電力電子器件及其驅(qū)動(dòng)電路

1、第二講第二講 電力電子器件及其驅(qū)動(dòng)電路電力電子器件及其驅(qū)動(dòng)電路2.1 2.1 電力二極管電力二極管2.2 2.2 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管2.3 2.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管2.4 2.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管2.5 MOS2.5 MOS控制晶閘管控制晶閘管2.6 2.6 其它新型功率器件其它新型功率器件http:/ 2.1 電力二極管電力二極管2.1.1 PN2.1.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理2.1.2 2.1.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性2.1.3 2.1.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)2.1.4

2、2.1.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型2.1.1 PN2.1.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理電力二極管結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，分別 在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位2.1.1 PN2.1.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理 電力二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ) 由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的 從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝2.1.1 PN2.1.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原

3、理結(jié)與電力二極管的工作原理圖21 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)AKAKa)IKAPNJb)c)2.1.1 PN2.1.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理 N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié)。交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，到對(duì)方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負(fù)電荷但不能任意移動(dòng)的雜質(zhì)離子。這些不能移動(dòng)的正、負(fù)電荷稱為空間電荷）。空間電荷建立的電場被稱為內(nèi)電場或自建電場，其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的，另一方面又吸引對(duì)方區(qū)內(nèi)的少子（對(duì)本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運(yùn)動(dòng)，即漂移運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和

4、漂移運(yùn)動(dòng)既相互聯(lián)系又是一對(duì)矛盾，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或勢壘區(qū)。2.1.1 PN2.1.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理 PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)結(jié)的正向?qū)顟B(tài) 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)圖22 PN結(jié)的形成-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空間電荷區(qū)P型區(qū)N型區(qū)內(nèi)電場2.1.1 PN2.1.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極

5、管的工作原理PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài) PN結(jié)的單向?qū)щ娦?二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征PN結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿 有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導(dǎo)致熱擊穿PN結(jié)的電容效應(yīng)：結(jié)的電容效應(yīng)： PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴(kuò)散電容CD2.1.1 PN2.1.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理 勢壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。勢壘電容的大小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層厚度成反比 擴(kuò)散電容僅在正向偏置

6、時(shí)起作用。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢壘電容為主；正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分 結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾睿踔敛荒芄ぷ?，?yīng)用時(shí)應(yīng)加以注意。2.1.1 PN2.1.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理 造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素：區(qū)別的一些因素： 正向?qū)〞r(shí)要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注入水平較高，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略 引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響 承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感

7、效應(yīng)也會(huì)有較大影響 為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大2.1.2 2.1.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 主要指其伏安特性伏安特性 當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當(dāng)電力二極管承受反向電壓時(shí)，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流2.1.2 2.1.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性圖23 電力二極管的伏安特性IOIFUTOUFU2.1.2 2.1.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性動(dòng)

8、態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個(gè)過渡過程，此過程中的電壓電流特性是隨時(shí)間變化的。動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性主要指開關(guān)特性，開關(guān)特性反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程關(guān)斷過程關(guān)斷過程v 在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖v 須經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)2.1.2 2.1.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性延遲時(shí)間：td= t1- t0, 電流下降時(shí)間：tf= t2- t1反向恢復(fù)時(shí)間：trr= td+ tf恢復(fù)特性的軟度：下降時(shí)間與延遲時(shí)間的比值tf /td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示b)UFPuiiFuFtfrt02Va)

9、IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖24 電力二極管的動(dòng)態(tài)過程波形a) 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置2.1.2 2.1.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 開通過程開通過程(Turn-on Transient)： 電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過沖UFP，經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如 2V）。這一動(dòng)態(tài)過程時(shí)間被稱為正向恢復(fù)時(shí)間tfr。 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時(shí)間來儲(chǔ)存大量少子，達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大 正向電流的上升會(huì)因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高 2.1.3 2.1.3 電

10、力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)正向平均電流正向平均電流 IF(AV) 額定電流在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，因此使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。當(dāng)用在頻率較高的場合時(shí)，開關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時(shí)，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小 2.1.3 2.1.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)正向壓降正向壓降 UF指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過某

11、一瞬態(tài)正向大電流時(shí)器件的最大瞬時(shí)正向壓降反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3使用時(shí)，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定 2.1.3 2.1.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)最高工作結(jié)溫最高工作結(jié)溫TJM結(jié)溫結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示最高工作結(jié)溫最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度TJM通常在125175C范圍之內(nèi)反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr= td+ tf ，關(guān)斷過程中，電流降到0起到恢復(fù)反響阻斷能力止的時(shí)間浪涌電流浪涌電流I

12、IFSMFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。 2.1.4 2.1.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場合的不同要求選擇不同類型的電力二極管性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的2.1.4 2.1.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型 普通二極管普通二極管 普通二極管又稱整流二極管 多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中 其反向恢復(fù)時(shí)間較長，一般在5 s以上，這在開關(guān)頻率不高時(shí)并不重要 正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和

13、數(shù)千伏以上2.1.4 2.1.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型 快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管 恢復(fù)過程很短特別是反向恢復(fù)過程很短（5 s以下）的二極管，也簡稱快速二極管 工藝上多采用了摻金措施 有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)、有的采用改進(jìn)的PiN結(jié)構(gòu) 2.1.4 2.1.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型采用外延型PiN結(jié)構(gòu)的的快恢復(fù)外延二極管快恢復(fù)外延二極管，其反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在400V以下從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。 2.

14、1.4 2.1.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型 肖特基二極管肖特基二極管以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管肖特基勢壘二極管，簡稱為肖特基二極管20世紀(jì)80年代以來，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用肖特基二極管的弱點(diǎn)肖特基二極管的弱點(diǎn)當(dāng)反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于200V以下反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度2.1.4 2.1.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn) 反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns）

15、正向恢復(fù)過程中也不會(huì)有明顯的電壓過沖 在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管 其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高 2.2 2.2 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管2.2.1 2.2.1 概述概述2.2.2 GTO2.2.2 GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理2.2.3 GTO2.2.3 GTO的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性2.2.4 GTO2.2.4 GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù)2.2.5 GTO2.2.5 GTO的驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)2.2.1 2.2.1 概述概述 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 晶閘管的一種派生器件 可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷 GTO的

16、電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用2.2.2 GTO2.2.2 GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點(diǎn)： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極和普通晶閘管的不同：GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)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)在一起圖25 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號(hào)c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK2.2.2 GTO2.2.2 GTO

17、的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 工作原理：工作原理： 與普通晶閘管一樣，可以用圖26所示的雙晶體管模型來分析 1+ 2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。當(dāng)1+21時(shí)，兩個(gè)等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)1+21時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖26 GTO元或晶閘管的等效電路2.2.2 GTO2.2.2 GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別： （1）設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于 GTO關(guān)斷 （2）導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1（

18、1.05，普通晶閘管1+21.15） 導(dǎo)通時(shí)飽和不深，接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大 （3）多元集成結(jié)構(gòu)使GTO元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流 導(dǎo)通過程導(dǎo)通過程:與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程 度較淺 關(guān)斷過程：關(guān)斷過程：強(qiáng)烈正反饋門極加負(fù)脈沖即從門 極抽出電流，則Ib2減小，使IK和和Ic2減小，Ic2的減小又使IA和和Ic1減小，又進(jìn)一步減小V2的基極電流 當(dāng)IA和和IK的減小使 1+ 21時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷 多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強(qiáng) 2.2.2 GTO2.2.2 G

19、TO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理2.2.3 GTO2.2.3 GTO的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性 開通過程：開通過程：與普通晶閘管類似，需經(jīng)過延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr圖27 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形Ot0t圖1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t62.2.3 GTO2.2.3 GTO的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性 關(guān)斷過程：關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同 抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子儲(chǔ)存時(shí)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(shí)間tf 殘存載流子復(fù)合尾部時(shí)間tt 通常tf比ts小得多，而tt比ts要長 門極負(fù)

20、脈沖電流幅值越大，前沿越陡，抽走儲(chǔ)存載流子的速度越快，ts越短 門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍保持適當(dāng)負(fù)電壓，則可縮短尾部時(shí)間 2.2.4 GTO2.2.4 GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) GTO的許多參數(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(shí)間開通時(shí)間ton 延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約12s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大 2)關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff 一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。GTO的儲(chǔ)存時(shí)間隨陽極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般小于2s 不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián) 2

21、.2.4 GTO2.2.4 GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) 3) 最大可關(guān)斷陽極電流最大可關(guān)斷陽極電流IATO : GTO的額定電流額定電流 4) 電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益 off 最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益 （1-8） off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要200A GMATOoffII2.2.5 GTO2.2.5 GTO的驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)GTO的開通控制開通控制與普通晶閘管相似，但對(duì)脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整個(gè)導(dǎo)通期間施加正門極電流 使GTO關(guān)斷關(guān)斷需施加負(fù)門極電流，對(duì)其幅值和陡度的要求

22、更高，關(guān)斷后還應(yīng)在門陰極施加約5V的負(fù)偏壓以提高抗干擾能力推薦的GTO門極電壓電流波形如圖28所示。OttOuGiG圖圖2 28 8推薦的推薦的GTOGTO門門極電壓電流波形極電壓電流波形2.2.5 GTO2.2.5 GTO的驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng) 驅(qū)動(dòng)電路通常包括開通驅(qū)動(dòng)電路開通驅(qū)動(dòng)電路、關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路和門門極反偏電路極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式脈沖變壓器耦合式和直接直接耦合式耦合式兩種類型 直接耦合式驅(qū)動(dòng)電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿，因此目前應(yīng)用較廣，但其功耗大，效率較低 典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路如圖29所示。2.2.5 GTO2.2.5 G

23、TO的驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng) 二極管VD1和電容C1提供+5V電壓 VD2、VD3、C2、C3構(gòu)成倍壓整流電路提供+15V電壓 VD4和電容C4提供-15V電壓 V1開通時(shí)，輸出正強(qiáng)脈沖 V2開通時(shí)輸出正脈沖平頂部分 V2關(guān)斷而V3開通時(shí)輸出負(fù)脈沖 V3關(guān)斷后R3和R4提供門極負(fù)偏壓50kHz50VGTON1N2N3C1C3C4C2R1R2R3R4V1V3V2LVD1VD2VD3VD4圖29典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路2.3 2.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管2.3.1 2.3.1 概述概述2.3.2 2.3.2 電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理2.3.3 2.3.

24、3 電力電力MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性2.3.4 2.3.4 電力電力MOSFETMOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù)2.3.5 2.3.5 電力電力MOSFETMOSFET的驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)2.3.1 2.3.1 概述概述也分為結(jié)型結(jié)型和絕緣柵型絕緣柵型（類似小功率FET）但通常主要指絕緣柵型絕緣柵型中的MOS型型簡稱 電力電力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2.3.1 2.3.1 概述概述 特點(diǎn)特點(diǎn)用柵極電壓來控制漏極電流 驅(qū)動(dòng)電路簡單，需要的驅(qū)動(dòng)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

25、置 2.3.2 2.3.2 電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理電力電力MOSFET的種類的種類 按導(dǎo)電溝道可分為 P溝道溝道 和N溝道溝道 耗盡型耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道 增強(qiáng)型增強(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 電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型2.3.2 2.3.2 電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖210 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)2.3.2

26、2.3.2 電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管 導(dǎo)電機(jī)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) 國際整流器公司的HEXFET采用了六邊形單元 西門子公司的SIPMOSFET采用了正方形單元 摩托羅拉公司的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列 2.3.2 2.3.2 電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為 VMOSFET大大提高了 MOSFET器件的耐壓和耐電流能力 按垂

27、直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，又分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂 直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的VDMOSFET 這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論2.3.2 2.3.2 電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理電力電力MOSFET的工作原理的工作原理 截止：截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零nP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2.3.2 2.3.2 電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理電力電力MOSFET的工作原理的工作原理 導(dǎo)電：導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGSn 柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過。但柵極

28、的正電壓會(huì)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n 當(dāng)UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時(shí)，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(dǎo)體反型成N型而成為反反型層型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電2.3.3 2.3.3 電力電力MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性01020305040圖1-202468a)10203050400b)1020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖211 電力

29、MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性2.3.3 2.3.3 電力電力MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性 漏 極 電 流ID和柵 源 間 電 壓 UG S的 關(guān) 系 稱 為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性的轉(zhuǎn)移特性 ID較大時(shí)，ID與與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為 跨導(dǎo)跨導(dǎo)Gfs2.3.3 2.3.3 電力電力MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性 MOSFET的漏極伏安特性（的漏極伏安特性（輸出特性輸出特性）： 截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)） 飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)） 非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū)） 電力MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)

30、和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換 電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通 電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利2.3.3 2.3.3 電力電力MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性 2) 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性a）b)圖1-21RsRGRFRLiDuGSupiD信號(hào)+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖212 電力MOSFET的開關(guān)過程a) 測試電路 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檢測漏極電流2.3.3 2.3.3 電力電力MOSFETMOSFET的基本

31、特性的基本特性 開通過程（開通過程（開關(guān)過程開關(guān)過程圖圖）開通延遲時(shí)間開通延遲時(shí)間td(on) up前沿時(shí)刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時(shí)刻間的時(shí)間段上升時(shí)間上升時(shí)間tr uGS從從uT上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時(shí)間段n iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負(fù)載電阻決定n UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)n UGS達(dá)到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變開通時(shí)間開通時(shí)間ton開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和2.3.3 2.3.3 電力電力MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性 關(guān)斷過程（關(guān)斷過程（開關(guān)過程圖開關(guān)過程圖） 關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(o

32、ff) up下降到零起，Cin通過Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時(shí)，iD開始減小止的時(shí)間段下降時(shí)間下降時(shí)間tf uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 4) 極間電容極間電容 極間電容CGS、CGD和CDS2.3.4 2.3.4 電力電力MOSFETMOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù) 廠家提供：漏源極短路時(shí)的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容Crss Ciss= CGS+ CGD （1-14） Crss= CGD （1-15） Coss= CDS+ CGD （1-16） 輸入電容可近似用Ciss代替 這些電容都是非線性的2.3.4

33、 2.3.4 電力電力MOSFETMOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù) 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) 一般來說，電力MOSFET不存在二次擊穿問題，這是它的一大優(yōu)點(diǎn) 實(shí)際使用中仍應(yīng)注意留適當(dāng)?shù)脑Ａ?10m s 1m s D C 10us ID 0 VD S 圖213 MOSFET正向偏置安全工作區(qū)（圖中的時(shí)間表示脈沖寬度）2.3.5 2.3.5 電力電力MOSFETMOSFET的驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng) 柵源間、柵射間有數(shù)千皮法的電容，為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路輸出電阻小。 使MOSFET開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般1015V，使IGBT開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般15 20

34、V。 關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓（一般取 5-15V）有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。 在柵極串入一只低值電阻（數(shù)十歐左右）可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動(dòng)器件電流額定值的增大而減小。 典型的電力MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路如圖214所示。2.3.5 2.3.5 電力電力MOSFETMOSFET的驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)無輸入信號(hào)時(shí)高速放大器A輸出負(fù)電平,V3導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)A輸出正電平，V2導(dǎo)通輸出正驅(qū)動(dòng)電壓 專為驅(qū)動(dòng)電力MOSFET而設(shè)計(jì)的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號(hào)電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅(qū)動(dòng)電壓+15V和-10V。A+-MOS

35、FET20 V20 VuiR1R3R5R4R2RGV1V2V3C1-VCC+VCC圖214電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路2.4 2.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管2.4.1 2.4.1 概述概述2.4.2 IGBT2.4.2 IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理2.4.3 IGBT2.4.3 IGBT的基本特性的基本特性2.4.4 IGBT2.4.4 IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)2.4.5 IGBT2.4.5 IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)2.4.6 IGBT2.4.6 IGBT的驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)2.4.1 2.4.1 概述概述 GTR和和GTO的特點(diǎn)的特點(diǎn)雙極型，電

36、流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū) 動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)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)電路簡單 兩類器件取長補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOS器件2.4.1 2.4.1 概述概述絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBT或或IGT） GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有好的特性 1986年投入市場后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場,中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件 繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位2.4.2 IGBT2.4.2 IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原

37、理IGBT是三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極EEGCN+N-a)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)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖215 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)2.4.2 IGBT2.4.2 IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 IGBT的結(jié)構(gòu)（的結(jié)構(gòu)（顯示圖顯示圖） 圖215（a）N溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT（N-IGBT） IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個(gè)大面積的P+N結(jié)J1 使IGBT導(dǎo)通時(shí)由

38、P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流能力 簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管 RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻2.4.2 IGBT2.4.2 IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 IGBT的原理的原理 驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定 導(dǎo)通導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓開啟電壓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 導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小 關(guān)斷關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不

39、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2.4.3 IGBT2.4.3 IGBT的基本特性的基本特性1) IGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性O(shè)有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加圖216 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性2.4.3 IGBT2.4.3 IGBT的基本特性的基本特性 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似 開啟電壓開啟電壓UGE(th)IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓 UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25C時(shí)，

40、UGE(th)的值一般為26V 輸出特性輸出特性（伏安特性）以UGE為參考變量時(shí)，IC與UCE間的關(guān)系 分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對(duì)應(yīng) uCE0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)2.4.3 IGBT2.4.3 IGBT的基本特性的基本特性 2) IGBT的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖217 IGBT的開關(guān)過程2.4.3 IGBT2.4.3 IGBT的基本特性的

41、基本特性 IGBT的開通過程的開通過程 （開關(guān)過程圖） 與MOSFET的相似，因?yàn)殚_通過程中IGBT在大部分時(shí)間作為MOSFET運(yùn)行 開通延遲時(shí)間td(on) 從uGE上升至其幅值10%的時(shí)刻，到iC上升至10% ICM 電流上升時(shí)間tr iC從10%ICM上升至90%ICM所需時(shí)間 開通時(shí)間ton開通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和 uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過程；tfv2MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程2.4.3 IGBT2.4.3 IGBT的基本特性的基本特性 IGBT的關(guān)斷過程（的關(guān)斷過程（開關(guān)過程圖開關(guān)過程圖

42、） 關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) 從uGE后沿下降到其幅值90%的時(shí)刻起，到iC下降至90%ICM 電流下降時(shí)間tfiC從90%ICM下降至10%ICM 關(guān)斷時(shí)間toff關(guān)斷延遲時(shí)間與電流下降之和 電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段。 tfi1IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快；tfi2IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢2.4.3 IGBT2.4.3 IGBT的基本特性的基本特性 IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度低于電力MOSFET IGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時(shí)間也是需

43、要折衷的參數(shù)2.4.4 IGBT2.4.4 IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù) 1) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES 由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定 2) 最大集電極電流最大集電極電流 包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 3)最大集電極功耗最大集電極功耗PCM 正常工作溫度下允許的最大功耗 2.4.4 IGBT2.4.4 IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)的特性和參數(shù)特點(diǎn)開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時(shí)，開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng)相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力通態(tài)壓降比VDMOSF

44、ET低，特別是在電流較大的區(qū)域輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似1.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)2.4.5 IGBT2.4.5 IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū) EGCN+N-a)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)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖215 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)2.4.5 IGBT2.4.5 IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū) 寄生晶閘管

45、寄生晶閘管由一個(gè)N-PN+晶體管和作為主開關(guān)器件的P+N-P晶體管組成 正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)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 反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)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2.4.5 IGBT2.4.5 IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū) 擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng) 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(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控 動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極

46、電流小 擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高，20世紀(jì)90年代中后期開始逐漸解決 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 2.4.6 IGBT2.4.6 IGBT的驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)IGBT的驅(qū)動(dòng)多采用專用的混合集成驅(qū)動(dòng)器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EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）內(nèi)部具有退飽和檢測和保護(hù)環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)生過電流時(shí)能快速響應(yīng)但慢速關(guān)斷IGBT，并向外部電路給出故障信號(hào)M57962L輸出的正驅(qū)動(dòng)電壓均為+15V左右，負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓為10V。M57962L型IGBT驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 和外

47、部接線如圖218所示。2.4.6 IGBT2.4.6 IGBT的驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)13故障指示檢測端VCC接口電路門極關(guān)斷電路定時(shí)及復(fù)位電路檢測電路415861413uoVEE81546-10V+15V30V+5VM57962 L14ui1快恢復(fù)trr0.2s4.7k 3.1 100 F100 F圖218M57962L型IGBT驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部接線圖2.5 MOS控制晶閘管2.5.1 概述概述2.5.2 MCT2.5.2 MCT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理2.5.3 MCT2.5.3 MCT的基本特性的基本特性2.5.4 MCT2.5.4 MCT的主要參數(shù)的主要參數(shù)2.5.5 MCT2.5.

48、5 MCT的門極驅(qū)動(dòng)的門極驅(qū)動(dòng)2.5.1 概述概述 綜合利用晶閘管高電壓、大電流技術(shù)與MOSFET控制技術(shù)，研制出MOS控制晶閘管復(fù)合器件。這種復(fù)合器件的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)晶閘管與一個(gè)或幾個(gè)MOSFET的集成。根據(jù)門極控制方法的不同，MOS晶閘管可分為MOSGTO(MCT)和MOS光控晶閘管。MCT將MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率與快的開關(guān)速度和SCR的高壓大電流結(jié)合在一起，成為80年代末最熱門的器件之一。2.5.2 MCTMCT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 MCT是在SCR結(jié)構(gòu)中集成了一對(duì)MOSFET，通過MOSFET來控制SCR的導(dǎo)通與關(guān)斷。 使MCT導(dǎo)通的P溝道MOSFET稱為ON

49、FET。 使MCT關(guān)斷的N溝道MOSFET稱為OFFFET。 MCT是采用DMOSFET集成電路工藝制成的。一個(gè)MCT大約105個(gè)單胞。每個(gè)單胞含有一個(gè)寬基區(qū)的NPN晶體管和一個(gè)窄基區(qū)PNP晶體管以及一個(gè)OFFFET。 OFFFET連接在PNP晶體管的基射極之間，另有4的單胞含有ONFET，連接在PNP晶體管的集射極之間，這兩組的MOSFET柵極連接在一起，構(gòu)成MCT的單門極。含有ONFET的MCT單胞如圖219所示。2.5.2 MCTMCT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 門極 N P N+ P+ P P N+ N+ 陰極 陽極 ONFET 溝道 OFFFET 溝道 圖219 MCT的典型結(jié)

50、構(gòu)2.5.2 MCTMCT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 MCT的等效電路和符號(hào)如圖220所示 OFFFET ONFET 門 極 陰 極 陽 極 圖220 MCT的等效電路與符號(hào)2.5.2 MCTMCT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 在結(jié)構(gòu)上MCT需要用雙門極控制，對(duì)外只有單門極，門極信號(hào)以陽極為基準(zhǔn)而不是以陰極為基準(zhǔn)。 當(dāng)門極相對(duì)陽極加負(fù)脈沖電壓時(shí)，ONFET導(dǎo)通它的漏極電流使NPN晶體管導(dǎo)通。 NPN晶體管又使PNP晶體管導(dǎo)通，并且形成正反饋觸發(fā)過程。通過正反饋的循環(huán)使PNP+NPN1，于是，MCT導(dǎo)通。 當(dāng)門極相對(duì)陽極加正脈沖電壓時(shí)，OFFFET導(dǎo)通， PNP晶體管基極電流中斷， P

51、NP晶體管被切斷，破壞了正反饋過程，于是，MCT關(guān)斷。 一般來說，5V10V脈沖電壓可使MCT導(dǎo)通，10V脈沖電壓可使MCT關(guān)斷。2.5.3 MCT2.5.3 MCT的基本特性的基本特性靜態(tài)正向特性靜態(tài)正向特性MCT實(shí)質(zhì)上是一個(gè)MOS控制的晶閘管。在靜態(tài)時(shí)，其內(nèi)含的MOSFET不起作用，MCT相當(dāng)于晶閘管，因此具有高的阻斷電壓和低的通態(tài)壓降。其正向伏安特性如圖217所示。MCT的正向伏安特性隨溫度升高左移，也就是說，溫度升高管壓降減小，但反向漏電流增大。MCT的實(shí)際工作溫度一般在55oC150oC。MCT的正向伏安特性類似于二極管，在很大的電流下，通態(tài)電壓僅有一定程度的增加，十分適合于大電流場

52、合。同時(shí)，MCT又是雙注入器件，通態(tài)電壓隨阻斷電壓的升高變化不大，所以，在高電壓場合更具優(yōu)勢。2.5.3 MCT2.5.3 MCT的基本特性的基本特性 1.0 0.5 1.0 2.0 1.5 2.5 1000 0 100 10 NMOSFET 達(dá)林頓 NIGBT PMCT NMCT 圖221 MCT正向伏安特性2.5.3 MCT2.5.3 MCT的基本特性的基本特性開關(guān)特性開關(guān)特性MCT由內(nèi)含的MOSFET控制其開通與關(guān)斷，開關(guān)機(jī)理與晶閘管不同。特別是在MCT中，無論是開通或關(guān)斷，都是在芯片各個(gè)部分同時(shí)進(jìn)行的，與晶閘管相比，MCT具有較快的開關(guān)速度。MCT典型的感性開關(guān)電路與相應(yīng)的開關(guān)波形如圖

53、222所示。IkVk200 uH圖222（a） MCT典型的感性開關(guān)電路 2.5.3 MCT2.5.3 MCT的基本特性的基本特性圖222（b） MCT開關(guān)波形 TD(off)I90%TFITRITD(on)I10%vGIK-VKA2.5.3 MCT2.5.3 MCT的基本特性的基本特性 MCT的關(guān)斷有兩個(gè)過程：先破壞晶閘管的擎住條件，然后使器件兩個(gè)基區(qū)中的過剩載流子復(fù)合。表征關(guān)斷過程的參數(shù)主要是關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。 關(guān)斷時(shí)間由關(guān)斷延時(shí)時(shí)間TD（off）I和關(guān)斷電流下降時(shí)間TFI組成，如圖222（b）所示。 關(guān)斷損耗Eoff的定義則是，從VG上升變化10的時(shí)刻起到IK0的時(shí)間內(nèi)，瞬時(shí)功耗VKA

54、IK對(duì)時(shí)間的積分。2.5.3 MCT2.5.3 MCT的基本特性的基本特性 MCT的關(guān)斷特性與陰極電流、陰陽極電壓和溫度等有關(guān)。 陰極電流增大，關(guān)斷延時(shí)時(shí)間TD（off）I減小；關(guān)斷電流下降時(shí)間TFI略微增大。 陰陽極電壓數(shù)值增大，關(guān)斷延時(shí)時(shí)間TD（off）I增大；關(guān)斷電流下降時(shí)間TFI減小。 溫度升高，關(guān)斷延時(shí)時(shí)間TD（off）I、關(guān)斷電流下降時(shí)間TFI、關(guān)斷損耗均增大。2.5.3 MCT2.5.3 MCT的基本特性的基本特性 MCT開通過程中的參數(shù)變化遠(yuǎn)沒有關(guān)斷過程那樣劇烈。陰極電流上升的同時(shí)，陽陰極之間的電壓是在減小的，可避免開通過程中同時(shí)產(chǎn)生峰值電流和峰值電壓，并使開通損耗減小。表征開

55、通特性的參數(shù)開通時(shí)間TON和開通損耗EON。 開通時(shí)間TON包括開通延遲時(shí)間TD（ON）I和開通電流上升時(shí)間TRI，其定義如圖222（b）所示。 開通損耗EON的定義則是，從VG下降變化10的時(shí)刻起到VKA=VTM的時(shí)間內(nèi)，瞬時(shí)功耗VKAIK對(duì)時(shí)間的積分。（VTM是MCT的通態(tài)壓降）2.5.3 MCT2.5.3 MCT的基本特性的基本特性 MCT的關(guān)斷特性與陰極電流、陰陽極電壓等有關(guān)。 陰極電流增大，開通延時(shí)時(shí)間TD（ON）I增大；開通電流上升時(shí)間TRI略微增大。 陰陽極電壓數(shù)值增大，開通延時(shí)時(shí)間TD（ON）I增大；開通電流上升時(shí)間TRI減小。2.5.3 MCT2.5.3 MCT的基本特性的基

56、本特性安全工作區(qū)安全工作區(qū)MCT無正偏安全工作區(qū)。在沒有吸收電路時(shí)的反偏安全工作區(qū)，也即是MCT關(guān)斷時(shí)的電流與電壓極限容量，如圖223所示。它們與結(jié)溫、電流和工作周期等有關(guān)。當(dāng)工作電流超出安全工作區(qū)時(shí)，MCT可能失效。但是當(dāng)峰值可控電流超出安全工作區(qū)時(shí)，MCT不會(huì)像GTO那樣損壞，而只是不能用門極信號(hào)關(guān)斷而已。2.5.3 MCT2.5.3 MCT的基本特性的基本特性 圖223 MCT的安全工作區(qū) 100 600 500 400 300 300 400 200 100 200 0 0 150oC SOA 300oC 200oC 150oC 100oC 峰 值 可 控 電 流 （ A） MCT 陽

57、陰電壓（V） 250oC 150oC 50oC 2.5.4 MCT2.5.4 MCT的主要參數(shù)的主要參數(shù) MCT的特性參數(shù)分為兩大類：絕對(duì)最大額定值和電特性值。 絕對(duì)最大額定值：在任何情況下都不能超越，否則器件講損壞。 電特性值：一般已最小值、典型值、最大值的形式給出，它們與測試方法和應(yīng)用條件密切相關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，若特性值應(yīng)用，器件本省不一定損壞，單可能導(dǎo)致電路的工作失常。 MCT的主要參數(shù)包括：斷態(tài)峰值電壓VDRM、反向峰值電壓VRRM、陰極連續(xù)電流IKXX、陰極非重復(fù)峰值電流ITSM、峰值可控制電流ITC、門陽極電壓（連續(xù)）VGA、門陽極電壓（峰值）VGAM、電流變化率di/dt、最大功

58、耗PT、工作與儲(chǔ)存溫度Tj，Tstg和最大引線焊接溫度TL。2.5.4 MCT2.5.4 MCT的主要參數(shù)的主要參數(shù) MCT是非反向阻斷器件，反向峰值電流VRRM很低（大約5V左右，MCT35P60F1），但是使用時(shí)還需反并聯(lián)二極管。 陰極非重復(fù)峰值電流ITSM是通態(tài)脈寬下所允許的流過器件的最大電流限制允許峰值電流和脈寬的是結(jié)溫。 當(dāng)MCT門極通過換向信號(hào)時(shí)額定關(guān)斷的最大陰極電流稱器件的峰值可控制電流ITC。 美國Harris公司生產(chǎn)的型號(hào)為MCT35P60F1的MCT的主要參數(shù)見表21所示。2.5.4 MCT的主要參數(shù)參數(shù) 符號(hào) 數(shù)值 備注 斷態(tài)峰值電壓 VDRM -600V 除非特別注明，

59、 Tj25oC 反向峰值電壓 VRRM +5V 陰極連續(xù)電流 TC25oC TC115oC IK25 IK115 60A 35A 最大脈 寬200us （ 正弦半波） ，假設(shè) Tj起始90oC Tj最后Tj最大150oC 陰極非重復(fù)峰值電流 ITSM 800A 峰值可控電流 ITC 50A 門陽 極電 壓 （連 續(xù)） VGA 20V 門陽 極電 壓 （峰 值） VGAM 25V 電流變化率 di/dt 800A/us 最大功耗 PT 178W 線性降額因子 1.43W/oC 工作和儲(chǔ)存溫度 TJ,Tstg -55150oC 最大引線焊接溫度 TL 260oC 表21 MCTG35P60F1的最

60、大額定值2.5.5 MCT2.5.5 MCT的門極驅(qū)動(dòng)的門極驅(qū)動(dòng) MCT具有MOS門極，因而門極驅(qū)動(dòng)比較容易實(shí)現(xiàn)。門極電容的典型值為10nF，在開關(guān)動(dòng)作期間基本上沒有miller效應(yīng)（對(duì)MOSFET或IGBT的柵極和漏極或集電極之間的結(jié)電容稱miller電容，從而使得柵極驅(qū)動(dòng)電壓波形上升沿有一小段平臺(tái)，這就稱作miller效應(yīng)）的電容電流，門極的驅(qū)動(dòng)要求進(jìn)一步簡化。2.5.5 MCT2.5.5 MCT的門極驅(qū)動(dòng)的門極驅(qū)動(dòng)門極驅(qū)動(dòng)波形門極驅(qū)動(dòng)波形 MCT的額定性能對(duì)門極驅(qū)動(dòng)波形在幅值和上升時(shí)間兩方面都有一定的要求。圖224給出了MCT門極驅(qū)動(dòng)波形的邊界極限。在MCT開通或關(guān)斷的門極脈沖期間，門極