功率场效应晶体管、16绝缘栅双极型晶体管.ppt

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1、第一章 电力半导体器件,1.0 电力电子器件 概述1.1 功率二极管 1.2 晶闸管 1.3 可关断晶闸管(GTO)1.4 电力晶体管(GTR)1.5 功率场效应晶体管(P-MOSFET)1.6 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)1.7 电力电子器件散热、串并联及缓冲保护,1.5 功率场效应晶体管全控型,P-MOSFET的结构与工作原理 P-MOSFET的基本特性 P-MOSFET的主要参数 P-MOSFET的安全工作区 P-MOSFET的门极驱动电路,1.5 功率场效应晶体管全控型,分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）简称

2、功率MOSFET（Power MOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT）,特点用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，需要的驱动功率小。(绝缘栅、电压控制器件)开关速度快，工作频率高。(只有多数载流子，无少数载流子积蓄效应)安全区宽，热稳定性优于GTR。（没有类似GTR的二次击穿）电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。,功率场效应晶体管(Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),1.5.1 P-MOSFET的结构和工作原

3、理,P-MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道。耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。功率MOSFET主要是N沟道增强型。,功率MOSFET的芯片内部结构,漏极,栅极,源极,芯片照片,断面,1.5.1 P-MOSFET的结构和工作原理,P-MOSFET的结构,是单极型、全控型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。,图1-19 功率MOSFET的结构和电气图形符号,漏极,源极,栅极,外延漂移层,衬底,SiO2绝缘层,1.5.1 P-MOSFE

4、T的结构和工作原理,小功率MOS管是横向导电器件。功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。,P-MOSFET的结构,1.5.1 P-MOSFET的结构和工作原理,截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。,P-MOSFET的工作原理,导电：在栅源极间加正电压UG

5、S则栅极上的正电压将其下面的P基区中的空穴推开，而将（少子）电子吸引到栅极下的P基区的表面，当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型，成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。UGS数值越大，P-MOSFET导电能力越强，ID也就越大。,1.5.2 P-MOSFET的基本特性,(1)转移特性（Transfer Characteristic）漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大（小）时，ID与UGS的关系近似（非）线性，曲线的斜率（微变量之比）定义为跨导Gfs。,图1-20 功率MOSFET的转移特性,1）静态特性,1.5.2 P-MO

6、SFET的基本特性,(2)输出特性漏极电流ID和漏源间电压UDS的关系称为MOSFET的输出特性，即漏极伏安特性。分为四个区：非饱和区（可变电阻区）、饱和区（恒流区）、击穿区（雪崩区）、截止区（UGS低于开启电压）,10,20,30,50,40,0,10,20,30,50,40,饱和区,非,饱,和,区,截止区,U,DS,/,V,U,GS,=,U,T,=3V,U,GS,=4V,U,GS,=5V,U,GS,=6V,U,GS,=7V,U,GS,=8V,I,D,/,A,图1-20 P-MOSFET的输出特性,1）静态特性,击穿区,工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。漏源极之间有寄生二极管

7、，漏源极间加反向电压时器件导通。通态电阻，具有正温度系数的直流电阻，对器件并联时的均流有利。,1.5.2 P-MOSFET的基本特性,开通过程开通延迟时间td(on)上升时间tr开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和 ton td(on)tr关断过程关断延迟时间td(off)下降时间tf关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和toff td(off)tf,a,）,b,),图1-21 P-MOSFET的开关过程a)开关特性测试电路 b)开关过程波形up脉冲信号源，Rs信号源内阻，RG栅极电阻，RL负载电阻，RF检测漏极电流,2)动态特性,P-MOSFET元件极间电容的等效电路,从中可以求得器

8、件的：输入电容：CinCGSCGD。输出电容:CoutCGDCDS。反馈电容：CrCGD。正是Cin在开关过程中需要进行充、放电，影响了开关速度。同时也可看出，静态时虽栅极电流很小，驱动功率小，但动态时由于电容充放电电流有一定强度，故动态驱动仍需一定的栅极功率。开关频率越高，栅极驱动功率也越大。,1.5.2 P-MOSFET的基本特性,MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。P-MOSFET是多数载流子器件，不存在少数载流子特有的存贮效应，因此开关时间很短，典型值为20ns，影响开关速度的主要是器件极间电容。可降低信号源驱动电路内阻Rs减小Ci 充、放电时间常数，加快开关速度。不存在少

9、子储存效应，关断过程非常迅速。开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。,MOSFET的开关速度,1.5.3 P-MOSFET的主要参数,除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：,P-MOSFET电压定额,(1)漏极电压UDS,(2)漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM,P-MOSFET电流定额,表征P-MOSFET的电流容量,(3)栅源电压UGS,UGS20V将导致绝缘层击穿。,(

10、4)极间电容,极间电容CGS、CGD和CDS。前两者由MOS结构的绝缘层形成的，其电容量的大小由栅极的几何形状和绝缘层的厚度决定；后者由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。,1.5.3 P-MOSFET的主要参数,指在确定的栅源电压UGS下，P-MOSFET处于恒流区时的直流电阻，是影响最大输出功率的重要参数。,(5)通态电阻Ron,(6)漏源击穿电压BUDS,该电压决定了P-MOSFET的最高工作电压,(7)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。,功率MOSFET具有电流负温度效应，没有二次击穿问题，具有非常宽的安全工作区，特别是在高

11、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。,图 正向偏置安全工作区,P-MOSFET的安全工作区,由以下四条边界限定：漏-源通态电阻Ron；最大漏极电流IDM；极限功耗PCM；极限漏-源电压UDSM。,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，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

12、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。换向安全工作区(CSOA),P-MOSFET的安全工作区,P-MOSFET的门极驱动电路,(1)功率MOSFET驱动电路的共性问题 驱动电路应简单、可靠。也需要考虑保护、隔离等问题。驱动电路的负载为容性负载。按驱动电路与栅极的连接方式可分为直接驱动与隔离驱动。,(2)功率MOSFET对栅极驱动电路的要求保证功率MOSFET可靠开通和关断，触发脉冲前、后沿要求陡峭。减小驱动电路的输出电阻，提高功率MOSFET的开关速度。触发脉冲电压应高于管子的开启电压，为了防止误导通，在功率

13、MOSFET截止时，能提供负的栅源电压。功率MOSFET开关时所需的驱动电流为栅极电容的充、放电电流。,P-MOSFET的门极驱动电路,驱动电路应实现主电路与控制电路之间的隔离，避免功率电路对控制信号造成干扰。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。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。,P-MOSFET的门极驱动电路,(3)P-MOSFET驱动电路的驱动方式 直接驱动 TTL驱动电路,1.5.5 P-MOSFET的门极驱动电路,隔离驱动电路,1.5.5 P-MO

14、SFET的门极驱动电路,对于VDMOS，其驱动电路非常简单，但在高速开关驱动时或在并联运行时，可在其驱动电路的输出级上接入射极跟随器，并尽可能地减小输出电阻，以缩短它的开通和关断时间。如果在驱动信号上做到阻断时栅源电压小于零，就能进一步缩短关断时间。,1.5.5 P-MOSFET的门极驱动电路,1.6 绝缘栅双极晶体管全控型,IGBT的结构与工作原理 IGBT的基本特性 IGBT的主要参数 IGBT的擎住效应和安全工作区 IGBT的栅极驱动电路,1.6 绝缘栅双极晶体管全控型,两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Tr

15、ansistorIGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。,GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。MOSFET的优点单极型，电压驱动，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。,IGBT的结构和工作原理,IGBT的结构三端器件：栅极(门极)G、集电极C和发射极E,图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图 b)简化等效电路 c)电气图形符号,图

16、1-22aN沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力。,IGBT的结构和工作原理,简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET(驱动元件)组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。在集电极和发射极之间其内部实际上包含了两个双极型晶体管P+NP及N+PN，它们又组合成了一个等效的晶闸管即存在着一个寄生晶闸管，寄生晶闸管有擎住作用。,图1-22 IGBT的结构和简化等效电路a)内部结构断面示意图 b)具有寄生晶体管简化等效电路,IGBT的结构,RN为GTR晶体管基区内的调制电阻。RS 为沟道体P基区内的体

17、区电阻。,IGBT的结构和工作原理,驱动原理与功率MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导通：uGE开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。,IGBT的工作原理,IGBT的基本特性,1)静态特性(1)转移特性,图1-23 IGBT的转移特性,是指输出集电极电流IC与栅射控制电压UGE之间的关系曲线。当栅射电压UGE UGEth(开启电压)时，IGBT处于关断状态。当UGEUG

18、Eth时，IGBT导通。IGBT导通后的大部分集电极电流范围内，IC与UGE呈线性关系。,IGBT的基本特性,1)静态特性(2)输出特性,图1-23 IGBT的输出特性,以栅射电压UGE为参变量时，集电极电流IC和集射电压UCE之间的关系曲线，成为 IGBT的伏安特性或。可分为正向阻断区、饱和区、线性（放大或有源）区和击穿区四个部分。,UCE0,UGE UT时，IGBT中MOSFET没形成沟道，J2结反偏，正向阻断；在正向导通的放大区区域内，IC与UCE呈线性关系；对应着伏安特性明显弯曲部分，这时IC与UCE呈非线性关系，此时IGBT工作于饱和区。IGBT常工作于饱和状态和阻断状态，若IGBT

19、工作于放大状态将会增大IGBT的损耗。,IGBT的基本特性,图1-24 IGBT的开关过程,开通过程 与MOSFET的相似开通延迟时间td(on)电流上升时间tr 开通时间tonuCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。,(2)动态特性,IGBT的基本特性,图1-24 IGBT的开关过程,关断延迟时间td(off）电流下降时间 关断时间toff电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。tfi2IGBT内部的PNP晶体

20、管的关断过程，iC下降较慢。,IGBT的关断过程,IGBT的主要参数,正常工作温度下允许的最大功耗。,(3)最大集电极功耗PCM,包括在额定的测试温度(壳温为25)条件下，额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。,(2)最大集电极电流PCM,由内部PNP晶体管的击穿电压确定。,(1)最大集射极间电压UCES,IGBT的主要参数,使IGBT导通所需的最小栅-射极电压,通常IGBT的开启电压UGE(th)在3V5.5V之间。,(6)栅射极开启电压UGE(th),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1.5V3V之间。,(5)集射极饱和电压UCEO,UGE

21、S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导通而不致损坏。,(4)栅射极额定电压UGES,绝缘栅双极晶体管,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。相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且 具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比VDMOSFET低。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。与MOSFET和GTR相比，耐压和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,擎住效应或自锁效应：,动态擎住效应（关断过程中集射电压上升过快）比静态擎住效应（集电极电流IC临界值ICM）所允许的集电极电流小。擎住

22、效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决。,IGBT为四层结构，NPN晶体管基极与发射极之间存在沟道体区短路电阻（RS），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结施加正偏压，当IC大到一定程度时，该偏置电压使NPN晶体管J3开通，进而使NPN和PNP晶体管（寄生晶闸管）处于饱和状态，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控擎住作用,图1-24 IGBT的等效电路,IGBT的擎住效应和安全工作区,IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件。,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确定。,反向偏置安

23、全工作区（RBSOA）,最大集电极电流ICM、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。,正偏安全工作区（FBSOA）,IGBT开通时的正向偏置安全工作区由电流、电压和功耗三条边界极限包围而成。最大集电极电流ICM是根据避免动态擎住而确定的；最大集射极电压UCEM是由IGBT中PNP晶体管的击穿电压所确定；最大功耗则由最高允许结温所决定。IGBT关断时的反向偏置安全工作区与IGBT关断时的du/dt有关，du/dt越高，RBSOA越窄。,IGBT的擎住效应和安全工作区,1.6.5 IGBT的栅极驱动电路,1)栅极驱动电路对IGBT的影响 正向驱动电压+V增加时，IGBT输出级晶体管的导通压降和开通

24、损耗值将下降，但并不是说+V值越高越好。IGBT在关断过程中，栅射极施加的反偏压有利于IGBT的快速关断。栅极驱动电路最好有对IGBT的完整保护能力。为防止造成同一个系统多个IGBT中某个的误导通，要求栅极配线走向应与主电流线尽可能远，且不要将多个IGBT的栅极驱动线捆扎在一起。,（1）.IGBT的栅极驱动,2)IGBT栅极驱动电路应满足的条件 栅极驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大。在IGBT导通后，栅极驱动电路提供给IGBT的驱动电压和电流要具有足够的幅度。栅极驱动电路的输出阻抗应尽可能地低。栅极驱动条件与IGBT的特性密切相关。设计栅极驱动电路时，应特别注意开通特性、负载短路能力和引起

25、的误触发等问题。,1.6.5 IGBT的栅极驱动电路,1）阻尼滤波门极驱动电路：为了消除可能的振荡现象，IGBT的栅射极间接上RC网络组成阻尼滤波器且连线采用双绞线,1.6.5 IGBT的栅极驱动电路,（2）.IGBT驱动电路,2）光耦合器门极驱动电路：驱动电路的输出级采用互补电路的型式以降低驱动源的内阻，同时加速IGBT的关断过程。,1.6.5 IGBT的栅极驱动电路,3）脉冲变压器直接驱动IGBT的电路 由于是电磁隔离方式，驱动级不需要专门直流电源，简化了电源结构。,1.6.5 IGBT的栅极驱动电路,1.6.5 IGBT的栅极驱动电路,4）IGBT的驱动模块电路应用成品驱动模块电路来驱动

26、IGBT，可以大大提高设备的可靠性，目前市场上可以买到的驱动模块主要有：富士的 EXB840、841，三菱的 M57962L，落木源的KA101、KA102，惠普的 HCPL316J、3120 等。这类模块均具备过流软关断、高速光耦隔离、欠压锁定、故障信号输出功能。由于这类模块具有保护功能完善、免调试、可靠性高的优点，所以应用这类模块驱动 IGBT 可以缩短产品开发周期，提高产品可靠性。,惠普公司的 HCPL316J,HCPL316J 可以驱动150A/1200V的IGBT，光耦隔离，COMS/TTL电平兼容，过流软关断，最大开关速度500 ns，工作电压1530 V，欠压保护。输出部分为三重复合达林顿管，集电极开路输出。采用标准SOL-16 表面贴装。,1)静电保护IGBT的输入级为MOSFET，所以IGBT也存在静电击穿的问题。防静电保护极为必要。可采用MOSFET防静电保护方法。2)过电流保护与BJT一样，IGBT过电流可采用集射极电压状态识别保护方法。,1.6.5 IGBT的栅极驱动电路,（3）.IGBT的保护,3)短路保护,1.5 其他新型电力电子器件,1.5.1 MOS控制晶闸管MCT1.5.2 静电感应晶体管SIT1.5.3 静电感应晶闸管SITH1.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT1.5.5 功率模块与功率集成电路,