电力电子半导体器件(GTR).ppt
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
使用时要求：发射结正偏，集电结反偏。
二、GTR与普通晶体管区别
1.普通晶体管：信号晶体管，用于放大信号； 要求增益适当，fT高，噪声系数低，线性度好，温度漂移 和时间漂移小。工作于放大区，以载流子运动为出发点， 分析载流子扩散、漂移、复合现象。电流控制特性为线性 关系。
2.GTR：用于功率开关； 要求容量足够大，高电压，大电流，适当增益，较高工作 速度，较低功率损耗。
第四章 电力晶体管
§4.1 GTR结构
双极型大功率、高反压晶体管——GTR （巨型晶体管） Giant Transistor 三层半导体材料，两个PN结(NPN型、PNP型)。
一、工艺特点
三重扩散；叉指型基极和发射极； 特点：发射区高浓度掺杂
基区很薄（几um—几十um）
N-掺杂浓度低，提高耐压能力 N+集电区收集电子
TC=250C VCE=2V
TC=250C，VCE=－2V
③管子温度相同时，VCE越大，β越大。
④β随温度增加而增加，大电流下，β随温度增加而减小。
⑤GTR反接时，β很小。
4．最大额定值——极限参数 由GTR材料、结构、设计水平、制造工艺决定。
①最高电压额定值： BVCEO，BVCBO，BVCES，BVCER，BVCEX
③最高结温TJM 塑封，硅管：1250～1500C； 金属封装，硅管：1500～1750C； 高可靠平面管：1750～2000C；
④最大功耗PCM PCM = VCE• IC 受结温限制，使用时注意散热条件。
例：3DF20型GTR各最大额定值参数：
二、动态特性与参数 动态特性是GTR开关过程的瞬态性能，称开关特性；主要受
单臂桥式电路模块
E2
单相桥式电路模块；三相桥式电路模块；
§4.2 GTR特性与参数
一、静态特性与参数 1．共射输出特性：
临界饱和
发射结正偏 集电结反偏 VCES很小
放大区 严禁工作
断态，漏电流很小
2．饱和压降： 如图：GTR深饱和时，等效电路； VBES：基极正向压降
通态下，B-E极电压；
VCES：饱和压降 通态下，C-E极电压；
ICM定义：a.以β值下降到额定值1/2到1/3时，对应IC值。 b.以结温和耗散功率为尺度确定ICM。
最大脉冲电流额定值： 直流ICM的1.5～３倍定额；引起内部引线熔断的集电极电流； 引起集电结损坏的集电极电流。
基极电流最大额定值IBM： 内部引线允许流过的最大基极电流，约为（1/2～1/6）ICM
2．关断时间toff： toff = ts + tf ts：存储时间，过剩载流子从体内抽走时间，由反向驱动电 流大小决定。(3～８us) tf：下降时间，取决于结电容、正向集电极电流大小。(1us)
说明：为加速开通，采用过驱动方法，但基区过剩大量载流子， 关断时，载流子耗散严重影响关断时间； 减小关断时间，可选用电流增益小的器件，防止深饱和， 增加反向驱动电流。
增加N-漂移区，由它的电阻率和厚度决定器件阻断能力， 但阻断能力提高，使饱和导通电阻增大，电流增益降低。
一般： β 约10—20
工作状态：开关状态（导通、截止；开通、关断）
饱和压降低 漏电流小
时间短
四、达林顿GTR
为提高电流增益，由两个或两个以上晶体管复合组成。
驱动管
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
输出管
NPN型
PNP型
特点：
O：另一极开路；S：短路；R：外接电阻；X：反向偏置；
Va:：IB=0时，IC电流急剧 增加时电压；
Vb:：IE=0时，IC电流急剧 增加时电压；
一般：
另：BVEBO集电极开路时，发射结最高反向偏置电压。 几伏，典型值8V。
②最大电流额定值： 大电流下，三种物理效应会使GTR电气性能变差，甚至损坏器件。 集电极电流最大额定值ICM：
3．共射电流增益 β：反映GTR的电流放大能力，IC与IB比值。
①GTR正向偏置时，βF随IC减 小而减小，基区复合电流占的
比例增大。
②随IC增大，β增大，IC增大 到一定程度β=βmax，IC再增 大，由于基区大注入效应、基 区扩展效应，β开始下降。
TC=1250C，VCE=2V
TC=250C VCE=400V
VD1引入，加速V2、V1的同时关断， 引出B2极可另外控制。
五、GTR模块
将GTR管芯、稳定电阻R1R2、加速二极管VD1、续流二极管VD2 组成一个单元。将几个单元组合在一个外壳内——模块。
利用集成工艺将上述单元集成于同一硅片上，器件集成度高， 小型轻量化，性能/价格比高。
C1
B1 E1C2
B2
结电容（势垒电容、扩散电容）充、放电和两种载流子运动影 响。 如图：TC40U—400型GTR动态特性实验电路和电流波形
电路参数： VCC=200V；RC=10Ω ； RB1=4.7Ω ； RB2=1.2Ω ；
1．开通时间ton： ton = td + tr （ns级，很小） td：延迟时间，基极电流向发射结电容充电。大小取决于结 电容大小、驱动电流大小和上升率，及反偏时电压大小。 tr：上升时间，取决于稳定电流和驱动电流大小。
一般，由于发射区高浓度掺杂，rES可忽略； VCES的大小， 关系器件导通功率损耗。达林顿管，VCES、VBES较大。
饱和压降特性曲线
基极正向压降特性曲线
TC35-400型GTR：电流50A， β = 5；
VCES随IC电流增大而增大；IC不变时，随温度增加而增加。 VBES随IC电流增大而增大；小电流下，随温度增大而减小， PN结负温度系数。大电流下，随温度增大而增大。
3.大电流工作下，普通晶体管出现的新特点： ①基区大注入效应：引起电流增益下降。 ②基区扩展效应：使基区注入效率降低，增益β下降，fT减小。 ③发射极电流集边效应：引起电流局部集中，产生局部过热。
因此，GTR在结构上应采取适当措施，减小上述效应。
三、单管GTR
采用三重扩散，台面型结构；可靠性高，对二次击穿特性 有改善，易于提高耐压，易于耗散体内热量。
①电流增益β增大： β ≈ β1 β2 ，达几十倍～几千倍； ②饱和压降VCES增大：VCES ≈ VCES1+VBES2
V2管无法饱和导通，VCE2=VCES1 ，反偏状态；导通损耗增大。 ③开关速度慢：开通时，V1驱动V2；
关断时，V1先关断，V2才能关断，且V2关断 无泻流通路。
改进：
R1、R2稳定电阻，提高温度稳定 性和电流通路。
二、GTR与普通晶体管区别
1.普通晶体管：信号晶体管，用于放大信号； 要求增益适当，fT高，噪声系数低，线性度好，温度漂移 和时间漂移小。工作于放大区，以载流子运动为出发点， 分析载流子扩散、漂移、复合现象。电流控制特性为线性 关系。
2.GTR：用于功率开关； 要求容量足够大，高电压，大电流，适当增益，较高工作 速度，较低功率损耗。
第四章 电力晶体管
§4.1 GTR结构
双极型大功率、高反压晶体管——GTR （巨型晶体管） Giant Transistor 三层半导体材料，两个PN结(NPN型、PNP型)。
一、工艺特点
三重扩散；叉指型基极和发射极； 特点：发射区高浓度掺杂
基区很薄（几um—几十um）
N-掺杂浓度低，提高耐压能力 N+集电区收集电子
TC=250C VCE=2V
TC=250C，VCE=－2V
③管子温度相同时，VCE越大，β越大。
④β随温度增加而增加，大电流下，β随温度增加而减小。
⑤GTR反接时，β很小。
4．最大额定值——极限参数 由GTR材料、结构、设计水平、制造工艺决定。
①最高电压额定值： BVCEO，BVCBO，BVCES，BVCER，BVCEX
③最高结温TJM 塑封，硅管：1250～1500C； 金属封装，硅管：1500～1750C； 高可靠平面管：1750～2000C；
④最大功耗PCM PCM = VCE• IC 受结温限制，使用时注意散热条件。
例：3DF20型GTR各最大额定值参数：
二、动态特性与参数 动态特性是GTR开关过程的瞬态性能，称开关特性；主要受
单臂桥式电路模块
E2
单相桥式电路模块；三相桥式电路模块；
§4.2 GTR特性与参数
一、静态特性与参数 1．共射输出特性：
临界饱和
发射结正偏 集电结反偏 VCES很小
放大区 严禁工作
断态，漏电流很小
2．饱和压降： 如图：GTR深饱和时，等效电路； VBES：基极正向压降
通态下，B-E极电压；
VCES：饱和压降 通态下，C-E极电压；
ICM定义：a.以β值下降到额定值1/2到1/3时，对应IC值。 b.以结温和耗散功率为尺度确定ICM。
最大脉冲电流额定值： 直流ICM的1.5～３倍定额；引起内部引线熔断的集电极电流； 引起集电结损坏的集电极电流。
基极电流最大额定值IBM： 内部引线允许流过的最大基极电流，约为（1/2～1/6）ICM
2．关断时间toff： toff = ts + tf ts：存储时间，过剩载流子从体内抽走时间，由反向驱动电 流大小决定。(3～８us) tf：下降时间，取决于结电容、正向集电极电流大小。(1us)
说明：为加速开通，采用过驱动方法，但基区过剩大量载流子， 关断时，载流子耗散严重影响关断时间； 减小关断时间，可选用电流增益小的器件，防止深饱和， 增加反向驱动电流。
增加N-漂移区，由它的电阻率和厚度决定器件阻断能力， 但阻断能力提高，使饱和导通电阻增大，电流增益降低。
一般： β 约10—20
工作状态：开关状态（导通、截止；开通、关断）
饱和压降低 漏电流小
时间短
四、达林顿GTR
为提高电流增益，由两个或两个以上晶体管复合组成。
驱动管
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
输出管
NPN型
PNP型
特点：
O：另一极开路；S：短路；R：外接电阻；X：反向偏置；
Va:：IB=0时，IC电流急剧 增加时电压；
Vb:：IE=0时，IC电流急剧 增加时电压；
一般：
另：BVEBO集电极开路时，发射结最高反向偏置电压。 几伏，典型值8V。
②最大电流额定值： 大电流下，三种物理效应会使GTR电气性能变差，甚至损坏器件。 集电极电流最大额定值ICM：
3．共射电流增益 β：反映GTR的电流放大能力，IC与IB比值。
①GTR正向偏置时，βF随IC减 小而减小，基区复合电流占的
比例增大。
②随IC增大，β增大，IC增大 到一定程度β=βmax，IC再增 大，由于基区大注入效应、基 区扩展效应，β开始下降。
TC=1250C，VCE=2V
TC=250C VCE=400V
VD1引入，加速V2、V1的同时关断， 引出B2极可另外控制。
五、GTR模块
将GTR管芯、稳定电阻R1R2、加速二极管VD1、续流二极管VD2 组成一个单元。将几个单元组合在一个外壳内——模块。
利用集成工艺将上述单元集成于同一硅片上，器件集成度高， 小型轻量化，性能/价格比高。
C1
B1 E1C2
B2
结电容（势垒电容、扩散电容）充、放电和两种载流子运动影 响。 如图：TC40U—400型GTR动态特性实验电路和电流波形
电路参数： VCC=200V；RC=10Ω ； RB1=4.7Ω ； RB2=1.2Ω ；
1．开通时间ton： ton = td + tr （ns级，很小） td：延迟时间，基极电流向发射结电容充电。大小取决于结 电容大小、驱动电流大小和上升率，及反偏时电压大小。 tr：上升时间，取决于稳定电流和驱动电流大小。
一般，由于发射区高浓度掺杂，rES可忽略； VCES的大小， 关系器件导通功率损耗。达林顿管，VCES、VBES较大。
饱和压降特性曲线
基极正向压降特性曲线
TC35-400型GTR：电流50A， β = 5；
VCES随IC电流增大而增大；IC不变时，随温度增加而增加。 VBES随IC电流增大而增大；小电流下，随温度增大而减小， PN结负温度系数。大电流下，随温度增大而增大。
3.大电流工作下，普通晶体管出现的新特点： ①基区大注入效应：引起电流增益下降。 ②基区扩展效应：使基区注入效率降低，增益β下降，fT减小。 ③发射极电流集边效应：引起电流局部集中，产生局部过热。
因此，GTR在结构上应采取适当措施，减小上述效应。
三、单管GTR
采用三重扩散，台面型结构；可靠性高，对二次击穿特性 有改善，易于提高耐压，易于耗散体内热量。
①电流增益β增大： β ≈ β1 β2 ，达几十倍～几千倍； ②饱和压降VCES增大：VCES ≈ VCES1+VBES2
V2管无法饱和导通，VCE2=VCES1 ，反偏状态；导通损耗增大。 ③开关速度慢：开通时，V1驱动V2；
关断时，V1先关断，V2才能关断，且V2关断 无泻流通路。
改进：
R1、R2稳定电阻，提高温度稳定 性和电流通路。