第二章电力电子器件第八次课ppt课件

1、2.5.1 电力晶体管及其工作原理电力晶体管及其工作原理 1延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。 2td主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程 。图图2.5.4 GTR的开通和的开通和 关断过程电流波形关断过程电流波形l2 2、GTRGTR的开关特性的开关特性（1开通过程：开通过程：2.5.1 电力晶体管及其工作原理电力晶体管及其工作原理v关断时间关断时间tof 为：存储时间为：存储时间ts和与和与下降时间下降时间tf之和。之和。vts是用来除去饱和导通时储存在基是用来除去饱和导

2、通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要区的载流子的，是关断时间的主要部分。部分。v减小导通时的饱和深度以减小储存减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电的载流子，或者增大基极抽取负电流流Ib2的幅值和负偏压，可缩短储的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度。存时间，从而加快关断速度。v负面作用是会使集电极和发射极间负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降的饱和导通压降Uces增加，从而增增加，从而增大通态损耗。大通态损耗。vGTR的开关时间在几微秒以内，比的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和晶闸管和GTO都短很多都短很多 。图图2.5.4 GTR2.5.4 G

3、TR的开通和的开通和 关断过程电流波形关断过程电流波形l2 2、GTRGTR的开关特性的开关特性（1关断过程：关断过程：2.5.1 电力晶体管及其工作原理电力晶体管及其工作原理 集电极电流最大值集电极电流最大值ICM：一般以：一般以值下降到值下降到额定值的额定值的1213时的时的IC值定为值定为ICM； 基极电流最大值基极电流最大值IBM：规定为内引线允许通：规定为内引线允许通过的最大电流，通常取过的最大电流，通常取IBM(1/21/6)ICM； 3、GTR的主要参数的主要参数 (1) 电压定额电压定额 (2) 电流定额电流定额 集基极击穿电压集基极击穿电压BUCBO：发射极开路时，集基极能：

4、发射极开路时，集基极能承受的最高电压；承受的最高电压； 集射极击穿电压集射极击穿电压BUCEO：基极开路时，集射极能承：基极开路时，集射极能承受的最高电压；受的最高电压；2.5.1 电力晶体管及其工作原理电力晶体管及其工作原理 (3) 最高结温最高结温TjM： GTR的最高结温与半导体材料性质、器件制的最高结温与半导体材料性质、器件制造工艺、封装质量有关。造工艺、封装质量有关。 一般情况下，塑封硅管一般情况下，塑封硅管TjM为为125150，金封硅管金封硅管TjM为为150170，高可靠平面管，高可靠平面管TjM为为175200。 (4) 最大耗散功率最大耗散功率PCM： 即即GTR在最高结温

5、时所对应的耗散功率，它等在最高结温时所对应的耗散功率，它等于集电极工作电压与集电极工作电流的乘积。于集电极工作电压与集电极工作电流的乘积。 这部分能量转化为热能使管温升高，在使用中这部分能量转化为热能使管温升高，在使用中要特别注意要特别注意GTR的散热，如果散热条件不好，的散热，如果散热条件不好，GTR会因温度过高而迅速损坏。会因温度过高而迅速损坏。 3、GTR的主要参数续）的主要参数续）2.5.1 电力晶体管及其工作原理电力晶体管及其工作原理(5) 饱和压降饱和压降UCES： 为为GTR工作在深饱和区时工作在深饱和区时，集射极间的电压值。，集射极间的电压值。由图可知，由图可知， UCES随随

6、IC增加增加而增加。在而增加。在IC不变时，不变时，UCES随管壳温度随管壳温度TC的增的增加而增加。加而增加。 表示表示GTR的电流的电流放大能力。放大能力。 高压大功率高压大功率GTR (单管单管 )一般一般10；图图2.5.5 2.5.5 饱和压降特性曲线饱和压降特性曲线3、GTR的主要参数续）的主要参数续）(6) 共射直流电流共射直流电流增益增益：=ICIB2.5.1 电力晶体管及其工作原理电力晶体管及其工作原理 一次击穿一次击穿集电极电压升高至击穿电压集电极电压升高至击穿电压时，时，Ic迅速增大，出现雪崩击迅速增大，出现雪崩击 穿。穿。只要只要Ic不超过限度，不超过限度，GTR一般一

7、般不会损坏，工作特性也不变。不会损坏，工作特性也不变。 二次击穿二次击穿 一次击穿发生时一次击穿发生时Ic增大到某增大到某个临界点时会突然急剧上升，个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。常常并伴随电压的陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变者工作特性明显衰变 。l4、二次击穿和安全工作区、二次击穿和安全工作区（1） 二次击穿二次击穿图图2.5.6 一次击穿、一次击穿、二次击穿原理二次击穿原理图图2.5.7 二次击穿临界线二次击穿临界线2.5.1 电力晶体管及其工作原理电力晶体管及其工作原理 按基极偏置分类可分为正偏安全工作按基极偏置分类可

8、分为正偏安全工作区区FBSOAFBSOA和反偏安全工作区和反偏安全工作区RBSOARBSOA。l4、二次击穿和安全工作区、二次击穿和安全工作区l（2 2安全工作区安全工作区l 安全工作区安全工作区SOA(Safe Operation Area)SOA(Safe Operation Area)l是指在输出特性曲线图上是指在输出特性曲线图上GTRGTR能够安全运行能够安全运行l的电流、电压的极限范围。的电流、电压的极限范围。2.5.1 电力晶体管及其工作原理电力晶体管及其工作原理 （2）、安全工作区）、安全工作区 正偏安全工作区又叫开通正偏安全工作区又叫开通安全工作区，它是基极正向偏安全工作区，它

9、是基极正向偏置条件下由置条件下由GTRGTR的最大允许集的最大允许集电极电流电极电流ICMICM、最大允许集电、最大允许集电极电压极电压BUCEOBUCEO、最大允许集电、最大允许集电极功耗极功耗PCMPCM以及二次击穿功率以及二次击穿功率PSBPSB四条限制线所围成的区域四条限制线所围成的区域。 反偏安全工作区又称GTR的关断安全工作区。它表示在反向偏置状态下GTR关断过程中电压UCE、电流 IC 限制界线所围成的区域 。图图2.5.9 GTR2.5.9 GTR的反偏安全工作区的反偏安全工作区图图2.5.8 GTR2.5.8 GTR正偏安全工作区正偏安全工作区 正偏安全工作区正偏安全工作区F

10、BSOA 反偏安全工作区反偏安全工作区RBSOARBSOA第二章、电力电子器件第二章、电力电子器件v 2.1、电力电子器件的基本模型、电力电子器件的基本模型 v 2.2、电力二极管、电力二极管 v 2.3、晶闸管、晶闸管v 2.4、可关断晶闸管、可关断晶闸管 v 2.5、电力晶体管、电力晶体管 v 2.6、电力场效应晶体管、电力场效应晶体管 v 2.7、 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管 v 2.8、其它新型电力电子器件、其它新型电力电子器件v 2.9、电力电子器件的驱动与保护、电力电子器件的驱动与保护 2.6 电力场效应晶体管电力场效应晶体管1 1分为结型场效应管简称分为结型场效应管简称

11、JFETJFET和绝缘栅金属和绝缘栅金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应管简称半导体场效应管简称MOSFETMOSFET）。）。2 2通常指绝缘栅型中的通常指绝缘栅型中的MOSMOS型，简称电力型，简称电力MOSFETMOSFET。3 3） 4 4特点：输入阻抗高特点：输入阻抗高( (可达可达40M40M以上以上) )、开关速度快，工作、开关速度快，工作频率高频率高( (开关频率可达开关频率可达1000kHz)1000kHz)、驱动电路简单，需要的驱动、驱动电路简单，需要的驱动功率小、热稳定性好、无二次击穿问题、安全工作区功率小、热稳定性好、无二次击穿问题、安全工作区(SOA)(SOA)宽

12、；宽；电流容量小，耐压低，一般只适用功率不超过电流容量小，耐压低，一般只适用功率不超过10kW10kW的电力电的电力电子装置。子装置。N N沟道沟道P P沟道沟道电力电力MOSFETMOSFET耗尽型：耗尽型：增强型增强型: :耗尽型耗尽型增强型增强型当栅极电压为零时漏当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电源极之间就存在导电沟道；沟道；对于对于N NP P沟道器件沟道器件, ,栅极电压大于小于栅极电压大于小于零时才存在导电沟道零时才存在导电沟道2.6 、电力场效应晶体管、电力场效应晶体管2.6.1 电力场效应管及其工作原理电力场效应管及其工作原理2.6.2电力场效应晶体管的特性与主要参数电力场效

13、应晶体管的特性与主要参数 2.6.1 电力场效应管及其工作原理电力场效应管及其工作原理早期的电力场效应管采用水平结构早期的电力场效应管采用水平结构(PMOS)(PMOS)，器件的源极，器件的源极S S、栅极、栅极G G和漏极和漏极D D均被置于硅片的一侧均被置于硅片的一侧( (与小功率与小功率MOSMOS管相似管相似) )。存在通态电。存在通态电阻大、频率特性差和硅片利用率低等缺点。阻大、频率特性差和硅片利用率低等缺点。 2020世纪世纪7070的代中期将的代中期将LSICLSIC垂直导电结构应用到电力场效应管的制垂直导电结构应用到电力场效应管的制作中，出现了作中，出现了VMOSVMOS结构。

14、大幅度提高了器件的电压阻断能力、载结构。大幅度提高了器件的电压阻断能力、载流能力和开关速度。流能力和开关速度。2020世纪世纪8080年代以来，采用二次扩散形成的年代以来，采用二次扩散形成的P P形区和形区和N+N+型区在硅片型区在硅片表面的结深之差来形成极短沟道长度表面的结深之差来形成极短沟道长度(1(12m)2m)，研制成了垂直，研制成了垂直导电的双扩散场控晶体管，简称为导电的双扩散场控晶体管，简称为VDMOSVDMOS。目前生产的目前生产的VDMOSVDMOS中绝大多数是中绝大多数是N N沟道增强型，这是由于沟道增强型，这是由于P P沟道器沟道器件在相同硅片面积下，其通态电阻是件在相同硅

15、片面积下，其通态电阻是N N型器件的型器件的2 23 3倍。因此今倍。因此今后若无特别说明，均指后若无特别说明，均指N N沟道增强型器件。沟道增强型器件。l1、电力场效应管的结构、电力场效应管的结构2.6.1 电力场效应管及其工作原理电力场效应管及其工作原理特点：特点： (1) (1)垂直安装漏极，实现垂直导电，这不仅使硅片垂直安装漏极，实现垂直导电，这不仅使硅片面积得以充分利用，而且可获得大的电流容量；面积得以充分利用，而且可获得大的电流容量； (2) (2)设置了高电阻率的设置了高电阻率的N N区以提高电压容量；区以提高电压容量； (3) (3)短沟道短沟道(1 (1 2m) 2m)降低了

16、栅极下端降低了栅极下端SiO2SiO2层的栅层的栅沟本征电容和沟道电阻，提高了开关频率；沟本征电容和沟道电阻，提高了开关频率； (4) (4)载流子在沟道内沿表面流动，然后垂直流向漏载流子在沟道内沿表面流动，然后垂直流向漏极。极。 VDMOSVDMOS的典型结构的典型结构1、电力场效应管的结构续）、电力场效应管的结构续）图图2.6.1 N2.6.1 N沟道沟道VDMOSVDMOS管元胞结构与电气符号管元胞结构与电气符号2.6.1 电力场效应管及其工作原电力场效应管及其工作原理理VDMOS的漏极电流的漏极电流ID受控于栅压受控于栅压UGS ；图图2.6.1 N2.6.1 N沟道沟道VDMOSVD

17、MOS管元管元 胞结构与电气符号胞结构与电气符号 2 2、电力场效应管的工作原理、电力场效应管的工作原理（1 1截止：截止：l栅源电压栅源电压 UGS0 UGS0 或或 0 0UGSUTUGSUTl(UT(UT为开启电压，又叫为开启电压，又叫阈值电压阈值电压) )；l（2 2导通：导通：lUGSUT时，加至漏时，加至漏极电压极电压UDS0；（3漏极电流漏极电流ID ：2.6.2 电力场效应晶体管的电力场效应晶体管的特性与主要参数特性与主要参数 在不同的在不同的UGS下，漏极电下，漏极电流流ID 与漏极电压与漏极电压UDS 间的关间的关系曲线族称为系曲线族称为VDMOS的输出的输出特性曲线特性曲

18、线 。如图。如图2.6.2所示，所示，它可以分为四个区域：它可以分为四个区域： 1截止区：当截止区：当UGSUT(UT的典的典型型 值为值为24V)时；时； 2线性线性(导通导通)区：当区：当UGSUT且且 UDS很小时，很小时，ID和和UGS几乎成几乎成 线性关系。又叫欧姆工作区；线性关系。又叫欧姆工作区； 3饱和区饱和区(又叫有源区又叫有源区)： 在在UGSUT时，时， 且随着且随着UDS的增大，的增大，ID几乎不变几乎不变; 4雪崩区：当雪崩区：当UGSUT，且，且 UDS 增大到一定值时；增大到一定值时；l1、静态输出特性、静态输出特性 图图2.6.2 VDMOS管的输出特性管的输出特

19、性2.6.2 电力场效应晶体管的特性电力场效应晶体管的特性 与主要参数与主要参数 v 沟道体区表面发生强反型所需的最低栅极电压称为沟道体区表面发生强反型所需的最低栅极电压称为VDMOSVDMOS管的管的阈值电压。阈值电压。v 一般情况下将漏极短接条件下，一般情况下将漏极短接条件下，ID=1mAID=1mA时的栅极电压定义为时的栅极电压定义为UTUT。实际应用时，实际应用时，UGS=(1.5UGS=(1.52.5)UT2.5)UT，以利于获得较小的沟道压降。，以利于获得较小的沟道压降。v UT UT还与结温还与结温TjTj有关，有关，TjTj升高，升高，UTUT将下降将下降( (大约大约TjTj

20、每增加每增加4545，UTUT下降下降10%10%，其温度系数为，其温度系数为-6.7mV-6.7mV)。 。2、主要参数、主要参数(1)通态电阻通态电阻Ron v 在确定的栅压在确定的栅压UGSUGS下，下，VDMOSVDMOS由可调电阻区进入饱和区时漏由可调电阻区进入饱和区时漏极至源极间的直流电阻称为通态电阻极至源极间的直流电阻称为通态电阻RonRon。RonRon是影响最大输是影响最大输出功率的重要参数。出功率的重要参数。v 在相同条件下，耐压等级越高的器件其在相同条件下，耐压等级越高的器件其RonRon值越大，另外值越大，另外RonRon随随IDID的增加而增加，随的增加而增加，随UGSUGS的升高而减小。的升高而减小。(2) (2) 阈值电压阈值电压UTUT IDM表征器件的电流容量。当表征器件的电流容量。当UGS=10V，UDS