【正文】 在電壓 1000V以上 時(shí) ， 開(kāi)關(guān)損耗只有 GTR的 1/10， 與電力 MOSFET相當(dāng) (2) 相同電壓和電流定額時(shí) ， 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(lèi)似 (5) 與 MOSFET和 GTR相比，耐壓和通流能力還可 以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開(kāi)關(guān)頻率高的。 tfv1—— IGBT中MOSFET 單獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程； tfv2——MOSFET和 PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過(guò)程 （ 開(kāi)關(guān)過(guò)程圖 ） ■ 絕緣柵雙極晶體管 ? IGBT的關(guān)斷過(guò)程 （ 開(kāi)關(guān)過(guò)程圖 ） ?關(guān)斷延遲時(shí)間 td(off) —— 從 uGE后沿下降到其幅 值 90%的時(shí)刻起 ， 到 iC下降至 90%ICM ? 電流下降時(shí)間 —— iC從 90%ICM下降至 10%ICM ? 關(guān)斷時(shí)間 toff—— 關(guān)斷延遲時(shí)間與電流下降之和 ?電流下降時(shí)間又可分為 tfi1和 tfi2兩段 。分別與 GTR的截止區(qū) 、 放大區(qū)和飽和區(qū)相對(duì)應(yīng) ?uCE0時(shí) ， IGBT為反向阻斷工作狀態(tài) ■ 絕緣柵雙極晶體管 ?2) IGBT的動(dòng)態(tài)特性 圖 124 IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程 ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM ■ 絕緣柵雙極晶體管 ? IGBT的開(kāi)通過(guò)程 與 MOSFET的相似 ， 因?yàn)殚_(kāi)通過(guò)程中 IGBT在大部分時(shí)間作為 MOSFET運(yùn)行 ?開(kāi)通延遲時(shí)間 td(on) —— 從 uGE上升至其幅值 10%的時(shí)刻 ， 到 iC上升至 10% ICM178。 開(kāi)關(guān)頻率越高 ， 所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大 。 但柵極的正電壓會(huì)將其下面 P區(qū)中的空穴推開(kāi) ， 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(kāi)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(guò)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 ■ 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 2. 電力 MOSFET的基本特性 ? 1) 靜態(tài)特性 圖 120 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 ? 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 01020305040圖1 2 02 4 6 8a)10203050400b)10 20 30 5040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)I D/AUTUGS/ VUDS/ VUGS= UT= 3 VUGS= 4 VUGS= 5 VUGS= 6 VUGS= 7 VUGS= 8 VI D/A ■ 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ? 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) ） ?電力 MOSFET工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài) ， 即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)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 ■ 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ?2) 動(dòng)態(tài)特性 圖 121 電力 MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程 a) 測(cè)試電路 b) 開(kāi)關(guān)過(guò)程波形 up— 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 a ） b )圖1 2 1RsRG RFRLiDuGSupiD信號(hào)+ UEiDOOOuptttuGSuG S PuTtd ( o n )trtd ( o ff )tf ■ 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ?開(kāi)通過(guò)程 （ 開(kāi)關(guān)過(guò)程圖 ） ? 開(kāi)通延遲時(shí)間 td(on) —— up前沿時(shí)刻到 uGS=UT并開(kāi)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(kāi)通時(shí)間 ton—— 開(kāi)通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和 ■ 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ? 開(kāi)通過(guò)程 ? 關(guān)斷延遲時(shí)間 td(off) —— up下降到零起 ， Cin通過(guò) Rs和RG放電 ， uGS按指數(shù)曲線下降到 UGSP時(shí) ， iD開(kāi)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 a ） b )圖1 2 1RsRG RFRLiDuGSupiD信號(hào)+ UEiDOOOuptttuGSuG S PuTtd ( o n ) t rtd ( o ff) t f圖 121 電力 MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程 a) 測(cè)試電路 b) 開(kāi)關(guān)過(guò)程波形 up— 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 ■ 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ?MOSFET的開(kāi)關(guān)速度 ? MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和 Cin充放電有很大關(guān)系 ?使用者無(wú)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(kāi)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(guò)程非常迅速 ?開(kāi)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 。 一般可認(rèn)為 ??hFE ? 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 ■ 電力晶體管 ?2. GTR的基本特性 ? (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(kāi)關(guān)狀態(tài) ， 即工作在截止區(qū)或飽和區(qū) ?在開(kāi)關(guān)過(guò)程中 ， 即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí) ，要經(jīng)過(guò)放大區(qū) 圖 116 共發(fā)射極接法時(shí) GTR的輸出特性 截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)圖1 1 6OI ci b3ib2i b1i b1 i b2 i b3U ce ■ 電力晶體管 ?(1) 動(dòng)態(tài)特性 圖 117 GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形 ? 開(kāi)通過(guò)程 ?延遲時(shí)間 td和上升時(shí)間 tr， 二者之和為開(kāi)通時(shí)間 ton ?td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 。 GTO的儲(chǔ)存時(shí)間隨陽(yáng)極電流的增大而增大 ， 下降時(shí)間一般小于 2?s ?不少 GTO都制造成逆導(dǎo)型 ， 類(lèi)似于逆導(dǎo)晶閘管 ，需承受反壓時(shí) ， 應(yīng)和電力二極管串聯(lián) ■ 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 ? 3) 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流 IATO GTO額定電流 ? 4) 電流關(guān)斷增益 ?off 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門(mén)極負(fù)脈 沖電流最大值 IGM之比稱為電流關(guān)斷增益 （ 18） ?off一般很小，只有 5左右，這是 GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。 當(dāng) ?1+?21時(shí) ，兩個(gè)等效晶體管過(guò)飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)?1+?21時(shí) ， 不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷 RN P NP N PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a) b)圖 17 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 ■ 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 ? GTO能夠通過(guò)門(mén)極關(guān)斷的原因 是其與普通晶閘管有如下區(qū)別： ?（ 1） 設(shè)計(jì) ?2較大 ， 使晶體管 V2控制靈敏 ， 易于 GTO關(guān)斷 ?（ 2） 導(dǎo)通時(shí) ?1+?2更接近 1（ ?， 普通晶閘管?1+?2?） 導(dǎo)通時(shí)飽和不深 ， 接近臨界飽和 ， 有利門(mén)極 控制關(guān)斷 ， 但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大 ?（ 3） 多元集成結(jié)構(gòu)使 GTO元陰極面積很小 ， 門(mén) 、陰極間距大為縮短 ， 使得 P2基區(qū)橫向電阻很小 ，能從門(mén)極抽出較大電流 ■ 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 ? 導(dǎo)通過(guò)程 與普通晶閘管一樣 ， 只是導(dǎo)通時(shí)飽和程 度較淺 ? 關(guān)斷過(guò)程： 強(qiáng)烈正反饋 —— 門(mén)極加負(fù)脈沖即從門(mén) 極抽出電流 ， 則 Ib2減小 ， 使 IK和 Ic2減小 ， Ic2的減小又使 IA和 Ic1減小 ， 又進(jìn)一步減小 V2的基極電流 ?當(dāng) IA和 IK的減小使 ?1+?21時(shí) ， 器件退出飽和而關(guān)斷 ?多元集成結(jié)構(gòu)還使 GTO比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程快 ， 承受 di/dt能力強(qiáng) ■ 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 ?2. GTO的動(dòng)態(tài)特性 ?開(kāi)通過(guò)程： 與普通晶閘管類(lèi)似 ， 需經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間td和上升時(shí)間 tr Ot0 t圖1 1 4iGiAIA90% IA10% IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 圖 114 GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形 ■ 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 ?關(guān)斷過(guò)程： 與普通晶閘管有所不同 ?抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子 —— 儲(chǔ)存時(shí)間 ts， 使等效晶體管退出飽和 ?等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū) ， 陽(yáng)極電流逐漸減小 —— 下降時(shí)間 tf ?殘存載流子復(fù)合 —— 尾部時(shí)間 tt ?通常 tf比 ts小得多 ， 而 tt比 ts要長(zhǎng) ?門(mén)極負(fù)脈沖電流幅值越大 ， 前沿越陡 ， 抽走儲(chǔ)存載流子的速度越快 ， ts越短 ?門(mén)極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減 ， 在 tt階段仍保持適當(dāng)負(fù)電壓 ， 則可縮短尾部時(shí)間 ■ 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 ? 3. GTO的主要參數(shù) (顯示圖 ） 許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同 ，以下只介紹意義不同的參數(shù) ?1)開(kāi)通時(shí)間 ton 延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和 。如果電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 ■ 晶閘管的主要參數(shù) ?(2) 通態(tài)電流臨界上升率 di/dt —— 指在規(guī)定條件下 ， 晶閘管能承受而 無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率 ? 如果電流上升太快 ， 則晶閘管剛一開(kāi)通 ，便會(huì)有很大的電流集中在門(mén)極附近的小區(qū)域內(nèi) ， 從而造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞 ■ 晶閘管的派生器件 1. 快速晶閘管 （ Fast Switching