【正文】 上升 ， 電壓陡然下降 。 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 。 開關速度快 ， 工作頻率高 。 電流容量小 ， 耐壓低 ， 一般只適用于功率不超過 10kW的電力電子裝臵 。 絕緣柵型場效應管利用柵極和源極之間的電壓產生的電場來改變半導體表面的感生電荷改變導電溝道的導電能力，從而控制 漏極、源極之間電流的大小。 耗盡型 ——當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道 。 電力 MOSFET主要是 N溝道增強型 。 導電機理與小功率 MOS管相同，但結構上有較大區(qū)別。 N +GSDP 溝道b)N +N SGDP PN +N +N +溝道a)GSDN 溝道圖1 1 9圖 219 電力 MOSFET的結構和電氣圖形符號 85 PMOSFET基本結構、符號和外接電路 86 目前流行的結構 具有垂直導電雙擴散 MOS結構的 N溝增強型 VDMOS的結構 87 電力場效應晶體管 小功率 MOS管是橫向導電器件 。 按垂直導電結構的差異 ， 分為利用 V型槽實現(xiàn)垂直導電的 VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散 MOS結構的VDMOSFET（ Vertical Doublediffused MOSFET） 。 電力 MOSFET的結構 88 電力場效應晶體管 截止 ： 漏源極間加正電源 ， 柵源極間電壓為零 。 導電 ： 在柵源極間加正電壓 UGS – 當 UGS大于 UT時 ， P型半導體反型成 N型而成為 反型層 ， 該反型層形成 N溝道而使 PN結 J1消失 ， 漏極和源極導電 。 ID較大時， ID與 UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為 跨導 Gfs。 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 。 圖 220電力 MOSFET的轉移特性和輸出特性 a) 轉移特性 b) 輸出特性 MOSFET的漏極伏安特性 ： 0 10 20 30 50 40 2 4 6 8 a) 10 20 30 50 40 0 b) 10 20 30 50 40 飽和區(qū) 非 飽 和 區(qū) 截止區(qū) I D / A U T U GS / V U DS / V U GS = U T =3V U GS =4V U GS =5V U GS =6V U GS =7V U GS =8V I D / A 91 電力場效應晶體管 開通過程 開通延遲時間 td(on) 上升時間 tr 開通時間 ton——開通延遲時間與上升時間之和 關斷過程 關斷延遲時間 td(off) 下降時間 tf 關斷時間 toff——關斷延遲時間和下降時間之和 a ） b ) R s R G R F R L i D u GS u p i D 信號 + U E 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 圖 221 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 (2) 動態(tài)特性 92 電力場效應晶體管 MOSFET的開關速度和 Cin充放電有很大關系 。 不存在少子儲存效應 ， 關斷過程非常迅速 。 場控器件 ， 靜態(tài)時幾乎不需輸入電流 。 開關頻率越高 ， 所需要的驅動功率越大 。 除跨導 Gfs、開啟電壓 UT以及 td(on)、 tr、 td(off)和 tf之外還有： (4) 極間電容 —— 極間電容 CGS、 CGD和 CDS 94 絕緣柵雙極晶體管 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 （ Insulatedgate Bipolar Transistor——IGBT或 IGT） GTR和 MOSFET復合 ， 結合二者的優(yōu)點 。 繼續(xù)提高電壓和電流容量 ， 以期再取代 GTO的地位 。 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 。 IGBT比 VDMOSFET多一層 P+注入?yún)^(qū) ， 具有很強的通流能力 。 RN為晶體管基區(qū)內的調制電阻 。 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 。 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 。 99 絕緣柵雙極晶體管 t t t 10% 90% 10% 90% U CE I C 0 O 0 U GE U GEM I CM U CEM t fv1 t fv2 t off t on t fi1 t fi2 t d(off) t f t d(on) t r U CE(on) U GEM U GEM I CM I CM 圖 224 IGBT的開關過程 IGBT的開通過程 與 MOSFET的相似 開通延遲時間 td(on) 電流上升時間 tr 開通時間 ton uCE的下降過程分為 tfv1和tfv2兩段 。 (2) IGBT的動態(tài)特性 100 絕緣柵雙極晶體管 圖 224 IGBT的開關過程 關斷延遲時間 td(off） 電流下降時間 關斷時間 toff 電流下降時間又可分為 tfi1和 tfi2兩段 。 tfi2——IGBT內部的 PNP晶體管的關斷過程 ， iC下降較慢 。 (3) 最大集電極功耗 PCM ——包括額定直流電流 IC和 1ms脈寬最大電流 ICP 。 (1) 最大集射極間電壓 UCES 102 絕緣柵雙極晶體管 IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結如下 ： 開關速度高 ， 開關損耗小 。 通態(tài)壓降比 VDMOSFET低 。 與 MOSFET和 GTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關頻率高的特點 。 ——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確定。 正偏安全工作區(qū) （ FBSOA） 動態(tài)擎住效應 比 靜態(tài)擎住效應 所允許的集電極電流小。 ——NPN晶體管基極與發(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生壓降，相當于對 J3結施加正偏壓，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。 高電壓 ， 大電流 、 高載流密度 ， 低導通壓降 。 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斷的MOSFET。 MCT（ MOS Controlled Thyristor） ——MOSFET與晶閘管的復合 106 靜電感應晶體管 SIT 多子導電的器件 ， 工作頻率與電力 MOSFET相當 ， 甚至更高 ， 功率容量更大 ， 因而適用于高頻大功率場合 。 缺點 ： 柵極不加信號時導通 ， 加負偏壓時關斷 ， 稱為 正常導通型 器件 ， 使用不太方便 。 SIT（ Static Induction Transistor） ——結型場效應晶體管 107 靜電感應晶閘管 SITH SITH是兩種載流子導電的雙極型器件 ， 具有電導調制效應 ， 通態(tài)壓降低 、 通流能力強 。 SITH一般也是正常導通型 ， 但也有正常關斷型 。 SITH（ Static Induction Thyristor） ——場控晶閘管（ Field Controlled Thyristor—FCT） 108 集成門極換流晶閘管 IGCT 20世紀 90年代后期出現(xiàn) ， 結合了 IGBT與 GTO的優(yōu)點 ， 容量與 GTO相當 ， 開關速度快 10倍 。 目前正在與 IGBT等新型器件激烈競爭 ， 試圖最終取代 GTO在大功率場合的位置 。 ■ 基于寬禁帶半導體材料（如碳化硅）的電力電子器件將 具有比硅器件高得多的耐受高電壓的能力、低得多的通態(tài) 電阻、更好的導熱性能和熱穩(wěn)定性以及更強的耐受高溫和 射線輻射的能力，許多方面的性能都是成數(shù)量級的提高。 ■ 21世紀推出基于碳化硅的肖特基二極管 ■氮化鎵半導體、金剛石材料 110 功率模塊與功率集成電路 20世紀 80年代中后期開始 ， 模塊化趨勢 ， 將多個器件封裝在一個模塊中 ， 稱為 功率模塊 。 對工作頻率高的電路 ， 可大大減小線路電感 ， 從而簡化對保護和緩沖電路的要求 。 基本概念 111 (a )(d )(c )(b )? 二極管和晶閘管模塊 112 ? 達林頓三極管功率模塊 113 ? MOSFET功率模塊 (a ) 雙開關模塊(b ) 三相橋模塊(c ) 四個開關并聯(lián)114 功率模塊與功率集成電路 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 。 智能功率模塊 （ Intelligent Power Module——IPM）則專指 IGBT及其輔助器件與其保護和驅動電路的單片集成 ， 也稱智能 IGBT（ Intelligent IGBT） 。 以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在中小功率應用場合 。 功率集成電路實現(xiàn)了電能和信息的集成 ， 成為機電一體化的理想接口 。 對裝置的運行效率 、 可靠性和安全性都有重要的意義 。 驅動電路的基本任務 ： 按控制目標的要求施加開通或關斷的信號 。 對全控型器件則既要提供開通控制信號 ， 又要提供關斷控制信號 。 光隔離一般采用光耦合器 磁隔離的元件通常是 脈沖變壓器 ERERERa ) b ) c )UinUoutR1ICIDR1R1圖 225 光耦合器的類型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高傳輸比型 120 電力電子器件驅動電路概述 按照驅動信號的性質分 ， 可分為 電流驅動型 和 電壓驅動型 。 雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內的混合集成電路 。 分類 121 晶閘管的觸發(fā)電路 作用 ： 產生符合要求的門極觸發(fā)脈沖 ， 保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉為導通 。 觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度 。 有良好的抗干擾性能 、 溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離 。 脈沖變壓器 TM和附屬電路構成 脈沖輸出環(huán)節(jié) 。 圖 227 常見的晶閘管觸發(fā)電路 常見的晶閘管觸發(fā)電路 123 典型全控型器件的驅動電路 (1) GTO GTO的 開通控制 與普通晶閘管相似 。 圖 228 推薦的 GTO門極電壓電流波形 O t t O u G i G 1) 電流驅動型器件的驅動電路 正的門極電流 5V的負偏壓 GTO驅動電路通常包括開通驅動電路 、 關斷驅動電路 和 門極反偏電路三部分 ， 可分為 脈沖變壓器耦合式 和 直接耦合式 兩種類型 。 目前應用較廣 ， 但其功耗大 ， 效率較低 。 關斷 GTR時 ， 施加一定的負基極電流有利于減小關斷時間和關斷損耗 。 t O i b 圖 230 理想的 GTR基極驅動電流波形 (2) GTR 126 典型全控型器件的驅動電路 GTR的一種驅動電路 ， 包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分 。 127 典型全控型器件的驅動電路 電力 MOSFET和 IGBT是電壓驅動型器件 。 使 MOSFET開通的驅動電壓一般 10~15V， 使 IGBT開通的驅動電壓一般 15 ~ 20V。 在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩 。 129 典型全控型器件的驅動電路 (2) IGBT的驅動 圖 233 M57962L型 IGBT驅動器的原理和接線圖 常用的有三菱公司的 M579系列（如 M57962L和 M57959L）和富士公司的 EXB系列（如 EXB8EXB84 EXB850和 EXB85