【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ThyristorLTT） 又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管 小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個(gè)端子 大功率光控晶閘管則還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器 光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響，因此目前在高壓大功率的場(chǎng)合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位。4 典型全控型器件基本要求：掌握典型全控型器件重點(diǎn)：典型全控型器件 門極可關(guān)斷晶閘管——在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。 20世紀(jì)80年代以來，信息電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合——高頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，從而將電力電子技術(shù)又帶入了一個(gè)嶄新時(shí)代典型代表——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(1) 門極可關(guān)斷晶閘管 門極可關(guān)斷晶閘管（GateTurnOff Thyristor——GTO） 晶閘管的一種派生器件 可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷 GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用（2） 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（Bipolar Junction Transistor——BJT），英文有時(shí)候也稱為Power BJT，在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個(gè)名稱等效。 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；a. GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理與普通的雙極結(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(gè)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)而成一般采用共發(fā)射極接法，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(duì)集電極電流的控制能力)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 ic=βib +Iceo （110）產(chǎn)品說明書中通常給直流電流增益hFE——在直流工作情況下集電極電流與基極電流之比。一般可認(rèn)為β≈βhFE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b. GTR的基本特性 共發(fā)射極接法時(shí)GTR的靜態(tài)特性(1) 靜態(tài)特性 共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū) 在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū) 在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時(shí)，要經(jīng)過放大區(qū)(2) 動(dòng)態(tài)特性開通過程 GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開通時(shí)間tontd主要是由發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電產(chǎn)生的。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 關(guān)斷過程儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toffts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c. 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(duì)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d. 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。 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114 GTR的安全工作區(qū)　(3) 電力場(chǎng)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(jiǎn)稱電力MOSFET（Power MOSFET） 結(jié)型電力場(chǎng)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(jiǎn)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a. 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(duì)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MOSFET的結(jié)構(gòu) 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 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的多元集成結(jié)構(gòu) 國(guó)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采用了正方形單元圖115 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) 摩托羅拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列 電力MOSFET的工作原理截止：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 柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過。但柵極的正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子——電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面 當(dāng)UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使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116 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b. 電力MOSFET的基本特性1) 靜態(tài)特性 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ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs MOSFET的漏極伏安特性（輸出特性）： 截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)） 飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)） 非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）圖117 電力MOSFET的動(dòng)態(tài)特性波形電力MOSFET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)換電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通 電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利2) 動(dòng)態(tài)特性u(píng)p—脈沖信號(hào)源，Rs—信號(hào)源內(nèi)阻，RG—柵極電阻，RL—負(fù)載電阻，RF—檢測(cè)漏極電流 開通過程 開通延遲時(shí)間td(on) —— up前沿時(shí)刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時(shí)刻間的時(shí)間段 上升時(shí)間tr—— uGS從uT上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時(shí)間段iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負(fù)載電阻決定UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)UGS達(dá)到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變 開通時(shí)間ton——開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和 開通過程 關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) ——up下降到零起，Cin通過Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時(shí)，iD開始減小止的時(shí)間段 下降時(shí)間tf—— uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGSUT時(shí)溝道消失，iD下降到零為止的時(shí)間段 關(guān)斷時(shí)間toff——關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和 MOSFET的開關(guān)速度 MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系 使用者無法降低Cin，但可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度 MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速 開關(guān)時(shí)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(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。c. 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之外，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(shí)的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容CrssCiss= 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