第5章 全控型器件
5.1解:小功率晶体管的主要用途是放大信号,要求晶体管的增益适当、本征频率高、噪声系数低、线性度好、温度漂移小、时间漂移小等。可忽略基区注入效应、扩展效应和发射极电流集边效应三种物理效应影响。
大功率晶体管,要求有足够大的容量(大电流、高电压)、适当的增益、较高的开关速度和较低的功率损耗等。不可忽略基区注入效应、扩展效应和发射极电流集边效应三种物理效应影响,在GTR 的制造过程中采取扩大结片的面积、采用特殊形状的管心图形、精细结构等制造工艺并安装在外加的散热器上。
5.2解:安全工作区(SOA )指晶体管安全工作运行的电压值、电流值的范围,分为正向偏置安全工作区,反向偏置安全工作区和短路安全工作区。
正向偏置安全工作区是指基极正向偏置时晶体管的BU CEO 、I CM 、P CM 与二次击穿触发功率所限制的范围。反向偏置安全工作区表示功率晶体管在反偏下关断的瞬态过程。基极关断反向电流越大其安全工作区越窄。短路安全工作区的短路承受能力是表示在功率控制电路中发生短路时,靠断开的方法来保护晶体管。
5.3解:单管GTR 的电流增益低;达林顿GTR 电流增益高,但饱和压降U CES 也较高且关断速度较慢。
5.4解:小功率场效应晶体管的栅极G 、源极S 和漏极D 位于芯片的同一侧,导电沟道平行于芯片表面,是横向导电器件,这种结构限制了它的电流容量。功率场效应晶体管采取两次扩散工艺并将漏极D 移到芯片的另一侧表面上,使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过,这样有利于减小芯片面积和提高电流密度。
5.5解:功率MOSFET 的栅极有绝缘层,极间存在着绝缘电容。应用上称这些电容为输入电容(C iss =C GD +C GS ) ,输出电容(C OSS =C GD +C DS ) 和反馈电 容(C rSS =C GS ) 。这些电容大小与偏置电压有关。
5.6解:功率MOSFET 是单极型器件,几乎没有二次击穿问题,因此其安全工作区非常宽。有正向偏置安全工作区(FBSOA),开关安全工作区,换向安全工作区。正向偏置安全工作区(FBSOA)由四条边界极限所包围的区域,这四条边界极限线是:最大漏源电压线(A),最大功耗限线(B),最大漏极电流线(C)和漏源通态电阻线(D)。
5.7解:
①在测试和接入电路之前器件应存放在静电包装袋,导电材料或金属容器中,不能放在塑料盒或塑料袋中。取用时应拿管壳部分而不是引线部分。工作人员需通过腕带良好接地。 ②将器件接入电路时,工作台和烙铁都必须良好接地,焊接时烙铁应断电。
③在测试器件时,测量仪器和工作台都必须良好接地。器件的三个电极未全部接入测试仪器或电路前不要施加电压。改换测试范围时,电压和电流都必须先恢复到零。
④注意栅极电压不要过限。
5.8解:
GTR ,优点:能承受高电压、大电流,开关特性好。缺点是驱动电路复杂,功率损耗大,二次击穿现象
功率MOSFET 与GTR 相比,优点是:开关速度快、损耗低、驱动电流小、无二次击穿现象等。缺点是电压还不能太高、电流容量也不能太大。
GTO 优点是:电压、电流容量大;能耐受浪涌电流,适用大功率场合。缺点是门控回路比较复杂,开关速度低。
绝缘门极晶体管IGBT 优点是:输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点,又具有输入通态电压低,耐压高和承受电流大。缺点是:开关速度不及功率MOSFET 快,电压电流容量不及GTO 。
5.9解:
IGBT 驱动电路的特点是:驱动电路具有较小的输出电阻,IGBT 是电压驱动型器件,IGBT 的驱动多采用专用的混合集成驱动器。
GTR 驱动电路的特点是:驱动电路提供的驱动电流有足够陡的前沿,并有一定的过冲,这样可加速开通过程,减小开通损耗;关断时,驱动电路能提供幅值足够大的反向基极驱动电流,并加反偏截止电压,以加速关断速度。
GTO 驱动电路的特点是:GTO 要求其驱动电路提供的驱动电流的前沿应有足够的幅值和陡度,且一般需要在整个导通期间施加正门极电流,关断需施加负门极电流,幅值和陡度要求更高,其驱动电路通常包括开通驱动电路,关断驱动电路和门极反偏电路三部分。
功率MOSFET 驱动电路的特点:要求驱动电路具有较小的输入电阻,驱动功率小且电路简单。
缓冲电路(吸收电路)作用是防止过电压,抑制du/dt和di/dt,以及减小开关损耗。
关断缓冲与开通缓冲在电路上的形式区别有:关断缓冲电路是由电阻和二极管并联再和电容串联所构成,开通缓冲电路是由电阻和二极管串联再和电感并联所构成。其各自的功能是:关断缓冲电路又称为du/dt抑制电路,用于吸收器件的关断过电压和换相过电压,抑制du/dt,减小关断损耗。开通缓冲电路又称为di/dt抑制电路,用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt,减小器件的开通损耗。
5.11解:D
5.12解:智能功率集成电路
5.13解IGBT
5.14解:功率 MOSFET GTO IGBT
5.15解:过电流保护 过电压保护 过热保护
5.16解:较大的负电流