成中不可分割的整体，这样，虽然在很多应用中简化了电路，减少了器件的数量，但由于本体二极管的反向恢复时间较长，在高频应用时必须注意其影响。

4.绝缘栅型双极性晶体管——IGBT（见图3-8）

图3-8 IGBT

电力MOSFET具有驱动方便、开关速度快等优点，但导通后呈现电阻性质，在电流较大时管压降较高，而且器件的容量较小，一般仅适用于小功率装置；大功率晶体管（GTR）的饱和电压降低、容量大，但属于电流驱动型，需要较大的驱动功率。此外，GTR器件又是双极性器件，导致开关速度低；而IGBT是MOSFET和GTR的复合器件，兼有两者的优点。

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）（图3-8）是20世纪80年代出现的一种电压驱动的全控型器件，其基本结构和等效电路如图3-9a、b所示，电路图形符号如图3-9c所示，共有3个引出电极，分别是栅极G、集电极C和发射极E。IGBT是MOSFET与GTR的新型复合器件，输入部分是一个MOSFET，因此栅极是门极，输入内阻很高，属于电压驱动型。具有MOSFET驱动功率小、开关速度高的特点；其输出部分可等效为一个PNP晶体管，同时兼有GTR饱和电压降低和电导调制效应，因此，具有通流能力强、耐压等级高等GTR具有的优点。IGBT的开关频率低于MOSFET，但是第三代高速IGBT的开关频率可达250kHz，高于GTR器件10倍以上。目前，IGBT已取带GTR，成为工业、国防领域应用最广泛的电力电子器件。

IGBT的静态特性也分为输入转移特性I_C＝f（U_GE）和输出V-A特性I_C＝f（U_CE）∣U_GE＝const两种（见图3-9d、e），静态特性曲线和各区域定义均与电力MOSFET基本类似。当IGBT栅极G与发射极E之间的外加电压U_GE＝0时，集电极电流I_C＝0，IGBT处于阻断状态（简称断态）；在栅极G与发射极E之间外加足够大的正向控制电压U_GE（一般为5～15V），IGBT进入导通状态（通态），当U_CE大于一定值（一般为2V左右）时，I_C＞0。

图3-9 IGBT基本结构、图形符号及静态特性

a）基本结构 b）等效电路 c）图形符号 d）转移特性 e）输出特性