電力電子技術(shù)-第二章 電力電子器件2.4

第二章緒論第4節(jié)典型全控型器件授課時數(shù)2學時教學目的與要求目的和要求：掌握GTO、GTR、電力MOSFET三種全控型器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意問題。教學難點與重點掌握集中典型全控型器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用。互動內(nèi)容課堂提問和討論自學內(nèi)容無授課方法講授（現(xiàn)代化）教學手段多媒體作業(yè)思考題無

第二章電力電子器件前面學習了不可控器件-電力二極管、半控型器件-晶閘管2.4典型全控型器件全控型器件的特點：通過門極的控制既可以使其開通，也可以使其關(guān)斷。全控型電力電子器件的典型代表：門極可關(guān)斷、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管（就是通常所說的電力MOSFET/MOS管）、絕緣柵雙極晶體管（通常所說的IGBT）。全控型器件實際上發(fā)展很快，不止這些，簡要學習這幾種典型全控型器件的基本原理，對以后理解和使用其他全控型器件有幫助。門極可關(guān)斷晶閘管——顧名思義，它是晶閘管家族中的一種，它的出現(xiàn)是比較早的。50年代后期，出現(xiàn)了晶閘管，從而誕生了一門嶄新的學科—電力電子學，60年代初，門極可關(guān)斷晶閘管出現(xiàn)了，但全控型器件真正的發(fā)展，是到20世紀80年代以后。在20世紀50年代后期到70年代，以晶閘管為中心的半控型器件，占據(jù)著電力電子學的舞臺。正是因為晶閘管的出現(xiàn)，才產(chǎn)生了電力電子學，他得到了迅速發(fā)展。到80年代以后，全控型器件逐漸成為主流，某種程度上來說，取代了半控型器件晶閘管的中心位置，當然，半控型器件晶閘管也很重要，但不占據(jù)主要位置了。由于全控型器件的發(fā)展，使電力電子裝置的性能更完善、控制更方便，對電力電子學的發(fā)展起到了很重要的作用。這門課主要是介紹各種電路，各種電路是以各種電力電子器件為基礎(chǔ)的。各種器件里，我們介紹了很多，有三種器件在本課中占主導地位，一種是半控型晶閘管，雖然它在電力電子學中不再占中心位置，但仍然用處很大，還是很重要的一種器件，很多電路會使用它。另外兩種就是電力MOSFET，在小功率場合用得最多，再就是IGBT（絕緣柵雙極晶體管），在中大功率場合占主流位置，它也是重點介紹的器件。從門極可關(guān)斷晶閘管入手。*一般說GTO，不說門極可關(guān)斷晶閘管*顧名思義，它是晶閘管的一種派生器件，是晶閘管家族中的一種，但它和晶閘管有很大區(qū)別。晶閘管有很多種，主導是普通晶閘管，除此之外，還有快速晶閘管、雙向晶閘管、逆導晶閘管、光控晶閘管，都屬于半控型器件，而GTO雖然是晶閘管的一種，但被劃到全控型器件中去了。因為它主要的特點是，通過門極的控制，不但能使其導通，也能使其關(guān)斷，在門極施加負脈沖就可使其關(guān)斷。*現(xiàn)在基本上是大功率的晶閘管用的比較多，但如果需要全控型，那還是選擇GTO，所以，GTO還是有很大的市場。*GTO既然是晶閘管的一種，必然有很多地方和晶閘管一樣，在結(jié)構(gòu)上，都是PNPN四層半導體結(jié)構(gòu)，外部引出三個端子：陽極、陰極、門極（控制極）。陰極K接在N上陰極K接在N上門極門極陽極A接在P上陽極A接在P上*GTO與晶閘管的不同點之一：一般的晶閘管就是一個完整的晶閘管，不管是3英寸、4英寸甚至6英寸的，就是一個晶閘管，而GTO是一種多元結(jié)構(gòu)，像圖a中，畫了4圈，每圈里都有很多短線，每一條短線實際上就是一個GTO元，所以，它是由很多小GTO合起來，構(gòu)成一個大的GTO，中間是管芯。書：1、注意電氣圖形符號2、這些GTO元的陰極和門極在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起，這是為了便于實現(xiàn)門極控制關(guān)斷。對GTO的分析仍然可以通過雙晶體管模型來分析，這個模型在講晶閘管時已經(jīng)說過，它是P1N1P2N2四四層結(jié)構(gòu)，把它剖成一個P1N1P2構(gòu)成的PNP晶閘管V1和一個N1P2N2構(gòu)成的NPN晶閘管V2，特點是V1的基極就是V2的集電極。構(gòu)成了一個整體。對于GTO來說，從原理上說，如果在G（門極）加一個負脈沖（V2的基極加一個負脈沖），則V2基極電流↓，則Ic2↓，則Ic1↓（對于V1），Ic1↓，進一步減小V2的基極電流，Ic2又會↓，這是一個正反饋過程，最終，管子就會關(guān)斷。但一般的晶閘管，是沒法這么說的，這主要是由于GTO在結(jié)構(gòu)上有很多不同于普通晶閘管的特點，使它能夠通過門極加負電流，使它關(guān)斷。正反饋：對反饋的信息進行促進，如，鍋爐內(nèi)某部分溫度升高，通過反饋，鍋爐內(nèi)溫度越來越高負反饋：對反饋的信息進行抑制，如，鍋爐內(nèi)某部分溫度升高，通過反饋，鍋爐內(nèi)溫度越來越低圖b中，仍有兩個晶體管V1、V2，它們的共基極電流增益仍然是用和來表示，主要來看它和普通晶閘管哪些地方不一樣，使它能夠通過門極關(guān)斷。從P1接出一個陽極首先，比較大，V2的共基極電流增益比較大，就意味著V2比較容易控制。從P1接出一個陽極從N2接出一個陰極*四層結(jié)構(gòu)（P1N1P2N2）從N2接出一個陰極門極是從V2管子的基極接出來。所以直接控制管子的通斷，門極是從V2管子的基極接出來。所以直接控制管子的通斷，所以比較大，就意味著V2比較靈敏，不光能通過電流使它開通，有可能使它關(guān)斷。更接近1——書P21公式2-5，分母是，更接近1，而不是大于1很多。（P21式2-5分析：趨于1，分母趨于0，陽極電流IA趨于無窮大，晶閘管導通）如，普通晶閘管設(shè)計的是，而GTO設(shè)計為，相比而言，普通晶閘管的分母負的多，理解成IA大的多，所以普通晶閘管較GTO比，飽和程度深，而GTO更接近與臨界飽和（剛剛使分母趨近于0/剛剛飽和）。*普通晶閘管，導通時，飽和程度深，就好像睡眠睡得比較深，不容易醒來；GTO，臨界飽和，睡眠比較淺，容易醒來，容易恢復(fù)到阻斷狀態(tài)。多元集成結(jié)構(gòu)，從一個角度來講，多元結(jié)構(gòu)，則每個門極管的地方就靠的比較近，可控性就比較強，給關(guān)斷創(chuàng)造有利條件；從另一個角度來說，多元結(jié)構(gòu)，是P2基區(qū)的橫截電阻比較小，就有可能從門極抽取比較大的電流，把V1的集電極電流Ic1從門極抽出，這樣容易關(guān)斷?？偨Y(jié)：GTO，在G（門極）加一個負脈沖（V2的基極加一個負脈沖），則V2基極電流↓，則Ic2↓，則Ic1↓（對于V1），Ic1↓，進一步減小V2的基極電流，Ic2又會↓，形成強烈的正反饋，當兩個晶體管的發(fā)射極電流IA和Ik減小到使，管子就會退出飽和而關(guān)斷。GTO它雖然是晶閘管家族中的一種，但它可以通過門極使其關(guān)斷。總結(jié)以下幾方面。GTO導通時和普通晶閘管一樣，只是飽和程度比較淺，容易回到阻斷狀態(tài)。關(guān)斷過程中，容易抽取電流，就形成強烈正反饋，退出飽和而關(guān)斷。對于普通晶閘管，電流上升率過大，會導致局部過熱而損壞。多元結(jié)構(gòu)，一般來說不會局部電流過大，因為局部本來就比較小，每一個GTO面積本來就比較小。（多元結(jié)構(gòu)，承受電流變化的能力更強）（注意：不是電壓變化率）與P22圖2-10比較畫的是門極電流IG和陽極電流IA，沒畫電壓波形。開通過程：與普通晶閘管差不多。需要經(jīng)過：參考P22*延遲時間td（從門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%）（此時，陽極電流很?。?上升時間tr（陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%，此時認為管子已經(jīng)導通）（此時，陽極電流開始增大）關(guān)斷時，門極要有一個很大的負電流，才能使它關(guān)斷。門極有負電流以后，一般GTO不能馬上響應(yīng)，它會有一個退出飽和的過程。*儲存時間ts——抽取飽和導通時儲存的載流子，使晶體管退出飽和。（此時，陽極電流幾乎不減小，幾乎不變）*下降時間tf——陽極電流逐漸減小*尾部時間tt——殘存載流子復(fù)合時間*三者關(guān)系：tt>ts>>tf*門極負脈沖電流的幅值越大，抽走儲存載流子的速度越快，ts越短?？傮w來講，GTO的關(guān)斷需要一段時間，但GTO的關(guān)斷時間比一般晶閘管要短一些，速度要快一些。因為GTO也是晶閘管家族中的一種，所以很多參數(shù)必然和普通晶閘管差不多，這里只介紹不一樣的參數(shù)開通時間——與普通晶閘管是接近的，只是延遲時間比普通晶閘管要短（1-2），開通的比普通晶閘管要快一些。（上升時間隨著通態(tài)時陽極電流的增大而增大，即通態(tài)時陽極電流越大，所需要的上升時間越長）關(guān)斷時間——也是比普通晶閘管明顯的短。關(guān)斷過程分三個階段：儲存時間、下降時間、尾部時間，一般GTO的關(guān)斷時間只包括前兩個，不包括尾部時間（下降時間結(jié)束時，陽極電流IA基本降到0了）。（儲存時間隨陽極電流的增大而增大，即通態(tài)時陽極電流越大，所需要的儲存時間越長，儲存時間：抽取導通時儲存的載流子）GTO使用時通常反并聯(lián)一個二極管（做成逆導型），這樣就干脆把二極管做在GTO里面，這樣GTO就失去承受反向電壓的特性（書P25逆導型晶體管，不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通，因為二極管的單向?qū)щ娦裕?。有些情況下，需要承受反向電壓，就把逆導型GTO串一個電力二極管。IATO是GTO的標稱電流/額定電流。*如某GTO是一個4500A或1000A的GTO，就是指這個GTO的最大可關(guān)斷陽極電流是4500A/1000A。*和晶閘管的標稱電流是不一樣的，“晶閘管的標稱電流”是工頻正弦半波能夠流過最大的平均電流，是平均電流的概念，而這個是最大可關(guān)斷電流。含義是不一樣的。最大可關(guān)斷陽極電流（額定電流）*在使用不同的電力電子器件時，同樣是標稱電流這個參數(shù)，它所指的意義是不一樣的（GTO的標稱電流指的是最大可關(guān)斷陽極電流，晶閘管的標稱電流指的是工頻正弦半波能流過的最大的平均電流），要注意。最大可關(guān)斷陽極電流（額定電流）電流關(guān)斷增益——是一個比值*一般不大，如1000A的GTO，不算太大，還有4500A，甚至6000A的GTO，而電流關(guān)斷增益又不大（假設(shè)為5），就導致，需要200A的門極電流才能關(guān)斷這個GTO，200A是一個很大的數(shù)，就好像不像是弱電控制強電了（電力電子技術(shù)特點），這是它的一個很顯著的缺點?！笹TO的應(yīng)用范圍受到很多限制，GTO到目前，應(yīng)用不是很廣。電力晶體管在20世紀80、90年代曾經(jīng)使用非常廣泛，現(xiàn)在由于IGBT的出現(xiàn)，它比電力晶體管的優(yōu)點多很多，缺點又比較少，所以它基本取代了電力晶體管，所以電力晶體管現(xiàn)在用的比較少。為什么要講電力晶體管？1、雖然用的比較少，但有時也會用（依舊還在用），并沒有被淘汰。2、現(xiàn)在使用非常廣泛的IGBT，是由GTR和電力MOSFET的復(fù)合的器件，了解了一個，對總體的認識就很有幫助。一般叫GTR，很少叫電力晶體管。GTR和BJT都是指的電力晶體管。主要用在中、小功率場合。在全控型器件里面，GTR算出現(xiàn)比較早的，以前也經(jīng)常使用晶閘管，但晶閘管要關(guān)斷比較麻煩，要外加很多電路，用GTR比較方便，所以在中、小功率范圍內(nèi)，逐漸取代了晶閘管。而現(xiàn)在，GTR通常是被IGBT和MOSFET取代，在小功率范圍內(nèi)，MOSFET是主流器件。模電里，三極管的一個圖模電里，三極管的一個圖GTR的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部載流子結(jié)構(gòu)圖和普通的、小的三極管基本一樣，它是一個NPN結(jié)構(gòu)，實際上就是一個三極管，所以它的電氣圖形符號跟普通三極管也一樣，只不過用在功率比較大的場合。電流流向(集電極到發(fā)射極)，與電子流方向相反基極的控制信號發(fā)射極接地基極處加電流給晶體管加電壓電源負載*與普通雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)和基本原理一樣；（參照模電第三章）*主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好；*晶體管的電流放大倍數(shù)，小的管子一般是幾十倍到上百倍，而稍微大一點的管子，放大倍數(shù)就不大了，只有幾，是一個一位數(shù)，不到10，但是一個管子的放大倍數(shù)如果只有個位數(shù)，是不大好用的，為了提高放大倍數(shù)，通常至少由兩個晶體管按達林頓接法組成，達林頓接法：一個管子的發(fā)射極是另一個管子的集電極，這樣一極一極放大，復(fù)合而成的新的三極管的放大倍數(shù)是原來二者放大倍數(shù)之積。假設(shè)一個管子的放大倍數(shù)是8，兩個都是8，放大倍數(shù)就是64，64用起來就比較方便了。主電路載電流流向(集電極到發(fā)射極)，與電子流方向相反基極的控制信號發(fā)射極接地基極處加電流給晶體管加電壓電源負載*與普通雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)和基本原理一樣；（參照模電第三章）*主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好；*晶體管的電流放大倍數(shù)，小的管子一般是幾十倍到上百倍，而稍微大一點的管子，放大倍數(shù)就不大了，只有幾，是一個一位數(shù)，不到10，但是一個管子的放大倍數(shù)如果只有個位數(shù)，是不大好用的，為了提高放大倍數(shù)，通常至少由兩個晶體管按達林頓接法組成，達林頓接法：一個管子的發(fā)射極是另一個管子的集電極，這樣一極一極放大，復(fù)合而成的新的三極管的放大倍數(shù)是原來二者放大倍數(shù)之積。假設(shè)一個管子的放大倍數(shù)是8，兩個都是8，放大倍數(shù)就是64，64用起來就比較方便了。主電路載GTR一般采用共發(fā)射極接法，與模電一樣，發(fā)射極與電源的負端相連，電源的正端通過負載（電阻）和集電極相連，保證集電結(jié)反向偏置（電流從正端出發(fā)，流向負端），集電極和發(fā)射極作為主電路。Eb是基極回路的直流電源，負端接發(fā)射極，正端通過基極電阻接基極，保證發(fā)射結(jié)為正偏，基極加驅(qū)動/控制信號，一般是這么來用的。（模電P82）上海交大*——反映了共發(fā)射極接法下，基極電流對集電極電流的控制能力/放大。*漏電流一般比較小，通常忽略不計。畫畫書P28*——反映了共發(fā)射極接法下，基極電流對集電極電流的控制能力/放大。*漏電流一般比較小，通常忽略不計。上海交大把輸出特性曲線分成三個區(qū)域（分別對應(yīng)了GTR的三種工作狀態(tài)：飽和、放大、截止），橫軸——集電極和發(fā)射極之間的電壓，縱軸——集電極電流，一般來說，一個平面，兩個坐標，畫一些曲線，表示兩個量之間的關(guān)系，如果要表示三個變量之間的變化，就把第三個變量（），畫一組曲線，這樣的區(qū)域，分成三個區(qū)域：*飽和區(qū)——管子導通飽和以后，集電極電流主要是由外電路決定，不是由管子決定，基極再加更大電流，不會再放大了，飽和了。此時不遵循（電壓變化小，電流變化大）*放大區(qū)——指的是基極電流對集電極電流的放大，看圖：隨著增加，也增加，這是放大。在這個區(qū)域，符合式子。*截止區(qū)——管子不通，就意味著沒有電流，所以基本沒有，電壓很高，電流很小。如同工作在斷開狀態(tài)。（斷開時，電流為0，電壓很高，就是兩點電壓差）這三個區(qū)域，實際上，一般在弱電里的晶體管，有時候會工作在放大區(qū)，而在電力電子電路里，GTR通常只工作在飽和區(qū)和截止區(qū)，要么通要么斷，工作在開關(guān)狀態(tài)。避免在放大狀態(tài)，因為在放大狀態(tài)，管子可能會承受比較大的電流，比較高的電壓，這樣管子損耗太大，發(fā)熱嚴重，對管子有危害。（*電力系統(tǒng)中，通常工作在上千伏的電壓下,如果再放大，電壓電流會更大，產(chǎn)生的熱量和管子的損耗也更大，所以把GTR看成開關(guān)，只工作在截止區(qū)和飽和區(qū)。）*在截止區(qū)，管子的電壓很高，電流很小，損耗很?。?在飽和區(qū)，電流較大，但電壓比較小，則管壓降損耗也不是很大；*放大區(qū)，一般是不用的。但是，在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要越過放大區(qū)，要越過的快一些，停留的時間長了，發(fā)熱比較嚴重，管子可能燒壞。動態(tài)特性——給出的是GTR開通和關(guān)斷過程中，基極電流和集電極電流隨時間變化的波形，GTR是用基極電流來控制集電極電流的（在基極給觸發(fā)/控制信號）=3\*GB3=3\*GB3③看關(guān)斷過程：按道理說，一個晶體管，加正極電流就通，加負極電流/不加電流，就斷。但，通常為了使關(guān)斷過程快/關(guān)斷可靠，會加一個反向電流/負的電流。就能快速關(guān)斷=1\*GB3①加脈沖，從這個電流上升到10%時開始計算，因為開始的電流很小，幾乎不起作用。到電流的10%時，就認為電流開始起作用。=4\*GB3④=4\*GB3④但并不是說，加一個反向電流，就馬上反應(yīng)，還要延遲。*儲存時間ts+下降時間tf=關(guān)斷時間。（ts：除去飽和導通時儲存的載流子，關(guān)斷的主要部分）*我們總是希望關(guān)斷時間快一點，方法:書P29=1\*GB3①=2\*GB3②=5\*GB3⑤GTR的開關(guān)時間比GTO短很多，比晶體管的開關(guān)時間短更多。所以，電力晶體管，開關(guān)速度比起晶閘管、GTO來說，還是比較快的，工作頻率能達到幾KHZ，而晶閘管通常工作在工頻50HZ，GTO工作在幾百HZ，到1KHZ就很難了，而GTR工作在幾KHZ的工作頻率，甚至到10、20KHZ，有些管子也是可以的。*二者之和，為開通時間。*如果嫌開通時間比較長（開通速度太慢），有一些加快開通過程的辦法。如增大基極驅(qū)動電流，或接一個加速電容，都可以加快開通過程。電流開始明顯上升——上升時間*二者之和，為開通時間。*如果嫌開通時間比較長（開通速度太慢），有一些加快開通過程的辦法。如增大基極驅(qū)動電流，或接一個加速電容，都可以加快開通過程。電流開始明顯上升——上升時間=2\*GB3②但并不是馬上就響應(yīng)，它有個延遲，它也要到它的10%才算它啟動了。這個時間（的10%到的10%）叫延遲時間td（1）最高工作電壓*就是一個GTR（電力晶體管）的標稱參數(shù)，如果比這個數(shù)高，管子會被擊穿，管子就壞了。（使用管子前，先看好各個工作參數(shù)）。*擊穿電壓與、、、、、相關(guān)（PPT），外部電路怎么設(shè)計，怎么和器件匹配，也是要注意的地方。*這里給了一系列擊穿電壓，最低的是Uceo（基極開路時，集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓），就是最高工作電壓，實際用的時候，比這個數(shù)值還要低，留有裕量，確保安全。（2）集電極最大允許電流*直流電流放大系數(shù)hFE（在直流工作情況下，集電極電流和基極電流之比，一般認為，共發(fā)射極時的電流放大系數(shù)。）*如果管子放大倍數(shù)一下降，管子的控制就不行了，規(guī)定這個電流為集電極最大允許電流，不是直接規(guī)定電流某數(shù)值，發(fā)熱就損壞了。*我們講過三種管子：晶閘管、GTO、GTR，它們的陽極標稱電流都不一樣。*實際用的時候，要留有裕量。如一個器件的手冊上寫IcM，是100A，則實際用的時候，電流不能超過50/60，超過就很危險。（類似于晶閘管定額：1000V的管子只能當300V/500V來用，保證安全性）（3）集電極最大耗散功率*集電極耗散功率實際是指發(fā)熱，所以、、、PPT*表示溫度不能超過這個溫度，超過這個溫度的話，管子要間隔使用了。二次擊穿是晶體管的特殊現(xiàn)象，比較重要。一次擊穿——集電極電壓升高，電壓過高，管子會擊穿?？梢岳斫?。管子擊穿后，電流迅速增大。其實，只要把Ic限制住，不要超過一定的值，不會壞，特性不會發(fā)生變化，集電極電壓降下來還可以用。（給集電極加電壓，對應(yīng)的電流升高，及時達到擊穿電壓，但給的電壓降低，電流也會降低，所以管子還能用。）二次擊穿——二次不一樣，一次擊穿已經(jīng)發(fā)生后，電流迅速上升，這時，如果電壓突然下降，就說明管子已經(jīng)壞了，這就是二次擊穿，二次擊穿常常導致管子永久損壞，沒法恢復(fù)，特性也沒法恢復(fù)。安全工作區(qū)SOAOIcISOAOIcIcMPSBPcMUceUceM電流不能超過最大值，電壓不能超過最大值，要分兩段來看，上半部分取的是功率損耗的線，下半部分取得是二次擊穿的線。不超過這個范圍，是安全工作區(qū)。如果取值到這了，不會二次擊穿，但最大功率損耗超過了，也不行。如果取值到這了，二次擊穿就出問題了。如果取值到這了，不會二次擊穿，但最大功率損耗超過了，也不行。如果取值到這了，二次擊穿就出問題了。電力場效應(yīng)管就是MOSFET。電力電子器件有三種器件是最重要的器件：晶閘管、電力場效應(yīng)晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。g——柵極d——漏極s——源極g——柵極d——漏極s——源極ddg*結(jié)型：gggssssP溝道N溝道P溝道N溝道*絕緣柵型：柵極、源極和漏極間采用SiO2絕緣層隔離，所以叫絕緣柵型。又因柵極為金屬鋁，故又叫MOS管（Metal-Oxide-Semiconductor）。分N溝道和P溝道。模電里有電力場效應(yīng)晶體管，分兩類，結(jié)型和絕緣柵型，絕緣柵型的代表是MOSFET。所以說，MOSFET不能說和電力場效應(yīng)晶體管劃等號，電力場效應(yīng)管分結(jié)型和絕緣柵型，而絕緣柵型主要是MOSFET。主要講的是絕緣柵型里的MOS型的，這是電力場效應(yīng)管的代表，一說電力場效應(yīng)管，經(jīng)常就說電力MOSFET/甚至直接說MOSFET。說MOSFET，如果在模電里，就是指小功率的、處理信息的電力場效應(yīng)晶體管，如果在電力電子學中，就是指電力場效應(yīng)晶體管。結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管。。。。。PPT電力場效應(yīng)晶體管的特點——柵極電壓控制漏極電流。它有三個電極：柵極、漏極、源極。柵極g相當于晶閘管的門極，既然用電壓來控制，理論上講，不需要驅(qū)動功率就可以控制，這是它的最大特點。實際上，還是需要很小的一點驅(qū)動功率?！?qū)動電路簡單。。。。。PPT*以至于在所有的電力電子器件中，MOSFET是開關(guān)速度最快，工作頻率最高的器件，這是它從工程應(yīng)用來講，一個非常顯著特點。（工作頻率高，適合于經(jīng)常開關(guān)的場合）*熱穩(wěn)定性也不錯，優(yōu)于。。。PPT*當然，也有缺點，電流容量一般比較小，耐壓比較低，所以在小功率情況下使用，應(yīng)該說，在1千瓦以下，完全是MOSFET的天下，而在幾個千瓦的情況下，MOSFET用的也比較多，所以適用于功率不超過10KW的裝置（PPT）。實際上，1KW以下，MOSFET是主流，幾個KW時，各種器件都可以選擇了。如果讓它工作在10KW以上，就有點勉為其難了，不是它的應(yīng)用范圍了。（開關(guān)頻率高，不能用于大功率場合，要知道使用特點。）有時候為了說起來方便，直接說MOSFET。任何一種器件，都有不同的分類方法，從不同的角度，可以不同的分類。對MOSFET，可從導電溝道分類。導電溝道如果是P型，就叫P溝道，如果是N型，叫N溝道。*還可以按導電溝通產(chǎn)生的過程分，耗盡型——溝道本來就存在的，如果柵極g加電壓，如負電壓，溝道就慢慢減小了，最后，溝道耗盡了；增強型——正好相反，溝道本來不存在，柵極加一定電壓后，溝道開始建立，加的電壓越高，溝道越強。按照P溝道、N溝道、增強型、耗盡型組合，一共有四種組合，實際用的，是N溝道增強型的用的最多，重點介紹N溝道增強型的MOSFET。就像，電力場效應(yīng)管有結(jié)型和絕緣柵型，我們實際上用的是絕緣柵型里的MOSFET，所以一說電力場效應(yīng)晶體管，幾乎就等于MOSFET（按道理講，不完全等于），現(xiàn)在講MOSFET，主要學習N溝道增強型。從結(jié)構(gòu)圖上看，電力MOSFET和一般的小的MOSFET沒什么太大區(qū)別。電氣圖形符號畫了N溝道、P溝道，實際N溝道用的比較多，所以在各種電力電子電路圖上，常見到的是N溝道的電氣圖形符號。*有三個電極：d漏極，s源極，g柵極（就是門極、控制極）從這看，是一個NPN型半導體從這看，是一個NPN型半導體柵極加在這，它實際上和底下的半導體是絕緣的。柵極加在這，它實際上和底下的半導體是絕緣的。我們知道，電流量的導電有多數(shù)載流子導電、少數(shù)載流子導電，有多子導電和少子導電。像GTR（電力晶體管）和晶閘管，都是兩種載流子同時參與導電，所以是雙極型的，而MOSFET，一種載流子參與導電，所以是單極型的晶體管。它的導電機理和一般小功率的MOSFET基本是一樣的，但是結(jié)構(gòu)上，它是由很多很多小的MOSFET組成一個大的MOSFET。作為集成電路，有很多小的MOSFET，不同的廠家，設(shè)計的是不一樣的，名稱也不一樣，有的做成六邊形的結(jié)構(gòu)、有的正方形，等。圖a是一種剖面圖，正常情況下，如果柵極不加信號，s和d不管哪個加正，哪個加負，都是不通的。（N到P是不導通的，是PN結(jié)的反向截止特性/二極管的截止特性）如果柵極加電壓后，在這里會形成導電溝道。就是說，在柵極加正電壓后，在這形成反型層，會把P里的電子會把P里的電子吸引過去（柵極下面的P區(qū)表面），局部電子濃度增加，加到一定值時，局部變成N型的，到一定程度，這個N就通了，此時，管子就通了?！篌w上，管子的導通機理。*所以它是增強型的，加的電壓越高，反型層越寬，導電越通暢。這是P這是P這是N這是N小功率MOSFET是橫向?qū)щ娖骷?。橫向——導電是電流從漏極（相當于陽極）→源極（相當于陰極）流。如果一個硅片，在同一個平面上，就是橫向?qū)щ?。小功率MOSFET一般速度比較快，都是橫向?qū)щ?。實際上，主要的兩個電極，漏極和源極，在同一個面上，電流橫著流，是橫向?qū)щ姷钠骷?。可以想象，一個硅片，電流只能橫著流，只是在一個表面流，另一個表面不流，就很難流過很大電流，而電力電子器件，我們希望它流過比較大的電流，有比較大的容量，這樣就是垂直導電器件，所以，大部分電力MOSFET，都采用垂直導電結(jié)構(gòu)，叫VMOSFET。電流垂直穿過管子的平面，這樣能流過比較大的電流。按垂直導電結(jié)構(gòu)的差異，分VVMOSFET和VDMOSFET（PPT），VDMOSFET經(jīng)常用，VDMOS是所有MOS器件用的最多的，可以說，在電力場效應(yīng)晶體管，主要用的是絕緣柵型，絕緣柵型里面主要代表是MOSFET，MOSFET里，N溝道增強型里用的基本都是VDMOSFET，所以VDMOSFET也是N溝道增強型的。主要是以VDMOSFET為例子討論*加控制是加在GS兩端，實際上是*加控制是加在GS兩端，實際上是=2\*GB3②*所以如果漏源極間加正電源，柵源極間電壓為0，就截止（PPT）即D和S，上正下負。如果上負下負，肯定不通。如果GS間電壓為0（控制級），管子截止，不通。*如果柵源極間加正電壓，在溝道這形成反型層，電流從D通過溝道流向S，（流向見書P31）相當于一個一般的管子的相當于一個一般的管子的陽極=2\*GB3②輸入在這=2\*GB3②輸入在這=2\*GB3②輸出在這=2\*GB3②一般接控制端門極相當于一個一般的管子的陰極總結(jié)：工作原理，（書）=1\*GB3①截止：漏極源極DS間加正電壓（漏極接電源正端、源極接電源負端），柵極源極GS間電壓為0。=2\*GB3②導通：在柵極源極GS間加正電壓。輸入特性（左）——橫坐標是電壓（柵極和源極間電壓UGS），縱坐標是電流（陽極電流/漏極電流）（對照上頁PPT的下圖）。從曲線看，和一個二極管的正向特性差不多，但這個不叫輸入特性，因為它的橫軸是柵極和源極的電壓，電流是漏極電流，所以叫轉(zhuǎn)移特性，就是加的是電壓，產(chǎn)生的是電流，二者之比，是一個轉(zhuǎn)移特性曲線。*曲線的斜率是電流÷*曲線的斜率是電流÷電壓（=導納），但這個導納不是某一個電阻的導納，這里把它叫做跨導Gfs，實際上就是輸入特性。輸出特性——曲線圖和電力晶體管的輸出特性/伏安特性曲線的樣子、形狀非常接近，但這個是叫漏極伏安特性曲線，實際上是漏極和源極間的伏安特性，縱軸是ID，橫軸是漏極源極間電壓UDS。*底下：是截止區(qū)，和電力晶體管一樣*電力晶體管的放大區(qū)，現(xiàn)在是飽和區(qū)，電力晶體管的飽和區(qū)變成非飽和區(qū)。解釋：*一個平面上，畫一條曲線，表示兩個量（橫、縱軸）之間的關(guān)系，如圖a，橫軸是柵源極電壓，縱軸是漏極電流。若想在一個平面上表示三個量之間的關(guān)系，就要用一組曲線，其中橫縱軸，一個是自變量，一個是因變量。那么，一組曲線，必然有一個參變量，參變量就標在這一組曲線的某條曲線上，比如這里，把UGS這個參變量標在曲線上。*所以，飽和與否，是看什么對什么飽和，看圖b的飽和區(qū)的曲線，橫軸的電壓增加，電流不增加，這是飽和。而電力晶體管的放大是指發(fā)射極電流對基極電流的放大。（隨著增加，也增加，這是放大。在這個區(qū)域，符合式子）*原來的飽和區(qū)，現(xiàn)在的非飽和區(qū)，也是含義不一樣。這里的飽和與非飽和，都是指漏極電壓和漏極電流之間的關(guān)系。這里的非飽和區(qū)，加電壓，電流還能上升，叫非飽和。到飽和區(qū)，電壓增加，電流也上不去，叫飽和區(qū)。在電力晶體管中的飽和區(qū)，是指基極電流再增加，發(fā)射極電流不再增加。（管子導通飽和以后，集電極電流主要是由外電路決定，不是由管子決定，基極再加更大電流，不會再放大了，飽和了。此時不遵循）*所以，對不同器件的不同的曲線，名稱會有差別。說飽和，要注意是指誰與誰之間的飽和，說非飽和，是誰和誰之間不飽和。所有的電力電子器件，幾乎都工作在開關(guān)狀態(tài)，因為如果在放大狀態(tài)，這里就是工作在飽和區(qū)（對電力晶體管，是放大區(qū)），工作在這，管子承受的電壓也挺高的，電流也挺大的，乘積必然也很大（找任意一點舉例，在某UGS線上）。而工作在非飽和區(qū)，電流雖然很大，電壓很低，而在截止區(qū)，電流很小，電壓較高，乘積都不是很大。所以一般電力MOSFET是工作在截止區(qū)和非飽和區(qū)來回轉(zhuǎn)換，工作在開關(guān)狀態(tài)。要注意，漏極和源極之間有寄生二極管，與MOSFET反并聯(lián)，所以在漏源極之間加反向電壓時，管子是通的，相當于一個逆導的管子，現(xiàn)在用的管子大部分都需要反并聯(lián)一個二極管，這個里面就直接寄生了一個反并聯(lián)的二極管，在晶閘管里，相當于逆導，反方向加電壓是導電的。實際使用時，絕大部分不需要加反向電壓，反方向還是讓管子是通的（書P25）MOSFET通的時候，有一個導電溝道，溝道里有導電電阻，這個導電電阻（通態(tài)電阻）具有正溫度系數(shù)。*正溫度系數(shù)——溫度越高，電阻越大；負溫度系數(shù)——溫度越高，電阻越小。*兩個管子如果并聯(lián)，正溫度系數(shù)比較有利。如其中某個管子電流過大，電流大的管子必然發(fā)熱比較嚴重，發(fā)熱嚴重，電阻增加，有利于電流減小，所以正溫度系數(shù)，會使電流自動去平衡。如果是負溫度系數(shù)，就麻煩了，電流大的管子，電流越大，電阻越小，電阻越小，電流越大，結(jié)果最后，電流都集中到一個管子上了，顯然對并聯(lián)不太有利。也是兩個過程：開通、關(guān)斷。圖1-21，左圖：測試電路圖，右圖：實際波形開通時間：*開通延遲時間td（on）——柵極信號已經(jīng)加上了，但漏極電流iD遲遲不響應(yīng)，響應(yīng)需要一個時間。關(guān)斷也有延遲時間*上升時間tri——漏極電流從0上升到穩(wěn)態(tài)值的時間。（什么時候開始出現(xiàn)漏極電流iD？柵極給脈沖信號后，當UGS上升到開啟電壓UT時，開始出現(xiàn)iD）*開通時間=開通延遲時間+上升時間（書上考慮了漏極電壓UDS，這里不考慮）關(guān)斷時間：*關(guān)斷延遲時間td（off）——柵極脈沖電壓up下降到0時，柵極電壓uGS下降到UGSP的時間。（密勒平臺了解即可）*下降時間tf——既然是關(guān)斷，電流就要下降，所以有下降時間。當uGS<UT是，導電溝道消失，iD下降到0。*關(guān)斷時間=關(guān)斷延遲時間+下降時間*電力MOSFET的開通過程和關(guān)斷過程基本上是順序相反的。電力MOSFET的開關(guān)速度是比較快的，但也不是無限快的，它的開關(guān)速度和電容有關(guān)。*MOSFET是由電壓驅(qū)動的，理論上，電壓驅(qū)動的，不需要電流，不需要驅(qū)動功率（因為是加電壓，如果沒有電流，功率是電壓和電流的乘積，而電流是0，乘積/功率是0，那就是不需要驅(qū)動功率）。*但實際上，總是要有驅(qū)動功率，因為MOSFET有一個結(jié)，也是PN結(jié)，PN結(jié)都有結(jié)電容，雖然它的結(jié)電容不是很大，但也有結(jié)電容，有結(jié)電容，要建立電壓，就必須要給它充電，充電就要有電流，所以它還是有一定電流的。*所以，如果電容比較小，開關(guān)速度比較快；電容比較大，開關(guān)速度比較慢。（但使用者無法降低結(jié)電容，所以可以。。。通過其他辦法）時間常數(shù)是RC，所以可以通過減小電路內(nèi)阻Rs，是可以加快開關(guān)速度的，但總是會有內(nèi)阻的，只能適當減小，不可能減小到0。關(guān)斷過程中，對于雙極型器件，一般來說，前面都有一個儲存時間，要把半導體導通時的載流子消失掉（P29P27GTO門極可關(guān)斷晶閘管和GTR電力晶體管，關(guān)斷過程都有儲存時間）。而MOSFET是一個單極型器件，不存在少子儲存效應(yīng)，所以關(guān)斷過程比較快。開關(guān)時間在10~100ns（納秒）之間，前面講的時間都是（微秒）為單位，所以說它的速度還是比較快，所以它的工作頻率可達100KHZ以上，甚至可以工作到幾兆。所以，它在各種電力電子器件中，工作頻率最高的，開關(guān)速度最快的，這是MOSFET的一個顯著特點。它屬于場控器件，是靠電場控制的器件，所以靜態(tài)時幾乎不需要輸入電流。而在開關(guān)過程中，還是需要對輸入電容（PN結(jié)的結(jié)電容）充放電，所以還是需要一定的驅(qū)動功率。說完全不需要驅(qū)動功率，是不符合實際的。開關(guān)頻率越高，時間比較短，充電電流也就比較大，結(jié)電容的電壓還沒有建立，所以需要的驅(qū)動功率相應(yīng)的就會大些。開啟電壓——開始加一段電壓的時候，沒有電流，當所加的電壓UGS>UT時，才開始有漏極電流漏極電壓UDS——就是漏極和源極之間所能加的最大電壓，它是電力MOSFET的電壓定額漏極直流電流ID和漏極脈沖電流的幅值——電流的定額總結(jié)：額定電壓—UDS，額定電流—ID柵源極間的電壓，就是門極/控制極所加電壓，一般不能太高，太高的話，它是絕緣柵，就有絕緣層，電壓太高，容易擊穿。電力MOSFET有三個電極：漏極、柵極、源極，兩兩之間都有電容，之間的關(guān)系了解即可。另外一種非常重要的電力電子器件，絕緣柵雙極型晶體管，IGBT，是現(xiàn)在應(yīng)用非常多，非?；鸬囊环N電力電子器件。*前面講的電力電子器件有雙極型的（多子少子都參與導電）（GTO、GTR）、單極型的（MOSFET）。GTR又叫BJT，有電導調(diào)制效應(yīng)，所以能流過比較大的電流，雖然開關(guān)速度偏低，但通流能力比較強。因為是電流驅(qū)動，所以需要的驅(qū)動功率比較大，GTO需要的驅(qū)動功率更大。而MOSFET是電壓驅(qū)動型的，需要的驅(qū)動功率小，而且開關(guān)速度快，。。。所以，如果能把這兩種管子的優(yōu)點結(jié)合起來，構(gòu)成一種復(fù)合器件，事實證明，是可以的。→絕緣柵雙極晶體管。德國把它叫IGT，也是指IGBT，叫IGBT的比較多。是GTR和MOSFET的復(fù)合在80年代后期，就投入市場了，目前，在中小功率場合是主導器件，小功率場合（1千瓦以下，是MOSFET的天下），而中等功率，主要是IGBT的天下，也往小功率、和大功率場合延伸，它現(xiàn)在是一個主導器件。后面畫電路圖的時候，經(jīng)常用IGBT的符號，做一個代表。IGBT也在繼續(xù)發(fā)展，現(xiàn)在的IGBT常用的是，電壓是1200V的，1700V的也用的不錯，還有3300V的，4500V的也出來了，它也在向更大容量發(fā)展，甚至把GTO取代。（GTO用于大功率場合）這部分基本就是MOSFET，簡化的等效電路圖有各種各樣的，不同的教材不同的書不一樣，這個是一個最簡單的畫法。IGBT是一個MOSFET和一個GTR的復(fù)合，這里的GTR是PNP型。這是最簡單的一個等效電路結(jié)構(gòu)。很多地方，這里畫了兩個晶體管，相當于晶閘管（雙極型晶體管）模型結(jié)構(gòu)的。（P20）電氣符號，E發(fā)射極，C集電極，這都用的是電力晶體管的電氣符號，可見它的主電流導通的通道是電力晶體管。而基極B用G（MOSFET的柵極），因為驅(qū)動是用MOSFET來驅(qū)動，所以，柵極畫的和MOSFET是一樣的。大模樣像一個電力晶體管的符號，但這里（G與E和C）是畫的絕緣的，就示意這個IGBT的驅(qū)動/門極這塊，像一個MOSFET一樣，名字叫絕緣柵，柵極處是絕緣的。相應(yīng)的還有P溝道IGBT，就是一個P溝道的MOSFET和一個PNP晶體（電力晶體管）管復(fù)合。相應(yīng)的還有P溝道IGBT，就是一個P溝道的MOSFET和一個PNP晶體（電力晶體管）管復(fù)合。一個VDMOSFET（垂直導電雙擴散MOS結(jié)構(gòu)）和GTR組合IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個大面積的P+N結(jié)，所以就有很強的通流能力。（VDMOSFET時，時通過在柵源極之間加電壓，當電壓大于開啟電壓UT時，形成反型層，形成導電溝道，從而使管子的漏極和源極導電）*把它看成一個達林頓結(jié)構(gòu)，就是一個驅(qū)動一個，但這個驅(qū)動這塊是電壓驅(qū)動，是一個MOSFET驅(qū)動，這是一個PNP型三極管。（達林頓接法：一個管子的發(fā)射極是另一個管子的集電極，這樣一極一極放大，復(fù)合而成的新的三極管的放大倍數(shù)是原來二者放大倍數(shù)之積。假設(shè)一個管子的放大倍數(shù)是8，兩個都是8，放大倍數(shù)就是64，64用起來就比較方便了。）RN為導電時基區(qū)的調(diào)制電阻它的驅(qū)動原理和MOSFET基本一樣，也是場控型器件。它的通斷是由柵極和發(fā)射極電壓UGE決定。*要導通——必然是在柵極和發(fā)射極間加電壓，加電壓后，MOSFET里首先形成導電溝道，MOSFET就通了，MOSFET通了以后，它就給晶體管提供基極電流，整個IGBT就處于通態(tài)。（MOSFET導通的條件：UGE大于開啟電壓UGE（th），UGE（th）相當于MOSFET的開啟電壓UT）通態(tài)壓降是不大的，因為它向晶體管一樣，有電導調(diào)制效應(yīng)。關(guān)斷——像MOSFET一樣，按道理說，如果在柵極不加電壓/把電壓撤掉，它就會關(guān)斷。通常為了關(guān)斷快一些，或者使關(guān)斷比較可靠，可以施加一個反向電壓。這樣，MOSFET內(nèi)的導電溝道就消失了，MOSFET不通了，這樣，就不能提供基極電流了，就把IGBT關(guān)斷了。左圖——輸入特性，斜率也是跨導。橫坐標為柵極和發(fā)射極之間的電壓，縱坐標為集電極電流。*它的輸入特性，和電力MOSFET一樣，也是跨導。*像MOSFET一樣，也有個開啟電壓，相當于MOSFET的UT。前面加電壓UGE的時候，基本上都不響應(yīng)，沒有電流建立。UGE>UGE（th）后，電流才開始建立。（開啟電壓是IGBT能導通的最低柵射電壓）*實際上叫轉(zhuǎn)移特性，因為它并不是輸入電壓，輸出電流。而是這加電壓，那（另一個部位）輸出電流。右圖——輸出特性，飽和區(qū)和電力晶體管GTR一樣，還是叫飽和區(qū)。正向阻斷區(qū)和截止區(qū)意思差不多。有源區(qū)相當于GTR的放大區(qū)。不同的器件在不同的領(lǐng)域，有不同的叫法。名稱不一樣，特性都差不多。（前面說過）所有的電力電子器件，幾乎都工作在開關(guān)狀態(tài)。電力MOSFET一般是工作在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換，GTR是在飽和區(qū)和截止區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換，（雖然名稱不同，但都對應(yīng)于圖中的底部和左側(cè)區(qū)域），而IGBT是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換，即工作在開關(guān)狀態(tài)。動態(tài)特性的開關(guān)過程畫的圖，也只是一個示意圖，原理圖，并不是實際情況下的波形圖。柵極和發(fā)射極的信號開始有了（達到幅值10%時認為有）與MOSFET相似，開通過程也有兩部分時間：開通延遲時間和電流上升時間。柵極和發(fā)射極的信號開始有了（達到幅值10%時認為有）二者之和為開通時間從ic幅值的10%到幅值的90%——電流上升時間，認為電流基本建立。這段時間，相當于死區(qū)，電流還沒有建立。認為到幅值的10%時，電流開始建立。二者之和為開通時間從ic幅值的10%到幅值的90%——電流上升時間，認為電流基本建立。這段時間，相當于死區(qū)，電流還沒有建立。認為到幅值的10%時，電流開始建立。*開通后，集射電壓下降明顯分兩段，有一個明顯的轉(zhuǎn)折。*開通后，集射電壓下降明顯分兩段，有一個明顯的轉(zhuǎn)折。*前半段為IGBT中MOSFET單獨工作時，電壓的下降的過程。（密勒平臺了解）*后半段為MOSFET和晶體管同時工作，電壓的下降過程。關(guān)斷過程也和MOSFET差不多，分關(guān)斷延遲時間和電流下降時間。UUGE開始下降，認為達到幅值的90%就是下降開始啟動。*電流下降時間分兩段，第一段是MOSFET的關(guān)斷過程，第二段是IGBT內(nèi)PNP晶體管（電力晶體管）的關(guān)斷過程。*MOSFET關(guān)斷過程中電流下降速度比GTR快→MOSFET開關(guān)過程快。（開通過程中，集射電壓下降過程，也體現(xiàn)MOSFET速度快）*電流下降時間分兩段，第一段是MOSFET的關(guān)斷過程，第二段是IGBT內(nèi)PNP晶體管（電力晶體管）的關(guān)斷過程。*MOSFET關(guān)斷過程中電流下降速度比GTR快→MOSFET開關(guān)過程快。（開通過程中，集射電壓下降過程，也體現(xiàn)MOSFET速度快）*UGE開始下降后，一開始，Ic無變化——關(guān)斷延遲時間td（off）。*書：td（off）中包括一個集射電壓上升時間（此時UGE維持不變）總結(jié)：開通時，MOSFET先開通，然后MOSFET和GTR一起工作關(guān)斷時，MOSFET先關(guān)斷，然后GTR關(guān)斷。這是由復(fù)合器件的特性決定的。最大集射極間電壓UCES——集電極和發(fā)射極之間的電壓，都用的是電力晶體管的名詞，它們之間能承受的最大電壓，主要是由擊穿電