【正文】 1 C B OAc III ?? ?222 C B OKc III ?? ?GAK III ??21 ccA III ??（ 22） （ 21） （ 23） （ 24） 式中 ?1和 ?2分別是晶體管V1和 V2的共基極電流增益；ICBO1和 ICBO2分別是 V1和 V2的共基極漏電流。 ◆ 如果注入觸發(fā)電流使各個(gè)晶體管的發(fā)射極電流增大以致 ?1+?2趨近于 1的話，流過(guò)晶閘管的電流 IA（陽(yáng)極電流） 將 趨近于 無(wú)窮大 ，從而實(shí)現(xiàn)器件 飽和導(dǎo)通 。 晶閘管的基本特性 ■ 靜態(tài)特性 ◆ 正常工作時(shí)的特性 ? 當(dāng)晶閘管承受 反向電壓 時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通 。 晶閘管的基本特性 ◆ 晶閘管的伏安特性 ? 正向特性 √當(dāng) IG=0時(shí)，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向 阻斷狀態(tài) ，只有很小的正向漏電流流過(guò)。 圖 29 晶閘管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo 正向 導(dǎo)通 雪崩 擊穿 O + U A U A I A I A I H I G2 I G1 I G = 0 U bo U DSM U DRM U RRM U RSM + 晶閘管的基本特性 ? 反向特性 √其伏安特性類似 二極管 的反向特性。 ? 延遲時(shí)間 td (~?s) 上升時(shí)間 tr (~3?s) 開(kāi)通時(shí)間 tgt=td+tr ? 延遲時(shí)間隨 門極電流 的增 大而減小 ,上升時(shí)間除反映晶 閘管本身特性外，還受到 外電 路電感 的嚴(yán)重影響。 ? 在 正向阻斷恢復(fù)時(shí)間 內(nèi)如果重 新對(duì)晶閘管施加 正向電壓 ，晶閘管 會(huì)重新正向?qū)?，而不是受門極電 流控制而導(dǎo)通。 ◆ 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(shí)，允許 重復(fù) 加在器件上的 反向 峰值電壓 （見(jiàn)圖 28）。 ◆ 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 。 ? 一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的 原則所得計(jì)算結(jié)果的 ~2倍。 ? 約為 IH的 2~4倍 ◆ 浪涌電流 ITSM ? 指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的 不重復(fù)性 最大正向過(guò)載電流 。 ? 如果電流上升太快，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。 ◆ 高頻晶閘管的不足在于其 電壓 和 電流 定額都不易做高。 ◆ 雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值 來(lái)表示其額定電流值。 ◆ 由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的 絕緣 ，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在 高壓大功率的場(chǎng)合 。 ■ 典型代表 —— 門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。 圖 214 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號(hào) 門極可關(guān)斷晶閘管 圖 28 晶閘管的雙晶體管模型 及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理 ◆ GTO的工作原理 ? 仍然可以用如圖 28所示的 雙晶體管模型 來(lái)分析， V V2的共基極電流增益分別是 ? ?2。 √多元集成結(jié)構(gòu)，使得 P2基區(qū) 橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。 門極可關(guān)斷晶閘管 ■ GTO的動(dòng)態(tài)特性 ◆ 開(kāi)通過(guò)程與普通晶閘管類似。 圖 215 GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形 O t 0 t i G i A I A 90% I A 10% I A t t t f t s t d t r t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子的時(shí)間 等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小時(shí)間 殘存載流子復(fù)合所需時(shí)間 門極可關(guān)斷晶閘管 ■ GTO的主要參數(shù) ◆ GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同。 ◆ 開(kāi)通時(shí)間 ton ? 延遲 時(shí)間與 上升 時(shí)間之和。 ■ 不少 GTO都制造成 逆導(dǎo)型 ，類似于逆導(dǎo)晶閘管。 ◆ GTR的結(jié)構(gòu) ? 采用至少由兩個(gè)晶體管按 達(dá)林頓接法 組成的單元結(jié)構(gòu)，并采用集 成電路工藝將許多這種單元 并聯(lián) 而成。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流 Iceo時(shí)， ic和 ib的關(guān)系為 ? 單管 GTR的 ? 值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為 10左右，采用達(dá)林頓接法 可以有效地增大電流增益。 截止區(qū) 放大區(qū) O I c i b3 i b2 i b1 i b1 i b2 i b3 U ce 圖 217 共發(fā)射極接法時(shí) GTR的輸出特性 電力晶體管 ◆ 動(dòng)態(tài)特性 ? 開(kāi)通過(guò)程 √需要經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間 td和上升時(shí) 間 tr，二者之和為開(kāi)通時(shí)間 ton。 ? GTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在 幾微秒 以內(nèi)， 比晶閘管和 GTO都短很多。 ? 擊穿電壓不僅和晶體管本身的 特性 有關(guān)，還與外電路的接法有關(guān)。 ◆ 集電極最大耗散功率 PcM ? 指在 最高 工作溫度下允許的耗散功率。 ◆ 出現(xiàn)一次擊穿后， GTR一般不會(huì)損壞，二次擊穿常常立即導(dǎo)致器 件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對(duì) GTR危害極大。 ■ 電力 MOSFET是用 柵極 電壓來(lái)控制 漏極 電流的，它的特點(diǎn) 有： ◆ 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ■ 電力 MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 ◆ 電力 MOSFET的種類 ? 按導(dǎo)電溝道可分為 P溝道和 N溝道。 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ◆ 電力 MOSFET的結(jié)構(gòu) ? 是 單極 型晶體管。 N+GSDP 溝道b)N+NSGDP PN+N+N+溝道a)GSDN 溝道圖1 1 9圖 220 電力 MOSFET的結(jié)構(gòu) 和電氣圖形符號(hào) a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào) 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ◆ 電力 MOSFET的工作原理 ? 截止：當(dāng) 漏源 極間接正電壓， 柵極 和 源極 間電壓為 零 時(shí)， P基區(qū)與 N漂移區(qū)之間形成的 PN結(jié) J1反偏 ，漏源極之間 無(wú)電流流過(guò)。 ■ 電力 MOSFET的基本特性 ◆ 靜態(tài)特性 ? 轉(zhuǎn)移特性 √指漏極電流 ID和柵源間電壓 UGS的關(guān)系，反映了輸入電壓和輸 出電流的關(guān)系 。 √工作在 開(kāi)關(guān) 狀態(tài)，即在 截止區(qū) 和 非飽和區(qū) 之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 信號(hào) i D O O O u p t t t u GS u GSP u T t d (on) t r t d (off) t f R s R G R F R L i D u GS u p i D + U E 圖 222 電力 MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程 a)測(cè)試電路 b) 開(kāi)關(guān)過(guò)程波形 up為矩形脈沖電壓信號(hào)源， Rs為信號(hào)源內(nèi)阻， RG為柵極電阻， RL為漏極負(fù)載電阻， RF用于檢測(cè)漏極電流。 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ■ 電力 MOSFET的主要參數(shù) ◆ 跨導(dǎo) Gfs、開(kāi)啟電壓 UT以及開(kāi)關(guān)過(guò)程中的各 時(shí)間參數(shù) 。 ◆ 極間電容 ? CGS、 CGD和 CDS。 絕緣柵雙極晶體管（ Insulatedgate Bipolar Transistor—— IGBT或 IGT） 綜合了 GTR 和 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。 圖 223 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào) a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào) RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。 √當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得 IGBT關(guān)斷。 （ a） 圖 224 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 絕緣柵雙極晶體管 ? 輸出特性（伏安特性） √描述的是以柵射電壓為參考變量時(shí)，集電極電流 IC與集射極間電壓 UCE之間的關(guān)系。 (b) 圖 224 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 b) 輸出特性 絕緣柵雙極晶體管 ◆ 動(dòng)態(tài)特性 ? 開(kāi)通過(guò)程 √開(kāi)通延遲時(shí)間 td(on) 電流上升時(shí)間 tr 電壓下降時(shí)間 tfv 開(kāi)通時(shí)間 ton= td(on)+tr+ tfv √tfv分為 tfv1和 tfv2兩段。 ◆ 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。 ? 通態(tài)壓降 比 VDMOSFET低，特別是在電流較 大的區(qū)域。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(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì) J3結(jié)施加一 個(gè) 正向偏壓 ，一旦 J3開(kāi)通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的 控制作用，電流失控，這種現(xiàn)象稱為 擎住效應(yīng) 或 自鎖效應(yīng) 。 ? 反向偏置 安全工作區(qū)（ Reverse Biased Safe Operating Area—— RBSOA） √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。 ■ 其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有大的突破，電壓和電流容量 都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。 靜電感應(yīng)晶閘管 SITH ■ 可以看作是 SIT與 GTO復(fù)合而成。 集成門極換流晶閘管 IGCT ■ 是將一個(gè)平板型的 GTO與由很多個(gè)并聯(lián)的電力 MOSFET器件和其它輔助元件組成的 GTO門極驅(qū) 動(dòng)電路采用精心設(shè)計(jì)的互聯(lián)結(jié)構(gòu)和封裝工藝集成在 一起。 ■ 基于寬禁帶半導(dǎo)體材料（如碳化硅）的電力電子器件將 具有比硅器件高得多的耐受高電壓的能力、低得多的通態(tài) 電阻、更好的導(dǎo)熱性能和熱穩(wěn)定性以及更強(qiáng)的耐受高溫和 射線輻射的能力，許多方面的性能都是成數(shù)量級(jí)的提高。 ◆ 對(duì)工作頻率高的電路，可大大減小線路電感， 從而簡(jiǎn)化對(duì)保護(hù)和緩沖電路的要求。 ◆ 智能功率模塊（ Intelligent Power Module—— IPM） ? 專指 IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片 集成，也稱智能 IGBT（ Intelligent IGBT）。 ◆ 功率集成電路實(shí)現(xiàn)了電能和信息的集成，成為 機(jī)電一體化的理想接口。 ? 復(fù)合型 ： IGBT、 SITH 和 MCT等。 √共同特點(diǎn)是：具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，因而通態(tài)壓降低，導(dǎo)通損耗小，但工作頻率較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路也比較復(fù)雜。