雪崩区Ⅲ，当UDS增大至使漏极PN结反偏电压过高，发生雪崩击穿，ID突然增加，此时进入雪崩区Ⅲ，直至器件损坏。使用时应避免出现这种情况。 (3) 功率MOSFET的开关特性
因为MOSFET存在输入电容Ci， Ci有充电过程，栅极电压UGS呈指数曲线上升，当UGS上升到开启电压
UT时，开始出现漏极电流iD，从脉冲电压的前沿到iD出现，这段时间称为开通延迟时间td。 * 随着UGS增加，iD上升，从有iD到iD达到稳态值所用时间称为上升时间tr。开通时间ton可表示为 ： * ton＝td＋tr (1-14)
* *
功率MOSFET开关特性
当脉冲电压下降到零时，栅极输入电容Ci通过信号源内阻RS和栅极电阻RG开始放电，栅极电压
UGS按指数曲线下降，当下降到UGSP时，漏极电流才开始减小，这段时间称为关断延迟时间ts。 * Ci 继续放电，从iD减小，到UGS＜UT沟道关断，iD下降到零。这段时间称为下降时间tf。关断时间toff可表示为 * toff＝ts＋tf (1-15)
* 由上分析可知，改变信号源内阻RS，可改变Ci 充、放电时间常数，影响开关速度。
* *
(4) 安全工作区(SOA)
功率MOSFET没有二次击穿问题，具有非常宽的安全工作区，特别是在高电压范围内，但是功
率MOSFET的通态电阻比较大，所以在低压部分不仅受最大电流的限制，还要受到自身功耗的限制。 * ① 正向偏置安全工作区(FBSOA) *
正向偏置安全工作区由四条边界极限所包围的区域。漏源通态电阻线，最大漏极电流线，最大功耗限制线和最大漏源电压线。 * ② 开关安全工作区(SSOA) *
开关安全工作区(SSOA)表示器件工作的极限范围。在功率MOSFET换流过程中，当器件体内反并联二级管从导通状态进入反向恢复期时，如果漏极电压上升过大，则很容易造成器件损坏。二极管反向恢复期内漏源极的电压上升率称为二极管恢复耐量，二极管恢复耐量是功率MOSFET可靠性的一个重要参数。 * * * * * * * * * *
*
4. 功率场效应晶体管的主要参数 （1）漏源击穿电压BUDS
该电压决定了功率MOSFET的最高工作电压。
（2）栅源击穿电压BUGS
该电压表征了功率MOSFET栅源之间能承受的最高电压。 （3）漏极最大电流ID
表征功率MOSFET的电流容量。 （4）开启电压UT
又称阈值电压，它是指功率MOSFET流过一定量的漏极电流时的最小栅源电压。
(5) 通态电阻Ron
功率MOSFET处于恒流区时的直流电阻，是影响最大输出功率的 是指在确定的栅源电压UGS下，
(6) 极间电容
是影响其开关速度的主要因素。其极间电容分为两类；一类为CGS和CGD，它们由MOS结构的绝
重要参数。 * *
缘层形成的，其电容量的大小由栅极的几何形状和绝缘层的厚度决定；另一类是CDS，它由PN结构成，其数值大小由沟道面积和有关结的反偏程度决定。 * 1.2.6 绝缘栅双极型晶体管IGBT
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* 绝缘栅双极型晶体管IGBT是80年代中期问世的一种新型复合电力电子器件，由于它兼有
MOSFET的快速响应、高输入阻抗和BJT的低通态压降、高电流密度的特性，这几年发展十分迅速。 * 1. 绝缘栅双极型晶体管的结构 *
IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区BJT。从图中我们还可以看到在集电极和发射极之间存在着一个寄生晶闸管，寄生晶闸管有擎住作用。采用空穴旁路结构并使发射区宽度微细化后可基本上克服寄生晶闸管的擎住作用。IGBT的低掺杂N漂移区较宽，因此可以阻断很高的反向电压。 * * * * * * * * * * * * *
IGBT的结构、符号及等效电路 2. 绝缘栅双极型晶体管的 工作原理
当UDS＜0时，J3PN结处于反 偏状态，IGBT呈反向阻断状态。 当UDS＞0时，分两种情况：
① 若门极电压UG＜开启电压UT，IGBT呈正向阻断状态。 ② 若门极电压UG＞开启电压UT，IGBT正向导通。 3.绝缘栅双极型晶体管的特性 (1) IGBT的伏安特性 (2) IGBT的转移特性 (3)开关特性 (4) 擎住效应
* IGBT为四层结构，存在一个寄生晶闸管，在NPN晶体管的基极与发射极之间存在一个体区短路电阻， P型体区的横向空穴流过此电阻会产生一定压降，对J3结相当于一个正偏置电压。在规定的集电极电流范围内，这个正偏置电压不会使NPN晶体管导通；当IC大到一定程度时，该偏置电压使NPN晶体管开通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态。于是栅极失去控制作用， 这就是所谓的擎住效应。 * * * * *
*
(5) 安全工作区
4. 绝缘栅双极型晶体管的主要参数 (1) 集射极额定电压UCES 栅射极短路时的IGBT最大耐压值。
(2) 栅射极额定电压UGES
UGES是栅极的电压控制信号额定值。只有栅射极电压小于额定电压值，才能使IGBT导通而不致 (3) 栅射极开启电压UT
使IGBT导通所需的最小栅-射极电压,通常IGBT的开启电压UT在3V～5.5V之间。 (4) 集电极额定电流IC
在额定的测试温度(壳温为25℃)条件下，IGBT所允许的集电极最大直流电流。 (5) 集射极饱和电压UCEO
IGBT在饱和导通时，通过额定电流的集射极电压。通常IGBT的集射极饱和电压在1.5V～3V之
损坏。 * * * * * *
间。
* 1.3 电力电子器件的驱动电路 * * *
1.3.1 晶闸管的门极驱动电路
1.晶闸管对门极驱动电路的基本要求
①驱动信号可以是交流、直流或脉冲，为了减小门极的损耗，驱动信号常采用脉冲形式。
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* ②驱动脉冲应有足够的功率。驱动电压和驱动电流应大于晶闸管的门极触发电压和门极触发
电流。
* ③ 触发脉冲应有足够的宽度和陡度。触发脉冲的宽度一般应保证晶闸管阳极电流在脉冲消失前能达到擎住电流，使晶闸管导通，这是最小的允许宽度。一般触发脉冲前沿陡度大于10V/μs或800mA/μs。
* 2.触发电路的型式 *
控制电路应该和主电路隔离，隔离可采用脉冲变压器或光电耦合器。
* 基于脉冲变压器Tr和晶体管放大器的驱动电路如图所示，当控制系统发出的高电平信号加至晶体管放大器后，变压器输出电压经VD2输出脉冲电流IG触发SCR导通。当控制系统发出的驱动信号为零后，VD1、VDZ续流，变压器的一次侧电压迅速降为零，防止变压器饱和。
* 光耦隔离的SCR驱动电路如图所示。当控制系统发出驱动信号到光耦输入端时，光耦输出电路中电阻R上的电压产生脉冲电流IG触发SCR导通。 * * * * * * * *
1.3.3 双极型功率晶体管的基极驱动电路
1. BJT的驱动电路的重要性
驱动电路性能不好，轻则使BJT不能正常工作，重则导致BJT损坏。其特性是决定电流上升率增加基极驱动电流使电流上升率增大，使BJT饱和压降降低，从而减小开通损耗。
过大的驱动电流，使BJT饱和过深，退出饱和时间越长，对开关过程和减小关断损耗越不利。 驱动电路是否具有快速保护功能，是决定BJT在过电压或过电流后是否损坏的关键因素之一。 2.BJT对基极驱动电路的基本要求
① BJT导通时，基极电流值在最大负载下应维护BJT饱和导通，电流的上升率应充分大，以减
和动态饱和压降大小的重要因素之一。
小开通时间。 IB1=(1.5～2) ICmax/β
* ② BJT关断时，反向注入的基极电流峰值及下降率应充分大，以缩短关断时间。 IB2最大峰值为IB1的(2～3)倍。 *
③ 为防止关断时的尾部效应而导致BJT的损坏，驱动电路应提供给基射结合适的反偏电压，促使BJT快速关断，防止二次击穿。
* ④ BJT瞬时过载时，驱动电路应能相应地提供足够大的驱动电流，保证BJT不因退出饱和区而损坏。
* ⑤ BJT导通过程中，如果BJT集射结承受电压或流过它的电流超过了设定的极限值，应能自动切除BJT的基极驱动信号。 *
为了提高工作速度，降低开关损耗，多采用抗饱和措施；为了确保器件使用安全，尽可能采用多种保护措施，为了使电路简化，功能齐全，应尽可能采用集成器件。 * 3. BJT驱动电路的设计方法 *
BJT的基极驱动方式直接影响着它的工作状态，可使某些参数和特性得到改善或是遭到损害，基极驱动电路的特性是决定集电极电流上升率di/dt和动态饱和压降的重要因素，过驱动可以减小开通损耗，但对关断过程不利，增加了关断损耗。 *
(1) 开通与通态
* 由于器件一般在100℃～120℃的结点温度下使用，考虑到温度条件，则应取比标称值低20%～30%的数值。基极电流应尽可能大，以便开通或关断大的集电极电流。但基极电流过大会造成电路过饱和，增大了关断时间，反而降低了承受破坏的能力。因此，应限制基极电流过大。 * * *
在开通与通态的情况下，基极电流按下式取值： IB1=(1.5～2) ICmax/β (1-17) (2) 关断与断态
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在BJT的基极加入反向驱动电流，可加速其关断，而且基射极的状态会影响集射极承受电压的能力。如果基射极被反偏置，可控制集射极的耐压，也能防止由于噪声引起的操作失误和抑制du/dt产生的电流。 *
反向基极电流IB2较大，BJT的关断时间缩短，但是IB2增大，浪涌电压增大，反向偏置安全工作区变窄，确定IB2必须考滤到使用频率、反向偏置安全工作区、存储时间和下降时间。由于浪涌电压与IB2的大小和主电路的设置密切相关 * * *
实际应通过实验来确定IB2，IB2最大峰值为IB1的(2～3)倍。
抗饱和贝克箝位电路
将多余的基极电流从集电极引出，使BJT在不同集电极电流情况下都处于饱和状态，使集电结
处于零偏置或轻微正向偏置的状态。图中VD1、VD2为抗饱和二极管，VD3为反向基极电流提供回路。轻载时，当BJT饱和深度加剧而使UCE减小时，A点电位高于集电极电位，使流过二极管VD1的基极电流IB减小，从而减小了BJT的饱和深度。 * * *
（2）固定反偏驱动电路
1.3.4 功率场效应晶体管的栅极驱动电路
⑤ 驱动电路应具备良好的电气隔离性能，以实现主电路与控制电路之间的隔离，使之具有较
强的抗干扰能力，避免功率电路对控制信号造成干扰。
* ⑥ 驱动电路应能提供适当的保护功能，使得功率管可靠工作，如低压锁存保护、过电流保护、过热保护及驱动电压箝位保护等。 *
⑦ 驱动电源必须并联旁路电容，它不仅滤除噪声，也用于给负载提供瞬时电流，加快功率MOSFET的开关速度。
* 2.功率MOSFET驱动电路 *
（1） TTL驱动电路
* 当TTL输出管导通时，晶体管V截止，功率MOSFET的输入电容被短路至地，这时吸收电流的能力受TTL输出管的电流容量和它可能得到的基极电流的限制。 * * * *
TTL输出为高电平时，栅极通过晶体管V获得电压及电流，充电能力提高，因而开通速度加快。 (2)隔离驱动电路 变压器隔离驱动电路
通过变压器将控制信号回路与驱动回路隔离，在续流二极管VD支路中串接一只稳压管VDZ，当
VD关断时起箝位作用，从而缩短了关断时间。 * 光耦隔离驱动电路 *
通过光耦合器将控制信号回路与驱动回路隔离，使得输出级设计电阻减小，从而解决了栅极驱动源低阻抗的问题，但由于光耦合器响应速度慢，因此使开关延迟时间加长，限制了使用频率。 * 1.3.5 绝缘栅双极型晶体管的驱动电路 IGBT的驱动电路在它的应用中有着特别重要的作用
* 由于IGBT是MOSFET与BJT的复合器件，其对驱动电路要求与功率MOSFET一样。 1.4 电力电子器件的缓冲电路 *
1.4.1 缓冲电路的作用
* 电力电子器件的PN结在工作时，都有多数载流子存储。这些载流子的存储电荷为QS，在PN结进行换向时，具有电感的电路中可能产生很大的过电压US=Ldi/dt，当此过电压施加在器件的PN结上时，如果不加以吸收，这个过电压就可能击穿PN结而损坏器件。
* 附加各种缓冲电路，目的不仅是降低浪涌电压、du/dt和di/dt,还希望能减少器件的开关损耗、避免器件损坏和抑制电磁干扰，提高电路的可靠性。
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* 从图1-55所示的未加缓冲电路时电力电子器件的开关波形可以看出，在开通和关断过程中的
某一时刻，会出现开关管端电压和开关管电流同时达到最大值的情况，这时瞬时开关损耗也最大。其开关过程的负载线轨迹如图1-56的虚线所示。为了不使上述电压和电流的最大值同时出现。 *
如图1-57所示的复合缓冲电路，其中电感LS提供开通缓冲电路的作用，减少电力电子器件的di/dt及开通损耗；电容CS和二极管VDS组成有极性的关断缓冲电路，减少电力电子器件的du/dt及关断损耗，电阻RS提供放电回路。 * * * *
1.4.2 缓冲电路的类型 1. 耗能式缓冲电路 (1) RC关断缓冲电路
在晶闸管的阳极和阴极并联RC缓冲电路，用来防止晶闸管两端过大的du/dt造成晶闸管的误触
发，其中电阻RS能减小晶闸管开通时电容CS的放电电流。 * (2) RCD关断缓冲电路 CS将吸收电路中产生的过电压。开关管导通，电容CS有很大的放电电流流过开关管，在电容器上串联一个吸收电阻RS , 在吸收电阻RS的两端又并联了二极管VDS，这样在吸收过电压时不经过RS，以加快对过电压的吸收，而电容CS只能通过电阻RS放电，这样就可以衰减放电电流以保护开关管.
*
* (3) 母线吸收式缓冲电路
* RCD组成的关断缓冲电路虽具有较明显的抑制du/dt的作用，但电阻R的功耗很大，既造成散热困难，又影响了系统的效率。数个开关管共用一个母线吸收式缓冲电路的方案既具有抑制du/dt的作用，又可大大降低电阻R的功耗，其缓冲器电路如图所示。 * * *
(4) 开通缓冲电路
开关管开通时稳态电流值越大，开通时间越短，则di/dt越大。
为了限制di/dt的大小，常采用串联电感的方法，开通缓冲电路由电感LS和二极管VDS组成，与
开关管串联，在开关管开通过程中，电感LS限制电流的上升率di/dt；当开关管关断时，储存在电感LS中的能量通过二极管VDS的续流作用而消耗在VDS和电感本身的电阻上。 *
(5) 复合缓冲电路
* 当开关管开通时，LS限制电流上升率di/dt，而缓冲电容中的能量经CS、RS和LS回路放电，也减少了开关管承受的电流上升率di/dt。当开关管关断时，由于CS、VDS限制了开关管两端的电压上升率du/dt。 * *
2. 馈能式缓冲电路
将储能元件中的储能通过适当的方式回馈给负载或电源，可以提高装置的效率。在馈能过程
中，由于采用的元件不同，又可分为无源和有源两种方式。
* 无源馈能式能量的回馈主要由C0和VDC来实现，C0称为转移电容，VDC称为回馈二极管。在开关管关断时，缓冲电容器CS充电至电源电压VCC，在开关管下一次开通时，负载电流从续流二极管VDf转移至开关管；同时电容CS上的电压转移至电容C0上。当开关管再次关断时，电容CS再次充电，而电容C0向负载放电，能量得到回馈。 * 1.4.3 缓冲电路元件的选择 * *
增加缓冲电容CS，可以有效的抑制过电压，但抑制过电压，不宜采用过分增大CS的方法，增大缓冲电路元器件的参数选择不当，或连线过长造成分布电感LS过大等，也可能产生严重的过
CS会增加整体损耗。
电压。因此尽量减小连接线的分布电感LS,这就意味着要尽可能缩短二极管VDS、电容器CS和开关管的连线长度。
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