第1章 電力半導(dǎo)體器件

第1章電力半導(dǎo)體器件主要內(nèi)容：1.1概述1.2二極管1.3晶閘管1.4可關(guān)斷器件1.1概述1.1.1電力半導(dǎo)體器件1.1.2電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展歷程與趨勢1.1.3電力半導(dǎo)體器件的分類1.1.1電力電子器件電力電子器件基本特征所處理的電功率的一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件，小至毫瓦級(jí)，大至兆瓦級(jí)。一般工作在開關(guān)狀態(tài)，因此，其開關(guān)特性（即動(dòng)態(tài)特性）和參數(shù)，是電力電子器件特性很重要的方面。功率損耗較大，因而為了保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上比較講究散熱設(shè)計(jì)，而且且在其工作時(shí)一般都還需要安裝散熱器。在實(shí)際應(yīng)用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制，兩者之間應(yīng)采取一定的隔離措施。1.1.2電力電子器件的發(fā)展歷程與趨勢

電力電子器件的發(fā)展歷程圖1.1.3電力電子器件的分類按照電力電子器件能夠被門極（有時(shí)稱為基極）所控制的程度，可以將電力電子器件分為三類：不可控型：不能用控制信號(hào)來控制其通斷的電力電子器件。這類器件主要就是電力二極管，它只有兩個(gè)端字，不需要驅(qū)動(dòng)電路，器件的導(dǎo)通和關(guān)斷完全由其承受的電壓和電流決定。半控型：通過門極控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。主要是指晶閘管及其大部分派生器件，器件的關(guān)斷完全是由其承受的電壓和電流來決定。全控型：通過門極控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷，有時(shí)也被稱為自關(guān)斷器件。目前常用的是IGBT、PowerMOSFET、GTO。

按照門極控制信號(hào)的性質(zhì)又可以將電力電子器件（電力二極管除外）分為兩類：電流控制型：通過門極注入或者抽出電流來控制其導(dǎo)通或者關(guān)斷的器件，如普通晶閘管、GTO、GTR電壓控制型：通過在門極施加一定的電壓信號(hào)就可以控制其導(dǎo)通與關(guān)斷的器件，靜態(tài)時(shí)幾乎沒有門極電流。由于電壓控制型器件實(shí)際上是通過門極電壓在器件內(nèi)部產(chǎn)生可控的電場來改變流過器件的電流大小和通斷狀態(tài)的，所以電壓控制型器件又被稱為場控器件或者場效應(yīng)器件，如MOSFET、IGBT等。

1.2二極管1.2.1電力整流器件1.2.2快恢復(fù)二極管1.2.3肖特基二極管1.2.1電力整流器件1.基本結(jié)構(gòu)和工作原理P-N結(jié)：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體緊密結(jié)合時(shí)，N型半導(dǎo)體中多出的電子向缺少電子的P型半導(dǎo)體中擴(kuò)散。在結(jié)合面附近，每個(gè)結(jié)構(gòu)元的價(jià)和電子數(shù)正好達(dá)到平衡，每個(gè)原子周圍的價(jià)和電子平穩(wěn)，不能任意移動(dòng)，這就是不導(dǎo)電時(shí)的P-N結(jié)。這個(gè)區(qū)域按所強(qiáng)調(diào)的角度不同被稱為耗盡層、阻擋層、空間電荷區(qū)或勢壘區(qū)。1.基本結(jié)構(gòu)和工作原理擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)：N型區(qū)和P型區(qū)半導(dǎo)體原本呈現(xiàn)電中性，而在耗盡層的P區(qū)部分因?yàn)槲樟薔區(qū)擴(kuò)散來的電子（負(fù)電荷）而呈現(xiàn)陰性，而耗盡層的N區(qū)部分因?yàn)槲樟薖區(qū)擴(kuò)散來的空穴（正電荷）則呈現(xiàn)陽性，從而建立電場，方向由N區(qū)指向P區(qū)，這個(gè)電場被稱為內(nèi)電場或自建電場。自建電場的方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，另一方面又吸引對(duì)方區(qū)內(nèi)的少子向本區(qū)運(yùn)動(dòng)，這就是所謂的漂移運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。1.基本結(jié)構(gòu)和工作原理當(dāng)整流二極管外加反向偏置電壓時(shí)，外加電場與內(nèi)電場方向相同，內(nèi)部耗盡層變寬，P-N結(jié)反偏，阻值很大，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)。外部電壓幾乎全部降落在耗盡層。當(dāng)外加正向電壓時(shí)，外加電場與內(nèi)電場方向相反，內(nèi)部耗盡層變窄，當(dāng)外加電壓逐步升高時(shí)，內(nèi)電場將逐步削弱，直到內(nèi)電場消失（此時(shí)陽極與陰極間的電壓對(duì)應(yīng)為門檻電壓UTO），P-N結(jié)導(dǎo)通，電流迅速增大。這就是二極管的單向?qū)щ娦?。電?dǎo)調(diào)制效應(yīng)：當(dāng)二極管導(dǎo)通，正向電流較大時(shí)，空穴穿過P-N結(jié)進(jìn)入N－區(qū)，并在N－區(qū)得到積累，濃度將很大，為了維持半導(dǎo)體電中性條件，其多子（電子）濃度也相應(yīng)大幅度增加，使得其電阻率明顯下降，這就是電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。2.二極管工作特性二極管阻斷----呈現(xiàn)出較高的電阻特性。二極管導(dǎo)通----呈現(xiàn)為低阻狀態(tài)。（由于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，電阻率顯著下降）工作特性-----靜態(tài)特性電力二極管的靜態(tài)特性主要是指其伏安特性。在允許的電壓范圍內(nèi)：當(dāng)電力二極管的正向電壓大于門檻電壓UTO時(shí)，正向電流才開始明顯增加，并逐漸進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)電力二極管承受反向電壓時(shí)，只有少子引起的微小的反向漏電流。工作特性----動(dòng)態(tài)特性第（1）時(shí)段，二極管承受反向電壓，處于反向截止?fàn)顟B(tài)。第（2）時(shí)段開始，二極管外加電壓突然由反向變?yōu)檎颍O管電流開始上升，并最終穩(wěn)定在某一正值。由于等效結(jié)電容的存在，二極管電壓并不會(huì)立即變?yōu)檎担鞘紫柔尫磐戤厓?chǔ)存的負(fù)電荷，然后進(jìn)行正向充電，此時(shí)電壓變?yōu)檎?，并慢慢上升，二極管結(jié)開始正向偏置。正向偏置的P-N結(jié)繼續(xù)向區(qū)注入少子（空穴）。隨著域中少子的不斷增加，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得區(qū)的等效電阻下降，從而正向壓降下降。最終二極管達(dá)到平衡，即少子注入率和結(jié)合率相等。第（3）時(shí)段，二極管正向?qū)ǎ驂航涤啥O管的靜態(tài)伏安特性決定。第（4）時(shí)段，二極管外加電壓由反向變?yōu)檎?，二極管電流開始下降，并漸變?yōu)樨?fù)。管壓降基本沒有變化。此時(shí)，二極管并沒有恢復(fù)反向阻斷能力，有較大的反向電流。第（5）時(shí)段，耗盡層的等效電容被充電至負(fù)阻斷電壓值。此過程中，二極管電流快速下降，受線路寄生電感的影響，二極管端電壓可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)尖峰。本時(shí)段的末尾，二極管完全進(jìn)入反向阻斷狀態(tài)，阻斷外部所加的反向電壓。時(shí)段（4）的時(shí)間稱為延遲時(shí)間td時(shí)段（5）的時(shí)間稱為下降時(shí)間tf，td+tf稱為反向恢復(fù)時(shí)間tr。在時(shí)段（6），二極管工作在截止?fàn)顟B(tài)。反向擊穿

P-N結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過大，反向電流就會(huì)突然增大，此時(shí)P-N結(jié)處于反向擊穿狀態(tài)。反向擊穿分為電擊穿和熱擊穿，電擊穿包括雪崩擊穿和齊納擊穿。雪崩擊穿：當(dāng)反向電壓增大到某一數(shù)值后，載流子的倍增情況就像在陡峻的積雪山坡上發(fā)生雪崩一樣，載流子增加得多而快，這樣，反向電流劇增，P-N結(jié)就發(fā)生雪崩擊穿。齊納擊穿：在加有較高的反向電壓下，P-N結(jié)空間電荷區(qū)中存一個(gè)強(qiáng)電場，它能夠破壞共價(jià)鍵，將束縛電子分離出來產(chǎn)生電子–空穴對(duì)，形成較大的反向電流。發(fā)生齊納擊穿需要的電場強(qiáng)度約為2×105V/cm，這只有在雜質(zhì)濃度特別大的P-N結(jié)中才能達(dá)到。因?yàn)殡s質(zhì)濃度大，空間電荷區(qū)內(nèi)電荷密度（即雜質(zhì)離子）也大，因而空間電荷區(qū)很窄，電場強(qiáng)度可能很高。3.整流二極管的主要參數(shù)反向重復(fù)峰值電壓URRM：指二極管能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓，通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3。應(yīng)用時(shí)，應(yīng)按二極管實(shí)際可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定此項(xiàng)參數(shù)。正向壓降UF：在指定溫度下，二極管流過一定穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的二極管導(dǎo)通壓降。這個(gè)參數(shù)對(duì)二極管的通態(tài)損耗影響很大。正向平均電流IF(AV）：在環(huán)境溫度為＋40℃和規(guī)定冷卻條件下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。浪涌電流IFSM：指二極管能承受的最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。反向恢復(fù)時(shí)間tr：普通整流二極管的tr為25μs，斬波和逆變電路中使用的快速恢復(fù)二極管必須選用在5μs以下。1.2.2快恢復(fù)二極管二極管的正向特性或反向特性取決于內(nèi)部載流子的分布，為了獲得具有快速恢復(fù)特性的二極管，在開通時(shí)，需要盡快增加二極管內(nèi)部的載流子濃度，這個(gè)過程中，N－區(qū)的高阻性是一阻礙素；在關(guān)斷時(shí)，需要盡快衰減載流子的濃度?？焖倩謴?fù)二極管要求恢復(fù)時(shí)間小于5us。快速恢復(fù)二極管一般為數(shù)百納秒或者更長；超快速恢復(fù)二極管則在100ns以下，有的甚至達(dá)到20~30ns。1.2.3肖特基二極管肖特基二極管是利用金屬與半導(dǎo)體直接接觸形成的勢壘而制成的二極管。肖特基二極管的正向?qū)щ娭饕恰盁帷彪娮佑砂雽?dǎo)體注入到金屬中，而少子（空穴）注入電流相比之下非常小，可以忽略。偏壓反向后，這些熱電子在極短的時(shí)間內(nèi)返回到半導(dǎo)體內(nèi)，其反向恢復(fù)時(shí)間主要由外電路決定，而不是由與導(dǎo)電機(jī)理有關(guān)的內(nèi)在電子過程決定的。因此肖特基二極管的反向恢復(fù)時(shí)間比普通電力二極管或快恢復(fù)二極管短得多，適用于很高的頻率。肖特基二極管也具有電容效應(yīng)，對(duì)反向恢復(fù)時(shí)間有一定的影響，減小其有效面積，可減小電容效應(yīng)。1.3晶閘管(SCR)1.3.1普通晶閘管1.3.2雙向晶閘管1.3.3光控晶閘管1.3.1普通晶閘管(SCR)1.基本結(jié)構(gòu)與工作原理基本結(jié)構(gòu)：

晶閘管內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，形成J1、J2、J3三個(gè)PN結(jié)，外部引出3個(gè)電極，即陽極、陰極和門極，陽極A與P1相連，陰極K與N2相連，門極G與P2相連.晶閘管導(dǎo)通的工作原理:

如果外電路向門極注入電流IG,則IG

流入晶體管VT2的基極，即產(chǎn)生集電極電流IC2，IC2又構(gòu)成晶體管VT1的基極電流，即產(chǎn)生集電極電流，更進(jìn)一步增大了V2的基極電流，放大成集電極電流IC1，更進(jìn)一步增大VT1的基極電流，如此形成強(qiáng)烈的正反饋，最后VT1和VT2進(jìn)入完全飽和狀態(tài)，晶閘管的四層半導(dǎo)體中均充滿了少數(shù)載流子，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得晶閘管的導(dǎo)通壓降很低，而導(dǎo)通電流的大小由外電路參數(shù)決定。晶閘管的雙晶體管等效電路

IK=IA+IGIA=1IA+2IK+IC0

式中1和2分別是晶體管VT1和VT2的共基極電流增益；IC0為流過J2的反向漏電流。其中1=IC1/IA,2=IC2/IK。IA=[IC0+2IG]/[1-(1+2)]IA=[IC0+2IG]/[1-(1+2)]

晶體管的特性是電流增益隨發(fā)射極電流的增大而迅速增大。因此，在晶體管阻斷狀態(tài)下，1和2都很小，流過晶體管的電流稍大于J2結(jié)漏電流。如果注入觸發(fā)電流使各個(gè)晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2≈1時(shí)，將大大提高流過晶閘管的電流，其值完全由主回路的電源電壓和回路電阻決定，晶閘管進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)。2.基本特性（1）反向靜態(tài)特性

（2）正向靜態(tài)特性

UDSM：正向不重復(fù)峰值電壓URSM:反向不重復(fù)峰值電壓IH：維持電流Ubo:轉(zhuǎn)折電壓（3）動(dòng)態(tài)特性----開通過程延遲時(shí)間td：門極電流階躍時(shí)刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時(shí)間。上升時(shí)間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間。開通時(shí)間tgt：tgt=td+tr

普通晶閘管延遲時(shí)為0.5~1.5s上升時(shí)間為0.5~3s（3）動(dòng)態(tài)特性----關(guān)斷過程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr：從正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間。正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間。關(guān)斷時(shí)間tq：

tq=trr+tgr

普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。（4）門極特性----500A晶閘管的門極特性

曲線0D為極限低阻伏安特性，曲線0G為極限高阻伏安特性。其中：0HIJ0范圍中的區(qū)域稱為不觸發(fā)區(qū)。ABCJIHA的范圍為不可靠觸發(fā)區(qū)，觸發(fā)將是不可靠的。ADEFGCBA的區(qū)域稱為可靠觸發(fā)區(qū)，在正常使用中，由觸發(fā)器輸送給門極的觸發(fā)電流和電壓都應(yīng)該處于這個(gè)區(qū)內(nèi)。3.晶閘管的主要技術(shù)參數(shù)

（1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM：門極斷路、器件額定結(jié)溫時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。國標(biāo)規(guī)定重復(fù)頻率為50Hz、每次持續(xù)時(shí)間<10ms。這個(gè)電壓規(guī)定為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDSM的90%。（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM：門極斷路、器件額定結(jié)溫時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。這個(gè)電壓規(guī)定為反向不重復(fù)峰值電壓的90%。（3）額定電壓：通常取作UDRM和URRM中的較小值。由于瞬時(shí)過電壓也會(huì)使晶閘管遭到破壞，因而應(yīng)選用晶閘管的額定電壓為其正常工作峰值電壓的2～3倍作為安全裕量。3.晶閘管的主要技術(shù)參數(shù)（續(xù)）（4）通態(tài)峰值電壓UTM：指晶閘管通以規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。從減小損耗和器件發(fā)熱的觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)該選擇較小的晶閘管。（5）通態(tài)平均電流IT(AV)：在環(huán)境溫度為＋40℃和規(guī)定冷卻條件下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。（6）維持電流IH：在室溫和門極斷路時(shí)，使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。實(shí)際上，結(jié)溫越高，所需的維持導(dǎo)通的電流越小。3.晶閘管的主要技術(shù)參數(shù)

（續(xù)）（7）擎住電流IL

：晶閘管一經(jīng)從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)就移去觸發(fā)信號(hào)，之后要保持器件維持通態(tài)所需的最小主電流。對(duì)于同一個(gè)晶閘管來說，通常擎住電流約為維持電流的2～4倍。（8）斷態(tài)重復(fù)峰值電流IDRM和反向重復(fù)峰值電流IRRM

：額定結(jié)溫和門極斷路時(shí)，對(duì)應(yīng)于斷態(tài)重復(fù)峰值電壓和反向重復(fù)峰值電壓時(shí)的峰值漏電流。（9）浪涌電流ITSM：結(jié)溫為額定值時(shí)，在工頻正弦波半周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應(yīng)能承受規(guī)定的反向電壓。浪涌電流用峰值表示，是不重復(fù)的額定值，在器件壽命期內(nèi)，浪涌的次數(shù)應(yīng)有一定的限制。該參數(shù)可用來作為設(shè)計(jì)保護(hù)電路的依據(jù)。3.晶閘管的主要技術(shù)參數(shù)（續(xù)）（10）門極觸發(fā)電流IGT：在室溫且陽極電壓為6V直流電壓時(shí)，使晶閘管從阻斷到完全開通所必需的最小門極直流電流。（11）門極觸發(fā)電壓UGT：對(duì)應(yīng)于門極觸發(fā)電流時(shí)的門極觸發(fā)電壓。使用晶閘管時(shí)，為使觸發(fā)器適用于所有同型號(hào)的晶閘管，觸發(fā)器輸送給門極的電壓和電流應(yīng)適當(dāng)?shù)卮笥趪鴺?biāo)所規(guī)定的UGT和IGT上限，但不應(yīng)該超過其峰值UGFM和IGFM。門極平均功率和峰值功率也不應(yīng)超過規(guī)定值。3.晶閘管的主要技術(shù)參數(shù)（續(xù)）（12）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt：在額定結(jié)溫和門極斷路條件下，使器件從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最低電壓上升率。如果太大，充電電流足夠大，即使陽極電壓低于轉(zhuǎn)折電壓，就會(huì)使晶閘管導(dǎo)通。（13）通態(tài)電流臨界上升率di/dt：在規(guī)定條件下，由門極觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通時(shí)，晶閘管能夠承受而不導(dǎo)致?lián)p壞的通態(tài)電流的最大上升率應(yīng)小于此值。通態(tài)電流臨界上升率的值為電流從零上升到導(dǎo)通后電流峰值的50％除以兩點(diǎn)之間的時(shí)間差。該參數(shù)一般與晶閘管容量有關(guān)，電流容量大的晶閘管其耐量也大。（14）門極控制的開通時(shí)間ton：從門極觸發(fā)脈沖前沿的10％到陽極電壓下降至10％的時(shí)間間隔。開通時(shí)間由兩部分組成：延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr。延遲時(shí)間td是指從門極觸發(fā)脈沖前沿的10％到陽極電壓開始下降的時(shí)間間隔；上升時(shí)間tr是指陽極電壓下降至90％到下降至10％的時(shí)間間隔。

（15）電路換向關(guān)斷時(shí)間toff：從陽極電流IA下降到0時(shí)起至器件剛能承受斷態(tài)電壓為止的時(shí)間間隔。關(guān)斷時(shí)間tq由trr和

tgr兩部分組成：trr稱為反向恢復(fù)時(shí)間；tgr稱為門極恢復(fù)時(shí)間。（16）額定結(jié)溫TJM：器件在正常工作條件下所允許的最高P-N結(jié)溫度。1.3.2雙向晶閘管不論從結(jié)構(gòu)還是從特性方面來說，雙向晶閘管都可以看成是一對(duì)反向并聯(lián)的普通晶閘管.有兩個(gè)主電極T1和T2和一個(gè)門極G(與發(fā)射極短路)。四種門極觸發(fā)方式，按靈敏度排列的順序是I＋>III－>I－>III＋

1.3.3光控晶閘管又稱光觸發(fā)晶閘管，利用一定波長（900～940mm）的光照信號(hào)（幾十毫瓦）觸發(fā)導(dǎo)通。1.4可關(guān)斷器件1.4.1柵極可關(guān)斷晶閘管1.4.2巨型晶體管1.4.3功率場效應(yīng)管1.4.4絕緣柵雙極型晶體管1.4.5門極可換流晶體管1.4.1柵極可關(guān)斷晶閘管（GTO）1.基本結(jié)構(gòu)GTO是全控型、電流驅(qū)動(dòng)、雙極型器件。PNPN四層三端半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽極的小GTO單元，這些GTO元的陰極和門極在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：門極和陰極間的距離大為縮短，陰極的橫向?qū)挾容^窄，大大降低了P2基區(qū)的橫向電阻，所以GTO在門極反偏壓的作用能影響到整個(gè)陰極區(qū)域，使得從門極抽出較大的電流成為可能，即門極可控型。GTO的多元集成結(jié)構(gòu)有利于關(guān)斷，同時(shí)，比普通晶閘管開通過程更快，承受di/dt能力更強(qiáng)。2.工作原理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(shí)，兩個(gè)等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通，當(dāng)1+2<1時(shí)，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(shí)1+2更接近于1（≈1.05）。使得GTO導(dǎo)通時(shí)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(shí)管壓降增大。2工作原理GTO關(guān)斷時(shí)，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(shí)，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(gè)晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使1+2<1時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷。當(dāng)門極施加負(fù)脈沖時(shí)，門極負(fù)電流排除P2區(qū)非平衡空穴載流子的積累，門極負(fù)電壓阻止N2區(qū)陰極非平衡載流子的注入。隨著空穴和電子的被排除，在J3結(jié)的附近形成了耗盡層。此耗盡層從陰極靠近門極的區(qū)域逐漸向陰極中心部分?jǐn)U展。這樣，N2陰極沒有電子注入P2基區(qū)，P2區(qū)與N2區(qū)中的過剩載流子復(fù)合一直到達(dá)到電中性為止。J3結(jié)如能維持反偏置狀態(tài)，將為J2結(jié)迅速恢復(fù)阻斷能力創(chuàng)造條件。只要J2結(jié)恢復(fù)了反向阻斷能力，GTO就進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。關(guān)斷瞬態(tài)過程可分為三個(gè)時(shí)間：關(guān)斷時(shí)間為存儲(chǔ)時(shí)間ts和下降時(shí)間tf之和，不包括拖尾時(shí)間tr。存儲(chǔ)時(shí)間ts：在存儲(chǔ)時(shí)間內(nèi)，門極電流將P2基區(qū)中的非平衡載流子抽出，但所有GTO結(jié)（J1，J2和J3）仍保持正偏。當(dāng)陽極電流下降到主電流的90％和空間電荷區(qū)開始在J2結(jié)形成時(shí)，存儲(chǔ)階段結(jié)束。下降時(shí)間tf：陽極電流從主電流的90％下降到10％的時(shí)間。拖尾時(shí)間tr：陽極電流從導(dǎo)通時(shí)主電流的10％下降到幾乎為零的時(shí)間。3.主要參數(shù)（1）最大可關(guān)斷陽極電流IATO：用來標(biāo)稱GTO額定電流的參數(shù)。為了獲得大容量的GTO，就必須嚴(yán)格控制1和2的數(shù)值，特別是它們的溫度穩(wěn)定性，以免高溫時(shí)關(guān)斷失敗。IATO還隨工作頻率、再加電壓、陽極電壓上升率、門極負(fù)電流波形以及電路參數(shù)等的變化而變化。（2）通態(tài)電流IT：通態(tài)下陽極電流的穩(wěn)定值。（3）陽極尖峰電壓UP：是在下降時(shí)間末尾出現(xiàn)的極值電壓。它幾乎隨陽極主電流線性增加,UP過高可能導(dǎo)致GTO失效。（4）門極最小觸發(fā)電流IGT：由斷態(tài)轉(zhuǎn)向通態(tài)所需的最小門極電流。3.主要參數(shù)（5）門極反向關(guān)斷電流：

從通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)時(shí)流過門極的反向電流，亦稱門極關(guān)斷電流。（6）門極反向最大電壓URGM：門極反向電壓的最大瞬時(shí)值。實(shí)際應(yīng)用中，一般選擇門極關(guān)斷電源電壓小于門極反向擊穿電壓，并留有足夠的裕量，以免損壞J3結(jié)。（7）關(guān)斷增益Goff：最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負(fù)電流最大值IGTM之比。關(guān)斷增益較低時(shí)，即門極電流過大，易發(fā)生動(dòng)態(tài)雪崩擊穿。關(guān)斷增益較高時(shí)，易發(fā)生動(dòng)態(tài)穿通現(xiàn)象。一般為2～5。3.主要參數(shù)（8）陽極電壓上升率du/dt：GTO保持?jǐn)鄳B(tài)不轉(zhuǎn)向通態(tài)的最大電壓上升率。分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種情況。靜態(tài)du/dt是指GTO阻斷時(shí)所能承受的最大電壓上升率，當(dāng)靜態(tài)du/dt過高時(shí)，GTO中結(jié)電容將流過較大的位移電流并使1+2增大，可能引發(fā)誤導(dǎo)通故障。動(dòng)態(tài)du/dt表示GTO在門極關(guān)斷過程中陽極電壓的上升率。對(duì)同一個(gè)器件來說，承受動(dòng)態(tài)阻斷電壓的能力要比承受靜態(tài)阻斷電壓的能力低。（9）陽極電流上升率di/dt

：它是GTO開通過程中的動(dòng)態(tài)參數(shù)。di/dt過大，可導(dǎo)致陰極區(qū)電流局部集中而燒壞GTO。此外，di/dt過大，造成開通損耗大，引起局部過熱，導(dǎo)致GTO損壞。應(yīng)用中其它應(yīng)注意的問題GTO是個(gè)雙穩(wěn)態(tài)的大功率開關(guān)器件，GTO門極加正觸發(fā)信號(hào)時(shí)，沒有安全工作區(qū)的問題，只有瞬時(shí)浪涌電流的規(guī)定值。在門極加負(fù)脈沖關(guān)斷信號(hào)時(shí)，則有安全工作區(qū)的問題。GTO安全工作區(qū)的定義是：在一定條件下，GTO能夠可靠關(guān)斷的陽極電流與陽極電壓的軌跡。GTO在關(guān)斷過程中，因主電流集中在離門極較遠(yuǎn)的區(qū)域，結(jié)果導(dǎo)電部分與門極之間出現(xiàn)橫向電場。在關(guān)斷的最后階段所流過的大部分門極電流是由這個(gè)電場產(chǎn)生的漂移電流，此橫向電場越強(qiáng)就越能有效地進(jìn)行關(guān)斷，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要求J3結(jié)的反向擊穿電壓UJ3盡可能大些。要求GTO的門極驅(qū)動(dòng)電流保證各GTO在關(guān)斷和導(dǎo)通時(shí)動(dòng)作應(yīng)整齊一致。1.4.2巨型晶體管（GTR）巨型晶體管（GTR）又稱電力晶體管、功率晶體管，它是一種耐高壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BJT）.1．基本結(jié)構(gòu)

GTR內(nèi)部為三層結(jié)構(gòu)。GTR有NPN型、PNP型兩種,它們均是用基極電流控制集電極電流的電流控制型器件，大功率GTR多采用NPN型結(jié)構(gòu)。GTR芯片一般都由若干并聯(lián)晶體管單元組成，這些晶體管單元共集電極，但發(fā)射極和基極則由許多分立單元并聯(lián)組成。NPN型的GTR結(jié)構(gòu)由重?fù)诫s的N型單晶片作為襯底，利用外延生長法在N上制作一層N-層，然后在N-層上利用高溫?cái)U(kuò)散形成P基區(qū)，再擴(kuò)散N作為發(fā)射區(qū)。添加N-層的目的是為了獲得需要的電壓承受能力。GTR的主要特點(diǎn)是：有自關(guān)斷能力、開關(guān)時(shí)間短及安全工作區(qū)寬，自20世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管的，主要是GTR，但目前，其地位已大多被絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和電力場效應(yīng)晶體管（PowerMOSFET）所取代。2基本特性—輸出特性GTR的工作狀態(tài)分為四個(gè)區(qū)域：I區(qū)為截止區(qū):對(duì)應(yīng)關(guān)斷狀態(tài)，集電結(jié)、發(fā)射結(jié)均反向偏置。II區(qū)為線性工作區(qū):集電結(jié)仍反向偏置，發(fā)射結(jié)正向偏置。集電極電流與基區(qū)少子濃度成線性關(guān)系，而基區(qū)少子濃度又與基極電流成線性關(guān)系，所以集電極電流與基極電流呈線性關(guān)系。III區(qū)為臨界飽和區(qū):隨著基極電流的增加，開始出現(xiàn)基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，集電極電流與基極電流之比開始下降，呈非線性關(guān)系，即進(jìn)入臨界飽和區(qū)。IV區(qū)為深飽和區(qū):集電結(jié)完全正向偏置，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得集－射極間等效阻抗較低，電流增益與導(dǎo)通電壓均達(dá)到最小值。

達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的GTR:驅(qū)動(dòng)管VT1的輸出并聯(lián)在輸出管VT2的集電結(jié),集電級(jí)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(shí)管壓降較高。2基本特性—開關(guān)動(dòng)態(tài)特性第（1）時(shí)段，基極GTR處于截止?fàn)顟B(tài)。第（2）時(shí)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。由于發(fā)射結(jié)等效電容的存在，基極電壓并不會(huì)立即由負(fù)變?yōu)檎?，而是首先由基極正電流抽取原來儲(chǔ)存的負(fù)電荷。時(shí)段末尾，負(fù)電荷釋放完畢，基－射間電壓由負(fù)變正，發(fā)射結(jié)開始正向偏置。在此過程中，基極正電流同時(shí)也向集電結(jié)等效電容提供充電電荷。時(shí)段（2）的長度即為延遲時(shí)間td。第（3）時(shí)段，少子電荷（電子）從發(fā)射極通過發(fā)射結(jié)進(jìn)入到基區(qū)并在基區(qū)積累，而集電極電流與基區(qū)少子電荷的數(shù)量成線性關(guān)系，故集電極電流慢慢升高。由于外電路阻抗分壓的作用，集－射電壓慢慢下降，反向偏置的集電結(jié)等效電容電壓也慢慢下降。時(shí)段（3）的長度為上升時(shí)間。第（3）時(shí)段末尾，集電結(jié)開始正向偏置，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。到第（4）時(shí)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。第（5）時(shí)段，GTR飽和導(dǎo)通。第（6）時(shí)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)，基極負(fù)電流開始抽取P區(qū)中的少子電荷，發(fā)射結(jié)仍然正向偏置。在第（6）時(shí)段過程中，集電極電流基本不變，而且，只要P區(qū)和N-區(qū)中的少子電荷遠(yuǎn)超過維持線性放大區(qū)集電極電流所必需的濃度，集電極電流就基本不變。基極負(fù)電流的大小由外加負(fù)電壓和外部電路阻抗決定。到第（6）時(shí)段末尾，P區(qū)和N-區(qū)中超過維持線性放大區(qū)集電極電流的多余少子電荷釋放完畢。時(shí)段（6）的長度稱為存儲(chǔ)時(shí)間ts。第（7）時(shí)段開始，GTR退出飽和，進(jìn)入線性放大區(qū)，集電極電流正比于基區(qū)少子電荷?；鶚O負(fù)電流的抽取作用，以及電子空穴的再結(jié)合使得基區(qū)少子電荷的積累繼續(xù)減少，集電極電流減小，集電極電壓升高，基極負(fù)電流對(duì)米勒電容反向充電。到第（7）時(shí)段末尾，儲(chǔ)存的少子電荷被釋放完畢，發(fā)射結(jié)反向偏置，時(shí)段（7）的長度稱為下降時(shí)間tf

。在第（8）時(shí)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，一直到等于外加負(fù)電壓。第（9）時(shí)段開始，GTR進(jìn)入穩(wěn)定的截止?fàn)顟B(tài)。

（3）基極驅(qū)動(dòng)電流開通時(shí)，為了加快少子電荷進(jìn)入基區(qū)并在基區(qū)積累的速度，從而減小開通時(shí)間，初始基極電流幅值IB1較大。GTR進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)后，為了減輕GTR的飽和深度，從而減小關(guān)斷時(shí)的存儲(chǔ)時(shí)間，可適當(dāng)?shù)亟档突鶚O電流IBO，但GTR導(dǎo)通時(shí)飽和深度越淺，其導(dǎo)通壓降也越大，所以IBO的值也不能太小，應(yīng)有一個(gè)合理的折衷。（3）基極驅(qū)動(dòng)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(shí)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。4.二次擊穿與安全工作區(qū)二次擊穿是在電流突增的同時(shí)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(shí)間極短，一般為納秒至微秒的數(shù)量級(jí)。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(duì)GTR電壓、電流、導(dǎo)通時(shí)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(dòng)電路的情況等都會(huì)影響二次擊穿。

4.二次擊穿與安全工作區(qū)反向偏置情況下工作時(shí)，由于電場集中，使流向發(fā)射極的電流通道縮小，電流集中，易產(chǎn)生局部過熱點(diǎn)而造成二次擊穿，相應(yīng)的觸發(fā)功率也小。正偏情況下工作時(shí)，由于發(fā)射極電流集邊效應(yīng)不易形成熱點(diǎn)，二次擊穿電壓耐量較大，相應(yīng)的二次擊穿觸發(fā)功率也較大。GTR擊穿電壓與基極驅(qū)動(dòng)電路關(guān)系一般情況下，Ub>BUCEX>BUCES>BUCER>Ua。當(dāng)集電極開路時(shí)，發(fā)射結(jié)上的最大反向擊穿電壓用BUEBO表示，其值由于發(fā)射區(qū)濃度很高而很小，只有幾伏，典型值為8V。GTR擊穿電壓與基極驅(qū)動(dòng)電路關(guān)系為了保證GTR安全可靠的工作，應(yīng)將其工作狀況限制在安全工作區(qū)內(nèi)，即集電極電流、集電極電壓、最大功耗等都不應(yīng)超過允許的極限，必要時(shí)應(yīng)增加過壓保護(hù)電路。脈沖工作方式下允許的安全工作區(qū)比直流工作方式下的安全工作區(qū)的范圍大，當(dāng)脈沖寬度<10μs時(shí)，就已經(jīng)不必考慮二次擊穿的問題，相應(yīng)的安全工作區(qū)只有允許的最大集電極電流和電壓所限制。3.主要參數(shù)集電極開路時(shí)射－基極間的反向擊穿電壓UEBO：超過這個(gè)極限值，發(fā)射結(jié)將被擊穿.一般合金結(jié)晶體管UEBO典型值為幾十伏,平面管的UEBO典型值為幾伏。發(fā)射極開路時(shí)集－基極間的反向擊穿電壓UCBO

：由集電結(jié)雪崩擊穿電壓決定的，其值比較高。集－射極間的擊穿電壓：一般情況下，BUCBO>BUCEX>BUCES>BUCER>BUCEO3.主要參數(shù)最大工作電壓UCEM

：對(duì)于電阻負(fù)載，UCEM可取為UCE0

。對(duì)于電感負(fù)載UCEM取為維持電壓UCE(sus)

。維持電壓是指晶體管在電感負(fù)載下開關(guān)時(shí)，在規(guī)定的電流值內(nèi)不發(fā)生異?，F(xiàn)象所能承受的最大電壓。維持電壓又分為兩種，即基極沒有反向偏壓時(shí)的維持電壓UCEO(sus)和基極有反向偏壓時(shí)的維持電壓UCEX(sus)

。在電感負(fù)載條件下，UCEO(sus)、UCE(Xsus)

、要比UCEO和UCEX和低。3.主要參數(shù)（續(xù)）集電極最大工作電流ICM：晶體管的理論和實(shí)踐指出，在大電流情況下，隨著集電極電流的增加，電流放大倍數(shù)、截止頻率及特征頻率都要下降，開關(guān)時(shí)間也會(huì)增加，因此規(guī)定為一個(gè)極限參數(shù)。一般作為開關(guān)應(yīng)用的GTR，實(shí)際運(yùn)行的工作電流應(yīng)為的1/3～1/5，具體值取決于脈沖持續(xù)時(shí)間和占空比。集電極最大耗散功率PCM：是GTR在熱學(xué)方面的限制參數(shù)。一般來講，集電結(jié)消耗的功率比發(fā)射結(jié)的大得多，因此晶體管總的消耗功率就可以認(rèn)為是集電結(jié)消耗的功率。二次擊穿功耗PSB：二次擊穿時(shí)所對(duì)應(yīng)的功耗。1.4.3功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)功率場效應(yīng)晶體管（功率MOSFET），是用柵極電壓來控制漏極電流的電壓控制型器件，驅(qū)動(dòng)電路簡單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。它是采用場效應(yīng)機(jī)理控制器件導(dǎo)通或關(guān)斷的，開關(guān)速度快，工作頻率高。對(duì)于高耐壓的器件，其導(dǎo)通電阻較高，導(dǎo)通壓降大，功耗大。一般只適用于功率不超過10kW的場合。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(gè)P-N結(jié)，一個(gè)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(gè)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(shí)，由于柵極是絕緣的，并不會(huì)有柵極電流流過（穩(wěn)態(tài)時(shí)），但在柵極正電壓電場的作用下，會(huì)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(shí)，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。1.工作原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(shí)，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(huì)出現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，當(dāng)截止電壓大于200-400V時(shí)，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(duì)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(chǔ)效應(yīng)，因此，功率MOSFET很容易實(shí)現(xiàn)極短的開關(guān)時(shí)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)特性第一象限，分為正向截止?fàn)顟B(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)通狀態(tài)又分為主動(dòng)區(qū)域和電阻性區(qū)域；第三象限，功率MOSFET工作在反向運(yùn)行狀態(tài)。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(gè)正的漏源電壓VDS時(shí)，若柵源電壓VGS小于柵源開啟電壓UGS（th），則在漏源之間只有一個(gè)很小的漏電流IDSS在流動(dòng)。當(dāng)UDS增加時(shí)，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(shí)，P-N-結(jié)會(huì)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(duì)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)特性導(dǎo)通狀態(tài)：當(dāng)漏源電壓VDS為正，柵源電壓VDS大于柵源開啟電壓UGS(th)時(shí)，MOSFET進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)。正向?qū)顟B(tài)可分為主動(dòng)區(qū)域和電阻性區(qū)域。1）主動(dòng)區(qū)域：當(dāng)柵源電壓UGS僅略大于柵極開啟電壓時(shí)，溝道內(nèi)電流的飽和作用將產(chǎn)生一個(gè)可觀的壓降（輸出特性的水平線），此時(shí)ID由UDS控制。這個(gè)區(qū)域稱為主動(dòng)區(qū)域（飽和區(qū)），主動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)也被稱為非飽和區(qū)域，對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū)域。此時(shí)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(hào)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(shí)大約會(huì)增加一倍。功率MOSFET的飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極電流不再增加，非飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極電流相應(yīng)增加。反向運(yùn)行：功率MOSFET的漏極和源極之間形成了一個(gè)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(shí)，則MOSFET會(huì)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(shí)的導(dǎo)通特性。這個(gè)雙極型反向二極管可以運(yùn)行到由MOSFET所給定的電流極限。實(shí)際中，這個(gè)反向二極管會(huì)：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(shí)具有較差的關(guān)斷特性，從而限制它的應(yīng)用范圍。原則上只要UGS大于UGS(th)，即使漏源電壓為負(fù)值，MOSFET的溝道也可以受控至導(dǎo)通狀態(tài)。如果此時(shí)的漏源負(fù)電壓保持在源漏二極管結(jié)的開啟電壓之下，則漏源之間的反向電流就只是單極性的電子電流。此時(shí)，它的關(guān)斷特性則與MOSFET的關(guān)斷特性相同。電流依賴于UDS和UGS,當(dāng)溝道是導(dǎo)通的，且寄生二極管也導(dǎo)通時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)兩者相結(jié)合的電流運(yùn)行狀態(tài)。由于被注入的載流子還可以橫向擴(kuò)散，從而使得MOSFET的導(dǎo)電能力增加，最終導(dǎo)致通態(tài)電壓下降。1）開通過程：t0時(shí)刻施加?xùn)艠O正驅(qū)動(dòng)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(shí)刻達(dá)到開啟電壓，MOSFET導(dǎo)通。動(dòng)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。1）開通過程：在t1~t2區(qū)間內(nèi)，功率MOSFET工作在主動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)電壓，且溝道電阻進(jìn)一步下降。在t4時(shí)刻，MOSFET的通態(tài)電阻達(dá)到最小值。2）關(guān)斷過程：在t5時(shí)刻，柵極驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)米勒電容較大，柵源電壓基本不變，漏源電壓上升。在t7時(shí)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(gè)低值。在t8時(shí)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(dòng)電壓相等。因?yàn)镸OSFET工作中不涉及存儲(chǔ)時(shí)間，所以開關(guān)時(shí)間只由輸入電容的充、放電過程決定。改變驅(qū)動(dòng)電路上的電阻，可以改變MOSFET的開關(guān)時(shí)間。功率MOSFET是場控器件，在靜態(tài)時(shí)幾乎不需要輸入電流。但是，在開關(guān)過程中需要對(duì)輸入電容充放電，仍需要一定的驅(qū)動(dòng)功率。開關(guān)頻率越高需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。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(shí)很重要的一個(gè)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(shí)漏源之間的反向泄漏電流達(dá)到某一規(guī)定值時(shí)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）柵源擊穿電壓BUGS：表征功率MOSFET柵源之間能承受的最高電壓，為了防止柵源電壓過高發(fā)生介電擊穿而必須添加的參數(shù)。（3）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(shí)，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。（4）漏極電流ID：它表征功率MOSFET的電流容量，漏極載流能力主要受溫升的限制。（5）漏極最大電流IDM：主要受器件溫度的限制，器件內(nèi)部溫度都不得超過其最高工作溫度150℃。按實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，器件外殼溫度應(yīng)低于100℃。功率MOSFET電流控制能力受結(jié)溫限制。當(dāng)結(jié)溫升高時(shí)，實(shí)際可用的連續(xù)電流值會(huì)下降。（6）連續(xù)反向漏極電流IDR：指內(nèi)部隱含二極管（源漏P-N結(jié)）的額定電流。（7）通態(tài)電阻Ron：指在確定的柵源電壓UGS下，功率MOSFET處于恒流區(qū)的直流電阻。Ron的大小與柵源電壓UGS有很大的關(guān)系，通常UGS取10V左右。（8）極間電容：一般廠家提供的是漏源短路時(shí)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(shí)，各電容值趨于穩(wěn)定。為減小這些電容，UDS應(yīng)大于10V。（9）二極管正向壓降USD：指內(nèi)部寄生二極管通兩倍反向電流，在柵源極短路時(shí)的壓降。（10）二極管反向恢復(fù)時(shí)間trr：指內(nèi)部寄生的反并聯(lián)二極管額定的條件下常溫時(shí)測得的反向恢復(fù)時(shí)間。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具有穿通型結(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(gè)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(gè)MOSFET和一個(gè)PNP-NPN晶體管級(jí)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(shí)盡可能使NPN不起作用，IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管，故IGBT的驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(shí)，P+區(qū)向N+區(qū)發(fā)射少子，從而對(duì)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(hào)時(shí)，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(chǔ)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(huì)立即消失，這就導(dǎo)致IGBT的關(guān)斷時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于MOSFET的關(guān)斷時(shí)間。2.基本特性(1)靜態(tài)特性

第一象限分為三個(gè)區(qū)：正向截止、主動(dòng)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(shí)，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(gè)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(shí)，IGBT的PIN結(jié)（P體區(qū)/N－漂移區(qū)/N外延生長層）會(huì)出現(xiàn)鎖定效應(yīng)。從物理的角度來說，UCES對(duì)應(yīng)IGBT結(jié)構(gòu)中PNP晶體管的擊穿電壓UCER。主動(dòng)區(qū)域：當(dāng)UCE只是略大于UGE(th)時(shí)，由于溝道電流的飽和效應(yīng)，溝道會(huì)出現(xiàn)一個(gè)可觀的壓降（輸出特性中的水平線）。此時(shí)，集電極電流跟隨UCE而變化。對(duì)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(shí)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)壓降為2～3V。反向特性：由于IGBT集電極端的PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，因此，IGBT不具備反向?qū)ǖ哪芰ΑＴ揚(yáng)N結(jié)不能承受高反偏電壓，所以IGBT的反向截止電壓僅在數(shù)十伏上下。對(duì)于需要IGBT承受高反向電壓的應(yīng)用來說，到目前為止全部采用了混合結(jié)構(gòu)，即在模塊中串連一個(gè)快速二極管。(2)開關(guān)特性IGBT與MOSFET具有相同的柵極結(jié)構(gòu)，因此它們的開關(guān)特性也大致相似，下面是IGBT與MOSFET不同的地方。IGBT開通時(shí)，集－射極間電壓會(huì)在數(shù)十納秒內(nèi)迅速下降到某一數(shù)值，該數(shù)值對(duì)應(yīng)了N－漂移區(qū)的電壓降。對(duì)于MOSFET來說，這就是它的通態(tài)壓降UDS(on)=ID·RDS(on)。但對(duì)于IGBT來說，P集電極區(qū)同時(shí)向N－漂移區(qū)注入少子，在這個(gè)過程（約100ns至數(shù)us）達(dá)到穩(wěn)定后，IGBT才達(dá)到其飽和壓降的靜態(tài)值UCE(sat)，對(duì)于高截止電壓的器件來說，由于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，這一值相對(duì)較低。MOSFET關(guān)斷時(shí)，內(nèi)部電容需要放電并反向充電，直至溝道區(qū)的電荷載子的作用完全被消除，MOSFET關(guān)斷。但對(duì)于IGBT，發(fā)射極電流在N－漂移區(qū)被關(guān)斷后，N－漂移區(qū)內(nèi)還存在著大量的少子，必需通過再結(jié)合的方式被清除。這一過程導(dǎo)致了所謂的集電極拖尾電流。因?yàn)樵撐擦飨陆档倪^程可持續(xù)數(shù)微秒，而此時(shí)集－射極電壓已經(jīng)開始上升，所以在硬關(guān)斷過程中，IGBT的關(guān)斷損耗在相當(dāng)程度上由拖尾電流所決定，并明顯高壓MOSFET的關(guān)斷損耗。3.主要參數(shù)最大集－射極間電壓UCES：由器件內(nèi)部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓所確定。集－射極間飽和電壓UCE(sat)：IGBT飽和導(dǎo)通時(shí)通過額定電流時(shí)的集－射極間電壓，該值表征IGBT的通態(tài)損耗，選用時(shí)應(yīng)選UCE(sat)小的IGBT管。柵極開啟電壓UGE(th)：使IGBT導(dǎo)通所需的最小柵－射電壓。集電極額定電流ICN：允許的集電極最大直流電流，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)選其實(shí)際使用的平均電流值IC=(1/2~1/3)ICN。集電極脈沖峰值電流ICP：在一定脈沖寬度工作時(shí)，IGBT的集電極允許的最大脈沖峰值電流。4．IGBT的擎住效應(yīng)與安全工作區(qū)（1）擎住效應(yīng)IGBT為四層結(jié)構(gòu)，體內(nèi)存在一個(gè)寄生晶體管，在VT2的基極與發(fā)射極之間并有一個(gè)擴(kuò)展電阻Rbr，它是P型體區(qū)的橫向電阻。在此電阻上，P型體區(qū)的橫向空穴會(huì)產(chǎn)生一定壓降，對(duì)J3結(jié)來說，相當(dāng)于一個(gè)正偏置電壓。在規(guī)定的集電極電流范圍內(nèi)，這個(gè)正偏置電壓不大，VT2不