電子及基礎(chǔ)應(yīng)用 3

第1章

電力電子器件1.1電力電子器件概述及分類1、概述

電力電子器件則是電力電子電路的基礎(chǔ)，電力電子器件在實際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成的一個系統(tǒng)。在電力電子裝置或設(shè)備中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路稱為主電路，電力電子器件是指可直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。2、特征同處理信息或信號的電子器件相比，一般具有如下特征：（1）能處理功率的大小承受高電壓和大電流，處理大的電功率。（2）一般工作在開關(guān)狀態(tài)。（3）需要驅(qū)動電路。（4）電力電子器件功率損耗大，需散熱設(shè)計。電力電子器件在導(dǎo)通時器件上有一定的通態(tài)壓降，形成通態(tài)損耗；器件開通或關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生開通損耗和關(guān)斷損耗，總稱開關(guān)損耗；在器件開關(guān)頻率較高時（電力電子器件通常都工作在高頻開關(guān)狀態(tài)），開關(guān)損耗會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。3、分類按照電力電子器件能夠被控制電路信號所控制的程度，可以將電力電子器件分為以下三類：不可控器件主要指功率二極管，功率二極管因無控制極，屬于不控型器件。半控型器件晶閘管是典型的半控型器件，因其只能控制其開通而不能控制其關(guān)斷，所以屬于半控型器件。

全控型器件通過控制信號既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷的電力電子器件被稱為全控型器件。目前應(yīng)用最為廣泛的全控型器件為功率MOSFET和IGBT。根據(jù)目前電力電子器件的發(fā)展及使用狀況，本章主要介紹功率二極管、晶閘管、功率MOSFET和IGBT四類電力電子器件。1.2不可控器件——功率二極管1.2.1功率二極管的基本特性1．靜態(tài)特性（伏安特性）功率二極管的靜態(tài)特性主要是指其伏安特性，如圖1-4所示。當(dāng)功率二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流IF對應(yīng)的功率二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當(dāng)功率二極管承受反向電壓時，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。2.動態(tài)特性因結(jié)電容的存在，功率二極管在零偏置（外加電壓為零）、正向偏置和反向偏置三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個過渡過程，此過程中的電壓-電流特性是隨時間變化的，動態(tài)特性往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的開關(guān)特性，實際使用中最為關(guān)注的是其反向恢復(fù)特性。功率二極管的動態(tài)過渡波形

trr=td＋tf

稱為功率二極管的反向恢復(fù)時間。trr將衡量器件反向恢復(fù)速度，而比值S

=tf/td稱為恢復(fù)系數(shù)，它衡量反向恢復(fù)特性的硬度。S值較小的器件其反向電流衰減較快，因而稱具有硬恢復(fù)特性。在相同的電路環(huán)境中，S越小則URP越大。高電壓變化率所引發(fā)的電磁干擾（EMI）強度也越高。為避免器件的關(guān)斷過電壓和降低EMI強度，在實用中應(yīng)選擇具有軟恢復(fù)特性的二極管。由于反向恢復(fù)特性的存在，使得功率二極管產(chǎn)生一個關(guān)斷損耗，其關(guān)斷損耗工程上可近似表示為：

QrrUR是器件在一次反向恢復(fù)過程中所消耗的能量。減小PT最直接的方法是減小Qrr（也即減小反向恢復(fù)時間trr），可選擇trr值較小的快速二極管（后面將要介紹的快恢復(fù)二極管、肖特基二極管及碳化硅二極管）；采用電流斷續(xù)工作模式（DCM），可使器件具有零電流關(guān)斷的環(huán)境（二極管電流自然過零而關(guān)斷），但僅限于直流變換電路及其相關(guān)電路。1.2.2功率二極管的主要參數(shù)1電流/電壓波形有效值和平均值的計算工頻正弦半波電流波形

波形系數(shù)

Kf電流平均值

Id和電流有效值

I2．功率二極管的主要參數(shù)（1）正向平均電流IF（AV）

指功率二極管長期運行時，在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。在此電流下，因管子的正向壓降引起的損耗造成的結(jié)溫升高不會超過所允許的最高工作結(jié)溫。這也是標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。可以看出，正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)在允許的范圍內(nèi)這個原則來定義的，因此在使用時應(yīng)按照工作中實際波形的電流與功率二極管所允許的最大正弦半波電流在流過功率二極管時所造成的發(fā)熱效應(yīng)相等，即兩個波形電流的有效值相等的原則來選取功率二極管的電流定額，并應(yīng)留有一定裕量。（2）正向壓降UF指功率二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降。（3）反向重復(fù)峰值電壓URRM指對功率二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時，往往按照電路中功率二極管可能承受的反向最高峰值電壓來選擇此項參數(shù)并留有一定裕量。（4）最高工作結(jié)溫結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度，用TJM表示。TJM通常在125～175℃之間。（5）反向恢復(fù)時間trr見1.2.1節(jié)（6）浪涌電流IFSM指功率二極管所能承受的最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。1.2.3功率二極管的主要類型按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同，將功率二極管分為以下幾類：1.普通二極管普通二極管又稱整流二極管，多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。反向恢復(fù)時間長，一般在5μs以上。正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高。2.快恢復(fù)二極管反向恢復(fù)過程很短（一般在5μs以下）的二極管被稱為快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode）。快恢復(fù)二極管從性能上可分為快恢復(fù)和超快恢復(fù)兩個等級。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20～30ns。3.肖特基二極管肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode，SBD），簡稱肖特基二極管。肖特基二極管的優(yōu)點在于：反向恢復(fù)時間很短（10～40ns）；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管。因此，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。肖特基二極管的弱點在于：當(dāng)所能承受的反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場合；反向漏電流較大且對溫度敏感（高溫下反向漏電流比較大），因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。4.寬禁帶半導(dǎo)體材料及碳化硅二極管（1）寬禁帶半導(dǎo)體材料

人們通常將Si和Ge稱為第一代半導(dǎo)體材料，而將Al、As及其他合金等稱為第二代半導(dǎo)體材料。當(dāng)前，第一代、第二代功率器件的性能水平已經(jīng)接近其材料的極限，近年來，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為典型代表的第三代半導(dǎo)體材料和器件因其優(yōu)越的物理及電特性而備受業(yè)界的關(guān)注，由于其晶體結(jié)構(gòu)中原子組分的鍵合能相對較大而被稱為寬禁帶半導(dǎo)體。

半導(dǎo)體的禁帶寬度與晶格原子之間的化學(xué)鍵強度有關(guān)，更強的化學(xué)鍵意味著電子更難從一個位置跳躍到下一個位置。所以，較大禁帶寬度的半導(dǎo)體具有較小的本征泄露電流和較高的工作溫度。第三代半導(dǎo)體的禁帶寬度是Si材料的3倍，大大降低了SiC和GaN器件的泄露電流，并使其具有具有較好的抗輻射特性和高溫特性，工作溫度的理論值為600℃。第三代半導(dǎo)體材料的擊穿電場強度10倍于Si材料的擊穿電場強度，大大提高了器件的耐壓及電流密度，降低了導(dǎo)通損耗，同時其2倍于Si材料的電子飽和漂移速度也提高了開關(guān)頻率，3倍于Si材料的熱導(dǎo)率具有良好的散熱性，有助于提高電力電子產(chǎn)品的功率密度和集成度。因此，第三代半導(dǎo)體功率器件更適合高溫、高壓、大功率和高頻等應(yīng)用場合。目前，應(yīng)用中的寬禁帶半導(dǎo)體器件有SiC二極管、碳化硅場效應(yīng)晶體管（SiCMOSFET）和氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaNHEMT）。（2）碳化硅二極管

碳化硅肖特基二極管（SiCSBD）是最早進(jìn)入應(yīng)用的寬禁帶電力電子器件，其延續(xù)了傳統(tǒng)肖特基二極管的優(yōu)勢，阻斷電壓大幅度提升，反向漏電流也很小，性能全面優(yōu)于硅快恢復(fù)二極管，在高壓、高開關(guān)頻率等要求高性能的場合開始取代硅快恢復(fù)二極管。SiC二極管的主要優(yōu)點是沒有反向恢復(fù)過程，因此在配合開關(guān)器件工作過程中，不僅自身不產(chǎn)生關(guān)斷損耗，而且可以大幅度降低開關(guān)器件的開通損耗，提高電路的整體效率，同時對電路的EMI也有較好的改善。目前，國外的科銳（CREE）、英飛凌（Infineon）以及國內(nèi)一些企業(yè)已推出耐壓為600V、1200V、1700V及以上等級的碳化硅肖特基二極管商業(yè)化產(chǎn)品，實驗室產(chǎn)品的耐壓可達(dá)10kV以上。

圖示為CREE公司1700V/25A的SiC二極管與Si快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)特性對比。1.3半控型器件---晶閘管1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與基本特性

陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個連接端。陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端。晶閘管正常工作時的特性如下：（1）當(dāng)晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流（觸發(fā)脈沖），晶閘管都不會導(dǎo)通。（2）當(dāng)晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導(dǎo)通。（3）晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。（4）若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，必須去掉陽極所加的正向電壓或者給陽極施加反壓，或者利用外加電壓和外電路的作用使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。從上述特性可以看出：晶閘管只能通過門極控制其開通而不能控制其關(guān)斷，因此被稱作半控型器件。1.3.2晶閘管的主要參數(shù)1、電壓定額（1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓

UDRM（2）反向重復(fù)峰值電壓

URRM是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的2~3倍。（3）通態(tài)（峰值）電壓

UTM

是指晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。2、電流定額（1）通態(tài)平均電流IT(AV)也稱額定電流，是指晶閘管在環(huán)境溫度為40

C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。晶閘管發(fā)熱和冷卻的條件不同，其允許通過的通態(tài)平均電流值也不一樣。從管芯發(fā)熱的角度看，表征熱效應(yīng)的電流應(yīng)以有效值表示，不論流經(jīng)晶閘管的電流波形如何，只要電流的有效值相等，其發(fā)熱就是相同和等效的。

只要流過晶閘管的任意波形電流的有效值等于該元件通態(tài)平均電流（即額定電流）的有效值，則管芯的發(fā)熱一樣，其通過的電流就是允許的。在實際電路中，流過晶閘管的波形可能是任意的非正弦波形，應(yīng)按實際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管，并留一定的裕量，一般取1.5~2倍。當(dāng)流過晶閘管的電流為任意的非正弦半波電流時，將非正弦半波電流的有效值IT’或平均值Id’折合成等效的正弦半波電流平均值去選擇晶閘管的額定值。設(shè)Kf’為非正弦半波的波形系數(shù)，則有實際選用時，一般取1.5~2倍的安全裕量。當(dāng)給定晶閘管的額定電流IT

(AV)值后，流過該晶閘管任意波形允許的電流平均值為

（2）維持電流IH使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH越小。（3）擎住電流IL晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流，對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍。（4）浪涌電流ITSM指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流。3、動態(tài)參數(shù)

（1）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率，如果電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通。（2）通態(tài)電流臨界上升率di/dt指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率，如果電流上升太快，則晶閘管剛一開通，便會有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞。4典型的全控型器件1.4.1功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和類型功率MOSFET按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型；對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道的稱為增強型。在功率MOSFET應(yīng)用中以N溝道增強型為主，本節(jié)主要介紹N溝道增強型功率MOSFET。功率場效應(yīng)晶體管簡稱功率MOSFET或更精練地簡稱MOS管。功率MOSFET是用柵極電壓來控制漏極電流，其顯著特點是驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小；第二個顯著特點是開關(guān)速度快，工作頻率高；但功率MOSFET電流容量相對較小，耐壓較低，多用于功率不超過10kW的電力電子裝置。增強型功率MOSFET有三個極：G（柵極）、D（漏極）和S（源極），對于N溝道MOSFET，如果在柵極與源極之間加一正電壓UGS，當(dāng)UGS電壓大于MOS的開啟電壓（也稱為閥值電壓或門檻電壓）UT（或UTH）時，漏極和源極開始導(dǎo)電，UGS超過UT越多，導(dǎo)電能力越強，漏極電流ID越大，業(yè)界通常UGS電壓幅值選取在10～15V之間。2.功率MOSFET的基本特性（1）靜態(tài)特性

這里飽和及非飽和的概念與GTR不同，飽和是指漏源電壓增加時漏極電流不再增加，非飽和是指漏源電壓增加時漏極電流相應(yīng)增加。功率MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。（2）功率MOSFET的等效電路模型及動態(tài)特性功率MOSFET的等效電路模型從功率MOSFET的等效電路模型可以看出，每兩個極之間存在著結(jié)電容，而且DS間有個反并的寄生二極管，稱為體二極管，由于體二極管的存在，使得在漏、源之間加反向電壓時器件導(dǎo)通，使用時應(yīng)注意這個寄生二極管的影響。這里以感性開關(guān)模型Boost電路來分析MOSFET的開通和關(guān)斷過程，電感用直流電流源表示，在較短的開關(guān)周期內(nèi)電感電流可以認(rèn)為保持恒定，二極管在MOS管關(guān)斷期間為電流提供通路并將MOS管的漏極電壓箝位到輸出電壓。Boost電路模型電路狀態(tài)MOSFET開通過程MOSFET關(guān)斷過程這里以Infineon公司CoolMOS系列IPP60R099P6為例介紹MOSFET在實際使用中需要關(guān)注的主要參數(shù)。3.功率MOSFET的主要參數(shù)

IPP60R099P6的關(guān)鍵性能參數(shù)IPP60R099P6的極限工作參數(shù)IPP60R099P6的靜態(tài)特性IPP60R099P6的動態(tài)特性IPP60R099P6的柵極電荷特性IPP60R099P6體二極管特性結(jié)溫和導(dǎo)通電阻的關(guān)系曲線1.4.2絕緣柵雙極晶體管（IGBT）GTR和GTO是雙極型電流型驅(qū)動器件，通流能力很強，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜；而MOSFET是單極型電壓驅(qū)動器件，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。將這兩類器件取長補短結(jié)合而成的復(fù)合器件通常稱為Bi-MOS器件。絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor，IGBT）綜合了GTR和MOSFET二者的優(yōu)點，具有良好的特性；自1986年投入市場后，取代了GTR和GTO的市場，成為中、大功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件，并在繼續(xù)提高電壓和電流容量。1、IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理IGBT也是三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E。IGBT的驅(qū)動原理與MOSFET基本相同，是一種場控器件，兩者的驅(qū)動電路基本可以互相替代使用。當(dāng)uGE為正且大于開啟電壓UGE（th）時，IGBT導(dǎo)通。當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時，IGBT關(guān)斷.2、IGBT的基本特性（1）靜態(tài)特性（2）IGBT的動態(tài)特性tfi1對應(yīng)IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快；tfi2對應(yīng)IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢。

tfi2對應(yīng)的集電極電流被形象地稱為拖尾電流（TailingCurrent）。電流拖尾現(xiàn)象，增大了關(guān)斷損耗并延長了其關(guān)斷速度，從而限制了其開關(guān)頻率，實際應(yīng)用中IGBT的開關(guān)頻率通常取100kHz以下（幾十kHz）。3、IGBT的主要參數(shù)除了前面提到的各參數(shù)外，IGBT的主要參數(shù)還包括：（1）最大集射極間電壓UCES：這是由內(nèi)部PNP晶體管所能承受的擊穿電壓確定的。（2）最大集電極電流：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(shù)特點可以總結(jié)如下：（1）開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時，開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與功率MOSFET相當(dāng)。（2）相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。（3）高壓時通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)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(jìn)一步提高，同時可保持開關(guān)頻率較高的特點。4.IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)

從IGBT結(jié)構(gòu)可以看出，在IGBT內(nèi)部寄生著一個N-PN+晶體管和作為主開關(guān)器件的P+N-P晶體管組成的寄生晶閘管。其中NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對J3結(jié)施加一個正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，導(dǎo)致集電極電流增大，造成器件功耗過高而損壞。這種電流失控的現(xiàn)象，就像普通晶閘管被觸發(fā)以后，即使撤銷觸發(fā)信號晶閘管仍然維持導(dǎo)通的機理一樣，因此被稱為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)。集電極電流過大、duCE/dt過大、溫度升高都會引發(fā)擎住效應(yīng)。

此外，為滿足實際電路的要求，IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件，選用時應(yīng)加以注意。

根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗可以確定IGBT在導(dǎo)通工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍，即正向偏置安全工作區(qū)；根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt，可以確定IGBT在阻斷工作狀態(tài)下的參數(shù)極限范圍，即反向偏置安全工作區(qū)。1.5寬禁帶半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管1.5.1碳化硅場效應(yīng)晶體管（SiCMOSFET）

近年來，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料發(fā)展迅速。現(xiàn)階段，以SiC和GaN為半導(dǎo)體材料的晶體管主要有兩種：SiCMOSFET和GaN高電子遷移率晶體管（HighElectronMobilityTransistor，HEMT）SiCMOSFET和SiMOSFET的主要差異在于SiCMOSFET的N-漂移區(qū)和襯底均采用碳化硅材料，而不是采用硅材料，材料的差異導(dǎo)致二者性能的不同（電氣圖形符號及各極的名稱相同）。1、SiCMOSFET的參數(shù)及特性

這里以ST（意法半導(dǎo)體）公司的SCTWA60N120G2-4型號為例，說明SiCMOSFET的參數(shù)及特性。2、SiCMOSFET相對于SiMOSFET和IGBT的優(yōu)點（1）耐壓等級高：SiCMOSFET分立器件產(chǎn)品的耐壓等級涵蓋650V、700V、900V、1000V、1200V、1700V等。（2）低導(dǎo)通電阻：在相同的電壓/電流等級和封裝下，SiCMOSFET的導(dǎo)通電阻顯著小于SiMOSFET，而且在高溫下依然保持較低的RDS(on)。（3）開關(guān)速度更快：在相同的RDS(on)下，SiCMOSFET的芯片面積更小，片面積越小，其結(jié)電容也越小，故SiCMOSFET的開關(guān)速度更快，能夠工作在更高的開關(guān)頻率下。（4）耐高溫：SiC器件可以工作在更高的溫度下，Si器件的最高工作溫度不超過175℃，而SiC器件在300℃下也可以正常工作，可靠性，穩(wěn)定性大大高于SiMOSFET。（5）碳化硅MOSFET的體二極管反向恢復(fù)特性接近于SiC二極管，基本可以忽略體二極管的反向回復(fù)特性。圖示為各類二極管的反向恢復(fù)特性。1.5.2GaN高電子遷移率晶體管（GaNHEMT）

氮化鎵（GaN）具有禁帶寬度寬、擊穿場強大以及電子飽和速度高等特點，這使得GaN晶體管具有極小的極間電容和零恢復(fù)特性等優(yōu)勢，可以工作在很高的開關(guān)頻率。1、GaN晶體管的結(jié)構(gòu)GaN晶體管是一種場效應(yīng)晶體管，根據(jù)導(dǎo)電溝道形成機理分為耗盡型和增強型。常見結(jié)構(gòu)有常通型D-mode、Cascode和常斷型E-mode。常通型D-mode隸屬于耗盡型，是一個常通器件，實際中，從安全和節(jié)能角度都要求功率器件為常斷狀態(tài)。Cascode和E-mode隸屬于增強型，這里只介紹E-mode。

常斷型E-mode也稱為GaN增強模式高電子遷移率晶體管（enhancement-modehighelectronmobilitytransistors，E-HEMT），電氣圖形符號如圖所示。具有正電壓驅(qū)動、可靠性高、阻斷電壓高（目前商品化的產(chǎn)品電壓等級從30V～650V）、零反向恢復(fù)（內(nèi)部無體二極管）、開關(guān)速度快、開關(guān)損耗小和導(dǎo)通電阻小等優(yōu)點，但存在開啟電壓低，驅(qū)動電壓的噪聲容限小和易于自激振蕩等缺點。GaNE-HEMT開關(guān)速度非常快，可以在幾個納秒時間內(nèi)完成開關(guān)過程，所以其開關(guān)損耗也非常小。工作頻率可以達(dá)到兆赫茲級別，能夠大幅提高電路的功率密度、顯著提高效率，特別適合高頻、超高頻中小功率應(yīng)用場合。2、GaNE-HEMT的參數(shù)及特性這里以GaNSystems公司的GS66516T型號為例，說明GaNE-HEMT的參數(shù)及特性。（1）輸出特性GaNE-HEMT沒有體二極管，但具有雙向?qū)щ娔芰Γ敵鎏匦郧€如圖。當(dāng)VGS=6V>VGS(th)時，電流從D極流向S極，定義為正向?qū)ǎ蓤D可知，GaNE-HEMT正向?qū)▔航岛艿汀Ｆ骷聪驅(qū)娏饔蒘流向D極，VGS=6V時，反向?qū)ǖ膲航狄埠苄。聪虻腞DS(on)大致相等。在VGS≤0時，反向?qū)ǔ尸F(xiàn)二極管特性，二極管的開啟電壓隨著VGS的絕對值增加而變大，導(dǎo)致了損耗增加，VGS≤0的模型等效為二極管串聯(lián)一個電阻，應(yīng)盡量避免在VGS≤0的條件下使得器件反向?qū)ā＃?）導(dǎo)通電阻RDS(on)

如圖所示，RDS(on)與驅(qū)動電壓VGS、漏極電流ID和結(jié)溫TJ三個參數(shù)有關(guān)。RDS(on)

隨VGS增加而減小，當(dāng)VGS等于正向驅(qū)動的額定電壓6V時，RDS(on)最小。RDS(on)隨著ID的增大而增大，RDS(on)具有明顯的正溫度系數(shù)，有利于并聯(lián)使用。（3）正向轉(zhuǎn)移特性

圖示為正向轉(zhuǎn)移特性曲線，由圖可知，與Si-MOSFET和SiC-MOSFET不同，GaNE-HEMT正向轉(zhuǎn)移特性具有很好的正溫度系數(shù)，十分有利于器件的并聯(lián)使用。其開啟電壓小于2V，幾乎不受結(jié)溫的影響。過低的開啟電壓使得驅(qū)動電路的噪聲容限很低，為驅(qū)動電路的設(shè)計帶來困難。1.5.3Si-MOSFET、Si-IGBT、SiC-MOSFET、GaNE-HEMT的選用5電力電子器件的驅(qū)動

電力電子器件的驅(qū)動電路則是主電路與控制電路之間的接口。驅(qū)動電路的基本任務(wù)及要求如下：（1）使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗，對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義；（2）對器件或整個裝置的一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動電路中，或通過驅(qū)動電路實現(xiàn)。（3）將信息電子電路（控制芯片等）傳來的信號按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間使其開通或關(guān)斷的信號；（4）對半控型器件只需提供開通控制信號；（5）對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號；（6）驅(qū)動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，通常采用光隔離（光耦）或磁隔離（驅(qū)動變壓器）。1.5.1晶閘管驅(qū)動基于脈沖變壓器和晶體管放大器的驅(qū)動電路如圖所示，當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的高電平驅(qū)動信號加至晶體管放大器后，變壓器Tr輸出電壓經(jīng)D2輸出脈沖電流Ig觸發(fā)SCR導(dǎo)通。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的驅(qū)動信號為零后，D1、DZ續(xù)流，變壓器勵磁電感復(fù)位防止變壓器飽和。1.5.2MOSFET和IGBT的驅(qū)動對驅(qū)動電路的要求如下：（1）為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路具有較小的輸出電阻；（2）使功率MOSFET或IGBT開通的驅(qū)動電壓幅值一般取10～15V；（3）關(guān)斷時必要情況下可施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動電壓（一般取－5～－15V）有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗；（4）在柵極串入一只低值電阻（數(shù)十歐左右）可以減小寄生振蕩。1、以地為參考電平的門極驅(qū)動電路（1）PWM控制器直接驅(qū)動（2）雙極性圖騰柱驅(qū)動器（3）加速（關(guān)斷）電路2.高壓側(cè)非隔離門級驅(qū)動自舉柵極驅(qū)動IC3.容性耦合門極驅(qū)動電路4.變壓器耦合驅(qū)動單端變壓器耦合驅(qū)動（1）單端變壓器驅(qū)動（2）雙端變壓器驅(qū)動a）半橋上下管變壓器驅(qū)動電路b）全橋上下管變壓器驅(qū)動電路5.碳化硅MOSFET的驅(qū)動（1）驅(qū)動電壓的選擇：通常，SiCMOSFET驅(qū)動電壓的絕對最大值為-5～-10V/+20～+25V（傳統(tǒng)SiMOSFET柵、源極電壓絕對最大值約為-30～+30V），SiCMOSFET的驅(qū)動電壓較SiMOSFET的要高，通常為18V～20V左右，使用中可參考各廠商柵極耐壓極限值及驅(qū)動電壓推薦值，通常驅(qū)動電壓推薦值較高而柵極耐壓最大值較低，驅(qū)動過程中需要關(guān)注并抑制柵極電壓的過沖；（2）SiCMOSFET開關(guān)速度快且VGS(th)較低，為防止實際使用中誤導(dǎo)通引起電路故障，可采用關(guān)斷驅(qū)動電壓為負(fù)壓，但SiCMOSFET的柵極負(fù)壓耐壓值遠(yuǎn)不及Si器件的-30～-20V，故關(guān)斷驅(qū)動負(fù)壓取值又不可過低。（3）驅(qū)動電路的布線考慮：SiCMOSFET的結(jié)電容遠(yuǎn)小于SiMOSFET，因此驅(qū)動回路的寄生電感對SiCMOSFET的影響更大，應(yīng)盡量減小驅(qū)動器輸出端與柵極之間的距離，并盡量加寬PCB走線，以減小寄生電感。將功率地和信號地區(qū)分開來，在靠近源極采用開爾文接法，如圖所示。基于上述考慮，SiCMOSFET采用驅(qū)動源極和功率源極分開封裝形式極為常見，圖示為TO-247-4封裝的SiCMOSFET。開爾文接法TO-247-4封裝的碳化硅MOSFET1.6電力電力器件及裝置的保護(hù)1.6.1過電流/過電壓保護(hù)電力電子系統(tǒng)常用過電流/過電壓保護(hù)方案電流保護(hù)措施包括：（1）基于電子電路的第一保護(hù)措施：檢測開關(guān)管電流，當(dāng)電流達(dá)到設(shè)定保護(hù)值時，封鎖開關(guān)管驅(qū)動脈沖達(dá)到保護(hù)開關(guān)管過流損壞的目的；對于輸出短路