【正文】 OSFET的漏極伏安特性 （ 輸出特性 ） ： ?截止區(qū) （ 對應于 GTR的截止區(qū) ） ?飽和區(qū) （ 對應于 GTR的放大區(qū) ） ?非飽和區(qū) （ 對應于 GTR的飽和區(qū) ） ?電力 MOSFET工作在開關狀態(tài) ， 即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉換 ?電力 MOSFET漏源極之間有寄生二極管 ， 漏源極間加反向電壓時器件導通 ?電力 MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數 ， 對器件并聯時的均流有利 ■ 電力場效應晶體管 ?2) 動態(tài)特性 圖 121 電力 MOSFET的開關過程 a) 測試電路 b) 開關過程波形 up— 脈沖信號源， Rs— 信號源內阻， RG— 柵極電阻， RL— 負載電阻， RF— 檢測漏極電流 a ） b )圖1 2 1RsRG RFRLiDuGSupiD信號+ UEiDOOOuptttuGSuG S PuTtd ( o n )trtd ( o ff )tf ■ 電力場效應晶體管 ?開通過程 （ 開關過程圖 ） ? 開通延遲時間 td(on) —— up前沿時刻到 uGS=UT并開始出現 iD的時刻間的時間段 ? 上升時間 tr—— uGS從 uT上升到 MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓 UGSP的時間段 ?iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓 UE和漏極負載電阻決定 ?UGSP的大小和 iD的穩(wěn)態(tài)值有關 ?UGS達到 UGSP后 ， 在 up作用下繼續(xù)升高直至達到穩(wěn)態(tài) ， 但 iD已不變 ? 開通時間 ton—— 開通延遲時間與上升時間之和 ■ 電力場效應晶體管 ? 開通過程 ? 關斷延遲時間 td(off) —— up下降到零起 ， Cin通過 Rs和RG放電 ， uGS按指數曲線下降到 UGSP時 ， iD開始減小止的時間段 ? 下降時間 tf—— uGS從 UGSP繼續(xù)下降起 ， iD減小 ， 到uGSUT時溝道消失 ， iD下降到零為止的時間段 ? 關斷時間 toff—— 關斷延遲時間和下降時間之和 a ） b )圖1 2 1RsRG RFRLiDuGSupiD信號+ UEiDOOOuptttuGSuG S PuTtd ( o n ) t rtd ( o ff) t f圖 121 電力 MOSFET的開關過程 a) 測試電路 b) 開關過程波形 up— 脈沖信號源， Rs— 信號源內阻，RG— 柵極電阻， RL— 負載電阻， RF— 檢測漏極電流 ■ 電力場效應晶體管 ?MOSFET的開關速度 ? MOSFET的開關速度和 Cin充放電有很大關系 ?使用者無法降低 Cin， 但可降低驅動電路內阻 Rs減小時間常數 ， 加快開關速度 ?MOSFET只靠多子導電 ， 不存在少子儲存效應 ，因而關斷過程非常迅速 ?開關時間在 10~100ns之間 ， 工作頻率可達 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 。 但在開關過程中需對輸入電容充放電 ， 仍需一定的驅動功率 。 開關頻率越高 ， 所需要的驅動功率越大 。 ■ 電力場效應晶體管 ?3. 電力 MOSFET的主要參數 跨導 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和反向轉移電容 Crss ■ 電力場效應晶體管 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 ? 實際使用中仍應注意留適當的裕量 ■ 絕緣柵雙極晶體管 ? GTR和 GTO的特點 —— 雙極型 ， 電流驅動 ， 有電導調制效應 ， 通流能力很強 ， 開關速度較低 ，所需驅 動功率大 ， 驅動電路復雜 ? MOSFET的優(yōu)點 —— 單極型 ， 電壓驅動 ， 開關速度快 ， 輸入阻抗高 ， 熱穩(wěn)定性好 ， 所需驅動功率小而且驅動電路簡單 ? 兩類器件取長補短結合而成的復合器件 — 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復合 ， 結合二者的優(yōu)點 ， 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備的主導器件 ? 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的結構和工作原理 ?三端器件：柵極 G、 集電極 C和發(fā)射極 E 圖 122 IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號 a) 內部結構斷面示意圖 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 柵極集電極注入區(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J 3 J2J1GEC+++IDRNICVJ1IDRonb )GCc ) ■ 絕緣柵雙極晶體管 ? IGBT的結構 （ 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+注入區(qū) ， 形成了一個大面積的 P+N結 J1 ? —— 使 IGBT導通時由 P+注入區(qū)向 N基區(qū)發(fā)射少子 ， 從而對漂移區(qū)電導率進行調制 ， 使得IGBT具有很強的通流能力 ?簡化等效電路表明 ， IGBT是 GTR與 MOSFET組成的達林頓結構 ， 一個由 MOSFET驅動的厚基區(qū) PNP晶體管 ? RN為晶體管基區(qū)內的調制電阻 ■ 絕緣柵雙極晶體管 ? IGBT的原理 驅動原理與電力 MOSFET基本相同 ， 場控器件 ， 通斷由柵射極電壓 uGE決定 ? 導通 ： ， uGE大于 開啟電壓 UGE(th)時 ， MOSFET內形成溝道 ， 為晶體管提供基極電流 ， IGBT導通 ? 導通壓降 ：電導調制效應使電阻 RN減小 ， 使通態(tài)壓降小 ? 關斷 ：柵射極間施加反壓或不加信號時 ，MOSFET內的溝道消失 ， 晶體管的基極電流被切斷 ， IGBT關斷 ■ 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的轉移特性和輸出特性 a) 轉移特性 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 ? 轉移特性 —— IC與 UGE間的關系 ， 與 MOSFET轉移特性類似 ?開啟電壓 UGE(th)—— IGBT能實現電導調制而導通的最低柵射電壓 ?UGE(th)隨溫度升高而略有下降 ， 在 +25?C時 ，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 ， IC與 UCE間的關系 ?分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū) 、 有源區(qū)和飽和區(qū) 。分別與 GTR的截止區(qū) 、 放大區(qū)和飽和區(qū)相對應 ?uCE0時 ， IGBT為反向阻斷工作狀態(tài) ■ 絕緣柵雙極晶體管 ?2) IGBT的動態(tài)特性 圖 124 IGBT的開關過程 ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM ■ 絕緣柵雙極晶體管 ? IGBT的開通過程 與 MOSFET的相似 ， 因為開通過程中 IGBT在大部分時間作為 MOSFET運行 ?開通延遲時間 td(on) —— 從 uGE上升至其幅值 10%的時刻 ， 到 iC上升至 10% ICM178。 ?電流上升時間 tr —— iC從 10%ICM上升至 90%ICM所需時間 ? 開通時間 ton—— 開通延遲時間與電流上升時間之和 ?uCE的下降過程分為 tfv1和 tfv2兩段 。 tfv1—— IGBT中MOSFET 單獨工作的電壓下降過程； tfv2——MOSFET和 PNP晶體管同時工作的電壓下降過程 （ 開關過程圖 ） ■ 絕緣柵雙極晶體管 ? IGBT的關斷過程 （ 開關過程圖 ） ?關斷延遲時間 td(off) —— 從 uGE后沿下降到其幅 值 90%的時刻起 ， 到 iC下降至 90%ICM ? 電流下降時間 —— iC從 90%ICM下降至 10%ICM ? 關斷時間 toff—— 關斷延遲時間與電流下降之和 ?電流下降時間又可分為 tfi1和 tfi2兩段 。 tfi1——IGBT內部的 MOSFET的關斷過程 ， iC下降較快；tfi2—— IGBT內部的 PNP晶體管的關斷過程 ， 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 ， 雖然帶來了電導調制效應的好處 ， 但也引入了少子儲存現象 ， 因而 IGBT的開關速度低于電力 MOSFET ?IGBT的擊穿電壓 、 通態(tài)壓降和關斷時間也是需要折衷的參數 3. IGBT的主要參數 ?1) 最大集射極間電壓 UCES 由內部 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的特性和參數特點 (1) 開關速度高 ， 開關損耗小 。 在電壓 1000V以上 時 ， 開關損耗只有 GTR的 1/10， 與電力 MOSFET相當 (2) 相同電壓和電流定額時 ， 安全工作區(qū)比 GTR 大 ， 且具有耐脈沖電流沖擊能力 (3) 通態(tài)壓降比 VDMOSFET低 ， 特別是在電流較 大的區(qū)域 (4) 輸入阻抗高 ， 輸入特性與 MOSFET類似 (5) 與 MOSFET和 GTR相比，耐壓和通流能力還可 以進一步提高，同時保持開關