（本文為原創(chuàng)，因曾在百度文庫發(fā)布，不聲明首發(fā)。）

功率電子器件是電子電器的終極執(zhí)行器件，也是電子設(shè)備維修時(shí)最多遇到的出問題的部分，所以，了解大功率電子器件，對(duì)維修非常有幫助。

功率電子器件大量被應(yīng)用于電源、伺服驅(qū)動(dòng)、變頻器、電機(jī)保護(hù)器等功率電子設(shè)備。這些設(shè)備都是自動(dòng)化系統(tǒng)中必不可少的，因此，我們了解它們是必要的。

近年來，隨著應(yīng)用日益高速發(fā)展的需求，推動(dòng)了功率電子器件的制造工藝的研究和發(fā)展，功率電子器件有了飛躍性的進(jìn)步。器件的類型朝多元化發(fā)展，性能也越來越改善。大致來講，功率器件的發(fā)展，體現(xiàn)在如下方面：

1． 器件能夠快速恢復(fù)，以滿足越來越高的速度需要。以開關(guān)電源為例，采用雙極型晶體管時(shí)，速度可以到幾十千赫；使用MOSFET和IGBT，可以到幾百千赫；而采用了諧振技術(shù)的開關(guān)電源，則可以達(dá)到兆赫以上。

2． 通態(tài)壓降（正向壓降）降低。這可以減少器件損耗，有利于提高速度，減小器件體積。

3． 電流控制能力增大。電流能力的增大和速度的提高是一對(duì)矛盾，目前最大電流控制能力，特別是在電力設(shè)備方面，還沒有器件能完全替代可控硅。

4． 額定電壓：耐壓高。耐壓和電流都是體現(xiàn)驅(qū)動(dòng)能力的重要參數(shù)，特別對(duì)電力系統(tǒng)，這顯得非常重要。

5． 溫度與功耗。這是一個(gè)綜合性的參數(shù)，它制約了電流能力、開關(guān)速度等能力的提高。目前有兩個(gè)方向解決這個(gè)問題，一是繼續(xù)提高功率器件的品質(zhì)，二是改進(jìn)控制技術(shù)來降低器件功耗，比如諧振式開關(guān)電源。

總體來講，從耐壓、電流能力看，可控硅目前仍然是最高的，在某些特定場(chǎng)合，仍然要使用大電流、高耐壓的可控硅。但一般的工業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)合，功率電子器件已越來越多地使用MOSFET和IGBT，特別是IGBT獲得了更多的使用，開始全面取代可控硅來做為新型的功率控制器件。

一． 整流二極管：

二極管是功率電子系統(tǒng)中不可或缺的器件，用于整流、續(xù)流等。目前比較多地使用如下三種選擇：

1． 高效快速恢復(fù)二極管。壓降0.8-1.2V，適合小功率，12V左右電源。

2． 高效超快速二極管。0.8-1.2V，適合小功率，12V左右電源。

3． 肖特基勢(shì)壘整流二極管SBD。0.4V，適合5V等低壓電源。缺點(diǎn)是其電阻和耐壓的平方成正比，所以耐壓低（200V以下），反向漏電流較大，易熱擊穿。但速度比較快，通態(tài)壓降低。

目前SBD的研究前沿，已經(jīng)超過1萬伏。

二．大功率晶體管GTR

分為：

單管形式：電流系數(shù)：10-30。

雙管形式：如達(dá)林頓管。電流倍數(shù)：100-1000。飽和壓降大，速度慢。下圖虛線部分即是達(dá)林頓管。

圖1-1：達(dá)林頓管應(yīng)用

實(shí)際比較常用的是達(dá)林頓模塊，它把GTR、續(xù)流二極管、輔助電路做到一個(gè)模塊內(nèi)。在較早期的功率電子設(shè)備中，比較多地使用了這種器件。圖1-2是這種器件的內(nèi)部典型結(jié)構(gòu)。

圖1-2：達(dá)林頓模塊電路典型結(jié)構(gòu)

兩個(gè)二極管左側(cè)是加速二極管，右側(cè)為續(xù)流二極管。加速二極管的原理是引進(jìn)了電流串聯(lián)正反饋，達(dá)到加速的目的。

這種器件的制造水平是1800V/800A/2KHz、600V/3A/100KHz左右（參考）。

三． 可控硅SCR

可控硅在大電流、高耐壓場(chǎng)合還是必須的，但在常規(guī)工業(yè)控制的低壓、中小電流控制中，已逐步被新型器件取代。

目前的研制水平在12KV/8000A左右（參考）。

由于可控硅換流電路復(fù)雜，逐步開發(fā)了門極關(guān)斷晶閘管GTO。制造水平達(dá)到8KV/8KA，頻率為1KHz左右。

無論是SCR還是GTO，控制電路都過于復(fù)雜，特別是需要龐大的吸收電路。而且，速度低，因此限制了它的應(yīng)用范圍拓寬。

集成門極換流晶閘管IGCT和MOS關(guān)斷晶閘管之類的器件在控制門極前使用了MOS柵，從而達(dá)到硬關(guān)斷能力。

四． 功率MOSFET

又叫功率場(chǎng)效應(yīng)管或者功率場(chǎng)控晶體管。

其特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)功率小，速度高，安全工作區(qū)寬。但高壓時(shí)，導(dǎo)通電阻與電壓的平方成正比，因而提高耐壓和降低高壓阻抗困難。

適合低壓100V以下，是比較理想的器件。

目前的研制水平在1000V/65A左右（參考）。商業(yè)化的產(chǎn)品達(dá)到60V/200A/2MHz、500V/50A/100KHz。是目前速度最快的功率器件。

五． IGBT

又叫絕緣柵雙極型晶體管。

這種器件的特點(diǎn)是集MOSFET與GTR的優(yōu)點(diǎn)于一身。輸入阻抗高，速度快，熱穩(wěn)定性好。通態(tài)電壓低，耐壓高，電流大。

目前這種器件的兩個(gè)方向：一是朝大功率，二是朝高速度發(fā)展。大功率IGBT模塊達(dá)到1200-1800A/1800-3300V的水平（參考）。速度在中等電壓區(qū)域（370-600V），可達(dá)到150-180KHz。

它的電流密度比MOSFET大，芯片面積只有MOSFET的40%。但速度比MOSFET低。

盡管電力電子器件發(fā)展過程遠(yuǎn)比我們現(xiàn)在描述的復(fù)雜，但是MOSFET和IGBT，特別是IGBT已經(jīng)成為現(xiàn)代功率電子器件的主流。因此，我們下面的重點(diǎn)也是這兩種器件。

功率場(chǎng)效應(yīng)管又叫功率場(chǎng)控晶體管。

一．原理

半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)分析略。本講義附加了相關(guān)資料，供感興趣的同事可以查閱。

實(shí)際上，功率場(chǎng)效應(yīng)管也分結(jié)型、絕緣柵型。但通常指后者中的MOS管，即MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。

它又分為N溝道、P溝道兩種。器件符號(hào)如下：

N溝道 P溝道

圖1-3：MOSFET的圖形符號(hào)

MOS器件的電極分別為柵極G、漏極D、源極S。

和普通MOS管一樣，它也有：

耗盡型：柵極電壓為零時(shí)，即存在導(dǎo)電溝道。無論VGS正負(fù)都起控制作用。

增強(qiáng)型：需要正偏置柵極電壓，才生成導(dǎo)電溝道。達(dá)到飽和前，VGS正偏越大，IDS越大。

一般使用的功率MOSFET多數(shù)是N溝道增強(qiáng)型。而且不同于一般小功率MOS管的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)，使用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，從而提高了耐壓、電流能力，因此又叫VMOSFET。

二．特點(diǎn)：

這種器件的特點(diǎn)是輸入絕緣電阻大（1萬兆歐以上），柵極電流基本為零。

驅(qū)動(dòng)功率小，速度高，安全工作區(qū)寬。但高壓時(shí)，導(dǎo)通電阻與電壓的平方成正比，因而提高耐壓和降低高壓阻抗困難。

適合低壓100V以下，是比較理想的器件。

目前的研制水平在1000V/65A左右（參考）。

其速度可以達(dá)到幾百KHz，使用諧振技術(shù)可以達(dá)到兆級(jí)。

三．參數(shù)與器件特性：

無載流子注入，速度取決于器件的電容充放電時(shí)間，與工作溫度關(guān)系不大，故熱穩(wěn)定性好。

（1） 轉(zhuǎn)移特性：

ID隨UGS變化的曲線，成為轉(zhuǎn)移特性。從下圖可以看到，隨著UGS的上升，跨導(dǎo)將越來越高。

圖1-4：MOSFET的轉(zhuǎn)移特性

（2） 輸出特性（漏極特性）：

輸出特性反應(yīng)了漏極電流隨VDS變化的規(guī)律。

這個(gè)特性和VGS又有關(guān)聯(lián)。下圖反映了這種規(guī)律。

圖中，爬坡段是非飽和區(qū)，水平段為飽和區(qū)，靠近橫軸附近為截止區(qū)，這點(diǎn)和GTR有區(qū)別。

圖1-5：MOSFET的輸出特性

VGS=0時(shí)的飽和電流稱為飽和漏電流IDSS。

（3）通態(tài)電阻Ron：

通態(tài)電阻是器件的一個(gè)重要參數(shù)，決定了電路輸出電壓幅度和損耗。

該參數(shù)隨溫度上升線性增加。而且VGS增加，通態(tài)電阻減小。

（4）跨導(dǎo)：

MOSFET的增益特性稱為跨導(dǎo)。定義為：

Gfs=ΔID/ΔVGS

顯然，這個(gè)數(shù)值越大越好，它反映了管子的柵極控制能力。

（5）柵極閾值電壓

柵極閾值電壓VGS是指開始有規(guī)定的漏極電流（1mA）時(shí)的最低柵極電壓。它具有負(fù)溫度系數(shù)，結(jié)溫每增加45度，閾值電壓下降10%。

（6）電容

MOSFET的一個(gè)明顯特點(diǎn)是三個(gè)極間存在比較明顯的寄生電容，這些電容對(duì)開關(guān)速度有一定影響。偏置電壓高時(shí)，電容效應(yīng)也加大，因此對(duì)高壓電子系統(tǒng)會(huì)有一定影響。

有些資料給出柵極電荷特性圖，可以用于估算電容的影響。以柵源極為例，其特性如下：

可以看到：器件開通延遲時(shí)間內(nèi)，電荷積聚較慢。隨著電壓增加，電荷快速上升，對(duì)應(yīng)著管子開通時(shí)間。最后，當(dāng)電壓增加到一定程度后，電荷增加再次變慢，此時(shí)管子已經(jīng)導(dǎo)通。

圖1-6：柵極電荷特性

（8）正向偏置安全工作區(qū)及主要參數(shù)

MOSFET和雙極型晶體管一樣，也有它的安全工作區(qū)。不同的是，它的安全工作區(qū)是由四根線圍成的。

最大漏極電流IDM：這個(gè)參數(shù)反應(yīng)了器件的電流驅(qū)動(dòng)能力。

最大漏源極電壓VDSM：它由器件的反向擊穿電壓決定。

最大漏極功耗PDM：它由管子允許的溫升決定。

漏源通態(tài)電阻Ron：這是MOSFET必須考慮的一個(gè)參數(shù)，通態(tài)電阻過高，會(huì)影響輸出效率，增加損耗。所以，要根據(jù)使用要求加以限制。

圖1-7：正向偏置安全工作區(qū)

又叫絕緣柵雙極型晶體管。

一．原理：

半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)分析略。本講義附加了相關(guān)資料，供感興趣的同事可以查閱。

該器件符號(hào)如下：

N溝道 P溝道

圖1-8：IGBT的圖形符號(hào)

注意，它的三個(gè)電極分別為門極G、集電極C、發(fā)射極E。

圖1-9：IGBT的等效電路圖。

上面給出了該器件的等效電路圖。實(shí)際上，它相當(dāng)于把MOS管和達(dá)林頓晶體管做到了一起。因而同時(shí)具備了MOS管、GTR的優(yōu)點(diǎn)。

二．特點(diǎn)：

這種器件的特點(diǎn)是集MOSFET與GTR的優(yōu)點(diǎn)于一身。輸入阻抗高，速度快，熱穩(wěn)定性好。通態(tài)電壓低，耐壓高，電流大。

它的電流密度比MOSFET大，芯片面積只有MOSFET的40%。但速度比MOSFET略低。

大功率IGBT模塊達(dá)到1200-1800A/1800-3300V的水平（參考）。速度在中等電壓區(qū)域（370-600V），可達(dá)到150-180KHz。

三．參數(shù)與特性：

（1）轉(zhuǎn)移特性

圖1-10：IGBT的轉(zhuǎn)移特性

這個(gè)特性和MOSFET極其類似，反映了管子的控制能力。

（2）輸出特性

圖1-11：IGBT的輸出特性

它的三個(gè)區(qū)分別為：

靠近橫軸：正向阻斷區(qū)，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。

爬坡區(qū)：飽和區(qū)，隨著負(fù)載電流Ic變化，UCE基本不變，即所謂飽和狀態(tài)。

水平段：有源區(qū)。

（3）通態(tài)電壓Von：

圖1-12：IGBT通態(tài)電壓和MOSFET比較

所謂通態(tài)電壓，是指IGBT進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)的管壓降VDS，這個(gè)電壓隨VGS上升而下降。

由上圖可以看到，IGBT通態(tài)電壓在電流比較大時(shí)，Von要小于MOSFET。

MOSFET的Von為正溫度系數(shù)，IGBT小電流為負(fù)溫度系數(shù)，大電流范圍內(nèi)為正溫度系數(shù)。

（4）開關(guān)損耗：

常溫下，IGBT和MOSFET的關(guān)斷損耗差不多。MOSFET開關(guān)損耗與溫度關(guān)系不大，但I(xiàn)GBT每增加100度，損耗增加2倍。

開通損耗IGBT平均比MOSFET略小，而且二者都對(duì)溫度比較敏感，且呈正溫度系數(shù)。

兩種器件的開關(guān)損耗和電流相關(guān)，電流越大，損耗越高。

（5）安全工作區(qū)與主要參數(shù)ICM、UCEM、PCM：

IGBT的安全工作區(qū)是由電流ICM、電壓UCEM、功耗PCM包圍的區(qū)域。

圖1-13：IGBT的功耗特性

最大集射極間電壓UCEM：取決于反向擊穿電壓的大小51漫畫。

最大集電極功耗PCM：取決于允許結(jié)溫。

最大集電極電流ICM：則受元件擎住效應(yīng)限制。

所謂擎住效應(yīng)問題：由于IGBT存在一個(gè)寄生的晶體管，當(dāng)IC大到一定程度，寄生晶體管導(dǎo)通，柵極失去控制作用。此時(shí)，漏電流增大，造成功耗急劇增加，器件損壞。

安全工作區(qū)隨著開關(guān)速度增加將減小。

（6）柵極偏置電壓與電阻

IGBT特性主要受柵極偏置控制，而且受浪涌電壓影響。其di/dt明顯和柵極偏置電壓、電阻Rg相關(guān)，電壓越高，di/dt越大，電阻越大，di/dt越小。

而且，柵極電壓和短路損壞時(shí)間關(guān)系也很大，柵極偏置電壓越高，短路損壞時(shí)間越短。