微技二班功率半導(dǎo)體器件是用于電能變換和控制的

1、摘要功率半導(dǎo)體器件(er semiconductor Device)是用于電能變換和電能控制的大功率電子器件。這其中，絕緣雙極晶體管因其耐高壓，開(kāi)關(guān)速率高，易于控制，成本較低，并且堅(jiān)固耐用等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用在消費(fèi)，工業(yè)，交通，照明，以及醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。介紹了的發(fā)展和工作原理及主要應(yīng)用，分析了器件的各種的電工作特性，包括靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性，開(kāi)關(guān)特性和閂鎖效應(yīng)等等。然后對(duì)磁爐應(yīng)用和應(yīng)用電路仿真進(jìn)行了深入的研究。分析了富士寶 1H-MS2052C 型FSB-023 單電磁爐的電路架構(gòu)，提取出的應(yīng)用電路。針對(duì)電路中不同驅(qū)動(dòng)電路，以及主工作回路進(jìn)的功能模塊展開(kāi)了系統(tǒng)的分析，并對(duì)關(guān)鍵的行了仿真，并得到了合適

2、的電路參數(shù)。同時(shí)針對(duì)的過(guò)流保護(hù)模塊、過(guò)載保護(hù)模塊和電路過(guò)溫保護(hù)模塊進(jìn)行了分析與研究。仿真結(jié)果表明，該電磁爐應(yīng)用電路中的器件，其上升時(shí)間大約為 380ns，下降時(shí)間為 170ns，VCE 的幅值大約為 673V，Ic 幅值大約為 28A，開(kāi)關(guān)頻率約為16KHz。另一方面，電路的LC 振蕩頻率約為 21KHz，輸出功率約為 1300W。：電磁爐驅(qū)動(dòng)與保護(hù)ABSTRACTer semiconductor deviis used forer converander control.Among these, the insulatedolar transistors are widely used in

3、 consumer,industrial, transporion, lighting and medical equipment and other fields, because ofhigh prere, high switching speed, easy to control, low cost, and durability and othercharacteristics.This pr studied the development ofand made a review, then discussedthe mechanism ofand equivalent circuit

4、. It studieddeviiccharacteristic, dynamic characteristic switching characteristics and the latch-up, etc.Then induction applications of theand the simulation of application circuitare researched in depth. Based on Fusibo 1H-MS2052C type FSB-023 Single-Chipinduction cooker,xtracted circuit mt can be

5、emulated. we launched asystematicysis about different functional moduleshe circuit. In addition, to getthe appropriate circuit parameters, simulation about significantdriver circuit andthe main working circuit is carried out. Meanwhile, overcurrent protection, overloadprotection and over-temperature

6、 protection ofmodules areyzed and studied.This pr studies showt for the use ofexperiment device, the rise timeis about 380 ns, decrease time is about 170 ns.litude is about 36 A.Vcelitude is about 677 V, IcKeyword:Induction cookerDriving and protection目錄第 1 章 引言11.1的產(chǎn)生背景11.1.1 功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展11.1.21.21.3

7、的產(chǎn)生2的發(fā)展4的應(yīng)用41.4 本文主要的研究?jī)?nèi)容5第 2 章2.1 N 型2.22.3的工作原理和等效電路7的典型結(jié)構(gòu)7工作原理8的分類(lèi)112.3.1 穿通(PT)型112.3.22.3.32.42.4.1非穿通(NPT)型電場(chǎng)截止(FS)型. 12. 13的等效電路14等效電路14Latch-up 效應(yīng)16Latch-up 效應(yīng)的概念16Latch-up 效應(yīng)的抑制17本章小結(jié)17第 3 章3.1的工作特性與驅(qū)動(dòng)保護(hù)方法18靜態(tài)特性18轉(zhuǎn)移特性18輸出特性193.23.2.13.33.3.1動(dòng)態(tài)特性20的開(kāi)關(guān)特性20驅(qū)動(dòng)電路21對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求213.43.4.13.4.2的保護(hù)措施22柵

8、極的保護(hù)23集電極與發(fā)射極間的過(guò)壓保護(hù)233.4.2.13.4.2.23.4.3第 4 章直流過(guò)電壓23浪涌電壓的保護(hù)24的過(guò)流保護(hù)24基于電磁爐的應(yīng)用26電磁爐簡(jiǎn)介26電磁爐加熱原理26電磁爐電路原理27電磁爐電路基本原理27電磁爐電路提取28電磁爐電路仿真304.3.14.3.24.3.34.3.44.3.5逆變單元模塊30驅(qū)動(dòng)模塊31工作回路仿真32過(guò)流保護(hù)模塊35電路供壓模塊374.3.5.14.3.5.24.3.6電壓檢測(cè)單元37供壓?jiǎn)卧?8過(guò)載保護(hù)模塊384.3.7 電路過(guò)溫保護(hù)模塊414.4 結(jié)論41第 5 章結(jié)束語(yǔ)435.1總結(jié)435.2 展望44參考文獻(xiàn)45致謝47外文資料原

9、文48外文資料譯文50第 1 章 引言1.1的產(chǎn)生背景1.1.1 功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展功率半導(dǎo)體器件(er semiconductor Device)又稱(chēng)為電力電子器件和功率電子器件，是用于電能變換和電能控制電路中的大功率電子器件。功率半導(dǎo)體器件是確定電子系統(tǒng)的效率、規(guī)模、成本的重要組成部分，它是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，也是電力電子技術(shù)發(fā)展的龍頭，同樣的，電力電子系統(tǒng)的發(fā)展需求，同樣也促進(jìn)了新型功率半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)、新型材料、電路拓?fù)涞难芯?。20 世紀(jì) 50 年代，電力電子器件主要是大功率二極管。大功率二極管是功率半導(dǎo)體器件中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、使用最廣泛的一種器件。1958 年公司研制出世界上第一個(gè)工業(yè)

10、用普通晶閘管，因其工作可靠、通用電氣(GE)長(zhǎng)、體積小、開(kāi)關(guān)速度快，從而在電力電子電路中得到廣泛應(yīng)用，從此電能的變換和控制從旋的離子變流器進(jìn)入由功率半導(dǎo)體器件的變流器時(shí)代2。轉(zhuǎn)的變流機(jī)組和但是它是一種無(wú)自關(guān)斷能力的器件，并且晶閘管的開(kāi)關(guān)頻率比較低，難以實(shí)現(xiàn)變頻裝置的高頻化。70 年代初期，出現(xiàn)了可關(guān)斷晶閘管，大功率雙極晶體管，功率場(chǎng)效應(yīng)管等。80 年代，普通晶閘管的開(kāi)關(guān)電流已達(dá)數(shù)千安，能承受的正、反向工作電壓達(dá)數(shù)千伏。在此基礎(chǔ)上，為適應(yīng)電力電子技術(shù)發(fā)展的需要，又開(kāi)發(fā)出門(mén)極可關(guān)斷晶閘管、可控硅整流器(SCR)、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管等一系列派生器件，以及金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(

11、MOSFET)、雙極型功率晶體管(GTR)、靜電感應(yīng)晶閘管、功能組合模塊和功率集成電路等新型電力電子器件(見(jiàn)表 1-1)。表 1-1 常用半導(dǎo)體功率器件的發(fā)展和技術(shù)水平1.1.2的產(chǎn)生在過(guò)去的 30 年里，絕緣雙極晶體管(, Insulated Gateolar Transistor)無(wú)疑是最成功的具有創(chuàng)新性的功率晶體管，它通過(guò)一種混合的結(jié)構(gòu)，將雙極型晶體管(BJT,olar Junction Transistor)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)巧妙地引入到MOS 結(jié)構(gòu)的漂移區(qū)，使器件的導(dǎo)通電阻大為降低，導(dǎo)通電流密度大幅度提高，事實(shí)上，斷電壓下，這種混合的結(jié)構(gòu)，其功率增益相對(duì)于傳統(tǒng)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管在(MOSF

12、ET, Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)器件可以100 萬(wàn)倍之多。由于比功率 MOSFET 多一個(gè)PN 結(jié)，包含了一個(gè)雙極型晶體管，而通過(guò)這個(gè)附加的PN 結(jié)注入的少子改善了導(dǎo)通壓降，使既具有功率MOSFET 的工作速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，又包含了巨型晶體管(GTR, Giant Transistor)的載流量大、阻斷電壓高等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，從而極大的擴(kuò)展了以為代表的半導(dǎo)體功率器件的應(yīng)用領(lǐng)域器件被廣泛器件的這種獨(dú)器件沒(méi)有問(wèn)世的應(yīng)用在消費(fèi)，工業(yè)，交通，照明，以及醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，特的結(jié)構(gòu)，使其易于控制，成本較低

13、，并且堅(jiān)固耐用3。在之前，人們使用的功率器件為 MOSFET，其發(fā)展過(guò)程基本上是在保留和發(fā)揮 MOS器件本身優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，努力提高功率(即增大器件工作電壓和電流)的過(guò)程，早期的MOSFET 由于襯底摻雜濃度和溝道長(zhǎng)度限制的原因不容易實(shí)現(xiàn)MOS 功率器件的高壓大電流。，1976 年，Declerq 和Plummer 采用橫向雙擴(kuò)散 MOS (LDMOS, Lateral Double diffused MOS)的新型結(jié)構(gòu)，首先做出了高壓大電流的 LDMOS 器件，為實(shí)現(xiàn)高壓大電流的功率MOS 邁出了重要的一步。隨后，Siliconix 和IR 公司先后推出了 VVMOS，Salama 等又提出了

14、VUMOS，但它們都存在著刻蝕難以類(lèi)型年代電壓規(guī)格電流規(guī)格開(kāi)關(guān)頻率功率容量BJT1950s1.2KV40A5KHz1KWSCR19576KV3.5KA500Hz100MW 以上GTO19628KV8KA1KHz10MW 以上GTR1970s1.2KV400A5KHz1MWVMOS1976500V200A1MHz100KW19836.5KV2.4KA150KHz100KW 以上控制，柵氧化層等問(wèn)題。為此，1979 年Collins 等提出了一種不需要腐燭V形槽或U 型槽并且不柵氧化層的垂直雙擴(kuò)散MOS，即 VDMOS(VerticalDouble diffiised MOS )。VDMOS 雖然

15、較好地克服了 VVMOS 和 VUMOS 的缺點(diǎn)，使器件在耐壓水平、可靠性和制造工藝方面前進(jìn)了一步，但其導(dǎo)通電阻仍然比較大。要降低導(dǎo)通電阻，就要降低n 漂移區(qū)的厚度和電阻率，但這樣的話，又和器件的耐壓形成，使器件耐壓降低。同樣的道理，為了實(shí)現(xiàn)功率器件的大電壓，就必須使n 漂移區(qū)比較厚并且電阻率高，這樣導(dǎo)通電阻不僅比較大，而且損耗也比較大4。圖 1-1 縱向結(jié)構(gòu)VDMOS 剖面圖VDMOS 導(dǎo)通電阻和耐壓之間的成為垂直 MOS 型功率半導(dǎo)體器件進(jìn)一步發(fā)展的主要 (如圖 1-1 所示)。20 世紀(jì) 70 年代后期，有關(guān)把 MOSFET 和BJT結(jié)合起來(lái)的研究產(chǎn)生了用MOSFET 控制BJT 的復(fù)合

16、型器件結(jié)構(gòu)(如圖 1-2 所示)，并稱(chēng)為MOSFET 控制BJT (MOS-gate transistor)。這種復(fù)合器件結(jié)構(gòu)可以通過(guò)柵電壓控制大的輸出電流，集MOSFET 電壓控制和BJT/晶閘管大電流特性于一身，但是，當(dāng)時(shí)人們遇到了這種復(fù)合型結(jié)構(gòu)中寄生的閂鎖效應(yīng)，研究遇到了阻礙。圖 1-2 MOSFET 與 BJT 復(fù)合直到 80 年代初，人們發(fā)現(xiàn)這種復(fù)合型器件結(jié)構(gòu)中的寄生pnpn 四層晶閘管結(jié)構(gòu)的閂鎖效應(yīng)可以通過(guò)源區(qū)n+和P 阱的短路來(lái)消除，才使這種復(fù)合型器件的實(shí)用變?yōu)榭赡?。隨后，GE,RCA, Motorola 等公司相繼成功的研制出這種器件，他們基本上都解決了所。值得一提的是，GE

17、公司由于用了計(jì)算機(jī)作二維數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)阱中心若有一 P+區(qū)，可以有效的防止器件的pnpn 閂鎖效應(yīng)。1.2的發(fā)展自 20 世紀(jì) 80 年代初期，研制成功以來(lái)，其工藝技術(shù)和參數(shù)不斷的改進(jìn)和提高，也經(jīng)歷的一系列的發(fā)展(見(jiàn)表 1-2)，其電性能參數(shù)日趨完善。表 1-2的發(fā)展和特性改進(jìn)總的來(lái)講，的發(fā)展是朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展的：(1)減小功耗，包括減小通態(tài)損耗和減短開(kāi)關(guān)時(shí)間以降低開(kāi)關(guān)損耗兩個(gè)方面。(2)改善溫度性能，使器件在高溫下的溫度特性更好，更穩(wěn)定。(3)擴(kuò)展區(qū)(SOA)。(4)降低制造成本。1.3的應(yīng)用等半導(dǎo)體功率器件具有微電子技術(shù)的許多特征，而半導(dǎo)體的微細(xì)加工技術(shù)及其發(fā)展變化總是非常迅速，滲透力

18、和創(chuàng)新表現(xiàn)十分突出，并與其他學(xué)科相互融合產(chǎn)生出新的發(fā)展機(jī)遇，如能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、潮汐發(fā)電等綠色能源的技術(shù)特點(diǎn)面積通態(tài)飽和Uat)/V關(guān)斷時(shí)間Toff/s功率損耗出現(xiàn)時(shí)間/年平面穿通型(PT-)1003.00.501001988改進(jìn)型平面穿通型562.80.3.741990溝槽型(trench)402.00.25511992非穿通型(NPT-)311.50.25391997電場(chǎng)截止型(FS-)271.30.19332001溝槽型電場(chǎng)截止型(FS-T)241.00.15292003變換(如圖 1-35)。的主要應(yīng)用領(lǐng)域5圖 1-3鑒于的參數(shù)特性，開(kāi)發(fā)之初主要應(yīng)用在電換器（逆變器）、變頻器、UPS、

19、EPS 電源、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備等工業(yè)控制領(lǐng)域。在上述應(yīng)用領(lǐng)域中憑借著電壓控制、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)頻率高、開(kāi)關(guān)損耗小，可實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)在 600V 及以上中壓應(yīng)用領(lǐng)域中競(jìng)爭(zhēng)力逐步顯現(xiàn)，在 UPS、開(kāi)關(guān)電源、電車(chē)、交流電機(jī)控制中已逐步替代 GTO、GTR。由于 SCR 和 GTO 具有極高的耐壓能力和較大的通過(guò)電流，目前在高壓大電流應(yīng)用中SCR 和 GTO 仍占有地位。1.4 本文主要的研究?jī)?nèi)容本文主要研究的基本原理和保護(hù)措施，根據(jù)實(shí)際電磁爐應(yīng)用電路，從計(jì)算機(jī)仿真方面來(lái)進(jìn)行探討。在基于富士寶 1H-MS2052C 型FSB-023 單電磁爐電路基礎(chǔ)上，提取電路，對(duì)的電磁爐應(yīng)用進(jìn)行深入的，總結(jié)在電磁爐實(shí)

20、際應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)措施，基于仿真給出創(chuàng)新建議。在第一章引言中對(duì)的發(fā)展和的主要應(yīng)用做了一個(gè)簡(jiǎn)要概括。在第二章中主要了的工作原理和它的等效電路，理解和清楚的工作原理和等效電路是對(duì)進(jìn)行仿真和實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)。在第三章中主要對(duì)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了原理分析，深入的理解和掌握的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)方法，為的仿真和應(yīng)用打下基礎(chǔ)。第四章對(duì)基于電磁爐的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和仿真測(cè)試，給出仿真結(jié)果，分析結(jié)果，得出結(jié)論。第五章進(jìn)行了總結(jié)和展望，對(duì)以后進(jìn)一步的研究做了目標(biāo)規(guī)劃。第 2 章的工作原理和等效電路2.1 N 型的典型結(jié)構(gòu)圖 2-1 N 型的典型結(jié)構(gòu)剖面圖在圖 2-1 中：N+源區(qū)：源區(qū)、擴(kuò)散源區(qū)、發(fā)射區(qū)，與發(fā)射極

21、相連，等效于 VMOS 的源極、NPN 管的發(fā)射極。P+阱區(qū)：擴(kuò)散型P 阱，在 N 型單晶硅的襯底上擴(kuò)散形成。N-漂移區(qū)：N-基區(qū)、漂移區(qū)、基區(qū)、N-區(qū)，等效于 VMOS 管的漏極、PNP 管的基極。此區(qū)域決定了關(guān)速度的主要區(qū)域。N+緩沖層：緩沖區(qū)、(的飽和壓降和電壓等級(jí)，也是影響開(kāi))外延層、N+緩沖層，其作用是降低 N-漂移區(qū)的厚度，以減少飽和壓降和縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間。不是所有的如 NPT 型。都有此區(qū)域，P+注入層：漏注入?yún)^(qū)、被發(fā)射區(qū)、P+背發(fā)射區(qū)、集電區(qū)、P+襯底，等效于PNP 管的發(fā)射極。此區(qū)是的襯底，即底層。、合在一起，也成為集電區(qū)。、以單晶硅為基礎(chǔ)，用外延法生成，因此成為外延層，也是的工

22、作層。、又稱(chēng)為摻雜區(qū)，其厚度和摻雜濃度程度決定了器件的電壓等級(jí)和飽和壓降。若要提高電壓等級(jí)，則需要這個(gè)區(qū)域厚一些，摻雜濃度低一些；若要降低飽和壓降，則需要采取相反的措施，即摻雜區(qū)薄一些，摻雜濃度要高一些。、四層組成了的P-N-P-N 4 層器件結(jié)構(gòu)，不包括 N+緩沖層。Jl、J2、J3 表示的是PN 結(jié)，又稱(chēng)為空間電荷區(qū)，基本不含載流子，主要由不能移動(dòng)的空間電荷組成。因此又被稱(chēng)為“耗盡層”，意思是能夠移動(dòng)的載流子(電子或者空穴)都被耗盡了。P 型半導(dǎo)體側(cè)靠近PN 結(jié)的區(qū)域的空間電荷是負(fù)離子，N型半導(dǎo)體靠近PN 結(jié)的區(qū)域的空間電子是正離子。與BJT 都被稱(chēng)為多子器件，這是因?yàn)槎叩膶?dǎo)電既有電子的

23、遷移，又有空穴的注入。二者不同之處在于，BJT 中電子的遷移需要以空穴注入為觸發(fā)條件，空穴的注入量控制著電子遷移量，故BJT 的導(dǎo)電需要維持空穴的注入，需要比較大的驅(qū)動(dòng)功率；中電子的遷移與空穴的注入是依靠電場(chǎng)來(lái)維持的，二者是同時(shí)而且是相向而行的，故的驅(qū)動(dòng)僅需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓而已(以維持電場(chǎng)的存在)。2.2工作原理根據(jù)半導(dǎo)體物理的MIS (metal insulator semiconductor)表面電場(chǎng)理論，對(duì)襯底為P 型半導(dǎo)體的情形，如圖 2-2 所示，圖中 a 表示多子積累，b 表示平帶，c 表示少子反型，“P”“N”分別表示 P 型和n 型半導(dǎo)體。表面反型又分為強(qiáng)反型和弱反型等情況，強(qiáng)反

24、型以表面勢(shì) VS2FB 為標(biāo)志，其中，qFB 是體內(nèi)能級(jí)到禁帶中心的距離，此時(shí)對(duì)應(yīng)的柵壓定義為器件的閾值電壓 Vth。當(dāng)柵壓為正且小于器件的閾值電壓，或者說(shuō)是開(kāi)啟電壓時(shí)，柵下 P阱表面沒(méi)有反型溝道形成，器件截止不導(dǎo)通，沒(méi)有電流流過(guò)器件的源漏極，稱(chēng)為截止區(qū)。當(dāng)柵壓逐步增大，等于或者超過(guò)閾值電壓后，柵下 P 阱表面形成反型溝道，在器件的源漏極之間形成了電流通路67。圖 2-2 MIS 能帶圖：(a)積累(b)平帶(c)反型電子從源極通過(guò)反型溝道流向N-區(qū)，同時(shí)，由于漏極相對(duì)極加正電壓，所以 J3 結(jié)正偏，有空穴從P+注入到 N 區(qū)。注入空穴的絕大部分與經(jīng)溝道流入的電子復(fù)合，形成連續(xù)的溝道電流，并等

25、效于PNP 晶體管的基極電流。空穴的一小部分直接經(jīng)P 阱也就是DMOS 襯底流到源極，這部分由反偏 J1 結(jié)所收集的空穴電流，等效于PNP 晶體管的集電極電流(如圖 2-3 所示)。圖 2-3的電流分布與溝道電流相比，這一集電極電流通常是很小的，這也是器件的主要特點(diǎn)。也就是說(shuō)，PNP 晶體管僅僅是一種寄生效應(yīng)，在結(jié)構(gòu)上等效PNP 晶體管，而在性能上相差很遠(yuǎn)。這是因?yàn)楹侠碓O(shè)計(jì)的用于放大作用的雙極晶體管有兩個(gè)主要的特點(diǎn)，很窄的基區(qū)寬度和集電極電流是基極的 倍。這兩個(gè)特點(diǎn)在寄生PNP 晶體管中都不具備。相反，實(shí)際中，為了消除的閂鎖效應(yīng)，要盡量的減小PNP 晶體管的電流放大系數(shù)，在 J3 結(jié)的基礎(chǔ)上加

26、 N+緩沖層以降低 J3 結(jié)的注入效率是實(shí)際中減少PNP 店里放大系數(shù)的具體措施之一。由于有 J1 和 J2 兩個(gè)相當(dāng)于背靠背串聯(lián)的PN 結(jié)，具有正、反向阻斷特性或整流特性。當(dāng)?shù)臇旁炊探硬⒔恿汶娢?、漏極接正電位時(shí)，處于截止工作狀態(tài)。這時(shí)，器件的 J2 結(jié)正偏，而J1 結(jié)反偏。由于 J1 結(jié)兩邊的摻雜在外延層一邊是均勻的，而在P 阱的一邊為離子注入形成的延層的濃度高，所以，根據(jù)器件物理的PN 結(jié)理論，隨著J1 結(jié)耗盡區(qū)主要向外延層一邊擴(kuò)展8(如圖 2-4 所示)。分布，而且濃度比外漏源電壓的加大，圖 2-4 J1 結(jié)耗盡區(qū)的擴(kuò)展8J1 結(jié)空間電荷區(qū)擴(kuò)展的結(jié)果將是相鄰 P 阱的空間電荷區(qū)相連，這時(shí)

27、，J1 結(jié)承受了幾乎所有的源漏電壓。當(dāng)與漏源電壓相對(duì)應(yīng)的空間電荷區(qū)電場(chǎng)進(jìn)一步增大時(shí)，在空間電荷區(qū)內(nèi)將發(fā)生載流子的碰撞電離和雪崩倍增效應(yīng)。當(dāng)源漏電壓增加到的雪崩擊穿電壓時(shí)，向擊穿，對(duì)應(yīng)的電壓稱(chēng)為將進(jìn)入雪崩擊穿狀態(tài)，通常這一擊穿為器件的正的正向擊穿電壓反之，如果漏極接零電位，柵源短路接高電位，這時(shí)由于器件的 J2 結(jié)反偏，器件也是不導(dǎo)通的，此狀態(tài)稱(chēng)為器件的反向截止?fàn)顟B(tài)，J2 結(jié)對(duì)應(yīng)的最高擊穿電壓稱(chēng)為器件的反向擊穿電壓。2.3的分類(lèi)著重介紹一下具有代表性的三種不同時(shí)期的，分別是穿通(PT)型9。，非穿通(NPT)型和電場(chǎng)截止(FS)型2.3.1 穿通(PT)型早期的，也就是平面柵穿通型(PT)，它提

28、出了在功率MOSFET 結(jié)構(gòu)中引入一個(gè)漏極一側(cè)的PN 結(jié)，也就是在P+型襯底上再外延一層N-層，作為耐壓層。這在設(shè)計(jì)中是常見(jiàn)的做法，利用這一層的設(shè)計(jì)使耗盡層允許“穿通輕摻雜的漂移區(qū)，直到 N+緩沖區(qū)停止(如圖 2-5 所示)。圖 2-5 PT-結(jié)構(gòu)剖面示意圖從圖中可以看到，新形成的P+N-結(jié)可以向N 漂移區(qū)注入空穴，用溝道電子調(diào)制N-漂移區(qū)的電阻率，N-漂移區(qū)是采用基準(zhǔn)外延技術(shù)形成的。襯底是P+型，為了控制載流子的，在 P+襯底和N-漂移區(qū)之間引入一層薄的 N+緩沖層。由于有緩沖層形成的N-/N+界面區(qū)的復(fù)合作用基區(qū)的電荷就比較容易被去除，有利于減少關(guān)斷時(shí)的拖尾電流，但在該器件的關(guān)斷過(guò)程中，由

29、于集電區(qū)很厚，而且 PT-中外延層中的過(guò)剩載流子濃度梯度始終指向器件正面，所以對(duì)于背面PN 結(jié)注入效率比較高的PT-，關(guān)斷時(shí)電子不能被很快排出，只能依靠電子-空穴對(duì)的復(fù)合來(lái)，因此開(kāi)關(guān)時(shí)間長(zhǎng)，開(kāi)關(guān)損耗大。它的這種特性給我們提供了一種新的思路，就是有可能通過(guò)控制復(fù)合速率從而調(diào)整載流子的。為提高關(guān)斷速度，PT-普遍釆用電子或中子輻照在N-漂移區(qū)產(chǎn)生大量復(fù)合中心，大幅降低載流子，加快關(guān)斷時(shí) N-區(qū)中電子-空穴對(duì)的復(fù)合。由于PT-的發(fā)射效率比較低，所以它的下降時(shí)間(Tf)比較小，拖尾電流比較短。獲得了比 VD-MOSFET 更低的通態(tài)壓降，比雙極功率器件更高的工PT-作頻率，并且所需的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，功耗

30、與其他的功率半導(dǎo)體器件相比也比較小。但是N-漂移區(qū)受過(guò)福照后器件特性有兩個(gè)重要缺陷；一方面是在高溫下關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗顯著增加；另一方面是溫度系數(shù)，即工作電流具有正溫度系數(shù)，不利于器件在髙溫下工作以及并聯(lián)應(yīng)用，因?yàn)椴⒙?lián)時(shí)如果其中一只流偏大一些，熱電正反饋效應(yīng)就會(huì)使電流越來(lái)越集中于這一只所分流的電，使其溫度越來(lái)越高以致燒毀。同時(shí) PT-的拖尾電流隨著溫度的升高會(huì)顯著增大，通態(tài)壓降、閾值電壓以及關(guān)斷時(shí)間等重要參數(shù)隨著溫度升高會(huì)。2.3.2 非穿通(NPT)型圖 2-6 NPT-結(jié)構(gòu)剖面示意圖非穿通型(NPT)是通過(guò)對(duì)低濃度N 型硅片釆用擴(kuò)散技術(shù)在正面形成高濃度P 阱，然后在背面 N 型層上通過(guò)離子

31、注入技術(shù)形成濃度不高的 P 型層，最后制作成PNPN 四層器件(如圖 2-6)。N-寬基區(qū)，沒(méi)有 N+緩沖層，基區(qū)寬度大于空間電荷的擴(kuò)散長(zhǎng)度，這種結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為非穿通型結(jié)構(gòu)，即 NPT-。它的結(jié)構(gòu)和VDMOS 很相似，不同的是，NPT-多一個(gè)P+發(fā)射區(qū)，可以形成PN 結(jié)，并由此引出集電極，NPT-的N-寬基區(qū)的寬度大于維持額定電壓所需的最小寬度?，F(xiàn)代離子注入技術(shù)可以精確的控制注入劑量和能量，使 NPT-參數(shù)離散性十分的小。NPT-的摻雜濃度遠(yuǎn)低于PT-制造中用離子注入造成的P 型集電區(qū)非常的薄，并且它中的P+襯底中的濃度，集電極電流中大部分為電子電流，而不是空穴電流。相對(duì)于PT-，得益于工藝流程去

32、掉了外延層對(duì)特性造成的影響，NPT-具有穩(wěn)定優(yōu)異的高溫性能，較高的正反偏過(guò)載能力，更大的正、反偏矩形區(qū)。NPT 結(jié)構(gòu)的采用，使得幾乎在全電流范圍的工作區(qū)內(nèi)都呈現(xiàn)正電阻溫度系數(shù)的單極型器件的特點(diǎn)，并且制造成本相對(duì)于PT 型下降了不少。2.3.3 電場(chǎng)截止(FS)型電場(chǎng)截止(FS)型吸收了 PT 型和 NPT 型器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，制作成器件的硅片厚度比 NPT 型器件薄了約 1/3，并且保證了正電阻溫度系數(shù)單極特性的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。FS-的是在N-耐壓層與P 型集電區(qū)之間加入一個(gè)比N-區(qū)寬度小的多的，但摻雜濃度更高的 N 型緩沖層，有點(diǎn)類(lèi)似于 PT-的結(jié)構(gòu)，按照泊松方程使電場(chǎng)強(qiáng)度在此層中迅速減小到零而達(dá)到

33、電場(chǎng)中止，同時(shí)提髙N-區(qū)電阻率，從而以較薄的耐壓層實(shí)現(xiàn)同樣的擊穿電壓。它的工藝是以低摻雜 N 型單晶片為起始材料，先在正面制造MOS 結(jié)構(gòu)，然后將硅片從背面減薄到耐壓所需的厚度，再?gòu)谋趁孢M(jìn)行離子注入得到 N 型場(chǎng)終止層與P 型集電區(qū)，由于集電區(qū)薄且輕摻雜，集電結(jié)的注入效率很低，器件關(guān)斷時(shí)，通過(guò)集電結(jié)的電流以電子流為主，電導(dǎo)調(diào)制區(qū)中積累的大量電子可以順暢的通過(guò)集電區(qū)流到集電極(如圖 2-7)。圖 2-7 FS-結(jié)構(gòu)剖面示意圖2.4的等效電路2.4.1等效電路圖 2-8 是 N 型的等效電路，等效 NPN 管是等效MOSFET 形成時(shí)寄生的等效JFET 主要是由漂移區(qū)形成的；等效電阻Rb 主要由基

34、區(qū)等效電阻，也包括漂移區(qū)、緩沖區(qū)(NPT 的不包括，因?yàn)?NPT 沒(méi)有緩沖區(qū))、源區(qū)的等效電阻，等效PNP是導(dǎo)電通道的主角。在正常情況下，JEFT 相當(dāng)于串聯(lián)在MOSFET 漏極與PNP 管基極之間的電阻Rd，簡(jiǎn)化電路如圖 2-9 所示，這是目前比較常見(jiàn)的等效電路。圖 2-8 N 型的等效電路圖 2-9 簡(jiǎn)化后的等效電路這時(shí)候，寄生的 NPN 管與PNP 管相當(dāng)于一個(gè) SCR，故的等效電路可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為圖 2-10，這正是電路密度比BJT 大的內(nèi)在原因。圖 2-10等效電路的進(jìn)一步簡(jiǎn)化（1）一般情況下，寄生的 NPN 管并不起作用，故等效電路又可簡(jiǎn)化為圖2-11 這時(shí)候的就是一個(gè)VMOS+PN

35、P 型的BJT，相當(dāng)于一個(gè)VMOS 輸入級(jí)的由于管，而輸出級(jí)是一個(gè)BJT，故容易驅(qū)動(dòng)且輸出特性與BJT 類(lèi)似。管的極性最終由輸入級(jí)決定、與輸出級(jí)無(wú)關(guān)，而輸入級(jí)的MOSFET是N 溝道的，形成的的集電極。也是 NPN 型的，因此等效 PNP 管的發(fā)射極也是圖 2-11等效電路的進(jìn)一步簡(jiǎn)化（2）對(duì)于BJT 而言，早期大功率PNP 管的性能往往不如 NPN 管，所以常常用一個(gè)PNP 的小功率管與一個(gè)大功率的 NPN 管組成一個(gè)大功率的PNP管，很管相媲美。好的解決了大功率 NPN 管與PNP 管性能不對(duì)等的速度遠(yuǎn)低于BJT，所以即使是同等電流規(guī)格，。但是，雙極性管也不能與如果將看成一個(gè)P-N-P-N

36、 四層結(jié)構(gòu)的器件，就像前面提到的不包括緩沖層的結(jié)構(gòu)，也可以將看作圖 2-12 所示的更為簡(jiǎn)化的等效電路。圖 2-12等效電路的進(jìn)一步簡(jiǎn)化（3）這個(gè)等效電路可以解釋的飽和壓降為什么至少為一個(gè)二極管的壓降，也可以說(shuō)明，在低電壓領(lǐng)域，VMOS 的自身功耗更小。2.4.2 Latch-up 效應(yīng)2.4.2.1 Latch-up 效應(yīng)的概念閂鎖效應(yīng)等效于柵極的關(guān)閉(失效)，當(dāng)閂鎖效應(yīng)發(fā)生時(shí)，會(huì)保持持續(xù)的電流傳導(dǎo)狀態(tài)，這時(shí)，柵極電壓對(duì)集電極電流沒(méi)有影響。從上圖 2-8 中所示，由于有一個(gè)寄生的PNP 晶閘管存在，因此，必須抑制該晶閘管中的 NPN 晶體管的開(kāi)通。在一般情況下，NPN 晶體管的基極與發(fā)射極之

37、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)施加一個(gè)正向偏壓，在額定集電極電流范圍內(nèi)，這個(gè)偏壓很小，以使 J3 開(kāi)通，然而如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，在導(dǎo)通過(guò)程中，寄生的晶閘管被導(dǎo)通，J3 結(jié)一旦開(kāi)通，的柵極將失去對(duì)集電極電流的控制作用，發(fā)生Latch-up 現(xiàn)象10。在 DC 或者 AC 應(yīng)用中，這將導(dǎo)致集電極電流增大，設(shè)備可能產(chǎn)生巨大的熱量，造成器件溫度功耗過(guò)高而損壞。發(fā)生Latch-up 因產(chǎn)生的原因不同有兩種情況：一種情況是常溫時(shí)，Rb 并不大，其壓降并以使等效 NPN 管導(dǎo)通，但是溫度升高后，Rb 的阻值增加，壓降隨之增加，導(dǎo)致 NPN 管導(dǎo)通，對(duì)PNP 管

38、形成偏置，VMOS 的控制作用被 NPN 的偏置管代替，即的柵極失去了控制功能，處于失控狀態(tài)。這種情況被稱(chēng)為靜態(tài)閂鎖。在高溫環(huán)境中，靜態(tài)閂鎖會(huì)導(dǎo)致設(shè)備一上電就出現(xiàn)短路故障，還會(huì)造成在看似無(wú)故障的條件下燒毀。另一種情況是，溫度雖然不高，但是集電極電流(瞬時(shí)峰值電流或者穩(wěn)定的工作電流)過(guò)大，Rb 上的壓降升高到足以讓 NPN 管導(dǎo)通而產(chǎn)生閂鎖故障，這種情況被稱(chēng)為動(dòng)態(tài)閂鎖。動(dòng)態(tài)閂鎖意味著的抗短路能力低，抗電流沖擊的能力低。2.4.2.2 Latch-up 效應(yīng)的抑制為了消除器件結(jié)構(gòu)所固有的寄生PNPN 晶閘管所引入的Latch-up 效應(yīng)，要通過(guò)分析主要的影響和提高設(shè)計(jì)水平、工藝水平。能使發(fā)生閂鎖的

39、有很多，如多晶柵結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度以及柵極電阻等，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)即可避免或消除這些的作用和影響。一般可采用的方式有縮短 N+源區(qū)的橫向長(zhǎng)度 L，由于通態(tài)電流和通態(tài)電壓隨長(zhǎng)度的增加而減小，從而減小導(dǎo)通電阻?；蛘咴诒趁娑ㄓ?P+擴(kuò)散法與陽(yáng)極短路法，使得漂移區(qū)中電荷可以通過(guò)發(fā)射極短路部分，減少了拖尾電流，提高開(kāi)關(guān)速度，提高了抗閂鎖能力。也可以采用 P+中心擴(kuò)散方法，通過(guò)增加P+阱摻雜濃度減小短路電阻來(lái)提高抗閂鎖能力?？刂粕贁?shù)載流子，減少PNP放大系數(shù)。還有選擇合理的柵源結(jié)構(gòu)，合適的柵源結(jié)構(gòu)也能夠提高抗閂鎖的能力等等。2.5 本章小結(jié)本章主要研究了的工作原理，以 N 型為例子對(duì)的原理做了詳細(xì)的分析；然后根據(jù)

40、不同的類(lèi)別主要介紹了三種器件；其后主要對(duì)的等效電路進(jìn)行了探究，將的各種類(lèi)型的等效電路羅列了出來(lái)，為準(zhǔn)確判斷和理解在電路中的實(shí)際工作情況提供了直觀和簡(jiǎn)單的等效方法。第 3 章的工作特性與驅(qū)動(dòng)保護(hù)方法對(duì)于MOSFET 結(jié)構(gòu)，當(dāng)柵極、集電極加上一個(gè)正向的偏壓 VGE，當(dāng) VGE 高于其開(kāi)啟電壓(閾值電壓)時(shí)，由于能帶彎曲形成反型使源漏之間形成導(dǎo)電溝道，器件導(dǎo)通。與MOSFET 類(lèi)似，的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)在柵極上加正向電壓，形成導(dǎo)通溝道，使導(dǎo)通。反之，加反向門(mén)極電壓消除溝道，流過(guò)反向基極電關(guān)斷11。流，使的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET 類(lèi)似，只需控制輸入級(jí)N 溝道MOSFET，所以也具有高輸入阻抗特性。當(dāng)導(dǎo)通溝

41、道形成后，P+基極注入到 N層的少子空穴對(duì)N 層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少了 N 層的電阻，使在高電壓時(shí)，的工作特性包括靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩類(lèi)12。也具有低的通態(tài)電壓，3.1靜態(tài)特性的靜態(tài)特性主要包括轉(zhuǎn)移特性、輸出特性。3.1.1 轉(zhuǎn)移特性的伏安特性如圖 3-1(a)所示，其控制參數(shù)是柵源電壓VGS。BUDSUDSUGS(on)UGS(a)(b)圖 3-1的靜態(tài)特性圖 3-1(b)表示出的轉(zhuǎn)移特性，它與 VMOS 管的轉(zhuǎn)移特性相同。在大部分漏極電流范圍內(nèi)，ID 與UGS 呈線性關(guān)系，只有當(dāng)柵源電壓接近閾值電壓VGS(th)(c)UDSoffonUGSIDIDID時(shí)才呈非線性關(guān)系，此時(shí)漏極電流相當(dāng)小，當(dāng)

42、柵源電壓小于 VGS(th)時(shí)，于截止?fàn)顟B(tài)。的靜態(tài)開(kāi)關(guān)特性，如圖 3-1(c)所示。當(dāng)柵源電壓大于閾值電壓時(shí)，即導(dǎo)通，導(dǎo)通電壓VGS(th)如下（3-1）所示：處VDS(on)=VJ1+VW+IDR（3-1）與 VMOS 器件相比，中的 N-漂的導(dǎo)通壓降要小得多，這是因?yàn)闀r(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓一般為 15V 左右。移區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。在使用3.1.2 輸出特性用共射極接法時(shí)，集極電流與兩端電壓分別代表輸出電流和輸出以柵壓為變量，描述Ic 和Vce 間的關(guān)系曲線稱(chēng)為電壓，由于的輸出特性。的反向阻斷能力很低，一般只研究的的正向輸出特性。它與 GRT 的輸出特性相似。分為飽和區(qū)、有源區(qū)和正向阻斷區(qū)三部分。在

43、截止?fàn)顟B(tài)下的，正向電壓由結(jié) J2 承擔(dān)，反向電壓由結(jié)J1 承擔(dān)。圖 3-2的輸出曲線的輸出特性曲線圖 3-2 中可以看到不同柵壓 Uo 下的基本特性曲從線也是線性的，在高柵壓下，曲線明顯轉(zhuǎn)折。輸出集電極電流受柵壓的控制，柵壓越高，集電極電流越大，通過(guò)降低柵壓可以有效的抑制集電極電流。3.2動(dòng)態(tài)特性3.2.1的開(kāi)關(guān)特性是重要的大功率開(kāi)關(guān)器件，其開(kāi)關(guān)特性是器件特性的重要組成部分。一般而言，由于的結(jié)構(gòu)是一種典型的MOS 驅(qū)動(dòng)BJT 的結(jié)構(gòu)，它保持了 MOS 等功率器件開(kāi)通速度快的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又由于是MOS、雙極型復(fù)合器件，所以它的開(kāi)關(guān)過(guò)程也比較復(fù)雜13。在關(guān)斷過(guò)程由于 BJT 結(jié)構(gòu)存在電荷效應(yīng)，可以分

44、為溝道電流關(guān)斷和過(guò)剩載流子復(fù)合兩個(gè)過(guò)程。關(guān)斷過(guò)一個(gè)長(zhǎng)的電流拖尾，這通常是因?yàn)?DMOS 溝道電流關(guān)斷比較快，N-區(qū)過(guò)剩載流子復(fù)合過(guò)程比較慢而引起的14。圖 3-3 給出了時(shí)間的定義。典型的開(kāi)關(guān)波形圖和開(kāi)關(guān)圖 3-3的典型開(kāi)關(guān)波形圖中分別給出了開(kāi)通延時(shí)td(on)、開(kāi)通上升時(shí)間tr、關(guān)斷延遲td(off)、關(guān)斷下降時(shí)間tf 四個(gè)時(shí)間參數(shù)，其中，td(on)+tr=ton 稱(chēng)開(kāi)通時(shí)間，td(off)+tf+t=toff 稱(chēng)為關(guān)斷時(shí)間，t 是關(guān)斷過(guò)程中電壓上升到 10%至電流下降到 90%之間的時(shí)間段。tr、tf 和td(on)、在數(shù)值上差別并不太大，但tr、tf 是集電極電流變化范圍比較大的時(shí)間段

45、，因此對(duì)也更實(shí)用。的性能影響比較大，用它們來(lái)衡量的開(kāi)關(guān)速度要限制開(kāi)關(guān)電流斜率(di/dt)on，可以通過(guò)調(diào)整柵極電阻RG 來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)時(shí)間受Ic 的影響比較小，受 IG 的影響比較明顯，而 IG 又明顯受到柵極電阻RG 的影響，因此RG 對(duì)開(kāi)關(guān)時(shí)間是有明顯影響的。具體來(lái)阱，RG 增大，除了會(huì)使tf 略有減小外，將使其他開(kāi)關(guān)參數(shù)變長(zhǎng)，總的影響是使開(kāi)關(guān)時(shí)間變長(zhǎng)。因此，要限制開(kāi)關(guān)時(shí)間，可以適當(dāng)增大RG。但是，過(guò)渡的增大RG 又會(huì)使的實(shí)用功率頻率降低，還會(huì)增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)功率的消耗。所以，這里面有一個(gè)折中的選擇，一般來(lái)說(shuō)，RG 不會(huì)超過(guò) 100 歐，電流規(guī)格越大的，RG 的取值越小。的觸發(fā)和關(guān)斷要求給

46、其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須基于以下的參數(shù)來(lái)進(jìn)行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因?yàn)闁艠O- 發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，不過(guò)由于的輸入電容較MOSFET為大，故偏壓更高。的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動(dòng)電路提供的的開(kāi)關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。在關(guān)斷時(shí)不需要負(fù)柵壓來(lái)減少關(guān)斷時(shí)間，但關(guān)斷時(shí)間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。的開(kāi)啟電壓約34V，和MOSFET相當(dāng)。導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。正式的器件的

47、電壓和電流容量還很有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電力電子應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的需求；高壓領(lǐng)域的許多應(yīng)用中，要求器件的電壓等級(jí)達(dá)到 10KV以上，目前只能通過(guò)高壓串聯(lián)等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓應(yīng)用。國(guó)外的一些廠家如ABB 公司采用軟穿通原則研制出了 8KV 的器件，德國(guó)的 EUPEC 生產(chǎn)的 6500V/600A 高壓大功率器件已經(jīng)獲得實(shí)際應(yīng)用，東芝也已涉足該領(lǐng)域。與此同時(shí)，各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商不斷開(kāi)發(fā)的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術(shù)，主要采用 1m 以下制作工藝，研制開(kāi)發(fā)取得一些新進(jìn)展。3.3驅(qū)動(dòng)電路3.3.1對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求的驅(qū)動(dòng)條件與它的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性密切相關(guān)。柵極的正偏壓+VGE、負(fù)偏壓-VGE

48、和柵極電阻RG的大小，對(duì)的通態(tài)電壓、開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗、承受短路能力以及dVCE/dt 等參數(shù)都有不同程度的影響。門(mén)極驅(qū)動(dòng)條件與器件特性的關(guān)系如表 3-1 所示。表 3-1 門(mén)極驅(qū)動(dòng)條件與驅(qū)動(dòng)特性的關(guān)系根據(jù)的特性，其對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求如下：(1)提供適當(dāng)?shù)恼聪螂妷?，使能可靠地開(kāi)通和關(guān)斷。當(dāng)正偏壓增大時(shí)通態(tài)壓降和開(kāi)通損耗均下降，但若VGE過(guò)大，則負(fù)載短路時(shí)其IC隨VGE增大而增大，對(duì)其安全不利，使用中選VGE15V為好。負(fù)偏電壓可防止由于關(guān)斷時(shí)浪涌電流過(guò)大而使誤導(dǎo)通，一般選VGE=5V為宜。(2)的開(kāi)關(guān)時(shí)間應(yīng)綜合考慮。快速開(kāi)通和關(guān)斷有利于提高工作頻率，減小開(kāi)關(guān)損耗。但在大電感負(fù)載下，產(chǎn)生很高的尖

49、峰電壓，及有可能造成的開(kāi)頻率不宜過(guò)大，因?yàn)楦咚匍_(kāi)斷和關(guān)斷會(huì)自身或其他元件擊穿。(3)開(kāi)通后，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的電壓、電流幅值，使在正常工作及過(guò)載情況下不致退出飽和而損壞。(4)驅(qū)動(dòng)電路中的電阻RG對(duì)工作性能有較大的影響，RG較大，有利于抑制的電流上升率及電壓上升率，但會(huì)增加的開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗；RG較小，會(huì)引起電流上升率增大，使誤導(dǎo)通或損壞。RG的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及的容量有關(guān)，一般在幾歐幾十歐，小容量的其RG值較大。(5)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有較強(qiáng)的能力及對(duì)的保護(hù)功能。的控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路等應(yīng)與其高速開(kāi)關(guān)特性相匹配，另外，在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下，GE 斷不能開(kāi)路。3.4的保護(hù)措施在

50、中大功率的開(kāi)關(guān)電源裝置中，由于其控制驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、工作頻率較高、容量較大的特點(diǎn)，已逐步取代晶閘管或GTO。但是在開(kāi)關(guān)電源裝置中，由于它工作在高頻與高電壓、大電流的條件下，使得它容易損壞，另外，電源作為系特性VDSTON、EONTdf、Edf負(fù)載短路能力電流 dVCE/dt+VCE 增大降低降低降低增加-VCE 增大略減小減小RC 增大增加增加減小統(tǒng)的前級(jí)，由于受電網(wǎng)波動(dòng)、雷擊等原因的影響使得它所承受的應(yīng)力更大，故的可靠性直接關(guān)系到電源的可靠性。因而，在選擇時(shí)除了要作降額考慮外，對(duì)的保護(hù)設(shè)計(jì)也是電源設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)環(huán)節(jié)。在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)針對(duì)影響可靠性的，有的放矢地采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

51、3.4.1柵極的保護(hù)的柵極發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電壓VGE 的保證值為20V，如果在它的柵極與發(fā)射極之間加上超出保證值的電壓，則可能會(huì)損壞，因此，在的驅(qū)動(dòng)電路中應(yīng)當(dāng)設(shè)置柵壓限幅電路。另外，若的柵極與發(fā)射極間開(kāi)路，而在其集電極與發(fā)射極之間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于柵極與集電極和發(fā)射極之間寄生電容的存在，使得柵極電位升高，集電極發(fā)射極有電流流過(guò)。這時(shí)若集電極和發(fā)射極間處于高壓狀態(tài)時(shí)，可能會(huì)使發(fā)熱甚至損壞。如果設(shè)備在或振動(dòng)過(guò)程中使得柵極回路斷開(kāi)，在不被察覺(jué)的情況下給主電路加上電壓，則就可能會(huì)損壞。為防止此類(lèi)情況發(fā)生，應(yīng)在的柵極與發(fā)射極間并接一只幾十k 的電阻，此電阻應(yīng)盡量靠近柵極與發(fā)射極，如圖 4-

52、4 所示。圖 4-4的柵極保護(hù)3.4.2 集電極與發(fā)射極間的過(guò)壓保護(hù)過(guò)電壓的產(chǎn)生主要有兩種情況，一種是施加到集電極發(fā)射極間的直流電壓過(guò)高，另一種為集電極發(fā)射極上的浪涌電壓過(guò)高。3.4.2.1 直流過(guò)電壓直流過(guò)壓產(chǎn)生的原因是由于輸入交流電源或的前一級(jí)輸入發(fā)生異常所致。解決的辦法是在選取時(shí)，進(jìn)行降額設(shè)計(jì)；另外，可在檢測(cè)出這一過(guò)壓時(shí)的安全。分?jǐn)嗟妮斎?，保證3.4.2.2 浪涌電壓的保護(hù)因?yàn)殡娐分蟹植茧姼械拇嬖?，加之的開(kāi)關(guān)速度較高，當(dāng)關(guān)斷時(shí)及與之并接的反向恢復(fù)二極管逆向恢復(fù)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電壓Ldi/dt，的安全，v為極電極發(fā)射極間的電壓波形；ic為集電極電流；Ud為輸入的直流電壓；VP=UdL

53、dic/dt，為浪涌電壓峰值。如果VP超出的集電極發(fā)射極間耐壓值V，就可能損壞。解決的辦法主要有：(1)在選取時(shí)考慮設(shè)計(jì)裕量；在電路設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)整盡量將電解電容靠近驅(qū)動(dòng)電路的Rg，使di/dt盡可能小；安裝，以減小分布電感；(4)根據(jù)情況加裝緩沖保護(hù)電路，旁路高頻浪涌電壓。3.4.3的過(guò)流保護(hù)的過(guò)流保護(hù)電路可分為2類(lèi)：一類(lèi)是低倍數(shù)的（1.21.5倍）的過(guò)載保護(hù)；一類(lèi)是高倍數(shù)（可達(dá)810倍）的短路保護(hù)。對(duì)于過(guò)載保護(hù)不必快速響應(yīng)，可采用集中式保護(hù)，即檢測(cè)輸入端或直流環(huán)節(jié)的總電流，當(dāng)此電流超過(guò)設(shè)定值后比較器翻轉(zhuǎn)所有驅(qū)動(dòng)器的輸入脈沖，使輸出電流降為零。這種過(guò)載電流保護(hù)，一旦動(dòng)作后，要通過(guò)復(fù)位才能恢復(fù)正常工

54、作。能承受很短時(shí)間的短路電流，能承受短路電流的時(shí)間與該飽和壓降有關(guān)，隨著飽和導(dǎo)通壓降的增加而延長(zhǎng)。如飽和壓降小于2V的的導(dǎo)通允許承受的短路時(shí)間小于5s，而飽和壓降3V的允許承受的短路時(shí)間可達(dá)15s，45V時(shí)可達(dá)30s以上。存在以上關(guān)系是由于隨著飽和導(dǎo)通壓降的降低，的阻抗也降低，短路電流同時(shí)增大，短路時(shí)的功耗隨著電流的平方加大，造成承受短路的時(shí)間迅速減小。通常采取的保護(hù)措施有軟關(guān)斷和降柵壓2種。軟關(guān)斷指在過(guò)流和短路時(shí)，直接關(guān)斷。但是，軟關(guān)斷抗騷擾能力差，一旦檢測(cè)到過(guò)流信號(hào)就關(guān)斷，很容易發(fā)生誤動(dòng)作。為增加保護(hù)電路的抗騷擾能力，可在故障信號(hào)與啟動(dòng)保護(hù)電路之間加一濾波電路，不過(guò)故障電流會(huì)在這個(gè)電路內(nèi)急

55、劇上升，大大增加了功率損耗，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致器件的di/dt增大。所以往往是保護(hù)電路啟動(dòng)了，器件仍然壞了。降柵壓旨在檢測(cè)到器件過(guò)流時(shí)，馬上降低柵壓，但器件仍維持導(dǎo)通。降柵壓后設(shè)有固定時(shí)間，故障電流在這一期內(nèi)被限制在一較小值，則降低了故障時(shí)器件的功耗，延長(zhǎng)了器件抗短路的時(shí)間，而且能夠降低器件關(guān)斷時(shí)的di/dt，對(duì)器件保護(hù)十分有利。若后故障信號(hào)依然存在，則關(guān)斷器件，若故障信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路可自動(dòng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，因而大大增強(qiáng)了能力。第 4 章基于電磁爐的應(yīng)用綜合前兩章的分析可以看出 ，絕緣雙極晶體管有著因正向耐壓高，開(kāi)關(guān)速率快，易于控制等特點(diǎn)。在電磁爐這種高電壓、大電流的工作環(huán)境下下能夠長(zhǎng)期，并極好的開(kāi)

56、關(guān)特性。本章節(jié)將針對(duì)基于電磁爐的應(yīng)用展開(kāi)深入的分析。4.1 電磁爐簡(jiǎn)介電磁爐作為廚房電器中的高科技產(chǎn)品，以其特有的安全、節(jié)能、環(huán)保、方便、快速等優(yōu)越性能深受廣大消費(fèi)者的青睞。20 世紀(jì) 80 年代末期，電磁爐進(jìn)入中國(guó)。 1998 年后，隨著國(guó)內(nèi)電子工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和成熟，涌現(xiàn)了一批具有自行研發(fā)設(shè)計(jì)能力的品牌，如美的、奔騰、富士寶等1516。電磁爐的種類(lèi)按電路工作形式分為L(zhǎng)C 并聯(lián)諧振過(guò)零檢測(cè)觸發(fā)控制形式、他勵(lì)信號(hào)觸發(fā)推挽電感輸出形式和他勵(lì)信號(hào)觸發(fā)橋式電感輸出形式等，其中LC 并聯(lián)諧振過(guò)零檢測(cè)觸發(fā)控制形式又可分為L(zhǎng)C 并聯(lián)諧振電壓過(guò)載檢測(cè)觸發(fā)控制形式和LC 并聯(lián)諧振電流過(guò)零檢測(cè)觸發(fā)控制形式。這些電

57、路形式中以 LC 并聯(lián)諧振電壓過(guò)零檢測(cè)觸發(fā)控制形式最為簡(jiǎn)單，性能最可靠。4.1.1 電磁爐加熱原理電磁爐在工作時(shí)主要是利用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)換為熱能。當(dāng)電磁爐在正常加熱時(shí)，利用 ACDCAC 變換技術(shù)，由整流電路將 50Hz 的交流電壓變成直流電壓，再經(jīng)過(guò)控制電路將直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率為 20-40kHz 的高頻電壓，電磁爐線圈盤(pán)上就會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)在鍋具底部反復(fù)切割變化，使鍋具底部產(chǎn)生環(huán)狀電流 (渦流)，并利用小電阻大電流的短路熱效應(yīng)產(chǎn)生熱量直接使鍋具底部迅速發(fā)熱，然后再加熱鍋具內(nèi)的東西。這種振蕩生熱的加熱方式，減少了熱量傳遞的中間環(huán)節(jié)，大大提局了熱效率。當(dāng)線圈中通交流電后，線圈中便產(chǎn)生了交變

58、的磁場(chǎng)。變壓器中每一塊硅鋼片都有磁力線穿過(guò)，由于磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，即穿過(guò)每塊硅鋼片中的磁力線條數(shù)即磁通量發(fā)生變化，由楞次定律可知，在每塊硅鋼片便會(huì)產(chǎn)生閉合渦旋狀的感應(yīng)電流，以鋼片中磁通量的變化，這一感應(yīng)電流叫渦電流，簡(jiǎn)稱(chēng)渦流。渦流在每一塊硅，由于電流具有熱效應(yīng)，因此硅鋼片發(fā)熱，溫度升高。雖然渦流的熱效應(yīng)會(huì)對(duì)電氣設(shè)備產(chǎn)生不利影響，但可以將它應(yīng)用于加熱技術(shù)上，這種加熱技術(shù)稱(chēng)為電磁加熱技術(shù)18。渦流功率不僅與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，還與交流電頻率的平方成正比。因此為了使電磁爐達(dá)到一定的熱交換功率，除了安裝能產(chǎn)生高磁感應(yīng)強(qiáng)度的交變磁場(chǎng)線圈外，最有效的辦法是提高交流電的頻率，從而提高渦流功率。目前，流經(jīng)電磁爐加圈

59、中的交流電頻率為 15-30 kHz。當(dāng)線圈中通高頻交流電時(shí)，線圈周?chē)a(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在高頻交變磁場(chǎng)的作用下，鐵制鍋底中產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流，鍋底迅速出大量熱能，如圖 4-1 所示。這種發(fā)熱方式是鍋?zhàn)陨戆l(fā)熱，無(wú)熱量傳導(dǎo)的中間物質(zhì)，發(fā)圈的自身?yè)p耗極小，這使得電磁爐的熱效率非常高，可達(dá)85%-92%，這是其他加熱方式無(wú)法達(dá)到的。圖 4-1 電磁爐加熱原理示意圖4.2 電磁爐電路原理4.2.1 電磁爐電路基本原理電磁爐電路單元結(jié)構(gòu)組成如圖 4-3 所示。圖 4-2 電磁爐單元結(jié)構(gòu)示意圖一個(gè)完整的電磁爐電路主要由主電源輸入單元，同步控制單元，逆變單元，管驅(qū)動(dòng)單元，管 C 極電壓超壓保護(hù)單元，管溫度釆樣單元，按

60、脈寬調(diào)控單元，鍵選擇與功能顯示單元，低壓供電單元，智能控制單元，浪涌保護(hù)單元，采樣單元和散熱風(fēng)機(jī)及蜂鳴器驅(qū)動(dòng)單元組成。4.2.2 電磁爐電路提取實(shí)驗(yàn)采用的是富士寶 1H-MS2052C 型FSB-023 單圖 4-3 所示。根據(jù)實(shí)際電路，提取出的電路如下圖 4-4 所示。由圖可知，實(shí)際電路應(yīng)用中電磁爐，其電路如實(shí)物采用了單片機(jī)FSB-023（MS2052）作為電磁爐的主控制，且用分立元件搭建過(guò)流保護(hù)模塊、出了驅(qū)動(dòng)模塊、逆變單元模塊、電路供壓模塊、過(guò)載保護(hù)模塊、電路過(guò)溫保護(hù)模塊等幾大功能模塊。圖 4-3 富士寶 1H-MS2052C 型 FSB-023 單電磁爐實(shí)物圖圖 4-4 電磁爐硬件提取電