带你认识大功率电子器件

（本文为原创，因曾在百度文库发布，不声明首发。）

功率电子器件是电子电器的终极执行器件，也是电子设备维修时最多遇到的出问题的部分，所以，了解大功率电子器件，对维修非常有帮助。

功率电子器件大量被应用于电源、伺服驱动、变频器、电机保护器等功率电子设备。这些设备都是自动化系统中必不可少的，因此，我们了解它们是必要的。

近年来，随着应用日益高速发展的需求，推动了功率电子器件的制造工艺的研究和发展，功率电子器件有了飞跃性的进步。器件的类型朝多元化发展，性能也越来越改善。大致来讲，功率器件的发展，体现在如下方面：

1． 器件能够快速恢复，以满足越来越高的速度需要。以开关电源为例，采用双极型晶体管时，速度可以到几十千赫；使用MOSFET和IGBT，可以到几百千赫；而采用了谐振技术的开关电源，则可以达到兆赫以上。

2． 通态压降（正向压降）降低。这可以减少器件损耗，有利于提高速度，减小器件体积。

3． 电流控制能力增大。电流能力的增大和速度的提高是一对矛盾，目前最大电流控制能力，特别是在电力设备方面，还没有器件能完全替代可控硅。

4． 额定电压：耐压高。耐压和电流都是体现驱动能力的重要参数，特别对电力系统，这显得非常重要。

5． 温度与功耗。这是一个综合性的参数，它制约了电流能力、开关速度等能力的提高。目前有两个方向解决这个问题，一是继续提高功率器件的品质，二是改进控制技术来降低器件功耗，比如谐振式开关电源。

总体来讲，从耐压、电流能力看，可控硅目前仍然是最高的，在某些特定场合，仍然要使用大电流、高耐压的可控硅。但一般的工业自动化场合，功率电子器件已越来越多地使用MOSFET和IGBT，特别是IGBT获得了更多的使用，开始全面取代可控硅来做为新型的功率控制器件。

一． 整流二极管：

二极管是功率电子系统中不可或缺的器件，用于整流、续流等。目前比较多地使用如下三种选择：

1． 高效快速恢复二极管。压降0.8-1.2V，适合小功率，12V左右电源。

2． 高效超快速二极管。0.8-1.2V，适合小功率，12V左右电源。

3． 肖特基势垒整流二极管SBD。0.4V，适合5V等低压电源。缺点是其电阻和耐压的平方成正比，所以耐压低（200V以下），反向漏电流较大，易热击穿。但速度比较快，通态压降低。

目前SBD的研究前沿，已经超过1万伏。

二．大功率晶体管GTR

分为：

单管形式：电流系数：10-30。

双管形式：如达林顿管。电流倍数：100-1000。饱和压降大，速度慢。下图虚线部分即是达林顿管。

图1-1：达林顿管应用

实际比较常用的是达林顿模块，它把GTR、续流二极管、辅助电路做到一个模块内。在较早期的功率电子设备中，比较多地使用了这种器件。图1-2是这种器件的内部典型结构。

图1-2：达林顿模块电路典型结构

两个二极管左侧是加速二极管，右侧为续流二极管。加速二极管的原理是引进了电流串联正反馈，达到加速的目的。

这种器件的制造水平是1800V/800A/2KHz、600V/3A/100KHz左右（参考）。

三． 可控硅SCR

可控硅在大电流、高耐压场合还是必须的，但在常规工业控制的低压、中小电流控制中，已逐步被新型器件取代。

目前的研制水平在12KV/8000A左右（参考）。

由于可控硅换流电路复杂，逐步开发了门极关断晶闸管GTO。制造水平达到8KV/8KA，频率为1KHz左右。

无论是SCR还是GTO，控制电路都过于复杂，特别是需要庞大的吸收电路。而且，速度低，因此限制了它的应用范围拓宽。

集成门极换流晶闸管IGCT和MOS关断晶闸管之类的器件在控制门极前使用了MOS栅，从而达到硬关断能力。

四． 功率MOSFET

又叫功率场效应管或者功率场控晶体管。

其特点是驱动功率小，速度高，安全工作区宽。但高压时，导通电阻与电压的平方成正比，因而提高耐压和降低高压阻抗困难。

适合低压100V以下，是比较理想的器件。

目前的研制水平在1000V/65A左右（参考）。商业化的产品达到60V/200A/2MHz、500V/50A/100KHz。是目前速度最快的功率器件。

五． IGBT

又叫绝缘栅双极型晶体管。

这种器件的特点是集MOSFET与GTR的优点于一身。输入阻抗高，速度快，热稳定性好。通态电压低，耐压高，电流大。

目前这种器件的两个方向：一是朝大功率，二是朝高速度发展。大功率IGBT模块达到1200-1800A/1800-3300V的水平（参考）。速度在中等电压区域（370-600V），可达到150-180KHz。

它的电流密度比MOSFET大，芯片面积只有MOSFET的40%。但速度比MOSFET低。

尽管电力电子器件发展过程远比我们现在描述的复杂，但是MOSFET和IGBT，特别是IGBT已经成为现代功率电子器件的主流。因此，我们下面的重点也是这两种器件。

功率场效应管又叫功率场控晶体管。

一．原理

半导体结构分析略。本讲义附加了相关资料，供感兴趣的同事可以查阅。

实际上，功率场效应管也分结型、绝缘栅型。但通常指后者中的MOS管，即MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。

它又分为N沟道、P沟道两种。器件符号如下：

N沟道 P沟道

图1-3：MOSFET的图形符号

MOS器件的电极分别为栅极G、漏极D、源极S。

和普通MOS管一样，它也有：

耗尽型：栅极电压为零时，即存在导电沟道。无论VGS正负都起控制作用。

增强型：需要正偏置栅极电压，才生成导电沟道。达到饱和前，VGS正偏越大，IDS越大。

一般使用的功率MOSFET多数是N沟道增强型。而且不同于一般小功率MOS管的横向导电结构，使用了垂直导电结构，从而提高了耐压、电流能力，因此又叫VMOSFET。

二．特点：

这种器件的特点是输入绝缘电阻大（1万兆欧以上），栅极电流基本为零。

驱动功率小，速度高，安全工作区宽。但高压时，导通电阻与电压的平方成正比，因而提高耐压和降低高压阻抗困难。

适合低压100V以下，是比较理想的器件。

目前的研制水平在1000V/65A左右（参考）。

其速度可以达到几百KHz，使用谐振技术可以达到兆级。

三．参数与器件特性：

无载流子注入，速度取决于器件的电容充放电时间，与工作温度关系不大，故热稳定性好。

（1） 转移特性：

ID随UGS变化的曲线，成为转移特性。从下图可以看到，随着UGS的上升，跨导将越来越高。

图1-4：MOSFET的转移特性

（2） 输出特性（漏极特性）：

输出特性反应了漏极电流随VDS变化的规律。

这个特性和VGS又有关联。下图反映了这种规律。

图中，爬坡段是非饱和区，水平段为饱和区，靠近横轴附近为截止区，这点和GTR有区别。

图1-5：MOSFET的输出特性

VGS=0时的饱和电流称为饱和漏电流IDSS。

（3）通态电阻Ron：

通态电阻是器件的一个重要参数，决定了电路输出电压幅度和损耗。

该参数随温度上升线性增加。而且VGS增加，通态电阻减小。

（4）跨导：

MOSFET的增益特性称为跨导。定义为：

Gfs=ΔID/ΔVGS

显然，这个数值越大越好，它反映了管子的栅极控制能力。

（5）栅极阈值电压

栅极阈值电压VGS是指开始有规定的漏极电流（1mA）时的最低栅极电压。它具有负温度系数，结温每增加45度，阈值电压下降10%。

（6）电容

MOSFET的一个明显特点是三个极间存在比较明显的寄生电容，这些电容对开关速度有一定影响。偏置电压高时，电容效应也加大，因此对高压电子系统会有一定影响。

有些资料给出栅极电荷特性图，可以用于估算电容的影响。以栅源极为例，其特性如下：

可以看到：器件开通延迟时间内，电荷积聚较慢。随着电压增加，电荷快速上升，对应着管子开通时间。最后，当电压增加到一定程度后，电荷增加再次变慢，此时管子已经导通。

图1-6：栅极电荷特性

（8）正向偏置安全工作区及主要参数

MOSFET和双极型晶体管一样，也有它的安全工作区。不同的是，它的安全工作区是由四根线围成的。

最大漏极电流IDM：这个参数反应了器件的电流驱动能力。

最大漏源极电压VDSM：它由器件的反向击穿电压决定。

最大漏极功耗PDM：它由管子允许的温升决定。

漏源通态电阻Ron：这是MOSFET必须考虑的一个参数，通态电阻过高，会影响输出效率，增加损耗。所以，要根据使用要求加以限制。

图1-7：正向偏置安全工作区

又叫绝缘栅双极型晶体管。

一．原理：

半导体结构分析略。本讲义附加了相关资料，供感兴趣的同事可以查阅。

该器件符号如下：

N沟道 P沟道

图1-8：IGBT的图形符号

注意，它的三个电极分别为门极G、集电极C、发射极E。

图1-9：IGBT的等效电路图。

上面给出了该器件的等效电路图。实际上，它相当于把MOS管和达林顿晶体管做到了一起。因而同时具备了MOS管、GTR的优点。

二．特点：

这种器件的特点是集MOSFET与GTR的优点于一身。输入阻抗高，速度快，热稳定性好。通态电压低，耐压高，电流大。

它的电流密度比MOSFET大，芯片面积只有MOSFET的40%。但速度比MOSFET略低。

大功率IGBT模块达到1200-1800A/1800-3300V的水平（参考）。速度在中等电压区域（370-600V），可达到150-180KHz。

三．参数与特性：

（1）转移特性

图1-10：IGBT的转移特性

这个特性和MOSFET极其类似，反映了管子的控制能力。

（2）输出特性

图1-11：IGBT的输出特性

它的三个区分别为：

靠近横轴：正向阻断区，管子处于截止状态。

爬坡区：饱和区，随着负载电流Ic变化，UCE基本不变，即所谓饱和状态。

水平段：有源区。

（3）通态电压Von：

图1-12：IGBT通态电压和MOSFET比较

所谓通态电压，是指IGBT进入导通状态的管压降VDS，这个电压随VGS上升而下降。

由上图可以看到，IGBT通态电压在电流比较大时，Von要小于MOSFET。

MOSFET的Von为正温度系数，IGBT小电流为负温度系数，大电流范围内为正温度系数。

（4）开关损耗：

常温下，IGBT和MOSFET的关断损耗差不多。MOSFET开关损耗与温度关系不大，但IGBT每增加100度，损耗增加2倍。

开通损耗IGBT平均比MOSFET略小，而且二者都对温度比较敏感，且呈正温度系数。

两种器件的开关损耗和电流相关，电流越大，损耗越高。

（5）安全工作区与主要参数ICM、UCEM、PCM：

IGBT的安全工作区是由电流ICM、电压UCEM、功耗PCM包围的区域。

图1-13：IGBT的功耗特性

最大集射极间电压UCEM：取决于反向击穿电压的大小51漫画。

最大集电极功耗PCM：取决于允许结温。

最大集电极电流ICM：则受元件擎住效应限制。

所谓擎住效应问题：由于IGBT存在一个寄生的晶体管，当IC大到一定程度，寄生晶体管导通，栅极失去控制作用。此时，漏电流增大，造成功耗急剧增加，器件损坏。

安全工作区随着开关速度增加将减小。

（6）栅极偏置电压与电阻

IGBT特性主要受栅极偏置控制，而且受浪涌电压影响。其di/dt明显和栅极偏置电压、电阻Rg相关，电压越高，di/dt越大，电阻越大，di/dt越小。

而且，栅极电压和短路损坏时间关系也很大，栅极偏置电压越高，短路损坏时间越短。