晶体管基本概念

    1948年，贝尔电话实验室的物理学家组发明了世界上第一只晶体管，且很快就成为了一种最重要的半导体器体。在晶体管出现之前，只能用电子管来实现放大作用。虽然现在有集成几百万个晶体管的集成电路，可是对于电能的流动和控制仍然需要单个的晶体管。因此电力电子开关就构成了现代电力电子技术的核心。这样的器件应该具有额定高电压和大电流，瞬时开通和关断特性；在全导通条件下，有非常低的通态压降；在阻断条件下，有零漏电流；在快速通断高的感性负载时，具有足够的耐受能力。而且，这些特性还要就它们的安全工作区( SOA)和反偏置二次击穿耐压，以及高温和耐辐射能力和高可靠性等方面作出判定。这些性能的适当组合，也就使这种器件的适用性被局限在某种特定的应用领域。图3-18描述了电压定额和电流定额同频率的关系，借此可了解最普通的电力电子半导体器件的工作范围。

    图3-18    电力电子器件的工作区域

   (a)电压与频率的关系；(b)电流与频率的关系

    图3-18实际上给出了电力电子器件在工业中典型应用的整体概念：高电压大电流器件允许应用在大型电动机传动、感应加热、利用再生能量的逆变器、用于HVDC的变换器、无功补偿器和有源滤波器中。电力NPN或PNP双极型晶体管作为传统器件，推动了工业的应用。可是由于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和金属氧化物半导体场效应晶体管( MOSFET)技术的快速进步，它们正迅速地取代双极型晶体管。不过，双极型NPN或PNP晶体管仍然有一些还可以被利用的性能，例如，晶体管在工作温度范围内，有较低的饱和电压。但它们的开关速度是相当慢的，呈现出长的开通和关断时间。当双极型晶体管在图腾柱电路中使用时，在设计方面要克服的最大难点是基极驱动电路。虽然双极型晶体管的输入电容比MOSFET和IGBT的要小，但它却是电流驱动型器件。因此，它的驱动电路必须产生一个大而宽的基极输入电流。与双极型晶体管相比，IGBT具有高输入阻抗的优点。可是它的输入电容也很大。因此IGBT的驱动电路就必须具备在开关转换期间为输入电容提供快速充、放电的功能。IGBT的低饱和压降的特性和双极型晶体管是类似的，即使在工作温度范围内。为了确保可靠的开关转换，则要求IGBT的栅射极电压在-5与+10V之间切换。MOSFET的栅极特性在诸多方面和IGBT是类似的。例如，两种器件都具有高的输入阻抗，都是电压驱动型器件，为达到相同的驱动性能，它们都比双极型晶体管所用的硅材料要少。另外，MOSFET的栅极有大的输入电容，对栅极驱动电路要求与IGBT是一样的。从导通损耗与电压定额的关系可以看出，IGBT优于MOSFET。与IGBT相比，MOSFET的饱和电压是非常高的，在温度范围内工作的稳定性是较差的。根据这些理由，在20世纪80年代，IGBT已在一些应用中取代了双极型晶体管。虽然IGBT是介于晶体管和MOSFET之间的一种器件，即它既具有晶体管的开关工作和导通特性，又具有像MOSFEF的电压控制特点。早期的IGBT器件是易于锁定的，在20世纪80年代已经基本上被淘汰。一些IGBT具有另一种特性，那就是负温度系数，这将产生热逸走现象，从而使得IGBT难以并联。目前，最新一代IGBT已经解决了这个问题。

    很显然，电压和开关频率是电力电子器件的两个关键参数。人们可以依据这两个关键参数来确定，在具体应用中是使用MOSFET还是IGBT。然而，在器件工作范围发生交叠时，主要包括电压从250～1000V和频率从20～lOOkHz的范围，这时器件的选择仍有困难。在电压小于500V的功率应用中，BJT已经完全被MOSFET所取代。在高压应用中，BJT器件也已被替代，即新的设计方案都采用IGBT器件。在工业应用中，器件常规的额定参数为：阻断电压1～2kV，电流200～500A，开关速度10～100s。虽然在近几年里，新型高压设计方案中BJT被IGBT所取代是一种趋势，用双极型晶体管设计的新型功率系统的数量也在下降，但还是为BJT的应用保留了一些空间。此外在工业中长期使用BJT的历史也证明了，BJT还是一种很好的器件。