No-13电力电子技术-MOSFET和IGBT

1、1 电力电子技术电力电子技术 Power Electronics任课教师：谢少军课程组网站：http:/ 电力电子技术电力电子技术 Power Electronics第八章第八章 功率晶体管和二极管功率晶体管和二极管3n双极性功率晶体管双极性功率晶体管n功率场效应晶体管功率场效应晶体管(MOSFET)n绝缘栅晶体管（IGBT）第二节第二节 功率晶体管功率晶体管4二二. 场效应晶体管场效应晶体管 特点特点用栅极电压来控制漏极电流用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小驱动电路简单，需要的驱动功率小 开关速度快，工作频率高开关速度快，工作频率高 热稳定性优于热稳定性优于GTRGTR

2、 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过过10kW10kW的电力电子装置的电力电子装置 第二节第二节 功率晶体管功率晶体管5二二. 场效应晶体管场效应晶体管 结型结型和和绝缘栅型绝缘栅型（类似小功率（类似小功率Field Effect Field Effect TransistorTransistorFETFET）二类）二类 场效应功率晶体管场效应功率晶体管一般一般指指绝缘栅型绝缘栅型 MOSMOSMetal Metal Oxide Semiconductor Oxide Semiconductor ）FETFET - -简称功率简称功率MOSFET

3、MOSFET（Power MOSFETPower MOSFET） 结型结型的场效应功率晶体管称为的场效应功率晶体管称为静电感应晶体管静电感应晶体管（SITSIT），较少应用），较少应用第二节第二节 功率晶体管功率晶体管61. MOSFET1. MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理 MOSFETMOSFET的种类的种类 第二节第二节 功率晶体管功率晶体管7 结型结型MOSFETMOSFET 外加电场控制场效应晶体管栅源之间外加电场控制场效应晶体管栅源之间PN结耗尽层宽度变化来结耗尽层宽度变化来控制沟道电导控制沟道电导1. MOSFET1. MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理 第

4、二节第二节 功率晶体管功率晶体管栅栅漏漏源源8第二节第二节 功率晶体管功率晶体管1. MOSFET1. MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理 绝缘栅型绝缘栅型MOSFETMOSFET 栅极栅极G与其余两个电极之间是绝缘的，外加电场控制半导体中与其余两个电极之间是绝缘的，外加电场控制半导体中感应电荷量的变化控制沟道电导感应电荷量的变化控制沟道电导 单极型：单极型：导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电大功率大功率MOSFET一般不用一般不用P沟道，空穴的迁移率比电子低，导通电阻大沟道，空穴的迁移率比电子低，导通电阻大按导电沟道可分为按导电沟道

5、可分为P沟道和沟道和N沟道，沟道， 功率功率MOSFET主要是主要是N沟道增强型沟道增强型9 截止：截止：栅源极间电压为零，漏源极栅源极间电压为零，漏源极间加正电源间加正电源P基区与基区与N漂移区之间形成的漂移区之间形成的PN结反偏，漏源极之间无电结反偏，漏源极之间无电流流过流流过 第二节第二节 功率晶体管功率晶体管1. MOSFET1. MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理 绝缘栅型绝缘栅型MOSFET的的导电机理导电机理10导电：导电：在栅源极间加正电压在栅源极间加正电压栅极的正电压会排栅极的正电压会排斥斥P P区中的空穴，而区中的空穴，而将将P P区中的少子区中的少子电子吸引到栅

6、极下电子吸引到栅极下面的面的P P区表面区表面 第二节第二节 功率晶体管功率晶体管1. MOSFET1. MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理 绝缘栅型绝缘栅型MOSFET的的导电机理导电机理当当UGS大于大于UT（开启电压或阈值电压开启电压或阈值电压）时，栅极下）时，栅极下P区表面的区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成型半导体反型成N型而成为型而成为反型反型层层，该反型层形成，该反型层形成N沟道而使沟道而使PN结消失，漏极和源极导电结消失，漏极和源极导电耗尽11nVDS0，VGSVT, VDS0 , 导通， VGDVGS-VDS 当 VGDVG

7、S-VDSVT时，靠近漏极的沟道夹断第二节第二节 功率晶体管功率晶体管1. MOSFET1. MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理 绝缘栅型绝缘栅型MOSFET的的导电机理导电机理12nVGSVT 可变电阻区可变电阻区（沟道未夹断）nVGDVGS-VDS20V20V将导致绝缘层击穿将导致绝缘层击穿4)4) dUdUDSDS/dt/dt限制限制第二节第二节 功率晶体管功率晶体管3. 功率功率MOSFET的主要参数的主要参数27漏源间的耐压、漏极最大漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功允许电流和最大耗散功率决定率决定虽然虽然MOSFETMOSFET不存在二次击不存在二次击穿穿问题；实

8、用中仍应注问题；实用中仍应注意留适当的裕量。意留适当的裕量。第二节第二节 功率晶体管功率晶体管4 功率功率MOSFET的安全工作区的安全工作区28n功率场控应晶体管(MOSFET)n绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT）第二节第二节 功率晶体管功率晶体管29 取代了取代了GTRGTR和一部分和一部分MOSFETMOSFET的市场，中小功率电力电子设备的市场，中小功率电力电子设备的主导器件的主导器件 第二节第二节 功率晶体管功率晶体管三三.绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管(IGBT)GTR的特点的特点双极型，电流驱动，通流能力很强，开关速度双极型，电流驱动，通流能力很强，开关速度

9、较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂MOSFET的优点的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入单极型，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阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单GTR和和MOSFET复合，结合二者的优点，具有良好的特性复合，结合二者的优点，具有良好的特性绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT）30 三端器件：栅极三端器件：栅极G G、集电极、集电极C C和发射极和发射极E E IGBTIGBT的结构的结构 IGBTIGBT比

10、比MOSFETMOSFET多一层多一层P P+ +注入区，形成了一个大面积的注入区，形成了一个大面积的P P+ +N N结结. .IGBTIGBT具具有很强的通流能力有很强的通流能力. . 第二节第二节 功率晶体管功率晶体管1. IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理IGBTVDMOS31 等效电路等效电路IGBTIGBT是是GTRGTR与与MOSFETMOSFET组成的达林顿结构，一个由组成的达林顿结构，一个由MOSFETMOSFET驱动驱动的厚基区的厚基区PNPPNP晶体管晶体管 R R为晶体管基区内的调制电阻为晶体管基区内的调制电阻第二节第二节 功率晶体管功率晶体管1. IGBT的结构

11、和工作原理的结构和工作原理32第二节第二节 功率晶体管功率晶体管1. IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理IGBT的原理的原理驱动原理与功率驱动原理与功率MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射基本相同，场控器件，通断由栅射极电压极电压uGE决定决定导通导通：uGE大于大于开启电压开启电压UGE(th)时，时，MOSFET内形成沟道，为内形成沟道，为晶体管提供基极电流，晶体管提供基极电流，IGBT导通导通关断关断：栅射极间施加反压或不加信：栅射极间施加反压或不加信号时，号时，MOSFET内的沟道消失，晶内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，体管的基极电流被切断，IGBT关关断断与与MOS

12、FET比较，参与导电的载流子有无区别？比较，参与导电的载流子有无区别？33第二节第二节 功率晶体管功率晶体管2. IGBT的基本特性的基本特性静态特性静态特性输出特性（伏安特性）输出特性（伏安特性）正向阻断区、有源区和饱和区正向阻断区、有源区和饱和区uCE0时，时，IGBT为反向阻断工作状态为反向阻断工作状态正向导通压降正向导通压降0.7V34第二节第二节 功率晶体管功率晶体管2. IGBT的基本特性的基本特性动态特性动态特性开通时间开通时间ton=开通延迟时开通延迟时间间td(on)+电流上升时间电流上升时间tr电流电流拖尾拖尾关断时间关断时间toff=关断延迟时关断延迟时间间td(off)

13、+电流下降时间电流下降时间tf？35(1)(1) 开关速度较快，开关损耗小开关速度较快，开关损耗小 介于介于GTRGTR和和MOSFETMOSFET之间之间(2)(2) 高电压的器件通态压降与高电压的器件通态压降与GTRGTR相当，低于相当，低于MOSFETMOSFET 不适合要求通态压降小于不适合要求通态压降小于0.7V0.7V应用场合应用场合(3)(3) 输入阻抗高，输入特性与输入阻抗高，输入特性与MOSFETMOSFET类似类似(4) (4) 对驱动电路的要求与对驱动电路的要求与MOSFETMOSFET相似（要低一些，因相似（要低一些，因为寄生电容相对较小，耐为寄生电容相对较小，耐dU/

14、dtdU/dt能力强）能力强）第二节第二节 功率晶体管功率晶体管2. IGBT的基本特性的基本特性IGBT的特点的特点361)1) 最大集射极间电压最大集射极间电压U UCESCES 由内部由内部PNPPNP晶体管的击穿电压确定晶体管的击穿电压确定2)2) 最大集电极电流最大集电极电流 包括额定直流电流包括额定直流电流I IC C和和1ms1ms脉宽最大电流脉宽最大电流I ICPCP3)3) 最大集电极功耗最大集电极功耗P PCMCM 正常工作温度下允许的最大功耗正常工作温度下允许的最大功耗第二节第二节 功率晶体管功率晶体管3. IGBT的主要参数的主要参数37 寄生晶闸管寄生晶闸管由一个由一

15、个N N- -PNPN+ +晶体管和作为主开关器件晶体管和作为主开关器件的的P P+ +N N- -P P晶体管组成晶体管组成擎住效应擎住效应（自锁效应）（自锁效应）：I ICMCM,du,duCECE/dt/dt限制限制第二节第二节 功率晶体管功率晶体管4. IGBT的擎住效应和安全工作区的擎住效应和安全工作区38 正偏安全工作区正偏安全工作区（FBSOAFBSOA）最大集电极电流、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最大集射极间电压和最大集电极功耗确定 第二节第二节 功率晶体管功率晶体管4. IGBT的擎住效应和安全工作区的擎住效应和安全工作区反偏安全工作区反偏安全工作区（RBSOA）-最大电压上升率最大电压上升率duCE/dt的限制的限制39作业作业n1. 请从器件结构、等效电路、伏安特性、工作特点等方面