電力電子器件第八次課第一頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日2.5.1電力晶體管及其工作原理關(guān)斷時(shí)間tof

為：存儲(chǔ)時(shí)間ts和與下降時(shí)間tf之和。ts是用來(lái)除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時(shí)間的主要部分。減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減小儲(chǔ)存的載流子，或者增大基極抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓，可縮短儲(chǔ)存時(shí)間，從而加快關(guān)斷速度。負(fù)面作用是會(huì)使集電極和發(fā)射極間的飽和導(dǎo)通壓降Uces增加，從而增大通態(tài)損耗。GTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以?xún)?nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。圖2.5.4GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形2、GTR的開(kāi)關(guān)特性（1）關(guān)斷過(guò)程：第二頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日2.5.1電力晶體管及其工作原理

集電極電流最大值ICM：一般以β值下降到額定值的1／2～1／3時(shí)的IC值定為ICM；

基極電流最大值IBM：規(guī)定為內(nèi)引線允許通過(guò)的最大電流，通常取IBM≈(1/2～1/6)ICM；

3、GTR的主要參數(shù)(1)電壓定額

(2)電流定額

集基極擊穿電壓BUCBO：發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集基極能承受的最高電壓；

集射極擊穿電壓BUCEO：基極開(kāi)路時(shí)，集射極能承受的最高電壓；第三頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日2.5.1電力晶體管及其工作原理(3)最高結(jié)溫TjM：

GTR的最高結(jié)溫與半導(dǎo)體材料性質(zhì)、器件制造工藝、封裝質(zhì)量有關(guān)。一般情況下，塑封硅管TjM為125～150℃，金封硅管TjM為150～170℃，高可靠平面管TjM為175～200℃。

(4)最大耗散功率PCM：即GTR在最高結(jié)溫時(shí)所對(duì)應(yīng)的耗散功率，它等于集電極工作電壓與集電極工作電流的乘積。這部分能量轉(zhuǎn)化為熱能使管溫升高，在使用中要特別注意GTR的散熱，如果散熱條件不好，GTR會(huì)因溫度過(guò)高而迅速損壞。3、GTR的主要參數(shù)（續(xù)）第四頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日2.5.1電力晶體管及其工作原理(5)飽和壓降UCES：為GTR工作在深飽和區(qū)時(shí)，集射極間的電壓值。由圖可知，

UCES隨IC增加而增加。在IC不變時(shí)，UCES隨管殼溫度TC的增加而增加。

表示GTR的電流放大能力。高壓大功率GTR(單管)一般β＜10；圖2.5.5飽和壓降特性曲線3、GTR的主要參數(shù)（續(xù)）(6)共射直流電流增益β：β=IC／IB第五頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日2.5.1電力晶體管及其工作原理

一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿。只要Ic不超過(guò)限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。

二次擊穿

一次擊穿發(fā)生時(shí)Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。4、二次擊穿和安全工作區(qū)（1）

二次擊穿圖2.5.6一次擊穿、二次擊穿原理圖2.5.7二次擊穿臨界線第六頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日2.5.1電力晶體管及其工作原理

按基極偏置分類(lèi)可分為正偏安全工作區(qū)FBSOA和反偏安全工作區(qū)RBSOA。4、二次擊穿和安全工作區(qū)（2）安全工作區(qū)

安全工作區(qū)SOA(SafeOperationArea)是指在輸出特性曲線圖上GTR能夠安全運(yùn)行的電流、電壓的極限范圍。第七頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日2.5.1電力晶體管及其工作原理

（2）、安全工作區(qū)

正偏安全工作區(qū)又叫開(kāi)通安全工作區(qū)，它是基極正向偏置條件下由GTR的最大允許集電極電流ICM、最大允許集電極電壓BUCEO、最大允許集電極功耗PCM以及二次擊穿功率PSB四條限制線所圍成的區(qū)域。

反偏安全工作區(qū)又稱(chēng)GTR的關(guān)斷安全工作區(qū)。它表示在反向偏置狀態(tài)下GTR關(guān)斷過(guò)程中電壓UCE、電流

IC限制界線所圍成的區(qū)域。圖2.5.9GTR的反偏安全工作區(qū)圖2.5.8GTR正偏安全工作區(qū)①正偏安全工作區(qū)FBSOA②

反偏安全工作區(qū)RBSOA第八頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日第二章、電力電子器件2.1、電力電子器件的基本模型

2.2、電力二極管

2.3、晶閘管

2.4、可關(guān)斷晶閘管

2.5、電力晶體管

2.6、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

2.7、絕緣柵雙極型晶體管

2.8、其它新型電力電子器件

2.9、電力電子器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)第九頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日2.6電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1）分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管簡(jiǎn)稱(chēng)JFET）和絕緣柵金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（簡(jiǎn)稱(chēng)MOSFET）。2）通常指絕緣柵型中的MOS型，簡(jiǎn)稱(chēng)電力MOSFET。3）4）特點(diǎn)：輸入阻抗高(可達(dá)40MΩ以上)、開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高(開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)1000kHz)、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小、熱穩(wěn)定性好、無(wú)二次擊穿問(wèn)題、安全工作區(qū)(SOA)寬；電流容量小，耐壓低，一般只適用功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置。N溝道P溝道電力MOSFET耗盡型：增強(qiáng)型:耗盡型增強(qiáng)型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道；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)電溝道第十頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日2.6、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管2.6.1電力場(chǎng)效應(yīng)管及其工作原理電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特性與主要參數(shù)

第十一頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日2.6.1電力場(chǎng)效應(yīng)管及其工作原理早期的電力場(chǎng)效應(yīng)管采用水平結(jié)構(gòu)(PMOS)，器件的源極S、柵極G和漏極D均被置于硅片的一側(cè)(與小功率MOS管相似)。存在通態(tài)電阻大、頻率特性差和硅片利用率低等缺點(diǎn)。20世紀(jì)70的代中期將LSIC垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)應(yīng)用到電力場(chǎng)效應(yīng)管的制作中，出現(xiàn)了VMOS結(jié)構(gòu)。大幅度提高了器件的電壓阻斷能力、載流能力和開(kāi)關(guān)速度。20世紀(jì)80年代以來(lái)，采用二次擴(kuò)散形成的P形區(qū)和N+型區(qū)在硅片表面的結(jié)深之差來(lái)形成極短溝道長(zhǎng)度(1～2μm)，研制成了垂直導(dǎo)電的雙擴(kuò)散場(chǎng)控晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)為VDMOS。目前生產(chǎn)的VDMOS中絕大多數(shù)是N溝道增強(qiáng)型，這是由于P溝道器件在相同硅片面積下，其通態(tài)電阻是N型器件的2～3倍。因此今后若無(wú)特別說(shuō)明，均指N溝道增強(qiáng)型器件。1、電力場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)第十二頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日2.6.1電力場(chǎng)效應(yīng)管及其工作原理特點(diǎn)：

(1)垂直安裝漏極，實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電，這不僅使硅片面積得以充分利用，而且可獲得大的電流容量；

(2)設(shè)置了高電阻率的N－區(qū)以提高電壓容量；

(3)短溝道(1～

2μm)降低了柵極下端SiO2層的柵溝本征電容和溝道電阻，提高了開(kāi)關(guān)頻率；

(4)載流子在溝道內(nèi)沿表面流動(dòng)，然后垂直流向漏極。VDMOS的典型結(jié)構(gòu)1、電力場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)（續(xù)）圖2.6.1N溝道VDMOS管元胞結(jié)構(gòu)與電氣符號(hào)第十三頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日2.6.1電力場(chǎng)效應(yīng)管及其工作原理VDMOS的漏極電流ID受控于柵壓UGS

；圖2.6.1N溝道VDMOS管元胞結(jié)構(gòu)與電氣符號(hào)

2、電力場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理（1）截止：柵源電壓UGS≤0或0＜UGS≤UT(UT為開(kāi)啟電壓，又叫閾值電壓)；（2）導(dǎo)通：UGS＞UT時(shí)，加至漏極電壓UDS＞0；（3）漏極電流ID

：第十四頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日2.6.2電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管的

特性與主要參數(shù)

在不同的UGS下，漏極電流ID

與漏極電壓UDS

間的關(guān)系曲線族稱(chēng)為VDMOS的輸出特性曲線。如圖所示，它可以分為四個(gè)區(qū)域：

1）截止區(qū)：當(dāng)UGS＜UT(UT的典型值為2~4V)時(shí)；

2）線性(導(dǎo)通)區(qū)：當(dāng)UGS＞UT且

UDS很小時(shí)，ID和UGS幾乎成線性關(guān)系。又叫歐姆工作區(qū)；

3）飽和區(qū)(又叫有源區(qū))：

在UGS＞UT時(shí)，且隨著UDS的增大，ID幾乎不變;

4）雪崩區(qū)：當(dāng)UGS＞UT，且

UDS增大到一定值時(shí)；1、靜態(tài)輸出特性

圖2.6.2VDMOS管的輸出特性第十五頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日2.6.2電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特性

與主要參數(shù)

溝道體區(qū)表面發(fā)生強(qiáng)反型所需的最低柵極電壓稱(chēng)為VDMOS管的閾值電壓。一般情況下將漏極短接條件下，ID=1mA時(shí)的柵極電壓定義為UT。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，UGS=(1.5～2.5)UT，以利于獲得較小的溝道壓降。

UT還與結(jié)溫Tj有關(guān)，Tj升高，UT將下降(大約Tj每增加45℃，UT下降10%，其溫度系數(shù)為-6.7mV／℃)。。2、主要參數(shù)(1)通態(tài)電阻Ron

在確定的柵壓UGS下，VDMOS由可調(diào)電阻區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)漏極至源極間的直流電阻稱(chēng)為通態(tài)電阻Ron。Ron是影響最大輸出功率的重要參數(shù)。在相同條件下，耐壓等級(jí)越高的器件其Ron值越大，另外Ron隨ID的增加而增加，隨UGS的升高而減小。(2)閾值電壓UT第十六頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日IDM表征器件的電流容量。當(dāng)UGS=10V，UDS為某一數(shù)值時(shí)，漏源間允許通過(guò)的最大電流稱(chēng)為最大漏極電流。（）2、主要參數(shù)

（續(xù)）(3)跨導(dǎo)gm跨導(dǎo)gm定義

表示UGS對(duì)ID的控制能力的大小。實(shí)際中高跨導(dǎo)的管子具有更好的頻率響應(yīng)。(4)漏源擊穿電壓BUDS

BUDS決定了VDMOS的最高工作電壓，它是為了避免器件進(jìn)入雪崩區(qū)而設(shè)立的極限參數(shù)。(5)柵源擊穿電壓BUGSBUGS是為了防止絕緣柵層因柵源間電壓過(guò)