電力半導(dǎo)體器件

電力半導(dǎo)體器件2024/3/12電力半導(dǎo)體器件§3.1概述1956年美國貝爾公司發(fā)明了PNPN可觸發(fā)晶體管，1957年通用電器（GE）進(jìn)行了商業(yè)化開發(fā)，并命名為晶體閘流管，簡稱為晶閘管（thyristor）或可控硅（siliconcontrolledrectifier—SCR）。由于晶閘管類器件基本上是換流型器件，其工作頻率又比較低，由其組成的頻率變換裝置在電網(wǎng)側(cè)諧波成分高，功率因素低。70年代大功率晶體管（三極管）已進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段，它被廣泛應(yīng)用于數(shù)百千瓦以下的功率電路中，功率晶體管工作頻率比晶閘管大大提高，達(dá)林頓功率晶體管可在10KHZ以下工作,非達(dá)林頓功率晶體管可達(dá)20KHz，出現(xiàn)了所謂“20KHz”革命，其缺點(diǎn)在于存在二次擊穿和不易并聯(lián)以及開關(guān)頻率仍然偏低等問題，使其使用受到了限制。電力半導(dǎo)體器件70年代后期，功率場效應(yīng)管（POWERMOSFET）開始進(jìn)入實(shí)用階段，這標(biāo)志著電力半導(dǎo)體器件進(jìn)入高頻化階段。在80年代又研制了電流垂直流動結(jié)構(gòu)器件（VDMOS），它具有工作頻率高（可達(dá)兆HZ），開關(guān)損耗小，安全工作區(qū)寬，幾乎不存在二次擊穿，輸入阻抗高，易并聯(lián)（漏源電阻為正溫度特性）的特點(diǎn)，是目前高頻化的主要器件，盡管VDMOS器件的開關(guān)頻率高，但導(dǎo)通電阻大這一缺點(diǎn)限制了它在高頻大中功率領(lǐng)域應(yīng)用。電力半導(dǎo)體器件絕緣柵雙極型晶體管IGBT（insulatedgatebipolartransistor）。IGBT于1982年在美研制成功，1985年投入市場,為場控器件，其工作頻率超過20KHz。80年代另一重要的發(fā)展是智能化功率集成電路(SMARTPOWERIC)的研制成功，它們是在制造過程中，將功率電子電路和信息電子電路一起集成在一個芯片上或是封裝在一個模塊內(nèi)產(chǎn)生的，具有信號測試及處理、系統(tǒng)保護(hù)及故障診斷等功能，它們實(shí)際上是一種微型化的功率變換裝置。電力半導(dǎo)體器件隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及功率集成制造技術(shù)的日趨完善，電力電子技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。本章將詳細(xì)介紹快恢復(fù)二極管、晶閘管（SCR）、雙極型晶體管、功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的性能、參數(shù)、工作原理及驅(qū)動技術(shù)。返回電力半導(dǎo)體器件§3.2功率二極管P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體是兩種導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料，通過某種工藝方法將兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起，則在交界面處型成PN結(jié)。圖3-1PN結(jié)、二極管符號和二極管伏安特性電力半導(dǎo)體器件1、PN結(jié)零偏置P型半導(dǎo)體多子為空穴，N型半導(dǎo)體多子為電子，當(dāng)PN結(jié)零偏時，P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體交界處多子相互擴(kuò)散，即P型半導(dǎo)體中空穴向N型半導(dǎo)體擴(kuò)散，N型半導(dǎo)體中電子向P型半導(dǎo)體擴(kuò)散，在P型半導(dǎo)體側(cè)形成負(fù)電荷，在N型側(cè)形成正電荷，電場方向如圖3-2(a)所示，該電場方向阻礙多子擴(kuò)散，當(dāng)兩者平衡時空間電荷區(qū)達(dá)到了一定寬度，由于多子擴(kuò)散運(yùn)動和少子漂移運(yùn)動相等，總體上看沒有電流形成。電力半導(dǎo)體器件

圖3-2電力半導(dǎo)體器件2、PN結(jié)正向偏置外電場削弱了PN結(jié)內(nèi)部空間電荷區(qū)形成的內(nèi)電場，打破了多子擴(kuò)散和少子漂移的平衡，這時P區(qū)的空穴不斷涌入N區(qū)，N區(qū)的電子也不斷涌入P區(qū)，各自成為對方區(qū)中的少數(shù)載流子，電場方向如圖3-2(b)所示。當(dāng)PN結(jié)流過正向大電流時，注入基區(qū)的空穴濃度大大超過原始N型基片的多子濃度，為了維持半導(dǎo)體電中性的條件，多子濃度也要相應(yīng)的大幅度增加，即在注入大電流條件下原始N型基片的電阻率大大下降，也就是說電導(dǎo)率大大地增加，這種現(xiàn)象稱為基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。電力半導(dǎo)體器件3、PN結(jié)反偏外電場加強(qiáng)了內(nèi)部電場，從而強(qiáng)烈地阻止結(jié)多子擴(kuò)散，但該電場使漂移加強(qiáng)，這種漂移形成PN結(jié)漏電流，由于少子濃度很低，所以該漂移電流很小，且隨反偏電壓V增大而增大，但變化很小，因此反偏PN結(jié)相當(dāng)于“斷態(tài)”或“高阻狀態(tài)”。隨著反偏增大，其內(nèi)電場加強(qiáng)，空間電荷區(qū)加寬，當(dāng)增大到使結(jié)雪崩擊穿強(qiáng)度時，反向漏電流急劇增大結(jié)會因損耗急劇增大而損壞，所以結(jié)上反向電壓受雪崩擊穿電壓的限制。電力半導(dǎo)體器件4、PN結(jié)特點(diǎn)：PN結(jié)通過正向大電流時壓降只有1V左右，即雙極型器件通態(tài)壓降較小，空間電荷區(qū)的雪崩擊穿電場強(qiáng)度決定了結(jié)承受反向電壓的大小，擊穿前反向漏電流很小，一旦擊穿反向漏電流急劇增加。結(jié)正偏時呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，反偏時呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，即PN結(jié)具有單向?qū)щ娞匦?。電力半?dǎo)體器件5、PN結(jié)動態(tài)工作過程1）二極管D從導(dǎo)通轉(zhuǎn)向關(guān)斷過程所有的PN結(jié)二極管，在傳導(dǎo)正向電流時，都以少子形式存儲電荷。但是，當(dāng)二極管反向時，在二極管處于“斷態(tài)”前存儲的電荷必須全部抽出或必須被中和掉。發(fā)生這一過程所花費(fèi)的時間定義為反向恢復(fù)時間，即反向恢復(fù)時間為清除這些少數(shù)載流子達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需的時間。當(dāng)PN結(jié)正向?qū)〞r，PN結(jié)突然加一反偏電壓，反偏時高阻狀態(tài)（反向阻斷能力）的恢復(fù)需要經(jīng)過一段時間。在未恢復(fù)反偏高阻狀態(tài)之前，二極管相當(dāng)于短路狀態(tài)，這是一個很重要的特性。電力半導(dǎo)體器件

圖3-3二極管電流、電壓波形定義電力半導(dǎo)體器件在反偏電場作用下，正向電流逐步減小到零，由于PN結(jié)正向?qū)〞r在P型半導(dǎo)體內(nèi)存儲了許多電子，在N型半導(dǎo)體內(nèi)存儲了許多空穴，除了一部分少數(shù)載流子被復(fù)合掉外，其余少數(shù)載流子在反偏電場作用下，形成反向電流，當(dāng)靠近結(jié)附近的多余少數(shù)載流子離開了空間電荷區(qū)，電流開始減小，空間電荷區(qū)電場加寬，為PN結(jié)恢復(fù)反偏時高阻狀態(tài)（反向阻斷能力）創(chuàng)造條件。電力半導(dǎo)體器件恢復(fù)時間由兩個不同的時間區(qū)間（ta，tb）組成。ta被稱為存儲時間，tb被稱為渡越時間。反向恢復(fù)時間trr（耗盡存儲電荷所需的總時間）定義為：trr通常作為器件開關(guān)速度的度量，并用來決定器件是否適合于某一規(guī)定的應(yīng)用。ta為二極管反向電流從零上升到峰值所需的時間，tb為二極管反向電流從峰值降到1/4峰值電流所需的時間。由于在tb期間二極管承受高電壓的同時也承受大電流，所以二極管內(nèi)將有顯著的功率損耗。反向恢復(fù)電荷：定義為期間電流—時間曲線包圍的面積。該指標(biāo)反映了反向恢復(fù)損耗的大小。

電力半導(dǎo)體器件2）二極管導(dǎo)通特性當(dāng)PN結(jié)從反偏轉(zhuǎn)向正向?qū)〞r，PN結(jié)的通態(tài)壓降并不立即達(dá)到其靜態(tài)伏安特性所對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)壓降值，而需經(jīng)過一段正向恢復(fù)時期，在這期間，正向動態(tài)峰值壓降可以達(dá)到數(shù)伏至數(shù)十伏。圖給出了PN結(jié)正向?qū)〞r的動態(tài)波形。圖3-4二極管導(dǎo)通特性電力半導(dǎo)體器件6、二極管主要參數(shù)二極管主要參數(shù)有：額定平均電流；穩(wěn)態(tài)平均電壓；反向重復(fù)峰值電壓；反向恢復(fù)時間；反向恢復(fù)電荷量等。在反向恢復(fù)電流特性中，峰值反向電流是一個重要的參數(shù)，此外反向電流的波形衰減斜率也是一個重要參數(shù)。在電路中、在具有引線電感的PN結(jié)中，會引起電壓尖刺，變化率越高（所謂硬恢復(fù)或強(qiáng)迫關(guān)斷），則二極管和功率開關(guān)上疊加的電壓尖刺越大，因此反向電流緩慢衰減的特性（軟恢復(fù)）才是人們希望的特性。電力半導(dǎo)體器件7、二極管類型除一般類型的整流二極管外，還有：1）快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管具有較短的恢復(fù)時間（200ns～2us），但通態(tài)壓降較高,快恢復(fù)二極管常用于高頻電路的整流或鉗位。2）肖特基整流二極管肖特基二極管是用金屬沉積在N型硅的薄外延層上，利用金屬和半導(dǎo)體之間接觸勢壘獲得單向?qū)щ娮饔?，接觸勢壘相似于PN結(jié)。它導(dǎo)通時，不存在象雙極型整流二極管那樣的正反向恢復(fù)過程，恢復(fù)時間僅是勢壘電容的充放電時間，故其反向恢復(fù)時間遠(yuǎn)小于相同額定值的結(jié)型二極管。肖特基整流二極管通態(tài)壓降較普通整流二極管通態(tài)壓降低，且它的反向恢復(fù)時間僅為幾十納秒，常用于低壓高頻整流。當(dāng)肖特基整流管設(shè)計(jì)的電壓超過100V，它導(dǎo)通時少子導(dǎo)電開始占主導(dǎo)地位，這時同普通整流二極管一樣存在著恢復(fù)過程。肖特基整流二極管的反向恢復(fù)峰值電壓最大值一般為100V，額定電流從1A到300A。返回電力半導(dǎo)體器件§3.3功率晶體管GTR1、晶體管工作三種狀態(tài)晶體管（transistor）由三層半導(dǎo)體組成（構(gòu)成兩個PN結(jié)），有PNP和NPN兩種，從三塊半導(dǎo)體上各自接出一根引線就是三極管的三個電極，B為基極，C為集電極，E為發(fā)射極，符號和結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。雖然發(fā)射區(qū)和集電區(qū)都是N型半導(dǎo)體（對NPN而言），但是發(fā)射區(qū)的N型半導(dǎo)體比集電區(qū)的N型半導(dǎo)體摻的雜質(zhì)多，因此它們并不對稱。晶體管可以工作在三種狀態(tài)，即放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)。在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中，晶體管只作為開關(guān)使用，工作于截止和飽和兩種狀態(tài)。電力半導(dǎo)體器件

圖3-5晶體管符號和結(jié)構(gòu)電力半導(dǎo)體器件1）放大狀態(tài)無論是共基極接法還是共射極接法，只要集電結(jié)反偏電壓達(dá)到一定值、發(fā)射結(jié)正偏，就工作于放大狀態(tài)。2）飽和狀態(tài)工作于飽和狀態(tài)時集電結(jié)、發(fā)射結(jié)均正向偏置。以共射極接法為例，隨著基極電流增加，負(fù)載上電壓增加，而電源電壓不變，因此集電結(jié)反偏電壓必須下降。當(dāng)負(fù)載上電壓增加到集電結(jié)反偏電壓為零時，晶體管進(jìn)入臨界飽和狀態(tài)，基極電流再增加時，晶體管的飽和加深，晶體管進(jìn)入飽和時，集電極電流就不再明顯增加了。飽和狀態(tài)時發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都正偏置，飽和壓降很小。3）截止?fàn)顟B(tài)工作于截止?fàn)顟B(tài)時，即發(fā)射結(jié)正向偏置電壓為零或反偏。

圖3-6為NPN晶體管共射極接法的輸出特性電力半導(dǎo)體器件圖3-6NPN晶體管共射極接法的輸出特性電力半導(dǎo)體器件2、功率晶體管GTR的特點(diǎn)習(xí)慣上將耗散功率大于1W的晶體管稱為功率晶體管，簡稱GTR（GiantTransistor）。由于GTR在大耗散功率下工作，當(dāng)工作電流和工作電壓變化時會導(dǎo)致管子的溫度急劇變化，這樣又引起管子的工作狀態(tài)急劇變化，還會在管子內(nèi)部產(chǎn)生大的機(jī)械引力，引起GTR損壞。因此，GTR應(yīng)有下列性能要求或參數(shù)：具有高的極限工作溫度；小的熱阻；小的飽和導(dǎo)通壓降或飽和電阻；工作穩(wěn)定可靠；大電流容量；高耐壓；快的開關(guān)速度。電力半導(dǎo)體器件3、GTR開關(guān)特性GTR主要應(yīng)用于開關(guān)工作方式，采用一定的正向基極電流去驅(qū)動GTR導(dǎo)通，采用一定的反向基極電流去關(guān)斷GTR。由于GTR不是理想開關(guān)而是真實(shí)的器件，因此在開關(guān)過程中存在著延遲時間和存儲時間，如圖3-7所示。在t0時刻加一個正激勵脈沖，GTR經(jīng)過延遲和上升階段才進(jìn)入飽和區(qū)，定義開通時間為：式中：td為延遲時間，tr為上升時間。在t3時刻反向信號加到基極，GTR經(jīng)過存儲和下降時間才返回到截止區(qū)，定義關(guān)斷時間為：式中：ts為存儲時間，tf為下降時間。電力半導(dǎo)體器件

圖3-7GTR開關(guān)響應(yīng)特性電力半導(dǎo)體器件延遲時間是因?yàn)榛鶚O電流向發(fā)射結(jié)勢壘電容充電引起的；上升時間是由于基區(qū)電荷儲存需要一定時間而造成的；存儲時間是撤出基區(qū)儲存的電荷過程而引起的；下降時間是發(fā)射結(jié)和集電結(jié)勢壘電容放電的結(jié)果。電力半導(dǎo)體器件在應(yīng)用中，增大基極電流，使充電加快，、都可以縮小，但不宜過大，否則將增大儲存時間。因此在基極電路中采用加速電容是解決這一問題的一種辦法。為了加速GTR關(guān)斷，縮短關(guān)斷時間，基極驅(qū)動電路必須提供具有一定幅值的反向驅(qū)動電流，即加反向基極電壓有助于加快電容上電荷的釋放，從而減小和。但基極反向電壓不能過大，否則會將發(fā)射結(jié)擊穿，還會增大延遲時間。右圖是GTR的理想驅(qū)動波形，IB1’是正向過充驅(qū)動電流，加速GTR導(dǎo)通，維持GTR處于臨界飽和狀態(tài)；關(guān)斷時初始是負(fù)值過沖量，可縮短關(guān)斷時間，防止二次擊穿。在應(yīng)用中，一般在基極驅(qū)動電阻上并聯(lián)電容器來實(shí)現(xiàn)理想驅(qū)動。圖3-8GTR理想驅(qū)動波形電力半導(dǎo)體器件4、GTR的主要參數(shù)β值；反向漏電流；最大集電極電流；飽和電壓；結(jié)溫；最高耐壓；集電結(jié)最大耗散功率（注意溫度條件）；

電力半導(dǎo)體器件集電結(jié)消耗的功率比發(fā)射結(jié)大的多，因此晶體管總的消耗功率近似認(rèn)為是集電結(jié)消耗的功率。耗散功率要產(chǎn)生熱量，熱量使集電結(jié)結(jié)溫升高，結(jié)溫升高使集電極電流增大，又使集電結(jié)結(jié)溫升高，這是一個正反饋的過程，因此必須有良好的散熱條件，才能保證晶體管可靠工作。

GTR的耗散功率主要來自三個方面：1）導(dǎo)通損耗，即管子處于導(dǎo)通狀態(tài)的損耗；2）截止損耗；3）開關(guān)損耗，即開關(guān)過程中管子的損耗。電力半導(dǎo)體器件導(dǎo)通損耗PON，即管子處于導(dǎo)通狀態(tài)的損耗。主要取決于導(dǎo)通時的集電極電流和晶體管的飽和壓降：式中ton為GTR導(dǎo)通時間，T為開關(guān)頻率。截止損耗POFF，截止時的功率損耗為：一般講截止損耗比導(dǎo)通損耗要小的多，通常忽略不計(jì)。電力半導(dǎo)體器件開關(guān)損耗PSW，即開關(guān)過程中管子的損耗。由于晶體管不能瞬間導(dǎo)通和關(guān)斷，在開關(guān)過程中管子上同時存在電壓和電流，因此產(chǎn)生開關(guān)損耗。假定在開通和關(guān)斷過程中電壓和電流線形變化

圖3-9為集電極耗散功率示意圖。圖3-9集電極耗散功率示意圖電力半導(dǎo)體器件5、二次擊穿二次擊穿是GTR損壞的主要原因，是影響GTR變流裝置可靠性的一個重要因素。時，當(dāng)集電結(jié)的反偏電壓逐漸增大到某一值時，集電極電流急劇增大，這就是通常的雪崩擊穿，即一次擊穿現(xiàn)象。一次擊穿的特點(diǎn)是：在急劇增加的過程中，集電結(jié)的維持電壓保持不變，如圖所示。當(dāng)再增大時，上升到某一臨界點(diǎn)（）時，突然下降，繼續(xù)增長，出現(xiàn)了負(fù)阻效應(yīng)（減少，增大），這種現(xiàn)象稱為二次擊穿現(xiàn)象。二次擊穿的電壓和電流（）稱為二次擊穿的臨界電壓和臨界電流，其乘積稱為二次擊穿的臨界功率。把不同下發(fā)生二次擊穿的臨界點(diǎn)連接起來就形成二次擊穿臨界線，如圖3-11所示。圖3-11二次擊穿臨界線示意圖電力半導(dǎo)體器件晶體管的二次擊穿可以發(fā)生在其工作的各個不同階段，GTR發(fā)射結(jié)正偏壓、零偏壓和負(fù)偏壓時都可以發(fā)生二次擊穿。晶體管的二次擊穿具有下述特點(diǎn)：a、在二次擊穿臨界點(diǎn)停留的時間τ稱為二次擊穿延遲時間。對于不同類型的二次擊穿這一時間長短相差很大，長的可達(dá)100多毫秒，短的幾乎是瞬間發(fā)生。晶體管進(jìn)入二次擊穿需滿足以下條件：電力半導(dǎo)體器件

式中為二次擊穿耐量。也就是說，發(fā)生二次擊穿必須同時具備高電壓、大電流和持續(xù)時間。b、負(fù)阻特性階段的過渡過程是瞬間完成的，這一階段是非穩(wěn)定狀態(tài)，且不可逆。c、不管二次擊穿的臨界電壓和電流如何，一旦進(jìn)入二次擊穿，晶體管的集電極—發(fā)射極電壓都在10～15V左右。d、二次擊穿臨界功率和晶體管的特征頻率、下降時間和溫度都有關(guān)系，示意圖如圖3-12（a）、（b）、（c）所示。電力半導(dǎo)體器件圖3-12（a）二次擊穿臨界功率和晶體管的特征頻率關(guān)系示意圖（b）二次擊穿臨界功率和下降時間關(guān)系示意圖（c）二次擊穿臨界功率和溫度關(guān)系示意圖

電力半導(dǎo)體器件6、安全工作區(qū)（SOA）為了確保GTR在開關(guān)過程中能安全可靠的工作，其動態(tài)軌跡（）必須限定在特定的范圍內(nèi)，該范圍被稱為GTR的安全工作區(qū)SOA（safeoperationarea），一般由GTR的電流、電壓、耗散功率和二次擊穿臨界功率四條線直接圍成。如圖3-13所示。

a.正偏安全工作區(qū)FBSOA（forwardbiassafeoperationarea）正偏安全工作區(qū)FBSOA又稱導(dǎo)通安全工作區(qū)，由GTR的電流、電壓、耗散功率和二次擊穿臨界功率四條線直接圍成。FBSOA還同溫度、集電極脈沖電流持續(xù)時間有關(guān)。圖3-14是某GTR的FBSOA，由圖可知脈沖持續(xù)時間越長FBSOA區(qū)域就越小，工作溫度越高，F(xiàn)BSOA區(qū)域就越小。圖3-13晶體管或GTR安全工作區(qū)（SOA）圖3-14某GTR的正偏安全工作區(qū)FBSOA電力半導(dǎo)體器件b.反偏安全工作區(qū)RBSOA（reversebiassafeoperationarea）前面已經(jīng)指出，基射結(jié)加反相偏置可以提高GTR的集射結(jié)的一次擊穿電壓，所以幾乎所有的GTR驅(qū)動電路都采用足夠的反相基極電流來提高GTR的電壓承受能力。電力半導(dǎo)體器件c.非重復(fù)安全工作區(qū)（AOA）大功率晶體管（GTR）的過載能力是反映器件水平的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，可分為正偏非重復(fù)過載安全區(qū)（FBAOA）和反偏非重復(fù)過載安全區(qū)（RBAOA）。正偏非重復(fù)過載安全區(qū)（FBAOA）規(guī)定了發(fā)生每一種過載或短路的持續(xù)時間，這表明保護(hù)電路至少應(yīng)在這個規(guī)定的時間內(nèi)使晶體管關(guān)斷，但這并不意味著晶體管的關(guān)斷不受損壞，而應(yīng)通過FBAOA進(jìn)行檢驗(yàn)。在應(yīng)用AOA曲線時還應(yīng)注意下面兩點(diǎn)：1).過載電流大于最大值的次數(shù)應(yīng)限于規(guī)定的次數(shù)以內(nèi)。2).在下一次過載到來以前，晶體管（GTR）的結(jié)溫必須返回到規(guī)定的結(jié)溫。電力半導(dǎo)體器件7GTR模塊單個GTR電流增益比較低，一般只有10左右，顯然需要較大的驅(qū)動電流，為了驅(qū)動GTR，一般需要由其它晶體管提供基極驅(qū)動電流，這種電路連接稱為達(dá)林頓（Darlington）連接，如圖3-15所示。達(dá)林頓連接由兩個晶體管級聯(lián)組成，電路總的放大倍數(shù)是和的電流放大倍數(shù)的乘積，這樣驅(qū)動所需的基極電流就減小。圖3-15達(dá)林頓晶體管電力半導(dǎo)體器件圖3-15中電阻R1和R2在電路導(dǎo)通時為T2提供基射極的正向偏置，在電路關(guān)斷時構(gòu)成泄漏電路；二極管D2為反相基極電流提供低阻抗通道；二極管D1是快速二極管，對T2起保護(hù)作用；由圖可見，，這樣可以阻止T2進(jìn)入過飽和狀態(tài)，從而使關(guān)斷更快。將圖3-15做成集成電路，將B、C和E引出，便形成達(dá)林頓晶體管（Darlingtontransistor），達(dá)林頓晶體管有時采用三個晶體管復(fù)合的結(jié)構(gòu)。將2個達(dá)林頓晶體管或4個達(dá)林頓晶體管或6個達(dá)林頓晶體管封裝在一個外殼內(nèi)形成一個模塊，稱為兩管模塊、四管模塊和六管模塊，可以構(gòu)成一個橋臂或兩個橋臂或三個橋臂主電路。模塊的外殼設(shè)計(jì)著重考慮安裝方便，同時考慮散熱需要，將引出端子布置在一個平面，接線方便。電力半導(dǎo)體器件

圖3-16GTR雙管模塊內(nèi)部電路圖3-17某GTR六管模塊內(nèi)部電路電力半導(dǎo)體器件8GTR驅(qū)動GTR驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)方法敘述如下確定基極驅(qū)動電流。GTR的電流增益hFE（β）是在一定的集電極電流、集射極電壓和節(jié)溫條件下給出的，不能只看其標(biāo)程值，一般廠商都給出hFE~Ic曲線，hFE隨著溫度和UCE變化，因此工程上取其標(biāo)程值的70%，基極電流下式取值：電力半導(dǎo)體器件確定基—射反向電壓。基—射反向電壓可以減少關(guān)斷時間，還可以使GTR承受更高的反向電壓，并且與dv/dt引起的電流有關(guān)，試驗(yàn)證明如果這個電壓大于2V，則dv/dt引起的電流幾乎為零。因此，反向偏置電壓至少為2V，但不能超過最大反響電壓。確定反向基極驅(qū)動電流IB2。IB2增大，GTR的關(guān)斷時間縮短，但I(xiàn)B2增大，浪涌電壓增大，反向偏置安全工作區(qū)變窄，因此確定IB2反向基極驅(qū)動電流必須考慮使用頻率、反向偏置安全工作區(qū)、存儲時間和下降時間。由于浪涌電壓與的大小和主電路的設(shè)置密切相關(guān)，所以在實(shí)際應(yīng)用中由試驗(yàn)確定。一般IB2最大值為IB1的2～3倍。電力半導(dǎo)體器件1）常見驅(qū)動電路最常見的驅(qū)動電路如圖3-18（a）、（b）、（c）、（d）所示，圖3-18（a）由單電源供電，電路簡單，但是沒有提供穩(wěn)定的反向偏置電壓，一般用于小功率場合；圖3-18（b）由雙電源供電，電路中電容C是加速電容；3-18（c）為光電耦合隔離驅(qū)動電路；3-18（d）為脈沖變壓器隔離驅(qū)動電路。

圖3-18GTR最常見的驅(qū)動電路（a）單電源方式（b）雙電源方式（c）光電隔離方式（d）脈沖變壓器隔離方式電力半導(dǎo)體器件2）集成驅(qū)動電路隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，為了使GTR安全可靠的工作，現(xiàn)在已把驅(qū)動電路制成了有一定輸出功率的專用集成電路或厚膜電路，如M57215BL、M57957L、M57958L、UAA4002、HL201A、HL202A、EXB365/367等。M57215BL的內(nèi)部電路和應(yīng)用電路如圖所示，虛框內(nèi)是內(nèi)部電路，M57215BL用來驅(qū)動50A以下的GTR，圖中R3、R1分別為限制正向和反向基極電流的電阻。驅(qū)動不同電流容量的GTR時，R2、R3和C1的參數(shù)有一點(diǎn)改變。

返回電力半導(dǎo)體器件§3.4晶閘管晶閘管（Thyristor）包括普通晶閘管、雙向晶閘管、可關(guān)斷晶閘管和逆導(dǎo)晶閘管等。在不致引起混淆和誤解時，晶閘管可以用來表示晶閘管族系的任何一種器件。由于普通晶閘管被大量應(yīng)用，通常用“晶閘管”這一總稱來代替普通晶閘管的名稱。

電力半導(dǎo)體器件電力半導(dǎo)體器件1晶閘管結(jié)構(gòu)及工作原理晶閘管（Thyristor）是四層三端器件，如圖3-22a所示，它有三個PN結(jié)：J1、J2和J3，A為陽極，K為陰極，G為門極。為了說明晶閘管的工作原理，從和中間將其分為兩個部分，如圖3-22b所示，這兩個部分分別構(gòu)成NPN三極管和PNP三極管。當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓時（A-K兩端加正電壓），結(jié)J1和J3為正偏置，則中間結(jié)J2為反偏置。當(dāng)晶閘管承受反向陽極電壓時（A-K兩端加反電壓），中間結(jié)為正偏置，而J1和J3均為反偏置。電力半導(dǎo)體器件

abc圖3-22晶閘管兩晶體管模型電力半導(dǎo)體器件當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓時，為使晶閘管導(dǎo)通，必須使承受反向電壓的PN結(jié)J2失去阻擋作用，從圖3-22（c）可見，每個晶體管的集電極電流同時就是另一個晶體管的基極電流，因此，當(dāng)有足夠的門極電流流入時，就會形成正反饋，使兩個晶體管飽和導(dǎo)通，即晶閘管飽和導(dǎo)通。電力半導(dǎo)體器件設(shè)兩三極管的集電極電流相應(yīng)為IC1和IC2；發(fā)射極電流相應(yīng)為IE1和IE2；電流放大系數(shù)相應(yīng)為和；流過的反向漏電流為ICO。晶閘管陽極電流等于兩管的集電極電流和漏電流總和：或若門極電流為，則晶閘管的陰極電流為：

晶閘管的陽極電流為：電力半導(dǎo)體器件由式可知，當(dāng)晶閘管承受陽極電壓，而門極未受電壓的情況下，，很小，晶閘管陽極電流為J2的反向漏電流，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)。由于電流放大系數(shù)隨著晶閘管陽極電流的增大而增大，如圖3-23所示。無論采用何種辦法增加通過晶閘管陽極的電流，由于其內(nèi)部的正反饋?zhàn)饔?，晶閘管陽極電流增大，，流過晶閘管的電流完全由主回路的電源電壓和回路電阻所決定，晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，即使此時門極電流為零，晶閘管仍能維持原來的陽極電流而繼續(xù)導(dǎo)通，也就是說晶閘管導(dǎo)通后，門極失去作用。

電力半導(dǎo)體器件圖3-23α1和α2與晶閘管陽極電流關(guān)系電力半導(dǎo)體器件綜合上述情況，可得如下結(jié)論：當(dāng)晶閘管承受反向陽極電壓時，不論門極承受何種電壓，晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下才能被導(dǎo)通，即從關(guān)斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)必須同時具備正向陽極電壓和正向門極脈沖，也就是說觸發(fā)脈沖到來的時刻必須處在A—K兩端出現(xiàn)正向電壓的期間，否則晶閘管無法導(dǎo)通。電力半導(dǎo)體器件由于晶閘管內(nèi)部存在正反饋過程，因此晶閘管一旦被觸發(fā)導(dǎo)通后只要晶閘管中流過的電流達(dá)到一定臨界值，即使把觸發(fā)信號撤走，晶閘管仍能維持導(dǎo)通，這個臨界電流值被稱為摯住電流。晶閘管在導(dǎo)通狀態(tài)下，無論采用何種辦法使通過晶閘管的電流下降到某一臨界值，晶閘管將自動從通態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閿鄳B(tài)，這個臨界電流值被稱為維持電流。

電力半導(dǎo)體器件2伏安特性

晶閘管陽極與陰極間的電壓和晶閘管陽極電流的關(guān)系，簡稱晶閘管的伏安特性。簡單的晶閘管主電路和晶閘管的伏安特性如圖3-24所示，其正向特性位于第一象限內(nèi)，反向特性位于第三象限內(nèi)。圖3-24簡單的晶閘管主電路和晶閘管的伏安特性電力半導(dǎo)體器件晶閘管的反向特性是指晶閘管的反向陽極電壓（陽極相對陰極為負(fù)電壓）與陽極漏電流的伏安特性，晶閘管的反向伏安特性與一般二極管的伏安特性相似。正常情況下，晶閘管承受反向陽極電壓時，晶閘管總是處于阻斷狀態(tài)。當(dāng)反向陽極電壓增加到一定值時，其反向漏電流增加較快，若反向陽極電壓繼續(xù)增大，將導(dǎo)致晶閘管損壞。晶閘管的正向特性是指晶閘管的正向陽極電壓（陽極相對陰極為正電壓）與陽極漏電流的伏安特性，包括通態(tài)和斷態(tài)兩種情況：電力半導(dǎo)體器件1）在門極電流為零時，晶閘管處于斷態(tài)，只有很小的漏極電流，這時逐漸增大晶閘管的正向陽極電壓，當(dāng)達(dá)到正向轉(zhuǎn)折電壓時，漏電流突然劇增，特性曲線從高阻區(qū)經(jīng)負(fù)阻區(qū)到達(dá)低阻區(qū)，晶閘管從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)通狀態(tài)。2）晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)時，晶閘管特性和一般二極管的正向伏安特性相似，即通過較大的陽極電流，而晶閘管本身的導(dǎo)通壓將卻很小。在正常工作時，不允許把正向陽極電壓加到轉(zhuǎn)折值，而是靠門極的觸發(fā)電流使晶閘管導(dǎo)通，晶閘管門極的觸發(fā)電流越大，陽極電壓轉(zhuǎn)折點(diǎn)越低。電力半導(dǎo)體器件3晶閘管主要參數(shù)1）晶閘管電壓參數(shù)正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓：晶閘管斷態(tài)時，A和K兩端出現(xiàn)的重復(fù)最大電壓瞬時值；反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓：晶閘管A和K兩端出現(xiàn)的重復(fù)最大反向電壓瞬時值；額定電壓：正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓和反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓中較小的那個數(shù)值作為器件的額定電壓。通態(tài)（峰值）電壓：晶閘管通過一倍或規(guī)定倍數(shù)額定電流值時的瞬態(tài)峰值電壓，從減小損耗和器件發(fā)熱的觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)該選擇通態(tài)較小的晶閘管。電力半導(dǎo)體器件2）晶閘管電流參數(shù)通態(tài)平均電流：所謂通態(tài)平均電流是指50赫茲的工頻正弦半波的通態(tài)電流在一個周期內(nèi)的平均值；晶閘管的額定電流即一定條件下的最大通態(tài)平均電流，設(shè)流過晶閘管的交流電流峰值為，根據(jù)通態(tài)平均電流的定義可得：

電力半導(dǎo)體器件設(shè)電流有效值為I，則正弦半波的電流有效值為：正弦半波情況下電流有效值和通態(tài)平均電流的比值：

設(shè)晶閘管最大能夠流過的任意波形電流的平均值為Id，定義有效值和平均值之比為波形系數(shù)電力半導(dǎo)體器件根據(jù)電流有效值相等，，則晶閘管能夠流過的任意波形電流平均值的最大值和晶閘管通態(tài)平均電流（晶閘管的額定電流）的關(guān)系：如果流過晶閘管的電流波形為正弦半波，則晶閘管最大能夠流過的電流平均值等于晶閘管的額定電流。要求出晶閘管最大能夠流過的任意波形電流的平均值，必須知道這種電流波形的波形系數(shù)和晶閘管的額定電流，晶閘管的額定電流在選定了晶閘管后即可知道，波形系數(shù)必須由定義求出該波形的通態(tài)平均電流和電流有效值才能得到。電力半導(dǎo)體器件維持電流IH：使晶閘管維持通態(tài)所必須的最小值；摯住電流IL：晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)，并移除觸發(fā)信號之后，能保持通態(tài)所需的最小值。維持電流是晶閘管導(dǎo)通后逐步減小陽極電流，當(dāng)電流降低到IH以下時晶閘管就關(guān)斷了。顯然，維持電流和摯住電流這兩個概念是不同的。摯住電流的數(shù)值與工作條件有關(guān)，對于同一晶閘管來說，通常擎住電流約為維持電流的2-4倍。

3）晶閘管門極參數(shù)觸發(fā)電流IG：使晶閘管由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)所必需的最小門極電流。門極觸發(fā)電壓UGT

。產(chǎn)生門極觸發(fā)電流所必需的最小門極電壓。電力半導(dǎo)體器件4)晶閘管動態(tài)參數(shù)和結(jié)溫晶閘管不能作為線性放大器件，只有兩種狀態(tài)：導(dǎo)通和關(guān)斷。晶閘管工作波形如圖3-26所示，當(dāng)門極電流IG到來時，陽極電流要延遲td才開始上升，經(jīng)過上升時間tr后達(dá)到陽極電流IA的穩(wěn)態(tài)值，定義：電力半導(dǎo)體器件圖3-26晶閘管的開關(guān)波形（a）門極電流；（b）陽極電流；（c）陽極電壓

電力半導(dǎo)體器件電路施加反向電壓UR于晶閘管A、K兩端，迫使它的陽極電流從穩(wěn)態(tài)值開始下降，然而晶閘管并不能在陽極電流下降到零時刻就可以承受外加反向電壓，而需經(jīng)過一個反向恢復(fù)期，這個過程類似于整流管的反向恢復(fù)過程。盡管晶閘管此時可以加上反向電壓，但并未恢復(fù)門極控制能力，也就是說，這時還不能在晶閘管上施以一定變化率的正向電壓（重加），還需經(jīng)過一段恢復(fù)門極控制能力的階段，晶閘管才能真正關(guān)斷。因此器件的關(guān)斷時間定義為從陽極電流降為零起到能加上一定變化率的正向電壓為止這一段時間。電力半導(dǎo)體器件晶閘管的四個動態(tài)參數(shù)及結(jié)溫分別為：開通時間ton；關(guān)斷時間toff；斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的最大主電壓上升率。過大的du/dt會引起誤導(dǎo)通。通態(tài)電流臨界上升率di/dt。在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。額定結(jié)溫。器件在正常工作時所允許的最高結(jié)溫。在此溫度下，一切有關(guān)的額定值和特性都得到保證。電力半導(dǎo)體器件4晶閘管觸發(fā)電路由于晶閘管屬于電流驅(qū)動器件，因而首先要求觸發(fā)電路具有較大的驅(qū)動電流，觸發(fā)電流應(yīng)略大于額定值；其次應(yīng)盡量采用脈沖序列觸發(fā)，以防止誤關(guān)斷；第三，從安全和抗干擾角度出發(fā)，應(yīng)使用脈沖變壓器或光電隔離輸出。

電力半導(dǎo)體器件5派生器件1）逆導(dǎo)晶閘管RCT（ReverseConductingThyristor）逆導(dǎo)晶閘管的作用相當(dāng)于一個晶閘管和一個整流二極管反并聯(lián)，其正向特性與普通晶閘管一樣，具有可控性；其反向特性是整流管的正向特性。其基本結(jié)構(gòu)、等效電路、符號和伏安特性如圖3-30所示。電力半導(dǎo)體器件圖3-30逆導(dǎo)晶閘管a．基本結(jié)構(gòu)b．等效電路ｃ．符號ｄ．伏安特性電力半導(dǎo)體器件晶閘管區(qū)和整流管區(qū)之間的隔離區(qū)是極為重要的。如果沒有隔離區(qū)，則反向恢復(fù)期間充滿整流管的載流子就可能到達(dá)晶閘管區(qū)，并在晶閘管承受正陽極電壓時，引起誤導(dǎo)通，即所謂換流失敗。與普通晶閘管相比較，逆導(dǎo)晶閘管具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。由于逆導(dǎo)晶閘管等效于兩個反并聯(lián)的普通晶閘管和整流管，即晶閘管和整流管集成在同一芯片上，使兩種元件和為一體，縮小了組合元件的體積，因此在使用時，使元件的數(shù)目減少、裝置體積縮小、重量減輕、價格降低、接線簡單、可靠性提高、經(jīng)濟(jì)性好，特別是消除了整流管的接線電感，使晶閘管承受的反向偏置時間增加。電力半導(dǎo)體器件同時帶來了所謂逆導(dǎo)晶閘管的換流能力問題。逆導(dǎo)晶閘管的換流能力是指器件反向?qū)ê蠡謴?fù)正向阻斷特性的能力。逆導(dǎo)晶閘管的額定電流分別以晶閘管電流和整流管電流表示，一般前者列于分子，后者列于分母。電力半導(dǎo)體器件2）雙向晶閘管TRIAC雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)、符號及靜態(tài)特性如圖3-31所示。雙向晶閘管不論從結(jié)構(gòu)還是從特性方面來說，都可以把它看成是一對反向并聯(lián)的普遍晶閘管。由于在制造過程中，它不是簡單的把兩個晶閘管組合在一起的。電力半導(dǎo)體器件

圖3-31雙向晶閘管a結(jié)構(gòu)b等效電路c符號d伏安特性電力半導(dǎo)體器件特點(diǎn)：它有兩個主電極T1和T2，一個門級G，使得在主電極的正、反兩個方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，即雙向晶閘管在第一象限（Ⅰ）和第三象限（Ⅲ）有對稱的伏安特性。雙向晶閘管具有四種門極觸發(fā)方式：即T2為正，T1為負(fù)，門極G相對主電極T2的電壓極性為正或負(fù)時的兩種驅(qū)動方式（Ⅲ+、Ⅲ-）；T1為正，T2為負(fù)，門極G相對主電極T1的電壓極性為正或負(fù)時的兩種驅(qū)動方式（Ⅰ+、Ⅰ-）。常采用Ⅰ-和Ⅲ-兩種觸發(fā)方式。電力半導(dǎo)體器件由于雙向晶閘管可在交流調(diào)壓、可逆直流調(diào)速等電路中代替兩個反并聯(lián)普通晶閘管，因此可以大大簡化電路，并且只有一個門極，而且正、負(fù)脈沖都能使它觸發(fā)導(dǎo)通，所以觸發(fā)電路設(shè)計(jì)靈活。雙向晶閘管在交流電路中使用時，必須承受正、反兩個半波電流和電壓，在一個方向?qū)щ娊Y(jié)束時刻，由于芯片中的載流子還沒有恢復(fù)到截止?fàn)顟B(tài)，這時在相反方向承受電壓，這些載流子電流有可能作為晶閘管反向工作時的觸發(fā)電流而誤導(dǎo)通，從而造成換流失敗。雙向晶閘管常用于交流電路中電阻性負(fù)載，也可用于固態(tài)繼電器，難于應(yīng)用于感性負(fù)載,目前已有應(yīng)用于感性負(fù)載的TRIAC,通常用有效值表示它的額定電流。電力半導(dǎo)體器件3）門極關(guān)斷晶閘管GTO（GateTurnoffThyristor）可關(guān)斷晶閘管（GTO）是在門極加正脈沖電流就導(dǎo)通，加負(fù)脈沖電流就能關(guān)斷的器件。它的基本結(jié)構(gòu)和伏安特性與普通晶閘管相同，主要特點(diǎn)是導(dǎo)通時a1+a2近似等于1，而不是象普通晶閘管導(dǎo)通時遠(yuǎn)大于1。由于普通晶閘管導(dǎo)通時a1+a2遠(yuǎn)大于1，器件飽和程度深，因而無法用門極負(fù)脈沖電流關(guān)斷，可關(guān)斷晶閘管（GTO）導(dǎo)通時a1+a2略大于1，處于臨界飽和狀態(tài)，因此可關(guān)斷晶閘管（GTO）在門極用負(fù)脈沖電流就能關(guān)斷。電力半導(dǎo)體器件可關(guān)斷晶閘管（GTO）關(guān)斷等效電路和關(guān)斷時陽極電流和門極電流的波形，如圖3-32所示，符號、門極靜態(tài)伏安特性如圖3-33所示。開關(guān)K閉合，門極加上負(fù)偏壓（-VG），晶體管P1N1P2的集電極電流被抽出來，形成門極負(fù)電流（-IG）。由于的部分電流被抽走，引起晶體管N1P2N2的基極電流減小，從而集電極電流減小，如此循環(huán)，最終導(dǎo)致GTO關(guān)斷。

電力半導(dǎo)體器件圖3-32GTO關(guān)斷等效電路和關(guān)斷時陽極電流和門極電流的波形電力半導(dǎo)體器件

圖3-33GTO符號、門極靜態(tài)伏安特性電力半導(dǎo)體器件在GTO關(guān)斷情況下，逐漸增加門極正向電壓和電流，當(dāng)達(dá)到導(dǎo)通門極電流Igf時，由于陽極電流IA的出現(xiàn)，使門極電壓產(chǎn)生躍增，陽極電流越大，躍增越大。在可關(guān)斷晶閘管（GTO）導(dǎo)通情況下，給門極逐漸施以反向電壓，按陽極電流的不同，門極的工作點(diǎn)沿伏安特性從第一象限經(jīng)第四象限而到達(dá)第三象限。當(dāng)門極反向電流、電壓到達(dá)某一數(shù)值時，陽極電流開始下降，隨著陽極電流的不斷下降，a1和a2也不斷減小，當(dāng)a1+a2≤1時，器件內(nèi)部正饋?zhàn)饔猛Ｖ梗枠O電流逐漸下降到零，可關(guān)斷晶閘管關(guān)斷。關(guān)斷所需的門極電流和電壓數(shù)值比觸發(fā)電流和電壓大,并且與GTO的陽極電流大小有關(guān)。在關(guān)斷點(diǎn)上門極特性再次發(fā)生躍變，門極電壓增加，而門極電流下降。完全阻斷后，沒有陽極電流流過GTO，門極的工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移到門極PN結(jié)的反向特性。電力半導(dǎo)體器件圖3-33中，ugk為門極的反向擊穿電壓，tr+tf為GTO的關(guān)斷時間。可關(guān)斷晶閘管（GTO）需要相對大的門極關(guān)斷電流（一般為陽極電流的五分之一）來關(guān)斷它，實(shí)際上它能夠用高幅值的窄脈沖電流來關(guān)斷它。與普通晶閘管比較，GTO具有如下優(yōu)點(diǎn)：只需提供足夠幅度、寬度的門極關(guān)斷脈沖信號，就可以保證可靠關(guān)斷。具有較高的開關(guān)速度，工作頻率介于晶閘管和GTR之間，極限工作頻率可達(dá)100KHZ。返回電力半導(dǎo)體器件§3.5靜電感應(yīng)器件在電極上加上負(fù)電壓，電極附近的電子就會離開，在加了負(fù)偏壓的區(qū)域附近沒有電子的現(xiàn)象就是靜電感應(yīng)（StaticInduction）效應(yīng)。圖3-34是用結(jié)構(gòu)成的靜電感應(yīng)晶體管的原理示意圖，在左、右電極之間，通過電流，如在上面的電極上加上負(fù)電壓，則附近的電子逃逸，因而在虛線A的范圍內(nèi)部不存在電子，這時僅從該區(qū)域的下方通過電流，因此減少了電流流通，用這種方法，可改變加在負(fù)載電阻RL兩端的電壓，即可以發(fā)生放大作用。上面電極所流過的電流只是靜電電容器的放電電流。電力半導(dǎo)體器件

圖3-34靜電感應(yīng)晶體管電力半導(dǎo)體器件實(shí)際上，如果在上面所裝的控制電極（柵極）長度較長時，右端沒有電子的區(qū)域（稱為耗盡層）這時向外側(cè)進(jìn)一步擴(kuò)大，如圖3-34虛線所示。隨著外加在下面n型半導(dǎo)體兩端電極上的偏壓的不斷增加，耗盡層最后在右端最終可橫穿過n型半導(dǎo)體，達(dá)到下部。這樣一來，對于從右向左流過的電流，電阻增大，該電阻被稱為溝道電阻Rch。將其分開寫，引入跨電導(dǎo)Gm：

式中Gm0可視為Rch為0時的值，當(dāng)Rch的值很小，時，則有：電力半導(dǎo)體器件相反，如果，則有：通常被稱為場效應(yīng)晶體管（FET）的就屬于后者，而前者就稱為靜電感應(yīng)晶體管。FET視為利用靜電感應(yīng)效應(yīng)改變溝道電阻的晶體管。電力半導(dǎo)體器件當(dāng)溝道基本上被耗盡層橫切而切斷時（切斷時的電壓稱為夾斷電壓：當(dāng)為某一固定值值，使電流為微小電流，此時柵源之間所加的電壓為夾斷電壓，）。由于電流是從左方流入電子的，如果由于某種原因使電流增大，則溝道中的壓降也會增大，即增大，增大，從而使溝道寬度變窄，溝道電阻Rch增加，于是流過溝道的電流減少。如果電流由于某種原因減少，在溝道中的壓降也會減少，也會減少，從而使溝道寬度變寬，使溝道電阻減少，于是溝道的電流增大，這是一種負(fù)反饋。正是由于溝道電阻的負(fù)反饋?zhàn)饔?，電流可以基本穩(wěn)定而無變化的繼續(xù)流過。，返回電力半導(dǎo)體器件1、靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶體管SIT（StaticInductiontransistor）分常通型和常斷型兩種。常通型SIT在柵偏壓為零時，處于導(dǎo)通狀態(tài)，柵電壓加負(fù)偏壓可以關(guān)斷它的漏極電流；常斷型SIT在柵偏壓為零時，漏極電流被截斷而處于斷開狀態(tài)，在柵源之間加正偏壓時，便成導(dǎo)通狀態(tài)，常斷型SIT被稱為雙極模式SIT（BSIT）。圖3-35是常通型n型SIT的結(jié)構(gòu)剖面示意圖，SIT的符號示于圖3-36。P型溝道和N型溝道的SIT的表示法和晶體管一樣，箭頭向外表示n型，這里主要介紹常通型的SIT。

電力半導(dǎo)體器件圖3-35剖面結(jié)構(gòu)是一種使柵區(qū)P+隱埋于源漏之間的N+型半導(dǎo)體中，這種結(jié)構(gòu)稱為埋柵結(jié)構(gòu)，SIT是利用漏極電壓和門極電壓的靜電感應(yīng)來調(diào)制溝道內(nèi)部的電位分布和勢壘高度，從而控制由源區(qū)注入的多子濃度。

圖3-35SIT結(jié)構(gòu)剖面示意圖圖3-36符號電力半導(dǎo)體器件由于沒有來自柵極的載流子注入，因此能夠以極高的速度工作，即高頻特性和高速開關(guān)特性優(yōu)異。由于溝道電阻非常小，可以忽略，源極電阻成了內(nèi)阻的主要部分，因此電流具有負(fù)溫度特性，不容易發(fā)生熱擊穿，無電流集中，耐壓強(qiáng)度高。由于輸入阻抗高，是電壓驅(qū)動器件，驅(qū)動功率小。非飽和電壓和電流特性：由于溝道電阻極小，由它決定的負(fù)反饋量就小，所以輸出電壓和電流特性顯示典型的指數(shù)函數(shù)特性。電力半導(dǎo)體器件常通型SIT的輸出特性如前所述，常通型SIT的輸出特性是非飽和的電壓電流特性，如圖3-37所示，負(fù)載電阻一經(jīng)確定，就和一般的電路設(shè)計(jì)一樣，畫出負(fù)載線，把工作范圍分為飽和區(qū)、截止區(qū)和線性工作區(qū)三部分。圖3-37常通特性SIT的輸出特性電力半導(dǎo)體器件開關(guān)工作方式使用SIT的場合，SIT工作在飽和區(qū)和截止區(qū)，線性放大方式使用的場合，SIT工作在線性工作區(qū)。開關(guān)工作方式的基本電路如圖3-38，當(dāng)輸入脈沖時，SIT工作在飽和區(qū)，SIT處于導(dǎo)通狀態(tài)，不加輸入脈沖時，柵極電位為負(fù)，工作在截止區(qū)，為關(guān)斷狀態(tài)。線性工作方式的基本電路如圖3-39，只是和的數(shù)值取線性區(qū)中心附近的電壓，大約分別為開關(guān)工作方式時的電壓值的二分之一。

圖3-38SIT開關(guān)工作方式的基本電路3-39SIT線性工作方式的基本電路電力半導(dǎo)體器件SIT應(yīng)用注意事項(xiàng)a.常通型SIT必須先加?xùn)牌珘?然后再加漏極電壓。不加?xùn)艍簳r，源漏之間導(dǎo)通，如果這樣加漏極電壓的話，就會發(fā)生過流，從而損壞SIT。b.柵源間電壓VGS必須考慮到電壓放大系數(shù)，且在柵源間耐壓容許的范圍內(nèi)盡可能加大，以便充分截止漏極電流。電壓放大系數(shù)一般規(guī)定為時的值，但是，它隨著VGS、VDS的大小而變化，電壓增大時，電壓放大系數(shù)增大。如果考慮開關(guān)工作時的峰值和尖峰電壓等，就必須根據(jù)下面的公式求出需外加的基準(zhǔn)值。c.為了減少開關(guān)損耗和提高開關(guān)頻率，SIT導(dǎo)通時應(yīng)加一個很小的正向偏置電壓。d.SIT是電壓控制器件，開關(guān)工作特性好，但開關(guān)工作時常發(fā)生尖峰電壓，所以必須采取保護(hù)措施，使尖峰電壓不超過SIT的最大耐壓。電力半導(dǎo)體器件2、靜電感應(yīng)晶閘管大功率靜電感應(yīng)晶閘管SIThy（StaticInductionThyistor）一般采用隱埋柵結(jié)構(gòu)，迄今為止，所開發(fā)的隱埋柵結(jié)構(gòu)的大功率靜電感應(yīng)晶閘管主要是常通型器件，圖3-40為具有常通特性的SIThy的基本結(jié)構(gòu)以及工作原理說明圖。該SITHy的p+n-n+二極管的n-層內(nèi)，埋入了起門極作用的p+層，該p+層被n-包圍，相鄰兩個p+層的間隔被稱為溝道。在門極和陰極之間無負(fù)偏壓時，按照p+n-n+二極管工作，如圖3-40(a)所示，該SITHy處于導(dǎo)通狀態(tài)。在門極和陰極之間加負(fù)偏壓時，即圖3-40(b)中合上開關(guān)，在p+n-p+晶體管區(qū)加上了主電源電壓和門極電源電壓之和的偏壓在門極區(qū)，門極區(qū)附近的n-層內(nèi)的空穴被吸引。此外在n+p+n-靜電感應(yīng)晶體管區(qū)域中的n-p+結(jié)上加上了反向偏壓，因此，n層內(nèi)的電子被掃向陰極。其結(jié)果在n-層和p+層的邊界附近和溝道中形成了電荷較少的高電阻的空穴層，使其處于阻斷狀態(tài)。電力半導(dǎo)體器件

圖3-40(a)導(dǎo)通狀態(tài)(b)阻斷狀態(tài)(c)SIThy電路符號電力半導(dǎo)體器件SIT、SITHy的靜態(tài)伏安特性曲線如圖3-41所示，他們的正向特性類似于真空三極管的特性曲線，在柵壓為零時，這兩種器件均處于導(dǎo)通狀態(tài)，即器件的正向阻斷電壓為零；隨著負(fù)柵壓的增加，器件的正向阻斷電壓增加。因此設(shè)計(jì)驅(qū)動電路時，一般關(guān)斷器件需要數(shù)十伏負(fù)柵壓，器件導(dǎo)通亦可加5~6V正柵壓，以降低器件的通態(tài)壓降。圖3-41SIT、SITHY的靜態(tài)伏安特性曲線電力半導(dǎo)體器件§3.6功率場效應(yīng)晶體管1基本結(jié)構(gòu)橫向N溝導(dǎo)MOSFET如圖3-42a所示，包括一片輕摻雜P型基底，其上擴(kuò)散了兩個高摻雜的N+區(qū)作為源極和漏極，在兩者之間是受光刻工藝制約的溝道。這一結(jié)構(gòu)導(dǎo)致溝道長度長、反向耐壓低和導(dǎo)通電阻大等缺點(diǎn)。橫向雙擴(kuò)散MOSFET功率晶體管（LDMOS），如圖3-42b所示，所有端子仍在晶片頂部，由于頂部漏極結(jié)構(gòu)所需的面積使硅平面利用率較低，這是該結(jié)構(gòu)的一個主要缺點(diǎn)。電力半導(dǎo)體器件V形槽MOSFET，簡稱為VVMOS，如圖3-42c所示。這種結(jié)構(gòu)是在n+襯底上的n-外延層上，先后進(jìn)行p型區(qū)兩次選擇擴(kuò)散，然后利用優(yōu)先蝕刻形成V形槽。由于這種結(jié)構(gòu)第一次改變了MOSFET的電流方向，電流不再是沿表面水平方向流動，而是從n+源極出發(fā)，沿溝道流到n-漂移區(qū)，然后垂直的流到漏極。這種結(jié)構(gòu)主要缺點(diǎn)是由于它的非平面結(jié)構(gòu)，使晶片成本升高。VDMOS采用具有密集源胞結(jié)構(gòu)的VDMOS技術(shù)，其N溝道源胞結(jié)構(gòu)如圖3-42d所示，這一結(jié)構(gòu)與圖b類似，只是將漏極移到了N-基底的下面，晶片的底部。柵極結(jié)構(gòu)是多晶硅夾在兩個氧化層之間，源極金屬均勻覆蓋于整個工作表面，這一結(jié)構(gòu)保持了平面LDMOS的優(yōu)點(diǎn)，更有可能制造出低值和高耐壓的產(chǎn)品。通常一個VDMOS管是由許多源胞構(gòu)成，一個功率MOSFET芯片的源胞密度可達(dá)每立方英寸140000個。電力半導(dǎo)體器件

圖3-42MOSFET的四種結(jié)構(gòu)電力半導(dǎo)體器件2、N溝道增強(qiáng)型VDMOS工作原理功率MOSFET有三個極：柵極G（SILICONGATE）；源極S（SOURCE）；漏極D（DRAIN）。柵極由多晶硅制成，它同基區(qū)之間隔著薄層，因此它同其他兩個極間是絕緣的，只要層不被擊穿，柵極與源極之間的阻抗是非常高的。這種N溝道增強(qiáng)型器件在使用時源極接電源負(fù)端，漏極接電源正端，N溝道增強(qiáng)型功率MOSFET的符號如圖所示。為了解MOS管工作原理，首先看一下多晶硅G——P半導(dǎo)體構(gòu)成的MOS結(jié)構(gòu)，在柵極和源極之間加正電壓，當(dāng)達(dá)到某一臨界值（柵極閥值電壓）時，靠近附近的P型表面層形成了與原來半導(dǎo)體導(dǎo)電性相反的層，即N反型層，這個反型層被稱為溝道，N溝道將漏極和源極連接起來，形成了從漏極到源極的電流，電流從漏極垂直地流進(jìn)硅片，經(jīng)過器件的基區(qū)，水平地流過溝道區(qū)，然后垂直地流過源極，VDMOS管就導(dǎo)通了。由上述分析可知，VDMOS管的動態(tài)響應(yīng)是非常快的，它僅受MOS電容充放電速度的影響。電力半導(dǎo)體器件圖3-43N溝道增強(qiáng)型功率MOSFET的符號電力半導(dǎo)體器件3、VDMOS主要電參數(shù)（1）開啟電壓：開啟電壓即擴(kuò)散溝道區(qū)發(fā)生變形使溝道導(dǎo)通所必需的柵源電壓。隨著柵極電壓的增加，導(dǎo)電溝道逐漸“增強(qiáng)”，即其電阻逐漸減小，電流逐漸增大。（2）漏極電流：當(dāng)柵極加適當(dāng)?shù)臉O性和大小的電壓時，溝道連接了源極和漏極的輕摻雜區(qū)，并且產(chǎn)生了漏極電流。當(dāng)漏極電壓較小時，漏極電流與漏極電壓呈線性關(guān)系：

其中：為載流子遷移率；C0為單位面積的柵極氧化電容；Z為溝道寬度；L為溝道長度。電力半導(dǎo)體器件隨著漏極電壓的增加，漏極電流出現(xiàn)飽和與VGS平方成一定關(guān)系：（3）互導(dǎo)：VDMOS的互導(dǎo)或增益定義為漏極電流對柵源電壓的變化率：（4）靜態(tài)漏源導(dǎo)通電阻RDS(on)：靜態(tài)漏源導(dǎo)通電阻定義為漏極電流從漏極流到源極遇到的總電阻。如圖3-44（a）所示，VDMOS的導(dǎo)通電阻主要由四部分組成：

電力半導(dǎo)體器件式中：rCH為反型溝道區(qū)電阻；rACC為柵漏積累區(qū)電阻；rJFET為結(jié)型場效應(yīng)管夾斷電阻；rD為輕摻雜區(qū)電阻（漏極電阻）；溝道電阻隨著溝道長度增加而增加，累積區(qū)電阻隨基底寬度增加而增加，夾斷電阻隨結(jié)電阻的增加而增加，三者都與溝道寬度和柵源電壓成反比。漏極電阻rD與結(jié)電阻、基底寬度成正比，與溝道寬度成反比。

圖3-44(a)VDMOS導(dǎo)通電阻示意圖電力半導(dǎo)體器件圖3-44(b)柵源電壓VGS與漏源導(dǎo)通電阻RDS(on)影響電力半導(dǎo)體器件這表明，對于高壓大功率VDMOS，結(jié)厚且結(jié)電阻值很高，其靜態(tài)漏源導(dǎo)通電阻主要由rD決定。低壓器件結(jié)薄且結(jié)電阻值低，整個靜態(tài)漏源電阻中rCH占很大部分。圖3-44(b))示出了柵源電壓與漏源導(dǎo)通電阻的關(guān)系曲線，圖中兩條曲線，變化較大者為低壓器件，較小者為高壓器件，由圖可知，柵極電壓增加到12V電壓以上時，RDS(on)下降變得緩慢；低耐壓器件變化較大，高耐壓器件變化緩慢。MOS管的導(dǎo)通電阻具有正的溫度系數(shù)，因此漏極電流就具有負(fù)的溫度系數(shù)，這就是MOS管易于并聯(lián)的原因。電力半導(dǎo)體器件（5）反向耐壓：VDMOS的反向耐壓或擊穿電壓與GTR定義相同，這里的擊穿指的是雪崩擊穿。（6）VDMOS管電容：在VDMOS結(jié)構(gòu)的功率MOSFET存在兩種固有電容:與MOS結(jié)構(gòu)有關(guān)的電容和與PN結(jié)有關(guān)的電容。VDMOS器件的寄生電容如圖所示。柵源電容和柵漏電容是MOS電容，漏源電容是與PN結(jié)有關(guān)的電容。當(dāng)器件導(dǎo)通時，柵漏電容突然增加，由兩部分組成，一部分是柵極與源極之間的金屬氧化物之間的電容，與工作電壓無關(guān)，另一部分是柵極與溝道之間的電容，隨著工作條件不同有很大的變化。電力半導(dǎo)體器件

圖3-45VDMOS器件的寄生電容電力半導(dǎo)體器件VDMOS的極間電容不是一個固定參數(shù)，它是漏源電壓和柵源電壓的函數(shù)，通常用輸入電容、輸出電容和轉(zhuǎn)移電容定義VDMOS的極間電容：

圖3-46給出了變化趨勢，橫坐標(biāo)上標(biāo)出變量（VGS和VDS

測試條件(VGS=0和VDS=0)。

圖3-46VDMOS工作過程中極間電容變化電力半導(dǎo)體器件由于輸入電容隨著變化，柵極驅(qū)動源阻抗和決定的RC時間常數(shù)在開關(guān)周期內(nèi)是變化的，因此用柵極驅(qū)動源阻抗和輸入電容來計(jì)算柵極電壓上升時間只是一個粗略的估計(jì)。轉(zhuǎn)移電容()又稱為米勒電容，在器件工作過程中影響了開關(guān)時間。當(dāng)MOSFET處于斷態(tài)時，，等于電源電壓，這意味著轉(zhuǎn)移電容()上的電壓被充電至漏極電源電壓，當(dāng)器件導(dǎo)通時，漏源電壓相當(dāng)小，為，而約為15V，因此轉(zhuǎn)移電容()被充電至，如果認(rèn)定漏極為正極，則該電壓為負(fù)值，即轉(zhuǎn)移電容上的電壓在工作過程中極性發(fā)生變化，這個電壓的大幅度擺動對柵極驅(qū)動源的電流輸出和吸收能力提出了嚴(yán)格的要求。在導(dǎo)通過程中，柵極驅(qū)動源不僅要對進(jìn)行充電，而且還要為提供轉(zhuǎn)移電流。電力半導(dǎo)體器件4、功率MOSFET柵極充電說明

確定功率MOSFET輸入阻抗的另一種方法是給出柵極充電曲線，這樣一條曲線指出了導(dǎo)通的不同階段必須供給柵極的電量。由于這些曲線形式簡單、便于使用且信息量大，它們以及相應(yīng)的柵極電量額定值正逐步取代輸入電容額定值。圖3-47是柵極電量測試電路，用恒流源對MOSFET的輸入電容進(jìn)行充電，恒定的電流保證了輸入電容以恒定速率被充電，波形便同時給出了與柵極電量和時間的關(guān)系。圖3-48是某一MOSFET導(dǎo)通期間柵源電壓、漏源電壓和漏極電流的示意波形。在這里柵極驅(qū)動電流為1mA，漏極負(fù)載電流為15A。電力半導(dǎo)體器件圖3-47柵極電量測試電路電力半導(dǎo)體器件圖3-48某MOSFET導(dǎo)通期間柵源電壓、漏源電壓和漏極電流的波形Q1電力半導(dǎo)體器件柵極電量圖的各個轉(zhuǎn)折點(diǎn)表明了導(dǎo)通過程中不同間隔的起點(diǎn)和終點(diǎn)。把Q1電量傳送到柵極所需的時間是主要是導(dǎo)通延遲時間；到達(dá)Q2時漏源電壓已降到VDS(on)，導(dǎo)通過程結(jié)束。當(dāng)電荷等于Q3時，柵極被充電至VDS(on)，此時不再需要電荷，這里VDS(on)=10V。在關(guān)斷期間，電量由Q3降至Q2所需的時間為延遲時間，由Q2降至Q1時漏源電壓上升至電源電壓，放掉Q1使VGS回到零伏。顯然導(dǎo)通時柵極驅(qū)動電源提供給柵極的電量和關(guān)斷時柵極驅(qū)動電源吸收的能量大小相同。由公式i=q/t和i=Cdu/dt可以從柵極電量圖看出其坡度或輸入電容至少有三個值即MOSFET導(dǎo)通分三個階段：電力半導(dǎo)體器件第一階段：當(dāng)VGS從零伏上升時，Ciss較小，因而充電非常容易，MOSFET保持?jǐn)鄳B(tài)，VDS保持恒定且等于電源電壓，ID等于零，直到VGS等于開啟電壓VGS(th)。從等于開啟電壓開始，到達(dá)VGS水平段開始時刻，MOSFET導(dǎo)通，ID線性上升，VDS略有下降，VGS上升速率略有下降，但變化不大。因此，VGS從零伏上升到達(dá)VGS水平段開始時刻可以認(rèn)為驅(qū)動電路所提供的電荷主要向CGS充電，而CGD上的電壓變化很小，輸入電容Ciss基本是一個常數(shù)。電力半導(dǎo)體器件第二階段：輸入電容似乎為無窮大，因?yàn)樗拥碾姾蓭缀醪皇筕GS變化。在這一區(qū)域，VGS的增量約為零，因此沒有電荷進(jìn)入CGS，所有電荷都進(jìn)入了轉(zhuǎn)移電容Crss(即CDG)，如果認(rèn)為，則在VGS的水平段，隨著

VDS電壓接近VDS(on)，VDS曲線的坡度有明顯的變化，在水平段的前部電壓變化較快（導(dǎo)通過程較快），表明有一個較小的轉(zhuǎn)移電容Crss(即CDG)，在水平段中部某點(diǎn)開始，電壓變化較慢（導(dǎo)通過程變慢），表明有一個較大的轉(zhuǎn)移電容Crss(即CDG)，這兩個值一個和圖3-46曲線上正漏柵電壓對應(yīng)，另一個和負(fù)漏柵電壓對應(yīng)。圖3-48相關(guān)聯(lián)的漏柵電壓曲線如圖3-49所示，該圖清楚的顯示出就在VDG改變極性前，坡度已經(jīng)改變，切換開關(guān)由于Crss的突然增加而減慢。電力半導(dǎo)體器件圖3-49隨著VDG接近極性變換，開關(guān)速度明顯減慢電力半導(dǎo)體器件圖3-50顯示增加漏極電流抬高了水平段的高度，這是由伏安特性所決定。圖3-50增加漏極電流抬高了水平段的高度電力半導(dǎo)體器件圖3-51是改變VDD的結(jié)果，這是因?yàn)閂DD的變化改變了MOSFET的漏極電位，即改變了轉(zhuǎn)移電容必須被充到的電位差，充電量必須增大，因此水平段變長。圖3-51改變VDD使水平段增長電力半導(dǎo)體器件第三階段：水平段結(jié)束后，VGS又開始上升，柵極被充電至VGS(on)，但沒有第一階段上升的快。這說明輸入Ciss電容要比第一階段大的多。MOSFET從這個階段開始完全導(dǎo)通，漏柵電壓為負(fù)值，即圖3-46中負(fù)漏柵電壓對應(yīng)電容值。柵極充電參數(shù)的最直接應(yīng)用是用來確定為完全導(dǎo)通某器件必須向柵極提供的電量。該電量可分三部分，每一部分對應(yīng)開關(guān)每一階段的需要。第一段主要確定了導(dǎo)通延遲期間所需電量，第二段說明了使VDS上升或下降所需的電量，第三段的電量與關(guān)斷延遲有關(guān)。當(dāng)柵極電壓在導(dǎo)通期間停止上升時，柵極驅(qū)動源阻抗上的電壓為(水平段)，驅(qū)動源阻抗等于這一電壓除以IG。VGG為驅(qū)動源輸出電壓。電力半導(dǎo)體器件圖3-52表明即使在導(dǎo)通和關(guān)斷時柵極驅(qū)動電阻相同，關(guān)斷也更加迅速。圖中IG為流過柵極驅(qū)動電阻的電流。這是因?yàn)閷?dǎo)通時柵極驅(qū)動源電阻上的電壓為（水平段），而關(guān)斷時柵極驅(qū)動源電阻上的電壓為，此時VGG約等于零。圖3-52柵極驅(qū)動電阻上導(dǎo)通和關(guān)斷時的電流電力半導(dǎo)體器件5功率MOSFET開關(guān)過程分析開關(guān)電路如圖3-53所示，假定嵌位二極管沒有反向恢復(fù)時間，負(fù)載感抗足夠大，在導(dǎo)通和關(guān)斷時能過維持恒定的負(fù)載電流。

圖3-53開關(guān)電路電力半導(dǎo)體器件1）導(dǎo)通瞬態(tài)（Turn-onTransients）開通狀態(tài)可以用四種電路模式說明，如圖3-54所示，3-55給出了電壓、電流波形。假定MOSFET在關(guān)斷狀態(tài)已經(jīng)有足夠的時間，負(fù)載電流通過嵌位二極管流動，初始條件是圖3-54導(dǎo)通瞬態(tài)（Turn-onTransients）四種電路模式電力半導(dǎo)體器件模式1：階躍信號電壓加在門極驅(qū)動電阻Rg上，由于驅(qū)動信號遠(yuǎn)大于MOSFET的門檻信號VT，即Vg>VT，電容CGS和CGD經(jīng)過Rg充電，在時間t1時刻，門極電壓等于門檻電壓，即vgs=VT，這一區(qū)間的電壓表達(dá)式：只要電壓vgs<VT，MOSFET就不會流過電流，把vgs=VT帶入解得

稱t1為延遲時間。圖3-55導(dǎo)通瞬態(tài)電壓、電流波形電力半導(dǎo)體器件模式2：從t1開始，漏極D電流開始增加，嵌位（續(xù)流）二極管電流開始轉(zhuǎn)移到漏極，直到漏極電流等于負(fù)載電流IO，此時二極管仍嵌位，MOSFET承受全部的電源電壓VDD，由于負(fù)載電感被二極管短路，所以沒有密勒增益和密勒電容。門極電壓按公式上升，漏極電流假定按線性增加（增益為gm），因此

在t2時刻，負(fù)載電流完全轉(zhuǎn)移到漏極，嵌位二極管反向偏置，MOSFET有了密勒增益。電力半導(dǎo)體器件模式3：從t2開始，漏極電壓開始下降，漏極電流為常數(shù)IO，vgs也為常數(shù)Vgp

門極電流

若電容CGD的充電電流為線性，則有

在t3時刻，vDS下降到MOSFET的導(dǎo)通壓降VF，MOSFET進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，下降時間電力半導(dǎo)體器件模式4：在t3之后，MOSFET進(jìn)入歐姆區(qū)或線性區(qū)，傳輸增益gm不是常數(shù)，門極電壓繼續(xù)升高，把電容CGS和CGD充電至Vg。若id按線性增大，則表達(dá)式可寫出電力半導(dǎo)體器件2）關(guān)斷瞬態(tài)（Turn-offTransients）關(guān)斷也可以用四個電路模式分析，四種模式電路圖如圖3-56所示，電壓電流波形如圖3-57所示。假定處于導(dǎo)通狀態(tài)已經(jīng)有足夠的時間，初始條件為圖3-56關(guān)斷瞬態(tài)（Turn-onTransients）四種電路模式電力半導(dǎo)體器件模式1：此時門極驅(qū)動信號突然為零，vgs開始下降：直到，電流Id和Vds沒有任何變化，既保持負(fù)載電流，vgs下降到vgp所需的時間稱之為關(guān)斷延遲時間：

圖3-57關(guān)斷時電壓、電流波形電力半導(dǎo)體器件模式2：從t1時刻開始，電流Id仍然保持不變，門極電壓vgs=Vgp也保持，Vds開始上升，在門極電阻Rg上的電流

此電流是放電電流，為電容CGD通過門極電阻線性放電，由可得，因此有在t2時刻，vds達(dá)到了電源電壓VDD，時間t2可計(jì)算

電力半導(dǎo)體器件模式3：

迄今為止，我們沒有考慮與D極串聯(lián)的雜散（stray）電感，如果考慮此電感影響，則vds將超過電源電壓VDD，在此時刻嵌位（續(xù)流）二極管導(dǎo)通，門極電壓按指數(shù)下降電流Id也開始按式下降，在t3時刻，vgs=VT，電流降低到零即，把和帶入得電力半導(dǎo)體器件模式4：t3之后，門極電壓繼續(xù)按指數(shù)下降到零。若電流按一階近似，可以寫出：

電力半導(dǎo)體器件5功率MOSPET靜態(tài)輸出特性和安全工作區(qū)

1）輸出特性VDMOS管的靜態(tài)輸出特性如圖3-58所示。當(dāng)VDMOS管充分導(dǎo)通進(jìn)入電阻區(qū)（線性區(qū)）時，就像一個電阻，當(dāng)柵極電壓小于閥值電壓時，VDMOS管處于截止?fàn)顟B(tài)，閥值電壓的典型值為2—4伏。為保證器件導(dǎo)通后進(jìn)入線性工作區(qū)，柵極電壓要足夠大，一般要大于10V。顯然，VGS越大，可變電阻區(qū)部分就越大。由于VDMOS從結(jié)構(gòu)和參數(shù)上保證了寄生晶體管不起作用，因此VDMOS管在工作中很難發(fā)生二次擊穿現(xiàn)象，它的安全工作區(qū)寬。圖3-58VDMOS管靜態(tài)輸出特性電力半導(dǎo)體器件2)安全工作區(qū)VDMOS管的安全工作區(qū)分正偏安全工作區(qū)（FASOA）和開關(guān)安全工作區(qū)（SSOA）。如圖3-59所示，SSOA相當(dāng)于晶體管的反偏安全工作區(qū)，其二次擊穿限制不存在，它的開關(guān)安全工作區(qū)成了僅由電壓和電流圍成的矩形，安全工作區(qū)比晶體管大。圖3-59VDMOS管的安全工作區(qū)電力半導(dǎo)體器件6、功率MOSFET柵極驅(qū)動方法當(dāng)功率MOSFET用作高壓側(cè)開關(guān)，被驅(qū)動充分導(dǎo)通，即在漏極和源極兩極間電壓降到最低時，它的柵極驅(qū)動要求可概括如下：1)柵極電壓一定要高于漏極電壓10-15V，作為高壓側(cè)開關(guān)，這樣的柵極電壓必定高于干線電壓，常常是系統(tǒng)中可能相對最高的電位。2）柵極電壓必須是可控的，它通常以地為參考點(diǎn)。因此，控制信號不得不將電平轉(zhuǎn)換為高壓側(cè)功率器件的漏極電位，在絕大部分應(yīng)用中，控制信號電位在兩根干線電位間擺動。電力半導(dǎo)體器件幾種驅(qū)動方法：1）、浮動?xùn)膨?qū)動電源法如圖a所示。隔離電源的費(fèi)用較大（每個高壓側(cè)MOSFET需要一個）光隔離器在帶寬和噪聲敏感性上受到限制。2）、充電泵法如圖c所示。電壓放大效率低，需要多級“泵激勵”。3）、自舉法如圖d所示。簡單便宜，但由于占空比和開啟時間都因自舉電容需要刷新而需要時間，因而受到限制。4）、脈沖變壓器法如圖b所示。簡單并且便宜，但在許多方面受到限制。當(dāng)占空比變化很大時，需要運(yùn)用復(fù)雜技術(shù)。功率MOSFET的低壓側(cè)驅(qū)動和高壓側(cè)驅(qū)動相比，由于不需要電平轉(zhuǎn)換，且功率MOSFET是電壓驅(qū)動器件，因此比較簡單。目前，有許多功率MOSFET集成驅(qū)動電路，IR公司的IR2110柵極驅(qū)動器就是用來驅(qū)動一個高壓側(cè)和一個低壓側(cè)的功率MOSFET和IGBT的集成驅(qū)動電路。電力半導(dǎo)體器件圖3-60MOSFET驅(qū)動方法電力半導(dǎo)體器件由于MOSFET具有極高的開關(guān)速度、驅(qū)動容易和安全工作區(qū)寬等優(yōu)點(diǎn)，功率MOSFET成為功率電子設(shè)備設(shè)計(jì)中合乎邏輯的選擇。作為多數(shù)載流子器件，由于其導(dǎo)通特性與溫度和額定電壓具有強(qiáng)烈的依賴關(guān)系(高耐壓的MOSFET導(dǎo)通壓降大于小耐壓的MOSFET)，使其上述優(yōu)點(diǎn)被部分抵消，而且隨著額定電壓增大，其固有的內(nèi)部反并聯(lián)二極管關(guān)斷時間增長，關(guān)斷損耗增大。返回電力半導(dǎo)體器件§3.7絕緣柵晶體管（IGBT）1、IGBT結(jié)構(gòu)

圖3-61a是N溝道增強(qiáng)型IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖，b是等效電路圖，c是其符號。被稱為集電極（collector）的端子C，實(shí)際上是其內(nèi)部PNP晶體管的發(fā)射極（emitter）。盡管IGBT的剖面結(jié)構(gòu)與POWERMOSFET的剖面結(jié)構(gòu)類似，但這兩個管子的工作過程相當(dāng)不同，IGBT是少數(shù)載流子器件而MOSFET是多子器件。除了增加了一個P+外，IGBT的剖面結(jié)構(gòu)與MOSFET沒有什么差別，這兩個器件都具有相似的門極結(jié)構(gòu)和源極結(jié)構(gòu)。但I(xiàn)GBT的工作過程卻與雙極性晶體管（Bipolar）更為接近。IGBT由連接成偽達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的PNP晶體管和驅(qū)動它的N溝道MOSFET組成。值得指出的是，IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的發(fā)射結(jié)（IGBT的C端）的反向擊穿電壓承受能力很低，只有20V左右，因此驅(qū)動電壓要小于此值。電力半導(dǎo)體器件

圖3-61aN溝道增強(qiáng)型IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖bN溝道增強(qiáng)型IGBT的等效電路圖cN溝道增強(qiáng)型IGBT的符號電力半導(dǎo)體器件絕緣柵晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor，簡稱IGBT），是少數(shù)載流子器件，具有POWERMOSFET大部分誘人的優(yōu)良特性，例如：驅(qū)動容易、安全工作區(qū)寬等。一般說來，IGBT的最大工作頻率小于MOSFET，目前新型的IGBT的開關(guān)頻率已非常接近MOSFET，它的優(yōu)良的導(dǎo)通特性優(yōu)于MOSFET，其通態(tài)電壓與GTR相同。由于沒有內(nèi)部反并聯(lián)二極管，使使用者可以靈活的選用與電路相適應(yīng)的超快恢復(fù)二極管，這一特征是一個優(yōu)點(diǎn)也是一個缺點(diǎn)，取決于工作頻率、二極管成本和電路需要。但I(xiàn)GBT模塊總是把二極管和IGBT反并聯(lián)地封裝在一起。如圖3-57（b）所示，IGBT由連接成偽達(dá)林頓結(jié)構(gòu)（pseudo-Darlington）的PNP晶體管和驅(qū)動它的N溝道MOSFET組成。結(jié)型場效應(yīng)管承受了大部分的電壓，因此允許采用低壓類型的MOSFET作為驅(qū)動。電力半導(dǎo)體器件2、導(dǎo)通特性由于輸出極的偽達(dá)林頓連接，作為輸出的PNP不會進(jìn)入過飽和狀態(tài)，因此它的導(dǎo)通壓降比過飽和晶體管的導(dǎo)通壓降要高，如圖3-62所示。與具有同樣管芯區(qū)域MOSFET相比，其導(dǎo)通壓降和溫度的關(guān)系曲線如圖3-63所示，溫度升高，對MOSFET來說，導(dǎo)通壓降變化顯著，而對IGBT而言，變化很小。從兩個圖可以看出導(dǎo)通壓降的大小還與流過管子的電流有關(guān)。實(shí)際上，額定電壓越高其導(dǎo)通壓降也越高。圖3-62MOSFET和IGBT導(dǎo)通壓降比較圖3-63IGBT導(dǎo)通壓降與電流關(guān)系電力半導(dǎo)體器件IGBT的靜態(tài)輸出特性如圖3-64所示，該曲線不是始于原點(diǎn)，這是由于PN結(jié)的開啟電壓。IGBT同GTR一樣可以劃分為三個工作區(qū)：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。IGBT的柵極閥值電壓一般為3～6V，當(dāng)柵壓小于開啟電壓時，IGBT關(guān)閉，輸出電流與柵壓基本成線性關(guān)系。圖3-64IGBT的靜態(tài)輸出特性電力半導(dǎo)體器件3、IGBT開關(guān)特性IGBT的開關(guān)速度主要受PNP管的開關(guān)速度的影響，由于PNP管是少數(shù)載流子器件，少數(shù)載流子的電荷存儲效應(yīng)主要影響著IGBT的開關(guān)速度，由于PNP管的基極在IGBT的內(nèi)部，不可能采用外部電路來改善它的開關(guān)時間，盡管其內(nèi)部的偽達(dá)林頓連接使其沒有存儲時間，它的開關(guān)速度比過飽和的PNP管要快的多，但這些在高頻應(yīng)用中還是不充分的。PNP管基區(qū)電荷的存儲效應(yīng)導(dǎo)致了IGBT在關(guān)斷時的電流拖尾現(xiàn)象