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1、2.5.1 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。 2）td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2.5.4 GTR的开通和 关断过程电流波形,2、GTR的开关特性,（1）开通过程：,2.5.1 电力晶体管及其工作原理,关断时间tof 为：存储时间ts和与下降时间tf之和。 ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。 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流Ib2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而
2、加快关断速度。 负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加，从而增大通态损耗。 GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多 。,图2.5.4 GTR的开通和 关断过程电流波形,2、GTR的开关特性,（1）关断过程：,2.5.1 电力晶体管及其工作原理,集电极电流最大值ICM：一般以值下降到额定值的1213时的IC值定为ICM； 基极电流最大值IBM：规定为内引线允许通过的最大电流，通常取IBM(1/21/6)ICM；,3、GTR的主要参数,(1) 电压定额,(2) 电流定额,集基极击穿电压BUCBO：发射极开路时，集基极能承受的最高电压； 集射极击穿电压BUCEO：基
3、极开路时，集射极能承受的最高电压；,2.5.1 电力晶体管及其工作原理,(5) 饱和压降UCES： 为GTR工作在深饱和区时，集射极间的电压值。 由图可知， UCES随IC增加而增加。在IC不变时，UCES随管壳温度TC的增加而增加。,表示GTR的电流放大能力。 高压大功率GTR (单管 )一般10；,图2.5.5 饱和压降特性曲线,3、GTR的主要参数（续）,(6) 共射直流电流 增益：,=ICIB,2.5.1 电力晶体管及其工作原理,一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击 穿。 只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。 二次击穿 一次击穿发生时Ic增
4、大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。,4、二次击穿和安全工作区,（1） 二次击穿,图2.5.6 一次击穿、 二次击穿原理,图2.5.7 二次击穿临界线,2.5.1 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 区FBSOA和反偏安全工作区RBSOA。,4、二次击穿和安全工作区,（2）安全工作区,安全工作区SOA(Safe Operation Area) 是指在输出特性曲线图上GTR能够安全运行 的电流、电压的极限范围。,2.5.1 电力晶体管及其工作原理 （2）、安全工作区,正偏安全工作区又叫开通安全工作区，它是
5、基极正向偏置条件下由GTR的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以及二次击穿功率PSB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2.5.9 GTR的反偏安全工作区,图2.5.8 GTR正偏安全工作区,正偏安全工作区FBSOA, 反偏安全工作区RBSOA,第二章、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、可关断晶闸管 2.5、电力晶体管 2.6、电力场效应晶体管 2.7、 绝缘栅双极型晶体管
6、 2.8、其它新型电力电子器件 2.9、电力电子器件的驱动与保护,2.6 电力场效应晶体管,1）分为结型场效应管简称JFET）和绝缘栅金属-氧化物- 半导体场效应管（简称MOSFET）。,2）通常指绝缘栅型中的MOS型，简称电力MOSFET。,3）,4）特点：输入阻抗高(可达40M以上)、开关速度快，工作频率高(开关频率可达1000kHz)、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(SOA)宽；电流容量小，耐压低，一般只适用功率不超过10kW的电力电子装置。,2.6 、电力场效应晶体管,2.6.1 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
7、数,2.6.1 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(PMOS)，器件的源极S、栅极G和漏极D均被置于硅片的一侧(与小功率MOS管相似)。存在通态电阻大、频率特性差和硅片利用率低等缺点。 20世纪70的代中期将LSIC垂直导电结构应用到电力场效应管的制作中，出现了VMOS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。 20世纪80年代以来，采用二次扩散形成的P形区和N+型区在硅片表面的结深之差来形成极短沟道长度(12m)，研制成了垂直导电的双扩散场控晶体管，简称为VDMOS。 目前生产的VDMOS中绝大多数是N沟道增强型，这是由于P沟道器件在相同硅片面积下，其通
8、态电阻是N型器件的23倍。因此今后若无特别说明，均指N沟道增强型器件。,1、电力场效应管的结构,2.6.1 电力场效应管及其工作原理,特点： (1)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； (2)设置了高电阻率的N区以提高电压容量； (3)短沟道(1 2m)降低了栅极下端SiO2层的栅沟本征电容和沟道电阻，提高了开关频率； (4)载流子在沟道内沿表面流动，然后垂直流向漏极。,VDMOS的典型结构,1、电力场效应管的结构（续）,图2.6.1 N沟道VDMOS管元胞结构与电气符号,2.6.1 电力场效应管及其工作原理,VDMOS的漏极电流ID受控于栅压UG
9、S ；,图2.6.1 N沟道VDMOS管元 胞结构与电气符号,2、电力场效应管的工作原理,（1）截止：,栅源电压 UGS0 或 0UGSUT (UT为开启电压，又叫阈值电压)；,（2）导通：,UGSUT时，加至漏极电压UDS0；,（3）漏极电流ID ：,2.6.2 电力场效应晶体管的特性与主要参数,在不同的UGS下，漏极电流ID 与漏极电压UDS 间的关系曲线族称为VDMOS的输出特性曲线 。如图2.6.2所示，它可以分为四个区域：,1）截止区：当UGSUT(UT的典型 值为24V)时； 2）线性(导通)区：当UGSUT且 UDS很小时，ID和UGS几乎成 线性关系。又叫欧姆工作区； 3）饱和
10、区(又叫有源区)： 在UGSUT时， 且随着UDS的增大，ID几乎不变; 4）雪崩区：当UGSUT，且 UDS 增大到一定值时；,1、静态输出特性,图2.6.2 VDMOS管的输出特性,2.6.2 电力场效应晶体管的特性 与主要参数,沟道体区表面发生强反型所需的最低栅极电压称为VDMOS管的阈值电压。 一般情况下将漏极短接条件下，ID=1mA时的栅极电压定义为UT。实际应用时，UGS=(1.52.5)UT，以利于获得较小的沟道压降。 UT还与结温Tj有关，Tj升高，UT将下降(大约Tj每增加45，UT下降10%，其温度系数为-6.7mV)。 。,2、主要参数,(1)通态电阻Ron,在确定的栅压
11、UGS下，VDMOS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Ron。Ron是影响最大输出功率的重要参数。 在相同条件下，耐压等级越高的器件其Ron值越大，另外Ron随ID的增加而增加，随UGS的升高而减小。,(2) 阈值电压UT,IDM表征器件的电流容量。当UGS=10V，UDS为某一数值时，漏源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定义,表示UGS对ID的控制能力的大小。实际中高跨导的管子具有更好的频率响应。,(4) 漏源击穿电压BUDS,BUDS决定了VDMOS的最高工作电压，它是为了避免器件进入雪崩区而设立的极限参数。,(5) 栅源击穿电压BUGS,BUGS是为了防止绝缘栅层因栅源间电压过高而发生介电击穿而设立的参数。一般BUGS=20V。,(6) 最大漏极电流IDM,2.6.2 电力场效应晶体管的特性与主要参数,图2.6.3 VDMOS极间 电容等效电路,（2.6.2）,2、主要参数,(7) 最高工作频率fm,定义；,式中CIN为器件的输入电容, 一般说来，器件的极间电容如图2.6.3所示。图中,输入电容：,输出电容：,反馈电容：,（2.6.3）,（2.6.4）,（2.6.5）,
