功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管絕緣柵雙極型晶體管ppt課件

1、l分為結(jié)型和絕緣柵型l通常主要指絕緣柵型中的MOS型Metal Oxide Semiconductor FETl簡(jiǎn)稱功率MOSFETPower MOSFETl結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管普通稱作靜電感應(yīng)晶體管Static Induction TransistorSIT 特點(diǎn)用柵極電壓來(lái)控制漏極電流 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需求的驅(qū)動(dòng)功率小。(絕緣柵、電壓控制器件) 開(kāi)關(guān)速度快，任務(wù)頻率高。(只需多數(shù)載流子，無(wú)少數(shù)載流子積存效應(yīng)) 平安區(qū)寬，熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。沒(méi)有類似GTR的二次擊穿 電流容量小，耐壓低，普通只適用于功率不超越10kW的電力電子安裝。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管( Power Metal O

2、xide ( Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)Semiconductor Field Effect Transistor)lP-MOSFET的種類的種類l按導(dǎo)電溝道可分為按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和溝道和N溝道。溝道。l耗盡型耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。間就存在導(dǎo)電溝道。l加強(qiáng)型加強(qiáng)型對(duì)于對(duì)于NP溝道器件，柵極溝道器件，柵極電壓大于小于零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道。電壓大于小于零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道。l功率功率MOSFET主要是主要是N溝道加強(qiáng)型。溝道加強(qiáng)型。漏極柵極源極芯片照片斷面P-M

3、OSFET的構(gòu)造的構(gòu)造是單極型、全控型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管一樣，但構(gòu)造上有較大區(qū)別。采用多元集成構(gòu)造，不同的消費(fèi)廠家采用了不同設(shè)計(jì)。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖1-19 功率MOSFET的構(gòu)造和電氣圖形符號(hào)漏極源極柵極外延漂移層襯底SiO2絕緣層l小功率MOS管是橫導(dǎo)游電器件。l功 率 M O S F E T 大 都 采 用 垂 直 導(dǎo) 電 構(gòu) 造 ， 又 稱 為VMOSFETVerticalMOSFET。l按垂直導(dǎo)電構(gòu)造的差別，分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙分散MOS構(gòu)造的VDMOSFETVert

4、icalDouble-diffusedMOSFET。l這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)展討論。P-MOSFET的構(gòu)造的構(gòu)造截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間構(gòu)成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。P-MOSFET的任務(wù)原理的任務(wù)原理導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS那么柵極上的正電壓將其下面的P基區(qū)中的空穴推開(kāi)，而將少子電子吸引到柵極下的P基區(qū)的外表，當(dāng)UGS大于UT時(shí)，P型半導(dǎo)體反型成N型，成為反型層，該反型層構(gòu)成N溝道而使PN結(jié)J1消逝，漏極和源極導(dǎo)電。UGS數(shù)值越大，P-MOSFET導(dǎo)電才干越強(qiáng)，ID也就越大。(1)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性TransferCharact

5、eristic漏極電流漏極電流ID和柵源間電壓和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為的關(guān)系稱為MOSFET的的轉(zhuǎn)移特性。轉(zhuǎn)移特性。ID較大小時(shí)，較大小時(shí)，ID與與UGS的關(guān)系近似非線性，曲的關(guān)系近似非線性，曲線的斜率微變量之比定線的斜率微變量之比定義為跨導(dǎo)義為跨導(dǎo)Gfs。圖1-20功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性1靜態(tài)特性靜態(tài)特性010203050402468ID/AUTUGS/VIDUGS(2)輸出特性輸出特性漏極電流漏極電流ID和漏源間電壓和漏源間電壓UDS的關(guān)系稱為的關(guān)系稱為MOSFET的輸出特的輸出特性，即漏極伏安特性性，即漏極伏安特性。分為四個(gè)區(qū)：非飽和區(qū)可變分為四個(gè)區(qū)：非飽和區(qū)可變電阻區(qū)、飽和區(qū)恒

6、流區(qū)、電阻區(qū)、飽和區(qū)恒流區(qū)、擊穿區(qū)雪崩區(qū)、截止區(qū)擊穿區(qū)雪崩區(qū)、截止區(qū)UGS低于開(kāi)啟電壓低于開(kāi)啟電壓102030504001020 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)UDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖1-20P-MOSFET的輸出特性1靜態(tài)特性靜態(tài)特性擊穿區(qū)任務(wù)在開(kāi)關(guān)形狀，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。通態(tài)電阻，具有正溫度系數(shù)的直流電阻，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。開(kāi)經(jīng)過(guò)程開(kāi)經(jīng)過(guò)程開(kāi)通延遲時(shí)間開(kāi)通延遲時(shí)間td(on) 上升時(shí)間上升時(shí)間tr開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間ton開(kāi)通開(kāi)通延遲時(shí)間與上升

7、時(shí)間延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和之和 ton td(on) tr關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)下降時(shí)間下降時(shí)間tf關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff關(guān)斷關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和之和toff td(off) tfpinGSTDDinGSDUCUUiiCUi，充電，時(shí)，導(dǎo)電溝道，預(yù)夾斷，仍充電，穩(wěn)定， 不變ab)RsRGRFRLiDuGSupiD信號(hào)+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖1-21P-MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程a)開(kāi)關(guān)特性測(cè)試電路b)開(kāi)關(guān)過(guò)程波形up脈沖信號(hào)源，Rs信號(hào)源內(nèi)阻，RG柵極電阻，RL負(fù)載電阻，RF檢測(cè)漏極電

8、流()0pinGSDd offDinGSDGSTDUCUitiCUiUUi高電平，放電， 不變時(shí)，預(yù)夾斷，仍放電，繼續(xù)，夾斷區(qū)上升，時(shí)，導(dǎo)電溝道消失， l從中可以求得器件的：l輸入電容：CinCGSCGD。l輸出電容:CoutCGDCDS。l反響電容：CrCGD。l正是Cin在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需求進(jìn)展充、放電，影響了開(kāi)關(guān)速度。同時(shí)也可看出，靜態(tài)時(shí)雖柵極電流很小，驅(qū)動(dòng)功率小，但動(dòng)態(tài)時(shí)由于電容充放電電流有一定強(qiáng)度，故動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)仍需一定的柵極功率。開(kāi)關(guān)頻率越高，柵極驅(qū)動(dòng)功率也越大。 MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和的開(kāi)關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系。充放電有很大關(guān)系。 P-MOSFET是多數(shù)載流子器件，不存在少數(shù)載

9、流子特有的存是多數(shù)載流子器件，不存在少數(shù)載流子特有的存貯效應(yīng)，因此開(kāi)關(guān)時(shí)間很短，典型值為貯效應(yīng)，因此開(kāi)關(guān)時(shí)間很短，典型值為20ns，影響開(kāi)關(guān)速度的主要是，影響開(kāi)關(guān)速度的主要是器件極間電容。器件極間電容。 可降低信號(hào)源驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻可降低信號(hào)源驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小減小Ci 充、放電時(shí)間常數(shù)，加快開(kāi)關(guān)充、放電時(shí)間常數(shù)，加快開(kāi)關(guān)速度。速度。不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，關(guān)斷過(guò)程非常迅速。不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，關(guān)斷過(guò)程非常迅速。開(kāi)關(guān)時(shí)間在開(kāi)關(guān)時(shí)間在10100ns之間，任務(wù)頻率可達(dá)之間，任務(wù)頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力以上，是主要電力電子器件中最高的。電子器件中最高的。場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開(kāi)

10、關(guān)過(guò)程中需對(duì)輸入電容場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開(kāi)關(guān)頻率越高，所需求的驅(qū)動(dòng)功率越大。開(kāi)關(guān)頻率越高，所需求的驅(qū)動(dòng)功率越大。MOSFET的開(kāi)關(guān)速度的開(kāi)關(guān)速度除跨導(dǎo)Gfs、開(kāi)啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有：P-MOSFET電壓定額(1) 漏極電壓漏極電壓UDS (2) 漏極直流電流漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值和漏極脈沖電流幅值IDMP-MOSFET電流定額,表征P-MOSFET的電流容量(3) 柵源電壓柵源電壓UGSUGS20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。(4) 極間電容極間電容極間電

11、容CGS、CGD和CDS。前兩者由MOS構(gòu)造的絕緣層構(gòu)成的，其電容量的大小由柵極的幾何外形和絕緣層的厚度決議；后者由PN構(gòu)呵斥，其數(shù)值大小由溝道面積和有關(guān)結(jié)的反偏程度決議。指在確定的柵源電壓UGS下，P-MOSFET處于恒流區(qū)時(shí)的直流電阻，是影響最大輸出功率的重要參數(shù)。(5) 通態(tài)電阻通態(tài)電阻Ron (6) 漏源擊穿電壓漏源擊穿電壓BUDS該電壓決議了P-MOSFET的最高任務(wù)電壓(7) 柵源擊穿電壓柵源擊穿電壓BUGS該電壓表征了功率MOSFET柵源之間能接受的最高電壓。功率MOSFET具有電流負(fù)溫度效應(yīng)，沒(méi)有二次擊穿問(wèn)題，具有非常寬的平安任務(wù)區(qū)，特別是在高電壓范圍內(nèi)，但是功率MOSFET的

12、通態(tài)電阻比較大，所以在低壓部分不僅受最大電流的限制，還要遭到本身功耗的限制。圖正向偏置平安任務(wù)區(qū)l由以下四條邊境限定：l漏-源通態(tài)電阻Ron；l最大漏極電流IDM；l極限功耗PCM；l極限漏-源電壓UDSM。正向偏置平安任務(wù)區(qū)(FBSOA)正向偏置平安任務(wù)區(qū)由四條邊境極限所包圍的區(qū)域。漏源通態(tài)電阻線，最大漏極電流線，最大功耗限制線和最大漏源電壓線，開(kāi)關(guān)平安任務(wù)區(qū)(SSOA)開(kāi)關(guān)平安任務(wù)區(qū)(SSOA)表示器件任務(wù)的極限范圍。在功率MOSFET換流過(guò)程中，當(dāng)器件體內(nèi)反并聯(lián)二級(jí)管從導(dǎo)通形狀進(jìn)入反向恢復(fù)期時(shí)，假設(shè)漏極電壓上升過(guò)大，那么很容易呵斥器件損壞。二極管反向恢復(fù)期內(nèi)漏源極的電壓上升率稱為二極管恢

13、復(fù)耐量，二極管恢復(fù)耐量是功率MOSFET可靠性的一個(gè)重要參數(shù)。換向平安任務(wù)區(qū)(CSOA)(1)功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的共性問(wèn)題驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)簡(jiǎn)單、可靠。也需求思索維護(hù)、隔離等問(wèn)題。驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)載為容性負(fù)載。按驅(qū)動(dòng)電路與柵極的銜接方式可分為直接驅(qū)動(dòng)與隔離驅(qū)動(dòng)。(2)功率MOSFET對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求保證功率MOSFET可靠開(kāi)通和關(guān)斷，觸發(fā)脈沖前、后沿要求峻峭。減小驅(qū)動(dòng)電路的輸出電阻，提高功率MOSFET的開(kāi)關(guān)速度。觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開(kāi)啟電壓，為了防止誤導(dǎo)通，在功率MOSFET截止時(shí)，能提供負(fù)的柵源電壓。功率MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)電流為柵極電容的充、放電電流。l驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)實(shí)現(xiàn)主電路與控

14、制電路之間的隔離，防止功率電路對(duì)控制信號(hào)呵斥干擾。l驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能提供適當(dāng)?shù)木S護(hù)功能，使得功率管可靠任務(wù)，如低壓鎖存維護(hù)、過(guò)電流維護(hù)、過(guò)熱維護(hù)及驅(qū)動(dòng)電壓箝位維護(hù)等。l驅(qū)動(dòng)電源必需并聯(lián)旁路電容，它不僅濾除噪聲，也用于給負(fù)載提供瞬時(shí)電流，加快功率MOSFET的開(kāi)關(guān)速度。(3)P-MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)方式直接驅(qū)動(dòng)TTL驅(qū)動(dòng)電路隔離驅(qū)動(dòng)電路l對(duì)于VDMOS，其驅(qū)動(dòng)電路非常簡(jiǎn)單，但在高速開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)時(shí)或在并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可在其驅(qū)動(dòng)電路的輸出級(jí)上接入射極跟隨器，并盡能夠地減小輸出電阻，以縮短它的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間。假設(shè)在驅(qū)動(dòng)信號(hào)上做到阻斷時(shí)柵源電壓小于零，就能進(jìn)一步縮短關(guān)斷時(shí)間。兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件

15、Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管Insulated-gateBipolarTransistorIGBT或IGTGTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。1986年投入市場(chǎng)，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的位置。 GTR和GTO的特點(diǎn)雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流才干很強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)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。IGBT的構(gòu)造三端器件：柵極(門(mén)極)G、集電極C和發(fā)射極E圖1-22 IGBT的構(gòu)造、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部構(gòu)造

16、斷面表示圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)圖1-22aN溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強(qiáng)的通流才干。簡(jiǎn)化等效電路闡明，IGBT是GTR與MOSFET(驅(qū)動(dòng)元件)組成的達(dá)林頓構(gòu)造，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。在集電極和發(fā)射極之間其內(nèi)部實(shí)踐上包含了兩個(gè)雙極型晶體管P+NP及N+PN，它們又組合成了一個(gè)等效的晶閘管即存在著一個(gè)寄生晶閘管，寄生晶閘管有擎住作用。圖1-22 IGBT的構(gòu)造和簡(jiǎn)化等效電路a) 內(nèi)部構(gòu)造斷面表示圖 b) 具有寄生晶體管簡(jiǎn)化等效電路IGBT的構(gòu)造的構(gòu)造RN為GTR晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻

17、。RS 為溝道體P基區(qū)內(nèi)的體區(qū)電阻 。 驅(qū)動(dòng)原理與功率MOSFET根本一樣，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決議。導(dǎo)通：uGE開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)構(gòu)成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消逝，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。IGBT的任務(wù)原理的任務(wù)原理ICUGE(th)UGEO1)靜態(tài)特性靜態(tài)特性(1)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性圖1-23 IGBT的轉(zhuǎn)移特性是指輸出集電極電流IC與柵射控制電壓UGE之間的關(guān)系曲線。當(dāng)柵射電壓UGEUGEth(開(kāi)啟電壓)時(shí)，IGBT

18、處于關(guān)斷形狀。當(dāng)UGEUGEth時(shí)，IGBT導(dǎo)通。IGBT導(dǎo)通后的大部分集電極電流范圍內(nèi)，IC與UGE呈線性關(guān)系。1)靜態(tài)特性靜態(tài)特性(2)輸出特性輸出特性圖1-23 IGBT的輸出特性以柵射電壓UGE為參變量時(shí)，集電極電流IC和集射電壓UCE之間的關(guān)系曲線，成為IGBT的伏安特性或?？煞譃檎蜃钄鄥^(qū)、飽和區(qū)、線性放大或有源區(qū)和擊穿區(qū)四個(gè)部分。 UCE0, UGE臨界值ICM所允許的集電極電流小。 擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高，20世紀(jì)90年代中后期開(kāi)場(chǎng)逐漸處理。IGBT為四層構(gòu)造，NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在溝道體區(qū)短路電阻RS，P形體區(qū)的橫向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)

19、J3結(jié)施加正偏壓，當(dāng)IC大到一定程度時(shí)，該偏置電壓使NPN晶體管J3開(kāi)通，進(jìn)而使NPN和PNP晶體管寄生晶閘管處于飽和形狀，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制造用，電流失控擎住作用圖1-24 IGBT的等效電路 IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一同，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件 。最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。反向偏置平安任務(wù)區(qū)反向偏置平安任務(wù)區(qū)RBSOA最大集電極電流ICM、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。正偏平安任務(wù)區(qū)正偏平安任務(wù)區(qū)FBSOAIGBT開(kāi)通時(shí)的正向偏置平安任務(wù)區(qū)由電流、電壓和功耗三條邊境極限包圍而成。最大集電極電流ICM是根據(jù)防止動(dòng)

20、態(tài)擎住而確定的；最大集射極電壓UCEM是由IGBT中PNP晶體管的擊穿電壓所確定；最大功耗那么由最高允許結(jié)溫所決議。IGBT關(guān)斷時(shí)的反向偏置平安任務(wù)區(qū)與IGBT關(guān)斷時(shí)的du/dt有關(guān)，du/dt越高，RBSOA越窄。1)柵極驅(qū)動(dòng)電路對(duì)IGBT的影響正向驅(qū)動(dòng)電壓+V添加時(shí)，IGBT輸出級(jí)晶體管的導(dǎo)通壓降和開(kāi)通損耗值將下降，但并不是說(shuō)+V值越高越好。IGBT在關(guān)斷過(guò)程中，柵射極施加的反偏壓有利于IGBT的快速關(guān)斷。柵極驅(qū)動(dòng)電路最好有對(duì)IGBT的完好維護(hù)才干。為防止呵斥同一個(gè)系統(tǒng)多個(gè)IGBT中某個(gè)的誤導(dǎo)通，要求柵極配線走向應(yīng)與主電流線盡能夠遠(yuǎn)，且不要將多個(gè)IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)線捆扎在一同。1. IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)的柵極驅(qū)動(dòng)2)IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)滿足的條件柵極驅(qū)動(dòng)電壓脈沖的上升率和下降率要充分大。在IGBT導(dǎo)通后，柵