半导体元件及其应用教学教案

1、第四节 半导体元件及其应用 一、半导体元件概述 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。 热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。 光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。 掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。 pn结的单向导电性：pn 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： p 区加正（高电位）、n 区加负电压（低电位）。 正向偏置：pn结处于导通状态，正向电阻很小。（正向电阻为：数欧数十欧

2、）pn 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： p区加负、n 区加正电压。 反向偏置：pn结处于截止状态，反向电阻很大。（一般反向电阻为：数十千欧数百千欧）。 点接触型：结面积小，因此结电容小，允许通过的电流也小，适用于高频电路的检波或小电流的整流。 面接触型：结面积大、结电容大，允许通过较大的电流，适用于低频整流。 硅平面型：结面积大的可用于大功率整流；结面积小的，结电容大，适用于脉冲数字电路，作为开关管使用。 二、二极管及其应用 二极管的符号 根据半导体的物理原理，可从理论上分析得到pn结的伏安特性的表达式，此式通常称为二极管方程，即： is为反向饱和电流 ut为温度的电压当量，在常温（30

3、0k）下， ut=26mv。 当u0时，且uut,则电流i与u基本成指数关系。 当uut,则电流i=-is 1. 最大整流电流iom 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。 2. 反向工作峰值电压urwm 是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压ubr的一半。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。 3. 反向峰值电流irm 指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，irm受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。 4 最高工作频率fm 是二极管工作的上限频率

4、。它主要由pn结的结电容大小决定。信号频率超过此值时，二极管的单向导电性将变差。应该指出，由于制造工艺的限制，即使是同一型号的器件，其参数的离散性也很大，因此，手册上常常给出参数的范围。另一方面，器件手册上给出的参数是在一定测试条件下测得的，若条件改变，相应的参数值也会变化。 影响工作频率的原因 pn 结的电容效应 结论： 1. 低频时，因结电容很小，对 pn 结影响很小。 高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向导电性变差。 2. 结面积小时结电容小，工作频率高。 整流电路 作用:把交流电转换成脉动直流电。 分类: 半波整流 全波整流 桥式整流 倍压整流 1、单相半波整流电路 单相半波整流

5、电路如图(a)所示波形图如图（b)所示。 (a)电路图 (b)波形图 根据图可知，输出电压在一个工频周期内，只是正半周导电，在负载上得到的是半个正弦波。负载上输出平均电压为 流过负载和二极管的平均电流为 二极管所承受的最大反向电压 2、桥式整流电路 （1）组成：由四个二极管组成桥路 （2）工作原理： u2正半周时:d1 、d3导通， d2、d4截止 u2负半周时： d2、d4 导通， d1 、d3截止 （3）主要参数： 输出电压平均值:uo=0.9u2 输出电流平均值:io=uo/ro=0.9u2 / rl 流过二极管的平均电流:id=io/2 二极管承受的最大反向电压: 电容滤波 1.电路和

6、工作原理 v 导通时给 c 充电，v 截止时 c 向 rl 放电；滤波后 uo 的波形变得平缓，平均值提高。 1. rl未接入时 2. rl接入（且rlc较大） 电容滤波电路的特点 (1) 输出电压 uo与放电时间常数 rlc 有关。 rlc 愈大-电容器放电愈慢-uo(平均值)愈大。 一般取(t:电源电压的周期) 近似估算:uo=（1.1-1.2）u2。 (2) 流过二极管瞬时电流很大。 rlc 越大-uo越高。 负载电流的平均值越大-整流管导电时间越短-id的峰值电流越大。 (3) 输出特性(外特性) 输出波形随负载 电阻 rl 或 c 的变化而改变, uo 也随之改变。如: rl 愈小(

7、 il 越大), uo下降多。 结论：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。 元件选择 (1) 电容选择: 滤波电容c的大小取决于放电回路的时间常数,rlc愈大, 输出电压脉动就愈小, 通常取rlc为脉动电压中最低次谐波周期的35倍, 即 (2) 整流二极管的选择。 正向平均电流为 例：单相桥式电容滤波整流，交流电源频率 f = 50 hz，负载电阻 rl = 40，要求直流输出电压 uo = 20 v，选择整流二极管及滤波电容。 1. 选二极管 电流平均值： 承受最高反压： 选二极管应满足： 可选：2cz55c(if = 1 a，urm = 100 v)或 1 a

8、、100 v 整流桥选用二极管的一般原则是： 2. 选滤波电容 可选：1000f，耐压 50 v 的电解电容。 倍压整流电路 二倍压整流电路 u2的正半周时：d1导通，d2截止，理想情况下，电容c1的电压充到： u2的负半周时：d2导通，d1截止，理想情况下，电容c2的电压充到： 负载上的电压： 特殊二极管 1. 稳压二极管的特性 2. 发光二极管的特性 3. 光电二极管的特性 4. 变容二极管的特性 稳压二极管伏安特性 稳压管正常工作时加反向电压；稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。 稳压二极管工作原理：ui保障其处于反向击穿状态；r

9、：限流电阻，保证dz中电流不超过最大稳定电流 izm；rl：负载电阻 工作原理： 当输入电压ui变化时，如 当负载变化时，如： 主要参数 稳定电压uz:稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压 电压温度系数:环境温度每变化1度引起稳压值变化的百分数。 低于6v的稳压管，电压温度系数为负；高于6v的稳压管，电压温度系数为 正；而6v左右的管子稳压值受温度变化影响的比较小。 对于温度变化范围比较大，又要求稳压值的温度稳定性好，可选用具有温度补偿的稳压管。也可以将两个同型号稳压管反向串接起来使用，方可达到目的。 动态电阻:稳压管电压的变化量与电流变化量的比值。 rz愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好 稳

10、定电流 iz 、最大稳定电流 izm；最大允许耗散功率 pzm = uz*izm 光电二极管（光敏二极管） 原理：与pn结二极管相似，但在它的pn结处，通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。 特点工作于反偏状态下，它的反向电流与光照成正比。 三、三极管及其应用 放大原理：把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。 实质:用

11、一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化。 三极管放大的外部条件：发射结正偏、集电结反偏 从电位的角度看： npn 发射结正偏 vbve 集电结反偏 vcvb pnp 发射结正偏 vbve 集电结反偏 vc0，ubcube。 (2) 截止区 ib = 0 的曲线以下的区域称为截止区。ib = 0 时, ic = iceo(很小)。对 npn 型硅管，当ube 0.5 v 时，即已开始截止，但为了使晶体管可靠截止，常使 ube 0，截止时集电结也处于反向偏置(ubc 0)。 (3) 饱和区 当 uce 0)，晶体管工作于饱和状态。 在饱和区，ic 和 ib 不成正比。 当晶体管饱和时， uce

12、 0，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，ic 0 ，发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大，可见，晶体管除了有放大作用外，还有开关作用。 晶体管的三种工作状态如下图所示 三种组态 双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入, 两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态，见下图 共发射极接法，发射极作为公共电极，用ce表示； 共基极接法，基极作为公共电极，用cb表示； 共集电极接法，集电极作为公共电极，用cc表示。 晶体管结电压的典型值 主要参数 1.电流放大系数 当晶体管接成共发射极电路时，在静态(无输入信号)时集电极电

13、流与基极电流的比值称为静态电流(直流)放大系数 晶体管工作在动态(有输入信号)时，基极电流的变化量为ib ，它引起集电极电流的变化量为ic 。ic 与ib的比值称为动态电流(交流)放大系数 在输出特性曲线近于平行等距并且 iceo 较小的情况下,可近似认为，但二者含义不同。 2.集基极反向截止电流 icbo icbo 是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。 3.集射极反向截止电流 iceo iceo 是当基极开路(ib = 0)时的集电极电流，也称为穿透电流，其值越小越好。 4.集电极最大允许电流icm 当值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流 icm。 5

14、.集射反相击穿电压 u(br)ceo 基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，称为集射反相击穿电压 u(br)ceo。 6. 集电极最大允许耗散功率pcm 当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率 pcm。 由icm、u(br)ceo、pcm三者共同确定晶体管的安全工作区。 四、功率二极管及其应用 功率器件概述： 常用电力电子器件的基本结构、工作原理、外特性、主要参数、开关特性、安全工作区。这些器件的驱动电路和缓冲电路。 按照器件能够被控制的程度，分三类： 不可控器件(power diode)不能用控制信号来控制其通断, 因此也

15、就不需要驱动电路。 半控型器件（普通晶闸管scr ）通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。 全控型器件（ gto、bjt(gtr) ，igbt,mosfet)通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。 按照驱动电路信号的性质，分两类： 电流驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。特点：驱动功率大，驱动电路复杂，工作频率低。该类器件有scr、gto、bjt(gtr) 电压驱动型仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。特点：驱动功率小，驱动电路简单可靠，工作频率高。该类器件有功率moseet、igbt。 根据载流子参与导电情

16、况之不同，开关器件又可分为单极型器件、双极型器件和复合型器件。 (1) 单极型器件 功率mosfet。 (2) 双极型器件 二极管、scr、gto、bjt(gtr)。 (3) 复合型器件 igbt，是电力电子器件发展方向。 功率二极管的工作原理：功率二极管是以pn结为基础的，实际上就是由一个面积较大的pn结和两端引线封装组成的。功率二极管的结构和图形符号如下图所示。功率二极管主要有螺栓型和平板型两种外形。(a) 螺栓型； (b) 平板型 功率二极管的伏安特性 二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必须克服一定的门坎电压uth(又称死区电压)，当外加电压小于门坎电压时，正向电流几乎为零。硅二极

17、管的门坎电压约为0.5v，当外加电压大于uth后，电流会迅速上升。当外加反向电压时，二极管的反向电流is是很小的，但是当外加反向电压超过二极管反向击穿电压uro后二极管被电击穿，反向电流迅速增加。 功率二极管的基本特性 关断过程：须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。 开通过程：正向压降先出现一个过冲ufp，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2v）。正向恢复时间tfr。电流上升率越大，过冲ufp越高。 功率二极管主要参数： (1) 反向重复峰值电压urrm 取反向不重复峰值电压ursm的80称为反向重复峰

18、值电压urrm，也被定义为二极管的额定电压urr。显然，urrm小于二极管的反向击穿电压uro。 (2) 额定电流ifr 额定电流ifr被定义为其额定发热所允许的正弦半波电流平均值。其正向导通流过额定电流时的电压降ufr一般为12v。当二极管在规定的环境温度为+40和散热条件下工作时，通过正弦半波电流平均值ifr时，其管芯pn结温升不超过允许值。若正弦电流的最大值为im，则额定电流为 (3) 最大允许的全周期均方根正向电流ifrms 二极管流过半波正弦电流的平均值为ifr时，与其发热等效的全周期均方根正向电流ifrms为 (4) 最大允许非重复浪涌电流ifsm 这是二极管所允许的半周期峰值浪涌

19、电流。该值比二极管的额定电流要大得多。实际上它体现了二极管抗短路冲击电流的能力。 功率二极管属于功率最大的半导体器件，现在其最大额定电压、电流在6kv、6ka以上。二极管的参数是正确选用二极管的依据。 五、晶闸管及其应用 晶闸管的结构 晶闸管(thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅scr,普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。目前，晶闸管的容量水平已达8kv6ka。 晶闸管是具有四层pnpn结构、三端引出线(a、k、g)的器件。常见晶闸管的外形有两种：螺栓型和平板型。 晶闸管的基本特性 静态特性 （1）正向特性 ig=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏

20、电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1v左右。 （2）反向特性 反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。 开通过程 延迟时间td (0.51.5s)阳极电流上升到10所需时间，也对应着从(1+2)170)，在稳定的额定结温时所允许的最大通态平均电流。 (3) 维持电流ih 在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳极电流。 (4) 擎住电流il 晶闸管从断态转换到通态时 ,移去触发信号之

21、后，要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住电流il约为维持电流ih的(24)倍。 (5) 门极触发电流igt 在室温且阳极电压为6v直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。 (6) 门极触发电压ugt 对应于门极触发电流时的门极触发电压。触发电路给门极的电压和电流应适当地大于所规定的ugt和igt上限，但不应超过其峰值igfm 和 ugfm。 (7) 断态电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断态转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压上升率会使晶闸管误导通。 (8) 通态电流临界上升率di/dt 在规定条件下，由门

22、极触发晶闸管使其导通时，晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率。在晶闸管开通时，如果电流上升过快，会使门极电流密度过大，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。 (9) 晶闸管的开通与关断时间 1）开通时间tgt 一般规定：从门极触发电压前沿的10%到元件阳极电压下降至10%所需的时间称为开通时间tgt，普通晶闸管的tgt约为6s。开通时间与触发脉冲的陡度大小、结温以及主回路中的电感量等有关。为了缩短开通时间，常采用实际触发电流比规定触发电流大35倍、前沿陡的窄脉冲来触发，称为强触发。另外，如果触发脉冲不够宽，晶闸管就不可能触发导通。一般说来，要求触发脉冲的宽度稍大于tgt，以保证晶闸管可靠

23、触发。 2）关断时间tq 晶闸管导通时，内部存在大量的载流子。晶闸管的关断过程是： 当阳极电流刚好下降到零时，晶闸管内部各pn结附近仍然有大量的载流子未消失，此时若马上重新加上正向电压， 晶闸管仍会不经触发而立即导通，只有再经过一定时间，待元件内的载流子通过复合而基本消失之后，晶闸管才能完全恢复正向阻断能力。我们把晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需要的这段时间称为关断时间tq。 晶闸管的关断时间与元件结温、关断前阳极电流的大小以及所加反压的大小有关。普通晶闸管的tq约为几十到几百微秒。 晶闸管的门极驱动电路和缓冲电路 1.晶闸管的门极驱动电路 晶闸管对触发电路的基本要求 触发

24、信号可以是交流、直流或脉冲，为了减小门极的损耗，触发信号常采用脉冲形式。 触发脉冲应有足够的功率。触发电压和触发电流应大于晶闸管的门极触发电压和门极触发电流。 触发脉冲应有足够的宽度和陡度。触发脉冲的宽度一般应保证晶闸管阳极电流在脉冲消失前能达到擎住电流，使晶闸管导通，这是最小的允许宽度。一般触发脉冲前沿陡度大于10v/s或800ma/s。 触发脉冲的移相范围应能满足变换器的要求。例如，三相半波整流电路，在电阻性负载时，要求移相范围为150；而三相桥式全控整流电路，电阻负载时移相范围为120。 触发电路的型式 触发电路可分为模拟式和数字式两种，阻容移相桥、单结晶体管触发电路、锯齿波移相电路和正

25、弦波移相电路均属于模拟式触发电路；而用数字逻辑电路乃至于微处理器控制的移相电路则属于数字式触发电路。 保护电路 (1)晶闸管的缓冲电路 常采用在晶闸管的阴阳极并联rc缓冲器，用来防止晶闸管两端过大的du/dt造成晶闸管的误触发，其中电阻r也能减小晶闸管开通时电容c的放电电流。 (2)晶闸管的保护 晶闸管在使用时，因电路中电感的存在而导致换相过程产生ldi/dt,又因容性的存在或设备自身运行中出现短路、过载等故障，所以其过电压、过电流保护显得尤为重要。 晶闸管的派生器件 双向晶闸管（triode ac switchtriac或bidirectional triode thyristor）是一对反

26、并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极t1和t2，一个门极g。在第和第iii象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。 逆导晶闸管：是将晶闸管和整流管制作在同一管芯上的集成元件。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。 光控晶闸管：利用一定波长的光照信号控制的开关器件。其结构也是由p1n1p2n2四层构成。光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。用于高压大功率的场合。 光控晶闸管的伏安特性：光控晶闸管的参数与普通晶闸管类同，只是触发参数特殊，与光功率和光谱范围有关。 六、可关断晶闸管及其应用 可关断晶闸管gto(gate turn

27、-off thyristor)，可用门极信号控制其关断。 结构：gto的内部包含着数百个共阳极的小gto元，它们的门极和阴极分别并联在一起，这是为了便于实现门极控制关断所采取的特殊设计。目前，gto的容量水平达6000a/6000v，频率为1khz。 特点： 与普通晶闸管的相同点：pnpn四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。 和普通晶闸管的不同点：gto是一种多元的功率集成器件。 可关断晶闸管的工作原理 由于gto处于临界饱和状态，用抽走阳极电流的方法破坏临界饱和状态，能使器件关断。而晶闸管导通之后，处于深度饱和状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断。 存储时间ts：对应着从关断过程开始

28、，到阳极电流开始下降到90%ia为止的一段时间间隔。 下降时间tf：对应着阳极电流迅速下降，阳极电压不断上升和门极反电压开始建立的过程。 尾部时间tt：则是指从阳极电流降到极小值时开始，直到最终达到维持电流为止的时间。 主要参数 gto有许多参数与晶闸管相同，这里只介绍一些与晶闸管不同的参数。 (1) 最大可关断阳极电流iato 电流过大时1+2稍大于1的条件可能被破坏，使器件饱和程度加深，导致门极关断失败。 (2) 关断增益off gto的关断增益off为最大可关断阳极电流iato与门极负电流最大值igm之比，off通常只有5左右。 门极驱动电路和缓冲电路 1. 可关断晶闸管的门极驱动电路

29、影响gto导通的主要因素有：阳极电压、阳极电流、温度和门极触发信号等。阳极电压高，gto导通容易，阳极电流较大时易于维持大面积饱和导通，温度低时，要加大门极驱动信号才能得到与室温时相同的导通效果。 (1) 对门极触发信号的要求 因为gto工作在临界饱和状态，所以门极触发信号要足够大， 脉冲前沿(正、负脉冲)越陡越有利，而后沿平缓些好。正脉冲后沿太陡会产生负尖峰脉冲；负脉冲后沿太陡会产生正尖峰脉冲，会使刚刚关断的gto的耐压和阳极承受的du/dt降低。为了实现强触发，门极正脉冲电流一般为额定触发电流(直流)的(35)倍。 (2) 门极触发方式 gto门极触发方式通常有下面三种： 直流触发 在gt

30、o被触发导通期间，门极一直加有直流触发信号。 连续脉冲触发 在gto被触发导通期间，门极上仍加有连续触发脉冲，所以也称脉冲列触发。 单脉冲触发 即常用的脉冲触发，gto导通之后，门极触发脉冲即结束。采用直流触发或脉冲列触发方式gto的正向管压降较小。采用单脉冲触发时，如果阳极电流较小，则管压降较大，用单脉冲触发，应提高脉冲的前沿陡度，增大脉冲幅度和宽度，才能使gto的大部分或全部达饱和导通状态。 缓冲电路 吸收过电压的有效方法是在器件两端并联一个吸收过电压的阻容电路。如果吸收电路元器件的参数选择不当，或连线过长造成分布电感ls过大等，也可能产生严重的过电压。 缓冲电路元件的选择 应选取较小的r

31、s，rs的阻值一般应选取1020 。rs不应选用线绕式的，而应是涂膜工艺制作的无感电阻。要求二极管vds能快速开通、反向恢复时间trr短和反向恢复电荷qr尽量小。吸收电路中的cs也应当是无感元件，以尽可能减小吸收电路的杂散分布电感ls。 九、电力晶体管及其应用 电力晶体管gtr （giant transistor）直译为巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型晶体管（bipolar junction transistorbjt），英文有时候也称为power bjt，在电力电子技术的范围内，gtr与bjt这两个名称等效。 工作原理 与普通的双极型晶体管基本原理是一样的，基本结构有npn和pnp两种

32、结构，在电子电路中主要采用npn结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成；单个gtr电流增益较低，驱动时需要较大的驱动电流，由于单级高压晶体管的电流增益仅为10左右，为了提高电流增益，常采用达林顿结构，如每级有10倍的增益，则3级达林顿结构的电流增益可达1000左右。 gtr的开关特性 晶体管有线性和开关两种工作方式。当只需要导通和关断作用时采用开关工作方式。gtr主要应用于开关工作方。 开关响应特性 开关工作方式下，用一定的正向基极电流ib1去驱动gtr导通，而用另一反向基极电流ib2迫使gtr关断，由于gtr不是理想开关，故在开关过程中总存在着一定的延时和存储时间。 延迟时间td：加入

33、ib1以后一段时间里，ic仍保持为截止状态时的很小电流直到ic上升到0.1i cs。 上升时间tr：ic不断上升，直到ic=ics， gtr进入饱和状态。tr指ic从0.1ics上升到0.9ics所需要的时间。 开通时间ton：延迟时间td和上升时间tr之和。即ton=td+tr 电力晶体管的特性 当基极电流突然从正向ib1变为反向ib2时，gtr的集电极电流ic并不立即减小，仍保持ics，而要经过一段时间才下降。 存储时间ts：把基极电流从正向ib1变为反向ib2时,ic下降到0.9ics所需的时间。 下降时间tf：ic继续下降，ic从0.9ics下降到0.1ics所需的时间。 此后，ic继

34、续下降，一直到接近反向饱和电流为止，这时gtr完全恢复到截止状态。 gtr的关断时间toff：存储时间ts和下降时间tf之和，即 toff=ts+tf gtr的开关时间对它的应用有较大的影响，选用gtr时，应注意其开关频率。应使输入脉冲持续时间大于gtr开关时间。 改善措施 为了使gtr快速导通，缩短开通时间ton，驱动电流必须具有一定幅值，前沿较陡的正向驱动电流，可加速gtr的导通；为加速gtr关断，缩短关断时间toff，驱动电流必须具有一定幅值的反向驱动电流，过冲的负向驱动电流，可缩短关断时间。 gtr晶体管的主要参数 (1) gtr的电流放大倍数值：定义为晶体管的集电极电流变化率和基极电

35、流变化率之比。 (2) gtr的反向电流：gtr的反向电流会消耗一部分电源能量，会影响管子的稳定性。常希望反向电流尽可能小。反向电流有icbo、iceo和iebo。 (3) gtr的反向击穿电压：gtr的反向击穿电压决定管子承受外加电压的上限。有u(br)ebo、u(br)cbo、u(br)ceo (4) gtr的极限参数：集电极允许流过的最大电流icm，集电极最大允许耗散功率pcm,最大允许结温tjm和击穿电压。 电力晶体管的二次击穿 (1) pn结的反向击穿 pn结的反向击穿，可分为三种类型：热电击穿、隧道击穿和雪崩击穿。 热电击穿 当外加反向电压升高时，较大的反向电流引起热损耗，导致器件

36、的结温升高，促使本征载流子浓度明显增加，使反向电流增长更快。形成强烈的正反馈，最后导致pn结击穿。 隧道击穿(齐纳击穿) 如果pn结势垒区的电场很强，穿过禁带的电子很多，反向电流增长很快，从而引起了pn结击穿。 雪崩击穿 在反向高电压下，pn结势垒区的电场很强，载流子在强电场中得到大的动能，从而成为“热”载流子，“热”载流子与晶格原子相碰撞，使晶格原子价带内的电子被激发到导带，形成电子-空穴对。不断地发生碰撞，不断地产生第二、三、四代电子-空穴对，使载流子成倍增加，从而引起了pn结击穿。大功率电力电子器件中，雪崩击穿是常见击穿现象。 产生二次击穿的原因 二次击穿主要是由于器件芯片局部过热引起。

37、 正向偏置时，温度升高是由热不均衡性引起的。由于晶体管的结面上有缺陷和参数分布不均匀，导致电流分布不均匀，从而引起温度分布不均匀。温度高的局部区域载流子浓度将增加，使电流更加密集，这种恶性循环形成热不稳定性。如果局部区域所产生的热量不能及时散发，将使电流上升失去控制。一旦温度达到材料熔点，便造成永久性破坏。 反向偏置时，温度升高是由雪崩击穿引起的。由于发生一次雪崩击穿之后，在某些点上因电流密度过大，改变了结电场分布，产生负阻效应，从而使局部温度过高的一种现象。 二次击穿最终是由于局部过热而引起，而热点的形成需要能量的积累，即需要一定的电压、电流和一定的时间。因此，集电极电压、电流、负载性质、导

38、通脉冲宽度、基极电路的配置以及材料、工艺等因素都对二次击穿有一定的影响。 驱动电路和缓冲电路 1. gtr的驱动电路 gtr的驱动电路的重要性 驱动电路性能不好，轻则使gtr不能正常工作，重则导致gtr损坏。其特性是决定电流上升率和动态饱和压降大小的重要因素之一。增加基极驱动电流使电流上升率增大，使gtr饱和压降降低，从而减小开通损耗。过大的驱动电流，使gtr饱和过深，退出饱和时间越长，对开关过程和减小关断损耗越不利。驱动电路是否具有快速保护功能，是决定gtr在过电压或过电流后是否损坏的关键因素之一。 双极型功率晶体管的缓冲电路 gtr的缓冲器常采用阻容二极管rcd的吸收网络 此处电阻r应选用

39、电感量较小的电阻，电容c应选用低串联电阻、电感小且频率特性好的电容。 双极型功率晶体管的缓冲电路，未加缓冲电路时，在开通和关断过程中的某一时刻，会出现集电极电压uc和集电极电流ic同时达到最大值的情况。这时瞬时开关损耗也最大。 采用开通和关断缓冲电路，其负载线轨迹如图 (c)的实线所示。 缓冲电路所以能够减小开关器件的开关损耗，是因为把开关损耗由器件本身转移至缓冲电路内，根据这些被转移的能量如何处理，引出了两类缓冲电路： 一类是耗能式缓冲电路，即转移至缓冲器的开关损耗能量消耗在电阻上，这种电路简单，但效率低； 另一类是馈能式缓冲电路，即将转移至缓冲器的开关损耗能量以适当的方式再提供给负载或回馈

40、给供电电源，这种电路效率高但电路复杂。 gtr的保护电路 (1) 过电流、短路保护 由于gtr存在二次击穿等问题，由于二次击穿很快，远远小于快速熔断器的熔断时间，因此诸如快速熔断器之类的过电流保护方法对gtr类电力电子设备来说是无用的。 gtr的过电流保护要依赖于驱动和特殊的保护电路。 电压状态识别保护 当gtr处于过载或短路故障状态时,随着集电极电流的急剧增加,其基射极电压和集射极电压均发生相应变化,可利用这一特点对gtr进行过载和短路保护。 桥臂互锁保护 逆变器运行时，可能发生桥臂短路故障，造成器件损坏。只有确认同一桥臂的一个gtr关断后，另一个gtr才能导通。这样能防止两管同时导通，避免

41、桥臂短路。 gtr的热容量极小，过电流能力很低，要求故障检测、信号传送及保护动作能瞬间完成，要在微秒级的时间内将电流限制在过载能力的限度以内。 (2) 欠饱和过饱和保护 gtr的二次击穿多由于gtr工作于过饱和状态引起的，而过基极驱动引起的过饱和又使gtr的存储时间不必要地加长，直接影响着gtr的开关频率，所以gtr的过饱和及欠饱和保护对它的安全可靠工作有着极其重要的作用。通常欠饱和保护可根据被驱动gtr的基射极电压降的高低来自动调节基极驱动电流的大小，构成准饱和基极驱动器来完成。 八、功率mosfet和igbt及其应用 mosfet（metal oxide semiconductor fet

42、）分为结型和绝缘栅型。 根据导电沟道的类型可分为n沟道和p沟道两大类； 根据零栅压时器件的导电状态又可分为耗尽型和增强型两类 耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。 增强型对于n（p）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。 电力场效应管（power mosfet）通常主要指绝缘栅型mosfet，n沟道增强型。 电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅mos管相同，但结构有很大区别。小功率绝缘栅mos管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。按垂直导电结构的不同，又可分为2 种：v形槽vv

43、mosfet和双扩散vdmosfet。 功率场效应晶体管的特性 power mosfet 静态特性主要指输出特性和转移特性。静态特性主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等 功率mosfet的转移特性 转移特性表示功率mosfet的输入栅源电压ugs与输出漏极电流id之间的关系。转移特性表示功率mosfet的放大能力，与gtr中的电流增益相仿，由于功率mosfet是电压控制器件，因此用跨导这一参数来表示。 跨导定义: 功率mosfet的开关特性 因为mosfet存在输入电容ci， ci有充电过程，栅极电压ugs呈指数曲线上升,当ugs上升到开启电压ut时，开始出现漏极

44、电流id，从脉冲电压的前沿到id出现，这段时间称为开通延迟时间td。 随着ugs增加，id上升，从有id到id达到稳态值所用时间称为上升时间tr。开通时间ton可表示为tontdtr 功率mosfet的开关特性 当脉冲电压下降到零时，栅极输入电容ci通过信号源内阻rs和栅极电阻rg开始放电，栅极电压ugs按指数曲线下降，当下降到ugsp时，漏极电流才开始减小，这段时间称为关断延迟时间ts。之后，ci 继续放电，从id减小，到ugsut沟道关断，id下降到零。这段时间称为下降时间tf。关断时间toff可表示为 tofftstf 由上分析可知，改变信号源内阻rs，可改变ci 充、放电时间常数，影响

45、开关速度。 功率场效应晶体管的主要参数 (1) 漏源击穿电压uds：决定了功率mosfet的最高工作电压。 (2) 栅源击穿电压ugs ：表征功率mosfet栅源之间能承受的最高电压。该参数很重要：因为人体常常带有高压静电，所以在接触mos型器件，包括电力mosfet、普通mosfet、mos型集成电路时，可以先用手接触一下接地的导体，将身体的静电放掉，否则容易将gs间的绝缘层击穿。另外，在用烙铁焊mos型器件时，应将烙铁加热后，拔下电源插座，再焊器件。 (3) 漏极最大电流id：表征功率mosfet的电流容量。一般厂家给定的漏极直流（额定）电流id 是外壳温度为25度时的值，所以要考虑裕量，

46、一般为3-5倍。 (4) 开启电压ut：又称阈值电压，指功率mosfet流过一定量的漏极电流时的最小栅源电压。 (5) 通态电阻ron：通态电阻ron是指在确定栅源电压ugs下，功率mosfet处于恒流区时的直流电阻，是影响最大输出功率的重要参数。 (6) 极间电容：功率mosfet的极间电容是影响其开关速度的主要因素。其极间电容分为两类；一类为cgs和cgd，它们由mos结构的绝缘层形成的，其电容量的大小由栅极的几何形状和绝缘层的厚度决定；另一类是cds，它由pn结构成，其数值大小由沟道面积和有关结的反偏程度决定。 一般生产厂家提供的是漏源短路时的输入电容ci、共源极输出电容cout及反馈电

47、容cf，它们与各极间电容关系表达式为 cicgscgd coutcdscgd cfcgd 显然，cicout和cf均与漏源电容cgd有关。 门极驱动电路和缓冲电路 mosfet是单极型压控器件，开关速度快。但存在极间电容，器件功率越大，极间电容也越大。为提高其开关速度，要求驱动电路必须有足够高的输出电压、较高的电压上升率、较小的输出电阻。另外，还需要一定的栅极驱动电流。 开通时，栅极电流可由下式计算： igon=cissugs/tr=(ggs+cgd)ucs/tr 关断时，栅极电流由下式计算： igoff=cgduds/tf 功率mosfet对栅极驱动电路的要求 保证功率mosfet可靠开通和

48、关断，触发脉冲前、后沿要求陡峭。 减小驱动电路的输出电阻，提高功率mosfet的开关速度。 触发脉冲电压应高于管子的开启电压，为了防止误导通，在功率mosfet截止时，能提供负的栅源电压。 功率mosfet开关时所需的驱动电流为栅极电容的充、放电电流。 驱动电路应实现主电路与控制电路之间的隔离，避免功率电路对控制信号造成干扰。 驱动电路应能提供适当的保护功能，使得功率管可靠工作，如低压锁存保护、过电流保护、过热保护及驱动电压箝位保护等。 驱动电源必须并联旁路电容，它不仅滤除噪声，也用于给负载提供瞬时电流，加快功率mosfet的开关速度。 mos管的门极驱动电路： 1) 直接驱动 电阻r1的作用

49、是限流和抑制寄生振荡，一般为10ohm到100ohm，r2是为关断时提供放电回路的；稳压二极管d1和d2是保护mos管的门极和源极；二极管d3是加速mos的关断。 2) 互补三极管驱动 当mos管的功率很大时，而pwm芯片输出的pwm信号不足已驱动mos管时，加互补三极管来提供较大的驱动电流来驱动mos管。pwm为高电平时，三极管q3导通，驱动mos管导通；pwm为低电平时，三极管q2导通，加速mos管的关断； 电阻r1和r3的作用是限流和抑制寄生振荡，一般为10ohm到100ohm，r2是为关断时提供放电回路的；二极管d1是加速mos的关断。 3) 耦合驱动（利用驱动变压器耦合驱动） 当驱动

50、信号和功率mos管不共地或者mos管的源极浮地的时候，比如buck变换器或者双管正激变换器中的mos管，利用变压器进行耦合驱动如右图： 驱动变压器的作用： 1. 解决驱动mos管浮地的问题； 2. 解决pwm信号与mos管不共地的问题； 3. 一个驱动信号可以分成两个驱动信号； 4. 减少干扰。 mosfet的集成驱动电路种类很多： ir2130 /2136是美国生产的28 引脚集成驱动电路，可以驱动电压不高于600v 电路中的mosfet，内含过电流、过电压和欠电压等保护，输出可以直接驱动6 个mosfet或igbt。单电源供电，最大20v。广泛应用于三相mosfet 和igbt 的逆变器控制中。功能相同的还有fan7888集成芯片ir2103，ir2110 为半桥式驱动芯片。 功率mosfet的保护 (1) 静电保护：在静电较强的场合，