【正文】 用達林頓接法 可以有效地增大電流增益。 ? 在電力電子電路中， GTR工作在 開關狀態(tài) ，即工 作在 截止區(qū) 或 飽和區(qū) 。 截止區(qū) 放大區(qū) O I c i b3 i b2 i b1 i b1 i b2 i b3 U ce 圖 217 共發(fā)射極接法時 GTR的輸出特性 55/89 電力晶體管 ◆ 動態(tài)特性 ? 開通過程 √需要經(jīng)過延遲時間 td和上升時 間 tr，二者之和為開通時間 ton。 ? 關斷過程 √需要經(jīng)過儲存時間 ts和下降時 間 tf，二者之和為關斷時間 toff。 ? GTR的開關時間在 幾微秒 以內， 比晶閘管和 GTO都短很多。 是用來除去飽和導通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關斷時間的主要部分。 ? 擊穿電壓不僅和晶體管本身的 特性 有關，還與外電路的接法有關。 BUBUBUBUBU c e oc e rc e sc e xc b o ????57/89 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時所對應的 Ic。 ◆ 集電極最大耗散功率 PcM ? 指在 最高 工作溫度下允許的耗散功率。 58/89 電力晶體管 ■ GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū) ◆ 當 GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時，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。 ◆ 出現(xiàn)一次擊穿后， GTR一般不會損壞，二次擊穿常常立即導致器 件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對 GTR危害極大。 ? GTR工作時不僅不能超過最高電壓 UceM，集電極最大電流 IcM和最大耗散功 率 PcM，也不能超過 二次擊穿臨界線 。 ■ 電力 MOSFET是用 柵極 電壓來控制 漏極 電流的，它的特點 有： ◆ 驅動電路簡單，需要的驅動功率小。 ◆ 熱穩(wěn)定性優(yōu)于 GTR。 60/89 電力場效應晶體管 ■ 電力 MOSFET的結構和工作原理 ◆ 電力 MOSFET的種類 ? 按導電溝道可分為 P溝道和 N溝道。 ? 對于 N（ P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道的稱為 增強型 。 61/89 電力場效應晶體管 ◆ 電力 MOSFET的結構 ? 是 單極 型晶體管。 ? 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 （ Vertical Vgroove MOSFET） 和具有 垂直導電雙擴散 MOS結構的 DMOSFET （ Vertical Doublediffused MOSFET） 。 N+GSDP 溝道b)N+NSGDP PN+N+N+溝道a)GSDN 溝道圖1 1 9圖 220 電力 MOSFET的結構 和電氣圖形符號 a) 內部結構斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 62/89 電力場效應晶體管 ◆ 電力 MOSFET的工作原理 ? 截止：當 漏源 極間接正電壓， 柵極 和 源極 間電壓為 零 時， P基區(qū)與 N漂移區(qū)之間形成的 PN結 J1反偏 ，漏源極之間 無電流流過。 √當 UGS大于某一電壓值 UT時，使 P型半導體反型成 N型半導體，該 反型層 形成 N溝道而使 PN結 J1消失，漏極和源極導電。 63/89 ■ 電力 MOSFET的基本特性 ◆ 靜態(tài)特性 ? 轉移特性 √指漏極電流 ID和柵源間電壓 UGS的關系，反映了輸入電壓和輸 出電流的關系 。 64/89 電力場效應晶體管 ? 輸出特性 √是 MOSFET的 漏極 伏安特性。 √工作在 開關 狀態(tài)，即在 截止區(qū) 和 非飽和區(qū) 之間來回轉換。 ? 通態(tài)電阻具有 正溫度系數(shù) ，對器件并聯(lián)時的 均流 有利。 電力場效應晶體管 信號 R s R G R F R L i D u GS u p i D + U E 圖 222 電力 MOSFET的開關過程 a)測試電路 b) 開關過程波形 up為矩形脈沖電壓信號源， Rs為信號源內阻， RG為柵極電阻， RL為漏極負載電阻， RF用于檢測漏極電流。 ? 開關時間在 10~100ns之間，其工作頻率可 達 100kHz以上，是主要電力電子器件中最高 的。 67/89 電力場效應晶體管 ■ 電力 MOSFET的主要參數(shù) ◆ 跨導 Gfs、開啟電壓 UT以及開關過程中的各 時間參數(shù) 。 ◆ 漏極直流電流 ID和漏極脈沖電流幅值 IDM ? 標稱電力 MOSFET電流定額的參數(shù)。 ◆ 極間電容 ? CGS、 CGD和 CDS。 68/89 絕緣柵雙極晶體管 ■ GTR和 GTO是雙極型電流驅動器件，由于具有 電導調制效應，其通流能力很強，但開關速度較 低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。 絕緣柵雙極晶體管（ Insulatedgate Bipolar Transistor—— IGBT或 IGT） 綜合了 GTR 和 MOSFET的優(yōu)點，因而具有良好的特性。 ? 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)，實現(xiàn)對漂移區(qū)電導率進行調 制，使得 IGBT具有很強的 通流 能力。 圖 223 IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號 a) 內部結構斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號 RN為晶體管基區(qū)內的調制電阻。 ? 其開通和關斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓 UGE決定的。 √當柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得 IGBT關斷。 71/89 絕緣柵雙極晶體管 ■ IGBT的基本特性 ◆ 靜態(tài)特性 ? 轉移特性 √描述的是集電極電流 IC與柵射電壓 UGE之間的 關系。 （ a） 圖 224 IGBT的轉移特性和輸出特性 a) 轉移特性 72/89 絕緣柵雙極晶體管 ? 輸出特性（伏安特性） √描述的是以柵射電壓為參考變量時，集電極電流 IC與集射極間電壓 UCE之間的關系。 √當 UCE0時， IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。 (b) 圖 224 IGBT的轉移特性和輸出特性 b) 輸出特性 73/89 絕緣柵雙極晶體管 ◆ 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 √tfv分為 tfv1和 tfv2兩段。 圖 225 IGBT的開關過程 74/89 絕緣柵雙極晶體管 ■ IGBT的主要參數(shù) ◆ 前面提到的各參數(shù)。 ◆ 最大集電極電流 ? 包括額定直流電流 IC和 1ms脈寬最大電流 ICP。 75/89 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，特別是在電流較 大的區(qū)域。 ? 與電力 MOSFET和 GTR相比， IGBT的 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。其中 NPN晶體 管的基極與發(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結施加一 個 正向偏壓 ，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，這種現(xiàn)象稱為 擎住效應 或 自鎖效應 。 ? 動態(tài)擎住效應比靜態(tài)擎住效應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際上是根據(jù) 動態(tài) 擎住效應 而確定的。 ? 反向偏置 安全工作區(qū)（ Reverse Biased Safe Operating Area—— RBSOA） √根據(jù)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。 ■ 結合了 MOSFET的高輸入阻抗、低驅動功率、 快速的開關過程和晶閘管的高電壓大電流、低導通 壓降的特點。 ■ 其關鍵技術問題沒有大的突破，電壓和電流容量 都遠未達到預期的數(shù)值，未能投入實際應用。 ■ 是一種 多子導電 的器件，其 工作頻率 與電力 MOSFET相 當，甚至超過電力 MOSFET，而 功率容量 也比電力 MOSFET大，因而適用于 高頻大功率 場合。 81/89 靜電感應晶閘管 SITH ■ 可以看作是 SIT與 GTO復合而成。 ■ 其很多特性與 GTO類似，但 開關速度 比 GTO高 得多，是 大容量 的快速器件。 82/89 集成門極換流晶閘管 IGCT ■ 是將一個平板型的 GTO與由很多個并聯(lián)的電力 MOSFET器件和其它輔助元件組成的 GTO門極驅 動電路采用精心設計的互聯(lián)結構和封裝工藝集成在 一起。 ■ 目前正在與 IGBT等新型器件激烈競爭。 ■ 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。 84/89 功率集成電路與集成電力電子模塊 ■ 基本概念 ◆ 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。 85/89 功率集成電路與集成電力電子模塊 ■ 實際應用電路 ◆ 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。 ◆ 智能功率模塊（ Intelligent Power Module—— IPM） ? 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。 ■ 電力電子器件歸類 ◆ 按照器件內部 電子 和 空穴 兩種載流子參與導電的情況 ? 單極型 ：肖特基二極管、 電力 MOSFET和 SIT等。 ? 復合型 ： IGBT、 SITH 和 MCT等。 √共同特點是：輸入阻抗高，所需驅動功率小，驅動電路簡單，工作頻率高。 √共同特點是：具有電導調制效應，因而通態(tài)壓降低，導通損耗小，但工作頻率較低，所需驅動功率大，驅動電路也比較復雜。 ◆ 電力 MOSFET和 IGBT中的技術創(chuàng)新仍然在繼 續(xù)， IGBT還在不斷奪取傳統(tǒng)上屬于晶閘管的應用 領域 。