功率场效应晶体管绝缘栅双极型晶体管

功率场效应晶体管绝缘栅双极型晶体管第1页/共50页1.5功率场效应晶体管—全控型1.5.1P-MOSFET的结构与工作原理1.5.2P-MOSFET的基本特性1.5.3P-MOSFET的主要参数1.5.4P-MOSFET的安全工作区1.5.5P-MOSFET的门极驱动电路

第2页/共50页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（MetalOxideSemiconductorFET）简称功率MOSFET（PowerMOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor——SIT）

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(PowerMetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)第3页/共50页1.5.1P-MOSFET的结构和工作原理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。第4页/共50页功率MOSFET的芯片内部结构ＮＮＰＮ－Ｎ＋漏极栅极源极芯片照片断面第5页/共50页1.5.1P-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绝缘层第6页/共50页1.5.1P-MOSFET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（VerticalMOSFET）。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（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。P-MOSFET的结构第7页/共50页1.5.1P-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UGS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。第8页/共50页1.5.2P-MOSFET的基本特性

(1)转移特性（TransferCharacteristic）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010203050402468ID/AUTUGS/V△ID△UGS第9页/共50页1.5.2P-MOSFET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）102030504001020305040饱和区非饱和区截止区UDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图1-20P-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，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。第10页/共50页1.5.2P-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)

＋tfa）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图1-21P-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)

动态特性第11页/共50页P-MOSFET元件极间电容的等效电路从中可以求得器件的：输入电容：Cin＝CGS＋CGD。输出电容:Cout＝CGD＋CDS。反馈电容：Cr＝CGD。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。

第12页/共50页1.5.2P-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。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。开关时间在10~100ns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的开关速度第13页/共50页1.5.3P-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——UGS>20V将导致绝缘层击穿。

(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。第14页/共50页1.5.3P-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。

第15页/共50页

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1.5.4

P-MOSFET的安全工作区由以下四条边界限定：①Ⅰ漏-源通态电阻Ron；②Ⅱ最大漏极电流IDM；③Ⅲ极限功耗PCM；④Ⅳ极限漏-源电压UDSM。第16页/共50页①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，②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。③换向安全工作区(CSOA)1.5.4

P-MOSFET的安全工作区第17页/共50页1.5.5

P-MOSFET的门极驱动电路(1)功率MOSFET驱动电路的共性问题①驱动电路应简单、可靠。也需要考虑保护、隔离等问题。②驱动电路的负载为容性负载。③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。第18页/共50页(2)功率MOSFET对栅极驱动电路的要求①保证功率MOSFET可靠开通和关断，触发脉冲前、后沿要求陡峭。②减小驱动电路的输出电阻，提高功率MOSFET的开关速度。③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MOSFET截止时，能提供负的栅源电压。④功率MOSFET开关时所需的驱动电流为栅极电容的充、放电电流。1.5.5

P-MOSFET的门极驱动电路第19页/共50页⑤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。⑥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。⑦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。1.5.5

P-MOSFET的门极驱动电路第20页/共50页(3)P-MOSFET驱动电路的驱动方式①直接驱动

TTL驱动电路1.5.5P-MOSFET的门极驱动电路第21页/共50页②隔离驱动电路1.5.5P-MOSFET的门极驱动电路第22页/共50页对于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。1.5.5P-MOSFET的门极驱动电路第23页/共50页第24页/共50页1.6绝缘栅双极晶体管—全控型1.6.1IGBT的结构与工作原理1.6.2IGBT的基本特性1.6.3IGBT的主要参数1.6.4IGBT的擎住效应和安全工作区1.6.5IGBT的栅极驱动电路

第25页/共50页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-gateBipolarTransistor——IGBT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。第26页/共50页1.6.1

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1-22IGBT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1-22a—N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。第27页/共50页1.6.1

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1-22IGBT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基区内的体区电阻。第28页/共50页1.6.1

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的工作原理第29页/共50页ICUGE(th)UGEO1.6.2

IGBT的基本特性1)静态特性

(1)

转移特性图1-23IGBT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UGE＞UGEth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。第30页/共50页1.6.2

IGBT的基本特性1)静态特性

(2)

输出特性图1-23IGBT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。

UCE>0,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工作于放大状态将会增大IGBT的损耗。O线性区正向阻断区饱和区反向阻断区ICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加击穿区第31页/共50页1.6.2

IGBT的基本特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM图1-24IGBT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。

tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；

tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。(2)

动态特性第32页/共50页1.6.2

IGBT的基本特性图1-24IGBT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。tfi1——IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。

IGBT的关断过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM第33页/共50页1.6.3

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第34页/共50页1.6.3

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3V～5.5V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1.5V～3V之间。(5)

集射极饱和电压UCEO

——UGES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第35页/共50页1.6.3

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。

第36页/共50页1.6.4

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1-24IGBT的等效电路第37页/共50页1.6.4

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）第38页/共50页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。1.6.4

IGBT的擎住效应和安全工作区第39页/共50页1.6.5

IGBT的栅极驱动电路1)栅极驱动电路对IGBT的影响①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损耗值将下降，但并不是说+V值越高越好。②IGBT在关断过程中，栅射极施加的反偏压有利于IGBT的快速关断。③栅极驱动电路最好有对IGBT的完整保护能力。④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的栅极驱动第40页/共50页2)IGBT栅极驱动电路应满足的条件①栅极驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大。②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。③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的误触发等问题。1.6.5

IGBT的栅极驱动电路第41页/共50页1）阻尼滤波