第四讲+电力电子器件3.ppt

1、电力电子器件_GTR 、电力MOSFET、IGBT,电 力 电 子 技 术Power Electronic Technology,3.7 电力晶体管GTR,术语用法： 电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管） 耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT 在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效 应用 20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代,4.1 GTR的结构和工作原理,GTR的结构和工作原理( 图1-15

2、 ） 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成,4.1 GTR的结构和工作原理,一般采用共发射极接法，集电极电流ic与基极电流ib之比为 （1-9） GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力 当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为 ic= ib +Iceo （1-10） 产品说明书中通常给直流电流增益hFE在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比。一般可认为hFE 单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达

3、林顿接法可有效增大电流增益,4.1 GTR的基本特性,(1) 静态特性 共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区 在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区 在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区 图1-16 共发射极接法时GTR的输出特性,4.1 GTR的基本特性,开通过程 延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton td主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程,4.1 GTR的基本特性,关断过程 储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断

4、时间toff ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分 减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，(负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加，从而增大通态损耗)，或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度 GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多,4.1 GTR的主要参数,前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff 此外还有, 1)最高工作电压 GTR上电压超过规定值时会发生击穿 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路

5、接法有关 实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多 BUceo为基极开路时，c和e之间的击穿电压。,4.1 GTR的主要参数,2)集电极最大允许电流IcM 实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点 3) 集电极最大耗散功率PcM 最高工作温度下允许的耗散功率 产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度,4.1 GTR的二次击穿现象与安全工作区,一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿 只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变 二次击穿 一次击穿发生时，如果继续增高外接电压，则Ic继续增大，当达到某个临界点时，

6、Uce会突然降低至一个小值，同时导致Ic急剧上升，这种现象称为二次击穿； 二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微秒范围，常常立即导致器件的永久损坏。 将不同基极电流下二次击穿的临界点连接起来，就构成二次击穿临界线，其反映二次击穿功率PSB。,4.1 GTR的二次击穿现象与安全工作区,安全工作区（Safe Operating AreaSOA） 最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定 图1-18 GTR的安全工作区,最高工作电压,集电极最大允许电流,最大耗散功率,二次击穿功耗,4.2 电力场效应晶体管,也分为结型和绝缘栅型（类似小功率Field Effect

7、 TransistorFET） 但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET） 简称 电力MOSFET（Power MOSFET） 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 电力MOSFET主要是增强型,以N沟道居多 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT）,4.2 电力MOSFET的结构和工作原理,图1-19 电力MOSFET电气图形符号,G： 栅极 D： 漏极 S： 源

8、极,电力MOSFET是多元集成结构，一个器件由许多小MOSFET元组成。 导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。,小功率MOS导电沟道平行于芯片表面,是横向导电器件。 电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力,4.2 电力MOSFET的工作原理,UGS=0,截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零 P基区与N区之间形成的PN结反偏，漏源极之间无电流流过,4.2 电力MOSFET的工作原理,0UGSUT,导电：在栅源极间加正电压UGS 栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会

9、将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面,4.2 电力MOSFET的工作原理,UGSUT,当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结消失，漏极和源极导电,4.2 电力MOSFET的基本特性,特点用栅极电压来控制漏极电流 MOSFET是电压控制型器件（场控器件），其输入阻抗极高，输入电流非常小。驱动电路简单，需要的驱动功率小 导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型器件； 开关速度快，工作频率高 热稳定性优于GTR 电流容量小，耐压低,4.2 电力MO

10、SFET的基本特性,1)静态特性 图1-20 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性 ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为 跨导Gfs,GfsdId/dUGS,截止区（对应于GTR的截止区） 饱和区（对应于GTR的放大区） 非饱和区（对应于GTR的饱和区，某些书籍上将其命名为正向电阻区）,4.2 电力MOSFET的基本特性,MOSFET的漏极伏安特性（输出特性）： 电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换 电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反

11、向电压时器件导通 电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利,原因是电流越大，发热越大，通态电阻就加大，从而限制电流的加大，有利于均流。,问题：电力MOSFET能否反向导通？,4.2 电力MOSFET的基本特性,低压大电流的电力MOSFET的导通压降与二极管相比要低的多，如型号为FQP140N03L的电力MOSFET（UDS=30V，ID=140A），其导通电阻仅为3.8m，若负载电流为20A，则导通压降为76mV，因此采用低压电力MOSFET作为整流器件可提高电路效率，减轻散热压力，有利于实现此类电源的小型化。,4.2 电力MOSFET的基本特性,4.2 电力MOSFE

12、T的基本特性,2)动态特性 图1-21 电力MOSFET的开关过程 a) 测试电路 b) 开关过程波形 up脉冲信号源，Rs信号源内阻和栅极驱动电阻，RG栅极电阻，RL负载电阻，RF检测漏极电流,4.2 电力MOSFET的基本特性,开通过程 开通延迟时间td(on) 从驱动脉冲电压前沿时刻到iD的数值达到稳态电流的10%的时间段 电流上升时间tri 从uGS上升到开启电压UT，到漏极电流iD的数值达到稳态电流的90%的时间段 电压下降时间tfv 当uGS上升到UGSP时，功率MOSFET的漏、源极电压uDS开始下降，受栅、漏电容CGD的影响，驱动回路的时间常数增大，uGS增长缓慢，波形上出现一

13、个平台期，当uDS下降到导通压降，功率MOSFET进入到稳态导通状态 开通时间ton=td(on)+tri+tfv,4.2 电力MOSFET的基本特性,关断过程 关断延迟时间td(off) 当驱动脉冲电压下降到零时，栅源极输入电容Cin通过栅极电阻放电，栅极电压uGS按指数曲线下降，当下降到UGSP时，功率MOSFET的漏、源极电压uDS开始上升 电压上升时间trv 栅、漏电容CGD放电，uGS波形上出现一个平台。当uDS上升到输入电压时，iD开始减小 电流下降时间tfi uGS从UGSP继续下降，iD减小，到uGSUT时沟道消失，iD下降到稳态电流的10% 关断时间toff=td(off)+

14、trv+tfi,4.2 电力MOSFET的基本特性,MOSFET的开关特点 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的开关速度和Cin充放电有很大关系 使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度 MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速 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,4.2 电力MOSFET的常见封装,4.2 电力MOSFET的主要参数,3. 电力MOSFET的主要参数 除跨导Gfs

15、、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之还有: 1)漏极电压UDS 电力MOSFET电压定额 2) 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM 电力MOSFET电流定额 3) 栅源电压UGS 栅源之间绝缘层很薄，UGS20V将导致绝缘层击穿 4)极间电容 极间电容CGS、CGD和CDS 厂家提供：漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss Ciss= CGS+ CGD （1-14） Crss= CGD （1-15） Coss= CDS+ CGD （1-16） 输入电容可近似用Ciss代替,4.2 电力MOSFET的主要参数,漏源间的耐压、漏极

16、最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区 一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题 通态电阻Ron：是影响最大输出功率的重要参数。在相同条件下，耐压等级越高的器件其Ron越大，这也是电力MOSFET耐压难以提高的原因之一。另外Ron随结温的增加而增加，随uGS的升高而减小。,GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，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。,GTO、GTR、电力MOSFET的比较：,4.3 绝缘栅双极晶体管,电力MOSFET属于多子导电

17、，无电导调制效应，当要提高阻断电压时，其导通电阻将迅速增加，以至于使功率管无法正常工作。所以，电力MOSFET在同样的管芯面积下，随着耐电压的提高，电流容量下降的很厉害。例如FQP85N06型MOSFET为60V85A(25)，而同样尺寸的MOS管FQP5N90，电压为900V，而电流容量只有5A。为克服这个缺点，在电力MOSFET中的漏极侧引入一个PN结，在正常导通时，有效电阻成几十倍地降低，可大大提高电流密度，这样就产生了新的器件IGBT。,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，具有

18、好的特性 1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,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,4.3 IGBT的结构和工作原理,IGBT是三端器件：栅极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,IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1 使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力,E,4.3 IGBT的结构和工作原理,IGBT的原理 驱动原理

19、与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定 导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通 导通压降：电导调制效应使通态压降小 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,4.3 IGBT的基本特性,1)IGBT的静态特性 图1-23 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,4.3 IGBT的基本特性,转移特性IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似 开启电压UGE(th)IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压 UGE(th)随温

20、度升高而略有下降，在+25C时，UGE(th)的值一般为26V 输出特性（伏安特性）以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系 分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应 UCE0时，IGBT为反向阻断工作状态,4.3 IGBT的基本特性,2)IGBT的动态特性 图1-24 IGBT的开关过程,IGBT的开通过程与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行 开通延迟时间td(on) 从驱动电压uGE的前沿上升至其幅值的10的时刻，到集电极电流ic上升至电流幅值ICM的10的时刻止 电流上升时间tri iC从10%ICM上

21、升至90%ICM所需时间 电压下降时间（tfv1+tfv2） tfv1为IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程,tfv2为MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程 开通时间ton开通延迟时间td(on)、电流上升时间tri与电压下降时间（tfv1+tfv2）之和。,4.3 IGBT的基本特性,IGBT的关断过程 关断延迟时间td(off) 从驱动电压uGE的脉冲下降到其幅值的90的时刻起，到集射电压uCE上升到其幅值的10% 电压上升时间trv 这段时间内栅极-集电极寄生电容CGC放电，栅极电压uGE基本维持在一个电压水平上 电流下降时间tfi 集电极电流从90ICM下降至10I

22、CM,电流下降时间分为tfi1和tfi2两段，其中tfi1对应IGBT内部的MOSFET的关断过程，这段时间集电极电流Ic下降较快；tfi2对应IGBT内部的PNP晶体管的关断过程 关断时间toff关断延迟时间与电流下降之和,4.3 IGBT的基本特性,IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数,4.3 IGBT的主要参数,1) 最大集射极间电压UCES 由内部PNP晶体管的击穿电压确定 2) 最大集电极电流 包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电

23、流ICP 3)最大集电极功耗PCM 正常工作温度下允许的最大功耗,4.3 IGBT的主要参数,IGBT的特性和参数特点 开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当 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 在电流较大的区域通态压降比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,4.3 IGBT的主要参数,4.3 IGBT的常见封装,GTR MOSFET IGBT电气符号比较,GTR MOSFET IGBT,E,

24、其它新型电力电子器件,静电感应晶体管（SIT，Static Induction Transistor）：诞生于1970年。是一种多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。但SIT是在栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，使用不太方便；且通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未得到广泛应用。 静电感应晶闸管（SITH，Static Induction Thyristor）：诞生于1972年，因其工作原理与SIT类似，门极和阳极电压均能通过电场控制阳极电流，因此SITH又被称为场控晶闸管（FCT ，Field Controlled Thyristo

25、r）。SITH是两种载流子导电的双极型器件，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件；SITH一般也是正常导通型（栅极不加信号时导通），而且其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。 集成门极换流晶闸管（IGCT，Integrated Gate-Commutated Thyristor）：于20世纪90年代后期出现，1997年得到商品化，其结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度比GTO快10倍，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大。目前的制造水平是4500V/4000A，有望取代GTO在特大功率场合的位置。,其它新型电力电子器件,功率模块和功率集成电路： 20世纪80年代中后期开始，在电力电子器件研制过程中一个共同趋势是模块化。将多个器件封装在一个模块