电力电子课程-功率晶体管与二极管2(陈新)
电力电子课程-功率晶体管与二极管2(陈新)
达顿连接
大电流GTR的β小，Ibs过大
为获得较大β，可将两晶体管组成复合管，即 进行达林顿连接
β为两级之乘积，起到放大作用
但Uces增加，关断速度减慢
C
B T1 T2
复习
功率晶体管的稳态特性 功率晶体管的开关特性 功率晶体管的参数 注意几个电压定额定义和相互大小比较 正偏二次击穿问题 反偏二次击穿问题 功率晶体管的安全工作区定义 达林顿连接
双极型功率晶体管结构截面图
VVMOSFET单胞结构截面图
VVMOSFET的极间电容和等效电路
7
驱动特性
MOSFET栅极电压与电流关系 密勒效应
IRFZ40栅极电荷与漏－源电压的关系
功率MOSFET的基本特性
转移特性:漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系
ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜 率定义为跨导Gfs
作业
1. 大功率三极管的 "SOA" 区由哪些曲线组成?
南航 电力电子 课程组
功率晶体管和二极管（3）
课程组网站：
/dldz
场控半导体
5
功率场效应晶体管(MOSFET) 绝缘栅晶体管（IGBT）
38
场效应晶体管
特点: 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 开关速度快，工作频率高 热稳定性优于GTR 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不
功率晶体管分类
双极性功率晶体管: BJT: bipolar junction transistor GTR: Giant Transistor 电流控制型器件
1.1 绪论(陈新)
电路、器件
电子学
电力学
电力 电子学
连续、离散
控制 理论
静止器、旋转电机
图1 描述电力电子学的倒三角形
2
电力电子学的本质
根本目的：为了更好地使用电能（节能） 根本手段：电力电子技术是使用功率半导体器
性能测定并调整
6
电源设计&完成所用工具
课程内容简介
功率电路 工作原理
根据要求 选择拓扑
电路仿真
设计电路 原理图
平日技术积累 查阅技术资料 SABER/MATLAB/PSPICE PROTEL/CADENCE/ORCAD PROTEL/CADENCE
绪论 (1h) 直直变换电路与其应用(15h) 逆变器电路与应用（13h) DSP数字电源控制技术(10h)
研究生学习应如何提高和发展？
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考核方式
闭卷测试 平时成绩30%+考试成绩70%
网上课程教案下载
南航电力电子网站提供的网上课堂 网址：/dldz/pages/ja.asp
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16
网上学习资源
网博电源论坛 网址：
/bbs/main/
科的新成果、新进展
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12
研究生的学习
学习过程是以后工作的基础与积累 电力电子技术专业是日渐积累的过程 所以在日常的学习中，尽可能真正做到主动、钻研 注重平日的技术积累，包括原理部分和实验部分 课题动手过程中，尽可能做到踏实、深入 注重团队协作精神的培养 良好的学习过程就是迈向良好工作的第一步！
国内电源设计者的技术论坛 提供设计经验交互平台、提供大量电子资源
电力晶体管和晶闸管PPT课件
A
G KK
A A G
GG
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K
A
a)
Bb)
图1-2 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 A) 外形 B) 结构 C) 电气图形符号
K G
A
Cc)
14
晶闸管的管耗和散热：
管耗＝流过器件的电流×器件两端的电压
管耗将产生热量，使管芯温度升高。如果超 过允许值，将损坏器件，所以必须进行散热 和冷却。
雪崩
➢ 随着门极电流幅值的增
击穿
大，正向转折电压降低。
IA 正向 导通
IH
IG2
IG1 IG=0
O
UDRM Ubo +UA
UDSM
-IA
图1-5 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG
31
四、晶闸管的阳极伏安特性
1) 正向特性
➢ 导通后的晶闸管特性和二极 管的正向特性相仿。
➢ 导通期间，如果门极电流为 零，将阳极电流降至接近于
IT ( AV )
(1.5~2) IT 1.57
式中IT是流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值
39
举例：
➢
有一晶闸管的电流额定值IT（AV）=100A，用于电路中流过的电流波形如图所
示，允许流过的电流峰值IM=？
➢ 分析： I（TAV）=100A的晶闸管
➢ 对应的电流有效值为： IT=1.57× I（TAV） ＝157A ；
管的阳极紧栓在散热器上，平板式二极管 分为风冷和水冷，它的阳极和阴极分别由 两个彼此绝缘的散热器紧紧夹住。
3
电力二极管外形图
PN结与符号 4
螺栓型
实物图 5
2.1 BUCK电路分析(陈新)
9
10
稳态分析假设条件 此种假设对于将来利用状态空间平均
法分析直流变换器在低频、小信号之 线性模式亦为一关键因素。 降压型变换器其工作分析主要取决于 电感L上所磁通的变化关系，也即取决 于电感上之电流的导通模式 ：连续、 临界、断续
11
工作模式概述
连续导通模式（Continuous-Conduction mode； CCM)： 在此模式下电感器上之电流为连续导通之情 况，也就是说电感电流的最小值不为零而保持连续， 所以有时此种工作状态也称之为重负载模式（heavy load mode）。
6
输出滤波器作用
由于变换器功率开关的交换动作，使得 直流输出电压上面会叠加有我们不希望 的交流纹波(ripple)电压
在变换器中的LC部份就是构成一低通滤 波器
经由此低通滤波器即可减小纹波电压至 我们可接受之程度。
7
输出滤波器作用 理论上电感器L与负载电阻R就是形成
一低通滤波器，电容器C似乎就不是那 么重要了! 但是，若要达到输出端较小之纹波电 压，电感之L值就必须足够大，这将增 加电路成本和体积不符合实际。
19
BUCK电路模态分析（电流变化量）
当Q导通时：
当Q截止时：
因为： 所以：
20
BUCK电路模态分析（伏秒面积）
当Q导通时：
∫ Ton 0
uLdt
=
(U i
−Uo )������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
课程名称功率电子电路
课程名称：功率电子电路课程编码：7035301课程学分：3学分课程学时：48学时适用专业：电子信息工程《功率电子电路》Power Electronic Circuits教学大纲一、课程性质与目的该课程是电子信息工程专业重要的专业基础必修课程。
通过本课程的学习，使学生初步掌握电力电子技术的基础知识和了解电力电子技术的主要应用领域，培养学生的分析问题和解决问题的能力。
二、教学基本要求及基本内容第一章电力电子变换和控制导论（一）教学基本要求了解：电力电子学科所研究的基本问题。
理解：电力电子技术的主要内容。
掌握：电力电子学的定义。
（二）教学基本内容1-1 电力电子学科的形成1-2 开关型电力电子变换的基本原理及控制方法1-3 开关型电力电子变换器基本特性1-4 开关型电力电子变换器第二章常用电力电子半导体器件（一）教学基本要求了解：SCR、GTR、V-MOSFET、IGBT等功率器件的内部结构。
理解：SCR、GTR、V-MOSFET、IGBT等功率器件的工作原理与主要参数。
掌握：主要功率器件的特性曲线和使用方法。
（二）教学基本内容2-1 功率二极管根据器件的基本结构分类PN结功率二极管肖特基功率二极管2-2 晶闸管双晶体管理论静态伏安特性开关特性2-3 双极型功率晶体管GTR静态特性动态特性及波形2-4 功率场效应晶体管（功率MOSFET）结构工作原理静态特性2-5 绝缘门极双极型晶体管（IGBT）结构静态特性第三章直流/直流变换电路（一）教学基本要求了解：DC/DC变换器的主要应用场合。
理解：带有变压器隔离DC/DC变换器的工作原理。
掌握：典型拓扑的工作原理和分析方法。
（二）教学基本内容3-1 概述直流变换电路的分类理想直流变换应具备的性能应用典型拓扑结构：Buck,Boost,Buck-Boost, Cuk3-2 降压型电路电路工作原理假设及参数计算电路各点的波形电流断续时的状况典型应用3-3 升压式变换电路电路工作原理主要波形参数计算典型应用3-4 单象限升/降压直流变换电路(Buck-Boost)电路工作原理主要波形参数计算3-5 单象限的CUK电路CUK电路的特点CUK电路工作原理电路分析(连续模型) 3-6 基础知识---变压器隔离正激DC/DC变换电路正激变换器电路工作波形3-7 反激DC/DC变换器拓扑推演---从BUCK-BOOST到Flyback变换器3-8 各种DC/DC变换器的比较第四章直流/交流变换电路—逆变器（一）教学基本要求了解：逆变电路的谐波抑制技术。
浅析_电力电子技术_专业课程教学_陈新
浅析“电力电子技术”专业课程教学陈 新,王慧贞,龚春英,肖 岚(南京航空航天大学自动化学院,江苏南京210016)基金项目:南京航空航天大学“十一五”研究生人才培养规划项目(KCJS 0810)的资助第一作者:陈 新(1973-),男,博士,副教授,南航电气系副主任,主要从事电力电子技术的教学和科研工作,Email :ch en .xin @nuaa .edu .cn摘 要:电力电子技术是电气工程及其自动化专业重要的专业核心课程,其专业课程教学和专业人才培养受到广泛关注,本文根据该专业发展和学生学习特点,从教学内容、教学方法和手段、实践环节、教学研究等方面对该专业课程的教学改革进行了实践和探讨,包括不断完善专业课程教学内容和教学手段,努力发挥课程组群体优势,在课程教学中充分考虑学生的学习主动性和教学的互动性,同时在教学中注重实验教学,突出学生的实践能力和创新能力的综合培养。
关键词:电力电子;教学实践;互动教学 目前我国正处于经济高速发展期,对能源的需求非常迫切,同时能源的严重不足与利用率明显偏低这一矛盾十分突出。
而电力电子技术就是以实现“高效率用电和高品质用电”为目标,可以说电力电子技术的发展,正是解决这一矛盾的有力措施,所以电力电子技术已逐渐成为一门至关重要的专业,其专业课程教学也同样受到广泛关注。
《电力电子技术》是电气信息类、自动化、机电一体化等学科的重要基础,该课程的教学水平的不断提高对提高学生的实践能力和奠定学生扎实的电气信息类基础具有十分重要意义。
1 完善专业课程教学内容 每个时代都对教师提出了不同要求,并且伴随着社会的不断进步,教师角色的内涵也日益丰富。
在新时代发展下,高校一方面要求教师具备较强的专业知识能力和科学文化素养,另一方面要求教师为人师表,以身立教。
高校教师首先要正确处理好教学和科研的两者关系,教学和科研是专业课程教师的两项基本任务,两者是相辅相成的。
教学是教师向学生传授知识的过程,科研是教师将理论应用到实践以及自身增长知识的过程,也是教师培养开拓精神和提高创新能力的一个重要途经。
电力电子技术——电力二极管和晶闸管
比 如 ， 峰 值 为 IM 的 正 弦 半 波 电 流 对 应 的 平 均 值 IF(AV)=IM/（平均面积），其对应的有效值I= IM/ 2， 故得I = ( /2) IF(AV) =1.57 IF(AV) 。 2. 正向压降UF 1V左右。 3. 反向重复峰值电压URRM 指所能重复施加的反向 最高峰值电压。通常是其雪崩击穿电压UB的2/3。 4. 最高工作结温TJM 指在PN结不致损坏的前提下 所能承受的最高平均温度。TJM通常在125~175C 范围之内。
1. 正向平均电流IF(AV)（额定电流）
所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均 值。决定发热的因素本来是电流的有效值，但由 于传统上二极管多用于整流，其输出负载通常需 要平均电流来衡量其性能。然而实际选管时，还 是需要考虑工作电流有效值（发热损耗）是否会 超过允许的定额。应按照实际电流波形所造成的 发热效应与工频正弦半波时的有效值相等的原则 来选取电力二极管的电流定额，并应留有一定的 裕量。
• 电流驱动型和电压驱动型：按驱动信号的 性质，又可分为电流驱动型（如GTR）和 电压驱动型（如MOSFET、IGBT）两类。 由于电压驱动型器件是通过加在控制极与 公共端之间的电压产生可控的电场来改变 流过器件的电流大小和通断状态的，故亦 称作压控器件或场控器件。
• 双极型、单极型和复合型器件：可以按照 器件内部电子和空穴两种载流子参与导电 的 情 况 分 为 双 极 型 器 件 （ GTR 、 SCR 、 GTO、二极管）、单极型器件（MOSFET） 和 复 合 型 器 件 （ IGBT ） 三 类 。 由 一 种 载 流子参与导电的器件称为单极型器件；由 电子和空穴两种载流子参与导电的器件称 为双极型器件；由单极型器件和双极型器 件集成混合而成的器件则被称为复合型器 件，也称混合型器件。
电力二极管和晶闸管讲义课件
电力二极管和晶闸管讲义课件一、引言本讲义课件旨在介绍电力二极管和晶闸管的根本概念、工作原理以及应用领域。
电力二极管和晶闸管是电子器件中非常重要的组成局部，对于电力系统的平安运行和电能的调控起着至关重要的作用。
通过学习本讲义，您将能够了解到电力二极管和晶闸管的特性以及在实际应用中的具体用途。
二、电力二极管2.1 根本概念电力二极管，也称为肖特基二极管，是一种具有单向导电特性的半导体器件。
它由P型半导体和N型半导体组成，其中P型半导体为阳极〔A〕端，N型半导体为阴极〔K〕端。
当正向电压作用于二极管时，电流能够从阳极端流向阴极端；而当反向电压作用于二极管时，电流几乎不会通过二极管。
2.2 工作原理电力二极管的导电特性是由肖特基效应产生的。
肖特基效应是指当P型半导体和N型半导体相接触时，由于能带结构的不连续性，形成一个肖特势垒。
在正向电压作用下，势垒降低，电子能够克服势垒，从P型半导体向N型半导体注入，形成电流；而在反向电压作用下，势垒增加，阻碍电流的流动。
2.3 应用领域电力二极管在电力系统中有着广泛的应用。
其主要作用是实现电能的整流，即将交流电转换成直流电。
电力二极管可以作为整流器使用，将交流电源转换为电流仅在一个方向上流动的直流电源。
此外，电力二极管还可以用于电压倍增电路、脉冲调制电路等方面。
三、晶闸管3.1 根本概念晶闸管是一种具有控制特性的高功率半导体器件。
它由四层半导体构成，包括三个PN结。
晶闸管有三个主要引脚，包括阳极〔A〕、阴极〔K〕和控制极〔G〕。
晶闸管的主要特点是具有单向导通性和双向控制性，其导通与截止状态可通过控制极上的信号进行控制。
3.2 工作原理晶闸管的导通与截止是由PN结的正向偏置与反向偏置来控制的。
当控制极施加正向脉冲信号时，PN结之间的势垒会降低，使得晶闸管导通；而当控制极施加反向脉冲信号或不施加信号时，PN结之间的势垒会增加，使得晶闸管截止。
3.3 应用领域晶闸管在电力系统中有着广泛的应用。
《电工电子技术》课件——功率二极管
功率二极管的类型
快恢复二极管是指反向恢复时间小于 5μs 的二极管，用于高频整流、 直流变换和逆变。
功率二极管的类型
肖特基二极管是将金属沉积在 N 型半导体的薄外延层上，利用金属 和半导体之间的接触势垒获得单向导电作用。
总结
功率二极管的工作原理 功率二极管的特性 功率二极管的参数 功率二极管的分类
i iF
UB
u
0
Is
Uth
iR
图2 功率二极管伏安特性曲线
功率二极管的伏安特性 i iF
伏安特性
UB
u
0
Is
Uth
iR
门坎电压 Uth ：
当外加电压大于 Uth 时，二极管导通，此后电 流迅速上升。
反向饱和电流 IR
当外加反向电压时，二极管反向截止，只有微 小而恒定的反向漏电流 IR 。
击穿电压 UB
不可控器件 半控型器件 全控型器件
功率半导体器件的分类
不可控器件是指无法用控制信号来控制其导通或关断的功率半导体 器件。这类器件只有一种，就是功率二极管，其导通和关断由所承受的电 压和流过的电流决定。
功率半导体器件的分类
半控型器件是指通过控制信号可以控制其导通但不能控制其关断的 功率半导体器件。这类器件主要是指晶闸管及其大部分派生器件。
电压控制型 电流控制型 单极型器件 双极型器件
功率半导体器件的分类
单极型器件是指只有一种载流子参与导电的功率半 导体器件。常用的单极型器件主要是 MOSFET 。
பைடு நூலகம்
功率半导体器件的分类
双极型器件是指电子和空穴两种载流子均参与导电 的功率半导体器件。常用的双极型器件包括晶闸管、BJT 和IGBT 等。
14章二极管和晶体管
河南科技大学教案首页第十四章二极管和晶体管二极管和晶体管是最重要的半导体器件，它们的基本结构、工作原理、特性和参数是学习电子技术和分析电子电路的基础，而PN结又是构成各种半导体器件的基础。
§14.1半导体的导电特性1、什么是半导体？导电特性介于导体和绝缘体之间的物质称半导体。
如硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物，瓷器、木材等也是。
2、半导体的导电特性：半导体的导电能力在不同条件下有很大差别。
热敏性：当环境温度升高时，导电能力会显著增强(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。
光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。
掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等)。
一、本征半导体1、完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。
晶体中原子的排列方式如图所示：硅单晶中的硅原子通过共价健结构与周围的四个硅原子结合在一起，共价键中的两个电子，称为价电子。
2、本征半导体的导电机理:价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。
这一现象称为本征激发。
温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。
在晶体内部，空穴会吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。
当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流：(1)自由电子作定向运动——电子电流；(2)价电子递补空穴——空穴电流。
自由电子和空穴都称为载流子。
自由电子填充空穴，成对消失，称为复合。
自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。
在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。
注意：(1) 本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；(2) 温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。
电力电子技术第一章 功率二极管和晶闸管
第二节 晶 闸 管
1)当双刀开关Ｑ１向右反向闭合，晶闸管承受反向阳极电压，不论门 极承受何种电压，灯泡都不亮，说明晶闸管处于关断状态。 2)当双刀开关Ｑ１向左正向闭合，晶闸管承受正向阳极电压，仅当双 刀开关Ｑ２正向闭合，即门极也承受正向电压时灯泡才亮。 3)晶闸管一旦导通，双刀开关Ｑ２不论正接、反接或者断开，晶闸管 都保持导通状态不变，说明门极失去了控制作用。 4)要使晶闸管关断，可以去掉阳极电压，或者给阳极加反压，也可 以降低正向阳极电流至一定数值以下。
图1-2 功率二极管的符号和伏安特性
第一节 功率二极管
二、主要参数 1.额定电流(正向平均电流)ＩＦ
在规定的环境温度为40℃和标准散热条件下，元件PN结温度稳 定且不超过140℃时，所允许长时间连续流过50Hz正弦半波的电流 平均值称为额定电流IF。 2.反向重复峰值电压URRM
在额定结温条件下，取元件反向伏安特性不重复峰值电压值UR SM的80%称为反向重复峰值电压URRM。
第一章 功率二极 管和晶闸管
主编
第一节 功率二极管
一、功率二极管的结构与伏安特性 1.结构
功率二极管的内部结构是一个PN结，结面积较大。由于功率二极 管功耗较大，它的外形有螺旋式和平板式两种。螺旋式二极管的阳极 紧拴在散热器上。平板式二极管又分为风冷式和水冷式，它的阳极和 阴极分别由两个彼此绝缘的散热器紧紧夹住。常用大功率二极管的外 形如图1-1所示。
第二节 晶 闸 管
结论： 1)晶闸管的导通条件：在晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，同时 在它的门极和阴极间也加正向电压，两者缺一不可。 2)晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，因此门极所加的触发电 压一般为脉冲电压。 3)晶闸管的关断条件：使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流。
功率场效应晶体管 绝缘栅双极型晶体管 ppt课件
ID/A
50
40
30
20 △ID
10
△UGS
0
2 UT 4 6 8
UGS/V
ID较大〔小〕时，ID与UGS 图1-20 功率MOSFET的转移特性 的关系近似〔非〕线性，曲 线的斜率〔微变量之比〕定
1.5.2 P-MOSFET的根本特性
对于VDMOS，其驱动电路非常简单，但在 高速开关驱动时或在并联运转时，可在其 驱动电路的输出级上接入射极跟随器，并 尽能够地减小输出电阻，以缩短它的开通 和关断时间。假设在驱动信号上做到阻断 时栅源电压小于零，就能进一步缩短关断 时间。
1.6 绝缘栅双极晶体管—全控型
1.6.1 IGBT的构造与任务原理 1.6.2 IGBT的根本特性 1.6.3 IGBT的主要参数 1.6.4 IGBT的擎住效应和平安任务区 1.6.5 IGBT的栅极驱动电路
1.5.2 P-MOSFET的根本特性
2) 动态特性
开经过程
U p ， C in 充 电 ， U G S U T 时 ， 导 电 沟 道 ， iD iD 预 夹 断 ， C in 仍 充 电 ， U G S 稳 定 ， iD 不 变
开通延迟时间td(on)
+UE
up
上升时间tr
RL
O
t
开 通 时 间 ton—— 开 通 延迟时间与上升时间 之和
P沟道 b)
D
G S N 沟道
b)
图1-19 功率MOSFET的构造和电气图形符号
D
S P 沟道
是单极型、全控型晶体管。 导电机理与小功率MOS管一样，但构造上有较大区别。 采用多元集成构造，不同的消费厂家采用了不同设计。
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MOSFET的开关速度
MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系 通常无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减小
时间常数，加快开关速度 MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因
而关断过程非常迅速 开关时间在10－100ns之间，工作频率可达100kHz
以上，在主要电力电子器件中工作频率最高 场控器件，静态时几乎不需输入电流；但在开关
50 40 30 20 10
0
2
UT
4
6
U GS / V
8
I /A
D
I /A
D
输出特性
MOSFET的漏极伏安特性
UGS控制ID , 三个工作区：截止区、恒流区、可 变电阻区
可变电阻区
50
40
U =8V
GS
30
恒流区
U =7V
GS
20
U =6V
GS
10
U =5V
GS
U =4V
GS
0
10
20
30
几个时间定义
四个时间定义（参见P144 页） 延迟时间、上升时间、存储时间、下降时间
双极型功率晶体管参数
电流放大倍数（集电极电流与基极电流之比） 与集电极电流大小和温度相关 温度升高，放大倍数上升（正温度系数）
Uces或导通电阻 饱和电压降定义 导通电阻的定义（饱和压降与集电极电流近 似成正比）
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
8
功率MOSFET的主要参数
由于ODF（1～3）过大, 造成总损耗增加
IC
IB B +
C+ UCE
R UBE E
EC
EB
2
GTR的开关特性
PN结有势垒电容和扩散电容影响（ P142 ） PN结的电容同样也影响GTR的开关特性 PN正偏时,有”势垒”电容和”扩散”电容 PN反偏时,只有”势垒”电容
开关波形-开通状态
垂直V形槽的MOSFET的结构
结构：在双极型晶体管基础上，腐蚀V形槽 V形槽经P本体深入到N—漂移区 当栅源加正电压时，在靠近V形槽的P本体中
产生反型层，形成了感生N沟道
功率MOSFET的等效电路
寄生极间电容，体晶体管和体二极管
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，其trr较大。
超过10kW的电力电子装置
39
场效应晶体管
场效应晶体管分为结型和绝缘栅型（类似小功 率Field Effect Transistor——FET）
通常指绝缘栅型的场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor FET ） -- 简 称 功 率 MOSFET （Power MOSFET）
功率晶体管分类
双极性功率晶体管: BJT: bipolar junction transistor GTR: Giant Transistor 电流控制型器件
场控晶体管: MOS场效应晶体管,绝缘栅晶体管,MOS控制晶 闸管 电压型控制器件
双极型功率晶体管
功率晶体管（GTR--Giant Transistor ）
MOSFET的结构与导电机理
导电：在栅源极间加正电 压，将下面P区中空穴推开， 将少子—电子吸引到栅极下 面的P区表面
当UGS大于UT（开启电压）， 栅极下P区电子浓度超过空穴 浓度，使P型半导体反型成N 型，该反型层形成N沟道，漏 极和源极导电
功率MOSFET的结构
导电机理与小功率MOS管相同，结构上有较大区别， 小功率MOS管是横向导电器件
双极型功率晶体管结构截面图
VVMOSFET单胞结构截面图
VVMOSFET的极间电容和等效电路
7
驱动特性
MOSFET栅极电压与电流关系 密勒效应
IRFZ40栅极电荷与漏－源电压的关系
功率MOSFET的基本特性
转移特性:漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系
ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜 率定义为跨导Gfs
几个电压额定值
GTR有两个PN结，其电压定额有多种条件 U(BR)cbo发射极开路时Ucbm U(BR)cex基射极反偏时Ucem U(BR)ces基射极短路时Ucem U(BR)cer基射极有电阻时Ucem U(BR)ceo基射极开路时Ucem
大小关系： BUceo<BUcer1<BUcer2<BUces<BUcex<BU
cbo (R1>R2)
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GTR的电流定额
集电极最大允许电流IcM
通常规定为hFE下降到规定值的1/2--1/3时所对 应的Ic
实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或 稍多一点
GTR的功率定额
集电极最大耗散功率PcM 指定工作温度下允许的最高耗散功率
Pcm与温度相关
GTR的二次击穿现象与安全工作区
反偏二止时二 次击穿（P149）
b极e极同一平面－＞反偏程度不一致 边缘反偏程度＞中心反偏程度 横向电场方向由中心指向边缘 中心出现电流热点 负温度系数的电阻率 热循环－＞反偏二次击穿
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反偏二次击穿特性
定义：反偏二次击穿能量Es/b
场效应晶体管
绝缘栅型MOSFET: 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
按导电沟道可分为P沟道和N沟道 功率MOSFET主要是N沟道增强型（大功率MOSFET
一般不用P沟道，空穴的迁移率比电子低，导通 电阻大）
GTR的稳态特性
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GTR的电流放大系数
β=Ic/Ib 反映了基极电流对集电极电流的控制能力
GTR电流放大系数一般小于10
GTR的稳态特性
静态特性
共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放 大区和饱和区
在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作 在截止区或饱和区
40
50
截止区
U /V
DS
b)
U = U =3V
GS
T
导通电阻特性
导通电阻与耐压几近成平方增长（式8-50） 导通电阻与电流和UGS均相关 通态电阻Ron具有正温度系数，对器件并联均流
有利
导通电阻与漏电流和温度的关系
动态特性 开通时间ton=开通延迟时间td(on)+上升时间tr 关断时间toff=关断延迟时间td(off)+下降时间tf
一次击穿（电击穿） 电压超过击穿电压->Ic迅速增大 -> 雪崩击穿 只要Ic不超限，GTR不会损坏，工作特性不变
二次击穿（热击穿） 一次击穿发生时Ic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 立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显 衰变
正偏击穿问题
定义：基极－发射极正偏，工作于放大区的二 次击穿（P149）
典型全控型器件
常用的典型全控型器件
电力MOSFET
IGBT单管及模块
功率晶体管分类
按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间 信号的性质，分为两类：
1) 电流驱动型 2) 电压驱动型
通过从控制端注入或者抽出 电流来实现导通或者关断的 控制
通过在控制端和公共端之间 施加一定的电压实现导通或 者关断的控制
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场效应晶体管
场效应晶体管的种类
P
N
P
N
N
N
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场效应晶体管
MOSFET的种类
结型——外加电场控制场效应晶体管栅－源之 间PN结耗尽层宽度变化来控制沟道电导
绝缘栅型——栅极G与其余两个电极之间是绝 缘的，外加电场控制半导体中感应电荷量的变 化控制沟道电导的，所以称为绝缘栅型
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
耐高电压、大电流的双极结型晶体管
英 文 有 时 候 也 称 为 Power BJT （ Bipolar Junction Transistor）
在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名 称等效
1
双极型功率晶体管
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和功率MOSFET取代
与芯片结构有关 与Ube和Rb相关
Ube一定时，Rb越大，Es/b越大，不易发生 Rb一定时，Ube越小，Es/b越大，不易发生
防反偏击穿要求与关断动态指标存在矛盾，需 要均衡考虑
安全工作区
SOA: （界定器件安全工作的最大范围）概念
考虑电压／电流／功率／二次击穿多个因素
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场效应晶体管
MOSFET结构：
低掺杂P衬底 扩散
高掺杂N区 引出电极 S、D、G
注意：栅极G与其余两个电极之间绝缘
外加电场控制半导体中感应电荷量的变化控制沟 道电导的，称为绝缘栅型
S
N+
G
D
N+
P型衬底
D
G
B
S
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MOSFET的结构与导电机理
截止：栅源电压为零，漏源极间加正电源
P基区与N漂移区之间PN结反偏，漏源极之 间无电流
功率MOSFET多采用垂直导电结构，又称为VMOSFET （Vertical MOSFET）——大大提高MOSFET器件的耐 压和耐电流能力
按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直 导 电 的 VVMOSFET 和 具 有 垂 直 导 电 双 扩 散 MOS 结 构 的 VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）