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1、第第3 3章章 电力半导体器件电力半导体器件 n n3.13.1概述概述n n3.23.2功率二极管功率二极管n n3.33.3功率晶体管功率晶体管GTRGTRn n3.43.4晶闸管晶闸管n n3.53.5静电感应器件静电感应器件n n3.63.6功率场效应晶体管功率场效应晶体管n n3.73.7绝缘栅晶体管绝缘栅晶体管n n3.8 MOS3.8 MOS场控晶闸管（场控晶闸管（MCTMCT）返回2021/9/212021/9/211 13.1概述n n19561956年美国贝尔公司发明了年美国贝尔公司发明了PNPNPNPN可触发晶体管，可触发晶体管，19571957年年通用电器（通用电器（G
2、EGE）进行了商业化开发，并命名为晶体闸流管，）进行了商业化开发，并命名为晶体闸流管，简称为晶闸管（简称为晶闸管（thyristorthyristor）或可控硅（）或可控硅（silicon controlled silicon controlled rectifierSCRrectifierSCR）。）。n n由于晶闸管类器件基本上是换流型器件，其工作频率又比由于晶闸管类器件基本上是换流型器件，其工作频率又比较低，由其组成的频率变换装置在电网侧谐波成分高，功较低，由其组成的频率变换装置在电网侧谐波成分高，功率因素低。率因素低。n n7070年代大功率晶体管（三极管）已进入工业应用阶段，它年代大
3、功率晶体管（三极管）已进入工业应用阶段，它被广泛应用于数百千瓦以下的功率电路中，功率晶体管工被广泛应用于数百千瓦以下的功率电路中，功率晶体管工作频率比晶闸管大大提高，达林顿功率晶体管可在作频率比晶闸管大大提高，达林顿功率晶体管可在10KHZ10KHZ以下工作以下工作,非达林顿功率晶体管可达非达林顿功率晶体管可达20KHz20KHz，出现了所谓，出现了所谓“20KHz”“20KHz”革命，其缺点在于存在二次击穿和不易并联以革命，其缺点在于存在二次击穿和不易并联以及开关频率仍然偏低等问题，使其使用受到了限制。及开关频率仍然偏低等问题，使其使用受到了限制。2021/9/212021/9/212 2n
4、 n7070年代后期，功率场效应管（年代后期，功率场效应管（POWER MOSFETPOWER MOSFET）开始进入实用阶段，这标志着电力半导体器件进开始进入实用阶段，这标志着电力半导体器件进入高频化阶段。在入高频化阶段。在8080年代又研制了电流垂直流动年代又研制了电流垂直流动结构器件（结构器件（VDMOSVDMOS），它具有工作频率高（可达），它具有工作频率高（可达兆兆HZHZ），开关损耗小，安全工作区宽，几乎不存），开关损耗小，安全工作区宽，几乎不存在二次击穿，输入阻抗高，易并联（漏源电阻为在二次击穿，输入阻抗高，易并联（漏源电阻为正温度特性）的特点，是目前高频化的主要器件，正温度特性
5、）的特点，是目前高频化的主要器件，尽管尽管VDMOSVDMOS器件的开关频率高，但导通电阻大这器件的开关频率高，但导通电阻大这一缺点限制了它在高频大中功率领域应用。一缺点限制了它在高频大中功率领域应用。2021/9/212021/9/213 3n n绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管IGBTIGBT（insulated gate bipolar insulated gate bipolar transistortransistor）。）。IGBTIGBT于于19821982年在美研制成功，年在美研制成功，19851985年投入市场年投入市场,为场控器件，其工作频率超过为场控器件，其工作频率超
6、过20KHz20KHz。n n8080年代另一重要的发展是智能化功率集成电路年代另一重要的发展是智能化功率集成电路(SMART POWER IC)(SMART POWER IC)的研制成功，它们是在制造过的研制成功，它们是在制造过程中，将功率电子电路和信息电子电路一起集成程中，将功率电子电路和信息电子电路一起集成在一个芯片上或是封装在一个模块内产生的，具在一个芯片上或是封装在一个模块内产生的，具有信号测试及处理、系统保护及故障诊断等功能，有信号测试及处理、系统保护及故障诊断等功能，它们实际上是一种微型化的功率变换装置。它们实际上是一种微型化的功率变换装置。2021/9/212021/9/214
7、 4n n随着科学技术的发展及功率集成制造技术的日趋完善，电力电子技术具有广阔的发展前景。本章将详细介绍快恢复二极管、晶闸管（SCR）、双极型晶体管、功率场效应晶体管（MOSFET）、和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的性能、参数、工作原理及驱动技术。返回2021/9/212021/9/215 53.2功率二极管功率二极管n nP P型半导体和型半导体和N N型半导体是两种导电类型的半导体材型半导体是两种导电类型的半导体材料，通过某种工艺方法将两种半导体结合在一起，则料，通过某种工艺方法将两种半导体结合在一起，则在交界面处型成在交界面处型成PNPN结。结。图3-1 PN结、二极管符号和二极管伏安
8、特性 2021/9/212021/9/216 61 1 1 1、PNPNPNPN结零偏置结零偏置结零偏置结零偏置n nP P型半导体多子为空穴，型半导体多子为空穴，N N型半导体多子为电型半导体多子为电子，当子，当PNPN结零偏时，结零偏时，P P型半导体和型半导体和N N型半导体型半导体交界处多子相互扩散，即交界处多子相互扩散，即P P型半导体中空穴向型半导体中空穴向N N型半导体扩散，型半导体扩散，N N型半导体中电子向型半导体中电子向P P型半导型半导体扩散，在体扩散，在P P型半导体侧形成负电荷，在型半导体侧形成负电荷，在N N型型侧形成正电荷，电场方向如图侧形成正电荷，电场方向如图3
9、-2(a)3-2(a)所示，该所示，该电场方向阻碍多子扩散，当两者平衡时空间电电场方向阻碍多子扩散，当两者平衡时空间电荷区达到了一定宽度，由于多子扩散运动和少荷区达到了一定宽度，由于多子扩散运动和少子漂移运动相等，总体上看没有电流形成。子漂移运动相等，总体上看没有电流形成。2021/9/212021/9/217 7n n 图3-2 2021/9/212021/9/218 82 2 2 2、PNPNPNPN结正向偏置结正向偏置结正向偏置结正向偏置n n外电场削弱了外电场削弱了PNPN结内部空间电荷区形成的内电场，结内部空间电荷区形成的内电场，打破了多子扩散和少子漂移的平衡，这时打破了多子扩散和少
10、子漂移的平衡，这时P P区的空区的空穴不断涌入穴不断涌入N N区，区，N N区的电子也不断涌入区的电子也不断涌入P P区，各区，各自成为对方区中的少数载流子，电场方向如图自成为对方区中的少数载流子，电场方向如图 3-3-2(b)2(b)所示。所示。n n当当PNPN结流过正向大电流时，注入基区的空穴浓度结流过正向大电流时，注入基区的空穴浓度大大超过原始大大超过原始N N型基片的多子浓度，为了维持半型基片的多子浓度，为了维持半导体电中性的条件，多子浓度也要相应的大幅度导体电中性的条件，多子浓度也要相应的大幅度增加，即在注入大电流条件下原始增加，即在注入大电流条件下原始N N型基片的电型基片的电阻
11、率大大下降，也就是说电导率大大地增加，这阻率大大下降，也就是说电导率大大地增加，这种现象称为基区电导调制效应。种现象称为基区电导调制效应。2021/9/212021/9/219 9n n3 3、PNPN结反偏结反偏n n外电场加强了内部电场，从而强烈地阻止结多子扩散，但该电场使漂移加强，这种漂移形成PN结漏电流，由于少子浓度很低，所以该漂移电流很小，且随反偏电压V增大而增大，但变化很小，因此反偏PN结相当于“断态”或“高阻状态”。随着反偏增大，其内电场加强，空间电荷区加宽，当增大到使结雪崩击穿强度时，反向漏电流急剧增大结会因损耗急剧增大而损坏，所以结上反向电压受雪崩击穿电压的限制。2021/9
12、/212021/9/2110104 4、PNPN结特点：结特点：n nPN结通过正向大电流时压降只有1V左右，即双极型器件通态压降较小，空间电荷区的雪崩击穿电场强度决定了结承受反向电压的大小，击穿前反向漏电流很小，一旦击穿反向漏电流急剧增加。结正偏时呈现低阻状态，反偏时呈现高阻状态，即PN结具有单向导电特性。2021/9/212021/9/2111115 5 5 5、PNPNPNPN结动态工作过程结动态工作过程结动态工作过程结动态工作过程n n1 1）二极管）二极管D D从导通转向关断过程从导通转向关断过程n n所有的所有的PNPN结二极管，在传导正向电流时，都结二极管，在传导正向电流时，都以
13、少子形式存储电荷。但是，当二极管反向时，以少子形式存储电荷。但是，当二极管反向时，在二极管处于在二极管处于“断态断态”前存储的电荷必须全部前存储的电荷必须全部抽出或必须被中和掉。发生这一过程所花费的抽出或必须被中和掉。发生这一过程所花费的时间定义为反向恢复时间，即反向恢复时间为时间定义为反向恢复时间，即反向恢复时间为清除这些少数载流子达到稳态值所需的时间。清除这些少数载流子达到稳态值所需的时间。n n当当PNPN结正向导通时，结正向导通时，PNPN结突然加一反偏电压，结突然加一反偏电压，反偏时高阻状态（反向阻断能力）的恢复需要反偏时高阻状态（反向阻断能力）的恢复需要经过一段时间。在未恢复反偏高
14、阻状态之前，经过一段时间。在未恢复反偏高阻状态之前，二极管相当于短路状态，这是一个很重要的特二极管相当于短路状态，这是一个很重要的特性。性。2021/9/212021/9/211212n n 图图3-3 3-3 二极管电二极管电流、电压波形流、电压波形定义定义2021/9/212021/9/211313n n在反偏电场作用下，正向电流逐步减小到零，由于PN结正向导通时在P型半导体内存储了许多电子，在N型半导体内存储了许多空穴，除了一部分少数载流子被复合掉外，其余少数载流子在反偏电场作用下，形成反向电流，当靠近结附近的多余少数载流子离开了空间电荷区，电流开始减小，空间电荷区电场加宽，为PN结恢复
15、反偏时高阻状态（反向阻断能力）创造条件。2021/9/212021/9/211414n n恢复时间由两个不同的时间区间（恢复时间由两个不同的时间区间（t ta a，t tb b）组成。）组成。t ta a被称为存储时间，被称为存储时间，t tb b 被称为渡越时间。被称为渡越时间。n n反向恢复时间反向恢复时间t trrrr（耗尽存储电荷所需的总时间）（耗尽存储电荷所需的总时间）定义为：定义为：n nt trrrr通常作为器件开关速度的度量，并用来决定器通常作为器件开关速度的度量，并用来决定器件是否适合于某一规定的应用。件是否适合于某一规定的应用。n nt ta a为二极管反向电流从零上升到峰
16、值所需的时间，为二极管反向电流从零上升到峰值所需的时间，t tb b为二极管反向电流从峰值降到为二极管反向电流从峰值降到1/41/4峰值电流所需峰值电流所需的时间。由于在的时间。由于在t tb b期间二极管承受高电压的同时也期间二极管承受高电压的同时也承受大电流，所以二极管内将有显著的功率损耗。承受大电流，所以二极管内将有显著的功率损耗。n n反向恢复电荷反向恢复电荷 ：定义为：定义为 期间电流期间电流时间曲线包时间曲线包围的面积。该指标反映了反向恢复损耗的大小。围的面积。该指标反映了反向恢复损耗的大小。2021/9/212021/9/211515n n2 2）二极管导通特性）二极管导通特性n
17、 n当当PNPN结从反偏转向正向导通结从反偏转向正向导通时，时，PNPN结的通态压降并不立结的通态压降并不立即达到其静态伏安特性所对即达到其静态伏安特性所对应的稳态压降值，而需经过应的稳态压降值，而需经过一段正向恢复时期，在这期一段正向恢复时期，在这期间，正向动态峰值压降可以间，正向动态峰值压降可以达到数伏至数十伏。图给出达到数伏至数十伏。图给出了了PNPN结正向导通时的动态波结正向导通时的动态波形。形。图图3-4 3-4 二极管导通特性二极管导通特性2021/9/212021/9/2116166 6、二极管主要参数、二极管主要参数n n二极管主要参数有：二极管主要参数有：n n额定平均电流；
18、稳态平均电压；反向重复峰值电额定平均电流；稳态平均电压；反向重复峰值电压；反向恢复时间；反向恢复电荷量等。在反向压；反向恢复时间；反向恢复电荷量等。在反向恢复电流特性中，峰值反向电流是一个重要的参恢复电流特性中，峰值反向电流是一个重要的参数，此外反向电流的波形衰减斜率也是一个重要数，此外反向电流的波形衰减斜率也是一个重要参数。在电路中、在具有引线电感的参数。在电路中、在具有引线电感的PNPN结中，会结中，会引起电压尖刺，变化率越高（所谓硬恢复或强迫引起电压尖刺，变化率越高（所谓硬恢复或强迫关断），则二极管和功率开关上叠加的电压尖刺关断），则二极管和功率开关上叠加的电压尖刺越大，因此反向电流缓慢
19、衰减的特性（软恢复）越大，因此反向电流缓慢衰减的特性（软恢复）才是人们希望的特性。才是人们希望的特性。2021/9/212021/9/2117177 7 7 7、二极管类型、二极管类型、二极管类型、二极管类型n n除一般类型的整流二极管外，还有：除一般类型的整流二极管外，还有：n n1 1）快恢复二极管）快恢复二极管n n快恢复二极管具有较短的恢复时间（快恢复二极管具有较短的恢复时间（200ns200ns2us2us），但通），但通态压降较高态压降较高,快恢复二极管常用于高频电路的整流或钳位。快恢复二极管常用于高频电路的整流或钳位。n n2 2）肖特基整流二极管）肖特基整流二极管n n肖特基二
20、极管是用金属沉积在肖特基二极管是用金属沉积在N N型硅的薄外延层上，利用型硅的薄外延层上，利用金属和半导体之间接触势垒获得单向导电作用，接触势垒金属和半导体之间接触势垒获得单向导电作用，接触势垒相似于相似于PNPN结。它导通时，不存在象双极型整流二极管那样结。它导通时，不存在象双极型整流二极管那样的正反向恢复过程，恢复时间仅是势垒电容的充放电时间，的正反向恢复过程，恢复时间仅是势垒电容的充放电时间，故其反向恢复时间远小于相同额定值的结型二极管。肖特故其反向恢复时间远小于相同额定值的结型二极管。肖特基整流二极管通态压降较普通整流二极管通态压降低，且基整流二极管通态压降较普通整流二极管通态压降低，
21、且它的反向恢复时间仅为几十纳秒，常用于低压高频整流。它的反向恢复时间仅为几十纳秒，常用于低压高频整流。当肖特基整流管设计的电压超过当肖特基整流管设计的电压超过100V100V，它导通时少子导电，它导通时少子导电开始占主导地位，这时同普通整流二极管一样存在着恢复开始占主导地位，这时同普通整流二极管一样存在着恢复过程。肖特基整流二极管的反向恢复峰值电压最大值一般过程。肖特基整流二极管的反向恢复峰值电压最大值一般为为100V100V，额定电流从，额定电流从1A1A到到300A300A。返回2021/9/212021/9/2118183.33.3功率晶体管功率晶体管GTRGTRn n1 1 1 1、晶
22、体管工作三种状态晶体管工作三种状态n n晶体管（晶体管（transistortransistor）由三层半导体组成（构成两）由三层半导体组成（构成两个个PNPN结），有结），有PNPPNP和和NPNNPN两种，从三块半导体两种，从三块半导体上各自接出一根引线就是三极管的三个电极，上各自接出一根引线就是三极管的三个电极，B B为基极，为基极，C C为集电极，为集电极，E E为发射极，符号和结为发射极，符号和结构如图构如图3-53-5所示。虽然发射区和集电区都是所示。虽然发射区和集电区都是N N型型半导体（对半导体（对NPNNPN而言），但是发射区的而言），但是发射区的N N型半型半导体比集电区的
23、导体比集电区的N N型半导体掺的杂质多，因此型半导体掺的杂质多，因此它们并不对称。晶体管可以工作在三种状态，它们并不对称。晶体管可以工作在三种状态，即放大状态、饱和状态和截止状态。在现代电即放大状态、饱和状态和截止状态。在现代电力电子技术中，晶体管只作为开关使用，工作力电子技术中，晶体管只作为开关使用，工作于截止和饱和两种状态。于截止和饱和两种状态。2021/9/212021/9/211919n n 图图3-5 3-5 晶晶体管符体管符号和结号和结构构2021/9/212021/9/2120201 1）放大状态）放大状态n n无论是共基极接法还是共射极接法，只要无论是共基极接法还是共射极接法，
24、只要集电结反偏电集电结反偏电压达到一定值、发射结正偏，压达到一定值、发射结正偏，就工作于放大状态。就工作于放大状态。2 2）饱和状态）饱和状态n n工作于饱和状态时工作于饱和状态时集电结、发射结均正向偏置。集电结、发射结均正向偏置。以共射以共射极接法为例，随着基极电流增加，负载上电压增加，而极接法为例，随着基极电流增加，负载上电压增加，而电源电压不变，因此集电结反偏电压必须下降。当负载电源电压不变，因此集电结反偏电压必须下降。当负载上电压增加到集电结反偏电压为零时，晶体管进入临界上电压增加到集电结反偏电压为零时，晶体管进入临界饱和状态，基极电流再增加时，晶体管的饱和加深，晶饱和状态，基极电流再
25、增加时，晶体管的饱和加深，晶体管进入饱和时，集电极电流就不再明显增加了。饱和体管进入饱和时，集电极电流就不再明显增加了。饱和状态时发射结和集电结都正偏置，饱和压降很小。状态时发射结和集电结都正偏置，饱和压降很小。3 3）截止状态）截止状态n n工作于截止状态时，即工作于截止状态时，即发射结正向偏置电压为零或反偏。发射结正向偏置电压为零或反偏。n n图图3-63-6为为NPNNPN晶体管共射极接法的输出特性晶体管共射极接法的输出特性2021/9/212021/9/212121图图3-6 NPN3-6 NPN晶体管共射极接法的输出特性晶体管共射极接法的输出特性2021/9/212021/9/212
26、2222 2 2 2、功率晶体管、功率晶体管、功率晶体管、功率晶体管GTRGTRGTRGTR的特点的特点的特点的特点 习惯上将耗散功率大于习惯上将耗散功率大于1W1W的晶体管称为功率晶体管，简的晶体管称为功率晶体管，简称称GTRGTR（Giant TransistorGiant Transistor）。由于）。由于GTRGTR在大耗散功率下工在大耗散功率下工作，当工作电流和工作电压变化时会导致管子的温度急剧作，当工作电流和工作电压变化时会导致管子的温度急剧变化，这样又引起管子的工作状态急剧变化，还会在管子变化，这样又引起管子的工作状态急剧变化，还会在管子内部产生大的机械引力，引起内部产生大的机
27、械引力，引起GTRGTR损坏。因此，损坏。因此，GTRGTR应有应有下列性能要求或参数：下列性能要求或参数：n n 具有高的极限工作温度；具有高的极限工作温度；n n 小的热阻；小的热阻；n n 小的饱和导通压降或饱和电阻；小的饱和导通压降或饱和电阻；n n 工作稳定可靠；工作稳定可靠；n n 大电流容量；大电流容量；n n 高耐压；高耐压；n n 快的开关速度。快的开关速度。2021/9/212021/9/2123233 3、GTR GTR开关特性开关特性 n nGTRGTR主要应用于开关工作方式，采用一定的正向基极电主要应用于开关工作方式，采用一定的正向基极电流去驱动流去驱动GTRGTR导
28、通，采用一定的反向基极电流去关断导通，采用一定的反向基极电流去关断GTRGTR。由于。由于GTRGTR不是理想开关而是真实的器件，因此在不是理想开关而是真实的器件，因此在开关过程中存在着延迟时间和存储时间，如图开关过程中存在着延迟时间和存储时间，如图3-73-7所示。所示。n n在在t t0 0时刻加一个正激励脉冲，时刻加一个正激励脉冲，GTRGTR经过延迟和上升阶段经过延迟和上升阶段才进入饱和区，定义开通时间为：才进入饱和区，定义开通时间为：n n式中：式中：t td d为延迟时间，为延迟时间，t tr r为上升时间。为上升时间。n n在在t t3 3时刻反向信号加到基极，时刻反向信号加到基
29、极，GTRGTR经过存储和下降时间经过存储和下降时间才返回到截止区，定义关断时间为：才返回到截止区，定义关断时间为：n n式中：式中：t ts s为存储时间，为存储时间，t tf f为下降时间。为下降时间。2021/9/212021/9/212424n n 图图3-7 3-7 GTRGTR开开关响应关响应特性特性2021/9/212021/9/212525延迟时间是因为基极电流向发射结势垒电容充电引起的；上升时间是由于基区电荷储存需要一定时间而造成的；存储时间是撤出基区储存的电荷过程而引起的；下降时间是发射结和集电结势垒电容放电的结果。2021/9/212021/9/212626n n在应用中
30、，增大基极电流，使充电加快，在应用中，增大基极电流，使充电加快，、都可以缩小，但不宜过大，否则将增都可以缩小，但不宜过大，否则将增大储存时间。因此在基极电路中采用加速大储存时间。因此在基极电路中采用加速电容是解决这一问题的一种办法。为了加电容是解决这一问题的一种办法。为了加速速GTRGTR关断，缩短关断时间关断，缩短关断时间 ，基极驱动，基极驱动电路必须提供具有一定幅值的反向驱动电电路必须提供具有一定幅值的反向驱动电流，即加反向基极电压有助于加快电容上流，即加反向基极电压有助于加快电容上电荷的释放，从而减小电荷的释放，从而减小 和和 。但基极反向。但基极反向电压不能过大，否则会将发射结击穿，还
31、电压不能过大，否则会将发射结击穿，还会增大延迟时间。右图是会增大延迟时间。右图是GTRGTR的理想驱动的理想驱动波形，波形，I IB1B1 是正向过充驱动电流，加速是正向过充驱动电流，加速GTRGTR导通，导通，维持维持GTRGTR处于临界饱和状态；处于临界饱和状态；关断时初始关断时初始 是负值过冲量，可缩短关断是负值过冲量，可缩短关断时间，防止二次击穿。在应用中，一般在时间，防止二次击穿。在应用中，一般在基极驱动电阻基极驱动电阻 上并联电容器来实现理想驱上并联电容器来实现理想驱动。动。图3-8 GTR理想驱动波形2021/9/212021/9/2127274 4、GTR GTR的主要参数的主
32、要参数n n 值；n n反向漏电流；n n最大集电极电流；n n饱和电压；n n结温；n n最高耐压；n n集电结最大耗散功率（注意温度条件）；2021/9/212021/9/212828 集电结消耗的功率比发射结大的多，因此晶体管集电结消耗的功率比发射结大的多，因此晶体管总的消耗功率近似认为是集电结消耗的功率。耗总的消耗功率近似认为是集电结消耗的功率。耗散功率要产生热量，热量使集电结结温升高，结散功率要产生热量，热量使集电结结温升高，结温升高使集电极电流增大，又使集电结结温升高，温升高使集电极电流增大，又使集电结结温升高，这是一个正反馈的过程，因此必须有良好的散热这是一个正反馈的过程，因此必
33、须有良好的散热条件，才能保证晶体管可靠工作。条件，才能保证晶体管可靠工作。GTRGTR的耗散功的耗散功率主要来自三个方面：率主要来自三个方面：1 1）导通损耗，即管子处于导通状态的损耗；）导通损耗，即管子处于导通状态的损耗；2 2）截止损耗；）截止损耗；3 3）开关损耗，即开关过程中管子的损耗。）开关损耗，即开关过程中管子的损耗。2021/9/212021/9/212929n n导通损耗导通损耗P PONON，即管子处于导通状态的损耗。主要，即管子处于导通状态的损耗。主要取决于导通时的集电极电流和晶体管的饱和压降：取决于导通时的集电极电流和晶体管的饱和压降：n n式中式中t tonon为为GT
34、RGTR导通时间，导通时间，T T为开关频率。为开关频率。n n截止损耗截止损耗P POFFOFF，截止时的功率损耗为：，截止时的功率损耗为：n n一般讲截止损耗比导通损耗要小的多，通常忽略一般讲截止损耗比导通损耗要小的多，通常忽略不计。不计。2021/9/212021/9/213030n n开关损耗开关损耗P PSWSW，即开关过程中管子的损耗。由于晶，即开关过程中管子的损耗。由于晶体管不能瞬间导通和关断，在开关过程中管子上体管不能瞬间导通和关断，在开关过程中管子上同时存在电压和电流，因此产生开关损耗。假定同时存在电压和电流，因此产生开关损耗。假定在开通和关断过程中电压和电流线形变化在开通和
35、关断过程中电压和电流线形变化 n n图图3-93-9为集电极耗散功率示意图。为集电极耗散功率示意图。图图3-93-9集电极耗散功率示意图集电极耗散功率示意图2021/9/212021/9/213131n n5 5 5 5、二次击穿、二次击穿、二次击穿、二次击穿n n二次击穿是二次击穿是GTRGTR损坏的主要原因，是影响损坏的主要原因，是影响GTRGTR变流装置可靠性的一个重要因素。变流装置可靠性的一个重要因素。时，当集电结的反偏电压时，当集电结的反偏电压 逐渐增大到某逐渐增大到某一值时，集电极电流急剧增大，这就是通一值时，集电极电流急剧增大，这就是通常的雪崩击穿，即一次击穿现象。一次击常的雪崩
36、击穿，即一次击穿现象。一次击穿的特点是：在急剧增加的过程中，集电穿的特点是：在急剧增加的过程中，集电结的维持电压保持不变，如图所示。结的维持电压保持不变，如图所示。n n当再增大当再增大 时，上升到某一临界点（时，上升到某一临界点（）时，）时，突然下降，突然下降，继续增长，出现了负阻效应继续增长，出现了负阻效应（减少，减少，增大），这种现象称为二次击增大），这种现象称为二次击穿现象。二次击穿的电压和电流（穿现象。二次击穿的电压和电流（）称为二次击穿的临界电压和临界电流，其称为二次击穿的临界电压和临界电流，其乘积乘积 称为二次击穿的临界功率。把不同称为二次击穿的临界功率。把不同 下发生二次击穿的
37、临界点连接起来就形成下发生二次击穿的临界点连接起来就形成二次击穿临界线，如图二次击穿临界线，如图3-113-11所示。所示。图3-11 二次击穿临界线示意图2021/9/212021/9/213232n n晶体管的二次击穿可以发生在其工作的各个不同阶段，GTR发射结正偏压、零偏压和负偏压时都可以发生二次击穿。n n晶体管的二次击穿具有下述特点：n na、在二次击穿临界点停留的时间称为二次击穿延迟时间。对于不同类型的二次击穿这一时间长短相差很大，长的可达100多毫秒，短的几乎是瞬间发生。晶体管进入二次击穿需满足以下条件：2021/9/212021/9/213333n n 式中式中 为二次击穿耐量
38、。也就是说，发生二次击为二次击穿耐量。也就是说，发生二次击穿必须同时具备高电压、大电流和持续时间。穿必须同时具备高电压、大电流和持续时间。n nb b、负阻特性阶段的过渡过程是瞬间完成的，这一、负阻特性阶段的过渡过程是瞬间完成的，这一阶段是非稳定状态，且不可逆。阶段是非稳定状态，且不可逆。n nc c、不管二次击穿的临界电压和电流如何，一旦进、不管二次击穿的临界电压和电流如何，一旦进入二次击穿，晶体管的集电极入二次击穿，晶体管的集电极发射极电压都在发射极电压都在101015V15V左右。左右。n nd d、二次击穿临界功率和晶体管的特征频率、下降、二次击穿临界功率和晶体管的特征频率、下降时间和
39、温度都有关系，示意图如图时间和温度都有关系，示意图如图3-123-12（a a）、）、（b b）、（）、（c c）所示。）所示。2021/9/212021/9/213434图3-12（a）二次击穿临界功率和晶体管的特征频率关系示意图（b）二次击穿临界功率和下降时间关系示意图（c）二次击穿临界功率和温度关系示意图2021/9/212021/9/2135356 6 6 6、安全工作区（、安全工作区（、安全工作区（、安全工作区（SOASOASOASOA）为了确保为了确保GTRGTR在开关过程中能安全可在开关过程中能安全可靠的工作，其动态轨迹（靠的工作，其动态轨迹（）必须）必须限定在特定的范围内，该范
40、围被称为限定在特定的范围内，该范围被称为GTRGTR的安全工作区的安全工作区SOASOA（safe safe operation areaoperation area），一般由），一般由GTRGTR的电流、的电流、电压、耗散功率和二次击穿临界功率电压、耗散功率和二次击穿临界功率四条线直接围成。如图四条线直接围成。如图3-133-13所示。所示。a.a.正偏安全工作区正偏安全工作区FBSOAFBSOA（forward bias forward bias safe operation areasafe operation area）n n正偏安全工作区正偏安全工作区FBSOAFBSOA又称导通安全
41、又称导通安全工作区，由工作区，由GTRGTR的电流、电压、耗散的电流、电压、耗散功率和二次击穿临界功率四条线直接功率和二次击穿临界功率四条线直接围成。围成。FBSOAFBSOA还同温度、集电极脉冲还同温度、集电极脉冲电流持续时间有关。图电流持续时间有关。图3-143-14是某是某GTRGTR的的FBSOAFBSOA，由图可知脉冲持续时间越，由图可知脉冲持续时间越长长FBSOAFBSOA区域就越小，工作温度越高，区域就越小，工作温度越高，FBSOAFBSOA区域就越小。区域就越小。图3-13晶体管或GTR安全工作区（SOA）图3-14 某GTR的正偏安全工作区FBSOA 2021/9/21202
42、1/9/213636b.反偏安全工作区RBSOA（reverse bias safe operation area）n n前面已经指出，基射结加反相偏置可以提高GTR的集射结的一次击穿电压，所以几乎所有的GTR驱动电路都采用足够的反相基极电流来提高GTR的电压承受能力。2021/9/212021/9/213737n nc c.非重复安全工作区（非重复安全工作区（AOAAOA）n n大功率晶体管（大功率晶体管（GTRGTR）的过载能力是反映器件水平）的过载能力是反映器件水平的一项重要技术指标，可分为正偏非重复过载安的一项重要技术指标，可分为正偏非重复过载安全区（全区（FBAOAFBAOA）和反偏
43、非重复过载安全区）和反偏非重复过载安全区（RBAOARBAOA）。正偏非重复过载安全区（）。正偏非重复过载安全区（FBAOAFBAOA）规）规定了发生每一种过载或短路的持续时间，这表明定了发生每一种过载或短路的持续时间，这表明保护电路至少应在这个规定的时间内使晶体管关保护电路至少应在这个规定的时间内使晶体管关断，但这并不意味着晶体管的关断不受损坏，而断，但这并不意味着晶体管的关断不受损坏，而应通过应通过FBAOAFBAOA进行检验。在应用进行检验。在应用AOAAOA曲线时还应注曲线时还应注意下面两点：意下面两点：n n1).1).过载电流大于最大值的次数应限于规定的次数过载电流大于最大值的次数
44、应限于规定的次数以内。以内。n n2).2).在下一次过载到来以前，晶体管（在下一次过载到来以前，晶体管（GTRGTR）的结）的结温必须返回到规定的结温。温必须返回到规定的结温。2021/9/212021/9/213838n n7 GTR7 GTR7 GTR7 GTR模块模块模块模块n n单个单个GTRGTR电流增益比较低，电流增益比较低，一般只有一般只有1010左右，显然需要左右，显然需要较大的驱动电流，为了驱动较大的驱动电流，为了驱动GTRGTR，一般需要由其它晶体，一般需要由其它晶体管提供基极驱动电流，这种管提供基极驱动电流，这种电路连接称为达林顿电路连接称为达林顿（Darlington
45、Darlington）连接，如图）连接，如图3-153-15所示。达林顿连接由两所示。达林顿连接由两个晶体管级联组成，电路总个晶体管级联组成，电路总的放大倍数是和的电流放大的放大倍数是和的电流放大倍数的乘积，这样驱动所需倍数的乘积，这样驱动所需的基极电流就减小。的基极电流就减小。图3-15 达林顿晶体管 2021/9/212021/9/213939n n图图3-153-15中电阻中电阻R R1 1和和R R2 2在电路导通时为在电路导通时为T T2 2提供基射极提供基射极的正向偏置，在电路关断时构成泄漏电路；二极的正向偏置，在电路关断时构成泄漏电路；二极管管D D2 2为反相基极电流提供低阻抗
46、通道；二极管为反相基极电流提供低阻抗通道；二极管D D1 1是是快速二极管，对快速二极管，对T T2 2起保护作用；由图可见，起保护作用；由图可见，这样可以阻止，这样可以阻止T T2 2进入过饱和状态，从而使关断进入过饱和状态，从而使关断更快。更快。n n将图将图3-15 3-15 做成集成电路，将做成集成电路，将B B、C C和和E E引出，便形引出，便形成达林顿晶体管（成达林顿晶体管（Darlington transistorDarlington transistor），达），达林顿晶体管有时采用三个晶体管复合的结构。将林顿晶体管有时采用三个晶体管复合的结构。将2 2个达林顿晶体管或个达林
47、顿晶体管或4 4个达林顿晶体管或个达林顿晶体管或6 6个达林顿个达林顿晶体管封装在一个外壳内形成一个模块，称为两晶体管封装在一个外壳内形成一个模块，称为两管模块、四管模块和六管模块，可以构成一个桥管模块、四管模块和六管模块，可以构成一个桥臂或两个桥臂或三个桥臂主电路。模块的外壳设臂或两个桥臂或三个桥臂主电路。模块的外壳设计着重考虑安装方便，同时考虑散热需要，将引计着重考虑安装方便，同时考虑散热需要，将引出端子布置在一个平面，接线方便。出端子布置在一个平面，接线方便。2021/9/212021/9/214040 图3-16 GTR双管模块内部电路 图3-17某GTR六管模块内部电路2021/9/
48、212021/9/214141n n8 GTR8 GTR驱动驱动n nGTRGTR驱动电路的设计方法叙述如下驱动电路的设计方法叙述如下n n确定基极驱动电流确定基极驱动电流 。GTRGTR的电流增益的电流增益h hFEFE（）是在一定的集电极电流、集射极电）是在一定的集电极电流、集射极电压和节温条件下给出的，不能只看其标程压和节温条件下给出的，不能只看其标程值，一般厂商都给出值，一般厂商都给出 h hFEFEIc Ic 曲线，曲线，h hFEFE随着随着温度和温度和U UCECE变化，因此工程上取其标程值的变化，因此工程上取其标程值的70%70%，基极电流下式取值：，基极电流下式取值：2021
49、/9/212021/9/214242n n确定基确定基射反向电压。基射反向电压。基射反向电压射反向电压可以减少关断时间，还可以使可以减少关断时间，还可以使GTRGTR承受承受更高的反向电压，并且与更高的反向电压，并且与dv/dtdv/dt引起的引起的电流有关，试验证明如果这个电压大于电流有关，试验证明如果这个电压大于2V2V，则，则dv/dtdv/dt引起的电流几乎为零。因引起的电流几乎为零。因此，反向偏置电压至少为此，反向偏置电压至少为2V2V，但不能超，但不能超过最大反响电压。过最大反响电压。n n确定反向基极驱动电流确定反向基极驱动电流I IB2B2。I IB2B2增大，增大，GTRGT
50、R的关断时间缩短，但的关断时间缩短，但I IB2B2增大，浪涌增大，浪涌电压增大，反向偏置安全工作区变窄，电压增大，反向偏置安全工作区变窄，因此确定因此确定I IB2B2反向基极驱动电流必须考虑反向基极驱动电流必须考虑使用频率、反向偏置安全工作区、存储使用频率、反向偏置安全工作区、存储时间和下降时间。由于浪涌电压与的大时间和下降时间。由于浪涌电压与的大小和主电路的设置密切相关，所以在实小和主电路的设置密切相关，所以在实际应用中由试验确定。一般际应用中由试验确定。一般I IB2B2最大值为最大值为I IB1B1的的2 23 3倍。倍。2021/9/212021/9/214343n n1 1）常见