功率场效应晶体管、16 绝缘栅双极型晶体管.ppt

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,1.5.1 P-MOSFET的结构与工作原理 1.5.2 P-MOSFET的基本特性 1.5.3 P-MOSFET的主要参数 1.5.4 P-MOSFET的安全工作区 1.5.5 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M

2、OS型（Metal Oxide Semiconductor FET） 简称功率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 Fi

3、eld Effect Transistor),1.5.1 P-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。,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

4、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-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（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

5、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。,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）

6、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-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）,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

7、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，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

8、 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

9、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-MOS

10、FET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 。,(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

11、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： 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，

12、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),1.5.4 P-MOSFET的安全工作区,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 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。

13、 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。,1.5.5 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

14、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。,1.5.5 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-MOSFET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

15、极驱动电路,1.6 绝缘栅双极晶体管全控型,1.6.1 IGBT的结构与工作原理 1.6.2 IGBT的基本特性 1.6.3 IGBT的主要参数 1.6.4 IGBT的擎住效应和安全工作区 1.6.5 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 TransistorIGBT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

16、，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。,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1-22 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。,1.6.1 IGBT的结构和工作原理,简化等效电路表明，IGBT

17、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基区内的体区电阻 。,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，MOS

18、FET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,1.6.2 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UGEUGEth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。,1.6.2 IGBT的基本特性,1)

19、 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工作于放大状态将会增大IGBT的损耗。,1.6.2 IGBT的基本特性,图1-24 IGBT的开关过程

20、,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ton uCE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,1.6.2 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晶体管的关断过程，iC下降较慢。,IGBT的关断过程,1.6.3

21、 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,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,UGES是栅极的电压控制信号

22、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,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 。,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

23、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1-24 IGBT的等效电路,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

24、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）,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,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

25、+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。 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