第八章-功率晶體管和二極管課件

1、第八章功率晶體管和二極管引言 功率電子學的發(fā)展特征是器件的發(fā)展 慢速SCR-高速開關器件 應用場合更為廣闊 二極管/晶體管/GTR/MOS/IGBT第八章功率晶體管和二極管基本要求：了解各種常用的功率晶體管和二極管的基本特性和定額參數(shù)，為設計功率電路正確選擇功率器件打下基礎學習內(nèi)容：功率二極管：大功率晶體管：GTR大功率雙極型功率晶體管（Bipolar Junction Transitor,BJT）MOSFET金屬氧化物半導體場效應管IGBT絕緣柵晶體管第一節(jié)功率二極管功率二極管不可控器件Power Diode:結(jié)構(gòu)簡單工作可靠自20世紀50年代就獲得應用快恢復二極管和肖特基二極管：分別在中高

2、頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位第一節(jié)功率二極管功率二極管的工作原理基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣以半導體PN結(jié)為基礎，由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的第一節(jié)功率二極管N型半導體和P型半導體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié)。P區(qū)主要為空穴即為多子，N區(qū)的多子為電子；交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴散運動，到對方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負電荷這些不能移動的正、負電荷稱為空間電荷。第一節(jié)功率二極管空間電荷建立的電場被稱為內(nèi)電場或自建電場，其方向是阻止 擴散運動的，另一方面又吸引對方區(qū)內(nèi)的少子（對本區(qū)而言則為 多子）向本區(qū)

3、運動，即漂移運動。?擴散運動和漂移運動既相互聯(lián)系又是一對矛盾，最終達到動態(tài)平 衡，正、負空間電荷量達到穩(wěn)定值，形成了一個穩(wěn)定的由空間電 荷構(gòu)成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，按所強調(diào)的角度不同也被稱 為耗盡層、阻擋層或勢壘區(qū)。第一節(jié)功率二極管當PN結(jié)外加正向電壓時，外加電場與PN結(jié)的內(nèi)電場方向相反，在外電場作用下P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子將被吸引到耗盡層，使耗盡層變窄削弱，有利于多子擴散不利于少子漂流第一節(jié)功率二極管PN結(jié)外加反向電壓時，外加電場與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，在外電場的作用下，多子將離開PN結(jié)而位空間電荷區(qū)變寬，增強了內(nèi)電場，因而有利于少于的漂移而不利于多子的擴散。二極管的伏安特性PN結(jié)的理解

4、特性二極管的伏安特性PN結(jié)的正向?qū)ㄌ匦远O管的伏安特性PN結(jié)的反向偏置正向特性正向?qū)胺聪蚪刂筆N結(jié)的正向?qū)顟B(tài)PN結(jié)在正向電流較大時壓降仍然很低，維持在1V左 右，所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)PN結(jié)的反向截止狀態(tài)PN結(jié)的單向?qū)щ娦远O管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要 特征PN結(jié)的反向擊穿有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導致熱擊穿二極管正向特性 1.正向壓降隨耐壓升高而升高2. 正向壓降隨溫度升高而降低3.正向壓降的負溫度系數(shù)對單個工作有利4.正向壓降的負溫度系數(shù)對并聯(lián)不利正向特性的負溫度特性二極管特性符號:D導通機理:PN結(jié)特性正向偏置特性反向偏置特性二極管的開關特性

5、PN 結(jié)是P/N 型半導體結(jié)合區(qū)的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)- 內(nèi)電場-耗盡層當外加正電壓，削弱內(nèi)電場，注入電荷, 形成正向電流正電壓減小時，空間電場放出電荷，內(nèi)電場增強, 正向電流減小類似電容充放電,-二極管的動態(tài)特性中電容效應尤為關鍵二極管的電容效應(1)兩端電壓變化，內(nèi)電場重新建立,等效為Cb稱之為”墊壘電容”Cb與PN結(jié)截面積成正比,這與電容基本定義一致二極管的電容效應(2)二極管的電流變化,內(nèi)部存儲電荷變化空穴從P 區(qū)到N 區(qū)，電子從N 區(qū)到P 區(qū)電荷不完全復合,多余部份即為存儲電荷當電流大,存儲電荷增加；當電流小,放出電荷；表現(xiàn)出電容特性將之等效為Cd,即擴散電容PN結(jié)的電容效應：PN結(jié)

6、的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應，稱為結(jié)電 容Cj，又稱為微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機制和作用的差別 分為勢壘電容Cb和擴散電容Cd勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高， 勢壘電容作用越明顯。勢壘電容的大小與PN結(jié)截面積成正 比，與阻擋層厚度成反比而擴散電容僅在正向偏置時起作用。在正向偏置時，當正向電 壓較低時勢壘電容為主，正向電壓較高時擴散電容為結(jié)電容 主要成分結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關的狀態(tài)下， 可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作，應用時應加以注 意。二極管結(jié)電容 Cj=Cb+ Cd理解了二極管的電容效應很容易理解其開關過程不能瞬間完成尤其在外加反壓

7、時，二極管的結(jié)電容必須先放電，經(jīng)過一段恢復時間后，二極管才能恢復阻斷Cj的存在導致二極管開關損耗增加二極管開關特性等效電路反向恢復特性(重點)幾種反向恢復比較反向恢復的影響引起較大的損耗di/dt造成較大的電磁干擾以及尖峰電壓限制了二極管的開關速度二極管的類型按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復特性有不同的分類應用時，應根據(jù)不同場合的不同要求，選擇不同類型的功率二極管；性能上的不同是由半導體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的。普通二極管 trr大，適用于低頻,如1 khz整流電路快恢復二極管 trr5 us，開關二極管，用于高頻整流/斬波和逆變,其中超快恢復trr+U2;Ib:

8、0-Ib2 Ib先給結(jié)電容Cbe充電; Ic在經(jīng)過td(開通延時)后開始上升雙極型功率晶體管參數(shù) 電流放大倍數(shù), 正溫度系數(shù) Uces或?qū)娮?電壓額定值開關波形-關斷狀態(tài)Ib首先將基區(qū)過剩電荷抽走, Cbe仍然正偏,Q仍然導通經(jīng)過存儲時間Ts后,Q電流方開始下降再經(jīng)過下降時間Tf后,才能關斷幾個電壓額定值U(BR)cbo發(fā)射極開路時UcbmU(BR)cex基射極反偏時UcemU(BR)ces基射極短路時UcemU(BR)cer基射極有r時UcemU(BR)ceo基射極開路時Ucem幾個時間的定義1延遲時間2上升時間3存儲時間4下降時間參見P144 頁幾個電壓額定值 BUcboBUceo /

9、 BUcer / BUces / BUcex 大小關系：BUceoBUcer1BUcer2BUcesBUcexR2)GTR的電流定額集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2-1/3時所對應的Ic實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點電流Ibm, IemG極E極同一平面正偏程度不一致邊緣正偏程度中心正偏程度橫向電場方向由邊緣指向中心邊緣出現(xiàn)電流熱點正溫度系數(shù)的電阻率熱循環(huán)正偏二次擊穿正偏擊穿問題3) 集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率.產(chǎn)品說明書中給PcM時同時給出殼溫TCPcMT=(TjM-T)PcM/(TJM-Tc)正偏二次擊穿特性器件的基

10、區(qū)寬度越高，越不易發(fā)生擊穿器件的頻率高, Is/b下降，容易發(fā)生器件的外加電壓高，Is/b下降，容易發(fā)生選擇低頻器件，外加電壓盡量低GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變二次擊穿一次擊穿發(fā)生時Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變反偏二次擊穿問題 G極E極同一平面反偏程度不一致 邊緣反偏程度中心反偏程度 橫向電場方向由中心指向邊緣 中心出現(xiàn)電流熱點 正溫度系數(shù)的電阻率 熱循環(huán)反偏二次擊穿反偏二次擊穿特性 與芯片結(jié)構(gòu)有關

11、與Ube和Rb相關 Ube一定時，Rb越大，Es/b越大，不易發(fā)生 Rb一定時，Ube越小，Es/b越大，不易發(fā)生 防反偏擊穿要求與關斷動態(tài)指標存在矛盾，需要均衡考慮達林頓連接 大電流GTR的小，Ibs過大 為獲得較大，可將兩晶體管組成復合管，即進行達林頓連接 為兩級之乘積，起到放大作用 但Uces會有一定程度的增加安全工作區(qū)考慮電壓電流功率二次擊穿多個因素由四條曲線所圍成的范圍安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA）最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定場控半導體場效應晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型（類似小功率FieldEffect Tr

12、ansistorFET）通常指絕緣柵型的MOS 型（ Metal OxideSemiconductor FET）-簡稱功率MOSFET（PowerMOSFET）特點用柵極電壓來控制漏極電流-驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小-開關速度快，工作頻率高-熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR-電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置MOSFET的種類按導電機理不同可分為結(jié)型和絕緣珊型結(jié)型外加電場控制場效應晶體管柵源之間PN結(jié)耗盡層寬度變化來控制溝道電導絕緣柵型柵極G與其余兩個電極之間是絕緣的，外加電場控制半導體中感應電荷量的變化控制溝道電導的，所以稱為絕緣柵型。導通時只有一種極性的載流子（多子）參

13、與導電，是單極型晶體管MOSFET的種類絕緣柵型MOSFET分為耗盡型和增強型耗盡型當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道增強型對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道按導電溝道可分為P溝道和N溝道功率MOSFET主要是N溝道增強型（大功率MOSFET一般不用P溝道，空穴的遷移率比電子低，導通電阻大）四個工作區(qū) VGSVT時，可變電阻區(qū)（導通狀態(tài)） 當VGDVGS-VDS20V將導致絕緣層擊穿4) 極間電容:極間電容CGS、CGD和CDS 廠家提供：漏源極短路時的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容Crss5)dUDS/dt限制安全工作區(qū)漏源間的耐壓、漏

14、極最大允許電流和最大耗散功率決定一般來說，MOSFET不存在二次擊穿問題；實用中仍應注意留適當?shù)脑Ａ俊＝^緣柵雙極晶體管(IGBT)GTR的特點雙極型，電流驅(qū)動，通流能力很強，開關速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復雜MOSFET的優(yōu)點單極型，電壓驅(qū)動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單絕緣柵雙極晶體管（ Insulated-gateBipolar TransistorIGBT或IGT）GTR和MOSFET復合，結(jié)合二者的優(yōu)點，具有良好的特性1986年投入市場后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場，中小功率電力電子設備的主導器件IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件

15、：柵極G、集電極C和發(fā)射極EIGBT的結(jié)構(gòu)IGBT比MOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個大面積的P+N結(jié).IGBT具有很強的通流能力.IGBT的原理驅(qū)動原理與功率MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定導通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通導通壓降：通態(tài)壓降小關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷IGBT的基本特性1) IGBT的靜態(tài)特性轉(zhuǎn)移特性：開啟電壓UGE(th)輸出特性（伏安特性）分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。uCE0時，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)IGBT的動態(tài)特性開通時間ton=開通延遲時間td(on)+電流上升時間tr關斷時間toff=關斷延遲時間td(off)+電流下降時間tf電流拖尾IGBT的主要參數(shù)1) 最大集射極間電壓UCES 由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定2) 最大集電極電流包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP3) 最大集電極功耗PCM 正常工作溫度下允許的最大功耗IGBT的特性和參數(shù)特點(1) 開關速度高，開關損耗小。在電壓1000V以上時，開關損耗只有GTR的1/10，與MOSFET相當(2) 相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力(3) 通態(tài)壓降比VDM