《电力电子技术(第五版)》学习笔记
本节内容对应书中第二章 绪论；对应页码p10-p42
电力电子器件概述
电力电子器件的一般特征
- 处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力远大于信息电子器件；
- 一般工作在开关状态；
- 需要由信息电子电路来控制；
- 自身功耗远大于信息电子器件，一般要安装散热器。
电力电子器件损耗包括通态损耗、断态损耗与开关损耗，其中开关损耗包括开通损耗和关断损耗。
电力电子器件的主要损耗为通态损耗，器件开关频率较高时，开关损耗成为主要损耗。
电力电子器件的分类
按照被信号控制的程度分类：
- 半控型器件——通过控制信号可控制通，不能控制关——晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件
- 全控型器件——通过控制信号既可控制通又可控制关，又称自关断器件——绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）、电力场效应晶体管（Power-MOSFET）
- 不可控器件——不能用控制信号来控制其通断, 不需要驱动电路——电力二极管(Power Diode)
按照驱动电路信号的性质，可分为电流驱动型和电压驱动型（场效应器件）。
电流驱动型：双极型器件中除SITH外——具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动电路较复杂。
电压驱动型：单极型器件和复合型器件，双极型器件中的SITH——输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。
按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，可分为单极型器件、双极型器件、复合型器件。
图0
电力电子器件分类
不可控器件——电力二极管
电力二极管工作原理与信息电子电路中的二极管一致，皆以半导体PN结为基础。电力二级管于20世纪50年代初开始应用，至今在中、高频整流和逆变场合，仍然不可替代。其主要封装有螺栓型和平板型两种。
图1
电力二极管a) 外形 b) 基本结构 c) 电气符号
电力二极管的基本特性
静态特性（伏安特性）
图2
电力二极管伏安特性
电力二极管承受电压大于一定值（门槛电压\(U_{TO}\)）时，正向电流开始明显增加，处于稳定导通状态（正向偏置）。
电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流，处于截至状态（反向偏置）。
动态特性（开关特性）
图3
电力二极管关断过程
在关断前有较大反向电流,伴有明显反向电压过冲\(U_{RP}\)。
反向恢复时间\(t_{rr}\)——\(t_{rr} = t_d + t_f\)。其中\(t_d\)为延迟时间，\(t_f\)为电流下降时间。
恢复系数\({S_r} = \frac{t_f} {t_d}\)，\(S_r\)越大则恢复特性越软，反向电流下降时间相对越长，在同样的外电路条件下造成的反向电压\(U_{RP}\)过冲较小。
图4
电力二极管开通过程
正向压降先出现一个过冲\(U_{FP}\)，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值。
正向恢复时间为\(t_{fr}\)。电流上升率越大，\(U_{FP}\)越高。
电力二极管的主要参数
- 正向平均电流\({I_{F(AV)} }\)——在指定的管壳温度\(T_c\)和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。按照电流的发热效应来定义，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。
- 正向压降\(U_F\)——指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。
- 反向重复峰值电压\(U_{RRM}\)——能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应留有两倍裕量（反向最高峰值电压的两倍）。
- 最高工作结温\(T_{JM}\)——在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度，通常在125~175℃范围之内。（结温\(T_J\)指PN结的平均温度）
- 关断过程反向恢复时间\(t_{rr}\)——\(t_{rr} = t_d + t_f\)。其中\(t_d\)为延迟时间，\(t_f\)为电流下降时间。
- 浪涌电流\(I_{FSM}\)——指能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。
电力二极管的主要类型
- 普通二极管(General Purpose Diode)又称整流二极管(Rectifier Diode)，多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中，反向恢复时间较长，正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。
- 快恢复二极管(Fast Recovery Diode,FRD)简称快速二极管，反向恢复过程很短，正向压降很低。分快速恢复和超快速恢复两个等级。
- 肖特基二极管(Schottky Barrier Diode,SBD)反向恢复时间很短（10~40ns），正向恢复无明显的电压过冲。 反向耐压较低时其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管。其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小，效率高。其缺点在于：当所能承受的反向耐压提高时其正向压降也会变高以至于不满足要求，因此多用于200V以下的低压场合；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，需严格限制其工作温度。
半控型器件——晶闸管
晶闸管的结构与工作原理
晶体闸流管(Thyristor)，简称晶闸管，又称可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier,SCR)，简称可控硅。其主要封装有螺栓型和平板型两种。有三个连接端，分别为阳极A、阴极K、门级G（控制端）。
图5
晶闸管a) 外形 b) 基本结构 c) 电气符号
若外电路向门级注入驱动电流\(I_G\)，则\(I_G\)流入晶体管\(V_2\)的基极，产生集电极电流\(I_{c2}\)，它构成晶体管\(V_1\)的基极电流，放大成集电极电流\(I_{c1}\)，又进一步增大\(V_2\)的基极电流，如此形成强烈的正反馈使\(V_1\)和\(V_2\)进入完全饱和状态，即晶闸管导通。
此时若撤掉门极电流\(I_G\)，晶闸管内部由于强烈的正反馈仍能维持导通状态。除非去掉阳极所加的正向电压，或者阳极施加反压，或者设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下，晶闸管才能关断。
因此晶闸管的驱动方式为触发驱动，晶闸管是半控型器件。
图6 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
晶闸管导通条件：晶闸管阳极与阴极间加有正向电压，且在门极施加触发电流
晶闸管关断条件：晶闸管的正向电流小于维持电流，或在晶闸管上加反向电压
晶闸管的基本特性
静态特性
图7
晶闸管静态特性
正向特性（第一象限）
- \(I_G = 0\)时，器件两端加正向电压，有很小的正向漏电流，晶闸管处于正向阻断状态。
- 正向电压超过正向转折电压\(U_{bo}\)时，漏电流急剧增大，器件开通。
- 门极电流\(I_G\)越大，正向转折电压\(U_{bo}\)越小。
- 晶闸管正向导通的管压降很小，1V左右。
- 导通期间若门极电流为零且阳极电流降低至维持电流\(I_H\)以下，晶闸管回到正向阻断状态。
反向特性（第三象限）
- 阻断状态时，有极小的反向漏电流。
- 反向击穿后，反向漏电流急剧增大，可能导致晶闸管发热损坏。
动态特性
图8 晶闸管开通与关断过程
开通过程
- 延迟时间\(t_d\)(0.5~1.5μs)——从门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升至稳态值10%的时间——随门极电流的增大而减小
- 上升时间\(t_r\)(0.5~3μs)——阳极电流从10%上升至90%所需的时间——反应晶闸管本身特性，受到外电路电感严重影响
- 开通时间\(t_{gt}=t_d+t_r\)——提高阳极电压可以增大晶体管\(V_2\)的电流增益\(\alpha_2\)，使正反馈过程加速，缩短开通时间
关断过程
- 反向阻断恢复时间\(t_{rr}\)——从正向电流降为零，到反向电流衰减至接近于零的时间。
- 正向阻断恢复时间\(t_{gr}\)——从到反向电流衰减至接近于零，到晶闸管恢复对正向电压的阻断能力的时间。
- 关断时间\(t_q=t_{rr}+t_{gr}\)——普通晶闸管的关断时间约几百微秒。
晶闸管的主要参数
电压定额
- 断态重复峰值电压\(U_{DRM}\)——门极断路而结温额定时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。规定\(U_{DRM}\)为断态不重复峰值电压\(U_{DSM}\)的90%。规定重复频率为50Hz，每次持续时间不超过10ms。
- 反向重复峰值电压\(U_{RRM}\)——门极断路而结温额定时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。规定\(U_{RRM}\)为反向不重复峰值电压\(U_{RSM}\)的90%。\(U_{RSM}\)应低于反向击穿电压。
- 通态（峰值）电压\(U_{TM}\)——晶闸管通有某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。
- 额定电压——通常取晶闸管的\(U_{DRM}\)和\(U_{RRM}\)中较小的标值作为额定电压。额定电压要有一定裕量，为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2~3倍。
电流定额
- 通态平均电流\(I_{T(AV)}\)——允许长期流过的最大工频正弦半波电流的平均值。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。
如若需要晶闸管实际承担波形电流有效值400A，则对应通态平均电流为400A/1.57=255A（正弦半波波形平均值：有效值=1：1.57）。考虑裕量（1.5到2倍），则可选择额定电流（通态平均电流）500A的晶闸管。 - 维持电流\(I_H\)——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。
- 擎住电流\(I_L\)——刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常\(I_L\)约为\(I_H\)的2~4倍。
- 浪涌电流\(I_{TSM}\)——使超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。
动态参数
- 开通时间\(t_{gt}\)
- 关断时间\(t_q\)
- 断态电压临界上升率du/dt——额定结温、门极开路，从断态到通态转换的外加电压最大上升率。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。
- 通态电流临界上升率di/dt——指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。
晶闸管的派生器件
快速晶闸管
- 快速晶闸管(Fast Switching Thyristor,FST)分为快速晶闸管(400Hz)和高频晶闸管(10kHz)。
- 开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。
- 普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管为数十微秒，高频晶闸管为10μs左右。
- 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。
- 由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。
双向晶闸管
- 双向晶闸管(Triode AC Switch,TRIAC或Bidirectional triode thyristor)由一对反并联的普通晶闸管集合而成。
- 有两个主电极\(T_1\)和\(T_2\)，一个门极\(G\)。在第Ｉ和Ⅲ象限有对称的伏安特性。
- 控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器(Solid State Relay,SSR)和交流电动机调速等领域应用较多。
- 用有效值而非平均值来表示其额定电流值。
图9
双向晶闸管
逆导晶闸管
- 逆导晶闸管(Reverse Conducting Thyristor,RCT)将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。
- 不具有承受反向电压能力，一旦承受反向电压即开通，适用于不需要阻断反向电压的电路。
- 具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。
图10
逆导晶闸管
光控晶闸管
- 光控晶闸管(Light Triggered Thyristor,LTT)又称光触发晶闸管，利用一定波长的光照信号触发导通。
- 保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰影响。
- 多应用在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中。
图11
光控晶闸管
典型全控型器件
门极可关断晶闸管——GTO
GTO的结构和工作原理
图12
门极可关断晶闸管a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号
门极可关断晶闸管(Gate Turn-Off
Thyristor,GTO)是一种多元的功率集成器件。
其外部结构与普通晶闸管一致，是PNPN四层半导体结构，外部可以引出阳极、阴极与门极。但其内部包含数十个甚至数百个共用阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。
可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。
与普通晶闸管一样，GTO亦可以用图6所示的双晶体管模型来分析其工作原理，GTO导通原理与普通晶闸管一样，是一个正反馈过程，只是导通时饱和程度较浅。
关断时，门极加负脉冲，即从门极抽出电流，则晶体管\(V_2\)的基极电流\(I_{b2}\)减小，使\(I_K\)和\(I_{c2}\)减小，继而使\(I_A\)和\(I_{c1}\)减小又进一步减小\(V_2\)的基极电流。当\(I_A\)和\(I_K\)的减小到不能维持时，
器件退出饱和关断（同样是一个正反馈过程）。
多元集成结构使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。
GTO的动态特性与主要参数
图13 GTO开通与关断过程
- 开通过程与普通晶闸管相同，开通时间\(t_{on} = t_d + t_r\)。延迟时间\(t_d\)一般约1~2μs，上升时间\(t_r\)则随通态阳极电流的增大而增大。
- 关断过程与普通晶闸管不同，关断时间\(t_{off} = t_s + t_f\)。其中储存时间\(t_s\)是使等效晶体退出饱和状态的时间；下降时间\(t_f\)是等效晶体从饱和区退至放大区的时间，阳极电流逐渐减小下降时间一般小于2μs。；尾部时间\(t_f\)是残存载流子复合所需时间，尾部时间不计入关断时间。
- \({t_t} > {t_s} \gg {t_f}\)，门极负脉冲电流幅值越大，\(t_s\)越短。
- 最大可关断阳极电流\(I_{ATO}\)——标称GTO额定电流。
- 电流关断增益\(\beta_{off} = \frac{I_{ATO} } {I_{GM} }\)——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值之比。
- 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联。
电力晶体管——GTR
GTR的结构和工作原理
电力晶体管(Giant Transistor,GTR)，直译为巨型晶体管，是一种耐压高、电流大、开关特性好的双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor,BJT)，即GTR = Power BJT。GTR通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成单元结构。同GTO一样采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。
20世纪80年代以来，GTR在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。
图14
电力晶体管a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动
在应用中，GTR一般采用共射极接法。
电流放大系数\(\beta = \frac{i_c}
{i_b}\)，反映了基极电流对集电极电流的控制能力。
单管GTR的\(\beta\)值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。
GTR的基本特性
静态特性
图15
GTR静态特性
共射接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。
在电力电子电路中GTR工作在开关状态（截止区与饱和区）。
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。
动态特性
图16 GTR开通与关断过程
开通时间\(t_{on} = t_d +
t_r\)，与GTO类似。增大基极驱动电流\(i_b\)的幅值并增大\(di_b/dt\)，可以缩短开通时间。
关断时间\(t_{off} = t_s + t_f\)。
GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。
GTR的主要参数
电流放大系数\(\beta = \frac{i_c}
{i_b}\)。
集射极间漏电流\(I_{ceo}\)，若考虑\(I_{ceo}\)，则有\(i_c = \beta i_b +
I_{ceo}\)。集射极间饱和压降\(U_{ces}\)。
直流电流增益\(h_{FE}\)，一般可认为\(h_{FE} \approx \beta\)。
开通时间\(t_{on}\)与关断时间\(t_{off}\)。
最高工作电压（GTR上电压超过规定值时会发生击穿）。
集电极最大允许电流\(I_{cM}\)与集电极最大耗散功率\(P_{cM}\)。
GTR的二次击穿现象与安全工作区
一次击穿——集电极电压升至击穿电压时，\(I_c\)迅速增大。只要\(I_c\)不超过限度，GTR一般不会损坏，特性也不变。二次击穿——一次击穿发生时，\(I_c\)突然急剧上升，电压陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。
安全工作区(Safe Operating Area,SOA)——二次击穿临界线由不同基极电流的二次击穿临界点连接而成。
图17
GTR安全工作区
其中\(U_{ceM}\)为最高电压，\(I_{cM}\)为集电极最高电流，\(P_{cM}\)为最大耗散功率，\(P_{SB}\)为二次击穿功率。
电力场效应晶体管——Power MOSFET
电力场效应晶体管分为结型（静电感应晶体管）(Static Induction
Transistor,SIT)和绝缘栅型(Metal Oxide
Semiconductor,MOS)，电力MOSFET主要指绝缘栅型场效应晶体管(MOSFET)。
电力MOSFET利用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，驱动功率小。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于GTR。电流容量小，耐压低，一般用于功率≼10kW的电力电子装置。
电力MOSFET按导电沟道分类可分为P沟道和N沟道。对于N（或P）沟道器件，栅极电压为零时漏源极间存在导电沟道的称为耗尽型，栅极电压大于（或小于）零时漏源极间存在导电沟道的称为增强型。电力MOSFET通常指N沟道增强型。
电力MOSFET的结构和工作原理
导电机理与小功率MOS管相同，结构上有区别。小功率MOS管是横向导电器件，而电力MOSFET采用垂直导电结构。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(Vertical V-groove MOSFET)和具有垂导电双扩散MOS结构的VDMOSFET(Vertical Double-diffused MOSFET)。这里以VDMOSFET为例讨论。
电力MOSFET采用多元集成结构，一个器件由多个小MOSFET元组成。
图18 电力MOSFET结构截面图及电气图形符号a) N沟道增强型VDMOS单元截面图 b) 电气图形符号
截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。
P基区与N漂移区之间形成的PN结\(J_1\)反偏，漏源极之间无电流流过。
导电：在栅源极间加正电压\(U_{GS}\)。
当\(U_{GS}\)大于\(U_T\)时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结\(J_1\)消失，漏极和源极导电。
场效应管的引脚与三极管相对应：栅极/门极G对应基极b，漏极D对应集电极c，源极S对应发射级e。
电力MOSFET的基本特性
图19 电力MOSFET静态特性a) 转移特性 b) 输出特性
\(I_D\)较大时，\(I_D\)与\(U_{GS}\)的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导\(G_{fs}\)。
MOSFET的漏极伏安特性对应为输出特性。
其中截止区对应于GTR的截止区，饱和区对应于GTR的放大区，非饱和区对应GTR的饱和区。
MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。
漏源极间有寄生二极管，加反向电压时器件导通。
通态电阻\(R_{on}\)具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。
图20 电力MOSFET动态特性测试电路与开关过程波形
开通时间\(t_{on} = t_{d(on)} +
t_r\)，开通延迟时间与上升时间之和。
关断时间\(t_{off} = t_{d(off)} +
t_f\)，关断延迟时间和下降时间之和。
MOSFET的开关速度和\(C_{in}\)充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻\(R_s\)减小时间常数，加快开关速度。
MOSFET不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。开关时间在10~100ns之间，频率可达100kHz以上，是器件中最高的。
MOSFET是场控器件，静态时不需输入电流。但开关时需对输入电容充放电，仍需一定驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。
电力MOSFET的主要参数
跨导\(G_{fs}\)、开启电压\(U_T\)、开通延迟时间\(t_{d(on)}\)、上升时间\(t_r\)、关断延迟时间\(t_{d(off)}\)、下降时间\(t_f\)。
漏极电压\(U_{DS}\)——标称电力MOSFET电压定额
漏极直流电流\(I_D\)和漏极脉冲电流幅值\(I_{DM}\)——标称电力MOSFET电流定额
栅源电压\(U_{GS}\)——栅源之间的绝缘层很薄，\(U_{GS} > 20V\)将导致绝缘层击穿。
极间电容\(C_{GS}\)、\(C_{GD}\)、\(C_{DS}\)
绝缘栅双极晶体管——IGBT
GTR和GTO是双极型电流驱动器件，有电导调制效应，通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。将两类器件取长补短结合而成的复合器件，通常称为Bi-MOS器件。
绝缘栅双极晶体管(Insulated-gate Bipolar
Transistor,IGBT)结合了GTR和MOSFET的优点，于1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件，并在继续努力提高电压和电流容量。
- 开关速度高，开关损耗小。
- 安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。
- 通态压降比VDMOSFET低。
- 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。
- 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。
IGBT的结构和工作原理
图21 IGBT结构和工作原理a) 内部结构断面示意图(N沟道VDMOSFET与GTR结合的N沟道IGBT) b) 简化等效电路 c) 电气图形符号
IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，使其有很强的通流能力。
简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。
\(R_N\)为基区内调制电阻。
IGBT是场控器件，驱动原理与电力MOSFET基本相同，通断由栅射极电压\(u_{GE}\)决定。
导通：\(u_{GE}\)为正且大于开启电压\(U_{GE(th)}\)时，MOSFET内形成沟道，提供基极电流，IGBT导通。由于电导调制效应，电阻\(R_N\)减小，使高耐压的IGBT也有很小的通态压降。
关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。
IGBT亦为三端器件，分别是栅极G，集电极C，发射级E。
IGBT的基本特性
图22
IGBT静态特性a) 转移特性 b) 输出特性
IGBT的输出特性——栅极电压\(U_{GE}\)为参考变量时，集电极电流\(I_c\)与集射极间电压\(U_{CE}\)间的关系。与GTR的输出特性类似，不同的是参考变量（GTR参考变量为基极电流\(I_B\)）。
分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区（对应GTR的截止区、放大区、饱和区）。
\(U_{CE} < 0\)时，IGBT为反向阻断工作状态。
电力电子电路中，IGBT工作于开关状态，即在正向阻断区与饱和区间转换。
图23
IGBT开关过程
IGBT的开通过程与MOSFET类似，其中开通时间\(t_{on} = t_{d(on)} + t_r\)。
\(u_{CE}\)的下降过程分为\(t_{fv1}\)和\(t_{fv2}\)两段。\(t_{fv1}\)为IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；\(t_{fv2}\)为MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。
IGBT的关断过程，关断时间\(t_{off} = t_{d(off)}
+ t_f\)，电流下降时间又可分为\(t_{fi1}\)和\(t_{fi2}\)两段。 \(t_{fi1}\)为IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，\(i_C\)下降较快。\(t_{fi2}\)为IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，\(i_C\)下降较慢。
IGBT的主要参数
最大集射极间电压\(U_{CES}\)——由内部PNP晶体管的击穿电压确定。
最大集电极电流包括额定直流电流\(I_C\)和1ms脉宽最大电流\(I_{CP}\)。
最大集电极功耗\(P_{CM}\)——正常工作温度下允许的最大功耗。
其他新型电力电子器件
MOS控制晶闸管MCT
MCT(MOS Controlled
Thyristor)是将MOSFET与晶闸管组合而成的复合型器件。
结合了MOSFET高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程（开关损耗小）与晶闸管高电压大电流、低导通压降的优点。
MCT可承受较高的di/dt和du/dt，使其保护电路可以简化。
一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，每个由一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET和一个控制该晶闸管关断的MOSFET组成。
遗憾的是，MCT的关键技术问题没有大的突破，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。
静电感应晶体管SIT
SIT(Static Induction
Transistor)是一种结型场效应晶体管。SIT是多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。
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。
然而，SIT栅极会在不加任何信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太方便。
此外，SIT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。
静电感应晶闸管SITH
SITH(Static Induction
Thyristor)可以看作是SIT与GTO组合而成的复合型器件。
SITH是双极型器件，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，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，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。
集成门极换流晶闸管IGCT
IGCT(Integrated Gate-Commutated
Thyristor)于20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍。
可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。
目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。
基于宽禁带半导体材料的电力电子器件
硅的禁带宽度为1.12电子伏特（eV），而宽禁带半导体材料是指禁带宽度在3.0电子伏特左右及以上的半导体材料，典型的是碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石等材料。
基于宽禁带半导体材料的电力电子器件将具有高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态电阻、更好的导热性能、热稳定性以及耐受高温和射线辐射的能力。
宽禁带半导体器件的发展一直受制于材料的提炼和制造以及随后的半导体制造工艺的困难。
功率集成电路与集成电力电子模块
基本概念
20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。
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。
将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断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)。
实际应用电路
- 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。
- 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。
- 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，也称智能IGBT(Intelligent IGBT)。
发展现状
功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。
以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。
智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。
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。
附表1：常用电力半导体开关器件性能对比
| 器件名称 | 可控性 | 驱动信号 | 额定电压、电流 | 工作频率 | 饱和压降 |
|---|---|---|---|---|---|
| 二极管 | 不可控 | 无 | 最大 | 有高有低 | 小 |
| 晶闸管 | 半控 | 脉冲电流（开通） | 最大 | 最低 | 小 |
| GTO | 全控 | 正、负脉冲电流 | 大 | 较低 | 中 |
| GTR(BJT) | 全控 | 正电流 | 中 | 中 | 小 |
| IGBT | 全控 | 正电压 | 较大 | 较高 | 较小 |
| MOSFET | 全控 | 正电压 | 小 | 最该 | 大 |
附表2：全控型器件性能对比
| 器件名称 | 功率容量 | 驱动电路 | 通态压降 | 开关速度 |
|---|---|---|---|---|
| GTO | 6kV/6kA, 9kV/1kA |
复杂, 功率大 | 小 | 1~2kHz |
| GTR | 450V/30A, 1200V/800A |
较复杂, 功率大 | 较大 | 5kHz |
| IGBT | 1kV/100A, 10~50A |
简单,功率小 | 大,与耐压成正比 | 100kHz |
| MOSFET | 2.5kV/1.8kA | 简单,功率小 | 较大 | 50kHz |