电力电子器件全控器.ppt

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1、1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件1.4.1 1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管1.4.2 1.4.2 电力晶体管电力晶体管1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.4.4 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件 2020世纪世纪世纪世纪8080年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合发展的基础上相结合发展的基础上相结合发展的基础上相结合高频化、全控型、采用集成电

2、路高频化、全控型、采用集成电路高频化、全控型、采用集成电路高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代；一个崭新时代；一个崭新时代；一个崭新时代；门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 在晶闸管问世后不久出现；在晶闸管问世后不久出现；在晶闸管问世后不久出现；在晶闸管问世后不久出现；典型器件：典型器件：典型器件：典型器件：门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关

3、断晶闸管电力晶体管电力晶体管电力晶体管电力晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1 1结构（和普通晶闸管相对比）结构（和普通晶闸管相对比）结构（和普通晶闸管相对比）结构（和普通晶闸管相对比）相同点：相同点：相同点：相同点：PNPNPNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极 不同点：不同点：不同点：不同点：GTOGTO是一种多元的功率集成器件，是一种多元的功率集成器件，是一种多

4、元的功率集成器件，是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极内部包含数十个甚至数百个共阳极内部包含数十个甚至数百个共阳极内部包含数十个甚至数百个共阳极的小的小的小的小GTOGTO元，这些元，这些元，这些元，这些GTOGTO元的阴极元的阴极元的阴极元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。和门极则在器件内部并联在一起。和门极则在器件内部并联在一起。和门极则在器件内部并联在一起。1.4.1 1.4.1 1.4.1 1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 GTOGTOGTOGTO一图形符号和工作原理一图形符号和工作原理一图形符号和工作原理一图形符号和工

5、作原理门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffGate-Turn-OffThyristorThyristor）是晶闸管的一种是晶闸管的一种是晶闸管的一种是晶闸管的一种派生器件派生器件派生器件派生器件，导通控制与普通晶闸管一样导通控制与普通晶闸管一样导通控制与普通晶闸管一样导通控制与普通晶闸管一样。并。并。并。并可通过在其门极施加可通过在其门极施加可通过在其门极施加可通过在其门极施加负的脉冲电流使其关断负的脉冲电流使其关断负的脉冲电流使其关断负的脉冲电流使其关断，GTOGTO的电压、电流容量与晶闸管接近的电压、电流容量与晶闸管接近的电压、电流容

6、量与晶闸管接近的电压、电流容量与晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。图图图图1-13 1-13 1-13 1-13 电气图形符号电气图形符号电气图形符号电气图形符号 A AKKGG1.4.1 1.4.1 1.4.1 1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 GTOGTOGTOGTO图形符号和工作原理图形符号和工作原理图形符号和工作原理图形符号和工作原理2 2 2 2工作原理：工作原理：工作原理：工作原理：可用下图所

7、示的双晶体管模型来分析可用下图所示的双晶体管模型来分析可用下图所示的双晶体管模型来分析可用下图所示的双晶体管模型来分析 GTO GTO GTO GTO 关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别 1 1+2 21 1器件临界导通的条件器件临界导通的条件器件临界导通的条件器件临界导通的条件 1 1+2211过饱和而使器件导通过饱和而使器件导通过饱和而使器件导通过饱和而使器件导通 1 1+2211不能维持饱和导通而关断不能维持饱和导通而关断不能维持饱和导通而关断不能维持饱和导通而关断图图图图1-7

8、 1-7 1-7 1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理1 1 1 1）设计设计设计设计 22较大，使晶体管较大，使晶体管较大，使晶体管较大，使晶体管 V V2 2 控制灵敏，易于控制灵敏，易于控制灵敏，易于控制灵敏，易于GTOGTO关断；关断；关断；关断；2 2 2 2）导通时导通时导通时导通时 1 1+2 2 更接近更接近更接近更接近 1 1 1.051.05，普通晶闸管，普通晶闸管，普通晶闸管，普通晶闸管 1 1+22 1.151.15，饱和不，饱和不，饱和不，饱和不深，接近临界饱和，有利门

9、极控制关断，但导通时管压降增大；深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大；深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大；深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大；3 3）多元集成结构使）多元集成结构使）多元集成结构使）多元集成结构使GTOGTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得使得使得使得 P P22基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。基区横向电阻很小，

10、能从门极抽出较大电流。1.4.1 1.4.1 1.4.1 1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 GTOGTOGTOGTO图形符号和工作原理图形符号和工作原理图形符号和工作原理图形符号和工作原理 导通过程：导通过程：导通过程：导通过程：与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅 关断过程：关断过程：关断过程：关断过程：门极加负脉冲即从门极抽出电流，门极加负脉冲即从门极抽出电流，门极加负脉冲即从门极抽出电流，门极加负脉冲即从门极抽出电流，I

11、Ib2b2减小，使减小，使减小，使减小，使 I IKK和和和和I Ic2c2减小，减小，减小，减小，I Ic2c2的减小又使的减小又使的减小又使的减小又使 I IAA和和和和 I Ic1c1减小，又进一步减小减小，又进一步减小减小，又进一步减小减小，又进一步减小 I Ib2b2电流，电流，电流，电流，进而形成强烈的正反馈；进而形成强烈的正反馈；进而形成强烈的正反馈；进而形成强烈的正反馈；当当当当 I IAA和和和和 I IKK的减小使的减小使的减小使的减小使 1 1+221t ts s门极负脉冲电流前沿越陡，幅值越大，抽取储存载流子的速度门极负脉冲电流前沿越陡，幅值越大，抽取储存载流子的速度门

12、极负脉冲电流前沿越陡，幅值越大，抽取储存载流子的速度门极负脉冲电流前沿越陡，幅值越大，抽取储存载流子的速度越快，越快，越快，越快，t ts s 越越越越短；短；短；短；门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在 t tt t 阶段保持适当负电压，则可阶段保持适当负电压，则可阶段保持适当负电压，则可阶段保持适当负电压，则可缩短尾部时间；缩短尾部时间；缩短尾部时间；缩短尾部时间；不少不少不少不少GTOGTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，都制造成逆导型，类似于逆导晶

13、闸管，需承受反压时，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应和电力二极管串联应和电力二极管串联应和电力二极管串联三三三三GTOGTOGTOGTO的主要参数的主要参数的主要参数的主要参数1.4.1 1.4.1 1.4.1 1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 GTOGTOGTOGTO三、三、三、三、GTOGTOGTOGTO的主要参数的主要参数的主要参数的主要参数（1 1 1 18 8 8 8）最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流 I IATOATO 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶

14、闸管门极可关断晶闸管GTOGTO的额定电流的额定电流的额定电流的额定电流电流关断增益电流关断增益电流关断增益电流关断增益 offoff 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值I IGMGM之比，即：之比，即：之比，即：之比，即：offoff一般很小，只有一般很小，只有一般很小，只有一般很小，只有 5 5左右，这是左右，这是左右，这是左右，这是GTOGTO的一个主要缺点；的一个主要缺点；的一个主要缺点；的一个主要缺点；10001000A A的的的的GTOGTO关断时门极负脉冲

15、电流峰值需要关断时门极负脉冲电流峰值需要关断时门极负脉冲电流峰值需要关断时门极负脉冲电流峰值需要200200A A1.41.41.41.4.2 2 2 2 电力晶体管电力晶体管电力晶体管电力晶体管 GTRGTRGTRGTR 半导体晶体管：分单极型和双极结型两种半导体晶体管：分单极型和双极结型两种半导体晶体管：分单极型和双极结型两种半导体晶体管：分单极型和双极结型两种 场效应管：参与导电的载流子只有一种，电子或空穴；场效应管：参与导电的载流子只有一种，电子或空穴；场效应管：参与导电的载流子只有一种，电子或空穴；场效应管：参与导电的载流子只有一种，电子或空穴；双极结型晶体管：两种双极结型晶体管：两

16、种双极结型晶体管：两种双极结型晶体管：两种载流子载流子载流子载流子电子和空穴都参与导电；电子和空穴都参与导电；电子和空穴都参与导电；电子和空穴都参与导电；电力晶体管（电力晶体管（电力晶体管（电力晶体管（GiantTransistorGTRGiantTransistorGTR）直译为巨型晶体管；直译为巨型晶体管；直译为巨型晶体管；直译为巨型晶体管；英文有时候也称为英文有时候也称为英文有时候也称为英文有时候也称为PowerBJTPowerBJT（BipolarJunctionTransistorBipolarJunctionTransistor）是耐高电压、大电流的双极结型晶体管；是耐高电压、大电

17、流的双极结型晶体管；是耐高电压、大电流的双极结型晶体管；是耐高电压、大电流的双极结型晶体管；在电力电子技术的范围内，在电力电子技术的范围内，在电力电子技术的范围内，在电力电子技术的范围内，GTRGTR与与与与 BJTBJT这两个名称等效应用这两个名称等效应用这两个名称等效应用这两个名称等效应用 从从从从2020世纪世纪世纪世纪8080年代以来，电力晶体管在中、小功率范围内取代年代以来，电力晶体管在中、小功率范围内取代年代以来，电力晶体管在中、小功率范围内取代年代以来，电力晶体管在中、小功率范围内取代 了了了了晶闸管，晶闸管，晶闸管，晶闸管，但目前又大多被但目前又大多被但目前又大多被但目前又大多

18、被 IGBTIGBT和电力和电力和电力和电力 MOSFETMOSFET取代取代取代取代1.41.41.41.4.2 2 2 2 电力晶体管电力晶体管电力晶体管电力晶体管 GTRGTRGTRGTR一一一一GTRGTRGTRGTR的结构和工作原理的结构和工作原理的结构和工作原理的结构和工作原理 原理同普通晶体管，主要特征：耐压高、电流大、开关特性好；原理同普通晶体管，主要特征：耐压高、电流大、开关特性好；原理同普通晶体管，主要特征：耐压高、电流大、开关特性好；原理同普通晶体管，主要特征：耐压高、电流大、开关特性好；结构采用至少由两个晶体管组成的达林顿接法单元结构（图结构采用至少由两个晶体管组成的达

19、林顿接法单元结构（图结构采用至少由两个晶体管组成的达林顿接法单元结构（图结构采用至少由两个晶体管组成的达林顿接法单元结构（图1 11313）后将许多这种单元采用集成电路工艺并联而成后将许多这种单元采用集成电路工艺并联而成后将许多这种单元采用集成电路工艺并联而成后将许多这种单元采用集成电路工艺并联而成；使用时常用共发射极接法，集电极电流使用时常用共发射极接法，集电极电流使用时常用共发射极接法，集电极电流使用时常用共发射极接法，集电极电流 i ic c 与基极电流与基极电流与基极电流与基极电流 i ib b 之比之比之比之比 反映了反映了反映了反映了基极电流对集电极电流的控制能力，称为：共发射极电

20、流放大系数；基极电流对集电极电流的控制能力，称为：共发射极电流放大系数；基极电流对集电极电流的控制能力，称为：共发射极电流放大系数；基极电流对集电极电流的控制能力，称为：共发射极电流放大系数；图图图图1-13 1-13 1-13 1-13 达林顿晶体管达林顿晶体管达林顿晶体管达林顿晶体管 电气图形符号电气图形符号电气图形符号电气图形符号bce1.41.41.41.4.2 2 2 2 电力晶体管电力晶体管电力晶体管电力晶体管 GTRGTRGTRGTR二二二二GTRGTRGTRGTR的静态特性的静态特性的静态特性的静态特性：分输入特性和输出特性两部分分输入特性和输出特性两部分分输入特性和输出特性两

21、部分分输入特性和输出特性两部分1 1输入特性输入特性输入特性输入特性：表示在：表示在：表示在：表示在 U Ucece 一定时，基极电流一定时，基极电流一定时，基极电流一定时，基极电流 I Ib b 与与与与 b b、e e 极之间电压极之间电压极之间电压极之间电压 U Ubebe 之间的函数关系，类似于二极管的正向伏安特性之间的函数关系，类似于二极管的正向伏安特性之间的函数关系，类似于二极管的正向伏安特性之间的函数关系，类似于二极管的正向伏安特性 U Ucece 大于大于大于大于 2 2VV以后，以后，以后，以后，U Ucece改变对输入特性曲线影响很小；改变对输入特性曲线影响很小；改变对输入

22、特性曲线影响很小；改变对输入特性曲线影响很小；实际工作时，实际工作时，实际工作时，实际工作时，GTRGTR的正偏压的正偏压的正偏压的正偏压 U Ubebe 约约约约 1 1VV左右；左右；左右；左右；图图图图1-16 1-16 1-16 1-16 共发射极接法时共发射极接法时共发射极接法时共发射极接法时GTRGTRGTRGTR的输入、输出特性的输入、输出特性的输入、输出特性的输入、输出特性截止区饱和区放大区OIcib3ib2ib1ib1ib2 b bb bb be ee ee ec cc cc c最高工作电压最高工作电压最高工作电压最高工作电压不同基极状态下击穿电压不同基极状态下击穿电压不同基

23、极状态下击穿电压不同基极状态下击穿电压，GTRGTR上电压超过其规定值时会发生击穿上电压超过其规定值时会发生击穿上电压超过其规定值时会发生击穿上电压超过其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BUBUcbocboBUBUcexcexBUBUcescesBUBUcercer BuBuceoceo 实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比实际使用时，为确保安全，最高工作电

24、压要比实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比 BUBUceoceo 低得多低得多低得多低得多1.41.41.41.4.2 2 2 2 电力晶体管电力晶体管电力晶体管电力晶体管 GTRGTRGTRGTR：主要参数主要参数主要参数主要参数4 4GTRGTR的二次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区 一次击穿一次击穿一次击穿一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，集电极电压升高至击穿电压时，集电极电压升高至击穿电压时，集电极电压升高至击穿电压时，I Ic c 迅速增大，出现雪崩击穿，迅速增大，出现雪崩击穿，迅速增大，出现雪崩击穿，迅速增大

25、，出现雪崩击穿，只要只要只要只要 IcIc 不超过限度，不超过限度，不超过限度，不超过限度，GTRGTR一般不会损坏，工作特性也不变；一般不会损坏，工作特性也不变；一般不会损坏，工作特性也不变；一般不会损坏，工作特性也不变；二次击穿二次击穿二次击穿二次击穿：一次击穿发生时一次击穿发生时一次击穿发生时一次击穿发生时 IcIc 增大到某个临界点时会突然急剧上升并伴增大到某个临界点时会突然急剧上升并伴增大到某个临界点时会突然急剧上升并伴增大到某个临界点时会突然急剧上升并伴随电压的陡然下降，常导致器件的永久损坏或者工作特性明显衰变；随电压的陡然下降，常导致器件的永久损坏或者工作特性明显衰变；随电压的陡

26、然下降，常导致器件的永久损坏或者工作特性明显衰变；随电压的陡然下降，常导致器件的永久损坏或者工作特性明显衰变；安全工作区安全工作区安全工作区安全工作区SOASOA（SafeOperatingAreaSafeOperatingArea）：）：）：）：由最高电压由最高电压由最高电压由最高电压 UceMUceM、集电极集电极集电极集电极最大电流最大电流最大电流最大电流 IcMIcM、最大耗散功率最大耗散功率最大耗散功率最大耗散功率 PcMPcM、二次击穿临界线限定；二次击穿临界线限定；二次击穿临界线限定；二次击穿临界线限定；图图图图1-18 1-18 1-18 1-18 GTRGTRGTRGTR的安

27、全工作区的安全工作区的安全工作区的安全工作区二次击穿功率二次击穿功率二次击穿功率二次击穿功率最大耗散功率最大耗散功率最大耗散功率最大耗散功率 PcMPcM集电极最大电流集电极最大电流集电极最大电流集电极最大电流 IcMIcM最高电压最高电压最高电压最高电压 UceMUceM1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 分为分为分为分为结型结型结型结型和和和和绝缘栅型绝缘栅型绝缘栅型绝缘栅型两种类型两种类型两种类型两种类型类似小功率类似小功率类似小功率类似小功率 FieldEffectTransistorFETFieldEffectTransistorFET 主要为：绝缘栅型中的主要

28、为：绝缘栅型中的主要为：绝缘栅型中的主要为：绝缘栅型中的MOSMOS型型型型（MetalOxideSemiconductorFETMetalOxideSemiconductorFET）简称：简称：简称：简称：电力电力电力电力MOSFETMOSFET（PowerMOSFETPowerMOSFET）结型电力场效应晶体管一般称为：结型电力场效应晶体管一般称为：结型电力场效应晶体管一般称为：结型电力场效应晶体管一般称为：静电感应晶体管静电感应晶体管静电感应晶体管静电感应晶体管（StaticInductionTransistorSITStaticInductionTransistorSIT）特点：特点：

29、特点：特点：用栅极电压来控制漏极电流用栅极电压来控制漏极电流用栅极电压来控制漏极电流用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小；驱动电路简单，需要的驱动功率小；驱动电路简单，需要的驱动功率小；驱动电路简单，需要的驱动功率小；开关速度快，工作频率高；开关速度快，工作频率高；开关速度快，工作频率高；开关速度快，工作频率高；热稳定性优于热稳定性优于热稳定性优于热稳定性优于GTRGTR；电流容量小，耐压低；电流容量小，耐压低；电流容量小，耐压低；电流容量小，耐压低；一般只适用于功率不超过一般只适用于功率不超过一般只适用于功率不超过一般只适用于功率不超过1010kWkW的电力电子装置的电力

30、电子装置的电力电子装置的电力电子装置。1.4.3 1.4.3 1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管一电力一电力一电力一电力MOSFETMOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理的结构和工作原理的结构和工作原理 电力电力电力电力MOSFETMOSFET按导电沟道可分为：按导电沟道可分为：按导电沟道可分为：按导电沟道可分为：PP沟道沟道沟道沟道 和和和和 NN沟道沟道沟道沟道 两种种类；两种种类；两种种类；两种种类；根据栅极电压的状态又可分为：根据栅极电压的状态又可分为：根据栅极电压的状态又可分为：根据栅极电压的状态又可分为：耗尽型耗尽型耗尽型

31、耗尽型 和和和和 增强型增强型增强型增强型 两种种类两种种类两种种类两种种类耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型：当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道：当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道：当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道：当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道 增强型增强型增强型增强型：对于：对于：对于：对于 N N/P P 沟道器件，栅极电压沟道器件，栅极电压沟道器件，栅极电压沟道器件，栅极电压大于大于大于大于/小于小于小于小于零时存在导电沟道零时存在导电沟道零时存在导电沟道零时存在导电沟道 电力电力电力电力MOSFETMOSFET主要是：主要是：主要是：主要是：NN沟道沟道沟道沟道

32、 增强型；增强型；增强型；增强型；1 1电力电力电力电力MOSFETMOSFET的结构的结构的结构的结构（显示图显示图显示图显示图）导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管 导电机理与小功率导电机理与小功率导电机理与小功率导电机理与小功率 MOSMOS管相同，但结构上有较大区别：管相同，但结构上有较大区别：管相同，但结构上有较大区别：管相同，但结构上有较大区别：小功率小功率小功率小功率 MOSMOS管管管

33、管 是横向导电器件；是横向导电器件；是横向导电器件；是横向导电器件；电力电力电力电力MOSFETMOSFET大都采用垂直导电结构，又称为大都采用垂直导电结构，又称为大都采用垂直导电结构，又称为大都采用垂直导电结构，又称为 VMOSFETVMOSFET，极大的极大的极大的极大的提高了提高了提高了提高了 MOSFETMOSFET器件的耐压和耐电流能力；器件的耐压和耐电流能力；器件的耐压和耐电流能力；器件的耐压和耐电流能力；电力电力电力电力MOSFETMOSFET为多元集成结构；为多元集成结构；为多元集成结构；为多元集成结构；这里主要以这里主要以这里主要以这里主要以VDMOSVDMOS器件器件器件器

34、件为例进行讨论；为例进行讨论；为例进行讨论；为例进行讨论；2 2 2 2电力电力电力电力MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET的工作原理的工作原理的工作原理的工作原理 截止：截止：截止：截止：栅源电压为零，漏源加正电压栅源电压为零，漏源加正电压栅源电压为零，漏源加正电压栅源电压为零，漏源加正电压P P 基区与基区与基区与基区与 N N 漂移区之间形成的漂移区之间形成的漂移区之间形成的漂移区之间形成的 PNPN结结结结 J J1 1 反偏，漏源间无电流流过；反偏，漏源间无电流流过；反偏，漏源间无电流流过；反偏，漏源间无电流流过；导电：导电：导电：导电：栅源电压栅源电压栅源电压栅源电压U

35、 UGSGS0 0 时，栅极绝缘无栅极电流流过。时，栅极绝缘无栅极电流流过。时，栅极绝缘无栅极电流流过。时，栅极绝缘无栅极电流流过。U UGSGS会将栅极下面会将栅极下面会将栅极下面会将栅极下面PP区中的空穴推开，并将区中的空穴推开，并将区中的空穴推开，并将区中的空穴推开，并将 P P区区区区中电子（少子）吸引到栅极下面的中电子（少子）吸引到栅极下面的中电子（少子）吸引到栅极下面的中电子（少子）吸引到栅极下面的 PP区区区区表面表面表面表面 当当当当 U UGSGS U UT T（开启电压）时开启电压）时开启电压）时开启电压）时，栅极下，栅极下，栅极下，栅极下 P P区区区区 的表面电子浓度将

36、超过空穴浓的表面电子浓度将超过空穴浓的表面电子浓度将超过空穴浓的表面电子浓度将超过空穴浓度，使度，使度，使度，使 P P型型型型 半导体反型成半导体反型成半导体反型成半导体反型成 N N型型型型 而成为反型层，形成而成为反型层，形成而成为反型层，形成而成为反型层，形成 N N沟道沟道沟道沟道 而使而使而使而使 PNPN结结结结 J J1 1消消消消失，漏极和源极导电。失，漏极和源极导电。失，漏极和源极导电。失，漏极和源极导电。图图1-19 1-19 MOSFETMOSFET的结构和的结构和电气图形符号电气图形符号N+GSDP沟道沟道b)b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道沟道a)a)GSDN

37、沟道沟道漏极漏极源极源极栅极栅极J J1 1 结结1.4.3 1.4.3 1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管二电力二电力二电力二电力MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性的基本特性的基本特性a)a)a)a)转移特性转移特性转移特性转移特性 b)b)b)b)输出特性输出特性输出特性输出特性图图图图1-20 1-20 1-20 1-20 电力电力电力电力MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性1 1 1 1 静态特性静态特性静态特性静态特性 漏极电流漏

38、极电流漏极电流漏极电流 I Id d 和栅源间电压和栅源间电压和栅源间电压和栅源间电压 U UGSGS的关系称为的关系称为的关系称为的关系称为 转移特性转移特性转移特性转移特性 I Id d较大时，较大时，较大时，较大时，I Id d 与与与与U UGSGS 的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导 G Gfs fs1.4.3 1.4.3 1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管二电力二电力二电力二电力MOSFETMOSFET的基本特性的基本特

39、性的基本特性的基本特性2 2 2 2漏极伏安特性（漏极伏安特性（漏极伏安特性（漏极伏安特性（输出特性输出特性输出特性输出特性）分三个区：截止、饱和、非饱和区（对应分三个区：截止、饱和、非饱和区（对应分三个区：截止、饱和、非饱和区（对应分三个区：截止、饱和、非饱和区（对应GTRGTR的截止、放大、饱和区）的截止、放大、饱和区）的截止、放大、饱和区）的截止、放大、饱和区）MOSFETMOSFET 工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换；工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换；工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换；工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换；MO

40、SFETMOSFET 漏源极之间有寄生二极管，漏源间加反向电压时器件导通；漏源极之间有寄生二极管，漏源间加反向电压时器件导通；漏源极之间有寄生二极管，漏源间加反向电压时器件导通；漏源极之间有寄生二极管，漏源间加反向电压时器件导通；MOSFETMOSFET的通态电阻具有正温度系数，器件并联时有利于均流；的通态电阻具有正温度系数，器件并联时有利于均流；的通态电阻具有正温度系数，器件并联时有利于均流；的通态电阻具有正温度系数，器件并联时有利于均流；a)a)a)a)转移特性转移特性转移特性转移特性 b)b)b)b)输出特性输出特性输出特性输出特性图图图图1-20 1-20 1-20 1-20 电力电力

41、电力电力MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性1.4.3 1.4.3 1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管：基本特性基本特性基本特性基本特性3 3 3 3动态特性动态特性动态特性动态特性 开通过程：开通过程：开通过程：开通过程：开通时间开通时间开通时间开通时间 t tonon开通延迟时间开通延迟时间开通延迟时间开通延迟时间t td(on)d(on)上升时间上升时间上升时间上升时间 t tr r 关断过程：关断时间关断过程：关断时间关断过程：关断时间关断过

42、程：关断时间 t toffoff关断延迟时间关断延迟时间关断延迟时间关断延迟时间t td(off)d(off)下降时间下降时间下降时间下降时间 t tf f 形成原因：形成原因：形成原因：形成原因：MOSFETMOSFET存在输入电容存在输入电容存在输入电容存在输入电容 C Cinin图图图图1-21 1-21 1-21 1-21 电力电力电力电力MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET的开关过程的开关过程的开关过程的开关过程 U UP P：脉冲信号源脉冲信号源脉冲信号源脉冲信号源R RS S：信号源内阻信号源内阻信号源内阻信号源内阻R RGG：栅极电阻栅极电阻栅极电阻栅极电阻R RL

43、 L：负载电阻负载电阻负载电阻负载电阻R RF F：检测漏极电流检测漏极电流检测漏极电流检测漏极电流进入非饱和区的栅压进入非饱和区的栅压UGSPa)a)a)a)测试电路测试电路测试电路测试电路 b)b)b)b)开关过程波形开关过程波形开关过程波形开关过程波形1.4.3 1.4.3 1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管：基本特性基本特性基本特性基本特性3 3 3 3动态特性动态特性动态特性动态特性MOSFETMOSFET的开关速度的开关速度的开关速度的开关速度 MOSFETMOSFET的开关速度和的开关速度和的开关速度和的开关速度和 C Cin

44、in 充放电有很大关系；充放电有很大关系；充放电有很大关系；充放电有很大关系；使用者无法降低使用者无法降低使用者无法降低使用者无法降低 C Cinin，但可降低驱动电路内阻但可降低驱动电路内阻但可降低驱动电路内阻但可降低驱动电路内阻 R RSS，以减小时间常数，以减小时间常数，以减小时间常数，以减小时间常数，加快开关速度；加快开关速度；加快开关速度；加快开关速度；MOSFETMOSFET靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断速度非常快；靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断速度非常快；靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断速度非常快；靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断速度非常快；开

45、关时间在开关时间在开关时间在开关时间在 1010 100100nsns 之间，工作频率可达之间，工作频率可达之间，工作频率可达之间，工作频率可达 100100kHzkHz 以上，工作频率以上，工作频率以上，工作频率以上，工作频率在主要电力电子器件中最高；在主要电力电子器件中最高；在主要电力电子器件中最高；在主要电力电子器件中最高；MOSFETMOSFET为场控（电压控制）器件，静态时几乎不需输入电流；为场控（电压控制）器件，静态时几乎不需输入电流；为场控（电压控制）器件，静态时几乎不需输入电流；为场控（电压控制）器件，静态时几乎不需输入电流；但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率

46、；但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率；但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率；但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率；开关频率越高，所需要的驱动功率越大。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。1.4.3 1.4.3 1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管：主要参数主要参数主要参数主要参数三电力三电力三电力三电力MOSFETMOSFET的主要参数的主要参数的主要参数的主要参数除除除除 跨导跨导跨导跨导G Gfs fs、t td(on

47、)d(on)、t tr r、t td(off)d(off)、t tf f 外，还有外，还有外，还有外，还有 1 1 1 1电压定额电压定额电压定额电压定额U UDSDS漏极和源极之间的电压漏极和源极之间的电压漏极和源极之间的电压漏极和源极之间的电压 U UDSDS 2 2 2 2电流定额电流定额电流定额电流定额 漏极直流电流漏极直流电流漏极直流电流漏极直流电流 I ID D 和和和和 漏极脉冲电流幅值漏极脉冲电流幅值漏极脉冲电流幅值漏极脉冲电流幅值 I IDMDM 3 3 3 3栅源电压栅源电压栅源电压栅源电压U UGSGS栅极和源极之间的绝缘层很薄，栅极和源极之间的绝缘层很薄，栅极和源极之间

48、的绝缘层很薄，栅极和源极之间的绝缘层很薄，U UGSGS 20V20V将导致绝缘层击穿；将导致绝缘层击穿；将导致绝缘层击穿；将导致绝缘层击穿；4 4 4 4开启电压开启电压开启电压开启电压 U UT T当当当当 U UGSGS大于开启电压大于开启电压大于开启电压大于开启电压 U UT T 时时时时，形成导电沟道；，形成导电沟道；，形成导电沟道；，形成导电沟道；5 5 5 5极间电容：极间电容：极间电容：极间电容：栅源极间电容栅源极间电容栅源极间电容栅源极间电容 CGS、栅漏极间电容栅漏极间电容栅漏极间电容栅漏极间电容 CGD、漏源极间电容漏源极间电容漏源极间电容漏源极间电容 CDS；1.4.3

49、 1.4.3 1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管：主要参数主要参数主要参数主要参数4 4 4 4极间电容：极间电容：极间电容：极间电容：CGS、CGD和和CDS 一般厂家仅提供：漏源极短路时的输入电容一般厂家仅提供：漏源极短路时的输入电容一般厂家仅提供：漏源极短路时的输入电容一般厂家仅提供：漏源极短路时的输入电容 C Cississ、共源极输出电容共源极输出电容共源极输出电容共源极输出电容C Cossoss和反向转移电容和反向转移电容和反向转移电容和反向转移电容 C Crssrss，他们之间的关系为：他们之间的关系为：他们之间的关系为：他们

50、之间的关系为：C Cississ C CGSGS C CGDGD（1 1 1 114141414）C Crssrss C CGDGD（1 1 1 115151515）C Cossoss C CDSDS C CGDGD（1 1 1 116161616）输入电容可近似用输入电容可近似用输入电容可近似用输入电容可近似用 C Cississ代替；代替；代替；代替；这些电容都是非线性的；这些电容都是非线性的；这些电容都是非线性的；这些电容都是非线性的；漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决