几种全控型晶体管

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1.3 典型全控型器件
1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4
门极可关断晶闸管 功率晶体管 功率场效应晶体管 绝缘栅双极晶体管
1.3 典型全控型器件· 引言
■门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。 ■20世纪80年代以来,功率电子技术进入了一个 崭新时代。 ■典型代表——门极可关断晶闸管、功率晶体管、 功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。
• (5)擎住电流
1.3.1 门极可关断晶闸管
■GTO的主要参数 ◆GTO的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。 ◆最大可关断阳极电流IATO ☞用来标称GTO额定电流。 ◆电流关断增益off ☞最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比。 ☞off一般很小,只有5左右,这是GTO的一个主要缺点。 ◆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值的增大而 增大。 ◆关断时间toff ☞一般指储存时间和下降时间之和,而不包括尾部时间。 ☞储存时间随阳极电流的增大而增大,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。当需要承受反向电 压时,应和功率二极管串联使用。
• 下降时间tf :对应着阳极电流迅速下降,阳极电压不断上 升和门极反电压开始建立的过程。
• 尾部时间tt :则是指从阳极电流降到极小值时开始,直到
最终达到维持电流为止的时间。
• GTO的关断特性(开关电压、电流及门极电流波形)
UA
U AM
0.9U A
(a) 0
td t r
di / dt
du / dt
1.3.2 功率晶体管
☞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
i =i
c b
i
c
ib I ceo
(2-9)
空穴流
称为GTR的电流放大系数,它反映
了基极电流对集电极电流的控制能力。 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

1.3.2 功率晶体管
+表示高 掺杂浓 度,-表 示低掺 杂浓度
图2-16 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
◆ GTR的结构 ☞采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构,并采用集 成电路工艺将许多这种单元并联而成。 ☞ GTR是由三层半导体(分别引出集电极、基极和发射极)形成 的两个PN结(集电结和发射结)构成,多采用NPN结构。
i
b
电 子 流 E
E
c
i i
c b
(2-10)
b
i =(1+ ) i
e
b
☞单管GTR的 值比处理信息用的小功 率晶体管小得多,通常为10左右,采用 达林顿接法可以有效地增大电流增益。
c)
图2-16 c) 内部载流子的流动
1.3.2 功率晶体管
■GTR的基本特性 ◆静态特性 ☞在共发射极接法时的典 型输出特性分为截止区、放 大区和饱和区三个区域。 ☞在功率电子电路中, GTR工作在开关状态,即工 作在截止区或饱和区。 ☞在开关过程中,即在截 止区和饱和区之间过渡时, 一般要经过放大区。
1.3.2 功率晶体管
■GTR的主要参数 ◆电流放大倍数、直流电流增益hFE、集电极与发射极间漏电 流Iceo、 集电极和发射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff ◆最高工作电压 ☞GTR上所加的电压超过规定值时,就会发生击穿。 ☞击穿电压不仅和晶体管本身的特性有关,还与外电路的接 法有关。 ☞发射极开路时集电极和基极间的反向击穿电压BUcbo 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压BUceo 发射极与基极间用电阻联接或短路联接时集电极和发射极 间的击穿电压BUcer和BUces 发射结反向偏置时集电极和发射极间的击穿电压BUcex 且存在以下关系:
G
A
d
r
s
f
t
A
A
A
0
1
2
3
4
5
6
图1-15
图1-15
图1-15
2、GTO的工作原理
(1)开通过程
• GTO也可等效成两个晶体管 P1N1P2和 N1P2N2互连
, GTO 与晶闸管最大区别就是导通后回路增益
α1+α2 数 值 不 同 , 其 中 α1 和 α2 分 别 为 P1N1P2 和 N1P2N2的共基极电流放大倍数。晶闸管的回路增
TC,间接表示了最高工作温度。
1.3.2 功率晶体管
■GTR的二次击穿现象与安全工作区 ◆当GTR的集电极电压升高至击穿电压时,集电极电流迅速增大, 这种首先出现的击穿是雪崩击穿,被称为一次击穿。 ◆发现一次击穿发生时如不有效地限制电流,Ic增大到某个临界点时 会突然急剧上升,同时伴随着电压的陡然下降,这种现象称为二次击 穿。 ◆出现一次击穿后,GTR一般不会损坏,二次击穿常常立即导致器 件的永久损坏,或者工作特性明显衰变,因而对GTR危害极大。 ◆安全工作区(Safe Operating Area—— SOA) ☞将不同基极电流下二次击穿的临界点 连接起来,就构成了二次击穿临界线。 ☞GTR工作时不仅不能超过最高电压 UceM,集电极最大电流IcM和最大耗散功 率PcM,也不能超过二次击穿临界线。
益α1+α2常为1.15左右,而 GTO的α1+α2非常接近1
。因而GTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲
关断阳极来自百度文库流提供有利条件。
(2)关断过程
• 当 GTO 已处于导通状态时,对门极加负的关断脉冲,形 成- IG ,相当于将 IC1 的电流抽出,使晶体管 N1P2N2 的基 极电流减小,使 IC2 和 IK 随之减小, IC2 减小又使 IA 和 IC1 减 小,这是一个正反馈过程。当IC2和IC1的减小使α1+α2<1时 ,等效晶体管 N1P2N2 和 P1N1P2 退出饱和, GTO 不满足维 持导通条件,阳极电流下降到零而关断。 • 由于 GTO 处于临界饱和状态,用抽走阳极电流的方法破 坏临界饱和状态,能使器件关断。而晶闸管导通之后,处 于深度饱和状态,用抽走阳极电流的方法不能使其关断。
1.3.2 GTO的特性和主要参数 (简介)
1、阳极伏安特性
2、开通特性
• 开通时间ton由延迟时间td和上升时间tr组成
3、关断特性
• GTO的关断过程有三个不同的时间,即存储时间ts、下降 时间tf及尾部时间tt。 • 存储时间ts :对应着从关断过程开始,到阳极电流开始下 降到90%IA为止的一段时间间隔。
Ic I cM P SB 二次击穿 功率
SOA O
P cM
U ceM U ce
图2-19 GTR的安全工作区
场效应管
场效应管(简称 FET )是利用输入电压产生的电场 效应来控制输出电流的,所以又称之为电压控制型器件。 它工作时只有一种载流子(多数载流子)参与导电,故也 叫单极型半导体三极管。因它具有很高的输入电阻,能满 足高内阻信号源对放大电路的要求,所以是较理想的前置 输入级器件。它还具有热稳定性好、功耗低、噪声低、制 造工艺简单、便于集成等优点,因而得到了广泛的应用。
1.3.2 功率晶体管
■功率晶体管(Giant Transistor——GTR)
按英文直译为巨型晶体管,是一种耐高电压、 大电流的双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor——BJT) ■GTR的结构和工作原理 ◆与普通的双极结型晶体管基本原理是一 样的。 ◆最主要的特性是耐压高、电流大、开关 特性好。
根据结构不同,场效应管可以分为结型场效应管 (JFET)和绝缘栅型场效应管(IGFET)或称MOS型场 效应管两大类。根据场效应管制造工艺和材料的不同,又 可分为N型沟道场效应管和P型沟道场效应管。
☞GTO的多元集成结构使得其比普通晶闸管 开通过程更快,承受di/dt的能力增强。
1.3.1 门极可关断晶闸管
■GTO的动态特性 i 等效晶体管从饱 残存载 和区退至放大区, 流子复 ◆开通过程与普通晶闸 阳极电流逐渐减 合所需 管类似。 小时间 时间 ◆关断过程 O t ☞储存时间ts 抽取饱和导通时 储存的大量载流 下降时间tf 子的时间 尾部时间tt i t t t t t ☞通常tf比ts小得多, I 90% I 而tt比ts要长。 ☞门极负脉冲电流幅 10% I 值越大,前沿越陡, ts 0 t t t t t t t t 就越短。使门极负脉冲 的后沿缓慢衰减,在tt 图2-15 GTO的开通和关断过程电流波形 阶段仍能保持适当的负 电压,则可以缩短尾部 时间。
BU
cbo
BU cex BU ces BU cer BU ceo
☞实际使用GTR时,为了确保安全,最高工作电压要比BUceo低得 多。
1.3.2 功率晶体管
◆集电极最大允许电流IcM ☞规定直流电流放大系数hFE下降到规定的 1/2~1/3时所对应的Ic。 ☞实际使用时要留有较大裕量,只能用到IcM的 一半或稍多一点。 ◆集电极最大耗散功率PcM ☞指在最高工作温度下允许的耗散功率。 ☞产品说明书中在给出PcM时总是同时给出壳温
图2-8 晶闸管的双晶体管模型 及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理
√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。 √多元集成结构,使得P2基区横向 电阻很小,能从门极抽出较大电流。
1.3.1 门极可关断晶闸管
☞GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的, 只不过导通时饱和程度较浅。 ☞而关断时,给门极加负脉冲,即从门极抽 出电流,当两个晶体管发射极电流IA和IK的 减小使1+2<1时,器件退出饱和而关断。
Ic
放大区
ib3 ib2 ib1 ib1<ib2<ib3
截止区
O
图2-17 共发射极接法时 GTR的输出特性
Uce
1.3.2 功率晶体管
◆动态特性 ☞开通过程 √需要经过延迟时间td和上升时 ib Ib1 间tr,二者之和为开通时间ton。 90% I b1 √增大基极驱动电流ib的幅值并 增大dib/dt,可以缩短延迟时间, 10% Ib1 同时也可以缩短上升时间,从而 0 t 加快开通过程。 是用来除去饱和导 主要是由发射结 I b2 通时储存在基区的 势垒电容和集电 ☞关断过程 载流子的,是关断 结势垒电容充电 时间的主要部分。 √需要经过储存时间ts和下降时 产生的。 ton t off 间tf,二者之和为关断时间toff。 ts tf td tr ic Ics √减小导通时的饱和深度以减 90% I cs 小储存的载流子,或者增大基极 抽取负电流Ib2的幅值和负偏压, 10% I cs 可以缩短储存时间,从而加快关 0 t 0 t 1 t2 t3 t4 t5 t 断速度。 ☞GTR的开关时间在几微秒以内, 图2-18 GTR的开通和关断过程电流波形 比晶闸管和GTO都短很多。
功率MOSFET
IGBT单管及模块
1.3.1 门极可关断晶闸管
■晶闸管的一种派生器件,但
可以通过在门极施加负的脉冲 电流使其关断,因而属于全控 型器件。 ■GTO的结构和工作原理 ◆GTO的结构 ☞是PNPN四层半导体结 构。 ☞是一种多元的功率集成 器件,虽然外部同样引出个 极,但内部则包含数十个甚 至数百个共阳极的小GTO 元,这些GTO元的阴极和门 极则在器件内部并联在一起。
图2-14 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号
1.3.1 门极可关断晶闸管
◆GTO的工作原理 ☞仍然可以用如图2-8所示的双晶体 管模型来分析,V1、V2的共基极电流 增益分别是1、2。1+2=1是器件临 界导通的条件,大于1导通,小于1则 关断。 ☞GTO与普通晶闸管的不同 √设计2较大,使晶体管V2控制 灵 敏,易于GTO关断。
UP
图1-16
(b)
iA
IA
t
0.9 I A
ts t f
0
diG dt
iG UG 5A / s ton
t off
tt
t
ig
UG
0 (c)
10 ~ 60 s diG 10A / s dt
t
30 s
I GM (
1 1 ) I AT0 8 3
4、主要参数 (简介)
与晶闸管不同的参数。 (1)最大可关断阳极电流IATO • (2)关断增益off • (3)阳极尖峰电压 • (4)维持电流
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