在二次击穿现象中,当第一次雪崩击穿后,从电流上升到l、再到触发产生二次击 穿的时间延迟,称为触发时间r。x意味着Bm工作点进入一次击穿区时,并不立即产生 次击穿,而要有一个触发时间。当加在BJT上的能量超过临界值(触发能量)时,才产 生二次击穿,也就是说二次击穿需要能量。 (二)B的安全工作区(SOA) 安全工作区是BT能够安全可靠地T作,并且有较大寿命的工作范围。在二次击穿现 象发现之前,人们认为安全使用范围是由集电极最大允许电流lw、最大允许电压Um 集电极最大允许功耗Pc以及环境和管壳温度等决定。自 二次击穿现象发现后,人们认识到二次击穿特性对BT应 用性能的恶化和损坏有重要的影响,因此B工作的安全 范围应由图1-15所示的四条曲线限定:①集电极最大允 许直流电流线lw,由集电极允许承受的最大电流决定; ②集电极允许最高电压Um,由雪崩击穿决定;③集电 极直流功率耗散线Pa,由热阻决定;④二次击穿临界线 Ps,由二次击穿触发功率决定。 由图115可见,在低压大电流区,PM<P通,安全 图1-15BrT的安全工作区 工作区的边界由功率耗散线Po决定;在高压小电流区,Ps<Po,安全工作区由二次击 穿临界线Ps所决定。在大电流区由lo决定;在高压区由Um决定。因此,考虑二次击 穿因素之后,安全工作区的范围变小了。 B的安全工作区与工作状态有关,它分正向偏置安全工作区和反向偏置安全工作 区,如图1-16(a)、(b)所示。正向偏置安全工作区又分为脉冲工作状态和直流工作状态 的安全工作区。高频运用的安全工作区比直流安全工作区大,脉冲宽度越窄即占空比系数 越小,安全工作区就越大。 10 二次击穿限制 100200500 图1-6不同工作状态下BT的安全工作区 (a)正向演置安全工作区;(b)反向偏置安全工作区 图1-16表示的是由 UNITRODE公司公布的15A、500V快速B的正向偏置安全工作 区和反向偏置安全工作区。 从图116可以看出BT的反向偏置安全工作区比正偏时大得多,这是非常有用的特
性。怎样利用反偏安全工作区的特性呢?可以在元件关断瞬间,想办法使元件真正置于反 偏工作状态,即在元件截止时,对Bm基极驱动电路,施加负的基射极电压 1.3,5达林顿BT与BJT模柍 B的达林顿结构是提高电流增益的一种有效方法。这种结构由两个或多个晶体管复 合而成,图1-17是由两个晶体管复合而成的达 林顿BJT的等效电路。达林顿BT有以下特点 (1)共射极电流增益β值大。达林顿BI 的β值是几个晶体管共同作用的结果,其数值 大小与电路形式有关。图1-17(a)所示达林顿 BT的P值可由下式表示 β=B(R2+1)+2 图1-17达林顿RT的等效电路 式中B、B2分别是Ⅵ1、V2的电流增益。而图 1-17(b)所示达林顿B的β值由于有基极分流电阻而下降,若略去R1电阻的影响,这 种结构的达林顿Br的β值为 β=R1(R2+1)+A2 (1-4) (2)饱和压降U(s较高。如图1-17(a)所示的二级达林顿结构中,由于驱动管v 的集电极和发射极分别与输出管V2的集电极和基极相连,而V1管的集电极电位又永远 高于它的发射极电位,因此V2管的集电结永远处于反向偏置状态。也就是说达林顿BrT 中驱动管Ⅵ可以深度饱和,而输出管V不可能进入饱和状态,因此其饱和压降U较 高 (3)关断速度减慢。达林顿Br开通时驱动管V!先导通,并向v2提供基极电流令其 导通。关断时Ⅵ先关断,然后V2才关断。尽管V2未进入饱和区,其存贮时间t与增益 值β无关,但由于整个关断时间是由两只管子的关断时间组成,即 l。=!s+! (1-5) 式中t、ts一分别是v1、V2管的存贮时间; t,达林顿BT总的存贮时间 上式表明达林顿H总的关断时间将延长,关断速度 减慢。 上面介绍的是单个达林顿B的情况。目前广泛采用 的是B模块,它将B管芯、续流二极管F等单元电路 封装成一个整体而称之为模块,一单元的BT模块等效电 路如图1-18所示。图中V3是加速二极管,它有助于加速 抽出输出管v2的基极存贮电荷,缩短BT模块的关断时 间。BT模块除了有上述达林顿BT的特点外,还有如下图1-18BJ模块的等效电路 16
优点 (1)它是能量高度集中的组合器件,大大编小了变换器的体积。 (2)有电绝缘且传热好的固定底座,安装使用很方便。 (3)内含续流二极管减少了线路电感,降低了器件关断时电流变化率造成的过电压 1.4功率场效应管 1.4.1概甡 功率场效应管,即功率 MOSFET(Mel0 side semiconductor field Efect transistor),是 种单极型的电压控制器件,有驱动功率小、工作速度高、无二次击穿、安全工作区宽等显 著优点。目前存在的主要问题即低导通电阻与耐高电压的矛盾也正在逐步解决。因此,在 中小功率的高性能开关电源、斩波器、逆变器中,功率场效应管已成为双极型晶体管的竞 争对手,得到了越来越广泛的应用。 MOSFET分为N沟道和P沟道两类,在 MOSFET中只有一种载流子(N沟道时是电子、 种叫“v"MsFr,另一种叫"T"MsEr.其结构截面如图1所种基本结构, P沟道时是空穴),从源极流入,经漏极流出。N沟道的功率 MOSFET有 乳化硅膜层 G N衬底 图1-19功率场效应管结构图 (a"T" MOSFET:(b)V"MOSFET 功率场效应管的漏极(D)、栅极(G)和源极(S)分别类似于晶体管中的集电极 基极和发射极。当图1-19中的功率场效应管栅极加正电压,则栅极下面的硅表面上带有 与其电压大小成正比的负电荷(电子),硅的表面从P型反型成N型,我们把导电的反型 层称为沟道。此时,若在漏源极间加正向电压,则电子从源极移动到漏极形成漏极电流。 1.4.2 MOSFET的基本物憶 (一)转移特性 转移特性是指在漏源电压一定时,漏极电流l和栅源控制电压Us之间的关系(见 图1-20)。只有U大于门槛电压Us曲才有漏极电流J流过,在较大时,l和U为
近似线性关系,亦即跨导g为常数 ges =d//dU Ue=10V之后, MOSFET的l出外电路 」跟制了。因此工作在开关状态的MSET正向 22驱动电压Um10V TM504565 (二)输出特性 以棚源电压Us为参变量,反映漏极电流 6801与漏源电压U间关系的曲线族称为MOs FET的输出特性。输出特性可以分为三个区域 图1.0N沟道型 MOSFET的转移特性即可调电阻区I、饱和区Ⅱ和雪崩区Ⅲ,如图 1-20所示 在I区内,栅源电压Us越大,输出特性 的斜率越大,漏源间的等效电阻越小。因此 1 在Ⅰ区中,功率 MOSFET可看作一个受栅源 电压Us控制的可变电阻,故得名为可变电阻 区。当Us≥10V后, MOSFET处于全开通状 态,相当于BT的饱和导通状态。功率MOS FET主要工作在这种状态。 在Ⅱ区内,不同栅源电压下的输出特性 几乎是平行的水平线,即在Ⅱ区内,在同 栅源电压下,漏极电流l不随漏源同电压 U的变化而改变,所以称该区为恒流区。「 MOSFET作放大器时,一般就工作在这个区 域,所以Ⅱ区也称为线性放大区。 图1-21功率 MOSFET输出特性 (三)MOFE'的电容 MOSFET各极之间的结电容由其物理结构所决定。金属氧化膜的栅极结构决定了栅漏 之间的结电容C和栅源之间的结电容 Cn, MOSFET的FN结形成了漏源间的 T r"(的 结电容 图1-22表示了 MOSFET的输入电 容C、输出电容C。和反向传输电容 与结电容之间的关系。这些端电容 的容量是漏源电压Um的函数。MOS FET的端电容对器件的开通、关断影 bs(响很大。例如,在驱动一个 MOSFET 图1-22 MOSFET各端点之间的电容 时,首先要提供一个栅极电流,使输 18·
入电容C充电到U后,器件才可能由截止转为导通状态。 (四)开关特性 相对于BT来说,功率MOFT的开关速度非常快。因为它是多数截流子器件,没有 与关断时间相联系的存储时间。它的开 通、关断只和电容的充放电有关,因此其 开、关时间强烈依赖驱动电路的输出阻 抗,驱动电路就是通过这个阻抗给栅极充 放电。图123是 MOSFET的开关时间测试 电路和有关的波形,其开、关时间的定义 及物理过程如下 开通延迟时间,是脉冲源 经输人电容Cm充电到Uam和漏极电流c 上升到0.1l所需的时间。 (2)t1;上升时间,脉冲源给输入电 oo。--+ 容C继续充电到Usm),输出电容C放 电,漏源电压Us下降到接近通态管压降 Um),漏极电流l。从0.1lw增大到 0.9mIm是 MOSFET全导通后的额定电 流 (3)t:关断延迟时间,输入电容 C通过栅极阻抗放电,漏极电源Um通过 负载给C=充电,由于U很低时输出电容e C较大,所以关断时U上升较慢,漏极 电流l也几乎不变。 (4)tr:下降时间,输出电容C随 图1-23开关特性测试电路与波形 着漏源电压的上升迅速下降。几乎不需漏 (a)电路图;(b)波形图 极电源给C充电,U快速上升到Um,漏极电流lD从0.9快速下降到01lmo 显然,功率 MOSFET的开通时间为tm=t+t,。关断时间为ts=ta+tr 1.4.3安金工作区 MOSFET是多数载流子器件,其沟道的迁移率随温度的上升而下降,即器件的导通电 阻rai具有正的温度系数,因而器件的漏极电流在大电流下具有负的温度系数。由于电 流具有随温度上升而下降的负反馈效应,因而 MOSFET中不存在电流集中和二次击穿的限 制问题,它有较好的安全工作区(SOA)。图124所示是型号为MIMN0(500V,4A)的Mos FET的安全工作区,它分最大额定开关安全工作区和最大额定正向偏置安全工作区两种。 最大额定开关安全工作区是负载线可跨越而不会招致 MOSFET损坏的界限,基本的限