1电力电子器件-第4讲.ppt

分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）简称电力MOSFET（PowerMOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistorSIT）特点用栅极电压来控制漏极电流n驱动电路简单，需要的驱动功率小。n开关速度快，工作频率高。n热稳定性优于GTR。n电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。3 3功率场效应晶体管功率场效应晶体管MOSFETMOSFET （电力场效应晶体管）（电力场效应晶体管）按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按零栅压时器件的导电状态分为耗尽型和增强型。耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。电力MOSFET主要是N沟道增强型。电力电力MOSFETMOSFET的种类的种类小功率MOS管是横向导电器件。电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（VerticalMOSFET）。按垂直导电结构的差异，分为：利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。电力电力MOSFETMOSFET的结构的结构是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。一般采用N沟道器件图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面。当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。电力电力MOSFETMOSFET的工作原理的工作原理(1)转移特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。其中：UT为MOSFET的开启电压，或阈值电压。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。MOSFET是电压控制型器件（场控器件），其输入阻抗极高，输入电流非常小，有利于控制电路的设计。010203050402468a)10203050400b)1020 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性电力电力MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应GTR的饱和区）工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通，可看为是逆导器件。在画电路图时，为了不遗忘，常常在MOSFET的电气符号两端反向并联一个二极管；电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。原因是电流越大，发热越大，通态电阻就加大，从而限制电流的加大，有利于均流。图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性(2)输出特性010203050402468a)10203050400b)10 20 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A开通过程开通延迟时间td(on)上升时间tr开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和关断过程关断延迟时间td(off)下降时间tf关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图1-21电力MOSFET的开关过程a)测试电路b)开关过程波形up脉冲信号源，Rs信号源内阻，RG栅极电阻，RL负载电阻，RF检测漏极电流(3)开关特性(1-9)MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。只靠多子导电，不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。（4）MOSFET的开关速度的开关速度(2)漏源击穿电压BUDS最高工作电压，避免雪崩击穿(3)栅源击穿电压BUGS栅源之间的最高工作电压UGS20V将导致绝缘层击穿(4)漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM(5)开启电压UG(th)(6)通态电阻Ron(7)极间电容极间电容CGS、CGD和CDSCi=CGS+CGDCout=CDS+CGD Cf=CGD(1)漏极电压UDS电力MOSFET电压定额除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：电力电力MOSFETMOSFET的主要参数的主要参数(1-11)电力电力MOSFETMOSFET的安全工作区的安全工作区功率MOSFET没有二次击穿问题，具有非常宽的安全工作区，特别是在高电压范围内，但是功率MOSFET的通态电阻比较大，所以在低压部分不仅受最大电流的限制，还要受到自身功耗的限制。正向偏置安全工作区(FBSOA)正向偏置安全工作区由四条边界极限所包围的区域。漏源通态电阻线，最大漏极电流线，最大功耗限制线和最大漏源电压线。开关安全工作区(SSOA)开关安全工作区(SSOA)表示器件工作的极限范围。(1-12)看器件资料看器件资料(1-13)4 4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistorIGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。(1-14)IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构三端器件：栅极G、集电极C和发射极EN沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力。简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。RN为晶体管基区内的调制电阻。(1-16)驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导导通通：uGE大于开开启启电电压压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。IGBT的原理的原理(1-17)a)b)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加(1)IGBT的静态特性的静态特性IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性转移特性转移特性IC与UGE间的关系(开启电开启电压压UGE(th)输出特性输出特性分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。IGBT的基本特性的基本特性(1-18)ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的开关过程IGBT的的开通过程开通过程与MOSFET的相似开通延迟时间开通延迟时间td(on)电流上升时间电流上升时间tr 开通时间开通时间tonuCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。(2)IGBT的动态特性的动态特性(1-19)IGBT的开关过程关断延迟时间关断延迟时间td(off）电流下降时间电流下降时间关断时间关断时间toff电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。IGBT的的关断过程关断过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT为四层结构，存在一个寄生晶闸管，若IC增大到一定程度，可能导致几声晶闸管导通，栅极失去作用，无法关断。使用时应注意防止过高的du/dt和过大的过载电流。IGBT的安全工作区(3)IGBT的擎住效应的擎住效应(4)IGBT的安全工作区的安全工作区(1)最大集射极间电压最大集射极间电压UCES由内部PNP晶体管的击穿电压确定。集射极击穿电压UCEO(2)栅射极额定电压栅射极额定电压UGES栅极电压控制信号的额定值。(3)栅射极开启电压栅射极开启电压UG（th）导通所需的最小栅射极电压，35.5V。(4)最大集电极电流最大集电极电流包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。(5)集射极饱和电压集射极饱和电压UCE(sat)饱和导通，额定电流的集射极电压，表征通态损耗大小1.53V。(6)最大集电极功耗最大集电极功耗PCM正常工作温度下允许的最大功耗。(1-21)IGBT的主要参数的主要参数(1-22)IGBT的特性和参数特点可以总结如下的特性和参数特点可以总结如下：IGBT的开关速度高，开关损耗小，IGBT电压在1000V以上时的开关损耗只及GTR的1/10，与电力MOSFET相当。IGBT的通态压降比电力MOSFET低，特别是大电流区段。IGBT的通态压降在1/2或1/3额定电流以下区段具有负的温度系数，在以上区段具有正的温度系数，因此，IGBT在并联使用时具有电流自动调节的能力，即有易与并联的特点。相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似，它在驱动电路中作为负载时呈容抗性质。与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。(1-23)(1-24)5功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块功率模块。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功功率率集集成成电电路路（PowerIntegratedCircuitPIC）。基本概念基本概念(1-25)智智 能能 功功 率率 模模 块块（Intelligent PowerModuleIPM）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（IntelligentIGBT）。实际应用电路实际应用电路