第四講 電力電子概述(三)

11.4.3電力場效應晶體管分為結型和絕緣柵型通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）簡稱電力MOSFET（PowerMOSFET）結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）

特點——用柵極電壓來控制漏極電流驅動電路簡單，需要的驅動功率小。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。電力場效應晶體管21.4.3電力場效應晶體管電力MOSFET的種類

按導電溝道可分為P溝道和N溝道。

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。

電力MOSFET主要是N溝道增強型。DATASHEET1）電力MOSFET的結構和工作原理31.4.3電力場效應晶體管電力MOSFET的結構是單極型晶體管。導電機理與小功率MOS管相同，但結構上有較大區(qū)別。采用多元集成結構，不同的生產廠家采用了不同設計。圖1-19電力MOSFET的結構和電氣圖形符號41.4.3電力場效應晶體管小功率MOS管是橫向導電器件。電力MOSFET大都采用垂直導電結構，又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET）。按垂直導電結構的差異，分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散MOS結構的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。這里主要以VDMOS器件為例進行討論。電力MOSFET的結構51.4.3電力場效應晶體管截止：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)之間形成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流流過。導電：在柵源極間加正電壓UGS當UGS大于UT時，P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電。圖1-19電力MOSFET的結構和電氣圖形符號電力MOSFET的工作原理671.4.3電力場效應晶體管

(1)靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉移特性。ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖1-20

電力MOSFET的轉移特性和輸出特性

a)轉移特性b)輸出特性2）電力MOSFET的基本特性81.4.3電力場效應晶體管截止區(qū)（對應于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)（對應于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)（對應GTR的飽和區(qū)）工作在開關狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉換。漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導通。通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。圖1-20電力MOSFET的轉移特性和輸出特性

a)轉移特性b)輸出特性MOSFET的漏極伏安特性：010203050402468a)10203050400b)1020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A91.4.3電力場效應晶體管開通過程開通延遲時間td(on)

上升時間tr開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和關斷過程關斷延遲時間td(off)下降時間tf關斷時間toff——關斷延遲時間和下降時間之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖1-21

電力MOSFET的開關過程a)測試電路b)開關過程波形up—脈沖信號源，Rs—信號源內阻，RG—柵極電阻，RL—負載電阻，RF—檢測漏極電流(2)

動態(tài)特性101.4.3電力場效應晶體管

MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關系?？山档万寗与娐穬茸鑂s減小時間常數(shù)，加快開關速度。不存在少子儲存效應，關斷過程非常迅速。開關時間在10~100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率。開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。MOSFET的開關速度111.4.3電力場效應晶體管3)電力MOSFET的主要參數(shù)

——電力MOSFET電壓定額(1)

漏極電壓UDS

(2)

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM——電力MOSFET電流定額(3)

柵源電壓UGS——UGS>20V將導致絕緣層擊穿。

除跨導Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有：

(4)

極間電容——極間電容CGS、CGD和CDS121.4.4

絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長補短結合而成的復合器件—Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）(DATASHEET1

2)GTR和MOSFET復合，結合二者的優(yōu)點。1986年投入市場，是中小功率電力電子設備的主導器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。GTR和GTO的特點——雙極型，電流驅動，有電導調制效應，通流能力很強，開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。

MOSFET的優(yōu)點——單極型，電壓驅動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單。131.4.4

絕緣柵雙極晶體管1)IGBT的結構和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E圖1-22IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內部結構斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號141.4.4

絕緣柵雙極晶體管圖1-22a—N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強的通流能力。簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結構，一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)PNP晶體管。RN為晶體管基區(qū)內的調制電阻。圖1-22IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內部結構斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號IGBT的結構151.4.4

絕緣柵雙極晶體管

驅動原理與電力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內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。通態(tài)壓降：電導調制效應使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。IGBT的原理16a)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加1.4.4

絕緣柵雙極晶體管2)IGBT的基本特性

(1)

IGBT的靜態(tài)特性圖1-23IGBT的轉移特性和輸出特性a)轉移特性b)輸出特性轉移特性——IC與UGE間的關系(開啟電壓UGE(th))輸出特性分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。171.4.4

絕緣柵雙極晶體管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖1-24IGBT的開關過程IGBT的開通過程

與MOSFET的相似開通延遲時間td(on)

電流上升時間tr

開通時間tonuCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。

tfv1——IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程；

tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。(2)

IGBT的動態(tài)特性181.4.4

絕緣柵雙極晶體管圖1-24IGBT的開關過程關斷延遲時間td(off）電流下降時間

關斷時間toff電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT器件內部的MOSFET的關斷過程，iC下降較快。tfi2——IGBT內部的PNP晶體管的關斷過程，iC下降較慢。IGBT的關斷過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM191.4.4

絕緣柵雙極晶體管3)IGBT的主要參數(shù)——正常工作溫度下允許的最大功耗。(3)

最大集電極功耗PCM——包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。

(2)

最大集電極電流——由內部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1)

最大集射極間電壓UCES201.4.4

絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結如下：開關速度高，開關損耗小。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。通態(tài)壓降比VDMOSFET低。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關頻率高的特點。211.4.4

絕緣柵雙極晶體管擎住效應或自鎖效應：IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導器件?！畲蠹姌O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)（RBSOA）——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。

正偏安全工作區(qū)（FBSOA）動態(tài)擎住效應比靜態(tài)擎住效應所允許的集電極電流小。擎住效應曾限制IGBT電流容量提高，20世紀90年代中后期開始逐漸解決?！狽PN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產生壓降，相當于對J3結施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。221.5.1集成門極換流晶閘管IGCT20世紀90年代后期出現(xiàn)，結合了IGBT與GTO的優(yōu)點，容量與GTO相當，開關速度快10倍?？墒∪TO復雜的緩沖電路，但驅動功率仍很大。目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的位置。IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）

——GCT（Gate-CommutatedThyristor）231.5.2

功率模塊與功率集成電路20世紀80年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個器件封裝在一個模塊中，稱為功率模塊?？煽s小裝置體積，降低成本，提高可靠性。對工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對保護和緩沖電路的要求。將器件與邏輯、控制、保護、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（PowerIntegratedCircuit——PIC）。DATASHEET基本概念241.5.3

功率模塊與功率集成電路高壓集成電路（HighVoltageIC——HVIC）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率集成電路（SmartPowerIC——SPIC）一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率模塊（IntelligentPowerModule——IPM）則專指IGBT及其輔助器件與其保護和驅動電路的單片集成，也稱智能IGBT（IntelligentIGBT）。實際應用電路251.5.3

功率模塊與功率集成電路功率集成電路的主要技術難點：高低壓電路之間的絕緣問題以及溫升和散熱的處理。以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在中小功率應用場合。智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個難點,最近幾年獲得了迅速發(fā)展。功率集成電路實現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機電一體化的理想接口。發(fā)展現(xiàn)狀261.6.3典型全控型器件的驅動電路電力MOSFET和IGBT是電壓驅動型器件。為快速建立驅動電壓，要求驅動電路輸出電阻小。使MOSFET開通的驅動電壓一般10~15V，使IGBT開通的驅動電壓一般15~20V。關斷時施加一定幅值的負驅動電壓（一般取-5~-15V）有利于減小關斷時間和關斷損耗。在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩。2)電壓驅動型器件的驅動電路