电力电子器件第八次课

电力电子器件第八次课第一页，共十八页，2022年，8月28日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2.5.4GTR的开通和关断过程电流波形2、GTR的开关特性（1）关断过程：第二页，共十八页，2022年，8月28日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β值下降到额定值的1／2～1／3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≈(1/2～1/6)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：基极开路时，集射极能承受的最高电压；第三页，共十八页，2022年，8月28日2.5.1电力晶体管及其工作原理(3)最高结温TjM：

GTR的最高结温与半导体材料性质、器件制造工艺、封装质量有关。一般情况下，塑封硅管TjM为125～150℃，金封硅管TjM为150～170℃，高可靠平面管TjM为175～200℃。

(4)最大耗散功率PCM：即GTR在最高结温时所对应的耗散功率，它等于集电极工作电压与集电极工作电流的乘积。这部分能量转化为热能使管温升高，在使用中要特别注意GTR的散热，如果散热条件不好，GTR会因温度过高而迅速损坏。3、GTR的主要参数（续）第四页，共十八页，2022年，8月28日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β＜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β：β=IC／IB第五页，共十八页，2022年，8月28日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第六页，共十八页，2022年，8月28日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(SafeOperationArea)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。第七页，共十八页，2022年，8月28日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2.5.9GTR的反偏安全工作区图2.5.8GTR正偏安全工作区①正偏安全工作区FBSOA②

反偏安全工作区RBSOA第八页，共十八页，2022年，8月28日第二章、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

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第九页，共十八页，2022年，8月28日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40MΩ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。N沟道P沟道电力MOSFET耗尽型：增强型:耗尽型增强型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道；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第十页，共十八页，2022年，8月28日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电力场效应晶体管的特性与主要参数

第十一页，共十八页，2022年，8月28日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(1～2μm)，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，其通态电阻是N型器件的2～3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第十二页，共十八页，2022年，8月28日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～

2μm)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2.6.1N沟道VDMOS管元胞结构与电气符号第十三页，共十八页，2022年，8月28日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UGS

；图2.6.1N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UGS≤0或0＜UGS≤UT(UT为开启电压，又叫阈值电压)；（2）导通：UGS＞UT时，加至漏极电压UDS＞0；（3）漏极电流ID

：第十四页，共十八页，2022年，8月28日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。如图所示，它可以分为四个区域：

1）截止区：当UGS＜UT(UT的典型值为2~4V)时；

2）线性(导通)区：当UGS＞UT且

UDS很小时，ID和UGS几乎成线性关系。又叫欧姆工作区；

3）饱和区(又叫有源区)：

在UGS＞UT时，且随着UDS的增大，ID几乎不变;

4）雪崩区：当UGS＞UT，且

UDS增大到一定值时；1、静态输出特性

图2.6.2VDMOS管的输出特性第十五页，共十八页，2022年，8月28日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=(1.5～2.5)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第十六页，共十八页，2022年，8月28日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、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BUGSBUGS是为了防止绝缘栅层因栅源间电压过