电力电子器件第八次

1、2.5.1巨型晶体管及其工作原理，1)延迟时间td和上升时间tr，其和为开启时间ton。2)td主要由发射极结势垒电容和集电极结势垒电容的充电引起。增加ib和dib/dt的幅度可以缩短延迟时间和上升时间，从而加快开启过程。图2.5.4开关过程中GTR的电流波形，2。GTR开关特性：(1)开启过程：2.5.1巨型晶体管及其工作原理，闭合时间tof为存储时间ts和下降时间tf之和。Ts用于在饱和导通期间移除存储在基极区中的载流子，并且它是关断时间的主要部分。减小导通时的饱和深度以减小存储的载流子，或者增加基极引出的负电流Ib2的幅度和负偏置，可以缩短存储时间并加快关断速度。负面效应是增加集电极和发

2、射极之间的饱和传导压降，从而增加导通状态损耗。GTR的开关时间在几微秒之内，比晶闸管和GTO要短得多。图2 . 5 . 4 GTR开关过程中的电流波形，2。GTR的开关特性：(1)关断过程：2.5.1巨型晶体管及其工作原理，最大集电极电流ICM:一般情况下，当值降至额定值1213时的IC值作为ICM；最大基本电流IBM:它被指定为允许通过内部引线的最大电流，通常为IBM(1/21/6)ICM；3.GTR的主要参数：(1)电压指标，(2)电流指标，集电极基极击穿电压BUCBO:发射极开路时集电极基极能承受的最高电压；集电极击穿电压BUCEO:基极开路时集电极能承受的最高电压；2.5.1巨型晶体管

3、及其工作原理，(3)最高结温TJM:GTR的最高结温与半导体材料性能、器件制造工艺和封装质量有关。一般来说，塑料密封硅管的TjM为125，150，金密封硅管的TjM为150，170，高可靠性平面管的TjM为175，200。(4)最大耗散功率PCM:即在最高结温时对应于GTR的耗散功率，等于集电极工作电压和集电极工作电流的乘积。这部分能量转化为热能来提高管内温度，所以在使用中要特别注意GTR的散热。如果散热条件不好，GTR将很快因高温而受损。3，GTR的主要参数(续)，2.5.1巨型晶体管及其工作原理，(5)饱和压降UCES:GTR工作在深饱和区时集电极和发射极之间的电压值。从图中可以看出，UC

4、ES随着集成电路的增加而增加。在积分常数不变的情况下，UCES随着温度的升高而增大。这代表了GTR目前的放大能力。高压大功率GTR(单管)一般为10；图2.5.5饱和压降特性曲线，3。GTR主要参数(续)，(6)共发射极DC电流增益：=IcIB，2.5.1巨型晶体管及其工作原理，当初级击穿集电极电压上升到击穿电压时，集成电路迅速增大，发生雪崩击穿。只要Ic不超过限值，GTR就不会受损，其工作特性也不会改变。二次击穿当Ic增加到某个临界点时，它会突然急剧上升，伴随着电压的突然下降。它通常会立即导致设备的永久性损坏，或运行特性的明显衰减。4，二次击穿和安全工作区，(1)二次击穿，图2.5.6一次击

5、穿和二次击穿的原理，图2.5.7二次击穿的临界线，2.5.1巨型晶体管及其工作原理，根据基本偏置分类，可分为正向偏置安全工作区和反向偏置安全工作区。4。二次击穿和安全工作区，(2)安全工作区是指输出特性图上GTR能够安全工作的电流和电压的极限范围。2.5.1巨型晶体管及其工作原理(2)安全工作区，又称开放安全工作区，是在基极正向偏置条件下，由GTR最大允许集电极电流ICM、最大允许集电极电压BUCEO、最大允许集电极功耗PCM和二次击穿功率PSB四条限制线围成的区域。反偏见的安全世界，图2.5.9 GTR的反向安全工作区，图2.5.8 GTR的正向安全工作区，正向安全工作区FBSOA，反向安全

6、工作区RBSOA，第2章，电力电子器件，2.1电力电子器件的基本模型2.2，电力二极管2.3，晶闸管2.4，关断晶闸管2.5，巨型晶体管2.6，电力场效应晶体管2.7，绝缘栅双极晶体管2.8，其他新型电力电子器件2.9，电力电子器件的驱动和保护，2.6电力1)分为结型场效应晶体管(JFET)和绝缘栅金属氧化物半导体场效应晶体管，2)一般指绝缘栅型中的金属氧化物半导体型，简称功率金属氧化物半导体场效应晶体管。 3)、4)特点：输入阻抗高(高达40M)、开关速度快、工作频率高(高达1000千赫开关频率)、驱动电路简单、驱动功率小、热稳定性好、无二次击穿问题、安全工作区宽(半导体光放大器)；电流容量

7、小，耐压低，一般只适用于功率小于10kW的电力电子设备。2.6、功率场效应晶体管、2.6.1功率场效应晶体管及其工作原理、2.6.2功率场效应晶体管的特性和主要参数、2.6.1功率场效应晶体管及其工作原理，早期的功率场效应晶体管采用水平结构(PMOS)，其源极s、栅极g和漏极d都放置在硅片的一侧(类似于低功率金属氧化物半导体晶体管)。硅晶片存在导通电阻高、频率特性差、利用率低等缺点。20世纪70年代中期，LSIC垂直导电结构被应用于功率场效应晶体管的制造，出现了VMOS结构。器件的阻压能力、载流能力和开关速度都有很大提高。自20世纪80年代以来，通过利用硅晶片表面上由二次扩散形成的P型区域和N

8、型区域的结深度之间的差异来形成非常短的沟道长度(12m)，已经开发出垂直导电的双扩散场控制晶体管，简称为VDMOS。目前生产的大部分金属氧化物半导体器件都是N沟道增强型器件，因为在相同的硅片面积下，P沟道器件的导通电阻是N沟道器件的23倍。因此，除非将来另有说明，它们都指N通道增强设备。1.功率场效应晶体管的结构、2.6.1功率场效应晶体管及其工作原理，其特征在于：(1)垂直安装漏极实现垂直导通，既充分利用硅片面积，又获得大的电流容量；(2)设置高电阻率的氮区以提高电压容量；(3)短沟道(1 2m)降低了栅极下端二氧化硅层的固有电容和沟道电阻，并增加了开关频率。(4)载流子沿着沟道中的表面流动

9、，然后垂直流向漏极。VDMOS的典型结构，1。功率场效应晶体管的结构(续)，图2.6.1n沟道金属氧化物半导体晶体管的单元结构和电气符号，2 . 6 . 1功率场效应晶体管及其工作原理，金属氧化物半导体晶体管的漏极电流由栅极电压ugs控制；图2 . 6 . 1N沟道金属氧化物半导体存储单元的单元结构和电气符号，2。功率场效应晶体管的工作原理：(1)关断：栅源电压UGS0或0UGSUT (UT是导通电压，也称为阈值电压)；(2)导通时，加到漏极电压UDS0；(3)漏极电流：2.6.2功率场效应晶体管的特性和主要参数。在不同的UGS下，漏极电流ID和漏极电压UDS之间的关系曲线族称为VDMOS的输

10、出特性曲线。如图2.6.2所示，可分为四个区域：1)截止区：当电压为24V时。2)线性(传导)区域：当外磁场和内磁场很小时，内磁场和UGS几乎是线性的。也称为欧姆工作区；3)饱和区(也称活动区):当发生非饱和状态时，随着非饱和状态的增加，内径几乎不变；4)雪崩区：当雪崩阈值和雪崩阈值增加到一定值时；1。静态输出特性。图2.6.2金属氧化物半导体晶体管的输出特性。2.6.2功率场效应晶体管的特性和主要参数。沟道体区表面强反转所需的最小栅极电压称为VDMOS晶体管的阈值电压。一般来说，漏极短路条件下的栅极电压定义为1毫安。在实际应用中，UGS=(1.52.5)UT，这有利于获得2.主要参数：(1)

11、导通电阻Ron。在一定的栅压UGS下，当VDMOS从可调电阻区进入饱和区时，漏极和源极之间的DC电阻称为导通电阻Ron。Ron是影响最大输出功率的一个重要参数。在相同条件下，击穿电压越高，Ron值越大。此外，Ron随内径的增大而增大，随UGS的增大而减小。(2)阈值电压表征器件的电流容量。当UGS=10V，UDS为某个值时，漏极和源极之间允许通过的最大电流称为最大漏极电流。(2.6.1)，2，主要参数(续)，(3)跨导gm，跨导gm的定义，表示UGS对ID的控制能力。实际上，中高跨导的管道具有更好的频率响应。(4)漏极-源极击穿电压决定了器件的最大工作电压，这是为避免器件进入雪崩区而设置的极限参数。(5)栅极-源极击穿电压BUGS，BUGS是为防止绝缘栅极层由于栅极和源极之间的高电压而发生电介质击穿而设置的参数。通用BU