【正文】 ? 本身結(jié)構(gòu)所致， 漏極 和 源極 之間形成了一個與 MOSFET反向并聯(lián)的 寄生二極管 。 ? 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 221 電力 MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 b) 輸出特性 84/89 ◆ 動態(tài)特性 ? 開通過程 √開通延遲時間 td(on) 電流上升時間 tr 電壓下降時間 tfv 開通時間 ton= td(on)+tr+ tfv ? 關(guān)斷過程 √關(guān)斷延遲時間 td(off) 電壓上升時間 trv 電流下降時間 tfi 關(guān)斷時間 toff = td(off) +trv+tfi ? MOSFET的 開關(guān)速度 和其 輸入 電容的充放電 有很大關(guān)系，可以降 低柵極驅(qū)動電路的內(nèi)阻 Rs，從而減 小柵極回路的充放電時間常數(shù)，加 快開關(guān)速度。 電力場效應(yīng)晶體管 信號 i D O O O u p t t t u GS u GSP u T t d (on) t r t d (off) t f R s R G R F R L i D u GS u p i D + U E 圖 222 電力 MOSFET的開關(guān)過程 a)測試電路 b) 開關(guān)過程波形 up為矩形脈沖電壓信號源， Rs為信號源內(nèi)阻， RG為柵極電阻， RL為漏極負(fù)載電阻， RF用于檢測漏極電流。 (a) (b) 85/89 電力場效應(yīng)晶體管 ? 不存在 少子儲存效應(yīng) ， 因而其關(guān)斷過程是非常迅速的 。 ? 開關(guān)時間在 10~100ns之間 ， 其工作頻率可達(dá)100kHz以上 ， 是主要電力電子器件中最高的 。 ? 在開關(guān)過程中需要對輸入電容充放電 ， 仍需要一定的 驅(qū)動功率 ， 開關(guān)頻率越高 ， 所需要的驅(qū)動功率越大 。 86/89 電力場效應(yīng)晶體管 ■ 電力 MOSFET的主要參數(shù) ◆ 跨導(dǎo) Gfs、開啟電壓 UT以及開關(guān)過程中的各 時間參數(shù) 。 ◆ 漏極電壓 UDS ? 標(biāo)稱電力 MOSFET電壓定額的參數(shù)。 ◆ 漏極直流電流 ID和漏極脈沖電流幅值 IDM ? 標(biāo)稱電力 MOSFET電流定額的參數(shù)。 ◆ 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。 ◆ 極間電容 ? CGS、 CGD和 CDS。 ◆ 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)。 87/89 絕緣柵雙極晶體管 ■ GTR和 GTO是雙極型電流驅(qū)動器件，由于具有 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)，但開關(guān)速度較 低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。而電力 MOSFET是單極型電壓驅(qū)動器件，開關(guān)速度快， 輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū) 動電路簡單。 絕緣柵雙極晶體管（ Insulatedgate Bipolar Transistor—— IGBT或 IGT） 綜合了 GTR 和 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。 88/89 絕緣柵雙極晶體管 ■ IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理 ◆ IGBT的結(jié)構(gòu) ? 是三端器件，具有 柵極 G、 集電極 C和 發(fā)射極 E。 ? 由 N溝道 VDMOSFET與 雙 極型晶體管 組合而成的 IGBT， 比 VDMOSFET多一層 P+注入 區(qū)，實(shí)現(xiàn)對漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào) 制，使得 IGBT具有很強(qiáng)的 通流 能力。 ? 簡化等效電路表明， IGBT 是用 GTR與 MOSFET組成的 達(dá) 林頓 結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個由 MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū) PNP晶 體管。 圖 223 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號 RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。 89/89 絕緣柵雙極晶體管 ◆ IGBT的工作原理 ? IGBT的驅(qū)動原理與電力 MOSFET基本相同，是一種 場 控 器件。 ? 其開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓 UGE決定的。 √當(dāng) UGE為正且大于開啟電壓 UGE(th)時， MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使 IGBT導(dǎo)通。 √當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得 IGBT關(guān)斷。 ? 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) 使得電阻 RN減小，這樣高耐壓的 IGBT也 具有很小的 通態(tài)壓降 。 90/89 絕緣柵雙極晶體管 ■ IGBT的基本特性 ◆ 靜態(tài)特性 ? 轉(zhuǎn)移特性 √描述的是集電極電流 IC與柵射電壓 UGE之間的 關(guān)系。 √開啟電壓 UGE(th)是 IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而 導(dǎo)通的最低柵射電壓，隨 溫度 升高而略有下降。 （ a） 圖 224 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 91/89 絕緣柵雙極晶體管 ? 輸出特性（伏安特性） √描述的是以柵射電壓為參考變量時，集電極電流 IC與集射極間電壓 UCE之間的關(guān)系。 √分為三個區(qū)域： 正向阻斷區(qū) 、 有源區(qū) 和 飽和區(qū) 。 √當(dāng) UCE0時， IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。 √在電力電子電路中，IGBT工作在 開關(guān)狀態(tài) ，因而是在 正向阻斷區(qū) 和 飽和區(qū) 之間來回轉(zhuǎn)換。 (b) 圖 224 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 b) 輸出特性 92/89 絕緣柵雙極晶體管 ◆ 動態(tài)特性 ? 開通過程 √開通延遲時間 td(on) 電流上升時間 tr 電壓下降時間 tfv 開通時間 ton= td(on)+tr+ tfv √tfv分為 tfv1和 tfv2兩段。 ? 關(guān)斷過程 √關(guān)斷延遲時間 td(off) 電壓上升時間 trv 電流下降時間 tfi 關(guān)斷時間 toff = td(off) +trv+tfi √tfi分為 tfi1和 tfi2兩段 ? 引入了少子儲存現(xiàn)象 ， 因而IGBT的開關(guān)速度要低于 MOSFET。 圖 225 IGBT的開關(guān)過程 93/89 絕緣柵雙極晶體管 ■ IGBT的主要參數(shù) ◆ 前面提到的各參數(shù)。 ◆ 最大集射極間電壓 UCES ? 由器件內(nèi)部的 PNP晶體管所能承受的擊穿電壓所確定的。 ◆ 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。 ◆ 最大集電極功耗 PCM ? 在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。 94/89 絕緣柵雙極晶體管 ◆ IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下： ? 開關(guān)速度 高， 開關(guān)損耗 小。 ? 在相同電壓和電流定額的情況下， IGBT的 安全工作區(qū)比 GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。 ? 通態(tài)壓降 比 VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。 ? 輸入阻抗 高，其輸入特性與電力 MOSFET類似。 ? 與電力 MOSFET和 GTR相比， IGBT的 耐壓 和 通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時保持 開關(guān)頻率 高的特點(diǎn)。 95/89 絕緣柵雙極晶體管 ■ IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū) ◆ IGBT的擎住效應(yīng) ? 在 IGBT內(nèi)部寄生著一個 NPN+晶體管和作為主開 關(guān)器件的 P+NP晶體管組成的寄生晶閘管。其中 NPN晶體 管的基極與發(fā)射極之間存在 體區(qū)短路電阻 ， P形體區(qū)的橫 向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對 J3結(jié)施加一 個 正向偏壓 ，一旦 J3開通，柵極就會失去對集電極電流的 控制作用，電流失控，這種現(xiàn)象稱為 擎住效應(yīng) 或 自鎖效應(yīng) 。 ? 引發(fā)擎住效應(yīng)的原因，可能是 集電極電流 過大（靜 態(tài)擎住效應(yīng)）， dUCE/dt過大（動態(tài)擎住效應(yīng)），或 溫度 升高。 ? 動態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流 還要小，因此所允許的最大集電極電流實(shí)際上是根據(jù) 動態(tài) 擎住效應(yīng) 而確定的。 96/89 絕緣柵雙極晶體管 ◆ IGBT的安全工作區(qū) ? 正向偏置 安全工作區(qū)（ Forward Biased Safe Operating Area—— FBSOA） √根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。 ? 反向偏置 安全工作區(qū)（ Reverse Biased Safe Operating Area—— RBSOA） √根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率 dUCE/dt。 97/89 其他新型電力電子器件 MOS控制晶閘管 MCT 靜電感應(yīng)晶體管 SIT 靜電感應(yīng)晶閘管 SITH 集成門極換流晶閘管 IGCT 基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力 電子器件 98/89 MOS控制晶閘管 MCT ■ MCT（ MOS Controlled Thyristor）是將 MOSFET與 晶閘管 組合而成的復(fù)合型器件。 ■ 結(jié)合了 MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動功率、 快速的開關(guān)過程和晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通 壓降的特點(diǎn)。 ■ 由數(shù)以萬計的 MCT元 組成，每個元的組成為： 一個 PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的 MOSFET，和一個控制該晶閘管關(guān)斷的 MOSFET。 ■ 其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量 都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。 99/89 靜電感應(yīng)晶體管 SIT ■ 是一種 結(jié)型場效應(yīng)晶體管 。 ■ 是一種 多子導(dǎo)電 的器件，其 工作頻率 與電力 MOSFET相 當(dāng)，甚至超過電力 MOSFET，而 功率容量 也比電力 MOSFET大，因而適用于 高頻大功率 場合。 ■ 柵極不加任何信號時是導(dǎo)通的，柵極加負(fù)偏壓時關(guān)斷， 這被稱為 正常導(dǎo)通型器件 ，使用不太方便，此外 SIT通態(tài)電 阻 較大，使得 通態(tài)損耗 也大，因而 SIT還未在大多數(shù)電力電 子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。 100/89 靜電感應(yīng)晶閘管 SITH ■ 可以看作是 SIT與 GTO復(fù)合而成。 ■ 又被稱為 場控晶閘管（ Field Controlled Thyristor—— FCT）， 本質(zhì)上是兩種載流子導(dǎo)電 的 雙極型 器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、 通流能力強(qiáng)。 ■ 其很多特性與 GTO類似，但 開關(guān)速度 比 GTO高 得多，是 大容量 的快速器件。 ■ 一般也是正常導(dǎo)通型，但也有 正常關(guān)斷型 ，電 流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。 101/89 集成門極換流晶閘管 IGCT ■ 是將一個平板型的 GTO與由很多個并聯(lián)的電力 MOSFET器件和其它輔助元件組成的 GTO門極驅(qū) 動電路采用精心設(shè)計的互聯(lián)結(jié)構(gòu)和封裝工藝集成在 一起。 ■容量 與普通 GTO相當(dāng)，但 開關(guān)速度 比普通的 GTO快 10倍，而且可以簡化普通 GTO應(yīng)用時龐大 而復(fù)雜的 緩沖電路 ，只不過其所需的 驅(qū)動功率 仍然 很大。 ■ 目前正在與 IGBT等新型器件激烈競爭。 102/89 基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件 ■ 硅的禁帶寬度為 （ eV） ，而寬禁帶半導(dǎo)體 材料是指禁帶寬度在 左右及以上的半導(dǎo)體材 料，典型的是碳化硅（ SiC）、氮化鎵（ GaN）、金剛石等 材料。 ■ 基于寬禁帶半