基本原理PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1基本原理基本原理IGBT介紹01IGBT發(fā)展背景02IGBT結(jié)構(gòu)、原理、電氣特性03C O N T E N T S第1頁/共23頁三菱西門子IGBT： 是一種大功率的電力電子器件，是一個非通即斷的開關(guān)，IGBT沒有放大電壓的功能，導(dǎo)通時可以看做導(dǎo)線，斷開時當(dāng)做開路。三大特點(diǎn)就是高壓、大電流、高速。它是電力電子領(lǐng)域非常理想的開關(guān)器件。第2頁/共23頁電力半導(dǎo)體器分類不可控器件:不能用控制信號來控制其通斷,因此不需要驅(qū)動電路,此類器件只有整流作用,包括普通功 率二極管、快恢復(fù)二極管和、肖特基二極管。半控型器件:控制導(dǎo)通不能控制關(guān)斷。它包括普通晶閘管及其派生的特殊器件,如逆導(dǎo)晶閘管等。全控型

2、器件:控制其導(dǎo)通、關(guān)斷,又稱為自關(guān)斷器件。例：雙極型功率晶體管、功率場效應(yīng)晶體管、 絕緣柵雙極晶體管、門極可關(guān)斷晶閘管、靜電感應(yīng)晶閘管等。電流驅(qū)動型:通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)對器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。例如三極管BJT等。電壓型驅(qū)動:通過在控制端和公共端之間的電壓信號來實(shí)現(xiàn)對器件導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。例如IGBT等。第3頁/共23頁件，它僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱為單極型晶體管。n絕緣柵型場效應(yīng)管（IGFET）：柵極-源極，柵極-漏極之間采用SiO2絕緣層隔離，因此而得名。又因柵極為金屬鋁，所以又稱為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管，也就是MOSFET（Metal-Oxide-Semi

3、conductor Field Effect Transistor）第4頁/共23頁 由圖可知IGBT是以雙極型晶體管為主導(dǎo)元件,以MOSFET為驅(qū)動元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。 忽略虛線部分，相當(dāng)于由N溝道MOSFET驅(qū)動的PNP晶體管的達(dá)林頓管。 達(dá)林頓管就是兩個三極管接在一起，極性只認(rèn)前面的三極管，應(yīng)用于大功率開關(guān)電路。第5頁/共23頁50年代第一代可控硅SCR功率容量大，但開關(guān)速度低，關(guān)斷不可控，因強(qiáng)制換流關(guān)斷使控制電路非常復(fù)雜70年代第二代70年代末第三代80年代第四代future第N代門 極 可 關(guān) 斷晶閘管 GTO 和 巨 型 雙 極晶體管GTR 。自關(guān)斷器件, 控 制 電 路 簡化 。

4、但 它 們共 同 存 在 驅(qū)動 電 流 大 、功耗損失功率場效應(yīng)晶體管 VDMOS和靜電感應(yīng)晶體管 SIT。開關(guān)速度高、輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動電路簡單 ， 但是導(dǎo)通電阻大，不耐高壓IGBT ？第6頁/共23頁產(chǎn)品產(chǎn)品特點(diǎn)特點(diǎn)SCR功率容量大, 目前的水平已達(dá)到7000V / 8000A。但缺點(diǎn)是開關(guān)速度低, 關(guān)斷不可控、因強(qiáng)制換流關(guān)斷使控制電路非常復(fù)雜, 限制了它的應(yīng)用。GTO、GTR它們都是自關(guān)斷器件,開關(guān)速度比 SCR 高, 控制電路也得到了簡化。 目前的 GTO 和 GTR 的水平分別達(dá)到了 6000V /6000A、1000V / 400A。 但是, GTO 的開關(guān)速度還是較低,

5、GTR 存在二次擊穿和不易并聯(lián)問題。 另外, 它們共同存在驅(qū)動電流大、功耗損失大的問題。 VDMOS、SIT具開關(guān)速度高、輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動電路簡單等特點(diǎn)。 但導(dǎo)通電阻限制了它們的電流容量和功率容量。不過, 人們利用超大規(guī)模 IC 技術(shù)把 VDMOS 的元胞尺寸做得很小 (只有幾個平方微米) , 大大增加了元胞的數(shù)量、減小了導(dǎo)通電阻、提高了電流容量。但是, 功率容量還是很低。100V 以下,VDMOS 是最理想的開關(guān)器件。IGBT目前, IGBT器件已從第1代發(fā)展到了第4代，它的工作頻率可達(dá)到 200KH z。它的功率容量從小功率 (80-300A/500-1200V ) 的單管發(fā)展

6、到超大功率 (1000-1200A/2500-4500 V) 的模塊, 形成了系列化產(chǎn)品,產(chǎn)品覆蓋面非常大。第7頁/共23頁非穿通型(NPT)結(jié)構(gòu)擁有緩沖層的穿通型(PT)結(jié)構(gòu)場終止型、軟穿通型結(jié)構(gòu)平面柵結(jié)構(gòu)垂直于芯片表面的溝槽型結(jié)構(gòu)外延生長技術(shù)區(qū)熔硅單晶器件縱向結(jié)構(gòu)柵極結(jié)構(gòu)硅片的加工工藝二二 IGBTIGBT發(fā)展歷史發(fā)展歷史第8頁/共23頁國外縱觀全球市場，IGBT主要供應(yīng)廠商基本是歐美及日本幾家公司,它們代表著目前IGBT技術(shù)的最高水平,包括德國英飛凌、瑞士ABB、美國IR、飛兆以及日本三菱、東芝、富士等公司。在高電壓等級領(lǐng)域(3300V以上)更是完全由其中幾家公司所控制,在大功率溝槽技術(shù)

7、方面,英飛凌與三菱公司處于國際領(lǐng)先水平。這些公司不僅牢牢控制著市場,還在技術(shù)上擁有著大量的專利。國內(nèi)IGBT產(chǎn)業(yè)在最近幾年也得到了快速發(fā)展國內(nèi)第9頁/共23頁第10頁/共23頁第11頁/共23頁升高略有下降,溫度每升高1C,其值下降5mv左右,在25時,一般為2一6V;最高柵-射電壓受最大集電極電流的限制,一般選取在15V左右。常數(shù)CEuGEcufi)()(thGEGEUu)(thGEGEUu轉(zhuǎn)移特性第12頁/共23頁常數(shù)GEuCEcufi)(輸出特性/伏安特性第13頁/共23頁 當(dāng)柵極電壓為零或負(fù)壓時,IGBT關(guān)斷并承受正向電壓,表現(xiàn)為IGBT正向阻斷特性。在電力電子電路中,IGBT經(jīng)常會直

8、接承受較高的負(fù)載電壓,所以選擇IGBT首先就要考慮IGBT的電壓等級也就是IGBT正向阻斷電壓的能力。 目前市場上IGBT的電壓等級主要分為600V、1200V、1700V、3300V、4500V、6500V等,不同的電壓等級表示IGBT可以阻斷多少正向電壓,超過相應(yīng)的電壓等級器件的漏電流會開始大量增加,短時間內(nèi)器件也許不會損壞,但長時間會導(dǎo)致器件擊穿甚至燒毀。IGBT工作在開關(guān)狀態(tài),就是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來回切換。靜態(tài)開關(guān)特性可以看成開通時基本與縱軸重合,關(guān)斷時與橫軸重合。體現(xiàn)開通時壓降小,關(guān)斷時漏電流很小的優(yōu)點(diǎn)。飽和壓降VCE（sat): IBTG飽和導(dǎo)通時的VCE ，一般為2-4v

9、。開關(guān)第14頁/共23頁關(guān)斷過程開通過程類似于VDMOS開通過程第15頁/共23頁開通過程三三 IGBTIGBT電氣特性電氣特性動態(tài)特性動態(tài)特性第16頁/共23頁關(guān)斷過程第17頁/共23頁n慢減小到零的階段，即與基區(qū)過剩載流子復(fù)合有關(guān)的緩慢下降階段（指數(shù)下降階段），下降時間為tf2，下降時間主要取決于N基區(qū)空穴流的復(fù)合速度,即N基區(qū)中少數(shù)空穴的壽命。 三三 IGBTIGBT電氣特性電氣特性動態(tài)特性動態(tài)特性關(guān)斷過程第18頁/共23頁所以 IGBT 的通態(tài)壓降與關(guān)斷時間之間存在一個折衷的關(guān)系。nIGBT以Vce(sat)和toff為標(biāo)志形成了幾代產(chǎn)品。關(guān)斷過程第19頁/共23頁BDAC定義：COMSFET與BJT復(fù)合的全控型電壓驅(qū)動大功率開關(guān)器件；結(jié)構(gòu)、原理：PNPN四層結(jié)構(gòu)；用MOSFET控制BJT；背景：80年代發(fā)展至今，IGBT擁有輸入阻抗大、驅(qū)動功率小、開關(guān)損耗低以及工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)電氣特性：靜態(tài)特性與開關(guān)特性 第20頁/共23頁IGBT驅(qū)動電路Lorem ipsum dolor sdrweamet cons ectetur adipi sicing seed eiusmod tempor