【正文】 儲存的大量載流子 —— 儲存時間 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) ， 陽極電流逐漸減小 —— 下降時間 tf ?殘存載流子復合 —— 尾部時間 tt ?通常 tf比 ts小得多 ， 而 tt比 ts要長 ?門極負脈沖電流幅值越大 ， 前沿越陡 ， 抽走儲存載流子的速度越快 ， ts越短 ?門極負脈沖的后沿緩慢衰減 ， 在 tt階段仍保持適當負電壓 ， 則可縮短尾部時間 ■ 門極可關(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)開通時間 ton 延遲時間與上升時間之和 。 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 ?2)關(guān)斷時間 toff 一般指儲存時間和下降時間之和 ，不包括尾部時間 。 GTO的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 ?不少 GTO都制造成逆導型 ， 類似于逆導晶閘管 ，需承受反壓時 ， 應(yīng)和電力二極管串聯(lián) ■ 門極可關(guān)斷晶閘管 ? 3) 最大可關(guān)斷陽極電流 IATO GTO額定電流 ? 4) 電流關(guān)斷增益 ?off 最大可關(guān)斷陽極電流與門極負脈 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的一個主要缺點。1000A的 GTO關(guān)斷時門極負脈沖電流峰值要 200A GMAT Oo f f II?? ■ 電力晶體管 ?術(shù)語用法： ?電力晶體管 （ Giant Transistor—— GTR， 直譯為巨型晶體管 ） ?耐高電壓 、 大電流的雙極結(jié)型晶體管 （ Bipolar Junction Transistor—— BJT） ， 英文有時候也稱為 Power BJT ?在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi) ， GTR與 BJT這兩個名稱等效 ? 應(yīng)用 ?20世紀 80年代以來 ， 在中 、 小功率范圍內(nèi)取代晶閘管 ， 但目前又大多被 IGBT和電力 MOSFET取代 ■ 電力晶體管 ?1. GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理 (圖 15） ?與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的 ?主要特性是耐壓高 、 電流大 、 開關(guān)特性好 ?通常采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu) ?采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 ■ 電力晶體管 圖 115 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 c) 內(nèi)部載流子的流動 ? 一般采用共發(fā)射極接法 ， 集電極電流 ic與基極電流 ib之比為 （ 19） ? ? —— GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對集電極電流的控制能力 圖1 1 5a)基極 bP 基區(qū)N 漂移區(qū)N + 襯底基極 b 發(fā)射極 c集電極 cP + P +N +b)bec空穴流電子流c)EbEcibic= ? ibie= ( 1 + ?? ? ibbcii?? ■ 電力晶體管 ? 當考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流 Iceo時 ，ic和 ib的關(guān)系為 ic=? ib +Iceo （ 110） ? 產(chǎn)品說明書中通常給直流電流增益 hFE—— 在直流工作情況下集電極電流與基極電流之比 。 一般可認為 ??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工作在開關(guān)狀態(tài) ， 即工作在截止區(qū)或飽和區(qū) ?在開關(guān)過程中 ， 即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時 ，要經(jīng)過放大區(qū) 圖 116 共發(fā)射極接法時 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) 動態(tài)特性 圖 117 GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形 ? 開通過程 ?延遲時間 td和上升時間 tr， 二者之和為開通時間 ton ?td主要是由發(fā)射結(jié)勢壘電容和集電結(jié)勢壘電容充電產(chǎn)生的 。 增大 ib的幅值并增大 dib/dt， 可縮短延遲時間 ， 同時可縮短上升時間 ， 從而加快開通過程 圖1 1 7ib Ib1Ib2Icsic0090% Ib110% Ib190% Ics10% Icst0t1t2t3t4t5ttto fftstftontrtd ■ 電力晶體管 ? 關(guān)斷過程 （ 顯示圖 ） ?儲存時間 ts和下降時間 tf， 二者之和為關(guān)斷時間 toff ?ts是用來除去飽和導通時儲存在基區(qū)的載流子的 ，是關(guān)斷時間的主要部分 ?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 ， 可縮短儲存時間 ， 從而加快關(guān)斷速度 ?負面作用是會使集電極和發(fā)射極間的飽和導通壓降 Uces增加 ， 從而增大通態(tài)損耗 ?GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi) ， 比晶閘管和 GTO都短很多 ■ 電力晶體管 ?3. GTR的主要參數(shù) 前已述及：電流放大倍數(shù) ?、 直流電流增益 hFE、 集射極間漏電流 Iceo、 集射極間飽和壓降 Uces、 開通時間 ton和關(guān)斷時間 toff (此外還有 )： ? 1) 最高工作電壓 ?GTR上電壓超過規(guī)定值時會發(fā)生擊穿 ?擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān) ， 還與外電路接法有關(guān) ?BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo ?實際使用時 ， 為確保安全 ， 最高工作電壓要比BUceo低得多 ■ 電力晶體管 ? 2) 集電極最大允許電流 IcM ?通常規(guī)定為 hFE下降到規(guī)定值的 1/2~1/3時所對應(yīng)的 Ic ?實際使用時要留有裕量 ， 只能用到 IcM的一半或稍多一點 ? 3) 集電極最大耗散功率 PcM ?最高工作溫度下允許的耗散功率 ?產(chǎn)品說明書中給 PcM時同時給出殼溫 TC， 間接表示了最高工作溫度 ■ 電力晶體管 ?4. GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū) ?一次擊穿 ?集電極電壓升高至擊穿電壓時 ， Ic迅速增大 ，出現(xiàn)雪崩擊穿 ?只要 Ic不超過限度 ， GTR一般不會損壞 ， 工作特性也不變 ? 二次擊穿 ?一次擊穿發(fā)生時 Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升 ， 并伴隨電壓的陡然下降 ?常常立即導致器件的永久損壞 ， 或者工作特性明顯衰變 ■ 電力晶體管 ? 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 圖 118 GTR的安全工作區(qū) S O AOIcIcMPSBPcMUceUceM ■ 電力場效應(yīng)晶體管 ? 也分為 結(jié)型 和 絕緣柵型 （ 類似小功率 Field Effect Transistor—— FET） ? 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） ? 結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（ Static Induction Transistor—— SIT） ? 特點 —— 用柵極電壓來控制漏極電流 ? 驅(qū)動電路簡單 ， 需要的驅(qū)動功率小 ? 開關(guān)速度快 ， 工作頻率高 ? 熱穩(wěn)定性優(yōu)于 GTR ? 電流容量小 ， 耐壓低 ， 一般只適用于功率不超過 10kW的電力電子裝置 ■ 電力場效應(yīng)晶體管 1. 電力 MOSFET的結(jié)構(gòu)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 ? 耗盡型 —— 當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道 ?增強型 —— 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 ? 電力 MOSFET主要是 N溝道增強型 ■ 電力場效應(yīng)晶體管 ? 電力 MOSFET的結(jié)構(gòu) （ 顯示圖 ） ?導通時只有一種極性的載流子 （ 多子 ） 參與導電 ， 是單極型晶體管 ?導電機理與小功率 MOS管相同 ， 但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別 ?電力 MOSFET的多元集成結(jié)構(gòu) ?國際整流器公司 （ International Rectifier） 的HEXFET采用了六邊形單元 ?西門子公司 （ Siemens） 的 SIPMOSFET采用了正方形單元 ?摩托羅拉公司 （ Motorola） 的 TMOS采用了矩形單元按 “ 品 ” 字形排列 ■ 電力場效應(yīng)晶體管 ? 小功率 MOS管是橫向?qū)щ娖骷? ? 電力 MOSFET大都采用垂直導電結(jié)構(gòu) ， 又稱為 VMOSFET（ Vertical MOSFET） —— 大大提高了 MOSFET器件的耐壓和耐電流能力 ? 按垂直導電結(jié)構(gòu)的差異 ， 又分為利用 V型槽實現(xiàn)垂 直導電的 VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散 MO 結(jié)構(gòu)的 VDMOSFET（ Vertical Doublediffused MOSFET） ? 這里主要以 VDMOS器件為例進行討論 ■ 電力場效應(yīng)晶體管 ? 電力 MOSFET的工作原理 圖 119 電力 MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 ? 截止： 漏源極間加正電源 ， 柵源極間電壓為零 ?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 +N SGDP PN+N +N +溝道a)GSDN 溝道圖1 1 9 ■ 電力場效應(yīng)晶體管 ?導電： 在柵源極間加正電壓 UGS ?柵極是絕緣的 ， 所以不會有柵極電流流過 。 但柵極的正電壓會將其下面 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 ?當 UGS大于 UT（ 開啟電壓或閾值電壓 ） 時 ， 柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度 ， 使 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(jié) J1消失 ， 漏極和源極導電 ■ 電力場效應(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 ， ID與 UGS的關(guān)系近似線性 ， 曲線的斜率定義為 跨導 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 ■ 電力場效應(yīng)晶體管 ? M