No-13電力電子技術(shù)-MOSFET和IGBT

1、1 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) Power Electronics任課教師：謝少軍課程組網(wǎng)站：http:/ 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) Power Electronics第八章第八章 功率晶體管和二極管功率晶體管和二極管3n雙極性功率晶體管雙極性功率晶體管n功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)n絕緣柵晶體管（IGBT）第二節(jié)第二節(jié) 功率晶體管功率晶體管4二二. 場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 特點(diǎn)特點(diǎn)用柵極電壓來(lái)控制漏極電流用柵極電壓來(lái)控制漏極電流 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小 開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高 熱穩(wěn)定性優(yōu)于熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTRGTR

2、 電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)過(guò)10kW10kW的電力電子裝置的電力電子裝置 第二節(jié)第二節(jié) 功率晶體管功率晶體管5二二. 場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 結(jié)型結(jié)型和和絕緣柵型絕緣柵型（類(lèi)似小功率（類(lèi)似小功率Field Effect Field Effect TransistorTransistorFETFET）二類(lèi)）二類(lèi) 場(chǎng)效應(yīng)功率晶體管場(chǎng)效應(yīng)功率晶體管一般一般指指絕緣柵型絕緣柵型 MOSMOSMetal Metal Oxide Semiconductor Oxide Semiconductor ）FETFET - -簡(jiǎn)稱(chēng)功率簡(jiǎn)稱(chēng)功率MOSFET

3、MOSFET（Power MOSFETPower MOSFET） 結(jié)型結(jié)型的場(chǎng)效應(yīng)功率晶體管稱(chēng)為的場(chǎng)效應(yīng)功率晶體管稱(chēng)為靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶體管（SITSIT），較少應(yīng)用），較少應(yīng)用第二節(jié)第二節(jié) 功率晶體管功率晶體管61. MOSFET1. MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 MOSFETMOSFET的種類(lèi)的種類(lèi) 第二節(jié)第二節(jié) 功率晶體管功率晶體管7 結(jié)型結(jié)型MOSFETMOSFET 外加電場(chǎng)控制場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵源之間外加電場(chǎng)控制場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵源之間PN結(jié)耗盡層寬度變化來(lái)結(jié)耗盡層寬度變化來(lái)控制溝道電導(dǎo)控制溝道電導(dǎo)1. MOSFET1. MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 第

4、二節(jié)第二節(jié) 功率晶體管功率晶體管柵柵漏漏源源8第二節(jié)第二節(jié) 功率晶體管功率晶體管1. MOSFET1. MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 絕緣柵型絕緣柵型MOSFETMOSFET 柵極柵極G與其余兩個(gè)電極之間是絕緣的，外加電場(chǎng)控制半導(dǎo)體中與其余兩個(gè)電極之間是絕緣的，外加電場(chǎng)控制半導(dǎo)體中感應(yīng)電荷量的變化控制溝道電導(dǎo)感應(yīng)電荷量的變化控制溝道電導(dǎo) 單極型：?jiǎn)螛O型：導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電大功率大功率MOSFET一般不用一般不用P溝道，空穴的遷移率比電子低，導(dǎo)通電阻大溝道，空穴的遷移率比電子低，導(dǎo)通電阻大按導(dǎo)電溝道可分為按導(dǎo)電溝道

5、可分為P溝道和溝道和N溝道，溝道， 功率功率MOSFET主要是主要是N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型9 截止：截止：柵源極間電壓為零，漏源極柵源極間電壓為零，漏源極間加正電源間加正電源P基區(qū)與基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)反偏，漏源極之間無(wú)電結(jié)反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)流流過(guò) 第二節(jié)第二節(jié) 功率晶體管功率晶體管1. MOSFET1. MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 絕緣柵型絕緣柵型MOSFET的的導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電機(jī)理10導(dǎo)電：導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓在柵源極間加正電壓柵極的正電壓會(huì)排柵極的正電壓會(huì)排斥斥P P區(qū)中的空穴，而區(qū)中的空穴，而將將P P區(qū)中的少子區(qū)中的少子電子吸引到柵

6、極下電子吸引到柵極下面的面的P P區(qū)表面區(qū)表面 第二節(jié)第二節(jié) 功率晶體管功率晶體管1. MOSFET1. MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 絕緣柵型絕緣柵型MOSFET的的導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電機(jī)理當(dāng)當(dāng)UGS大于大于UT（開(kāi)啟電壓或閾值電壓開(kāi)啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下）時(shí)，柵極下P區(qū)表面的區(qū)表面的電子濃度將超過(guò)空穴濃度，使電子濃度將超過(guò)空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成型半導(dǎo)體反型成N型而成為型而成為反型反型層層，該反型層形成，該反型層形成N溝道而使溝道而使PN結(jié)消失，漏極和源極導(dǎo)電結(jié)消失，漏極和源極導(dǎo)電耗盡11nVDS0，VGSVT, VDS0 , 導(dǎo)通， VGDVGS-VDS 當(dāng) VGDVG

7、S-VDSVT時(shí)，靠近漏極的溝道夾斷第二節(jié)第二節(jié) 功率晶體管功率晶體管1. MOSFET1. MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 絕緣柵型絕緣柵型MOSFET的的導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電機(jī)理12nVGSVT 可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)（溝道未夾斷）nVGDVGS-VDS20V20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿將導(dǎo)致絕緣層擊穿4)4) dUdUDSDS/dt/dt限制限制第二節(jié)第二節(jié) 功率晶體管功率晶體管3. 功率功率MOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù)27漏源間的耐壓、漏極最大漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功允許電流和最大耗散功率決定率決定雖然雖然MOSFETMOSFET不存在二次擊不存在二次擊穿穿問(wèn)題；實(shí)

8、用中仍應(yīng)注問(wèn)題；實(shí)用中仍應(yīng)注意留適當(dāng)?shù)脑Ａ?。意留適當(dāng)?shù)脑Ａ?。第二?jié)第二節(jié) 功率晶體管功率晶體管4 功率功率MOSFET的安全工作區(qū)的安全工作區(qū)28n功率場(chǎng)控應(yīng)晶體管(MOSFET)n絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）第二節(jié)第二節(jié) 功率晶體管功率晶體管29 取代了取代了GTRGTR和一部分和一部分MOSFETMOSFET的市場(chǎng)，中小功率電力電子設(shè)備的市場(chǎng)，中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件的主導(dǎo)器件 第二節(jié)第二節(jié) 功率晶體管功率晶體管三三.絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)GTR的特點(diǎn)的特點(diǎn)雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，通流能力很強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，通流能力很強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度

9、較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜MOSFET的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速度快，輸入單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單GTR和和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的特性復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的特性絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT）30 三端器件：柵極三端器件：柵極G G、集電極、集電極C C和發(fā)射極和發(fā)射極E E IGBTIGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) IGBTIGBT比

10、比MOSFETMOSFET多一層多一層P P+ +注入?yún)^(qū)，形成了一個(gè)大面積的注入?yún)^(qū)，形成了一個(gè)大面積的P P+ +N N結(jié)結(jié). .IGBTIGBT具具有很強(qiáng)的通流能力有很強(qiáng)的通流能力. . 第二節(jié)第二節(jié) 功率晶體管功率晶體管1. IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理IGBTVDMOS31 等效電路等效電路IGBTIGBT是是GTRGTR與與MOSFETMOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFETMOSFET驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)的厚基區(qū)PNPPNP晶體管晶體管 R R為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻第二節(jié)第二節(jié) 功率晶體管功率晶體管1. IGBT的結(jié)構(gòu)

11、和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理32第二節(jié)第二節(jié) 功率晶體管功率晶體管1. IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理IGBT的原理的原理驅(qū)動(dòng)原理與功率驅(qū)動(dòng)原理與功率MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓極電壓uGE決定決定導(dǎo)通導(dǎo)通：uGE大于大于開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通導(dǎo)通關(guān)斷關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)關(guān)斷斷與與MOS

12、FET比較，參與導(dǎo)電的載流子有無(wú)區(qū)別？比較，參與導(dǎo)電的載流子有無(wú)區(qū)別？33第二節(jié)第二節(jié) 功率晶體管功率晶體管2. IGBT的基本特性的基本特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性輸出特性（伏安特性）輸出特性（伏安特性）正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)uCE0時(shí)，時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)為反向阻斷工作狀態(tài)正向?qū)▔航嫡驅(qū)▔航?.7V34第二節(jié)第二節(jié) 功率晶體管功率晶體管2. IGBT的基本特性的基本特性動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間ton=開(kāi)通延遲時(shí)開(kāi)通延遲時(shí)間間td(on)+電流上升時(shí)間電流上升時(shí)間tr電流電流拖尾拖尾關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff=關(guān)斷延遲時(shí)關(guān)斷延遲時(shí)間間td(off)

13、+電流下降時(shí)間電流下降時(shí)間tf？35(1)(1) 開(kāi)關(guān)速度較快，開(kāi)關(guān)損耗小開(kāi)關(guān)速度較快，開(kāi)關(guān)損耗小 介于介于GTRGTR和和MOSFETMOSFET之間之間(2)(2) 高電壓的器件通態(tài)壓降與高電壓的器件通態(tài)壓降與GTRGTR相當(dāng)，低于相當(dāng)，低于MOSFETMOSFET 不適合要求通態(tài)壓降小于不適合要求通態(tài)壓降小于0.7V0.7V應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)用場(chǎng)合(3)(3) 輸入阻抗高，輸入特性與輸入阻抗高，輸入特性與MOSFETMOSFET類(lèi)似類(lèi)似(4) (4) 對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求與對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求與MOSFETMOSFET相似（要低一些，因相似（要低一些，因?yàn)榧纳娙菹鄬?duì)較小，耐為寄生電容相對(duì)較小，耐dU/

14、dtdU/dt能力強(qiáng)）能力強(qiáng)）第二節(jié)第二節(jié) 功率晶體管功率晶體管2. IGBT的基本特性的基本特性IGBT的特點(diǎn)的特點(diǎn)361)1) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓U UCESCES 由內(nèi)部由內(nèi)部PNPPNP晶體管的擊穿電壓確定晶體管的擊穿電壓確定2)2) 最大集電極電流最大集電極電流 包括額定直流電流包括額定直流電流I IC C和和1ms1ms脈寬最大電流脈寬最大電流I ICPCP3)3) 最大集電極功耗最大集電極功耗P PCMCM 正常工作溫度下允許的最大功耗正常工作溫度下允許的最大功耗第二節(jié)第二節(jié) 功率晶體管功率晶體管3. IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)37 寄生晶閘管寄生晶閘管由一個(gè)由一

15、個(gè)N N- -PNPN+ +晶體管和作為主開(kāi)關(guān)器件晶體管和作為主開(kāi)關(guān)器件的的P P+ +N N- -P P晶體管組成晶體管組成擎住效應(yīng)擎住效應(yīng)（自鎖效應(yīng)）（自鎖效應(yīng)）：I ICMCM,du,duCECE/dt/dt限制限制第二節(jié)第二節(jié) 功率晶體管功率晶體管4. IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)38 正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)（FBSOAFBSOA）最大集電極電流、最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定 第二節(jié)第二節(jié) 功率晶體管功率晶體管4. IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)反偏安全工作區(qū)反偏安全工作區(qū)（RBSOA）-最大電壓上升率最大電壓上升率duCE/dt的限制的限制39作業(yè)作業(yè)n1. 請(qǐng)從器件結(jié)構(gòu)、等效電路、伏安特性、工作特點(diǎn)等方面