【正文】 GGKKb) c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 ■ RN P NP N PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a) b)圖 17 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 Ic1=?1 IA + ICBO1 （ 11） Ic2=?2 IK + ICBO2 （ 12） 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 IK=IA+IG （ 13） IA=Ic1+Ic2 （ 14） （ 15） ? 晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 ? 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后， ? 迅速增大。 為保證可靠 、 安全的觸發(fā) ， 觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓 、 電流和功率應(yīng)限制在可靠觸發(fā)區(qū) 。此電流流經(jīng) J3結(jié)時，起到類似門極觸發(fā)電流的作用。 增大 ib的幅值并增大 dib/dt， 可縮短延遲時間 ， 同時可縮短上升時間 ， 從而加快開通過程 圖1 1 7ib Ib1Ib2Icsic0090% Ib110% Ib190% Ics10% Icst0t1t2t3t4t5ttto fftstftontrtd ■ 電力晶體管 ? 關(guān)斷過程 （ 顯示圖 ） ?儲存時間 ts和下降時間 tf， 二者之和為關(guān)斷時間 toff ?ts是用來除去飽和導(dǎo)通時儲存在基區(qū)的載流子的 ，是關(guān)斷時間的主要部分 ?減小導(dǎo)通時的飽和深度以減小儲存的載流子 ， 或者增大基極抽取負(fù)電流 Ib2的幅值和負(fù)偏壓 ， 可縮短儲存時間 ， 從而加快關(guān)斷速度 ?負(fù)面作用是會使集電極和發(fā)射極間的飽和導(dǎo)通壓降 Uces增加 ， 從而增大通態(tài)損耗 ?GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi) ， 比晶閘管和 GTO都短很多 ■ 電力晶體管 ?3. GTR的主要參數(shù) 前已述及：電流放大倍數(shù) ?、 直流電流增益 hFE、 集射極間漏電流 Iceo、 集射極間飽和壓降 Uces、 開通時間 ton和關(guān)斷時間 toff (此外還有 )： ? 1) 最高工作電壓 ?GTR上電壓超過規(guī)定值時會發(fā)生擊穿 ?擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān) ， 還與外電路接法有關(guān) ?BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo ?實(shí)際使用時 ， 為確保安全 ， 最高工作電壓要比BUceo低得多 ■ 電力晶體管 ? 2) 集電極最大允許電流 IcM ?通常規(guī)定為 hFE下降到規(guī)定值的 1/2~1/3時所對應(yīng)的 Ic ?實(shí)際使用時要留有裕量 ， 只能用到 IcM的一半或稍多一點(diǎn) ? 3) 集電極最大耗散功率 PcM ?最高工作溫度下允許的耗散功率 ?產(chǎn)品說明書中給 PcM時同時給出殼溫 TC， 間接表示了最高工作溫度 ■ 電力晶體管 ?4. GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū) ?一次擊穿 ?集電極電壓升高至擊穿電壓時 ， Ic迅速增大 ，出現(xiàn)雪崩擊穿 ?只要 Ic不超過限度 ， GTR一般不會損壞 ， 工作特性也不變 ? 二次擊穿 ?一次擊穿發(fā)生時 Ic增大到某個臨界點(diǎn)時會突然急劇上升 ， 并伴隨電壓的陡然下降 ?常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞 ， 或者工作特性明顯衰變 ■ 電力晶體管 ? 安全工作區(qū) （ Safe Operating Area—— SOA） ?最高電壓 UceM、 集電極最大電流 IcM、 最大耗散功率 PcM、二次擊穿臨界線限定 圖 118 GTR的安全工作區(qū) S O AOIcIcMPSBPcMUceUceM ■ 電力場效應(yīng)晶體管 ? 也分為 結(jié)型 和 絕緣柵型 （ 類似小功率 Field Effect Transistor—— FET） ? 但通常主要指 絕緣柵型 中的 MOS型 （ Metal Oxide Semiconductor FET） ? 簡稱電力 MOSFET（ Power MOSFET） ? 結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（ Static Induction Transistor—— SIT） ? 特點(diǎn) —— 用柵極電壓來控制漏極電流 ? 驅(qū)動電路簡單 ， 需要的驅(qū)動功率小 ? 開關(guān)速度快 ， 工作頻率高 ? 熱穩(wěn)定性優(yōu)于 GTR ? 電流容量小 ， 耐壓低 ， 一般只適用于功率不超過 10kW的電力電子裝置 ■ 電力場效應(yīng)晶體管 1. 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 ? 耗盡型 —— 當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道 ?增強(qiáng)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 ? 電力 MOSFET主要是 N溝道增強(qiáng)型 ■ 電力場效應(yīng)晶體管 ? 電力 MOSFET的結(jié)構(gòu) （ 顯示圖 ） ?導(dǎo)通時只有一種極性的載流子 （ 多子 ） 參與導(dǎo)電 ， 是單極型晶體管 ?導(dǎo)電機(jī)理與小功率 MOS管相同 ， 但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別 ?電力 MOSFET的多元集成結(jié)構(gòu) ?國際整流器公司 （ International Rectifier） 的HEXFET采用了六邊形單元 ?西門子公司 （ Siemens） 的 SIPMOSFET采用了正方形單元 ?摩托羅拉公司 （ Motorola） 的 TMOS采用了矩形單元按 “ 品 ” 字形排列 ■ 電力場效應(yīng)晶體管 ? 小功率 MOS管是橫向?qū)щ娖骷? ? 電力 MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu) ， 又稱為 VMOSFET（ Vertical MOSFET） —— 大大提高了 MOSFET器件的耐壓和耐電流能力 ? 按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異 ， 又分為利用 V型槽實(shí)現(xiàn)垂 直導(dǎo)電的 VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散 MO 結(jié)構(gòu)的 VDMOSFET（ Vertical Doublediffused MOSFET） ? 這里主要以 VDMOS器件為例進(jìn)行討論 ■ 電力場效應(yīng)晶體管 ? 電力 MOSFET的工作原理 圖 119 電力 MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 ? 截止： 漏源極間加正電源 ， 柵源極間電壓為零 ?P基區(qū)與 N漂移區(qū)之間形成的 PN結(jié) J1反偏 ， 漏源極之間無電流流過 N +GSDP 溝道b)N +N SGDP PN+N +N +溝道a)GSDN 溝道圖1 1 9 ■ 電力場效應(yīng)晶體管 ?導(dǎo)電： 在柵源極間加正電壓 UGS ?柵極是絕緣的 ， 所以不會有柵極電流流過 。 tfi1——IGBT內(nèi)部的 MOSFET的關(guān)斷過程 ， iC下降較快；tfi2—— IGBT內(nèi)部的 PNP晶體管的關(guān)斷過程 ， iC下降較慢 ■ 絕緣柵雙極晶體管 ? IGBT中雙極型 PNP晶體管的存在 ， 雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處 ， 但也引入了少子儲存現(xiàn)象 ， 因而 IGBT的開關(guān)速度低于電力 MOSFET ?IGBT的擊穿電壓 、 通態(tài)壓降和關(guān)斷時間也是需要折衷的參數(shù) 3. IGBT的主要參數(shù) ?1) 最大集射極間電壓 UCES 由內(nèi)部 PNP晶體管的擊穿電壓確定 ?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 ■ 絕緣柵雙極晶體管 ?IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn) (1) 開關(guān)速度高 ， 開關(guān)損耗小 。 ■ 電力場效應(yīng)晶體管 ?3. 電力 MOSFET的主要參數(shù) 跨導(dǎo) Gfs、 開啟電壓 UT以及 td(on)、 tr、 td(off)和 tf之還有 ?1) 漏極電壓 UDS 電力 MOSFET電壓定額 ?2) 漏極直流電流 ID和漏極脈沖電流幅值 IDM 電力 MOSFET電流定額 ?3) 柵源電壓 UGS 柵源之間的絕緣層很薄 ， ?UGS?20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 ?4) 極間電容 極間電容 CGS、 CGD和 CDS 廠家提供：漏源極短路時的輸入電容 Ciss、 共 源極輸出電容 Coss和反向轉(zhuǎn)移電容 Crss ■ 電力場效應(yīng)晶體管 Ciss= CGS+ CGD （ 114） Crss= CGD （ 115） Coss= CDS+ CGD （ 116） ? 輸入電容可近似用 Ciss代替 ? 這些電容都是非線性的 ? 漏源間的耐壓 、 漏極最大允許電流和最大耗散功 率決定了電力 MOSFET的安全工作區(qū) ? 一般來說 ， 電力 MOSFET不存在二次擊穿問題 ， 這是它的一大優(yōu)點(diǎn) ? 實(shí)際使用中仍應(yīng)注意留適當(dāng)?shù)脑Ａ? ■ 絕緣柵雙極晶體管 ? GTR和 GTO的特點(diǎn) —— 雙極型 ， 電流驅(qū)動 ， 有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) ， 通流能力很強(qiáng) ， 開關(guān)速度較低 ，所需驅(qū) 動功率大 ， 驅(qū)動電路復(fù)雜 ? MOSFET的優(yōu)點(diǎn) —— 單極型 ， 電壓驅(qū)動 ， 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 ? 兩類器件取長補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件 — BiMOS器件 ■ 絕緣柵雙極晶體管 ? 絕緣柵雙極晶體管 （ Insulatedgate Bipolar Transistor— — IGBT或 IGT） ? GTR和 MOSFET復(fù)合 ， 結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn) ， 具有好的特性 ? 1986年投入市場后 ， 取代了 GTR和一部分 MOSFET的市場 ,中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件 ? 繼續(xù)提高電壓和電流容量 ， 以期再取代 GTO的地位 ■ 絕緣柵雙極晶體管 ? 1. IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理 ?三端器件：柵極 G、 集電極 C和發(fā)射極 E 圖 122 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號 E GCN +Na)PN + N+PN + N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J 3 J2J1GEC+++IDRNICVJ1IDRonb )GCc ) ■ 絕緣柵雙極晶體管 ? IGBT的結(jié)構(gòu) （ 顯示圖 ） ? 圖 122a— N溝道 VDMOSFET與 GTR組合 —— N溝道 IGBT（ NIGBT） ? IGBT比 VDMOSFET多一層 P+注入?yún)^(qū) ， 形成了一個大面積的 P+N結(jié) J1 ? —— 使 IGBT導(dǎo)通時由 P+注入?yún)^(qū)向 N基區(qū)發(fā)射少子 ， 從而對漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制 ， 使得IGBT具有很強(qiáng)的通流能力 ?簡化等效電路表明 ， IGBT是 GTR與 MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu) ， 一個由 MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū) PNP晶體管 ? RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻