【文章內(nèi)容簡介】 —— GTO額定電流?！?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）54電力晶體管? 電力晶體管 （ Giant Transistor——GTR， 直譯為巨型晶體管） ? 耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管 （BipolarJunctionTransistor——BJT ）， 英文有時候也稱為 PowerBJT。216。應(yīng)用? 20世紀(jì) 80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多 被 IGBT和電力 MOSFET取代 。術(shù)語用法 ：55與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。通常采用至少由兩個晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 電力晶體管1） GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理圖 115GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b)電氣圖形符號 c)內(nèi)部載流子的流動56電力晶體管216。 在應(yīng)用中 ， GTR一般采用共發(fā)射極接法。216。 集電極電流 ic與基極電流 ib之比為（ 19） ? —— GTR的 電流放大系數(shù) ，反映了基極電流對集電極電流的控制能力 216。 當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電 流 Iceo時， ic和 ib的關(guān)系為 ic=? ib+Iceo（ 110）216。 單管 GTR的 ? 值比小功率的晶體管小得多，通常為 10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益 ?？昭麟娮恿鱟)EbEcibic=?ibie=(1+? )ib1） GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理57電力晶體管(1)靜態(tài)特性216。 共發(fā)射極接法時的典型輸出特性： 截止區(qū) 、 放大區(qū) 和 飽和區(qū) 。216。 在電力電子電路 中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)。216。 在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce圖 116共發(fā)射極接法時 GTR的輸出特性2） GTR的基本特性58電力晶體管216。 開通過程? 延遲時間 td和上升時間 tr， 二者之和為開通時間 ton。? 加快開通過程的辦法 :增大 ib和 dib/dt216。 關(guān)斷過程? 儲存時間 ts和下降時間 tf， 二者之和為 關(guān)斷時間 toff? 加快關(guān)斷速度的辦法：減小導(dǎo)通時的飽和深度或增大基極抽取負(fù)電流 Ib2? GTR的開關(guān)時間在幾微秒內(nèi)，比晶閘管和 GTO都短很多 ib Ib1Ib2Icsic0090% Ib110% Ib190% Ics10% Icst0 t1 t2 t3 t4 t5 tttoffts tftontrtd圖 117GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形(2)動態(tài)特性59電力晶體管前已述及：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 216。 GTR上電壓超過規(guī)定值時會發(fā)生擊穿。216。 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)。216。 BUcboBUcexBUcesBUcerBuceo。216。 實際使用時，最高工作電壓要 比 BUceo低得多。3） GTR的主要參數(shù)60電力晶體管216。 通常規(guī)定為直流電流放大系數(shù) hFE下降到規(guī)定值的 1/2~1/3時所對應(yīng) 的 Ic216。 實際使用時要留有裕量，只能用到 IcM的一半或稍多一點。3)集電極最大耗散功率 PcM216。 最高工作溫度下允許的耗散功率。216。 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 2)集電極最大允許電流 IcM61電力晶體管216。 一次擊穿 ： 集電極電壓升高至擊穿電壓時， Ic迅速增大。? 只要 Ic不超過限度 ， GTR一般不會損壞，工作特性也不變。216。 二次擊穿 ： 一次擊穿發(fā)生 時， Ic突然急劇上升，電壓突然下降。? 常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 安全工作區(qū)（ SafeOperatingArea——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。SOAOIcIcM PSBPcMUceUceM圖 118GTR的安全工作區(qū)4) GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)62電力場效應(yīng)晶體管216。 分為 結(jié)型 和 絕緣柵型216。 通常主要指 絕緣柵型 中的 MOS型 （ MetalOxideSemiconductorFET）216。 簡稱電力 MOSFET（ PowerMOSFET）216。 結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管 （ StaticInductionTransistor——SIT ）特點 —— 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63電力場效應(yīng)晶體管216。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 。1）電力 MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理64電力場效應(yīng)晶體管216。電力 MOSFET的結(jié)構(gòu)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。采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計。圖 119電力 MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號65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（ VerticalMOSFET） 。? 按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用 V型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電 的 VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散 MOS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 MOSFET的結(jié)構(gòu)66電力場效應(yīng)晶體管? 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。? 導(dǎo)電 ： 在柵源極間加正電壓 UGS– 當(dāng) UGS大于 UT時， P型半導(dǎo)體 反型成 N型而成為反型層 ，該反型層形成 N溝道而使 PN結(jié) J1消失，漏極和源極導(dǎo)電 圖 119電力 MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號電力 MOSFET的工作原理67電力場效應(yīng)晶體管(1)靜態(tài)特性216。 漏極電流 ID和柵源間電壓 UGS的關(guān)系稱為 MOSFET的轉(zhuǎn)移特性 。216。 ID較大 時，ID與 UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為 跨導(dǎo) Gfs。010203050402 4 6 8a)10203050400b)10 20 30 5040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖 120電力 MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性 b)輸出特性2）電力 MOSFET的基本特性68電力場效應(yīng)晶體管? 截止區(qū) （對應(yīng) 于 GTR的截止區(qū)）? 飽和區(qū) （對應(yīng) 于 GTR的放大區(qū)）? 非飽和區(qū) （對應(yīng) GTR的飽和區(qū)）? 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。? 漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導(dǎo)通。? 通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。圖 120電力 MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性 b)輸出特性MOSFET的漏極伏安特性 ：010203050402 4 6 8a)10203050400b)10 20 30 5040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A69電力場效應(yīng)晶體管216。 開通過程? 開通延遲時間 td(on)? 上升時間 tr? 開通時間 ton—— 開通延遲時間與上升時間之和216。 關(guān)斷過程? 關(guān)斷延遲時間 td(off)? 下降時間 tf? 關(guān)斷時間 toff—— 關(guān)斷延遲時間和下降時間之 和a） b)RsRG RFRLiDuGSup iD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on) tr td(off) tf圖 121電力 MOSFET的開關(guān)過程a)測試電路 b)開關(guān)過程波形up— 脈沖信號源， Rs— 信號源內(nèi)阻，RG— 柵極電阻，RL— 負(fù)載電阻， RF— 檢測漏極電流(2)動態(tài)特性70電力場效應(yīng)晶體管? MOSFET的開關(guān)速度 和 Cin充放電有很大關(guān)系。? 可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻 Rs減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度。? 不存在少子儲存效應(yīng)，關(guān)斷過程非常迅速。? 開關(guān)時間在 10~100ns之間，工作頻率可達(dá) 100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。? 場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。? 開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越 大。MOSFET的開關(guān)速度71電力場效應(yīng)晶體管3)電力 MOSFET的主要參數(shù) —— 電力 MOSFET電壓定額(1)漏極電壓 UDS(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—— ?UGS?20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 除跨導(dǎo) Gfs、 開啟電壓 UT以及 td(o