電力電子技術(shù)課件-第1章-電力電子器件-200頁(yè)-

1、第1章 電力電子器件主要內(nèi)容：常用電力電子器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、外特性、主要參數(shù)、開(kāi)關(guān)特性、安全工作區(qū)。這些器件的驅(qū)動(dòng)電路和緩沖電路。1.1 功率二極管1.1.1 功率二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理1. 功率二極管的結(jié)構(gòu)2. 功率二極管的工作原理由于PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，所以二極管是一個(gè)正方向單向?qū)щ?、反方向阻斷的電力電子器件?.1.2 功率二極管的特性和主要參數(shù)1. 功率二極管的特性(1) 功率二極管的伏安特性二極管具有單向?qū)щ娔芰?，二極管正向?qū)щ姇r(shí)必須克服一定的門(mén)坎電壓Uth(又稱死區(qū)電壓)，當(dāng)外加電壓小于門(mén)坎電壓時(shí)，正向電流幾乎為零。硅二極管的門(mén)坎電壓約為0.5V，當(dāng)外加電壓大于Uth后，

2、電流會(huì)迅速上升。當(dāng)外加反向電壓時(shí)，二極管的反向電流IS是很小的，但是當(dāng)外加反向電壓超過(guò)二極管反向擊穿電壓URO后二極管被電擊穿，反向電流迅速增加。功率二極管的伏安特性(2) 功率二極管的開(kāi)關(guān)特性由于PN結(jié)電容的存在，二極管從導(dǎo)通到截止的過(guò)渡過(guò)程與反向恢復(fù)時(shí)間trr、最大反向電流值IRM，與二極管PN結(jié)結(jié)電容的大小、導(dǎo)通時(shí)正向電流IFR所對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)電荷Q、電路參數(shù)以及反向電流di/dt等都有關(guān)。普通二極管的trr=210s，快速恢復(fù)二極管的trr為幾十至幾百ns,超快恢復(fù)二極管的trr僅幾個(gè)ns。功率二極管的開(kāi)關(guān)特性2. 功率二極管的主要參數(shù)(1) 反向重復(fù)峰值電壓URRM 取反向不重復(fù)峰值電壓

3、URSM的80稱為反向重復(fù)峰值電壓URRM，也被定義為二極管的額定電壓URR。顯然，URRM小于二極管的反向擊穿電壓URO。(2) 額定電流IFR 二極管的額定電流IFR被定義為其額定發(fā)熱所允許的正弦半波電流平均值。其正向?qū)鬟^(guò)額定電流時(shí)的電壓降UFR一般為12V。當(dāng)二極管在規(guī)定的環(huán)境溫度為+40和散熱條件下工作時(shí)，通過(guò)正弦半波電流平均值IFR時(shí)，其管芯PN結(jié)溫升不超過(guò)允許值。若正弦電流的最大值為Im，則額定電流為 (1-1)(3) 最大允許的全周期均方根正向電流IFrms二極管流過(guò)半波正弦電流的平均值為IFR時(shí)，與其發(fā)熱等效的全周期均方根正向電流IFrms為 (1-2)由式(1-1)和(1

4、-2)可得 (1-3)(4) 最大允許非重復(fù)浪涌電流IFSM這是二極管所允許的半周期峰值浪涌電流。該值比二極管的額定電流要大得多。實(shí)際上它體現(xiàn)了二極管抗短路沖擊電流的能力。 功率二極管屬于功率最大的半導(dǎo)體器件，現(xiàn)在其最大額定電壓、電流在6kV、6kA以上。二極管的參數(shù)是正確選用二極管的依據(jù)。1.2 晶閘管晶閘管(Thyristor)就是硅晶體閘流管，普通晶閘管也稱為可控硅SCR,普通晶閘管是一種具有開(kāi)關(guān)作用的大功率半導(dǎo)體器件。目前，晶閘管的容量水平已達(dá)8kV6kA。1.2.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理1. 晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是具有四層PNPN結(jié)構(gòu)、三端引出線(A、K、G)的器件。常見(jiàn)晶閘管的外形

5、有兩種：螺栓型和平板型。晶閘管的結(jié)構(gòu)和等效電路如圖1-4 所示，晶閘管的管芯是P1N1P2N2四層半導(dǎo)體，形成3個(gè)PN結(jié)J1、J2和J3。2. 晶閘管的工作原理IGIb2IC2(Ib1)IC1欲使晶閘管導(dǎo)通需具備兩個(gè)條件： 應(yīng)在晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間加上正向電壓。 應(yīng)在晶閘管的門(mén)極與陰極之間也加上正向電壓和電流。(2) 晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。(3) 為使晶閘管關(guān)斷，必須使其陽(yáng)極電流減小到一定數(shù)值以下，這只有用使陽(yáng)極電壓減小到零或反向的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。1.2.2 晶閘管的特性和主要參數(shù)1. 晶閘管的特性(1) 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性是晶閘管陽(yáng)極與陰極間電

6、壓UAK和晶閘管陽(yáng)極電流IA之間的關(guān)系特性。晶閘管的伏安特性(2) 晶閘管的門(mén)極伏安特性由于實(shí)際產(chǎn)品的門(mén)極伏安特性分散性很大，常以一條典型的極限高阻門(mén)極伏安特性和一條極限低阻門(mén)極伏安特性之間的區(qū)域來(lái)代表所有器件的伏安特性，由門(mén)極正向峰值電流IFGM允許的瞬時(shí)最大功率PGM和正向峰值電壓UFGM劃定的區(qū)域稱為門(mén)極伏安特性區(qū)域。PG為門(mén)極允許的最大平均功率。其中,0ABC0為不可靠觸發(fā)區(qū),ADEFGCBA為可靠觸發(fā)區(qū),晶閘管的門(mén)極伏安特性(3) 晶閘管的開(kāi)關(guān)特性第一段延遲時(shí)間td，陽(yáng)極電流上升到10所需時(shí)間，也對(duì)應(yīng)著從(1+2) 170)，在穩(wěn)定的額定結(jié)溫時(shí)所允許的最大通態(tài)平均電流。晶閘管流過(guò)正弦

7、半波電流波形如圖所示 它的通態(tài)平均電流IT(AV)和正弦電流最大值Im之間的關(guān)系表示為： (1-6)正弦半波電流的有效值為： (1-7) (1-8)式中 Kf為波形系數(shù) 流過(guò)晶閘管的電流波形不同，其波形系數(shù)也不同，實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)電流有效值相同的原則進(jìn)行換算，通常選用晶閘管時(shí)，電流選擇應(yīng)取(1.52)倍的安全裕量。(3) 維持電流IH 在室溫和門(mén)極斷路時(shí)，晶閘管已經(jīng)處于通態(tài)后，從較大的通態(tài)電流降至維持通態(tài)所必須的最小陽(yáng)極電流。(4) 擎住電流IL 晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)時(shí)移去觸發(fā)信號(hào)之后，要器件維持通態(tài)所需要的最小陽(yáng)極電流。對(duì)于同一個(gè)晶閘管來(lái)說(shuō)，通常擎住電流IL約為維持電流IH的(24)倍。

8、(5) 門(mén)極觸發(fā)電流IGT在室溫且陽(yáng)極電壓為6V直流電壓時(shí)，使晶閘管從阻斷到完全開(kāi)通所必需的最小門(mén)極直流電流。(6) 門(mén)極觸發(fā)電壓UGT 對(duì)應(yīng)于門(mén)極觸發(fā)電流時(shí)的門(mén)極觸發(fā)電壓。觸發(fā)電路給門(mén)極的電壓和電流應(yīng)適當(dāng)?shù)卮笥谒?guī)定的UGT和IGT上限，但不應(yīng)超過(guò)其峰值IGFM 和 UGFM。(7) 斷態(tài)電壓臨界上升率du/ dt 在額定結(jié)溫和門(mén)極斷路條件下，不導(dǎo)致器件從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最大電壓上升率。過(guò)大的斷態(tài)電壓上升率會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。(8) 通態(tài)電流臨界上升率di / dt 在規(guī)定條件下，由門(mén)極觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通時(shí)，晶閘管能夠承受而不導(dǎo)致?lián)p壞的通態(tài)電流的最大上升率。在晶閘管開(kāi)通時(shí)，如果電流上升過(guò)快，會(huì)使

9、門(mén)極電流密度過(guò)大，從而造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。例1-1 兩個(gè)不同的電流波形(陰影斜線部分)如圖所示，分別流經(jīng)晶閘管，若各波形的最大值Im=100A,試計(jì)算各波形下晶閘管的電流平均值IT(AV)1、IT(AV)2，電流有效值I1、I2解：如圖所示的平均值和有效值可計(jì)算如下： 1.2.3 晶閘管的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路和緩沖電路1. 晶閘管的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路(1) 晶閘管對(duì)觸發(fā)電路的基本要求晶閘管對(duì)觸發(fā)電路的基本要求是： 觸發(fā)信號(hào)可以是交流、直流或脈沖，為了減小門(mén)極的損耗，觸發(fā)信號(hào)常采用脈沖形式。 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率。觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流應(yīng)大于晶閘管的門(mén)極觸發(fā)電壓和門(mén)極觸發(fā)電流。 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的寬度和

10、陡度。觸發(fā)脈沖的寬度一般應(yīng)保證晶閘管陽(yáng)極電流在脈沖消失前能達(dá)到擎住電流，使晶閘管導(dǎo)通，這是最小的允許寬度。一般觸發(fā)脈沖前沿陡度大于10V/s或800mA/s。 觸發(fā)脈沖的移相范圍應(yīng)能滿足變換器的要求。例如，三相半波整流電路，在電阻性負(fù)載時(shí)，要求移相范圍為150；而三相橋式全控整流電路，電阻負(fù)載時(shí)移相范圍為120。(2) 觸發(fā)電路的型式觸發(fā)電路可分為模擬式和數(shù)字式兩種，阻容移相橋、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、鋸齒波移相電路和正弦波移相電路均屬于模擬式觸發(fā)電路；而用數(shù)字邏輯電路乃至于微處理器控制的移相電路則屬于數(shù)字式觸發(fā)電路。晶閘管的緩沖電路常采用在晶閘管的陰陽(yáng)極并聯(lián)RC緩沖器，用來(lái)防止晶閘管兩端過(guò)大的d

11、u/dt造成晶閘管的誤觸發(fā)，其中電阻R也能減小晶閘管開(kāi)通時(shí)電容C的放電電流。(2) 晶閘管的保護(hù)晶閘管在使用時(shí)，因電路中電感的存在而導(dǎo)致?lián)Q相過(guò)程產(chǎn)生Ldi/dt,又因容性的存在或設(shè)備自身運(yùn)行中出現(xiàn)短路、過(guò)載等故障，所以其過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)顯得尤為重要。1.2.4 晶閘管的派生器件1. 快速晶閘管快速晶閘管的關(guān)斷時(shí)間50s，常在較高頻率(400HZ)的整流、逆變和變頻等電路中使用，它的基本結(jié)構(gòu)和伏安特性與普通晶閘管相同。目前國(guó)內(nèi)已能提供最大平均電流1200A、最高斷態(tài)電壓1500 V的快速晶閘管系列，關(guān)斷時(shí)間與電壓有關(guān)，約為25s50s 。2. 雙向晶閘管雙向晶閘管不論從結(jié)構(gòu)還是從特性方面來(lái)說(shuō)，

12、都可以看成是一對(duì)反向并聯(lián)的普通晶閘管。在主電極的正、反兩個(gè)方向均可用交流或直流電流觸發(fā)導(dǎo)通。雙向晶閘管在第和第象限有對(duì)稱的伏安特性。3. 逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管是將晶閘管和整流管制作在同一管芯上的集成元件。由于逆導(dǎo)晶閘管等效于反并聯(lián)的普通晶閘管和整流管，因此在使用時(shí)，使器件的數(shù)目減少、裝置體積縮小、重量減輕、價(jià)格降低和配線簡(jiǎn)單，特別是消除了整流管的配線電感，使晶閘管承受的反向偏置時(shí)間增加。4. 光控晶閘管光控晶閘管(Light Activated Thyristor)是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)控制的開(kāi)關(guān)器件。其結(jié)構(gòu)也是由P1N1P2N2四層構(gòu)成。光控晶閘管的伏安特性光控晶閘管的參數(shù)與普通晶閘管類同

13、，只是觸發(fā)參數(shù)特殊，與光功率和光譜范圍有關(guān)。1.3 可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管GTO(Gate Turn-Off Thyristor)，可用門(mén)極信號(hào)控制其關(guān)斷。目前，GTO的容量水平達(dá)6000A/6000V，頻率為1kHZ。 1.3.1 可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理 1. 可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)GTO的內(nèi)部包含著數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO元，它們的門(mén)極和陰極分別并聯(lián)在一起，這是為了便于實(shí)現(xiàn)門(mén)極控制關(guān)斷所采取的特殊設(shè)計(jì)。可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)、等效電路和符號(hào)2. 可關(guān)斷晶閘管的工作原理(1) 開(kāi)通過(guò)程GTO也可等效成兩個(gè)晶體管P1N1P2和N1P2N2互連，GTO與晶閘管最大區(qū)別就是導(dǎo)通后回路增益1+2數(shù)值不

14、同。晶閘管的回路增益1+2常為1.15左右，而GTO的1+2非常接近1。因而GTO處于臨界飽和狀態(tài)。這為門(mén)極負(fù)脈沖關(guān)斷陽(yáng)極電流提供有利條件。(2) 關(guān)斷過(guò)程當(dāng)GTO已處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，對(duì)門(mén)極加負(fù)的關(guān)斷脈沖，形成IG，相當(dāng)于將IC1的電流抽出，使晶體管N1P2N2的基極電流減小，使IC2和IK隨之減小，IC2減小又使IA和IC1減小，這是一個(gè)正反饋過(guò)程。當(dāng)IC2和IC1的減小使1+21時(shí)，等效晶體管N1P2N2和P1N1P2退出飽和，GTO不滿足維持導(dǎo)通條件，陽(yáng)極電流下降到零而關(guān)斷。GTO關(guān)斷時(shí)，隨著陽(yáng)極電流的下降，陽(yáng)極電壓逐步上升，因而關(guān)斷時(shí)的瞬時(shí)功耗較大，在電感負(fù)載條件下，陽(yáng)極電流與陽(yáng)極電壓有

15、可能同時(shí)出現(xiàn)最大值，此時(shí)的瞬時(shí)關(guān)斷功耗尤為突出。由于GTO處于臨界飽和狀態(tài)，用抽走陽(yáng)極電流的方法破壞臨界飽和狀態(tài)，能使器件關(guān)斷。而晶閘管導(dǎo)通之后，處于深度飽和狀態(tài)，用抽走陽(yáng)極電流的方法不能使其關(guān)斷。1.3.2 可關(guān)斷晶閘管的特性和主要參數(shù)(1) GTO的陽(yáng)極伏安特性 (2) GTO的開(kāi)通特性 開(kāi)通時(shí)間ton由延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr組成,(3) GTO的關(guān)斷特性 GTO的關(guān)斷過(guò)程有三個(gè)不同的時(shí)間，即存儲(chǔ)時(shí)間ts、下降時(shí)間tf及尾部時(shí)間tt。存儲(chǔ)時(shí)間ts ：對(duì)應(yīng)著從關(guān)斷過(guò)程開(kāi)始，到陽(yáng)極電流開(kāi)始下降到90%IA為止的一段時(shí)間間隔。下降時(shí)間tf ：對(duì)應(yīng)著陽(yáng)極電流迅速下降，陽(yáng)極電壓不斷上升和門(mén)極反電

16、壓開(kāi)始建立的過(guò)程。尾部時(shí)間tt ：則是指從陽(yáng)極電流降到極小值時(shí)開(kāi)始，直到最終達(dá)到維持電流為止的時(shí)間。GTO的關(guān)斷特性GTO關(guān)斷時(shí)間的大部分功率損耗出現(xiàn)在尾部時(shí)間，在相同的關(guān)斷條件下，不同型號(hào)GTO相應(yīng)的尾部電流起始值和尾部電流的持續(xù)時(shí)間均不同。在存儲(chǔ)時(shí)間內(nèi)，過(guò)大的門(mén)極反向關(guān)斷電流上升率會(huì)使尾部時(shí)間加長(zhǎng)。此外，過(guò)高的du/dt會(huì)使GTO因瞬時(shí)功耗過(guò)大而在尾部時(shí)間內(nèi)損壞管子。因此必須設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)木彌_電路。2. 可關(guān)斷晶閘管的主要參數(shù)GTO有許多參數(shù)與晶閘管相同，這里只介紹一些與晶閘管不同的參數(shù)。(1) 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO電流過(guò)大時(shí)1+2稍大于1的條件可能被破壞，使器件飽和程度加深，導(dǎo)致門(mén)極關(guān)

17、斷失敗。(2) 關(guān)斷增益offGTO的關(guān)斷增益off為最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO與門(mén)極負(fù)電流最大值IgM之比off通常只有5左右。1.3.3 可關(guān)斷晶閘管的安全工作區(qū)GTO安全工作區(qū)是指在門(mén)極加負(fù)脈沖關(guān)斷信號(hào)時(shí)，GTO能夠可靠關(guān)斷的陽(yáng)極電流與陽(yáng)極電壓的軌跡。既然是在一定條件下確定的安全運(yùn)行范圍，如條件改變，比如門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路或緩沖電路參數(shù)改變之后，安全工作區(qū)也隨之改變，實(shí)際實(shí)用中應(yīng)加以注意。GTO的安全工作區(qū)1.3.4 門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路和緩沖電路1. 可關(guān)斷晶閘管的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路影響GTO導(dǎo)通的主要因素有：陽(yáng)極電壓、陽(yáng)極電流、溫度和門(mén)極觸發(fā)信號(hào)等。陽(yáng)極電壓高，GTO導(dǎo)通容易，陽(yáng)極電流較大時(shí)易于維持大面

18、積飽和導(dǎo)通，溫度低時(shí)，要加大門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)才能得到與室溫時(shí)相同的導(dǎo)通效果。(1) 對(duì)門(mén)極觸發(fā)信號(hào)的要求因?yàn)镚TO工作在臨界飽和狀態(tài)，所以門(mén)極觸發(fā)信號(hào)要足夠大， 脈沖前沿(正、負(fù)脈沖)越陡越有利，而后沿平緩些好。正脈沖后沿太陡會(huì)產(chǎn)生負(fù)尖峰脈沖；負(fù)脈沖后沿太陡會(huì)產(chǎn)生正尖峰脈沖，會(huì)使剛剛關(guān)斷的GTO的耐壓和陽(yáng)極承受的du/dt降低。為了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)觸發(fā)，門(mén)極正脈沖電流一般為額定觸發(fā)電流(直流)的(35)倍。(2) 門(mén)極觸發(fā)方式GTO門(mén)極觸發(fā)方式通常有下面三種： 直流觸發(fā)在GTO被觸發(fā)導(dǎo)通期間，門(mén)極一直加有直流觸發(fā)信號(hào)。 連續(xù)脈沖觸發(fā)在GTO被觸發(fā)導(dǎo)通期間，門(mén)極上仍加有連續(xù)觸發(fā)脈沖，所以也稱脈沖列觸發(fā)。 單脈

19、沖觸發(fā)即常用的脈沖觸發(fā)，GTO導(dǎo)通之后，門(mén)極觸發(fā)脈沖即結(jié)束。采用直流觸發(fā)或脈沖列觸發(fā)方式GTO的正向管壓降較小。采用單脈沖觸發(fā)時(shí)，如果陽(yáng)極電流較小，則管壓降較大，用單脈沖觸發(fā)，應(yīng)提高脈沖的前沿陡度，增大脈沖幅度和寬度，才能使GTO的大部分或全部達(dá)飽和導(dǎo)通狀態(tài)。(3) 門(mén)極關(guān)斷控制 恒壓源關(guān)斷控制恒壓源關(guān)斷控制電路如圖1-23所示，晶體管V1控制GTO觸發(fā)導(dǎo)通；V2控制GTO關(guān)斷。關(guān)斷電源E2須小于GTO的門(mén)極反向電壓UGRM之值，否則會(huì)引起GTO產(chǎn)生雪崩電流。變壓源關(guān)斷控制變壓源關(guān)斷控制如圖1-24所示，晶體管V通過(guò)電容C供給GTO觸發(fā)脈沖信號(hào)，GTO導(dǎo)通時(shí)，電容C充電。當(dāng)關(guān)斷信號(hào)加到可控硅S

20、CR使其導(dǎo)通，電容C經(jīng)SCR放電，為GTO門(mén)陰極提供一個(gè)負(fù)脈沖電壓，從而關(guān)斷GTO。脈沖變壓器關(guān)斷控制電路當(dāng)需要把門(mén)極控制電路與主回路隔離時(shí)，可采用脈沖變壓器提供控制信號(hào)。脈沖變壓器關(guān)斷控制電路如圖1-25所示。2. 可關(guān)斷晶閘管的緩沖電路電力電子器件開(kāi)通時(shí)流過(guò)很大的電流，阻斷時(shí)承受很高的電壓；尤其在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的瞬間，電路中各種儲(chǔ)能元件的能量釋放會(huì)導(dǎo)致器件經(jīng)受很大的沖擊，有可能超過(guò)器件的安全工作區(qū)而導(dǎo)致?lián)p壞。附加各種緩沖電路，目的不僅是降低浪涌電壓、du/dt和di/dt,還希望能減少器件的開(kāi)關(guān)損耗、避免器件損壞和抑制電磁干擾，提高電路的可靠性。(1) 緩沖電路吸收過(guò)電壓的有效方法是在器件兩端并

21、聯(lián)一個(gè)吸收過(guò)電壓的阻容電路。如果吸收電路元器件的參數(shù)選擇不當(dāng)，或連線過(guò)長(zhǎng)造成分布電感LS過(guò)大等，也可能產(chǎn)生嚴(yán)重的過(guò)電壓。(2) 緩沖電路元件的選擇應(yīng)選取較小的RS，RS的阻值一般應(yīng)選取1020 。RS不應(yīng)選用線繞式的，而應(yīng)是涂膜工藝制作的無(wú)感電阻。要求二極管VDS能快速開(kāi)通、反向恢復(fù)時(shí)間trr短和反向恢復(fù)電荷Qr盡量小。吸收電路中的CS也應(yīng)當(dāng)是無(wú)感元件，以盡可能減小吸收電路的雜散分布電感LS。1.4 雙極型功率晶體管 雙極型功率晶體管BJT的容量水平已達(dá)1.8kVlkA，頻率為20kHz。1.4.1 雙極型功率晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理1. 雙極型功率晶體管的結(jié)構(gòu)2. 雙極型功率晶體管的工作原理以

22、NPN型雙極型功率晶體管為例，若外電路電源使UBC0,則發(fā)射結(jié)的PN結(jié)處于正偏狀態(tài)。此時(shí)晶體管內(nèi)部的電流分布為：(1) 由于UBC0,發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，P區(qū)的多數(shù)載流子空穴不斷地向N區(qū)擴(kuò)散形成空穴電流IPE,N區(qū)的多數(shù)載流子電子不斷地向P區(qū)擴(kuò)散形成電子電流INE。單個(gè)BJT電流增益較低，驅(qū)動(dòng)時(shí)需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，由于單級(jí)高壓晶體管的電流增益僅為10左右，為了提高電流增益，常采用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，如每級(jí)有10倍的增益，則3級(jí)達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的電流增益可達(dá)1000左右。1.4.2 雙極型功率晶體管的特性和主要參數(shù)雙極型功率晶體管的特性(1) BJT的輸出特性BJT的輸出特性是指在一定的基極電流IB下，管子的

23、集射極之間的電壓UCE同集電極電流IC的關(guān)系特性。晶體管有放大、飽和與截止三種工作狀態(tài)。BJT的輸出特性(2) BJT的開(kāi)關(guān)特性晶體管有線性和開(kāi)關(guān)兩種工作方式。當(dāng)只需要導(dǎo)通和關(guān)斷作用時(shí)采用開(kāi)關(guān)工作方式。BJT主要應(yīng)用于開(kāi)關(guān)工作方式。 開(kāi)關(guān)響應(yīng)特性在開(kāi)關(guān)工作方式下，用一定的正向基極電流IB1去驅(qū)動(dòng)BJT導(dǎo)通，而用另一反向基極電流IB2迫使BJT關(guān)斷，由于BJT不是理想開(kāi)關(guān)，故在開(kāi)關(guān)過(guò)程中總存在著一定的延時(shí)和存儲(chǔ)時(shí)間。BJT的開(kāi)關(guān)響應(yīng)特性延遲時(shí)間td：加入IB1以后一段時(shí)間里，iC仍保持為截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的很小電流直到iC上升到0.1I CS。上升時(shí)間tr：iC不斷上升，直到iC=ICS，BJT進(jìn)入飽和

24、狀態(tài)。tr指iC從0.1ICS上升到0.9ICS所需要的時(shí)間。BJT的開(kāi)通時(shí)間ton：延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr之和。即 ton=td+tr (1-9)當(dāng)基極電流突然從正向IB1變?yōu)榉聪騃B2時(shí)，BJT的集電極電流iC并不立即減小，仍保持ICS，而要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才下降。存儲(chǔ)時(shí)間ts：把基極電流從正向IB1變?yōu)榉聪騃B2時(shí)到iC下降到0.9ICS所需的時(shí)間。下降時(shí)間tf：iC繼續(xù)下降，iC從0.9ICS下降到0.1ICS所需的時(shí)間。此后，iC繼續(xù)下降，一直到接近反向飽和電流為止，這時(shí)BJT完全恢復(fù)到截止?fàn)顟B(tài)。BJT的關(guān)斷時(shí)間toff：存儲(chǔ)時(shí)間ts和下降時(shí)間tf之和，即 toff=ts+tf (1

25、-10)td存在原因基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)到來(lái)之前，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于反偏狀態(tài)，它們的空間電荷區(qū)較寬。當(dāng)Ui到來(lái)時(shí)，雖然基極電流立即上升到IB1，但發(fā)射結(jié)仍然處于反偏狀態(tài)。IB1提供空穴，填充發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)，抵消部分靜電荷，使空間電荷區(qū)變窄，發(fā)射結(jié)反偏變小。只有發(fā)射結(jié)接近正向偏置時(shí)，iC才開(kāi)始上升，在這段時(shí)間內(nèi)有IB1而幾乎無(wú)iC，由于發(fā)射結(jié)和集電結(jié)勢(shì)壘電容效應(yīng)，只有勢(shì)壘電容充電到一定程度，BJT才開(kāi)始導(dǎo)通，所以存在延遲時(shí)間td。tr存在原因發(fā)射結(jié)進(jìn)入正偏，此后，正偏不斷增大，iC不斷上升，BJT接近或進(jìn)入飽和區(qū)。IB1一方面繼續(xù)給發(fā)射結(jié)和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電，另一方面使基區(qū)的電荷積累增加，并且還補(bǔ)充

26、基區(qū)復(fù)合所消耗的載流子，這就存在著上升時(shí)間tr。tf存在原因當(dāng)Ui變?yōu)樨?fù)值，基極電流變?yōu)镮B2，但iC不立即變小，而是當(dāng)基區(qū)的電荷減少一定程度，IC才開(kāi)始下降，所以存在存儲(chǔ)時(shí)間ts。當(dāng)發(fā)射結(jié)由正偏變?yōu)榉雌娊Y(jié)和發(fā)射結(jié)電荷區(qū)變寬，iC下降較快，這就有下降時(shí)間tf。BJT的開(kāi)關(guān)時(shí)間對(duì)它的應(yīng)用有較大的影響，選用BJT時(shí)，應(yīng)注意其開(kāi)關(guān)頻率。應(yīng)使輸入脈沖持續(xù)時(shí)間大于BJT開(kāi)關(guān)時(shí)間。改善措施 為了使BJT快速導(dǎo)通，縮短開(kāi)通時(shí)間ton，驅(qū)動(dòng)電流必須具有一定幅值，前沿較陡的正向驅(qū)動(dòng)電流，可加速BJT的導(dǎo)通；為加速BJT關(guān)斷，縮短關(guān)斷時(shí)間toff，驅(qū)動(dòng)電流必須具有一定幅值的反向驅(qū)動(dòng)電流，過(guò)沖的負(fù)向驅(qū)動(dòng)電流，

27、可縮短關(guān)斷時(shí)間。驅(qū)動(dòng)電流的理想波形2. 雙極型功率晶體管的主要參數(shù)(1) BJT的電流放大倍數(shù)值：定義為晶體管的集電極電流變化率和基極電流變化率之比。(2) BJT的反向電流：BJT的反向電流會(huì)消耗一部分電源能量，會(huì)影響管子的穩(wěn)定性。常希望反向電流盡可能小。有ICBO、ICEO和IEBO。(3) BJT的反向擊穿電壓：BJT的反向擊穿電壓決定管子承受外加電壓的上限。有U(BR)EBO、U(BR)CBO、U(BR)CEO (4) BJT的極限參數(shù)：集電極允許流過(guò)的最大電流ICM，集電極最大允許耗散功率PCM,最大允許結(jié)溫TJM和擊穿電壓。1.4.3 雙極型功率晶體管的安全工作區(qū)正向偏置安全工作區(qū)

28、BJT的正向偏置安全工作區(qū)是由最大集電極電流ICM、集電極最大允許耗散功率PCM、二次擊穿耐量有關(guān)的PSB和集射極最大電壓U(BR)CEO所組成的區(qū)域。2. 反向偏置安全工作區(qū)為了使晶體管截止而不被擊穿，電壓與電流的工作點(diǎn)必須選在反向安全工作區(qū)之內(nèi)。反向偏置基極電流不同時(shí)，反向安全工作區(qū)寬窄也不同，若反向偏置基極電流增加時(shí)，反向安全工作區(qū)變窄。3. 雙極型功率晶體管的二次擊穿(1) PN結(jié)的反向擊穿PN結(jié)的反向擊穿，可分為三種類型：熱電擊穿、隧道擊穿和雪崩擊穿。 熱電擊穿當(dāng)外加反向電壓升高時(shí)，較大的反向電流引起熱損耗，導(dǎo)致器件的結(jié)溫升高，促使本征載流子濃度明顯增加，使反向電流增長(zhǎng)更快。形成強(qiáng)烈

29、的正反饋，最后導(dǎo)致PN結(jié)擊穿。 隧道擊穿(齊納擊穿) 如果PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)很強(qiáng)，穿過(guò)禁帶的電子很多，反向電流增長(zhǎng)很快，從而引起了PN結(jié)擊穿。雪崩擊穿在反向高電壓下，PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)很強(qiáng)，載流子在強(qiáng)電場(chǎng)中得到大的動(dòng)能，從而成為“熱”載流子，“熱”載流子與晶格原子相碰撞，使晶格原子價(jià)帶內(nèi)的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，形成電子-空穴對(duì)。不斷地發(fā)生碰撞，不斷地產(chǎn)生第二、三、四代電子-空穴對(duì)，使載流子成倍增加，從而引起了PN結(jié)擊穿。大功率電力電子器件中，雪崩擊穿是常見(jiàn)擊穿現(xiàn)象。(2) 二次擊穿的過(guò)程和特點(diǎn)晶體管二次擊穿特性如圖所示，分別代表BJT發(fā)射極為正偏壓、零偏壓和負(fù)偏壓時(shí)的二次擊穿特性，現(xiàn)在以零偏壓為例

30、分析二次擊穿現(xiàn)象的發(fā)生過(guò)程，當(dāng)電壓UCE增大到達(dá)D點(diǎn)時(shí)，集電極發(fā)生雪崩效應(yīng)，晶體管的電流上升到B點(diǎn)，經(jīng)過(guò)一短暫的時(shí)間后，電壓將會(huì)突然減小到E點(diǎn)。同時(shí)電流急驟增大。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，電流將繼續(xù)增大到 F點(diǎn)，從而會(huì)造成晶體管永久性損壞。這種從高電壓小電流向低電壓大電流躍變并伴隨著電流急驟增大的現(xiàn)象，稱為晶體管的二次擊穿。晶體管二次擊穿特性晶體管二次擊穿的特點(diǎn)： 在二次擊穿點(diǎn)停留的時(shí)間 稱為二次擊穿的延遲時(shí)間，對(duì)于不同類型的二次擊穿，這一時(shí)間的長(zhǎng)短相差很大。 從B點(diǎn)到E 點(diǎn)的過(guò)渡幾乎是瞬時(shí)的，晶體管的狀態(tài)不可能穩(wěn)定在BE這一區(qū)域內(nèi)，而且到E點(diǎn)是不可逆的。即使使晶體管回到觸發(fā)前的狀態(tài)，但重復(fù)幾次

31、仍然會(huì)使晶體管變成永久性失效。 在E點(diǎn)的電壓稱為二次擊穿的維持電壓。維持電壓都在10V15V左右。(3) 產(chǎn)生二次擊穿的原因二次擊穿主要是由于器件芯片局部過(guò)熱引起。在正向偏置時(shí)，溫度升高是由熱不均衡性引起的。由于晶體管的結(jié)面上有缺陷和參數(shù)分布不均勻，導(dǎo)致電流分布不均勻，從而引起溫度分布不均勻。溫度高的局部區(qū)域載流子濃度將增加，使電流更加密集，這種惡性循環(huán)形成熱不穩(wěn)定性。如果局部區(qū)域所產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散發(fā)，將使電流上升失去控制。一旦溫度達(dá)到材料熔點(diǎn)，便造成永久性破壞。反向偏置時(shí)，溫度升高是由雪崩擊穿引起的。由于發(fā)生一次雪崩擊穿之后，在某些點(diǎn)上因電流密度過(guò)大，改變了結(jié)電場(chǎng)分布，產(chǎn)生負(fù)阻效應(yīng)，從而

32、使局部溫度過(guò)高的一種現(xiàn)象。二次擊穿最終是由于局部過(guò)熱而引起，而熱點(diǎn)的形成需要能量的積累，即需要一定的電壓、電流和一定的時(shí)間。因此，集電極電壓、電流、負(fù)載性質(zhì)、導(dǎo)通脈沖寬度、基極電路的配置以及材料、工藝等因素都對(duì)二次擊穿有一定的影響。1.4.4 驅(qū)動(dòng)電路和緩沖電路1. 雙極型功率晶體管的驅(qū)動(dòng)電路(1) BJT的驅(qū)動(dòng)電路的重要性驅(qū)動(dòng)電路性能不好，輕則使BJT不能正常工作，重則導(dǎo)致BJT損壞。其特性是決定電流上升率和動(dòng)態(tài)飽和壓降大小的重要因素之一。增加基極驅(qū)動(dòng)電流使電流上升率增大，使BJT飽和壓降降低，從而減小開(kāi)通損耗。過(guò)大的驅(qū)動(dòng)電流，使BJT飽和過(guò)深，退出飽和時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)開(kāi)關(guān)過(guò)程和減小關(guān)斷損耗越不

33、利。驅(qū)動(dòng)電路是否具有快速保護(hù)功能，是決定BJT在過(guò)電壓或過(guò)電流后是否損壞的關(guān)鍵因素之一。BJT對(duì)基極驅(qū)動(dòng)電路的基本要求： BJT導(dǎo)通時(shí)，基極電流值在最大負(fù)載下應(yīng)維護(hù)BJT飽和導(dǎo)通，電流的上升率應(yīng)充分大，以減小開(kāi)通時(shí)間。 BJT關(guān)斷時(shí)，反向注入的基極電流峰值及下降率應(yīng)充分大，以縮短關(guān)斷時(shí)間。 為防止關(guān)斷時(shí)的尾部效應(yīng)而導(dǎo)致BJT的損壞，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供給基射結(jié)合適的反偏電壓，促使BJT快速關(guān)斷，防止二次擊穿。 BJT瞬時(shí)過(guò)載時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能相應(yīng)地提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，保證BJT不因退出飽和區(qū)而損壞。 BJT導(dǎo)通過(guò)程中，如果BJT集射結(jié)承受電壓或流過(guò)它的電流超過(guò)了設(shè)定的極限值，應(yīng)能自動(dòng)切除BJT的基極

34、驅(qū)動(dòng)信號(hào)。為了提高工作速度，降低開(kāi)關(guān)損耗，多采用抗飽和措施；為了確保器件使用安全，盡可能采用多種保護(hù)措施，為了使電路簡(jiǎn)化，功能齊全，應(yīng)盡可能采用集成器件。(2) BJT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方法 開(kāi)通與通態(tài)基極電流應(yīng)盡可能大，以便開(kāi)通或關(guān)斷大的集電極電流。但基極電流過(guò)大會(huì)造成電路過(guò)飽和，增大了關(guān)斷時(shí)間，反而降低了承受破壞的能力。因此，基極電流按下式取值： IB1=(1.52) ICmax/ (1-11) 關(guān)斷與斷態(tài)反向基極電流IB2較大，BJT的關(guān)斷時(shí)間縮短，但是IB2增大，浪涌電壓增大，反向偏置安全工作區(qū)變窄，確定IB2必須考濾到使用頻率、反向偏置安全工作區(qū)、存儲(chǔ)時(shí)間和下降時(shí)間。所以在實(shí)際應(yīng)用中，

35、IB2最大峰值為IB1的(23)倍。(3) 基極驅(qū)動(dòng)電路的基本型式 恒流驅(qū)動(dòng)電路“恒流驅(qū)動(dòng)”是指BJT的基極電流保持恒定，不隨集電極電流變化而變化。為了保證BJT在任何負(fù)載情況下都能處于飽和導(dǎo)通，所需的基極電流IB應(yīng)按BJT最大可能通過(guò)的集電極電流ICmax來(lái)設(shè)計(jì)，即 IBICmax/ (1-12)恒流驅(qū)動(dòng)使空載時(shí)飽和深度加劇，存儲(chǔ)時(shí)間大。為了克服上述弊端常需采用其他輔助措施?？癸柡拓惪梭槲浑娐啡鐖D所示，將多余的基極電流從集電極引出，使BJT在不同集電極電流情況下都處于飽和狀態(tài)。箝位二極管VD2必須是快速恢復(fù)二極管且其耐壓必須和BJT的耐壓相當(dāng)。由于電路工作于準(zhǔn)飽和狀態(tài)，其正向壓降增加，增大了

36、導(dǎo)通損耗。截止反偏驅(qū)動(dòng)電路 當(dāng)ui為高電平時(shí)，晶體管V1及V2導(dǎo)通，正電源+VCC經(jīng)過(guò)電阻R3及V2向BJT提供正向基極電流，使BJT導(dǎo)通。當(dāng)ui為低電平時(shí)，V1及V2截止而V3導(dǎo)通，負(fù)電源-VCC加于BJT的發(fā)射結(jié)上，BJT基區(qū)中的過(guò)剩載流子被迅速抽出，BJT迅速關(guān)斷。固定反偏互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路 2. 雙極型功率晶體管的緩沖電路BJT的緩沖器常采用阻容二極管RCD的吸收網(wǎng)絡(luò)此處電阻R應(yīng)選用電感量較小的電阻，電容C應(yīng)選用低串聯(lián)電阻、電感小且頻率特性好的電容。 未加緩沖電路時(shí)，在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中的某一時(shí)刻，會(huì)出現(xiàn)集電極電壓uC和集電極電流iC同時(shí)達(dá)到最大值的情況。這時(shí)瞬時(shí)開(kāi)關(guān)損耗也最大。采用開(kāi)通和關(guān)斷

37、緩沖電路，其負(fù)載線軌跡如圖 (c)的實(shí)線所示。 緩沖電路所以能夠減小開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗，是因?yàn)榘验_(kāi)關(guān)損耗由器件本身轉(zhuǎn)移至緩沖電路內(nèi)，根據(jù)這些被轉(zhuǎn)移的能量如何處理，引出了兩類緩沖電路：一類是耗能式緩沖電路，即轉(zhuǎn)移至緩沖器的開(kāi)關(guān)損耗能量消耗在電阻上，這種電路簡(jiǎn)單，但效率低；另一類是饋能式緩沖電路，即將轉(zhuǎn)移至緩沖器的開(kāi)關(guān)損耗能量以適當(dāng)?shù)姆绞皆偬峁┙o負(fù)載或回饋給供電電源，這種電路效率高但電路復(fù)雜。耗能式緩沖電路 關(guān)斷緩沖電路電容越大du/dt越小。BJT集電極電壓被電容電壓牽制，所以不再會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)尖峰功耗。開(kāi)通緩沖電路如果緩沖電感LS采用飽和電抗器則效果會(huì)更好。因?yàn)橹灰O(shè)計(jì)得當(dāng)，使得緩沖電感在集電極電

38、壓下降到零后處于飽和狀態(tài)，而在飽和之前呈現(xiàn)高阻抗，因而開(kāi)通損耗亦較小。 復(fù)合緩沖電路(2) 饋能式緩沖電路將儲(chǔ)能元件中的儲(chǔ)能通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞交仞伣o負(fù)載或電源，可以提高裝置的效率。在饋能過(guò)程中，由于采用的元件不同，又可分為無(wú)源和有源兩種方式。 饋能式關(guān)斷緩沖電路 饋能式開(kāi)通緩沖電路 饋能式復(fù)合緩沖電路3. BJT的保護(hù)電路(1) 過(guò)電流、短路保護(hù)由于BJT存在二次擊穿等問(wèn)題，由于二次擊穿很快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于快速熔斷器的熔斷時(shí)間，因此諸如快速熔斷器之類的過(guò)電流保護(hù)方法對(duì)BJT類電力電子設(shè)備來(lái)說(shuō)是無(wú)用的。BJT的過(guò)電流保護(hù)要依賴于驅(qū)動(dòng)和特殊的保護(hù)電路。 電壓狀態(tài)識(shí)別保護(hù)當(dāng)BJT處于過(guò)載或短路故障狀態(tài)時(shí),隨著

39、集電極電流的急劇增加,其基射極電壓和集射極電壓均發(fā)生相應(yīng)變化,可利用這一特點(diǎn)對(duì)BJT進(jìn)行過(guò)載和短路保護(hù)。 橋臂互鎖保護(hù) 逆變器運(yùn)行時(shí)，可能發(fā)生橋臂短路故障，造成器件損壞。只有確認(rèn)同一橋臂的一個(gè)BJT關(guān)斷后，另一個(gè)BJT才能導(dǎo)通。這樣能防止兩管同時(shí)導(dǎo)通，避免橋臂短路。BJT的熱容量極小，過(guò)電流能力很低，要求故障檢測(cè)、信號(hào)傳送及保護(hù)動(dòng)作能瞬間完成，要在微秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)將電流限制在過(guò)載能力的限度以內(nèi)。(2) 欠飽和及過(guò)飽和保護(hù)BJT的二次擊穿多由于BJT工作于過(guò)飽和狀態(tài)引起的，而過(guò)基極驅(qū)動(dòng)引起的過(guò)飽和又使BJT的存儲(chǔ)時(shí)間不必要地加長(zhǎng)，直接影響著B(niǎo)JT的開(kāi)關(guān)頻率，所以BJT的過(guò)飽和及欠飽和保護(hù)對(duì)它的安全

40、可靠工作有著極其重要的作用。通常欠飽和保護(hù)可根據(jù)被驅(qū)動(dòng)BJT的基射極電壓降的高低來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)基極驅(qū)動(dòng)電流的大小，構(gòu)成準(zhǔn)飽和基極驅(qū)動(dòng)器來(lái)完成。(3) 基極驅(qū)動(dòng)電路電源電壓監(jiān)控保護(hù)BJT是電流控制器件，基極驅(qū)動(dòng)電路自身電源影響著被驅(qū)動(dòng)BJT的可靠工作，這就要求一個(gè)較理想的基極驅(qū)動(dòng)電路，應(yīng)有自身工作電源電壓監(jiān)控保護(hù)。當(dāng)電源電壓低于一定值時(shí)，則通過(guò)自動(dòng)電路保證BJT不能被驅(qū)動(dòng)，以免BJT在關(guān)斷時(shí)損壞BJT。4. BJT應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意事項(xiàng)(1) BJT的工作點(diǎn)是隨所選電壓和電流的不同而變化的，特性表中的參數(shù)是在特定條件下的參數(shù)值，而且是指環(huán)境溫度為+25下的數(shù)值。(2) 當(dāng)環(huán)境溫度高于+25時(shí)，BJT功率應(yīng)

41、適當(dāng)降低，一般可按下述公式計(jì)算 PCM=(T1-T0) /RT (1-13)提高BJT可靠性的具體措施是：增大電壓和電流裕量，同時(shí)改善散熱條件。(3) BJT電流、功率增益隨工作頻率而改變。當(dāng)BJT工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，只工作于飽和狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)，放大區(qū)參數(shù)是沒(méi)有意義的。(4) BJT應(yīng)盡量避免靠近發(fā)熱元件，以保證管殼散熱良好。當(dāng)BJT的耗散功率5W時(shí)，應(yīng)加散熱器。(5) 焊接BJT時(shí)，應(yīng)采用熔點(diǎn)不超過(guò)150的低熔點(diǎn)焊錫；電烙鐵以60W以下為宜，時(shí)間不超過(guò)5s。(6) 為了減少值對(duì)溫度的依賴性，應(yīng)盡可能采用與值變化關(guān)系不大的電路設(shè)計(jì)方案。(7) 對(duì)于功放管，為避免其過(guò)熱，最有效的方法是采用熱敏電阻

42、器保護(hù)。(8) 為防止BJT二次擊穿，盡量避免采用電抗成分過(guò)大的負(fù)載，并合理選擇工作點(diǎn)及工作狀態(tài)，使之不超過(guò)功率管的安全工作區(qū)。1.5 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。根據(jù)導(dǎo)電溝道的類型可分為N溝道和P溝道兩大類；根據(jù)零柵壓時(shí)器件的導(dǎo)電狀態(tài)又可分為耗盡型和增強(qiáng)型兩類，目前功率MOSFET的容量水平為50A500 V，頻率為100kHz。1.5.1 結(jié)構(gòu)和工作原理1. 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)VDMOS結(jié)構(gòu)采用垂直導(dǎo)電的雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)，利用兩次擴(kuò)散形成的P型和N+型區(qū)，在硅片表面處的結(jié)深之差形成溝道，電流在溝道內(nèi)沿表面流動(dòng)，然后垂直被漏極接收

43、。VDMOS管的襯底是重?fù)诫s(超低阻) N+單晶硅片，其上延生長(zhǎng)一高阻N層(最終成為漂移區(qū)，該層電阻率及外延厚度決定器件的耐壓水平) ,在N上經(jīng)過(guò)P型和N型的兩次擴(kuò)散，形成N+NPN+結(jié)構(gòu)。柵極為零偏壓時(shí)，iD被P型體區(qū)阻隔，漏源之間的電壓UDS加在反向PN結(jié)上，整個(gè)器件處于阻斷狀態(tài)。當(dāng)柵極正偏壓超過(guò)閾值電壓UT時(shí) 溝通道由P型變成N+型，這個(gè)反型的溝道成為iD電流的通道，整個(gè)器件又處于導(dǎo)通狀態(tài)。它靠N+型溝道來(lái)導(dǎo)電故稱之為N溝道VDMOS管。在MOSFET中只有一種載流子(N溝道時(shí)是電子，P溝道時(shí)是空穴) 。由于電子的遷移率比空穴高3倍左右，從減小導(dǎo)通電阻增大導(dǎo)通電流計(jì)，一般常用N溝道器件。

44、功率MOSFET在特性上的優(yōu)越之處在于沒(méi)有熱電反饋引起的二次擊穿、輸入阻抗高、跨導(dǎo)的線性度好和工作頻率高。2. 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作原理當(dāng)柵源極電壓UGS0時(shí)，漏極下的P型區(qū)表面不出現(xiàn)反型層，無(wú)法溝通漏源。此時(shí)即使在漏源之間施加電壓也不會(huì)形成P區(qū)內(nèi)載流子的移動(dòng)，即VMOS管保持關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)柵源極電壓UGS0且不夠充分時(shí)，柵極下面的P型區(qū)表面呈現(xiàn)耗盡狀態(tài)，還是無(wú)法溝通漏源，此時(shí)VMOS管仍保持關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)柵源極電壓UGS或超過(guò)強(qiáng)反型條件時(shí)，柵極下面的硅的表面從P型反型成N型，形成N型表面層并把源區(qū)和漏區(qū)聯(lián)系起來(lái),從而把漏源溝通，使VMOS管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。1.5.2 特性和主要參數(shù)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體

45、管的特性(1) 功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性表示功率MOSFET的輸入柵源電壓UGS與輸出漏極電流ID之間的關(guān)系。轉(zhuǎn)移特性表示功率MOSFET的放大能力，與BJT中的電流增益相仿，由于功率MOSFET是電壓控制器件，因此用跨導(dǎo)這一參數(shù)來(lái)表示。（a）功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性 (2) 功率MOSFET的輸出特性當(dāng)柵源電壓UGS一定時(shí)，漏極電流ID與漏源電壓UDS間關(guān)系曲線稱為VMOSFET的輸出特性。只有當(dāng)柵源電壓UGS達(dá)到或超過(guò)強(qiáng)反型條件時(shí)，使MOSFET進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。柵源電壓UGS越大，漏極電流越大，可見(jiàn)漏極電流ID受柵源電壓 UGS的控制。輸出特性分為三個(gè)區(qū)域，可調(diào)電阻區(qū)、飽和區(qū)和雪

46、崩區(qū)。在可調(diào)電阻區(qū)內(nèi)，器件的電阻值是變化的。當(dāng)柵源電壓UGS一定時(shí)，器件內(nèi)的溝道已經(jīng)形成，若漏源電壓UDS很小時(shí)，對(duì)溝道的影響可忽略，此時(shí)溝道的寬度和電子的遷移率幾乎不變，所以ID與UDS幾乎呈線性關(guān)系。在飽和區(qū)中，當(dāng)UGS不變時(shí)，ID趨于不變。當(dāng)UDS增大至使漏極PN結(jié)反偏電壓過(guò)高，發(fā)生雪崩擊穿，ID突然增加，此時(shí)進(jìn)入雪崩區(qū)，直至器件損壞。使用時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)這種情況。(3) 功率MOSFET的開(kāi)關(guān)特性因?yàn)镸OSFET存在輸入電容Ci， Ci有充電過(guò)程，柵極電壓UGS呈指數(shù)曲線上升,當(dāng)UGS上升到開(kāi)啟電壓UT時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)漏極電流iD，從脈沖電壓的前沿到iD出現(xiàn)，這段時(shí)間稱為開(kāi)通延遲時(shí)間td。隨著

47、UGS增加，iD上升，從有iD到iD達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所用時(shí)間稱為上升時(shí)間tr。開(kāi)通時(shí)間ton可表示為 tontdtr (1-14) 當(dāng)脈沖電壓下降到零時(shí)，柵極輸入電容Ci通過(guò)信號(hào)源內(nèi)阻RS和柵極電阻RG開(kāi)始放電，柵極電壓UGS按指數(shù)曲線下降，當(dāng)下降到UGSP時(shí)，漏極電流才開(kāi)始減小，這段時(shí)間稱為關(guān)斷延遲時(shí)間ts。之后，Ci 繼續(xù)放電，從iD減小，到UGSUT溝道關(guān)斷，iD下降到零。這段時(shí)間稱為下降時(shí)間tf。關(guān)斷時(shí)間toff可表示為 tofftstf (1-15) 由上分析可知，改變信號(hào)源內(nèi)阻RS，可改變Ci 充、放電時(shí)間常數(shù)，影響開(kāi)關(guān)速度。 功率MOSFET開(kāi)關(guān)特性(4) 安全工作區(qū)(SOA) 功率M

48、OSFET沒(méi)有二次擊穿問(wèn)題，具有非常寬的安全工作區(qū)，特別是在高電壓范圍內(nèi)，但是功率MOSFET的通態(tài)電阻比較大，所以在低壓部分不僅受最大電流的限制，還要受到自身功耗的限制。正向偏置安全工作區(qū) 正向偏置安全工作區(qū)(FBSOA)正向偏置安全工作區(qū)由四條邊界極限所包圍的區(qū)域。漏源通態(tài)電阻線，最大漏極電流線，最大功耗限制線和最大漏源電壓線， 開(kāi)關(guān)安全工作區(qū)(SSOA)開(kāi)關(guān)安全工作區(qū)(SSOA)表示器件工作的極限范圍。在功率MOSFET換流過(guò)程中，當(dāng)器件體內(nèi)反并聯(lián)二級(jí)管從導(dǎo)通狀態(tài)進(jìn)入反向恢復(fù)期時(shí)，如果漏極電壓上升過(guò)大，則很容易造成器件損壞。二極管反向恢復(fù)期內(nèi)漏源極的電壓上升率稱為二極管恢復(fù)耐量，二極管恢

49、復(fù)耐量是功率MOSFET可靠性的一個(gè)重要參數(shù)。 2. 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的主要參數(shù)(1) 漏源擊穿電壓BUDS：該電壓決定了功率MOSFET的最高工作電壓。(2) 柵源擊穿電壓BUGS ：該電壓表征了功率MOSFET柵源之間能承受的最高電壓。(3) 漏極最大電流ID：表征功率MOSFET的電流容量。(4) 開(kāi)啟電壓UT：又稱閾值電壓，它是指功率MOSFET流過(guò)一定量的漏極電流時(shí)的最小柵源電壓。(5) 通態(tài)電阻Ron：通態(tài)電阻Ron是指在確定的柵源電壓UGS下，功率MOSFET處于恒流區(qū)時(shí)的直流電阻，是影響最大輸出功率的重要參數(shù)。(6) 極間電容：功率MOSFET的極間電容是影響其開(kāi)關(guān)速度的主要因

50、素。其極間電容分為兩類；一類為CGS和CGD，它們由MOS結(jié)構(gòu)的絕緣層形成的，其電容量的大小由柵極的幾何形狀和絕緣層的厚度決定；另一類是CDS，它由PN結(jié)構(gòu)成，其數(shù)值大小由溝道面積和有關(guān)結(jié)的反偏程度決定。一般生產(chǎn)廠家提供的是漏源短路時(shí)的輸入電容Ci、共源極輸出電容Cout及反饋電容Cf，它們與各極間電容關(guān)系表達(dá)式為 CiCGSCGD (1-16) CoutCDSCGD (1-17) CfCGD (1-18)顯然，CiCout和Cf均與漏源電容CGD有關(guān)。1.5.3 門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路和緩沖電路1. 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路(1) 功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的共性問(wèn)題 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)簡(jiǎn)單、可靠。也需要

51、考慮保護(hù)、隔離等問(wèn)題。 驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)載為容性負(fù)載。按驅(qū)動(dòng)電路與柵極的連接方式可分為直接驅(qū)動(dòng)與隔離驅(qū)動(dòng)。(2) 功率MOSFET對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求保證功率MOSFET可靠開(kāi)通和關(guān)斷，觸發(fā)脈沖前、后沿要求陡峭。 減小驅(qū)動(dòng)電路的輸出電阻，提高功率MOSFET的開(kāi)關(guān)速度。觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開(kāi)啟電壓，為了防止誤導(dǎo)通，在功率MOSFET截止時(shí)，能提供負(fù)的柵源電壓。 功率MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)電流為柵極電容的充、放電電流。 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路之間的隔離，避免功率電路對(duì)控制信號(hào)造成干擾。 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)功能，使得功率管可靠工作，如低壓鎖存保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)及驅(qū)動(dòng)電

52、壓箝位保護(hù)等。 驅(qū)動(dòng)電源必須并聯(lián)旁路電容，它不僅濾除噪聲，也用于給負(fù)載提供瞬時(shí)電流，加快功率MOSFET的開(kāi)關(guān)速度。(3) 功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路 直接驅(qū)動(dòng) TTL驅(qū)動(dòng)電路 隔離驅(qū)動(dòng)電路對(duì)于VDMOS，其驅(qū)動(dòng)電路非常簡(jiǎn)單，但在高速開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)時(shí)或在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，可在其驅(qū)動(dòng)電路的輸出級(jí)上接入射極跟隨器，并盡可能地減小輸出電阻，以縮短它的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間。如果在驅(qū)動(dòng)信號(hào)上做到阻斷時(shí)柵源電壓小于零，就能進(jìn)一步縮短關(guān)斷時(shí)間。2. 電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路 電力MOSFET和IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件。 1) 電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路： 電氣隔離和晶體管放大電路兩部分 無(wú)輸入信號(hào)時(shí)高速放大器A輸出負(fù)電平,

53、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。 過(guò)電壓保護(hù)措施過(guò)電壓抑制措施及配置位置F避雷器D變壓器靜電屏蔽層C靜電感應(yīng)過(guò)電壓抑制電容 RC1閥側(cè)浪涌過(guò)電壓抑制用RC電路RC2閥側(cè)浪涌過(guò)電壓抑制用反向阻斷式RC電路 RV壓敏電阻過(guò)電壓抑制器RC3閥器件換相過(guò)電壓抑制用RC電路 RC4直流側(cè)RC抑制電路RCD閥器件關(guān)斷過(guò)電壓抑制用RCD電路過(guò)電流過(guò)載和短路兩種情況 常用措施快速熔斷器、直流快速斷

54、路器和過(guò)電流繼電器。同時(shí)采用幾種過(guò)電流保護(hù)措施，提高可靠性和合理性。電子電路作為第一保護(hù)措施，快熔僅作為短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速 斷路器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過(guò)電流繼電器整定在過(guò)載時(shí)動(dòng)作。2. 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的緩沖電路功率MOSFET的緩沖電路甚至可以不加。另外，如果電路中需要流過(guò)一個(gè)較大的反向續(xù)流，可以在VDMOS管外側(cè)反并聯(lián)一個(gè)高速恢復(fù)二極管，使電流由此旁路而不流入內(nèi)部，為吸收反并聯(lián)二極管的換向過(guò)電壓，在VDMOS源極與漏極之間也并聯(lián)RC吸收電路，其連接線應(yīng)盡量短。3 功率MOSFET的保護(hù)(1) 靜電保護(hù)在靜電較強(qiáng)的場(chǎng)合，容易靜電擊穿，造成柵源短路。 應(yīng)存放在防靜電包

55、裝袋、導(dǎo)電材料包裝袋或金屬容器中。取用器件時(shí)，應(yīng)拿器件管殼，而不要拿引線。 工作臺(tái)和烙鐵都必須良好接地，焊接時(shí)電烙鐵功率應(yīng)不超過(guò)25W，最好使用12V24V的低電壓烙鐵，且前端作為接地點(diǎn)，先焊柵極，后焊漏極與源極。 在測(cè)試MOSFET時(shí)，測(cè)量?jī)x器和工作臺(tái)都必須良好接地，MOSFET的三個(gè)電極未全部接入測(cè)試儀器或電路前，不要施加電壓，改換測(cè)試范圍時(shí)，電壓和電流都必須先恢復(fù)到零 (2) 柵源間的過(guò)電壓保護(hù)適當(dāng)降低驅(qū)動(dòng)電路的阻抗，在柵源間并接阻尼電阻。(3) 短路、過(guò)電流保護(hù)功率MOSFET的過(guò)電流和短路保護(hù)與BJT基本類似，僅是快速性要求更高，在故障信號(hào)取樣和布線上要考慮抗干擾，并盡可能減小分布參

56、數(shù)的影響。(4) 漏源間的過(guò)電壓保護(hù) 在感性負(fù)載兩端并接箝位二極管，在器件漏源兩端采用二極管VD及RC箝位電路或采用RC緩沖電路。漏源間的過(guò)電壓保護(hù)電路1.6 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管IGBT是80年代中期問(wèn)世的一種新型復(fù)合電力電子器件，由于它兼有MOSFET的快速響應(yīng)、高輸入阻抗和BJT的低通態(tài)壓降、高電流密度的特性，這幾年發(fā)展十分迅速。目前，IGBT的容量水平達(dá)(12001600A)/(18003330V),工作頻率達(dá)40kHz以上。1.6.1 結(jié)構(gòu)和工作原理1. 絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)BJT。從圖中我們還可以看到在集電極和發(fā)射極之

57、間存在著一個(gè)寄生晶閘管，寄生晶閘管有擎住作用。采用空穴旁路結(jié)構(gòu)并使發(fā)射區(qū)寬度微細(xì)化后可基本上克服寄生晶閘管的擎住作用。IGBT的低摻雜N漂移區(qū)較寬，因此可以阻斷很高的反向電壓。IGBT的結(jié)構(gòu)、符號(hào)及等效電路2. 絕緣柵雙極型晶體管的工作原理當(dāng)UDS0時(shí)，J3PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，IGBT呈反向阻斷狀態(tài)。當(dāng)UDS0時(shí)，分兩種情況： 若門(mén)極電壓UG開(kāi)啟電壓UT，IGBT呈正向阻斷狀態(tài)。 若門(mén)極電壓UG開(kāi)啟電壓UT，IGBT正向?qū)ā?.6.2 特性和主要參數(shù)(1) IGBT的伏安特性以柵射電壓UGE為參變量時(shí)，集電極電流IC和集射電壓UCE之間的關(guān)系曲線。IGBT的伏安特性也可分為飽和區(qū)、放大區(qū)和擊

58、穿區(qū)三個(gè)部分。在正向?qū)ǖ拇蟛糠謪^(qū)域內(nèi)，IC與UCE呈線性關(guān)系，此時(shí)IGBT工作于放大區(qū)內(nèi)。對(duì)應(yīng)著伏安特性明顯彎曲部分，這時(shí)IC與UCE呈非線性關(guān)系，此時(shí)IGBT工作于飽和區(qū)。開(kāi)關(guān)器件IGBT常工作于飽和狀態(tài)和阻斷狀態(tài)，若IGBT工作于放大狀態(tài)將會(huì)增大IGBT的損耗。IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性(2) IGBT的轉(zhuǎn)移特性 是指輸出集電極電流IC與柵射控制電壓UGE之間的關(guān)系曲線。當(dāng)柵射電壓UGEUGEth時(shí)，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)UGEUGEth時(shí)，IGBT導(dǎo)通。IGBT導(dǎo)通后的大部分集電極電流范圍內(nèi)，IC與UGE呈線性關(guān)系。(3) 開(kāi)關(guān)特性(4) 擎住效應(yīng)IGBT為四層結(jié)構(gòu)，存在一個(gè)寄生晶

59、閘管，在NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間存在一個(gè)體區(qū)短路電阻， P型體區(qū)的橫向空穴流過(guò)此電阻會(huì)產(chǎn)生一定壓降，對(duì)J3結(jié)相當(dāng)于一個(gè)正偏置電壓。在規(guī)定的集電極電流范圍內(nèi)，這個(gè)正偏置電壓不會(huì)使NPN晶體管導(dǎo)通；當(dāng)IC大到一定程度時(shí)，該偏置電壓使NPN晶體管開(kāi)通，進(jìn)而使NPN和PNP晶體管處于飽和狀態(tài)。于是柵極失去控制作用，這就是所謂的擎住效應(yīng)。(5) 安全工作區(qū)IGBT開(kāi)通時(shí)的正向偏置安全工作區(qū)由電流、電壓和功耗三條邊界極限包圍而成。最大集電極電流ICM是根據(jù)避免動(dòng)態(tài)擎住而確定的，最大集射極電壓UCEM是由IGBT中PNP晶體管的擊穿電壓所確定；最大功耗則由最高允許結(jié)溫所決定。IGBT關(guān)斷時(shí)的反向偏置安

60、全工作區(qū)與IGBT關(guān)斷時(shí)的du/dt有關(guān)，du/dt越高，RBSOA越窄。IGBT的安全工作區(qū)2. 絕緣柵雙極型晶體管的主要參數(shù)(1) 集射極額定電壓UCES 柵射極短路時(shí)的IGBT最大耐壓值。(2) 柵射極額定電壓UGES UGES是柵極的電壓控制信號(hào)額定值。只有柵射極電壓小于額定電壓值，才能使IGBT導(dǎo)通而不致?lián)p壞。(3) 柵射極開(kāi)啟電壓UGEth 使IGBT導(dǎo)通所需的最小柵-射極電壓,通常IGBT的開(kāi)啟電壓UGEth在3V5.5V之間。(4) 集電極額定電流IC 在額定的測(cè)試溫度(殼溫為25)條件下，IGBT所允許的集電極最大直流電流。(5) 集射極飽和電壓UCEO IGBT在飽和導(dǎo)通時(shí)