功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管絕緣柵雙極型晶體管PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管絕緣柵雙極型晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管絕緣柵雙極型晶體管第1頁(yè)/共48頁(yè)特點(diǎn)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，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。(絕緣柵、電壓控制器件)開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高。(只有多數(shù)載流子，無(wú)少數(shù)載流子積蓄效應(yīng))安全區(qū)寬，熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)于GTR。（沒(méi)有類(lèi)似GTR的二次擊穿）電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管( PowerMetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)第2頁(yè)/共48頁(yè)強(qiáng)型強(qiáng)型。第3頁(yè)/共48頁(yè)漏極柵極源極芯片照片斷面第4頁(yè)/共48頁(yè)是單極型、全控

2、型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)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的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)漏極源極柵極外延漂移層襯底SiO2絕緣層第5頁(yè)/共48頁(yè) P-MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)第6頁(yè)/共48頁(yè) P-MOSFET的工作原理的工作原理導(dǎo)電導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS則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)的表面，當(dāng)UGS大于UT時(shí)，P型半導(dǎo)體反型成N型，成為反型層反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏

3、極和源極導(dǎo)電。UGS數(shù)值越大，P-MOSFET導(dǎo)電能力越強(qiáng)，ID也就越大。第7頁(yè)/共48頁(yè)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第8頁(yè)/共48頁(yè)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)工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，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)

4、時(shí)的均流有利。第9頁(yè)/共48頁(yè)pinGSTDDinGSDUCUUiiCUi，充電，時(shí)，導(dǎo)電溝道，預(yù)夾斷，仍充電，穩(wěn)定， 不變a）b)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， 第10頁(yè)/共48頁(yè)第11頁(yè)/共48頁(yè)MOSFET的開(kāi)關(guān)

5、速度的開(kāi)關(guān)速度第12頁(yè)/共48頁(yè)P(yáng)-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容CGS、CGD和CDS。 前兩者由MOS結(jié)構(gòu)的絕緣層形成的，其電容量的大小由柵極的幾何形狀和絕緣層的厚度決定；后者由PN結(jié)構(gòu)成，其數(shù)值大小由溝道面積和有關(guān)結(jié)的反偏程度決定。第13頁(yè)/共48頁(yè)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)

6、 (6)該電壓決定了P-MOSFET的最高工作電壓(7)該電壓表征了功率MOSFET柵源之間能承受的最高電壓。第14頁(yè)/共48頁(yè)l由以下四條邊界限定：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。第15頁(yè)/共48頁(yè)第16頁(yè)/共48頁(yè)第17頁(yè)/共48頁(yè)第18頁(yè)/共48頁(yè)第19頁(yè)/共48頁(yè)TTL驅(qū)動(dòng)電路第20頁(yè)/共48頁(yè)第21頁(yè)/共48頁(yè)第22頁(yè)/共48頁(yè)第23頁(yè)/共48頁(yè) 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)，通流能力很強(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

7、好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。第24頁(yè)/共48頁(yè)圖1-22 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 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)的通流能力。第25頁(yè)/共48頁(yè)圖1-22 IGBT的結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)化等效電路a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 具有寄生晶體管簡(jiǎn)化等效電路 IGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)RN為GTR晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。RS 為溝道體P基區(qū)內(nèi)的體區(qū)電阻。第26頁(yè)/共48頁(yè) IGBT的工作原理的工作原理第27頁(yè)/共48頁(yè)ICUGE(th)UGEO圖

8、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)啟電壓開(kāi)啟電壓)時(shí)，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。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。第28頁(yè)/共48頁(yè)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)始逐漸解決。I

9、GBT為四層結(jié)構(gòu)，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)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）處于飽和狀態(tài)，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控擎住作用圖1-24 IGBT的等效電路第35頁(yè)/共48頁(yè) IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，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。 反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(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。 正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)（FBSOA）第36頁(yè)/共48頁(yè)IGBTdu/dt越高，RBSOA越窄。第37頁(yè)/共