第1章 電力半導(dǎo)體器件

第一章電力半導(dǎo)體器件對應(yīng)電力二極管，由于要求承受高壓，與普通的P-N結(jié)不同，其內(nèi)部一個N-層，其雜質(zhì)濃度很低，電阻率很高，通過它實(shí)現(xiàn)很高的耐壓能力。IOIFUTOUFU3.比較：1擊穿實(shí)質(zhì)不同：一個是通過碰撞產(chǎn)生載流子；一個是通過強(qiáng)電場直接破壞共價鍵；

2產(chǎn)生條件不同：齊納擊穿要求高雜濃度，雪崩擊穿濃度較低；

3.聯(lián)系：發(fā)生齊納擊穿一定產(chǎn)生雪崩擊穿；而發(fā)生雪崩擊穿則未必發(fā)生齊納擊穿。熱擊穿是永久損壞。電擊穿發(fā)生時，若外電路將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，反向電壓降低后PN節(jié)仍可恢復(fù)。若電流未控制住，發(fā)生了熱擊穿，則二極管永久損壞。特點(diǎn)：工藝上多采用摻金措施，結(jié)構(gòu)上多采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)。或改進(jìn)的PIN型結(jié)構(gòu)，但耐壓不高。SiliconControlledRectifier圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理

a)雙晶體管模型b)工作原理

■晶閘管的工作原理

◆按照晶體管工作原理，可列出如下方程：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流?！艟w管的特性是：在低發(fā)射極電流下

是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后，

迅速增大?！粼诰w管阻斷狀態(tài)下，IG=0，而1+2是很小的。由上式可看出，此時流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個晶體管漏電流之和。

◆如果注入觸發(fā)電流使各個晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，從而實(shí)現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通?！粲捎谕怆娐坟?fù)載的限制，IA實(shí)際上會維持有限值。

由以上式（2-1）~（2-4）可得(1-3)2晶閘管的基本特性■靜態(tài)特性

◆正常工作時的特性

?當(dāng)晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。

?當(dāng)晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。

?晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。?若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。

◆晶閘管的伏安特性

?正向特性

√當(dāng)IG=0時，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過。

√如果正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通?！屉S著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。

√如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)，IH稱為維持電流。

圖1-8晶閘管的伏安特性

IG2>IG1>IG

正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+?反向特性

√其伏安特性類似二極管的反向特性。

√晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反向漏電流通過。

√當(dāng)反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管損壞。

圖1-8晶閘管的伏安特性 IG2>IG1>IG正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+晶閘管的基本特性■動態(tài)特性◆開通過程

?由于晶閘管內(nèi)部的正反饋過程需要時間，再加上外電路電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽極電流的增長不可能是瞬時的。?延遲時間td

(0.5~1.5s)

上升時間tr(0.5~3s)

開通時間tgt=td+tr?延遲時間隨門極電流的增大而減小,上升時間除反映晶閘管本身特性外，還受到外電路電感的嚴(yán)重影響。提高陽極電壓,延遲時間和上升時間都可顯著縮短。

圖2-10晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形陽極電流穩(wěn)態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽極電流穩(wěn)態(tài)值的10%◆關(guān)斷過程

?由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r，其陽極電流在衰減時必然也是有過渡過程的。

?反向阻斷恢復(fù)時間trr

正向阻斷恢復(fù)時間tgr

關(guān)斷時間tq=trr+tgr?關(guān)斷時間約幾百微秒。

?在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向?qū)?，而不是受門極電流控制而導(dǎo)通。圖2-10晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形100%反向恢復(fù)電流最大值尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對晶閘管施加足夠長的反向電壓。晶閘管門極與陰極之間的PN結(jié)J3，其伏安特性稱為門極伏安特性。3晶閘管的主要參數(shù)■電壓定額◆斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM?是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓（見圖1-8）。

?國標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即斷態(tài)最大瞬時電壓）UDSM的90%。

?斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo?！舴聪蛑貜?fù)峰值電壓URRM

?是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓（見圖1-9）。

?規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%。?反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓。2.3.3晶閘管的主要參數(shù)

◆通態(tài)峰值電壓UTM?晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。

◆通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2~3倍?！鲭娏鞫~◆通態(tài)平均電流IT(AV）

?國標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。

?按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來定義的。?一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的原則來選取晶閘管的電流定額。

2.3.3晶閘管的主要參數(shù)◆維持電流IH

?維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。?結(jié)溫越高，則IH越小。

◆擎住電流IL?擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。

?約為IH的2~4倍

◆浪涌電流ITSM

?指結(jié)溫為額定值時，在工頻正弦波半周期期間器件能承受的最大過載電流，而且緊接浪涌后的半周期內(nèi)應(yīng)能承受規(guī)定的反向電壓?！鰟討B(tài)參數(shù)

◆開通時間tgt和關(guān)斷時間tq

◆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)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。

?電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(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。

?如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。1.3.2雙向晶閘管a)b)IOUIG=0GT1T2■雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）◆可以認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成?！糸T極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性。

◆雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。圖1-11雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性

雙向晶閘管的觸發(fā)方式雙向晶閘管正反兩個方向都能導(dǎo)通，門極加正負(fù)電壓都能觸發(fā)。主電壓與觸發(fā)電壓相互配合，可以得到四種觸發(fā)方式：Ⅰ+觸發(fā)方式：主極T1為正，T2為負(fù)；門極電壓G為正（對T2）。特性曲線在第Ⅰ象限。Ⅰ-觸發(fā)方式：主極T1為正，T2為負(fù)；門極電壓G為負(fù)(對T2)。特性曲線在第Ⅰ象限。Ⅲ+觸發(fā)方式：主極T1為負(fù)，T2為正；門極電壓G為正(對T2)。特性曲線在第Ⅲ象限。Ⅲ-觸發(fā)方式：主極T1為負(fù)，T2為正；門極電壓G為負(fù)(對T2)。特性曲線在第Ⅲ象限。由于雙向晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因，四種觸發(fā)方式中觸發(fā)靈敏度不相同，以Ⅲ+觸發(fā)方式靈敏度最低，使用時要盡量避開。常采用的觸發(fā)方式為Ⅰ+和Ⅲ-

。Ⅰ+觸發(fā)靈敏度最高。1.3.3光控晶閘管AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA■光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）

◆是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。

◆由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在高壓大功率的場合。圖1-12光控晶閘管的電氣圖形符 號和伏安特性

a)電氣圖形符號b)伏安特性

1.4.1門極可關(guān)斷晶閘管■晶閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。

■GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆GTO的結(jié)構(gòu)?是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。?是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出3個電極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。多元集成結(jié)構(gòu)，陰極很小，門、陰極間距很小，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。

圖1-13GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號各單元的陰極、門極間隔排列的圖形并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖電氣圖形符號

1.4可關(guān)斷器件◆2GTO的工作原理：導(dǎo)通過程

?仍然可以用如左所示的雙晶體管模型來分析GTO的導(dǎo)通過程與普通晶閘管是一樣的，有同樣的正反饋過程。1+2=1是臨界導(dǎo)通條件，當(dāng)1+2>1時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通，當(dāng)1+2<1時，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。GTO在工藝設(shè)計(jì)上，

2遠(yuǎn)大于1

，且導(dǎo)通時1+2更接近于1（≈

1.05）。使得GTO導(dǎo)通時飽和程度不深，更接近于臨界飽和，從而為門極控制關(guān)斷提供了有利條件。但是負(fù)面影響是導(dǎo)通時管壓降增大。GTO工作原理：關(guān)斷過程GTO關(guān)斷時，給門極加負(fù)脈沖，即從門極抽出電流，則晶體管VT2的基極電流Ib2減小。由于2遠(yuǎn)大1于，VT2的基極電流Ib2減小時，IC2和IK將大幅度減小。IC2的大幅度減小，又使IC1和將IA

大幅度減小,更進(jìn)一步衰減VT2的門極電流，如此形成了強(qiáng)烈的正反饋。由于1比較小，VT1飽和程度比較淺，使得VT1很快退出飽和而關(guān)斷。當(dāng)兩個晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使1+2<1時，器件退出飽和而關(guān)斷。小結(jié)：?GTO的導(dǎo)通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導(dǎo)通時飽和程度較淺。

?而關(guān)斷時，給門極加負(fù)脈沖，即從門極抽出電流，當(dāng)兩個晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使1+2<1時，器件退出飽和而關(guān)斷。

?GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管開通過程更快，承受di/dt的能力增強(qiáng)。

1.4.1門極可關(guān)斷晶閘管■GTO的動態(tài)特性

◆開通過程與普通晶閘管類似。

◆關(guān)斷過程

?儲存時間ts：

下降時間tf

尾部時間tt?通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。?門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，

ts就越短。使門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍能保持適當(dāng)?shù)呢?fù)電壓，則可以縮短尾部時間。圖2-15GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形

Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流子的時間等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小時間

殘存載流子復(fù)合所需時間

晶閘管內(nèi)部的正反饋過程需要時間，再加上外電路電感的限制，1.4.1門極可關(guān)斷晶閘管■GTO的主要參數(shù)◆GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同。

◆最大可關(guān)斷陽極電流IATO?用來標(biāo)稱GTO額定電流。

◆電流關(guān)斷增益off

?最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。

?off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點(diǎn)。

◆開通時間ton

?延遲時間與上升時間之和。?延遲時間一般約1~2s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大。

◆關(guān)斷時間toff

?一般指儲存時間和下降時間之和，而不包括尾部時間。

?儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于2s。1.4.2電力晶體管■電力晶體管（GiantTransistor——GTR）按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT）

■GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。

◆最主要的特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。

◆

GTR的結(jié)構(gòu)

?

GTR是由三層半導(dǎo)體（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成的兩個PN結(jié)（集電結(jié)和發(fā)射結(jié)）構(gòu)成，多采用NPN結(jié)構(gòu)。+表示高摻雜濃度，-表示低摻雜濃度2.4.2電力晶體管?在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為

稱為GTR的電流放大系數(shù)，它反映了基極電流對集電極電流的控制能力。當(dāng)不考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關(guān)系為?單管GTR的

值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可以有效地增大電流增益。達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的GTR:

驅(qū)動管VT1的輸出并聯(lián)在輸出管VT2的集電結(jié),集電級不可能出現(xiàn)正向偏置，因而不可能進(jìn)入深飽和區(qū),適用于高壓GTR。

優(yōu)點(diǎn)：容易退出飽和而迅速關(guān)斷，電流增益高，可擴(kuò)大輸出容量。

缺點(diǎn)：導(dǎo)通時管壓降較高。這是因?yàn)関I管的集電極電位永遠(yuǎn)高于它的發(fā)射極電位．使v2管的集電結(jié)不會處于正向偏量狀態(tài)．輸出管V2就不會飽和，從而達(dá)林頓GTR的飽和壓降較大，增加了導(dǎo)通損耗。(2)開關(guān)動態(tài)特性第（1）時段，基極GTR處于截止?fàn)顟B(tài)。第（2）時段開始，基極端外加正電壓，基極電流產(chǎn)生，線路寄生電感限制了基極電流的上升速率。

GTR截止時，N-區(qū)載流子很少；同時發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于反向偏置狀態(tài)。要使得GTR恢復(fù)導(dǎo)通，首先要使得發(fā)射結(jié)導(dǎo)通（向發(fā)射結(jié)沖電），

由此導(dǎo)致ic的延遲時間td.由于ic延遲，ic保持為0，所以Uce的值不變。

時段（2）的長度即為延遲時間td。

第（3）時段，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，壓降為標(biāo)準(zhǔn)值0.7v。同時少子電荷（正電荷）從基極通過集電結(jié)進(jìn)入N-區(qū)并在N-區(qū)積累，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得N-區(qū)阻抗逐漸減小,ic逐漸增大，UCE則不斷減小。GTR進(jìn)入線性放大區(qū)

由于ic增大，N-區(qū)阻抗減小，集電極電位不斷減小，第（3）時段末尾，集電結(jié)開始正向偏置。在第（4）到第（4）時段末尾，P區(qū)和N-區(qū)的少子電荷得到很大的積累，遠(yuǎn)超過維持線性放大區(qū)集電極電流所必需的濃度，GTR集－射極間呈現(xiàn)低阻特性。GTR進(jìn)入臨界飽和狀態(tài)。補(bǔ)充：基極電流為何基本不變，由電路決定。第（5）時段，GTR飽和導(dǎo)通。第（6）時段開始，基極外加電壓突然由正變負(fù)，之后基極電流逐漸由正變?yōu)樨?fù)?；鶚O電壓由正變負(fù)，首先抽取基區(qū)中的載流子。因此，（6）時段ic基本不變。隨著基區(qū)中的載流子抽取，N-中的少子減少，ic開始下降，Uce升高，集電結(jié)變?yōu)榉聪蚱茫顺鲲柡蜖顟B(tài)，進(jìn)入線性放大區(qū)，此為第（7）時段；

在第（8）時段，發(fā)射結(jié)等效電容被反向充電，基－射間反向電壓慢慢升高，隨后反向偏置，一直到等于外加負(fù)電壓。第（9）時段開始，GTR進(jìn)入穩(wěn)定的截止?fàn)顟B(tài)。

（3）基極驅(qū)動電流GTR關(guān)斷電流-IB2的幅值越大越有利于P區(qū)少子電荷的排放，從而GTR的關(guān)斷時間就越快。IB1,-IB2的幅值也不能過大，否則可能因?yàn)殡娏鞑痪斐蔁犭姄舸?，GTR集電極電流的正溫度系數(shù)特性，熱電反饋的結(jié)果更加劇了這種現(xiàn)象?！舢?dāng)GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時，集電極電流迅速增大，這種首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿?！舭l(fā)現(xiàn)一次擊穿發(fā)生時如不有效地限制電流，Ic增大到某個臨界點(diǎn)時會突然急劇上升，同時伴隨著電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。(4)二次擊穿與安全工作區(qū)◆出現(xiàn)一次擊穿后，GTR一般不會損壞，二次擊穿常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對GTR危害極大。二次擊穿是在電流突增的同時器件端電壓驟然跌落，P-N結(jié)特性徹底破壞。二次擊穿的持續(xù)時間極短，一般為納秒至微秒的數(shù)量級。二次擊穿引起的是熱損壞，熱點(diǎn)的形成需要能量的積累，因此凡是對GTR電壓、電流、導(dǎo)通時間有關(guān)系的因素:負(fù)載性質(zhì)、脈沖寬度、電路參數(shù)、材料、工藝以及基極驅(qū)動電路的情況等都會影響二次擊穿。a)UCBO,b)UCEO,c)UCES,d)UCER,e)UCEX

◆安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）

?將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn)連接起來，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。?GTR工作時不僅不能超過最高電壓UceM，集電極最大電流IcM和最大耗散功率PcM（一次擊穿功率），也不能超過二次擊穿臨界線。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceMPSB:二次擊穿功率■GTR的主要參數(shù)◆電流放大倍數(shù)、直流電流增益hFE、集電極與發(fā)射極間漏電流Iceo、集電極和發(fā)射極間飽和壓降Uces、開通時間ton和關(guān)斷時間toff

◆最高工作電壓?GTR上所加的電壓超過規(guī)定值時，就會發(fā)生擊穿。?擊穿電壓不僅和晶體管本身的特性有關(guān)，還與外電路的接法有關(guān)。

?發(fā)射極開路時集電極和基極間的反向擊穿電壓BUcbo

基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUceo

發(fā)射極與基極間用電阻聯(lián)接或短路聯(lián)接時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcer和BUces

發(fā)射結(jié)反向偏置時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcex

且存在以下關(guān)系：

?實(shí)際使用GTR時，為了確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多?！艏姌O最大允許電流IcM?規(guī)定直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定的1/2~1/3時所對應(yīng)的Ic。?實(shí)際使用時要留有較大裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)?！艏姌O最大耗散功率PcM

?指在最高工作溫度下允許的耗散功率。?產(chǎn)品說明書中在給出PcM時總是同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。

1.4.3功率場效應(yīng)晶體管1．基本結(jié)構(gòu)在N+型高摻雜濃度的硅片墊底上外延生長N-高阻漂移區(qū)，在區(qū)內(nèi)選擇地?cái)U(kuò)散出P型體區(qū)，再在P型體區(qū)選擇地?cái)U(kuò)散出N+源區(qū)。漏區(qū)通過金屬鋁模由芯片底部引出漏極D，N+源區(qū)通過金屬鋁模從芯片表面引出源極S，在N+源區(qū)上先是植入一層薄的SiO2絕緣層，然后形成控制區(qū)--柵極G，從芯片表面引出。1．基本結(jié)構(gòu)內(nèi)部有兩個P-N結(jié)，一個是漏區(qū)與P體區(qū)之間的P-N-結(jié)，稱為漏區(qū)P-N-結(jié)；另一個是P體區(qū)與源區(qū)之間的P-N+結(jié)，稱為源區(qū)P-N+結(jié)。由于源區(qū)和體區(qū)總是被金屬模短路在一起由源極線引出，因此源區(qū)P-N結(jié)總是處于零偏置狀態(tài)。1.工作原理正向截止?fàn)顟B(tài)(UGS≤0)下，漏區(qū)P-N-結(jié)反向偏置，沒有電流流過，漏源正電壓幾乎全部降落在空間電荷區(qū)。當(dāng)柵極施加正電壓(UGS≥0)時，由于柵極是絕緣的，并不會有柵極電流流過（穩(wěn)態(tài)時），但在柵極正電壓電場的作用下，會將其下面P區(qū)的空穴排開，而將P區(qū)中的少子（電子）吸引到柵極下面的P區(qū)表面。當(dāng)大于UGS某一電壓值UGS(th)時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，從而使P型反型成N型，該反型層即為溝道，這里為N型溝道。1.工作原理N溝道使得此區(qū)域的P-N-結(jié)消失，漏極和源極導(dǎo)通，電流從漏極流入，經(jīng)N區(qū)、N-區(qū)、N溝道、N+源區(qū)，從源極流出，其中稱UGS(th)為閾值電壓，UGS超過UGS(th)越多，載流子濃度越大，形成的溝道越寬，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流ID越大。這就是場效應(yīng)晶體管導(dǎo)電的機(jī)理。漏極電流的通路電阻由N-區(qū)電阻、溝道電阻、漏極和源極接觸電阻共同作用，當(dāng)電壓較大時，N-區(qū)電阻起主要作用。由于參與導(dǎo)電的電荷全部是電子，所以功率MOSFET為單極型器件。功率MOSFET由于不會出現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，當(dāng)截止電壓大于200-400V時，其通態(tài)壓降的理論極限值總是大于同等大小的雙極型器件，而且其電流承載能力也相對較小。另一方面，因?yàn)閮H僅由多子承擔(dān)電荷運(yùn)輸，沒有任何少子存儲效應(yīng)，因此，功率MOSFET很容易實(shí)現(xiàn)極短的開關(guān)時間。但內(nèi)部寄生電容的充放電影響了其開關(guān)速度。因?yàn)槊科椒嚼迕椎男酒娣e上的電容約可達(dá)0.3uF，在芯片尺寸很大的器件中影響MOSFET的開關(guān)速度。這些由物理結(jié)構(gòu)所決定的電容是其最重要的寄生參數(shù)，是影響功率MOSFET開關(guān)速度的主要因素。2基本特性1）靜態(tài)特性

則在漏源之間只有一個很小的漏電流IDSS在流動。當(dāng)UDS增加時，IDSS也略有增加。當(dāng)VDS超過某一特定的最高允許值（鎖定電壓U(BR)DSS）時，P-N-結(jié)會發(fā)生鎖定現(xiàn)象，電流劇增。這一鎖定電壓在物理上大致對應(yīng)了MOSFET結(jié)構(gòu)中的寄生NPN雙極晶體管的擊穿電壓VCER。2.基本特性（1）靜態(tài)特性正向截止?fàn)顟B(tài)：當(dāng)外加一個正的漏源電壓VDS時，若柵源電壓VGS小于柵源開啟電壓UGS（th），正向?qū)顟B(tài)可分為主動區(qū)域和電阻性區(qū)域。1）主動區(qū)域：當(dāng)柵源電壓UGS僅略大于柵極開啟電壓時，溝道內(nèi)電流的飽和作用將產(chǎn)生一個可觀的壓降（輸出特性的水平線），此時ID由UDS控制。這個區(qū)域稱為主動區(qū)域（飽和區(qū)），主動區(qū)域?qū)?yīng)于GTR的線性放大區(qū)。功率器件只允許在開關(guān)狀態(tài)下工作，所以主動區(qū)域僅在開通和關(guān)斷過程中被經(jīng)過。一般來說，不允許MOSFET在主動區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，因?yàn)閁DS(th)隨溫度的上升而下降，制造偏差易引起溫升失衡。正向?qū)顟B(tài)可分為主動區(qū)域和電阻性區(qū)域。2）電阻性區(qū)域：在開關(guān)狀態(tài)下，如果ID僅僅由外電路所決定，就處于被稱為通態(tài)的阻性區(qū)域，有時也被稱為非飽和區(qū)域，對應(yīng)于GTR的飽和區(qū)域。此時的導(dǎo)通特性可以用通態(tài)電阻，即漏源電壓UDS和漏極電流ID之商來描述。在大信號區(qū)域內(nèi)，

UDS(on)=RDS(on)*ID，RDS(on)

依賴于柵源電壓UGS和芯片溫度，從25℃到125℃時大約會增加一倍。功率MOSFET的飽和是指：漏源電壓增加時漏極電流不再增加，非飽和是指：漏源電壓增加時漏極電流相應(yīng)增加。

b)當(dāng)溝道受控開通以及Uds為較小負(fù)值（單極性電流）溝道關(guān)斷，二極管開通溝道開通，二極管關(guān)斷溝道：電子單極性電流；二極管：雙極性電流反向運(yùn)行：功率MOSFET的漏極和源極之間形成了一個與之反向并聯(lián)的寄生二極管，當(dāng)漏源電壓為負(fù)，且UGS小于UGS(th)時，則MOSFET會顯示出二極管特性。源漏PN結(jié)的導(dǎo)通電壓決定了MOSFET在反向時的導(dǎo)通特性。這個雙極型反向二極管可以運(yùn)行到由MOSFET所給定的電流極限。c)當(dāng)溝道受控開通以及Uds為一較大負(fù)值（混合型電流）溝道開通，二極管開通實(shí)際中，這個反向二極管會：

1）導(dǎo)致較大的通態(tài)損耗，它與MOSFET本身的損耗一起，必須被散發(fā)出去。

2）在MOSFET作為硬開關(guān)應(yīng)用時具有較差的關(guān)斷特性，從而限制它的應(yīng)用范圍。（2）動態(tài)過程在分析MOSFET的動態(tài)過程時，需要考慮各寄生電容的充放電過程，MOSFET的動態(tài)特性與其寄生電容有很多關(guān)系。柵源電容CGS：可視為常量；柵漏電容：CGD:

是柵漏電壓UGD的非線性函數(shù)。穩(wěn)態(tài)時比CGS小很多，隨著漏源電壓UDS的變化，可比柵源電容CGS大20倍；米勒電容：就是柵漏電容CGD，是一個很重要的參數(shù)；輸入電容：CISS=CGS+CGD1）開通過程：t0時刻施加?xùn)艠O正驅(qū)動電壓,輸入電容Ciss（主要是柵源電容）開始充電，柵極電壓UGS開始上升。在t1時刻達(dá)到開啟電壓，MOSFET導(dǎo)通。動態(tài)過程寄生電容的充放電過程是影響MOSFET開關(guān)速度的重要參數(shù)。尤其是米勒電容。在t1~t2區(qū)間內(nèi)，功率MOSFET工作在主動區(qū)域，漏極電流隨柵源電壓的增加而增加，漏源電壓隨著負(fù)載電阻上壓降的上升而下降，此時漏端耗盡層仍有一定寬度，米勒電容仍較小，它因漏源電壓的變化而放電。隨著漏端耗盡層寬度的減小，米勒電容增加。1）開通過程：在t2時刻，漏源電壓與柵源電壓相等，米勒電容的影響開始變得顯著。在t2~t3區(qū)間內(nèi)，柵極充電電流流過米勒電容，導(dǎo)致漏源電壓的進(jìn)一步降低。在t3時刻，漏源電壓達(dá)到由輸出特性曲線決定的線性區(qū)的末端。在t3~t4區(qū)間內(nèi)，輸入電容Ciss被充電直到等于所加的驅(qū)動電壓，且溝道電阻進(jìn)一步下降。在t4時刻，MOSFET的通態(tài)電阻達(dá)到最小值。2）關(guān)斷過程：在t5時刻，柵極驅(qū)動電壓關(guān)斷到零，關(guān)斷過程開始，輸入電容Ciss開始放電。到t6時刻，柵源電壓稍稍降低，漏極電流基本不變，通態(tài)電阻微微上升。在t6~t7區(qū)間，米勒電容放電，此時米勒電容較大，柵源電壓基本不變，漏源電壓上升。在t7時刻，柵源電壓與漏源電壓基本相等，從此米勒電容的影響變得不明顯。在t7~t8區(qū)間，米勒電容充電，漏源電壓急劇升高，漏極電流減小，柵源電壓也減小到某個低值。在t8時刻，柵源電壓小于閾值電壓，MOSFET關(guān)斷。在t8~t9區(qū)間內(nèi)，輸入電容放電至與驅(qū)動電壓相等。安全工作區(qū)一般來說，功率MOSFET沒有二次擊穿問題，其安全工作區(qū)由最大漏源電壓、最大漏電流、最大功耗及低壓部分的導(dǎo)通電阻等限制。功率MOSFET的通態(tài)電阻Ron比較大，自身導(dǎo)通功耗也較大，所以安全工作區(qū)不僅受最大漏極電流的限制，還要受到通態(tài)電阻Ron的限制。通態(tài)電阻Ron是選擇功率MOSFET時很重要的一個參數(shù)，它影響著器件整體功耗。3.主要參數(shù)（1）漏源擊穿電壓BUDS：是指UGS＝0時漏源之間的反向泄漏電流達(dá)到某一規(guī)定值時的漏源電壓。BUDS具有正的溫度系數(shù)，隨溫度的上升而上升。（2）開啟電壓UGS(th)：又稱閾值電壓。當(dāng)柵源電壓大于開啟電壓UGS(th)時，功率MOSFET開始導(dǎo)通。開啟電壓UGS(th)有負(fù)的溫度系數(shù)，UGS(th)隨著結(jié)溫的升高而下降。

(3)極間電容：一般廠家提供的是漏源短路時的輸入電容Ciss（Ciss=CGS+CGD）、共源極輸出電容Coss（Coss=CDS+CGD）及反向轉(zhuǎn)移電容Crss（Crss=CGD），這些電容都是非線性的。實(shí)驗(yàn)證明，功率MOSFET的漏源極電壓UDS越高，則極間電容越小，當(dāng)UDS>25V時，各電容值趨于穩(wěn)定。為減小這些電容，UDS應(yīng)大于10V。1.4.4絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)1.基本結(jié)構(gòu)和工作原理IGBT：結(jié)構(gòu),N+和N－在一塊P型基片上外延生長而成。比MOSFET多一個P+層（引出IGBT的集電極），形成四層結(jié)構(gòu)。

IGBT可等效為由一個MOSFET和一個PNP-NPN晶體管級聯(lián)而成，由于NPN晶體管的基極和發(fā)射極短路，設(shè)計(jì)時盡可能使NPN不起作用，IGBT相當(dāng)于一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管，故IGBT的驅(qū)動原理與功率MOSFET基本相同，它是一種場控器件，其開通和關(guān)斷由柵極和發(fā)射極間的電壓決定，當(dāng)UGE為正且大于開啟電電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。IGBT導(dǎo)通時，P+區(qū)向N+區(qū)發(fā)射少子，從而對N－漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，N－漂移區(qū)的電阻減小，使高耐壓的IGBT也具有低的通態(tài)壓降。

當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷。IGBT電流由兩部分組成：一是MOSFET的溝道電流i1，另一是PNP晶體管的集電極電流i2。其中i1是IGBT電流的主要部分。當(dāng)MOSFET溝道消失后，i1消失，晶體管的基極電流被切斷，但由于N－漂移區(qū)存儲的少子沒有任何排放回路，只能在N－漂移區(qū)內(nèi)通過再結(jié)合而慢慢消失，因此，晶體管的集電極電流i2并不會立即消失，這就導(dǎo)致IGBT的關(guān)斷時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于MOSFET的關(guān)斷時間。2.基本特性(1)靜態(tài)特性

第一象限分為三個區(qū)：正向截止、主動區(qū)域和飽和區(qū)域第三象限為IGBT的反向特性。2.基本特性(1)靜態(tài)特性正向截止：當(dāng)柵極－發(fā)射極電壓UGE小于柵極－發(fā)射極開啟電壓UGE(th)時，J2結(jié)呈反向阻斷狀態(tài)，集電極和發(fā)射極端子之間僅存在著一個很小的集電極－發(fā)射極參與漏電流ICES。ICES隨UCE增加而略微增加。當(dāng)UCE大于某一最高允許的集電極－發(fā)射極電壓UCES時，IGBT的PIN結(jié)（P體區(qū)/N－漂移區(qū)/N外延生長層）會出現(xiàn)鎖定效應(yīng)。從物理的角度來說，UCES對應(yīng)IGBT結(jié)構(gòu)中PNP晶體管的擊穿電壓UCER

。主動區(qū)域：當(dāng)UCE只是略大于UGE(th)時，由于溝道電流的飽和效應(yīng)，溝道會出現(xiàn)一個可觀的壓降（輸出特性中的水平線）。此時，集電極電流跟隨UGE而變化。對于工作在開關(guān)狀態(tài)的IGBT，這一區(qū)域只是在開關(guān)過程中被經(jīng)過，一般不允許在這一區(qū)域穩(wěn)定運(yùn)行。飽和區(qū)域：在這一區(qū)域，集電極電流IC僅由外電路決定。IGBT導(dǎo)通時工作在此區(qū)域。由于N－漂移區(qū)的少子泛濫，電導(dǎo)調(diào)制，IGBT的飽和壓降明顯低于同類型MOSFET的通態(tài)壓降，耐壓1000V的IGBT通態(tài)壓降