電力電子器件6章

1、第六章 功率場(chǎng)控器件 第一節(jié) 功率MOSFET 第二節(jié) IGBT和MCT 第一節(jié) 功率MOSFET Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 第二節(jié) IGBT和MCT Insulated Gate Bipolar Transistor MOS Controlled Thyristor功率場(chǎng)控器件: 電壓控制主電流的 電力電子器件。 基本特點(diǎn)是: （1）輸入阻抗高（驅(qū)動(dòng)功率?。?（2）可自關(guān)斷 （ 控制信號(hào)撤除后或加負(fù)信號(hào)）1. MOSFET的電壓控制功率場(chǎng)控器件:VDMOS ， VVMOS2. 單雙極復(fù)合型功率場(chǎng)控器件:

2、IGBT ， MCT MOSFET的電壓控制方式 + 雙極器件的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) 3. 靜電感應(yīng)功率場(chǎng)控器件: SIT ， SITH （ JFET SIT SITH）新型電力電子器件 高頻大功率電力電子應(yīng)用領(lǐng)域。第一節(jié) 功率MOSFETPower Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor平面水平溝道結(jié)構(gòu)MOSFET: G，D，S集中在Si片的同一表面。 導(dǎo)電溝道局限于淺表面層 導(dǎo)通電阻大導(dǎo)通 電流不大。芯片利用率低。垂直溝道結(jié)構(gòu)MOSFET（功率MOSFET） VDMOS: S，D分別在Si的兩個(gè)表面 溝道 短，截面積大 導(dǎo)通電阻小，通流能

3、力和 耐壓能力高；工作頻率高，驅(qū)動(dòng)功率小，無熱電反饋二次擊穿，跨導(dǎo)線性度高，制造工藝與集成電路的工藝兼容。第一節(jié) 功率MOSFET一. 功率MOSFET的結(jié)構(gòu): VDMOS 垂直溝道雙擴(kuò)散型MOSFET。 VVMOS V型槽的垂直溝道MOSFET。（一）.VDMOS的結(jié)構(gòu): 溝道長(zhǎng)度短；多元胞并聯(lián)集成器件。（二）.VVMOS的結(jié)構(gòu):改變了電流方向，路徑更短。功率MOSFET命名法:（統(tǒng)稱為VDMOS）A:按斷面結(jié)構(gòu):VDMOS，VVMOS，UMOS。B:按平面版圖:TMOS（四邊形）， HEXFET（正六角形）。C: 另外 SiPMOS，ZMOS。（三）.結(jié)構(gòu)與器件參數(shù): 通態(tài)電阻和電容。 1

4、.通態(tài)電阻 RDS 通態(tài)電阻 RDS 漂移區(qū)電阻溝道電阻 電極接觸與引線電阻。 其中溝道電阻受柵壓的調(diào)制。2.高壓VDMOS的通態(tài)電阻 RDS 與擊穿電壓的關(guān)系:（2.5次方關(guān)系）ABURDSDS5 . 27103 . 83.VDMOS的電容: 柵源電容 CGS , 柵漏電容 CGD ，漏源電容CDS （包括全部的本征電容和寄生電容）。 廠家方便提供電容為: 共源輸入電容 Ciss 共源輸出電容 Coss ，反向轉(zhuǎn)移電容 Crss 其換算關(guān)系為:gdrssgddsossgdgsissCCsgCCCsdCCC短接）（短接）（, , 對(duì)于N溝道VDMOS：器件設(shè)計(jì)時(shí)通過金屬源電極將 N+ 源電壓與

5、P型溝道體區(qū)短路（類似于晶閘管中短路點(diǎn)的結(jié)構(gòu)）減小PN結(jié)電容 （ CDS ， CGS ）。源電極與溝道體區(qū)短路使漏源間出現(xiàn)了一個(gè)集成式的PN結(jié)二極管，該二極管處于反并聯(lián)續(xù)流二極管位置，除非特殊處理，該二極管不能作為續(xù)流二極管用。因?yàn)榇硕O管反向恢復(fù)較慢，且它的導(dǎo)通續(xù)流，有可能使VDMOS的 N+PN- 寄生BJT激活，誘發(fā)二次擊穿失效。4. 功率MOSFET有N溝道，P溝道兩類: N溝器件常用。 當(dāng)通態(tài)電阻和擊穿電壓相同的功率MOSFET, P溝道 器件比N溝道器件的芯片尺寸大許多。（因通態(tài)電阻 與載流子的遷移率成反比，當(dāng)芯片尺 寸相同時(shí)，空 穴導(dǎo)電的P溝器件的通態(tài)電阻是電子導(dǎo)電的N溝器件 的

6、通態(tài)電阻高4倍。） P溝器件的芯片尺寸、極間電容均比具有相同通態(tài)電阻的N溝器件的極間電容大，價(jià)格高。二. 功率MOSFET的工作特性: 功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn): 輸入阻抗高， 驅(qū)動(dòng)功耗小；無熱電反饋二次擊穿； 跨導(dǎo)線性度高；工作頻率高。（一）.極限參數(shù)與安全工作區(qū): 1. 極限參數(shù)：最大許用漏極電流， 最大許用漏源電壓， 最大許用柵源電壓。 A. 功率MOSFET的最大許用漏極電流IDM ： Tjm 最高允許結(jié)溫 T 環(huán)境溫度 R 熱阻 B. MOSFET的最大許用漏源電壓： 最大許用漏極電壓與外延層的濃度和厚度有關(guān)。 該電壓受溝道體與外延層之間的PN結(jié)雪崩擊穿 電壓 BUDS 限制。21RR

7、TTIDSajmDMC. MOSFET的最大許用柵 源電壓：該電壓控制導(dǎo)電溝道傳導(dǎo)電流能力的大小。 在相同下 UDS ，UGS 越高 IDS 越大。一般 UGS 小于20伏。D. RDS 和BUDS的溫度特性曲線: VDMOS 的RDS和BUD具有正溫度系數(shù)。 RDS 隨著溫度的上升而增大，與GTR的 RDS 相反， 因此，VDMOS沒有熱電反饋引起的二次擊穿。 因?yàn)镸OSFET靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，溫度在室溫與最高 結(jié)溫間變化時(shí)，對(duì)多數(shù)載流子的密度影響不大，但其遷移率隨溫度的上升而下降，表現(xiàn)在漂移區(qū)的電阻升高，電流減小，從而使由焦耳熱引起的結(jié)溫升降下來，電流與溫度間保持負(fù)反饋關(guān)系。也保證了MOS

8、FET的電流沿溝道乃至整個(gè)芯片的均勻性。它比各種雙極器件更適合并聯(lián)使用。BJT（少子導(dǎo)電）： Tj少子注入 j Tj（正反饋）VDMOS（多子導(dǎo)電）： TjRDS（ON） j Tj （負(fù)反饋）E.安全工作區(qū):功率MOSFET的安全工作區(qū)比雙極晶體管器件的大。比雙極晶體管器件少一條二次擊穿限。當(dāng)器件處于脈沖工作狀態(tài)時(shí)，其平均功耗會(huì)減小，功耗限將向外移動(dòng)，使安全工作區(qū)增大。若導(dǎo)通時(shí)間小于2微秒時(shí)，其安全工作區(qū)為一矩形。（二）.靜態(tài)特性:1.輸出特性曲線:（VDMOS與GTR比較） 由圖比較可知： VDMOS在飽和區(qū)的恒流特性優(yōu)于GTR（可作恒流源）。 VDMOS的跨導(dǎo)線性度優(yōu)于GTR的跨導(dǎo)線性度。

9、 VDMOS的導(dǎo)通電阻RDS比GTR的導(dǎo)通電阻 RDS 大。輸出特性曲線中， RDS 阻性導(dǎo)電區(qū)的曲線斜率的倒數(shù)當(dāng)VDMOS作電子開關(guān)時(shí)，工作在阻性導(dǎo)電區(qū)而非飽和區(qū)。VGS RDS T RDS ， 其溫度系數(shù)約為 +0.007/。25 200 RDS增大為原來的3.39倍。2. VDMOS的轉(zhuǎn)移特性及跨導(dǎo)特性:與其他場(chǎng)效應(yīng)器件一樣，有一個(gè)開啟電壓 UT 。其開啟電壓 UT 一般在24伏左右，隨溫度升高一度，開啟電壓 UT 下降5毫伏。當(dāng)柵壓高于 UT 時(shí)， ID 進(jìn)入線性增長(zhǎng)區(qū)。柵壓增長(zhǎng)到一定程度，ID 就不會(huì)持續(xù)線性增長(zhǎng)，而趨于一個(gè)常數(shù)。在圖5-9中，三個(gè)不同溫度的轉(zhuǎn)移特性曲線有一個(gè)公共的交

10、點(diǎn)，該點(diǎn)的溫度系數(shù)為0?？鐚?dǎo)DSUGSDmUIg跨導(dǎo)特性圖5-9曲線表明:跨導(dǎo)隨溫度的變化較小，其溫度系數(shù)為 0.2%。（雙極晶體管的同類參數(shù)是放大系數(shù) ， 其溫度系數(shù)為 +0.8%）可見VDMOS的開關(guān)特性比GTR的穩(wěn)定得多。（三）.動(dòng)態(tài)特性:VDMOS主要在高頻開關(guān)中使用，1.VDMOS的直流輸入阻抗大于 1012 。作為高阻抗輸入的開關(guān)器件，維持導(dǎo)通和關(guān)斷均不需消耗能量，但在開啟和關(guān)斷態(tài)時(shí)，需要對(duì)極間電容充電和放電，要消耗能量在柵電阻上。說明:A. VDMOS的極間電容是變電容。B. 驅(qū)動(dòng)所需電荷Q與 ID 關(guān)系不大(因Q小)。C. VDMOS開關(guān)速度取決于柵電極的充放電速率。D. 器件

11、在開通和關(guān)斷過程中，UGS QG 曲線具有平臺(tái) 特征，相應(yīng)的柵壓變化也具有平臺(tái)特征，可分為三個(gè) 時(shí)期，每個(gè)時(shí)期的柵壓 變化率不同。2. UGS t 也具有平臺(tái)開關(guān)特征曲線 (RG較大時(shí)“平臺(tái)”波形特征明顯)2. 開通和關(guān)斷過程中柵壓變化的分析:A.開啟過程: 第一時(shí)期: 驅(qū)動(dòng)電壓上升為定值，柵源電壓逐漸上升，且低于開啟電壓值 UT ，器件不導(dǎo)通，漏源電壓維持?jǐn)鄳B(tài)值不變。輸入電容較小，充電電流較大，柵壓變化率較大，隨時(shí)間按指數(shù)上升。當(dāng)輸入電容越大或柵極驅(qū)動(dòng)阻抗越大，這一時(shí)期的開通延遲時(shí)間 td (on) 越長(zhǎng)。第二時(shí)期: 漏源電壓下降，使輸入電容增大。同時(shí)柵源電壓的迅速下降將通過電容 Crss

12、對(duì)柵極產(chǎn)生一個(gè)電流反饋，即由源至柵的位移電流，此電流將通過RG使柵壓下降，使柵壓隨時(shí)間上升的速率明顯減緩。此階段漏極電流迅速上升，所經(jīng)時(shí)間為上升時(shí)間 tr 此階段 Ciss 較大。開通延遲時(shí)間 td (on) 與上升時(shí)間 tr 之和稱為開通時(shí)間 t (on) 。第三時(shí)期: 漏源電壓接近于穩(wěn)態(tài)值，輸入電容恢復(fù)到與第一時(shí)期的輸入電容值相近，柵壓的上升速率與第一時(shí)期的上升速率相近，上升較快。此時(shí)VDMOS充分導(dǎo)通。B. 關(guān)斷過程:驅(qū)動(dòng)電壓突降至零，器件進(jìn)入關(guān)斷過程，同理可以分析三個(gè)時(shí)期的特性。VDMOS的開關(guān)時(shí)間常數(shù)為數(shù)十到一二百納秒，比雙極器件的短很多。VDMOS靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，不存在少子存儲(chǔ)效

13、應(yīng)，其關(guān)斷過程很快，VDMOS開通感應(yīng)溝道也快（BJT開通也快）。其工作頻率高。由RC時(shí)間常數(shù)決定。 其物理意義為：工作頻率與輸入電容成反比，大電流器件必須用大面積芯片，而大面積芯片必帶來大電容問題，電容越大必然導(dǎo)致頻率的降低。這是器件中功率與頻率的矛盾。GiSSRCf21電子在溝道和漂移區(qū)中的渡越速度是決定工作頻率上限 fmax 的主要因素。工作頻率與擊穿電壓間也是一對(duì)矛盾。（四）.特性參數(shù)表: 書127頁(yè)。當(dāng)漏源加有高壓時(shí)，VDMOS嚴(yán)禁柵源開路。三.功率MOSFET的可靠性問題: dv/dt 效應(yīng)和靜電效應(yīng)。（一）. dv/dt 效應(yīng): （過高的 dv/dt 誘發(fā)VDMOS中寄生BJT的

14、 二次擊穿）1.第一種 dv/dt 誤導(dǎo)通模式: （不易損壞器件）UGSUTIDS不大 VDMOS一旦誤導(dǎo)通后dv/dt柵壓為零，器件處于關(guān)斷狀態(tài)：外加漏源dv/dtCgdIM1Ugs UgsUT誤導(dǎo)通若電壓變化很快，使 IM 1 大到通過柵極電阻Rg上的壓降 Ugs 超過開啟電壓 UT ，則功率MOSFET被誤導(dǎo)通。這種模式中的臨界 dv/dt 值為 。dttdvCIgdM)(1gdgTCRUdtdv公式表明：在dv/dt工作條件下，應(yīng)采取措施: 設(shè)計(jì)阻抗很低的柵極驅(qū)動(dòng)電路； 避免高溫運(yùn)行（因?yàn)門 UT ）。 ：VDMOS禁止柵源開路態(tài)工作！ 柵源短路時(shí)的VDMOS的dv/dt耐量高！ VD

15、MOS開路時(shí) Rg = dv/dt 耦合 Ugs SiO2被擊穿。2. 第二種 dv/dt 誤導(dǎo)通模式:（易損壞器件） VDMOS在自關(guān)斷過程中（尤其感性負(fù)載下）， 過大的dv/dt 容易誘發(fā)寄生雙極晶體管的二次擊穿。斜坡電壓 U(t) ，通過電容 Cds 在柵源回路中產(chǎn)生一位移電流 IM 2 ， 若電壓變化很快，使 IM 2 在電阻 Rb 上產(chǎn)生的壓降足以使寄生晶體管的發(fā)射結(jié)正向?qū)?，寄生晶體管被開通。主器件的漏源間有電流通過。若 IM 2 Rb 0.7伏，寄生 N+PN 雙極晶體管激活開通，此時(shí)，若BJT集電結(jié)雪崩擊穿，易誘發(fā)BJT的二次擊穿導(dǎo)致VDMOS損壞。dttdvCIdsM)(2這

16、種模式中的臨界 dv/dt 值為表明：該模式中 Rb 的作用非常明顯，它決定誤導(dǎo)通的 臨界 dv/dt 值和二次擊穿的電壓高低。 Rb ：BUCER BUCBO （一般BUCER=0.6 BUCBO) Rb ： BUCEO BUCER ( Rb = ) BUCEO BUCER BUCBO . 采用源極短路減小 Rb (器件制造者)。 .器件應(yīng)用者需注意: VDMOS在高溫高壓下更易 發(fā)生二次擊穿。 因?yàn)椋?a) UDS 漏溝結(jié)反偏耗盡層擴(kuò)展 P基區(qū)厚度Wp Rb BU( BUCEO )。dsbBECRUdtdv (b)Tj Rb .寄生BJT的 UBE : TUBE 臨界 dv/dt 。 寄生

17、BJT將其特有的熱電正反饋二次擊穿引入 VDMOS中。 P溝道的VDMOS不易發(fā)生寄生BJT誤導(dǎo)通和 二次擊穿。（因?yàn)镻溝道VDMOS的Rb是由N型 溝道體區(qū)構(gòu)成， Rb較?。ǘ?靜電效應(yīng): 1.半導(dǎo)體器件因受靜電放電ESD（ElectroStatic Discharge） 的損害而失效的一種消極機(jī)制。 靜電源有:器件本身或人體。50250 pf 的小電容小電容較少的電荷 高電位（千萬伏） ESD是使得 器件性能退化或完全失效的主要原因之一。2. ESD有 ：熱效應(yīng)：強(qiáng)電場(chǎng)脈沖焦耳熱金屬電極熔化。 電效應(yīng)：過電壓SiO2介質(zhì)擊穿。 3.器件的ESD 過敏電壓(ESD 損傷閾值電壓) 能夠?qū)?/p>

18、致器件突發(fā)性完全失效的靜電放電最低 單脈沖電壓。UQC VDMOS對(duì)ESD過敏性強(qiáng)：100200 V Ciss過敏性 4. VDMOS的ESD防護(hù)措施: 去靜電； （接地，電離空氣。） 防止靜電積累。 G、S極間用鋁箔或?qū)щ娕菽芰隙搪愤\(yùn)輸。四.功率MOSFET的應(yīng)用基礎(chǔ): 第二節(jié) IGBT和MCTInsulated Gate Bipolar TransistorMOS Controlled Thyristor第二節(jié) IGBT和MCT1. 雙極器件（GTR，GTO，SCR等） 優(yōu)點(diǎn)：少子電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)通流能力強(qiáng)， 尺寸小，價(jià)格低。 缺點(diǎn): 開關(guān)速度低，驅(qū)動(dòng)功耗大， 驅(qū)動(dòng)控制不易。有二次擊穿效應(yīng)。

19、2. 單極器件（VDMOS ，SIT） 優(yōu)點(diǎn): 無少子電荷儲(chǔ)存效應(yīng)，開關(guān)速度快， 輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功耗小，驅(qū)動(dòng)容易， 二次擊穿現(xiàn)象大大被抑制。 2/300200cmAJ 缺點(diǎn): 導(dǎo)通電阻大，通流能力小， （600伏）。 3. 雙極MOS復(fù)合器件（BiMOS技術(shù)）。 使功率與頻率積增大。 IGBT: VDMOSPN結(jié)電導(dǎo)調(diào)制。 MCT: VDMOSGTO一. IGBT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理:1. N溝IGBT的基本結(jié)構(gòu)（比VDMOS多一個(gè)P層） 開關(guān)原理與VDMOS一樣。內(nèi)含寄生晶閘管， 存在二次擊穿問題。2/10cmAJ 2. IGBT的特點(diǎn): .具有反向電壓阻斷能力（較弱但很有用！）， （VD

20、MOS則無） .具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。因有二極管注入N基區(qū)少子空穴。Uce 飽和值不隨 IF 成比例增長(zhǎng)。 但有0.7V拐角死區(qū)二極管特征。 .飽和輸出特性曲線（類似于VDMOS） .IGBT的柵極關(guān)斷可以通過加負(fù)柵壓，也可以零柵壓關(guān)斷（此時(shí)，N基區(qū)的少子空穴，需一定的復(fù)合時(shí)間消失，IC 有關(guān)斷拖尾現(xiàn)象）。 .柵控功耗?。?Ciss?。?。 . 由于存在寄生P+NPN + 可控硅結(jié)構(gòu)，有發(fā)生鎖定 （latch up）的可能，需加發(fā)射極短路等措施抑制鎖定。 . 開關(guān)速度較快。（20KHz大功率領(lǐng)域）3. 鎖定（latch up）: IGBT正常開關(guān)是由 UGS 控制的溝道導(dǎo)電通路工作， 其內(nèi)部的寄生S

21、CR不起作用，但在某些條件下（高溫， 高電流，感性負(fù)載高速關(guān)斷，短路下硬關(guān)斷等），SCR 有可能鎖定導(dǎo)通，此時(shí)，IGBT門極失去對(duì)器件電流的 正常開關(guān)控制能力器件被燒壞。4.抑制鎖定的方法:(發(fā)射極短路) （抑制寄生SCR作用 ） 減小 N+ 發(fā)射區(qū)尺寸 減小P基區(qū)的薄層電阻。 （使 2 減小。）5.IGBT中存在兩條主電流路徑: PN結(jié)N漂移區(qū)MOS 導(dǎo)電溝道 寄生晶閘管通道, 一旦它導(dǎo)通,燒壞IGBT,此晶閘 管并非專門設(shè)計(jì),其通態(tài)壓降太大。121二.工作特性:（一）.靜態(tài)特性:其等效電路有兩種:一種由一個(gè)PiN二極管和一個(gè)功率MOSFET串聯(lián)而成。另一種是一個(gè)用MOS管驅(qū)動(dòng)的長(zhǎng)基區(qū)PNP晶體管。IGBT的通態(tài)特性曲線:由曲線可得出: A. I GBT不適合于要求器件的壓降低于 0.7伏的場(chǎng)合。在高柵壓下的通態(tài)曲線 明顯轉(zhuǎn)折。與VDMOS的不同。 B. IGBT能承受的電流密度很高。 。 （600V等級(jí)器件） C. 擊穿電壓高的IGBT器件， 其電流容量較低。GTRMOSIGBTJJJ520（二）.動(dòng)態(tài)特性:IGBT是一種自關(guān)斷器件，且是用電壓控制開關(guān)的自關(guān)斷器件，其關(guān)斷過程中的動(dòng)態(tài)特性與GTR，GTO，MOSFET均不同。從正向?qū)ǖ秸蜃钄啵琁GBT的柵極與發(fā)射極短接，柵電容 Cg 放電，柵電壓