【正文】 場控器件 ， 通斷由柵射極電壓 uGE決定 ? 導(dǎo)通 ： ， uGE大于 開啟電壓 UGE(th)時(shí) ， MOSFET內(nèi)形成溝道 ， 為晶體管提供基極電流 ， IGBT導(dǎo)通 ? 導(dǎo)通壓降 ：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻 RN減小 ， 使通態(tài)壓降小 ? 關(guān)斷 ：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí) ，MOSFET內(nèi)的溝道消失 ， 晶體管的基極電流被切斷 ， IGBT關(guān)斷 ■ 絕緣柵雙極晶體管 2. IGBT的基本特性 1) IGBT的靜態(tài)特性 圖 123 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性 O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)a ) b )ICUG E ( th)UGEOICURMUFMUCEUG E ( th)UGE增加 ■ 絕緣柵雙極晶體管 ? 轉(zhuǎn)移特性 —— IC與 UGE間的關(guān)系 ， 與 MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似 ?開啟電壓 UGE(th)—— IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓 ?UGE(th)隨溫度升高而略有下降 ， 在 +25?C時(shí) ，UGE(th)的值一般為 2~6V ? 輸出特性 （ 伏安特性 ） —— 以 UGE為參考變量時(shí) ， IC與 UCE間的關(guān)系 ?分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū) 、 有源區(qū)和飽和區(qū) 。 增大 ib的幅值并增大 dib/dt， 可縮短延遲時(shí)間 ， 同時(shí)可縮短上升時(shí)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(chǔ)存時(shí)間 ts和下降時(shí)間 tf， 二者之和為關(guān)斷時(shí)間 toff ?ts是用來除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的 ，是關(guān)斷時(shí)間的主要部分 ?減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減小儲(chǔ)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(chǔ)存時(shí)間 ， 從而加快關(guān)斷速度 ?負(fù)面作用是會(huì)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(shí)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(shí)間 ton和關(guān)斷時(shí)間 toff (此外還有 )： ? 1) 最高工作電壓 ?GTR上電壓超過規(guī)定值時(shí)會(huì)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(shí) ， 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(shí)所對應(yīng)的 Ic ?實(shí)際使用時(shí)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(shí)同時(shí)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(shí) ， 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(huì)損壞 ， 工作特性也不變 ? 二次擊穿 ?一次擊穿發(fā)生時(shí) Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)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(dòng)電路簡單 ， 需要的驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)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(hào) a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào) ? 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(huì)有柵極電流流過 。 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) 。 當(dāng)電力二極管承受反向電壓時(shí) ， 只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流 。+ 。 ?導(dǎo)通時(shí)器件上有一定的通態(tài)壓降，形成通態(tài)損耗 ■ 電力電子器件的概念和特征 ? 阻斷時(shí)器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過 ， 形成斷態(tài)損耗 ? 在器件開通或關(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 ? 對某些器件來講 ， 驅(qū)動(dòng)電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一 ? 通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小 ， 因而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因 ? 器件開關(guān)頻率較高時(shí) ， 開關(guān)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素 ■ 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 ?電力電子系統(tǒng) ：由控制電路 、 驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成 ? 圖 11 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成 ?控制電路按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷，來完成整個(gè)系統(tǒng)的功能 ■ 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 ? 有的電力電子系統(tǒng)中 ， 還需要有檢測電路 。 ?作電路分析時(shí) ， 為簡單起見往往用理想開關(guān)來代替 ■ 電力電子器件的概念和特征 (3) 實(shí)用中 ， 電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制 。 。+ 在正向偏置時(shí) ，當(dāng)正向電壓較低時(shí) ， 勢壘電容為主；正向電壓較高時(shí) ， 擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分 ? 結(jié)電容影響 PN結(jié)的工作頻率 ， 特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下 ， 可能使其單向?qū)щ娦宰儾?， 甚至不能工作 ， 應(yīng)用時(shí)應(yīng)加以注意 。 ■ 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 ? 其他幾種可能導(dǎo)通的情況 ： ?陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng) ? 陽極電壓上升率 du/dt過高 ?結(jié)溫較高 ?光直接照射硅片 ， 即 光觸發(fā) 光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外 ， 其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐 ， 稱為 光控晶閘管 （ Light Triggered Thyristor—— LTT） ? 只有門極觸發(fā) （ 包括光觸發(fā) ） 是最精確 、 迅速而可靠的控制手段 ■ 晶閘管的基本特性 ?1. 靜態(tài)特性 ?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 ?承受正向電壓時(shí) ， 僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通 ?晶閘管一旦導(dǎo)通 ， 門極就失去控制作用 ?要使晶閘管關(guān)斷 ， 只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 ■ 晶閘管的基本特性 ?晶閘管的伏安特性 第 I象限的是正向特性 第 III象限的是反向特性 ■ 正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡ + UA UA IAIAIHIG2IG1IG= 0UboUD S MUD R MUR R MUR S M圖 18 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG 晶閘管的基本特性 ?IG=0時(shí) ， 器件兩端施加正向電壓 ， 正向阻斷狀態(tài) ，只有很小的正向漏電流流過 ， 正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓 Ubo， 則漏電流急劇增大 ， 器件開通 ? 隨著門極電流幅值的增大 ， 正向轉(zhuǎn)折電壓降低 ? 導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿 ? 晶閘管本身的壓降很小 ， 在 1V左右 ? 導(dǎo)通期間 ， 如果門極電流為零 ， 并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值 IH以下 ， 則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài) 。 GTO的儲(chǔ)存時(shí)間隨陽極電流的增大而增大 ， 下降時(shí)間一般小于 2?s ?不少 GTO都制造成逆導(dǎo)型 ， 類似于逆導(dǎo)晶閘管 ，需承受反壓時(shí) ， 應(yīng)和電力二極管串聯(lián) ■ 門極可關(guān)斷晶閘管 ? 3) 最大可關(guān)斷陽極電流 IATO GTO額定電流 ? 4) 電流關(guān)斷增益 ?off 最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈 沖電流最大值 IGM之比稱為電流關(guān)斷增益 （ 18） ?off一般很小，只有 5左右，這是 GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。 tfv1—— IGBT中MOSFET 單獨(dú)工作的電壓下降過程； tfv2——MOSFET和 PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程 （ 開關(guān)過程圖 ） ■ 絕緣柵雙極晶體管 ? IGBT的關(guān)斷過程 （ 開關(guān)過程圖 ） ?關(guān)斷延遲時(shí)間 td(off) —— 從 uGE后沿下降到其幅 值 90%的時(shí)刻起 ， 到 iC下降至