【正文】 ◆ 電力 MOSFET和 IGBT中的技術(shù)創(chuàng)新仍然在繼 續(xù)， IGBT還在不斷奪取傳統(tǒng)上屬于晶閘管的應(yīng)用 領(lǐng)域 。 √共同特點(diǎn)是：輸入阻抗高，所需驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高。 ■ 電力電子器件歸類 ◆ 按照器件內(nèi)部 電子 和 空穴 兩種載流子參與導(dǎo)電的情況 ? 單極型 ：肖特基二極管、 電力 MOSFET和 SIT等。 ◆ 以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在 中小功 率 應(yīng)用場(chǎng)合。 功率集成電路與集成電力電子模塊 ■ 實(shí)際應(yīng)用電路 ◆ 高壓集成電路（ High Voltage IC—— HVIC） ? 一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片 集成。 功率集成電路與集成電力電子模塊 ■ 基本概念 ◆ 20世紀(jì) 80年代中后期開始，模塊化趨勢(shì)，將多 個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱為 功率模塊 。 ■ 目前正在與 IGBT等新型器件激烈競(jìng)爭(zhēng)。 ■ 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。 ■ 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(guò)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(chǎng)合。 ■ 結(jié)合了 MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率、 快速的開關(guān)過(guò)程和晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通 壓降的特點(diǎn)。 ? 動(dòng)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(dòng)態(tài) 擎住效應(yīng) 而確定的。 ? 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(shí)保持 開關(guān)頻率 高 的特點(diǎn)。 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。 圖 225 IGBT的開關(guān)過(guò)程 絕緣柵雙極晶體管 ■ IGBT的主要參數(shù) ◆ 前面提到的各參數(shù)。 √當(dāng) UCE0時(shí)， IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。 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。 ? 其開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓 UGE決定的。 ? 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(duì)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。 絕緣柵雙極晶體管 ■ GTR和 GTO是雙極型電流驅(qū)動(dòng)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(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。 ◆ 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)。 ? 開關(guān)時(shí)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。 ? 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。 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ? 輸出特性 √是 MOSFET的 漏極 伏安特性。 √當(dāng) UGS大于某一電壓值 UT時(shí)，使 P型半導(dǎo)體反型成 N型半導(dǎo)體，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。 ? 按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用 V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的 VVMOSFET （ Vertical Vgroove MOSFET） 和具有 垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散 MOS結(jié)構(gòu)的 DMOSFET （ Vertical Doublediffused MOSFET） 。 ? 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)電溝道的稱為 增強(qiáng)型 。 ◆ 熱穩(wěn)定性優(yōu)于 GTR。 ? GTR工作時(shí)不僅不能超過(guò)最高電壓 UceM，集電極最大電流 IcM和最大耗散功 率 PcM，也不能超過(guò) 二次擊穿臨界線 。 電力晶體管 ■ GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū) ◆ 當(dāng) GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，集電極電流迅速增大， 這種首先出現(xiàn)的擊穿是 雪崩擊穿 ，被稱為一次擊穿。 BUBUBUBUBU ceocercescexc b o ???? 電力晶體管 ◆ 集電極最大允許電流 IcM ? 規(guī)定直流電流放大系數(shù) hFE下降到規(guī)定的 1/2~1/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的 Ic。 是用來(lái)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。 ? 關(guān)斷過(guò)程 √需要經(jīng)過(guò)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 toff。 ? 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) 。 電力晶體管 圖 216 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng) a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào) c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng) +表示高摻雜濃度， 表示低摻雜濃度 電力晶體管 Iii c e obc ?? ?空穴流 電 子 流 c) E b E c i b i c = ? i b i e =(1+ ? ) i b 圖 216 c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng) iibc??? 在應(yīng)用中， GTR一般采用共發(fā)射極接法。 電力晶體管 ■ 電力晶體管（ Giant Transistor—— GTR） 按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、 大電流的 雙極結(jié)型晶體管（ Bipolar Junction Transistor—— BJT） ■ 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。 ◆ 關(guān)斷時(shí)間 toff ? 一般指 儲(chǔ)存 時(shí)間和 下降 時(shí)間之和，而不包括 尾部 時(shí)間。 ◆ 電流關(guān)斷增益 ?off ? 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流 IATO與門極負(fù)脈沖電流最大值 IGM之比。 ? 門極負(fù)脈沖電流 幅值越大， 前沿 越陡， ts就越短。 ? 而關(guān)斷時(shí)，給門極加負(fù)脈沖，即從門極抽 出電流，當(dāng)兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流 IA和 IK的 減小使 ?1+?21時(shí)，器件退出 飽和 而關(guān)斷。 ? GTO與普通晶閘管的不同 √設(shè)計(jì) ?2較大，使晶體管 V2控制 靈敏，易于 GTO關(guān)斷。 ■ GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 ◆ GTO的結(jié)構(gòu) ? 是 PNPN四層半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu) 。引言 ■ 門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。 ◆ 具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。 晶閘管的派生器件 a) b) I O U I G = 0 G T 1 T 2 ■ 雙向晶閘管（ Triode AC Switch—— TRIAC或Bidirectional triode thyristor） ◆ 可以認(rèn)為是一對(duì) 反并聯(lián)聯(lián) 接 的普通晶閘管的集成 。 ◆ 快速晶閘管的 開關(guān)時(shí)間 以及 du/dt和 di/dt的耐量都有了 明顯改善。 ? 電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 。 ? 結(jié)溫 越高，則 IH越小。 ■ 電流定額 ◆ 通態(tài)平均電流 IT(AV） ? 國(guó)標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為 40?C和規(guī)定的 冷 卻狀態(tài) 下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半 波電流的平均值。 ? 反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于 反向擊穿電壓 。 ? 國(guó)標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓 UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即 斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓） UDSM的 90%。 圖 210 晶閘管的開通和關(guān)斷過(guò)程波形 陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的 90% 100% 90% 10% u AK t t O 0 t d t r t rr t gr U RRM I RM i A 陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的 10% 晶閘管的基本特性 ◆ 關(guān)斷過(guò)程 ? 由于 外電路電感 的存在，原處 于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突 然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，其陽(yáng)極電流 在衰減時(shí)必然也是有過(guò)渡過(guò)程的。 √當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，到 反向擊穿電壓 后，外電路如無(wú)限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。 √隨著 門極電流幅值 的增大， 正向轉(zhuǎn)折電壓 降低，晶閘管本身的壓降很小，在 1V左右。 ? 晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通 。 )(1 21C B O2C B O1G2A ???????? IIII 由以上式（ 21） ~（ 24）可得 (25) 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 ■ 除門極觸發(fā)外 其他幾種可能導(dǎo)通的情況 ◆ 陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成 雪崩效應(yīng) ◆ 陽(yáng)極電壓上升率 du/dt過(guò)高 ◆ 結(jié)溫 較高 ◆ 光觸發(fā) ■ 這些情況除了 光觸發(fā) 由于可以保證控制電路與 主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中 之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐。 ◆ 在晶體管 阻斷狀態(tài) 下， IG=0，而 ?1+?2是很小的。 ◆ 引出 陽(yáng)極 A、 陰極 K和 門極（控制端） G三個(gè)聯(lián)接端。 引言 ■ 晶閘管（ Thyristor）是 晶體閘流管 的簡(jiǎn)稱，又稱作 可控硅整流器 （ Silicon Controlled Rectifier—— SCR） ，以前被簡(jiǎn)稱為可控硅。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則 在 100ns以下，甚至達(dá)到 20~30ns。 ? 其 正向電流定額 和 反向電壓定額 可以達(dá)到很高。 ■ 反向恢復(fù)時(shí)間 trr ■ 浪涌電流 IFSM ◆ 指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流 。 ◆ 使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有 兩倍 的裕量。 圖 26 電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 電力二極管的主要參數(shù) ■ 正向平均電流 IF(AV) ◆ 指電力二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱殼溫，用 TC表示）和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大 工頻正弦半波電流 的平均值。 ? 延遲時(shí)間 ： td=t1t0 電流下降時(shí)間 ： tf =t2 t1 反向恢復(fù)時(shí)間 ： trr=td+ tf 恢復(fù)特性的軟度 ： tf /td，或稱恢復(fù)系 數(shù)，用 Sr表示。 ◆ 承受反向電壓時(shí)，只有 少子 引起的微小而數(shù)值恒定的 反向 漏電流 。正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分。 ? 否則 PN結(jié)因過(guò)熱而燒毀，這就是 熱擊穿 。 ◆ 當(dāng) PN結(jié)外加反向電壓時(shí)（反向偏置）時(shí)，反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為 高阻態(tài) ，幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，被稱為反向截止?fàn)顟B(tài)。 ■ 在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少 的，特別是開通和關(guān)斷速度很快的 快恢復(fù)二極管 和 肖特基 二極管 ，具有不可替代的地位。