【正文】 壓 的能力，一旦承受反向電壓即開通。 圖 212 逆導晶閘管的電氣圖形符號 和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性 65/7 晶閘管的派生器件 A G K a) AK 光強度 強 弱 b) O U I A ■ 光控晶閘管（ Light Triggered Thyristor——LTT） ◆ 是利用一定波長的 光照信號 觸發(fā)導通的晶閘管。 圖 213 光控晶閘管的電氣圖形符 號和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性 66/7 典型全控型器件 門極可關斷晶閘管 電力晶體管 電力場效應晶體管 絕緣柵雙極晶體管 67/7 典型全控型器件 ■ 20世紀 80年代以來，電力電子技術進入了一個 嶄新時代。 電力 MOSFET IGBT單管及模塊 68/7 門極可關斷晶閘管 ■ 晶閘管的一種派生器件，但 可以通過在門極施加負的脈沖 電流使其關斷，因而屬于 全控 型器件 。 ? 是一種多元的功率集成 器件，雖然外部同樣引出個 極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個甚 至數(shù)百個共陽極的 小 GTO 元 ，這些 GTO元的 陰極 和 門 極 則在器件內(nèi)部 并聯(lián) 在一起。 ?1+?2=1是器件臨界導通的條件，大于 1導通，小于 1則關斷。 √導通時 ?1+?2更接近 1，導通時接近 臨界飽和 ，有利門極控制關斷，但導通時管 壓降 增大。 70/7 門極可關斷晶閘管 ? GTO的導通過程與普通晶閘管是一樣的， 只不過導通時 飽和程度 較淺。 ? GTO的 多元集成結構 使得其比普通晶閘管 開通過程 更快，承受 di/dt的能力增強。 ◆ 關斷過程 ? 儲存時間 ts 下降時間 tf 尾部時間 tt ? 通常 tf比 ts小得多，而tt比 ts要長。使門極負脈沖的 后沿緩慢衰減，在 tt階段仍能保持適當?shù)?負電壓 ，則可以縮短 尾部時間 。 ◆ 最大可關斷陽極電流 IATO ? 用來標稱 GTO額定電流 。 ? ?off一般很小，只有 5左右，這是 GTO的一個主要缺點。 ? 延遲時間一般約 1~2?s，上升時間則隨 通態(tài)陽極電流值 的增大而 增大。 ? 儲存時間隨 陽極電流 的增大而增大，下降時間一般小于 2?s。當需要承受反向電 壓時，應和 電力二極管 串聯(lián)使用。 ◆ 最主要的特性是 耐壓高 、 電流大 、 開關 特性好。 ? GTR是由 三層半導體 （分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成 的兩個 PN結（集電結和發(fā)射結）構成，多采用 NPN結構。集電極電流 ic與基極電流 ib之比為 ?稱為 GTR的 電流放大系數(shù) ，它反映了基極電流對集電極電流的控制能力。 (29) (210) 76/7 電力晶體管 ■ GTR的基本特性 ◆ 靜態(tài)特性 ? 在 共發(fā)射極 接法時的典 型輸出特性分為 截止區(qū) 、 放 大區(qū) 和 飽和區(qū) 三個區(qū)域。 ? 在開關過程中，即在截 止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時， 一般要經(jīng)過 放大區(qū) 。 √增大基極驅(qū)動電流 ib的幅值并 增大 dib/dt，可以縮短 延遲時間 ， 同時也可以縮短 上升時間 ，從而 加快開通過程。 √減小導通時的 飽和深度 以減 小儲存的載流子，或者增大基極 抽取負電流 Ib2的幅值和負偏壓， 可以縮短儲存時間，從而加快關 斷速度。 i b I b1 I b2 I cs i c 0 0 90% I b1 10% I b1 90% I cs 10% I cs t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t t t off t s t f t on t r t d 圖 218 GTR的開通和關斷過程電流波形 主要是由發(fā)射結勢壘電容和集電結勢壘電容充電產(chǎn)生的。 78/7 電力晶體管 ■ GTR的主要參數(shù) ◆ 電流放大倍數(shù) ?、直流電流增益 hFE、集電極與發(fā)射極間漏電流 Iceo、 集電極和發(fā)射極間飽和壓降 Uces、開通時間 ton和關斷時間 toff ◆ 最高工作電壓 ? GTR上所加的電壓超過規(guī)定值時，就會發(fā)生 擊穿 。 ? 發(fā)射極開路時集電極和基極間的反向擊穿電壓 BUcbo 基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓 BUceo 發(fā)射極與基極間用電阻聯(lián)接或短路聯(lián)接時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓 BUcer和 BUces 發(fā)射結反向偏置時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓 BUcex 且存在以下關系： ? 實際使用 GTR時，為了確保安全，最高工作電壓要比 BUceo低得 多。 ? 實際使用時要留有較大裕量，只能用到 IcM的 一半 或 稍多一點 。 ? 產(chǎn)品說明書中在給出 PcM時總是同時給出殼溫 TC，間接表示了最高工作溫度。 ◆ 發(fā)現(xiàn)一次擊穿發(fā)生時如不有效地限制電流， Ic增大到某個臨界點時 會突然急劇上升，同時伴隨著電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊 穿。 SOA O I c I cM P SB P cM U ce U ceM 圖 219 GTR的安全工作區(qū) 二次擊穿功率 ◆ 安全工作區(qū)（ Safe Operating Area——SOA） ? 將不同基極電流下二次擊穿的臨界點 連接起來，就構成了二次擊穿臨界線。 81/7 電力場效應晶體管 ■ 分為 結型 和 絕緣柵型 ，但通常主要指絕緣柵型中 的 MOS型（ Metal Oxide Semiconductor FET） ,簡 稱電力 MOSFET（ Power MOSFET）。 ◆ 開關速度快，工作頻率高。 ◆ 電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過 10kW的電力電子裝置。 ? 當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道的稱為 耗盡型 。 ? 在電力 MOSFET中，主要是 N溝道增強型 。 ? 結構上與小功率 MOS管有較大區(qū) 別，小功率 MOS管是 橫向 導電器件，而 目前電力 MOSFET大都采用了 垂直 導電 結構，所以又稱為 VMOSFET（ Vertical MOSFET），這大大提高了 MOSFET器 件的 耐壓 和 耐電流 能力。 ? 電力 MOSFET也是 多元集成 結構。 ? 導通 √在 柵極 和 源極 之間加一 正電壓 UGS，正電壓會將其下面 P區(qū)中的空穴推開，而將 P區(qū)中的少子 —— 電子吸引到柵極下面的 P區(qū)表面。 √UT稱為 開啟電壓（或閾值電壓） ， UGS超過 UT越多，導電能力越強，漏極電流 ID越大。 √ID較大時， ID與 UGS的關系近似 線性，曲線的斜率被定義為 MOSFET的 跨導 Gfs，即 電力場效應晶體管 GSDfs ddUIG ?圖 221 電力 MOSFET的 轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 (211) √是電壓控制型器件，其輸入阻 抗極高，輸入電流非常小。 √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)）三個區(qū)域，飽和是指漏源電壓增加時漏極電流不再增加，非飽和是指漏源電壓增加時漏極電流相應增加。 ? 本身結構所致， 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 。 圖 221 電力 MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 b) 輸出特性 87/7 ◆ 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 ? 關斷過程 √關斷延遲時間 td(off) 電壓上升時間 trv 電流下降時間 tfi 關斷時間 toff = td(off) +trv+tfi ? MOSFET的 開關速度 和其 輸入 電容的充放電 有很大關系，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 快開關速度。 (a) (b) 88/7 電力場效應晶體管 ? 不存在 少子儲存效應 ，因而其關斷過程是 非常迅速的。 ? 在開關過程中需要對輸入電容充放電，仍 需要一定的 驅(qū)動功率 ，開關頻率越高，所需 要的驅(qū)動功率越大。 ◆ 漏極電壓 UDS ? 標稱電力 MOSFET電壓定額的參數(shù)。 ◆ 柵源電壓 UGS ? 柵源之間的絕緣層很薄， ?UGS?20V將導致絕緣層擊穿。 ◆ 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)。而電力 MOSFET是單極型電壓驅(qū)動器件，開關速度快， 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。 91/7 絕緣柵雙極晶體管 ■ IGBT的結構和工作原理 ◆ IGBT的結構 ? 是三端器件，具有 柵極 G、 集電極 C和 發(fā)射極 E。 ? 簡化等效電路表明， IGBT 是用 GTR與 MOSFET組成的 達 林頓 結構，相當于一個由 MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū) PNP晶 體管。 92/7 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。 √當 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而使 IGBT導通。 ? 電導調(diào)制效應 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 。 √開啟電壓 UGE(th)是 IGBT能實現(xiàn)電導調(diào)制而 導通的最低柵射電壓，隨 溫度 升高而略有下降。 √分為三個區(qū)域： 正向阻斷區(qū) 、 有源區(qū) 和 飽和區(qū) 。 √在電力電子電路中，IGBT工作在 開關狀態(tài) ，因而是在 正向阻斷區(qū) 和 飽和區(qū) 之間來回轉(zhuǎn)換。 ? 關斷過程 √關斷延遲時間 td(off) 電壓上升時間 trv 電流下降時間 tfi 關斷時間 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的開關速度要低于電力 MOSFET。 ◆ 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。 ◆ 最大集電極功耗 PCM ? 在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。 ? 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。 ? 輸入阻抗 高，其輸入特性與電力 MOSFET類 似。 98/7 絕緣柵雙極晶體管 ■ IGBT的擎住效應和安全工作區(qū) ◆ IGBT的擎住效應 ? 在 IGBT內(nèi)部寄生著一個 NPN+晶體管和作為主開 關器件的 P+NP晶體管組成的寄生晶閘管