【文章內容簡介】 提供給負載或回饋給供電電源，這種電路效率高但電路復雜。 3. BJT的保護電路 (1) 過電流、短路保護 ? 由于 BJT存在二次擊穿等問題，由于二次擊穿很快，遠遠小于快速熔斷器的熔斷時間，因此諸如快速熔斷器之類的過電流保護方法對 BJT類電力電子設備來說是無用的。 ? BJT的過電流保護要依賴于驅動和特殊的保護電路。 ① 電壓狀態(tài)識別保護 ? 當 BJT處于過載或短路故障狀態(tài)時 ,隨著集電極電流的急劇增加 ,其基射極電壓和集射極電壓均發(fā)生相應變化 ,可利用這一特點對 BJT進行過載和短路保護 。 ② 橋臂互鎖保護 ? 逆變器運行時，可能發(fā)生橋臂短路故障，造成器件損壞。 只有確認同一橋臂的一個 BJT關斷后，另一個 BJT才能導通。這樣能防止兩管同時導通，避免橋臂短路。 ? BJT的熱容量極小，過電流能力很低，要求故障檢測、信號傳送及保護動作能瞬間完成，要在微秒級的時間內將電流限制在過載能力的限度以內。 (2) 過飽和保護 ? BJT的二次擊穿多由于 BJT工作于過飽和狀態(tài)引起的，而基極驅動引起的過飽和又使 BJT的存儲時間不必要地加長，直接影響著 BJT的開關頻率；所以 BJT的過飽和保護對它的安全可靠工作有著極其重要的作用。通常過飽和保護可根據(jù)被驅動 BJT的基射極電壓降的高低來自動調節(jié)基極驅動電流的大小，構成準飽和基極驅動器來完成。 (3) 基極驅動電路電源電壓監(jiān)控保護 ? BJT是電流控制器件，基極驅動電路自身電源影響著被驅動 BJT的可靠工作，這就要求一個較理想的基極驅動電路，應有自身工作電源電壓監(jiān)控保護。當電源電壓低于一定值時，則通過自動電路保證 BJT不能被驅動，以免 BJT在關斷時損壞 BJT。 功率場效應晶體管 PMOSFET ? 根據(jù)其結構不同分為結型場效應晶體管，金屬 氧化物 半導體場效應晶體管。 ? 根據(jù)導電溝道的類型可分為 N溝道和 P溝道兩大類； ? 根據(jù)零柵壓時器件的導電狀態(tài)又可分為耗盡型和增強型兩類， ? 電力 MOSFET主要是 N溝道增強型 結構 功率場效應晶體管的結構 功率 MOSFET在特性上的優(yōu)越之處在于沒有熱電反饋引起的二次擊穿、輸入阻抗高、跨導的線性度好和工作頻率高 . N+GSDP 溝道b)N+NSGDP PN+N+N+溝道a)GSDN 溝道圖1 1 9 特性和主要參數(shù) 1. 功率場效應晶體管的特性 (1) 功率 MOSFET的轉移特性 (a) ? 轉移特性表示功率 MOSFET的輸入柵源電壓 UGS與輸出漏極電流 ID之間的關系。轉移特性表示功率MOSFET的放大能力，與 BJT中的電流增益相仿，由于功率 MOSFET是電壓控制器件，因此用跨導這一參數(shù)來表示。 (a) 功率 MOSFET的轉移特性 (b) 功率 MOSFET的輸出特性 (2) 功率 MOSFET的輸出特性 (b) ? 當柵源電壓 UGS一定時，漏極電流 ID與漏源電壓 UDS間關系曲線稱為 VMOSFET的輸出特性。只有當柵源電壓 UGS達到或超過強反型條件時，使 MOSFET進入導通狀態(tài)。柵源電壓 UGS越大，漏極電流越大，可見漏極電流 ID受柵源電壓 UGS的控制。輸出特性分為三個區(qū)域，可調電阻區(qū)、飽和區(qū)和雪崩區(qū)。 ? 可調電阻區(qū) Ⅰ ，器件的電阻值是變化的。當柵源電壓 UGS一定時，器件內的溝道已經(jīng)形成，若漏源電壓 UDS很小時，對溝道的影響可忽略，此時溝道的寬度和電子的遷移率幾乎不變，所以 ID與 UDS幾乎呈線性關系。 ? 飽和區(qū) Ⅱ ，當 UGS不變時， ID趨于不變。 ? 雪崩區(qū) Ⅲ ，當 UDS增大至使漏極 PN結反偏電壓過高，發(fā)生雪崩擊穿， ID突然增加，此時進入雪崩區(qū) Ⅲ ，直至器件損壞。使用時應避免出現(xiàn)這種情況。 (3) 功率 MOSFET的開關特性 ? 因為 MOSFET存在輸入電容 Ci， Ci有充電過程，柵極電壓 UGS呈指數(shù)曲線上升 ,當 UGS上升到開啟電壓 UT時，開始出現(xiàn)漏極電流 iD，從脈沖電壓的前沿到 iD出現(xiàn)，這段時間稱為開通延遲時間 td。 ? 隨著 UGS增加， iD上升，從有 iD到 iD達到穩(wěn)態(tài)值所用時間稱為上升時間 tr。開通時間 ton可表示為 ton＝ td＋ tr (114) ? 當脈沖電壓下降到零時，柵極輸入電容 Ci通過信號源內阻 RS和柵極電阻RG開始放電，柵極電壓 UGS按指數(shù)曲線下降，當下降到 UGSP時，漏極電流才開始減小，這段時間稱為關斷延遲時間 ts。 ? 之后， Ci 繼續(xù)放電，從 iD減小，到 UGS＜ UT溝道關斷， iD下降到零。這段時間稱為下降時間 tf。關斷時間 toff可表示為 toff＝ ts＋ tf (115) ? 由上分析可知，改變信號源內阻 RS，可改變 Ci 充、放電時間常數(shù)，影響開關速度。 ? 功率 MOSFET開關特性 (4) 安全工作區(qū) (SOA) ? 功率 MOSFET沒有二次擊穿問題，具有非常寬的安全工作區(qū)，特別是在高電壓范圍內，但是功率MOSFET的通態(tài)電阻比較大，所以在低壓部分不僅受最大電流的限制，還要受到自身功耗的限制。 正向偏置安全工作區(qū) ① 正向偏置安全工作區(qū) (FBSOA) ? 正向偏置安全工作區(qū)由四條邊界極限所包圍的區(qū)域。漏源通態(tài)電阻線，最大漏極電流線，最大功耗限制線和最大漏源電壓線， ② 開關安全工作區(qū) (SSOA) ? 開關安全工作區(qū) (SSOA)表示器件工作的極限范圍。在功率 MOSFET換流過程中，當器件體內反并聯(lián)二級管從導通狀態(tài)進入反向恢復期時，如果漏極電壓上升過大，則很容易造成器件損壞。二極管反向恢復期內漏源極的電壓上升率稱為二極管恢復耐量，二極管恢復耐量是功率 MOSFET可靠性的一個重要參數(shù)。 2. 功率場效應晶體管的主要參數(shù) (1) 漏源擊穿電壓 BUDS：該電壓決定了功率 MOSFET的最高工作電壓。 (2) 柵源擊穿電壓 BUGS ：該電壓表征了功率 MOSFET柵源之間能承受的最高電壓。 (3) 漏極最大電流 ID：表征功率 MOSFET的電流容量。 (4) 開啟電壓 UT：又稱閾值電壓，它是指功率 MOSFET流過一定量的漏極電流時的最小柵源電壓。 (5) 通態(tài)電阻 Ron：通態(tài)電阻 Ron是指在確定的柵源電壓 UGS下，功率MOSFET處于恒流區(qū)時的直流電阻，是影響最大輸出功率的重要參數(shù)。 (6) 極間電容：功率 MOSFET的極間電容是影響其開關速度的主要因素。其極間電容分為兩類；一類為 CGS和 CGD，它們由 MOS結構的絕緣層形成的，其電容量的大小由柵極的幾何形狀和絕緣層的厚度決定；另一類是 CDS，它由 PN結構成，其數(shù)值大小由溝道面積和有關結的反偏程度決定。 門極驅動電路和緩沖電路 1. 功率場效應晶體管的門極驅動電路 (1) 功率 MOSFET驅動電路的共性問題 ① 驅動電路應簡單、可靠。也需要考慮保護、隔離等問題。 ② 驅動電路的負載為容性負載。 ③按驅動電路與柵極的連接方式可分為直接驅動與隔離驅動。 (2) 功率 MOSFET對柵極驅動電路的要求 ①保證功率 MOSFET可靠開通和關斷，觸發(fā)脈沖前、后沿要求陡峭。 ② 減小驅動電路的輸出電阻，提高功率 MOSFET的開關速度。 ③觸發(fā)脈沖電壓應高于管子的開啟電壓，為了防止誤導通，在功率MOSFET截止時，能提供負的柵源電壓。 ④ 功率 MOSFET開關時所需的驅動電流為柵極電容的充、放電電流。 ⑤ 驅動電路應實現(xiàn)主電路與控制電路之間的隔離，避免功率電路對控制信號造成干擾。 ⑥ 驅動電路應能提供適當?shù)谋Ｗo功能，使得功率管可靠工作，如低壓鎖存保護、過電流保護、過熱保護及驅動電壓箝位保護等。 ⑦ 驅動電源必須并聯(lián)旁路電容，它不僅濾除噪聲，也用于給負載提供瞬時電流，加快功率 MOSFET的開關速度。 (3) 功率 MOSFET驅動電路 ① 直接驅動 TTL驅動電路 ② 隔離驅動電路 ? 對于 VDMOS，其驅動電路非常簡單，但在高速開關驅動時或在并聯(lián)運行時，可在其驅動電路的輸出級上接入射極跟隨器，并盡可能地減小輸出電阻，以縮短它的開通和關斷時間。如果在驅動信號上做到阻斷時柵源電壓小于零，就能進一步縮短關斷時間。 2. 功率場效應晶體管的緩沖電路 ? 功率 MOSFET的緩沖電路甚至可以不加。另外，如果電路中需要流過一個較大的反向續(xù)流，可以在 VDMOS管外側反并聯(lián)一個高速恢復二極管，使電流由此旁路而不流入內部；為吸收反并聯(lián)二極管的換向過電壓，在 VDMOS源極與漏極之間也并聯(lián) RC吸收電路，其連接線應盡量短。 3 功率 MOSFET的保護 (1) 靜電保護 ? 在靜電較強的場合，容易靜電擊穿，造成柵源短路。 ? ① 應存放在防靜電包裝袋、導電材料包裝袋或金屬容器中。取用器件時，應拿器件管殼，而不要拿引線。 ? ② 工作臺和烙鐵都必須良好接地，焊接時電烙鐵功率應不超過 25W，最好使用 12V～ 24V的低電壓烙鐵，且前端作為接地點，先焊柵極，后焊漏極與源極。 ? ③ 在測試 MOSFET時，測量儀器和工作臺都必須良好接地， MOSFET的三個電極未全部接入測試儀器或電路前，不要施加電壓，改換測試范圍時，電壓和電流都必須先恢復到零 (2) 柵源間的過電壓保護 ? 適當降低驅動電路的阻抗，在柵源間并接阻尼電阻。 (3) 短路、過電流保護 ? 功率 MOSFET的過電流和短路保護與 BJT基本類似，僅是快速性要求更高，在故障信號取樣和布線上要考慮抗干擾，并盡可能減小分布參數(shù)的影響。 (4) 漏源間的過電壓保護 ? 在感性負載兩端并接箝位二極管，在器件漏源兩端采用二極管 VD及 RC箝位電路或采用 RC緩沖電路。 絕緣柵雙極型晶體管 IGBT ? 絕緣柵雙極型晶體管 IGBT是 80年代中期問世的一種新型復合電力電子器件，由于它兼有 MOSFET的快速響應、高輸入阻抗和 BJT的低通態(tài)壓降、高電流密度的特性，這幾年發(fā)展十分迅速。目前，IGBT的容量水平達 (1200～ 1600A)/(1800～ 3330V),工作頻率達40kHz以上。 結構和工作原理 1. 絕緣柵雙極型晶體管的結構 ? IGBT相當于一個由 MOSFET驅動的厚基區(qū) BJT。從圖中我們還可以看到在集電極和發(fā)射極之間存在著一個寄生晶閘管，寄生晶閘管有擎住作用。采用空穴旁路結構并使發(fā)射區(qū)寬度微細化后可基本上克服寄生晶閘管的擎住作用。 IGBT的低摻雜 N漂移區(qū)較寬，因此可以阻斷很高的反向電壓。 ? IGBT的結構、符號及等效電路 2. 絕緣柵雙極型晶體管的工作原理 ? 當 UDS＜ 0時， J3PN結處于反偏狀態(tài)， IGBT呈反向阻斷狀態(tài)。 ? 當 UDS＞ 0時，分兩種情況： ① 若門極電壓 UG＜開啟電壓 UT， IGBT呈正向阻斷狀態(tài)。 ② 若門極電壓 UG＞開啟電壓 UT， IGBT正向導通。 特性和主要參數(shù) ? IGBT的伏安特性和轉移特性 開關特性 (4) 擎住效應 ? IGBT為四層結構，存在一個寄生晶閘管，在 NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間存在一個體區(qū)短路電阻， P型體區(qū)的橫向空穴流過此電阻會產(chǎn)生一定壓降，對 J3結相當于一個正偏置電壓。在規(guī)定的集電極電流范圍內，這個正偏置電壓不會使 NPN晶體管導通；當 IC大到一定程度時，該偏置電壓使 NPN晶體管開通，進而使 NPN和 PNP晶體管處于飽和狀態(tài)。于是柵極失去控制作用，這就是所謂的擎住效應。 ? (5) 安全工作區(qū) 2. 絕緣柵雙極型晶體管的主要參數(shù) (1) 集射極額定電壓 UCES ? 柵射極短路時的 IGBT最大耐壓值。 (2) 柵射極額定電壓 UGES ? UGES是柵極的電壓控制信號額定值。只有柵射極電壓小于額定電壓值，才能使 IGBT導通而不致?lián)p壞。 (3) 柵射極開啟電壓 UGEth ? 使 IGBT導通所需的最小柵 射極電壓 ,通常 IGBT的開啟電壓 UGEth在3V～ 。 (4) 集電極額定電流 IC ? 在額定的測試溫度 (殼溫為 25℃ )條件下， IGBT所允許的集電極最大直流電流。 (5) 集射極飽和電壓 UCEO ? IGBT在飽和導通時，通過額定電流的集射極電壓。通常 IGBT的集射極飽和電壓在 ～ 3V之間。 驅動電路 1. IGBT的柵極驅動 (1) 柵極驅動電路對 IGBT的影響 ① 正向驅動電壓 +V增加時， IGBT輸出級晶體管的導通壓降和開通損耗值將下降，但并不是說 +V值越高越好。