第7章 自关断器件

VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。
这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。
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7.3 电力场效应晶体管
电力MOSFET的工作原理
截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。
– P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流 流过。
导电：在栅源极间加正电压UGS
关断时间 toff—— 关断延迟 时间和下降时间之和
安 全 工 作 区 （ Safe Operating Area——SOA）
最高电压 UceM 、集电极最大 电流IcM、最大耗散功率PcM、 二次击穿临界线限定。
c
I cM
P SB
SOA
P cM
O
图7-5 GTR的安全工作区
10
U ceM
U ce
7.2 可关断晶闸管
1）GTO的结构和工作原理
结构：
2）电力MOSFET的基本特性
(1) 静态特性
ID/A 50 40 ID/A 30 20 10 50 非 饱 40 和 区 30 20 10 饱和区 UGS=8V UGS=7V UGS=6V UGS=5V UGS=4V
漏极电流ID和栅源间电压 的转移特性。
UGS的关系称为MOSFET
ID较大时，ID与UGS的关系
电力电子变流技术
第 二十七 讲
主讲教师：隋振
学时：32
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第 7章
7.1 电力晶体管 7.2 可关断晶闸管
自关断器件
7.3 电力场效应晶体管 7.4 绝缘栅双极晶体管 7.5 驱动电路
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7.1
术语用法：
电力晶体管
电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为巨 型晶体管） 。 耐 高 电 压 、 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管 （ Bipolar Junction Transistor——BJT），英文有时候也称为 Power BJT。 DATASHEET 1 2
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7.2 可关断晶闸管
工作原理：
与普通晶闸管一样，可以用图 7-7 所示的双晶体管模型来 A 分析。 A
P1 N1 G P2 N2 K a) b) N1 P2 IA V1 G IG S EG Ic1 NPN PNP Ic2 V2 IK K R EA
图7-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共
I cs
t0 t1
t2
t3
t4
t5
t
图7-4 GTR的开通和关断过程电流波形
7
7.1 电力晶体管
3）GTR的主要参数
前已述及：电流放大倍数 、直流电流增益 hFE、集射 极间漏电流 Iceo 、集射极间饱和压降 Uces 、开通时间 ton 和 关断时间toff (此外还有)：
1) 最高工作电压
基极电流增益1和2 。
1+2=1是器件临界导通的条件。
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7.2 可关断晶闸管
GTO 能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有 如下区别：
设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于GTO。
A IA V1 G IG S EG Ic1 NPN PNP Ic2 V2 IK K b) R EA
导通时1+2更接近1，导通 时接近临界饱和，有利门极 控制关断，但导通时管压降 增大。
应用
20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸 管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。
3
7.1
电力晶体管
1）GTR的结构和工作原理
图7-1 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动
a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动
与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。
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7.1 电力晶体管
2）GTR的基本特性
(1) 静态特性
共发射极接法时的典型输 出特性：截止区、放大区
Ic
放大区
ib3 ib2 ib1 ib1<ib2<ib3 Uce
和饱和区。
在电力电子电路中 GTR 工 作在开关状态。
在开关过程中，即在截止
区和饱和区之间过渡时， 要经过放大区。
截止区 O
图7-3 共发射极接法时GTR的输 出特性
0
2 UT 4 6 UGS/V
a)
8
0
近似线性，曲线的斜率定
义为跨导Gfs。
10 20 30 40 50 UGS=UT=3V 截止区 UDS/V b)
图7-11 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性
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7.3 电力场效应晶体管
MOSFET的漏极伏安特性：
截止区（ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ应于GTR的截止区） 50
off
I ATO I GM
off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。
1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。
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7.3 电力场效应晶体管
电力场效应晶体管
分为结型和绝缘栅型
通 常 主 要 指 绝 缘 栅 型 中 的 MOS 型 （ Metal Oxide Semiconductor FET）
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7.3 电力场效应晶体管
电力MOSFET的结构
S G N+ P N+ N+ P N+ NG S N沟道 G S P沟道 b) D D
沟道 N+ D a)
图7-9 电力MOSFET的结构和电气图形符号 图1-19
是单极型晶体管。 导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。 采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。
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7.1 电力晶体管
(2) 动态特性
开通过程 延迟时间 td 和上升时间 tr ， 二者之和为开通时间ton。
ib 90% I b1 10% I b1 0 I b2 ic 90% I cs 10% I cs 0 t on td tr t off ts tf I b1
t
加快开通过程的办法 。
关断过程 储存时间 ts 和下降时间 tf ， 二者之和为关断时间toff 。 加快关断速度的办法。 GTR 的开关时间在几微秒 以内，比晶闸管和 GTO 都 短很多 。
iA IA 90% IA 10% IA 0
td
tr
ts
tf
tt
t0
t1
t2
t3
t4
t5
t6
t
图7-8 GTO的开通和关断过程电流波形
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7.2 可关断晶闸管
3) GTO的主要参数
许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同， 以下只介绍意义不同的参数。 （1）开通时间ton
—— 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约 1~2s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。
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7.1
电力晶体管
ic=ib 空穴流 ib 电 子 流 ie=(1+ )ib Ec
1）GTR的结构和工作原理
在应用中，GTR一般采用共发射极接法。 集电极电流ic与基极电流ib之比为
Eb

控制能力 。
——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的
ic ib
（7-2）
c)
当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关 系为 ic= ib +Iceo （7-1） 单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多，通常为10 左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。
（2） 关断时间toff
—— 一般指储存时间和下降时间之和，不包括 尾部时间。下降时间一般小于2s。
不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承 受反压时，应和电力二极管串联 。
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7.2 可关断晶闸管
（3）最大可关断阳极电流IATO
——GTO额定电流。
（4） 电流关断增益off
——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最 大值IGM之比称为电流关断增益。
产品说明书中给 PcM时同时给出壳温 TC，间接表示了最高
工作温度 。
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7.1 电力晶体管
4) GTR的二次击穿现象与安全工作区
一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。
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突然急剧上升，电压陡然下降。
常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。 I
饱和区（对应于GTR的放大区） 40
ID/A ID/A 50 非 饱 40 和 区 30 20 10 饱和区 UGS=8V UGS=7V UGS=6V UGS=5V UGS=4V
非饱和区（对应GTR的饱和区） 30
工作在开关状态，即在截止区和 非饱和区之间来回转换。 10
漏源极之间有寄生二极管，漏源 极间加反向电压时器件导通。
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7.3 电力场效应晶体管
1）电力MOSFET的结构和工作原理
电力MOSFET的种类
按导电沟道可分为P沟道和N沟道。 耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导 电沟道。 增强型 —— 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。 电力MOSFET主要是N沟道增强型。 DATASHEET
GTR上电压超过规定值时会发生击穿。 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法 有关。 BUcbo> BUcex> BUces> BUcer> Buceo。 实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。