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1,功率半导体培训讲义,2,功率半导体器件,1.1 功率半导体器件种类与特点 1.2 功率晶体管 1.3 功率场效应管 1.4 绝缘栅极双极型晶体管 1.5 使用注意事项以及性能比较,3,1.1 功率半导体器件种类与特点,从功率等级来分类 有微功率器件、小功率器件、大功率器件等等制造材料分类 有锗管、硅管等等从导电机理分类 有双极型器件、单极型器件、混合型器件等等 从控制方式来分类 可分为不可控器件、半可控器件和全可控器件三类器件,1.1.1 半导体器件分类,4,1.1.2 功率半导体器件使用特点,电力半导体器件稳态时通常工作在饱和导通与截止两种工作状态。饱和导通时，器件压降很小，而截止时它的漏电流小得可以忽略，这样在饱和导通与截止两种工作状态下的损耗都很小，器件近似于理想的开关 但需要指出的是，电力半导体器件在开关状态转换过程时并不是瞬时完成的（所需时间称开关时间），而是要经过一个转换过程（称开关过程）,图1-1：简单的bjt电路,例如，图1-1所示电路中，当工作在饱和导通状态时管压降，的管耗，截止的漏电流，即截止时的管耗。如果 工作在线性放大状态时，设，则 的管耗。,5,从使用角度出发，主要可从以下五个方面考查功率半导体器件的性能特点：导通压降 运行频率 器件容量 耐冲击能力 可靠性 此外，诸如控制功率、可串并联运行的难易程度、价格等等也是选择电力半导体器件应考虑的因数。,6,1.1.3 功率半导体器件发展水平,在整流管类中，快速恢复二极管将有较大的发展在高压直流输电中，晶闸管（光控晶闸管）将有很好的发展机遇。在功率晶体管类中，以IGBT发展最为迅速,7,1.2 功率晶体管,图1-2 BJT内部结构与元件符号（a）BJT内部结构；（b）元件符号,BJT是一种双极型半导体器件，即其内部电流由电子和空穴两种载流子形成。基本结构有NPN和PNP两种。为了提高BJT耐压，一般采用NPvN三重扩散结构（图1-6）。,图1-3 集电极耐压与单位发射面积电流密度关系,功率晶体管BJT一般是指壳温为25时功耗大于1W的晶体管,8,1.2.1 工作原理及输出特性,图1-4 BJT三种基本电路,（a）共发射极电路,（b）共基极电路,（c）共集电极电路,系数 是共基极电路的电流放大倍数，亦称电流传输比,称为共射极电路的电流放大倍数。若接近于1，则的数值会很大,它反映了BJT的放大能力，就是用较小的基极电流IB可以控制大的集电极电流IC,9,1.2.2 BJT共发射极电路的输出特性,图1-5 BJT共发射极电路的输出特性,该图表示集电极电流IC 与集射极电压UCE的关系，其参变量为IB，特性上的四个区域反映了BJT的四种工作状态。在晶体管关断状态时，基极电流IB0，集电极发射极间电压即使很高，但发射结与集电结均处于反向偏置，即UBE0，UBC0，UBC（IC/）时，晶体管就充分饱和了。这时发射结和集电结都是正向偏置，即UBE0，UBC0，电流增益和导通压降UCE均达到最小值，BJT进入饱和区（IV区）。BJT工作在饱和区，相当于处于导通状态的开关。,10,1.2.3 BJT的开关特性,图1-6 BJT的开关特性,当基极回路输入一幅值为UP（UPUBB）的正脉冲信号时，基极电流立即上升到，在IB的作用下，发射结逐渐由反偏变为正偏，BJT由截止状态变为导通状态，集电极电流IC上升到负载电阻压降。集电极电流IC上升到负载电阻压降，集电结变为零偏甚至正偏，集电极与发射极之间的压降UCE0，BJT工作在饱和状态，BJT相当于闭合的开关。,当基极输入脉冲为负或零时，BJT的发时结和集电结都处于反向偏置，集电极电流逐渐下降到ICICEO0，因此负载电阻RL上的压降可以忽略不计，集电极与发射极之间的压降UCEUCC，即BJT工作在截止状态，BJT相当于一断开的开关,11,1.2.3 BJT的开关特性,图1-7 BJT的开关特性,图1-11 b）中的ton叫开通时间，它表示BJT由截止状态过渡到导通状态所需要的时间。它由延迟时间td和上升时间tr两部分组成，ton=td+tr。td为延迟时间，表示从加入驱动脉冲，到集电极电流上升到0.1ICsa所需要的时间 tr为上升时间，表示集电极电流从0.1ICsa上升到0.9ICsa所需要的时间。toff叫关断时间，表示BJT由导通状态过渡到截止状态所需要的时间。它由存贮时间ts和下降时间tf组成，toff=ts+tf。ts为存贮时间，表示输入脉冲由正跳变到零时刻开始，直到集电极电流下降到0.9ICsa所需要的时间。tf为下降时间，表示集电极电流从0.9ICsa下降到0.1ICsa所需要的时间。,图1-8 功率晶体管的开关损耗,12,1.2.4 BJT的二次击穿,图1-9 二次击穿实验曲线,图1-10 二次击穿临界线,反偏二次击穿触发功率 零偏二次击穿触发功率 正偏二次击穿触发功率,在二次击穿现象中，当第一次雪崩击穿后，从电流上升到ISB，再到触发产生二次击穿的时间延迟，称为触发时间。意味着BJT工作点进入一次击穿区时，并不立即产生二次击穿，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。,13,1.2.5 BJT的安全工作区（SOA）,BJT工作的安全范围由图1-15所示的几条曲线限定：集电极最大允许直流电流线ICM，由集电极允许承受的最大电流决定；集电极允许最高电压UCE0，由雪崩击穿决定；集电极直流功率耗散线PCM，由热阻决定；二次击穿临界线PSB，由二次击穿触发功率决定。,图1-11 BJT的安全工作区,图1-12 不同工作状态下BJT的安全工作区（a）正向偏置安全工作区；（b）反向偏置安全工作区,从图1-16可以看出BJT的反向偏置安全工作区比正偏时大得多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，即对BJT基极驱动电路，在元件截止时，施加负的基射极电压。来利用反偏安全工作区的特性,14,1.2.6 达林顿BJT与BJT模块,图1-13 达林顿BJT的等效电路,达林顿BJT有以下特点：1 共射极电流增益值大 2 饱和压降UCEsa较高 3 关断速度减慢 ts=ts1+ts2,图1-14 BJT模块的等效电路,BJT模块除了有上述达林顿BJT的特点外，还有如下优点：1）它是能量高度集中的组合器件，大大缩小了变换器的体积；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。,15,1.3 功率场效应管,1.3.1 概述,功率场效应管，即功率MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)是一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。在中小功率的高性能开关电源、斩波器、逆变器中，功率场效应管成为双极型晶体管的竞争对手，并得到了越来越广泛的应用。,图1-15 功率场效应管结构图（a）“T”MOSFET；（b）“V”MOSFET,16,1.3.2 MOSFET的基本特性,（一）转移特性,图1-16N沟道型MOSFET的转移特性,只有UGS大于门槛电压UGS（th）才有漏极电流ID流过，在ID较大时，ID和UGS近似为线性关系，亦即跨导gFS为常数：,U GS10V之后，MOSFET的ID由外电路限制了。因此工作在开关状态的MOSFET正向驱动电压Ug10V。,（二）输出特性,输出特性可以分为三个区域:可调电阻区I，饱和区II和雪崩区III,图1-17功率MOSFET输出特性,17,（三）MOSFET的电容,图1-18 MOSFET各端点之间的电容,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Cgd和栅源之间的结电容Cgs，MOSFET的PN结形成了漏源间的结电容Cds。图1-22表示了MOSFET的输入电容Ciss、输出电容Coss和反向传输电容Crss与结电容之间的关系。,（四）开关特性,图1-19 开关特性测试电路与波形,td(on)：开通延迟时间tr：上升时间 td(off)：关断延迟时间，tf：下降时间,18,1.3.3 MOSFET安全工作区,图1-20 MTM 4N 50的安全工作区（a）最大额定开关安全工作区；（b）最大额定正偏安全工作区,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1-24是型号为MTM 4N 50(500V,4A)的MOSFET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，基本的限制是峰值电流IDM和击穿电压U(BR)DSS，这个安全工作区只适用于器件开关时间小于1s的开通和关断过程 在其余工作条件下，使用正向偏置安全工作区。正向偏置安全工作区受功率损耗的限制，而结温是随功率损耗的变化而变化，图1-29 b）表示的是温度为25时的正向偏置安全工作区。在任一温度下，某一工作电压的允许电流可通过下列等式算出：,19,134 MOSFET的基本参数,（一）漏极额定电流ID和峰值电流IDM（二）通态电阻rDS(ON（三）阀值电压UGS(th)（四）漏源击穿电压U(BR)DSS（五）最大结温TJM（六）最大耗散功率PD（七）热阻,TC+PD TJM,20,1.4 绝缘栅极双极型晶体管(IGBT),1.4.1 IGBT的结构与工作原理,图1-21 IGBT的结构剖面图,图1-22 IGBT简化等效电路及信号,绝缘栅极双极型晶体管简称IGBT,它将功率MOSFET与BJT的优点集于一身，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、驱动电路简单等优点，又具有通态压降低、耐压高和承受电流大等优点,由结构图可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区BJT，其简化等效电路如图1-26所示，图中电阻Rdr是厚基区BJT基区内的扩展电阻。IGBT是以BJT为主导元件，MOSFET为驱动元件的达林顿结构器件，图示器件是N沟道IGBT，MOSFET为N沟道型，BJT为PNP型。,21,1.4.2 IGBT的基本特性,伏安特性,转移特性,IGBT的伏安特性是指以栅极电压UGE为参变量时，集电极电流IC与集电极电压UCE之间的关系曲线 IGBT的伏安特性与BJT的输出特性相似，也可分为饱和区I、放大区II和击穿区III三部分 IGBT作为开关器件稳态时主要工作在饱和导通区,IGBT的转移特性是指集电极输出电流IC与栅极电压之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同，当栅极电压UGE小于开启电压UGE(th)时，IGBT处于关断状态。,22,1.4.2 IGBT的基本特性,IGBT的开关特性的测试电路,IGBT的开关特性的开关特性曲线,IGBT的开关特性如图1-35所示。由图可知IGBT的开关特性与功率MOSFET基本相同。td(on)+tr=ton叫开通时间，td(off)+tf=toff叫关断时间,IGBT的正偏安全工作区和反偏安全工作区,IGBT开通时的正向偏置安全工作区FBSOA是由最大集电极电流ICM、最大集射极电压UCEM、最大功耗三条边界极限曲线包围而成的，IGBT的反向偏置安全工作区RBSOA如图所示。它基本上是一矩形：2倍的额定集电极电流（2IC）和额定集射级电压（UCE）所围成的矩形。,23,1.4.3 米勒效应的影响,1、在IGBT(MOSFET)被关断后，CGE（CGS）很小，约等于CCE（CDS）。2、在导通状态下，一旦G-E极（G-S极)电压大于C-E极(D-S极)电压时，由于G极区下 的增强层的扩大，CGC(CGD)将大幅度上升。3、在开关过程中，基于米勒效应，CGC(CGD)还会进一步的动态增加。,图1-23 米勒效应,IGBT和MOSFET的开关特性与晶体管内部的电容及电阻之间的关系：,24,1.4.4 IGBT的擎住效应,擎住效应 IGBT 为四层结构，体内存在一个奇生晶体管，其等效电路如图下图所示。在V2的基极与发射极之间并有一个扩展电阻 Rbr，在此电阻上P型体区的横向空穴会产生一定压降，对 J3 结来说，相当于一个正偏置电压。在规定的漏极电流范围内，这个正偏置电压不大，V2不起作用，当Id大到一定程度时，该正偏置电压足以使V2开通，进而使V2和V3处于饱和状态，于是寄生晶体管开通，栅极失去控制作用，这就是所谓的擎住效应.IGBT发生擎住效应后，漏极电流增大，造成过高功耗，导致损坏。可见，漏极电流有一个临界值 Idm。当IdIdm时便会产生擎住效应。,25,在IGBT关断的动态过程中，假若dUdsdt过高，那么在J2结中引起的位移电流Cj2（dUds/dt）会越大，当该电流流过体区扩展电阻Rbr时，也可产生足以使晶体管V2开通的正向偏置电压，满足寄生晶体管开通擎住的条件，形成动态擎住效应。使用中必须防止IGBT发生擎住效应，为此可限制Idm值，或者用加大栅极电阻Rg的办法延长IGBT关断时间，以减少dUds/dt值。值得指出的是，动态擎住所允许的漏极电流比静态擎住所允许的要小，生产厂家所规定的Id值是按动态擎住所允许的最大漏极电流来确定的。,1.4.4 IGBT的擎住效应,26,1.4.5 IGBT的驱动,IGBT 的驱动条件与 IGBT 的特性密切相关。随着正偏置电压Uge增加，通态电压下降，开通能耗Eon也下降，如图下图所示。由图中还可看出，若+Uge固定不变时，导通电压将随漏极电流增大而增高，开通损耗将随结温升高而升高。,27,负偏电压-Uge直接影响IGBT的可靠运行，负偏电压增高时漏极浪涌电流明显下降，对关断能耗无显著影响，Uge与集电极浪涌电流和关断能耗 Eoff的关系如图下图所示。,28,门极电阻Rg增加，将使IGBT的开通与关断时间增加；因而使开通与关断能耗均增加。而门极电阻减小，则又使di/dt增大，可能引发IGBT误导通，同时 Rg 上的损耗也有所增加。具体关系如下图所示。,29,1.4.6 IGBT开通损耗,图1-24 IGBT开通损耗,30,1.5 使用注意事项以及性能比较,l）IGBT与MOSFET都是电压驱动，都具有一个2.55V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷非常敏感，故驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与 IGBT 的连线要尽量短。2）用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压 Uge,有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外,IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率，使IGBT不退出饱和而损坏。3）驱动电路要能传递几十kHz的脉冲信号。4）驱动电平+Uge也必须综合考虑。+Uge增大时，IGBT通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时的Ic增大，IGBT能承受短路电流的时间减小，对其安全不利，因此在有短路过程的设备中Uge应选得小些，一般选 1215V。,31,5）在关断过程中，为尽快抽取PNP管的存储电荷，须施加一负偏压Uge,但它受IGBT的G、E间最大反向耐压限制，一般取-1v-10V。6）在大电感负载下，IGBT 的开关时间不能太短，以限制出di/dt形成的尖峰电压，确保IGBT的安全。7）由于IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，故驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离。8)IGBT的栅极驱动电路应尽可能简单实用，最好自身带有对IGBT 的保护功能，有较强的抗干扰能力。,32,BJT、功率MOSFET、IGBT的性能比较,33,IGBT和MOSFET模块的应用范围,34,Thanks!,