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  • 关于IGBT(绝缘栅双极型晶体管

    千次阅读 2019-05-15 15:22:50
    IGBT(绝缘栅双极型晶体管),是由 BJT(双极结型晶体三极管) 和 MOS(绝缘栅型场效应管) 组成的复合全控型-电压驱动式-功率半导体器件,其具有自关断的特征。简单讲,是一个非通即断的开关,IGBT没有放大电压的功能,导...

    来源: 中投证券

    IGBT(绝缘栅双极型晶体管),是由 BJT(双极结型晶体三极管) 和 MOS(绝缘栅型场效应管) 组成的复合全控型-电压驱动式-功率半导体器件,其具有自关断的特征。简单讲,是一个非通即断的开关,IGBT没有放大电压的功能,导通时可以看做导线,断开时当做开路。IGBT融合了BJT和MOSFET的两种器件的优点,如驱动功率小和饱和压降低等。

     

     

    IGBT模块是由IGBT与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品,具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点。

     

     

    IGBT是能源转换与传输的核心器件,是电力电子装置的“CPU” 。采用IGBT进行功率变换,能够提高用电效率和质量,具有高效节能和绿色环保的特点,是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术。

     

     

    IGBT是以GTR为主导元件,MOSFET为驱动元件的达林顿结构的复合器件。其外部有三个电极,分别为G-栅极,C-集电极,E-发射极。

     

     

    在IGBT使用过程中,可以通过控制其集-射极电压UCE和栅-射极电压UGE的大小,从而实现对IGBT导通/关断/阻断状态的控制。

    1)当IGBT栅-射极加上加0或负电压时,MOSFET内沟道消失,IGBT呈关断状态。

    2)当集-射极电压UCE<0时,J3的PN结处于反偏,IGBT呈反向阻断状态。

    3)当集-射极电压UCE>0时,分两种情况:

     

    ②若栅-射极电压UGE<Uth,沟道不能形成,IGBT呈正向阻断状态。

    ②若栅-射极电压UGE>Uth ,栅极沟道形成,IGBT呈导通状态(正常工作)。此时,空穴从P+区注入到N基区进行电导调制,减少N基区电阻RN的值,使IGBT通态压降降低。

     

    IGBT各世代的技术差异

     

    回顾功率器件过去几十年的发展,1950-60年代双极型器件SCR,GTR,GTO,该时段的产品通态电阻很小;电流控制,控制电路复杂且功耗大;1970年代单极型器件VD-MOSFET。但随着终端应用的需求,需要一种新功率器件能同时满足:驱动电路简单,以降低成本与开关功耗、通态压降较低,以减小器件自身的功耗。1980年代初,试图把MOS与BJT技术集成起来的研究,导致了IGBT的发明。 

    1985年前后美国GE成功试制工业样品(可惜后来放弃)。自此以后, IGBT主要经历了6代技术及工艺改进。

     

     

    从结构上讲,IGBT主要有三个发展方向:

    1)IGBT纵向结构:非透明集电区NPT型、带缓冲层的PT型、透明集电区NPT型和FS电场截止型;

    2)IGBT栅极结构:平面栅机构、Trench沟槽型结构;

    3)硅片加工工艺:外延生长技术、区熔硅单晶;

     

     

    其发展趋势是:①降低损耗 ②降低生产成本

    总功耗= 通态损耗 (与饱和电压 VCEsat有关)+开关损耗 (Eoff Eon)。同一代技术中通态损耗与开关损耗两者相互矛盾,互为消长。

     

     

    IGBT模块按封装工艺来看主要可分为焊接式与压接式两类。高压IGBT模块一般以标准焊接式封装为主,中低压IGBT模块则出现了很多新技术,如烧结取代焊接,压力接触取代引线键合的压接式封装工艺。

    随着IGBT芯片技术的不断发展,芯片的最高工作结温与功率密度不断提高, IGBT模块技术也要与之相适应。未来IGBT模块技术将围绕 芯片背面焊接固定 与 正面电极互连 两方面改进。模块技术发展趋势:

    • 无焊接、 无引线键合及无衬板/基板封装技术;

    • 内部集成温度传感器、电流传感器及驱动电路等功能元件,不断提高IGBT模块的功率密度、集成度及智能度。

     

    IGBT的主要应用领域

     

    作为新型功率半导体器件的主流器件,IGBT已广泛应用于工业、 4C(通信、计算机、消费电子、汽车电子)、航空航天、国防军工等传统产业领域,以及轨道交通、新能源、智能电网、新能源汽车等战略性新兴产业领域。

     

     

    1)新能源汽车

     

    IGBT模块在电动汽车中发挥着至关重要的作用,是电动汽车及充电桩等设备的核心技术部件。IGBT模块占电动汽车成本将近10%,占充电桩成本约20%。IGBT主要应用于电动汽车领域中以下几个方面:

    A)电动控制系统 大功率直流/交流(DC/AC)逆变后驱动汽车电机;

    B)车载空调控制系统 小功率直流/交流(DC/AC)逆变,使用电流较小的IGBT和FRD;

    C)充电桩 智能充电桩中IGBT模块被作为开关元件使用;

     

     

    2)智能电网

     

    IGBT广泛应用于智能电网的发电端、输电端、变电端及用电端:

    • 从发电端来看,风力发电、光伏发电中的整流器和逆变器都需要使用IGBT模块。

    • 从输电端来看,特高压直流输电中FACTS柔性输电技术需要大量使用IGBT等功率器件。

    • 从变电端来看,IGBT是电力电子变压器(PET)的关键器件。

    • 从用电端来看,家用白电、 微波炉、 LED照明驱动等都对IGBT有大量的需求。

     

     

    3)轨道交通

     

    IGBT器件已成为轨道交通车辆牵引变流器和各种辅助变流器的主流电力电子器件。交流传动技术是现代轨道交通的核心技术之一,在交流传动系统中牵引变流器是关键部件,而IGBT又是牵引变流器最核心的器件之一。

     

     

     

    IGBT国内外市场规模

    2015年国际IGBT市场规模约为48亿美元,预计到2020年市场规模可以达到80亿美元,年复合增长率约10%。2014年国内IGBT销售额是88.7亿元,约占全球市场的1∕3。预计2020年中国IGBT市场规模将超200亿元,年复合增长率约为15%。

     

    从公司来看,国外研发IGBT器件的公司主要有英飞凌、 ABB、三菱、西门康、东芝、富士等。中国功率半导体市场占世界市场的50%以上,但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市场上,90%主要依赖进口,基本被国外欧美、日本企业垄断。

     

     

    国外企业如英飞凌、 ABB、三菱等厂商研发的IGBT器件产品规格涵盖电压600V-6500V,电流2A-3600A,已形成完善的IGBT产品系列。

    英飞凌、 三菱、 ABB在1700V以上电压等级的工业IGBT领域占绝对优势;在3300V以上电压等级的高压IGBT技术领域几乎处于垄断地位。 在大功率沟槽技术方面,英飞凌与三菱公司处于国际领先水平。

    西门康、仙童等在1700V及以下电压等级的消费IGBT领域处于优势地位。

     

     

     

    尽管我国拥有最大的功率半导体市场,但是目前国内功率半导体产品的研发与国际大公司相比还存在很大差距,特别是IGBT等高端器件差距更加明显。核心技术均掌握在发达国家企业手中,IGBT技术集成度高的特点又导致了较高的市场集中度。 跟国内厂商相比,英飞凌、 三菱和富士电机等国际厂商占有绝对的市场优势。形成这种局面的原因主要是:

    • 国际厂商起步早,研发投入大,形成了较高的专利壁垒。

    • 国外高端制造业水平比国内要高很多,一定程度上支撑了国际厂商的技术优势。

     

     

     

    中国功率半导体产业的发展必须改变目前技术处于劣势的局面,特别是要在产业链上游层面取得突破,改变目前功率器件领域封装强于芯片的现状。

    总的来说,在技术差距方面有:高铁、智能电网、新能源与高压变频器等领域所采用的IGBT模块规格在6500V以上,技术壁垒较强;IGBT芯片设计制造、模块封装、失效分析、测试等IGBT产业核心技术仍掌握在发达国家企业手中。

     

     

     

    近几年中国IGBT产业在国家政策推动及市场牵引下得到迅速发展,已形成了IDM模式和代工模式的IGBT完整产业链,IGBT国产化的进程加快,有望摆脱进口依赖。

     

     

    受益于新能源汽车、轨道交通、智能电网等各种利好措施,IGBT市场将引来爆发点。希望国产IGBT企业能从中崛起。

    展开全文
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  • 固态器件理论(6)双极型晶体管

    千次阅读 2020-05-30 17:23:50
    晶体管与一对背对背二极管的区别在于基极(中心层)非常薄。这允许来自发射极的多数载流子作为少数载流子通过基极扩散到基极-集电极结的耗尽区,在那里强电场将它们收集起来。

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    正文

    之所以命名双极结型晶体管(BJT)是因为其工作涉及两个载流子的传导:同一晶体中的电子和空穴。第一个双极晶体管是由威廉·肖克利(William Shockley),沃尔特·布拉顿(Walter Brattain)和约翰·巴丁(John Bardeen)于1947年在贝尔实验室(Bell Labs)发明的,直到1948年才发布。因此,关于发明日期,有许多不同的文献。 Brattain制造了一个锗点接触晶体管,与点接触二极管有些相似。在一个月内,肖克利有了一个更实用的结型晶体管,我们将在以下段落中进行描述。他们因晶体管而获得1956年的诺贝尔物理学奖。

    下图(a)所示的双极结型晶体管是NPN三层半导体三明治结构,其两端分别具有发射极和集电极,并且在其间具有基极。好像将第三层添加到两层二极管中一样。如果这是唯一的要求,那么我们将只有一对背对背二极管。实际上,构建一对背对背二极管要容易得多。制造双极结型晶体管的关键是使中间层,基极尽可能薄,而又不使外层,发射极和集电极短路。我们不能过分强调薄基区的重要性.

    BJT交界处

    下图(a)中的器件具有一对结,即发射极与基极,基极与集电极以及两个耗尽区。

    在这里插入图片描述

    (a)NPN结双极晶体管。 (b)对集电极基极结施加反向偏压。

    如图(b)所示,通常对双极结型晶体管的基极-集电极结进行反向偏置。请注意,这会增加耗尽区的宽度。反向偏置电压可能在几伏到几十伏之间。对于大多数晶体管,集电极电路中除了漏电流外没有电流流过。

    在下图(a)中,已将电压源添加到发射极基极电路。通常,我们将发射极-基极结正向偏置,以克服0.6 V的势垒。这类似于对结型二极管进行正向偏置。为了使多数载流子(NPN的电子)从发射极流入基极,成为P型半导体中的少数载流子,该电压源需要超过0.6V。

    如果基极区很厚,如一对背对背二极管,则所有流入基极的电流都会流出基极引线。在我们的NPN晶体管示例中,离开基极发射极的电子将与基极中的空穴结合,从而为随着电子离开而在基极的(+)电池端子处产生更多空穴提供了空间。

    但是,基座制造得很薄。实际上,发射器中的少数多数载流子作为少数载流子注入了基体中。参见下图(b)。发射极注入NPN晶体管基极的电子很少会掉入空穴。另外,几乎没有电子进入基极,直接通过基极流向电池正极。电子的大部分发射器电流通过薄基极扩散到集电极中。此外,调制较小的基极电流会产生较大的集电极电流变化。如果对于硅晶体管,基极电压降至约0.6 V以下,则大的发射极-集电极电流将停止流动。

    在这里插入图片描述

    BJT电流放大

    在下图中,我们仔细研究了电流放大机制。 我们放大了NPN结晶体管的放大图,重点是薄基极区。 尽管未显示,但我们假设外部电压源 1)正向偏置发射极-基极结,2)反向偏置基极-集电极结。 电流使发射极流向(-)电池端子。 基本电流对应于从(+)电池端子进入基本端子的电流。

    进入基极的电子的分布:(a)由于与基极空穴复合而丢失。 (b)流出基础引线。 (c)大多数从发射极通过薄基极扩散到基极-集电极耗尽区,(d)被强耗尽区电场迅速扫入集电极。
    在这里插入图片描述

    N型发射极内的多数载流子是电子,进入P型基极时成为少数载流子。这些电子面临进入薄P型基极的四种可能的命运。上图(a)中的一些掉入了基极的空穴中,这些空穴有助于使基极电流流向(+)电池端子。未示出,基极中的空穴可扩散到发射极中并与电子结合,从而贡献基极端电流。 (b)中很少有电流通过基极流向(+)电池端子,就好像基座是电阻器一样。 (a)和(b)都对很小的基本电流有贡献。对于小信号晶体管,基极电流通常为发射极或集电极电流的1%。大多数发射极电子会通过薄的基极(c)扩散到基极-集电极耗尽区。注意在(d)处围绕电子的耗尽区的极性。强电场将电子迅速扫入集电极。电场强度与集电极电池电压成正比。因此,有99%的发射极电流流入集电极。它由基极电流控制,该基极电流是发射极电流的1%。这是潜在的电流增益99,即IC / IB的比率,也称为β。

    仅当基极薄时,才有可能发生这种神奇的现象,即99%的发射极通过基极扩散。 100倍于基极的基极少数载流子的命运是什么?人们会期望电子落入空穴的复合速率更高。也许有99%而不是1%会掉进洞里,再也不会碰到集电极了。第二点是,只有当99%的发射极电流扩散到集电极中时,基极电流才可以控制99%的发射极电流。如果全部流出基极,则无法控制。

    另一个使99%的电子从发射极传递到集电极的功能是,实际的双极结型晶体管使用小的重掺杂发射极。高浓度的发射极电子迫使许多电子扩散到基极中。基极中较低的掺杂浓度意味着更少的空穴扩散到发射极中,这将增加基极电流。载流子从发射极到基极的扩散是非常有利的。

    薄的基极和重掺杂的发射极有助于保持较高的发射极效率,例如99%。这对应于100%的发射极电流在基极(1%)和集电极(99%)之间分配。发射极效率称为α= IC / IE。

    BJT的类型

    双极结型晶体管可用作PNP以及NPN器件。 我们在下图中比较了这两个。 区别在于基极发射极二极管结的极性,如原理图发射极箭头的方向所示。 它沿着电流指向与结型二极管的阳极箭头相同的方向。 参见二极管结,上图。 箭头和棒的点分别对应于P型和N型半导体。 对于NPN和PNP发射器,箭头分别指出和指向底部。 集电极上没有示意图箭头。 但是,与二极管相比,基极-集电极结与基极-发射极结具有相同的极性。 注意,我们说的是二极管,而不是电源,极性。

    在这里插入图片描述
    比较(a)处的NPN晶体管和(b)处的PNP晶体管。 注意发射器箭头的方向和电源极性。

    与NPN晶体管相比,PNP晶体管的电压源是反向的,如上图所示。 在两种情况下,基极-发射极结必须正向偏置。 与NPN的正(a)相比,PNP晶体管的基极偏置为负(b)。 在这两种情况下,基极-集电极结都是反向偏置的。 对于NPN晶体管,PNP集电极电源为负,而正则为负。

    在这里插入图片描述

    双极结型晶体管:(a)分立器件截面,(b)原理图符号,(c)集成电路截面。

    请注意,如上图(a)所示,BJT在发射极中掺杂很重,如N +标记所示。基极具有正常的P掺杂水平。基极比未按比例显示的横截面要薄得多。如N-符号所示,集电极是轻掺杂的。集电极需要轻掺杂,以使集电极-基极结具有高击穿电压。这转化为允许的高集电极电源电压。小信号硅晶体管的击穿电压为60-80V。不过,对于高压晶体管,它可能会达到数百伏。如果晶体管必须处理高电流,则还需要重掺杂集电极以最大程度地减少欧姆损耗。通过在金属接触区域更重地掺杂集电极,可以满足这些矛盾的要求。与发射极相比,靠近基极的集电极要轻掺杂。发射极中的重掺杂使小信号晶体管的发射极基极具有大约7 V的低击穿电压。重掺杂的发射极使发射极-基极结具有齐纳二极管的反向偏置特性。

    BJT芯片是一块切片和切块的半导体晶片,被集电极向下安装到功率晶体管的金属外壳中。即,金属壳电连接至集电极。小信号管芯可以封装在环氧树脂中。在功率晶体管中,铝焊线将基极和发射极连接到封装引线。小信号晶体管管芯可以直接安装到引线。可以在称为集成电路的单个管芯上制造多个晶体管。甚至可以将集电极粘接到引线上而不是外壳上。集成电路可以包含晶体管和其他集成组件的内部布线。如上图(c)所示,集成的BJT比“不按比例绘制”图纸要薄得多。 P +区将单个管芯中的多个晶体管隔离。铝金属化层(未示出)将多个晶体管和其他组件互连。发射极区被重掺杂,与基极和集电极相比,N +重,以提高发射极效率。
    分立的PNP晶体管的质量几乎与NPN晶体管一样高。然而,在同一集成电路芯片中,集成的PNP晶体管不如NPN品种好。因此,集成电路尽可能多地使用NPN。

    回顾

    双极晶体管利用同一器件中的电子和空穴传导电流。
    双极晶体管作为电流放大器的工作要求将集电极-基极结反向偏置,并将发射极-基极结正向偏置。
    晶体管与一对背对背二极管的区别在于基极(中心层)非常薄。这允许来自发射极的多数载流子作为少数载流子通过基极扩散到基极-集电极结的耗尽区,在那里强电场将它们收集起来。
    与集电极相比,更重的掺杂提高了发射极效率。发射效率:α= IC / IE,小信号设备为0.99
    电流增益为β= IC / IB,对于小信号晶体管为100至300。

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    FPGA/IC技术交流2020

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  • 绘制晶体管电路的等效电路有四条黄金法则: 在最开始,先将电路中的晶体管转换为等效电路 选用特定的频率,此时电容阻抗为0,将其视为导线 找到交流分析中的GND???(记住,电源在AC信号中视为导线,这在之前的...


    绘制晶体管电路的等效电路有四条黄金法则:

    1. 在最开始,先将电路中的晶体管转换为等效电路
    2. 选用特定的频率,此时电容阻抗为0,将其视为导线
    3. 找到交流分析中的GND???(记住,电源在AC信号中视为导线,这在之前的文章中提到过)
    4. 加上剩下的电路元件来获得完整的等效电路

    接下来,本文将介绍如何获取不同放大器配置下的等效电路

    如果某个公式前的介绍是加粗的,说明这个公式需要着重注意

    1. 晶体管等效电路

    在分析完整电路之前,我们需要先得到晶体管的等效电路,这是黄金法则的第一条
    上一篇文章曾经介绍过晶体管等效电路,但在这里,我们需要在原本的等效电路基础上增加一个内部基极电阻 r b r_b rb
    r b r_b rb可以理解为基极active区域和基极contact区域之间的电阻

    最终,我们得到的等效电阻如图所示:
    晶体管等效电路
    其中 r b r_b rb 的阻值一般为几十欧姆,在高频时会变得非常重要,具体原因会在讲到高频等效电路时解释

    得到晶体管的等效电路后,我们就要开始分析四种不同的基本放大器电路了
    每种电路配置都拥有自己的特性,我们可以利用这些特性来实现更加复杂的电路
    判断不同的电路需要看输入电压被输入到哪两极,输出电压从哪两极输出,即被输入,也有输出的那一级,就是被共用的一极,通常用这一极的名字来命名该电路(共集电极判断方法特殊,但仍是共用)

    2. Common emitter (CE)

    2.1 电压增益

    下图是一张典型的共发射极放大电路图:
    CE
    可以看到,输出电压 V o V_o Vo跨越了发射极和集电极,输入电压两端是基极和发射极,发射极被共用,这是共发射极放大电路的特征

    由于输出电压与基极之间有电阻存在,与发射极和集电极之间的电阻因电容而被短路,所以输出电压是在发射极和集电极两端

    上图转化后得到的等效电路如下:
    CEEQ
    图中被虚线圈出的部分是三极管的等效电路
    在进行下一步转化之前,应用黄金法则二,我们需要作出三个假设:

    1. 输入信号频率足够低,使得晶体管内部电容可以被忽略
    2. 两个耦合电容器 C C C_C CC电容足够大,使得在我们选用的频率下其阻抗为0
    3. 发射极电容足够大,使得在我们选用的频率下其阻抗为0

    作出如上假设后,我们通过合并电阻和消除电容来进一步简化电路,所得如下:
    CE3
    根据这副电路图,我们可以得到的增益 A V A_V AV计算如下
    增益
    这个等式中,先将 V o V s \frac{V_o}{V_s} VsVo 拆分成了三部分,根据晶体管的公式以及电压之比等同于电阻之比,可以得到最右的结果
    其中,我们需要注意的降低增益的情况:

    1. r b r_b rb阻值的减小
    2. R S R_S RS阻值的增大
    3. r 0 r_0 r0阻值的减小(削弱 R t R_t Rt

    在很多情况下, r b < < r π r_b<<r_\pi rb<<rπ,此时 V π = V b e V_\pi=V_{be} Vπ=Vbe,增益的等式可以被简化为:
    简化增益等式
    可以看出,为了最大化增益,必须使得 R > r π R>r_\pi R>rπ,否则电流会更倾向于经过R到达GND而不是进入三极管基极

    如果出现以下三个情况,即
    R > > r π R>>r_\pi R>>rπ
    r π > > R s r_\pi>>R_s rπ>>Rs
    r o > > R c / / R L r_o>>R_c//R_L ro>>Rc//RL

    可以得到
    增益最大化
    此时,如果 R L > > R C R_L>>R_C RL>>RC

    可以得到增益的最大值为:
    最大增益
    如何才能获得这个增益的最大值,就是我们在设计电路时需要考虑的

    想要进一步提升增益的话,我们需要增大电源电压以及 I C Q I_{CQ} ICQ,这是我们不想看到的,因为它会增加所需的功率

    这意味着,拥有一个电阻负载的简单CE放大器能提供的电压增益是有限的:

    在不失真的情况下,电压增益其实很小,更高的增益也意味着更高的功耗,是得不偿失的

    还有一种办法是使用“主动负载“ (active load),这需要我们重新考虑整个电路,我们会在后面详谈这一方法

    2.2 电流增益

    计算电流增益的方式和计算电压增益的流程基本一样,此处仅列关系式,不多赘述,仅需要记住 g m v π g_mv_\pi gmvπ是电流的量, β = g m r π \beta=g_mr_\pi β=gmrπ
    在这里插入图片描述
    如果
    r π > > r b r_\pi>>r_b rπ>>rb
    R > > r π R>>r_\pi R>>rπ
    r o > > R C r_o>>R_C ro>>RC

    可以得到
    在这里插入图片描述
    如果 R C > > R L R_C>>R_L RC>>RL,电流增益可以达到最大值: A i → β A_i\rightarrow\beta Aiβ

    2.3 输入电阻(低频)

    输入电阻分为两部分:
    第一部分是以交流信号源为视角,即最左边的大眼睛,此处电压为 V i V_i Vi,电流为 i i i_i ii,输入电阻为 V i i i = R / / ( r π + r b ) \frac{V_i}{i_i}=R//(r_\pi+r_b) iiVi=R//(rπ+rb)

    第二部分是以晶体管基极为视角,即左数第二个大眼睛,此处电压为 V b e V_{be} Vbe,电流为 i b i_b ib,输入电阻为 V b e i b = ( r b + r π ) \frac{V_{be}}{i_b}=(r_b+r_\pi) ibVbe=(rb+rπ)

    2.4 输出电阻(低频)

    输出电阻以负载为视角,即最右边的大眼睛,其阻值 R L = R c / / r o R_L=R_c//r_o RL=Rc//ro

    各视角如图所示:视角图

    3. Common emitter with emitter degradation (CE-ED)

    CE-ED实际上是共发射极放大电路的一种特殊形式,电路图如下:
    ceed
    CE-ED的电路不含电容,这是不是这种电路的特性有待商榷???

    简化这种电路时,我们可以先作出如下假设:

    1. r π > > r b r_\pi>>r_b rπ>>rb
    2. R → ∞ R\rightarrow\infty R
    3. r o → ∞ r_o\rightarrow\infty ro

    如此一来, r o , R r_o, R ro,R 所在的支路就可被视为断路,而 r b r_b rb 则可以被消除,最终视图如下

    退化电路
    我们可以看出,此时流过 R E R_E RE的电流包括 i b i_b ib β i b \beta i_b βib,流过 r π r_\pi rπ的电流为 i b i_b ib,我们可以得出输入电阻为:

    输入电阻
    简化后得到:
    R i = r π + ( 1 + β ) R E R_i=r_\pi+(1+\beta)R_E Ri=rπ+(1+β)RE
    如果 β > > 1 \beta>>1 β>>1,结果可被简化成:

    在这里插入图片描述
    注意,R必须至少是 r i r_i ri的10倍才可以被视为断路,否则,输入电阻为:

    在这里插入图片描述

    3.1 电压增益

    下图是添加了电源( V S , R S V_S, R_S VS,RS)之后的完整等效电路:
    在这里插入图片描述
    与CE-ED的分析与CE类似,不同的是,这次我们消去了 r b , r o r_b, r_o rb,ro,多了一个 R E R_E RE
    因此,计算电流增益的方式也与CE有所不同,我们得到的 v i , v o v_i, v_o vi,vo如下:

    在这里插入图片描述
    计算 A V A_V AV得到

    v s , v i v_s, v_i vs,vi的比值就是他们电阻的比值,因此 v s v_s vs可以不用计算
    R i R_i Ri的表达式我们在上文中提到过,接下来我们需要作出两个假设
    R / / R i > > R s R//R_i>>R_s R//Ri>>Rs
    β > > 1 \beta>>1 β>>1
    简化得到的 A V A_V AV

    在这里插入图片描述
    由于 g m = β / r π g_m=\beta/r_\pi gm=β/rπ
    可以用 g m g_m gm替代上式中的β
    得到:
    在这里插入图片描述
    其中 r π r_\pi rπ被约分后消去
    最后,如果 g m R E > > 1 g_mR_E>>1 gmRE>>1
    可以得到:
    在这里插入图片描述
    这里我们需要注意, g m R E = 40 I C R E g_mR_E=40I_CR_E gmRE=40ICRE,因此跨越 R E R_E RE的压降,即 I C R E I_CR_E ICRE必须 > > 1 / 40 >>1/40 >>1/40才能让上式成立

    3.2 电流增益

    i o i_o io是通过 R L R_L RL的电流, i c i_c ic的电流是通过电阻 R L , R C R_L, R_C RL,RC的电流之和,因此
    在这里插入图片描述
    由于 i i = i b i_i=i_b ii=ib,可以得到电流增益为:

    在这里插入图片描述

    3.3 输出电阻

    假设 r o → ∞ r_o\rightarrow\infty ro
    可以得到输出电阻 R O R_O RO为:
    v o i o ≈ R C \frac{v_o}{i_o}\approx R_C iovoRC

    4. Common collector (CC) - 也被称为 emitter follower (EF)

    下图是一张典型的共集电极放大电路图:
    在这里插入图片描述
    可以看到,输出电压 V o V_o Vo和负载电阻 R L R_L RL的位置在GND与发射极之间,而不是像CE放大电路一样跨越了集电极和发射极,而集电极直接与电源 V c c V_{cc} Vcc相连,这是共集电极放大电路的特点

    简化的套路和CE差不多,最后得出的等效电路如下:
    CC

    4.1 输入电阻

    由上图,可以得出
    在这里插入图片描述
    如果不忽略R和 r b r_b rb的话,最终得出 R i R_i Ri如下

    Ri
    实际中, r b < < r π r_b<<r_\pi rb<<rπ且通常可以被忽略,但是R一般不行

    4.2 电压增益

    计算电压增益时,我们仍然可以用老办法
    在这里插入图片描述
    先将 v i / v s v_i/v_s vi/vs拆分成两部分,其中 v i / v s v_i/v_s vi/vs可以直接根据电阻比值表达出来
    接下来,我们需要找到 v o , v i v_o, v_i vo,vi
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    v i v_i vi表达式中的 v o v_o vo用它的表达式代替,假设 β > > 1 \beta>>1 β>>1, 且用 g m r π g_mr_\pi gmrπ代替 β \beta β,可以化简得到:

    在这里插入图片描述
    因为 g m ( R E / / R L > > 1 ) g_m(R_E//R_L>>1) gm(RE//RL>>1) R i / / R > > R S R_i//R>>R_S Ri//R>>RS
    可以得到电压增益的表达式为:
    在这里插入图片描述
    因此,对于共集电极放大电路来说,电压增益小于1且不可逆

    4.3 输出电阻

    共集电极放大电路的输出电阻是 R E R_E RE与从射电极看进去的阻抗并联 的电阻
    为了找到这个阻抗,我们需要先想象一个去掉 R E R_E RE的电路,接着,在 R E R_E RE原本所处的位置上施加一个很小的电流 Δ i o \Delta i_o Δio,如下图所示:
    在这里插入图片描述
    输出电压会下降一个很小的值 Δ V o \Delta V_o ΔVo
    阻抗的值就等于这里的电压与电流之比:
    r o = ∣ Δ V o / Δ i o ∣ r_o=|\Delta V_o/\Delta i_o| ro=ΔVo/Δio
    由于输出电压的减小,基极电流将会增加 Δ V o / ( R S + r π ) \Delta V_o/(R_S+r_\pi) ΔVo/(RS+rπ), 集电极电流将会增加 β Δ V o / ( R S + r π ) \beta\Delta V_o/(R_S+r_\pi) βΔVo/(RS+rπ)

    总的因电压下降而发生变化的电流大小 Δ i o = ( β + 1 ) Δ V o ( R S + r π ) \Delta i_o=(\beta +1)\frac{\Delta V_o}{(R_S+r_\pi)} Δio=(β+1)(RS+rπ)ΔVo
    由此可以得到:
    在这里插入图片描述
    其中 V o V_o Vo被约分, r e = 1 g m r_e=\frac{1}{g_m} re=gm1
    重新装配上 R E R_E RE,计算总输出电阻为:
    在这里插入图片描述
    R S R_S RS指代基极那部分电路的电阻,这个关系式就是通用的,最终得出的输出电阻一般是一个很小的值

    4.4 电流增益

    忽略电阻 r b , r o r_b, r_o rb,ro,可以得到电流增益为

    如果 R > > r π + ( 1 + β ) R E / / R L R>>r_\pi+(1+\beta)R_E//R_L R>>rπ+(1+β)RE//RL
    电流增益就可以化简为:
    在这里插入图片描述
    然而需要注意的是,R并不总是 > > r π + ( 1 + β ) R E / / R L >>r_\pi+(1+\beta)R_E//R_L >>rπ+(1+β)RE//RL

    4.5 用法

    从上文的计算中,我们可以看出CC放大电路的一些特点,那就是高输入阻抗,低输出阻抗和接近于1的电压增益,这样的电路常适合作为不同电路之间的缓冲器(buffer),使得一个模块的电路不会从另一个模块中的电路中夺取电流
    在这里插入图片描述
    以上图为例,CC的高输入阻抗使得其只会从电路1中获取极少的电流,但CC的低输出阻抗和高电流增益又会让电路2被操控。同时,约为1的电压增益使得来自电路1的电压输入可以几乎不被改变地输出给电路2

    5. Common base (CB)

    下图是一张典型的共基极放大电路图
    在这里插入图片描述
    可以看到,和CE相比,现在的输出电压 V o V_o Vo和负载电阻 R L R_L RL与射电极之间有电阻阻隔,而与基极之间的电阻因电容的存在而短路,此时输出电压的两端分别是集电极和基极,这是共基极放大电路的特点

    忽略 r b r_b rb r o r_o ro,转化后的等效电路如图所示:
    在这里插入图片描述
    其中虚线内的部分是晶体管等效电路

    5.1 电流增益

    利用电流定律,我们可以得出 i i , i c i_i, i_c ii,ic 流入电阻 r π r_\pi rπ 的分电流与 i b i_b ib方向相反大小相同
    而晶体管的特性则告诉我们 i b = i c / β i_b=i_c/\beta ib=ic/β,因此
    在这里插入图片描述

    根据上式,我们可以得出
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    用老招数,将 i o / i i i_o/i_i io/ii 拆分为 i c i i × i o i c \frac{i_c}{i_i}\times\frac{i_o}{i_c} iiic×icio,如果 β > > 1 \beta>>1 β>>1
    可以得出:
    在这里插入图片描述
    上文中提到过, r e = 1 g m r_e=\frac{1}{g_m} re=gm1
    如果 R E > > r e R_E>>r_e RE>>re,可以得出
    在这里插入图片描述
    注意这里电流的增益 A i < 1 A_i<1 Ai<1

    5.2 输入电阻

    在这里插入图片描述
    共基极放大电路的输出电阻计算与共集电极的类似,都需要找到从发射极看进去的电阻,然后将它与 R E R_E RE并联,但这次我们不用取掉 R E R_E RE

    假设发射极有一个小电流 Δ i e \Delta i_e Δie出现在E处,因此,E处的电势会减小 Δ V π \Delta V_\pi ΔVπ,输入电阻值为:
    R i = ∣ Δ V π Δ i e ∣ R_i=|\frac{\Delta V_\pi}{\Delta i_e}| Ri=ΔieΔVπ
    找到电压和电流的表达式为:
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    得出
    在这里插入图片描述
    输出电阻为:
    在这里插入图片描述

    5.3 电压增益

    首先,我们需要注意到
    v i = − v π v_i=-v_\pi vi=vπ
    因此
    V o = − g m v π R C / / R L = g m v i R C / / R L V_o=-g_mv_\pi R_C//R_L=g_mv_iR_C//R_L Vo=gmvπRC//RL=gmviRC//RL
    得出
    v o v i = g m R C / / R L \frac{v_o}{v_i}=g_mR_C//R_L vivo=gmRC//RL

    计算电压增益时,按老规矩拆分,可以得到:
    在这里插入图片描述
    因为 A V A_V AV大于0,所以这个放大电路并不会反转信号,增大电压 V S V_S VS可以减小发射极的偏置,从而减弱集电极电流并增大集电极电压

    5.4 输出电阻

    计算CB输出电阻的过程与CE-ED的非常像,都可以忽略 r o r_o ro
    最终得出的输出电阻 R O = R C R_O=R_C RO=RC

    6. 放大电路特性总结

    在这里插入图片描述
    上图是对四种不同晶体管放大电路特性的总结,包括电压增益,电流增益,输出电阻,输入电阻以及用法,这张图非常重要,需要记住

    多级放大器电路

    在实际中,我们会选用不同的放大电路组成多级放大器电路来实现信号的处理

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  • 绝缘栅双极晶体管IGBT

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    ■GTRGTO是双极型电流驱动器件,由于具有电导调制效应,其通流能力很强,但开关速度较低,所需驱动功率大,驱动电路复杂。而电力MOSFET是单极型电压驱动器件,开关速度快,输入阻抗高,热稳定性好,所需驱动功率小而且驱动电路简单。绝缘栅双极晶体管(Insulated-gate Bipolar Transistor——IGBTIGT综合了GTRMOSFET的优点,因而具有良好的特性。

    IGBT的结构

    IGBT  简化等效电路  电气图形符号

    IGBT的结构和工作原理

       IGBT的结构

           是三端器件,具有栅极G集电极C发射极E

           ☞N沟道VDMOSFET极型晶体管组合而成的IGBTVDMOSFET多一层P+注入区,实现对漂移区电导率进行调制,使得IGBT具有很强的通流能力。

           ☞简化等效电路表明,IGBT是用GTRMOSFET组成的林顿结构,相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP体管。        

    IGBT的工作原理

        IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同,是一种器件。

         ☞其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的。

           UGE为正且大于开启电压UGE(th)时,MOSFET内形成沟道,并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。

           当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时,MOSFET内的沟道消失,晶体管的基极电流被切断,使得IGBT关断。

        ☞电导调制效应使得电阻RN减小,这样高耐压的IGBT具有很小的通态压降

    IGBT的转移特性

    IGBT的基本特性

        静态特性

            转移特性

               描述的是集电极电流 IC与栅射电压UGE之间的关系。

               √开启电压UGE(th)IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压,随温度升高而略有下降。  

    IGBT的输出特性

    输出特性(伏安特性)

       描述的是以栅射电压为参考变量时,集电极电流IC与集射极间电压UCE之间的关系。

       分为三个区域:正向阻断区有源区饱和区

       UCE<0时,IGBT为反向阻断工作状态。

       √在电力电子电路中,IGBT工作在开关状态,因而是在正向阻断区饱和区之间来回转换。

    IGBT的开关过程

    动态特性

       开通过程

          √开通延迟时间td(on)

              电流上升时间tr

              电压下降时间tfv

              开通时间ton= td(on)+tr+ tfv

          √tfv分为tfv1tfv2两段。 

       关断过程

          关断延迟时间td(off)

              电压上升时间trv

              电流下降时间tfi

              关断时间toff = td(off) +trv+tfi

          tfi分为tfi1tfi2两段

       引入了少子储存现象,因而IGBT的开关速度要低于MOSFET。        

    IGBT的主要参数

       前面提到的各参数。

       ◆最大集射极间电压UCES

           由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所确定的。

       最大集电极电流

           包括额定直流电流IC1ms脉宽最大电流ICP

       最大集电极功耗PCM

           在正常工作温度下允许的最大耗散功率。 

    IGBT的特性和参数特点可以总结如下:

        开关速度高,开关损耗小。

        在相同电压和电流定额的情况下,IGBT安全工作区GTR大,而且具有耐脉冲电流冲击的能力。

        通态压降VDMOSFET低,特别是在电流较大的区域。

        输入阻抗高,其输入特性与电力MOSFET类似。

        ☞与电力MOSFETGTR相比,IGBT耐压通流能力还可以进一步提高,同时保持开关频率高的特点。

    IGBT的擎住效应和安全工作区

        ◆IGBT的擎住效应

            ☞IGBT内部寄生着一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成的寄生晶闸管。其中NPN晶体管的基极与发射极之间存在体区短路电阻P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降,相当于对J3结施加一正向偏压,一旦J3开通,栅极就会失去对集电极电流的控制作用,电流失控,这种现象称为擎住效应自锁效应

           引发擎住效应的原因,可能是集电极电流过大(静态擎住效应),dUCE/dt过大(动态擎住效应),或温度升高。

           动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流还要小,因此所允许的最大集电极电流实际上是根据动态擎住效应而确定的。

    IGBT的安全工作区

         正向偏置安全工作区(Forward Biased Safe Operating Area——FBSOA

             根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。

        

         反向偏置安全工作区(Reverse Biased Safe Operating Area——RBSOA

             根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率dUCE/dt

     

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