【正文】 常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞 ， 或者工作特性明顯衰變 。 SOA O I c I cM P SB P cM U ce U ceM GTR的安全工作區(qū) 4) GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū) 56 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 電力 MOSFET的種類 按導(dǎo)電溝道可分為 P溝道 和 N溝道 。 增強(qiáng)型 ——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 。 1） 電力 MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 57 分為 結(jié)型 和 絕緣柵型 通常主要指 絕緣柵型 中的 MOS型 （ Metal Oxide Semiconductor FET） 簡(jiǎn)稱電力 MOSFET（ Power MOSFET） 結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管 （ Static Induction Transistor——SIT） 特點(diǎn) ——用柵極電壓來控制漏極電流 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單 ， 需要的驅(qū)動(dòng)功率小 。 熱穩(wěn)定性優(yōu)于 GTR。 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 58 電力 MOSFET的結(jié)構(gòu) 是單極型晶體管。 采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計(jì)。 電力 MOSFET 大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu) ， 又稱為 VMOSFET（ Vertical MOSFET） 。 這里主要以 VDMOS器件為例進(jìn)行討論 。 – P基區(qū)與 N漂移區(qū)之間形成的 PN結(jié) J1反偏 ， 漏源極之間無電流流過 。 N+GSDP 溝道b)N+NSGDP PN+N+N+溝道a)GSDN 溝道圖1 1 9電力 MOSFET的工作原理 61 (1) 靜態(tài)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 。 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 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 2）電力 MOSFET的基本特性 62 截止區(qū) （ 對(duì)應(yīng)于 GTR的截止區(qū) ） 飽和區(qū) （ 主動(dòng)區(qū)域 ） ：漏源電壓增加時(shí)漏極電流不再增加 非飽和區(qū) （ 電阻性區(qū)域 ） ：漏源電壓增加時(shí)漏極電流增加 工作在開關(guān)狀態(tài) ， 即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換 。 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 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 63 開通過程 開通延遲時(shí)間 td(on) ：柵極電容充電時(shí)間 上升時(shí)間 tr 開通時(shí)間 ton——開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和 關(guān)斷過程 關(guān)斷延遲時(shí)間 td(off) ：柵極電容放電時(shí)間 下降時(shí)間 tf 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 ) R s R G R F R L i D u GS u p i D 信號(hào) + 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 電力 MOSFET的開關(guān)過程 a) 測(cè)試電路 b) 開關(guān)過程波形 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 (2) 動(dòng)態(tài)特性 64 MOSFET的開關(guān)速度和柵極電容 Cin充放電有很大關(guān)系 。 不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng) （ 單極性器件 ， 多子導(dǎo)電 ） ， 關(guān)斷過程非常迅速 。 場(chǎng)控器件 ， 靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流 。 開關(guān)頻率越高 ， 所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大 。 除跨導(dǎo) 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 66 絕緣柵雙極晶體管 兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件 絕緣柵雙極晶體管 （ Insulatedgate Bipolar Transistor——IGBT或 IGT） GTR和 MOSFET復(fù)合 ， 結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn) 。 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(diǎn) —— 單極型 ， 電壓驅(qū)動(dòng) ， 開關(guān)速度快 ， 輸入阻抗高 ， 熱穩(wěn)定性好 ， 所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單 。 IGBT比 VDMOSFET多一層 P+注入?yún)^(qū) ， 具有很強(qiáng)的通流能力 。 RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻 。 導(dǎo)通 ： uGE大于 開啟電壓 UGE(th)時(shí) ， MOSFET內(nèi)形成溝道 ， 為晶體管提供基極電流 ， IGBT導(dǎo)通 。 關(guān)斷 ：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí) ， MOSFET內(nèi)的溝道消失 ，晶體管的基極電流被切斷 ， IGBT關(guān)斷 。 71 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 IGBT的開關(guān)過程 IGBT的開通過程 與 MOSFET的相似 開通延遲時(shí)間 td(on) 電流上升時(shí)間 tr 開通時(shí)間 ton uCE的下降過程分為 tfv1和tfv2兩段 。 (2) IGBT的動(dòng)態(tài)特性 72 IGBT的開關(guān)過程 關(guān)斷延遲時(shí)間 td(off） 電流下降時(shí)間 關(guān)斷時(shí)間 toff 電流下降時(shí)間又可分為 tfi1和 tfi2兩段 。 tfi2——IGBT內(nèi)部的 PNP晶體管的關(guān)斷過程 ， iC下降較慢 。 (3) 最大集電極功耗 PCM ——IGBT導(dǎo)通時(shí)需要的最小控制電壓 。 (1) 最大集射極間電壓 UCES 74 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 。 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(jìn)一步提高，同時(shí)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn) 。 E GCN+Na)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J 3 J2J1GEC+++IDRNICVJ1IDRonb )GCc )76 IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件 。 反向偏臵安全工作區(qū) （ RBSOA） —— 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。 電力電子器件類型歸納 單極型：電力 MOSFET和SIT（ 靜電感應(yīng)晶體管 ） 雙極型：電力二極管、晶閘管、 GTO、 GTR和 SITH（ 靜電感應(yīng)晶閘管 ） 復(fù)合型： IGBT和 MCT（ MOS控制晶閘管 ） 78 特點(diǎn) ：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 。 電壓驅(qū)動(dòng)型 ：?jiǎn)螛O型器件和復(fù)合型器件 ， 雙極型器件中的 SITH 79 IGBT為主體 ， 第四代產(chǎn)品 ， 制造水平 / ， 兆瓦以下首選 。 GTO：兆瓦以上首選 ， 制造水平 6kV / 6kA。 電力 MOSFET：長(zhǎng)足進(jìn)步 ， 中小功率領(lǐng)域特別是低壓 ， 地位牢固 。 當(dāng)前的格局 :