電力電子器件及其驅動電路

1、第二講第二講 電力電子器件及其驅動電路電力電子器件及其驅動電路2.1 2.1 電力二極管電力二極管2.2 2.2 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管2.3 2.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管2.4 2.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管2.5 MOS2.5 MOS控制晶閘管控制晶閘管2.6 2.6 其它新型功率器件其它新型功率器件http:/ 2.1 電力二極管電力二極管2.1.1 PN2.1.1 PN結與電力二極管的工作原理結與電力二極管的工作原理2.1.2 2.1.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性2.1.3 2.1.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)2.1.4

2、2.1.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型2.1.1 PN2.1.1 PN結與電力二極管的工作原理結與電力二極管的工作原理電力二極管結構和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應用快恢復二極管和肖特基二極管，分別 在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位2.1.1 PN2.1.1 PN結與電力二極管的工作原理結與電力二極管的工作原理 電力二極管基本結構和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣以半導體PN結為基礎 由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的 從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝2.1.1 PN2.1.1 PN結與電力二極管的工作原

3、理結與電力二極管的工作原理圖21 電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結構 c) 電氣圖形符號AKAKa)IKAPNJb)c)2.1.1 PN2.1.1 PN結與電力二極管的工作原理結與電力二極管的工作原理 N型半導體和P型半導體結合后構成PN結。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，在界面兩側分別留下了帶正、負電荷但不能任意移動的雜質離子。這些不能移動的正、負電荷稱為空間電荷）?？臻g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)運動，即漂移運動。擴散運動和

4、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)定的由空間電荷構成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，按所強調的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或勢壘區(qū)。2.1.1 PN2.1.1 PN結與電力二極管的工作原理結與電力二極管的工作原理 PN結的正向導通狀態(tài)結的正向導通狀態(tài) 電導調制效應使得PN結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結表現(xiàn)為低阻態(tài)圖22 PN結的形成-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空間電荷區(qū)P型區(qū)N型區(qū)內(nèi)電場2.1.1 PN2.1.1 PN結與電力二極管的工作原理結與電力二極

5、管的工作原理PN結的反向截止狀態(tài)結的反向截止狀態(tài) PN結的單向導電性 二極管的基本原理就在于PN結的單向導電性這一主要特征PN結的反向擊穿結的反向擊穿 有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導致熱擊穿PN結的電容效應：結的電容效應： PN結的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應，稱為結電容CJ，又稱為微分電容。結電容按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴散電容CD2.1.1 PN2.1.1 PN結與電力二極管的工作原理結與電力二極管的工作原理 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結截面積成正比，與阻擋層厚度成反比 擴散電容僅在正向偏置

6、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，擴散電容為結電容主要成分 結電容影響PN結的工作頻率，特別是在高速開關的狀態(tài)下，可能使其單向導電性變差，甚至不能工作，應用時應加以注意。2.1.1 PN2.1.1 PN結與電力二極管的工作原理結與電力二極管的工作原理 造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素：區(qū)別的一些因素： 正向導通時要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注入水平較高，電導調制效應不能忽略 引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響 承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感

7、效應也會有較大影響 為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大2.1.2 2.1.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 主要指其伏安特性伏安特性 當電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導通狀態(tài)。與正向電流IF對應的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當電力二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流2.1.2 2.1.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性圖23 電力二極管的伏安特性IOIFUTOUFU2.1.2 2.1.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性動態(tài)特性動態(tài)特性動

8、態(tài)特性動態(tài)特性因結電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉換必然有一個過渡過程，此過程中的電壓電流特性是隨時間變化的。動態(tài)特性動態(tài)特性主要指開關特性，開關特性反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉換過程關斷過程關斷過程v 在關斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖v 須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)2.1.2 2.1.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性延遲時間：td= t1- t0, 電流下降時間：tf= t2- t1反向恢復時間：trr= td+ tf恢復特性的軟度：下降時間與延遲時間的比值tf /td，或稱恢復系數(shù)，用Sr表示b)UFPuiiFuFtfrt02Va)

9、IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖24 電力二極管的動態(tài)過程波形a) 正向偏置轉換為反向偏置 b) 零偏置轉換為正向偏置2.1.2 2.1.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 開通過程開通過程(Turn-on Transient)： 電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如 2V）。這一動態(tài)過程時間被稱為正向恢復時間tfr。 電導調制效應起作用需一定的時間來儲存大量少子，達到穩(wěn)態(tài)導通前管壓降較大 正向電流的上升會因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高 2.1.3 2.1.3 電

10、力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)正向平均電流正向平均電流 IF(AV) 額定電流在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，因此使用時應按有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。當用在頻率較高的場合時，開關損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略當采用反向漏電流較大的電力二極管時，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應也不小 2.1.3 2.1.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)正向壓降正向壓降 UF指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應的正向壓降有時參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過某

11、一瞬態(tài)正向大電流時器件的最大瞬時正向壓降反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓URRM指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3使用時，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定 2.1.3 2.1.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)最高工作結溫最高工作結溫TJM結溫結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示最高工作結溫最高工作結溫是指在PN結不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度TJM通常在125175C范圍之內(nèi)反向恢復時間反向恢復時間trrtrr= td+ tf ，關斷過程中，電流降到0起到恢復反響阻斷能力止的時間浪涌電流浪涌電流I

12、IFSMFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。 2.1.4 2.1.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復特性的不同介紹在應用時，應根據(jù)不同場合的不同要求選擇不同類型的電力二極管性能上的不同是由半導體物理結構和工藝上的差別造成的2.1.4 2.1.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型 普通二極管普通二極管 普通二極管又稱整流二極管 多用于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電路中 其反向恢復時間較長，一般在5 s以上，這在開關頻率不高時并不重要 正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高，分別可達數(shù)千安和

13、數(shù)千伏以上2.1.4 2.1.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型 快恢復二極管快恢復二極管 恢復過程很短特別是反向恢復過程很短（5 s以下）的二極管，也簡稱快速二極管 工藝上多采用了摻金措施 有的采用PN結型結構、有的采用改進的PiN結構 2.1.4 2.1.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型采用外延型PiN結構的的快恢復外延二極管快恢復外延二極管，其反向恢復時間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在400V以下從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到2030ns。 2.

14、1.4 2.1.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型 肖特基二極管肖特基二極管以金屬和半導體接觸形成的勢壘金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管肖特基勢壘二極管，簡稱為肖特基二極管20世紀80年代以來，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應用肖特基二極管的弱點肖特基二極管的弱點當反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度2.1.4 2.1.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型肖特基二極管的優(yōu)點肖特基二極管的優(yōu)點 反向恢復時間很短（1040ns）

15、正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖 在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管 其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率高 2.2 2.2 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管2.2.1 2.2.1 概述概述2.2.2 GTO2.2.2 GTO的結構和工作原理的結構和工作原理2.2.3 GTO2.2.3 GTO的動態(tài)特性的動態(tài)特性2.2.4 GTO2.2.4 GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù)2.2.5 GTO2.2.5 GTO的驅動的驅動2.2.1 2.2.1 概述概述 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管 晶閘管的一種派生器件 可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷 GTO的

16、電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用2.2.2 GTO2.2.2 GTO的結構和工作原理的結構和工作原理 結構：結構：與普通晶閘管的相同點： PNPN四層半導體結構，外部引出陽極、陰極和門極和普通晶閘管的不同：GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起圖25 GTO的內(nèi)部結構和電氣圖形符號 a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結構斷面示意圖 c) 電氣圖形符號c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK2.2.2 GTO2.2.2 GTO

17、的結構和工作原理的結構和工作原理 工作原理：工作原理： 與普通晶閘管一樣，可以用圖26所示的雙晶體管模型來分析 1+ 2=1是器件臨界導通的條件。當1+21時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導通；當1+21時，不能維持飽和導通而關斷RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖26 GTO元或晶閘管的等效電路2.2.2 GTO2.2.2 GTO的結構和工作原理的結構和工作原理 GTO能夠通過門極關斷的原因能夠通過門極關斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別： （1）設計2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于 GTO關斷 （2）導通時1+2更接近1（

18、1.05，普通晶閘管1+21.15） 導通時飽和不深，接近臨界飽和，有利門極控制關斷，但導通時管壓降增大 （3）多元集成結構使GTO元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流 導通過程導通過程:與普通晶閘管一樣，只是導通時飽和程 度較淺 關斷過程：關斷過程：強烈正反饋門極加負脈沖即從門 極抽出電流，則Ib2減小，使IK和和Ic2減小，Ic2的減小又使IA和和Ic1減小，又進一步減小V2的基極電流 當IA和和IK的減小使 1+ 21時，器件退出飽和而關斷 多元集成結構還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強 2.2.2 GTO2.2.2 G

19、TO的結構和工作原理的結構和工作原理2.2.3 GTO2.2.3 GTO的動態(tài)特性的動態(tài)特性 開通過程：開通過程：與普通晶閘管類似，需經(jīng)過延遲時間td和上升時間tr圖27 GTO的開通和關斷過程電流波形Ot0t圖1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t62.2.3 GTO2.2.3 GTO的動態(tài)特性的動態(tài)特性 關斷過程：關斷過程：與普通晶閘管有所不同 抽取飽和導通時儲存的大量載流子儲存時間ts，使等效晶體管退出飽和 等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小下降時間tf 殘存載流子復合尾部時間tt 通常tf比ts小得多，而tt比ts要長 門極負

20、脈沖電流幅值越大，前沿越陡，抽走儲存載流子的速度越快，ts越短 門極負脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍保持適當負電壓，則可縮短尾部時間 2.2.4 GTO2.2.4 GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) GTO的許多參數(shù)和普通晶閘管相應的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù) 1)開通時間開通時間ton 延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約12s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大 2)關斷時間關斷時間toff 一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。GTO的儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于2s 不少GTO都制造成逆導型，類似于逆導晶閘管，需承受反壓時，應和電力二極管串聯(lián) 2

21、.2.4 GTO2.2.4 GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) 3) 最大可關斷陽極電流最大可關斷陽極電流IATO : GTO的額定電流額定電流 4) 電流關斷增益電流關斷增益 off 最大可關斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關斷增益 （1-8） off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。1000A的GTO關斷時門極負脈沖電流峰值要200A GMATOoffII2.2.5 GTO2.2.5 GTO的驅動的驅動GTO的開通控制開通控制與普通晶閘管相似，但對脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整個導通期間施加正門極電流 使GTO關斷關斷需施加負門極電流，對其幅值和陡度的要求

22、更高，關斷后還應在門陰極施加約5V的負偏壓以提高抗干擾能力推薦的GTO門極電壓電流波形如圖28所示。OttOuGiG圖圖2 28 8推薦的推薦的GTOGTO門門極電壓電流波形極電壓電流波形2.2.5 GTO2.2.5 GTO的驅動的驅動 驅動電路通常包括開通驅動電路開通驅動電路、關斷驅動電路關斷驅動電路和門門極反偏電路極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式脈沖變壓器耦合式和直接直接耦合式耦合式兩種類型 直接耦合式驅動電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿，因此目前應用較廣，但其功耗大，效率較低 典型的直接耦合式GTO驅動電路如圖29所示。2.2.5 GTO2.2.5 G

23、TO的驅動的驅動 二極管VD1和電容C1提供+5V電壓 VD2、VD3、C2、C3構成倍壓整流電路提供+15V電壓 VD4和電容C4提供-15V電壓 V1開通時，輸出正強脈沖 V2開通時輸出正脈沖平頂部分 V2關斷而V3開通時輸出負脈沖 V3關斷后R3和R4提供門極負偏壓50kHz50VGTON1N2N3C1C3C4C2R1R2R3R4V1V3V2LVD1VD2VD3VD4圖29典型的直接耦合式GTO驅動電路2.3 2.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管2.3.1 2.3.1 概述概述2.3.2 2.3.2 電力電力MOSFETMOSFET的結構和工作原理的結構和工作原理2.3.3 2.3.

24、3 電力電力MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性2.3.4 2.3.4 電力電力MOSFETMOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù)2.3.5 2.3.5 電力電力MOSFETMOSFET的驅動的驅動2.3.1 2.3.1 概述概述也分為結型結型和絕緣柵型絕緣柵型（類似小功率FET）但通常主要指絕緣柵型絕緣柵型中的MOS型型簡稱 電力電力MOSFET結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管2.3.1 2.3.1 概述概述 特點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

25、置 2.3.2 2.3.2 電力電力MOSFETMOSFET的結構和工作原理的結構和工作原理電力電力MOSFET的種類的種類 按導電溝道可分為 P溝道溝道 和N溝道溝道 耗盡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溝道增強型溝道增強型2.3.2 2.3.2 電力電力MOSFETMOSFET的結構和工作原理的結構和工作原理電力電力MOSFET的結構的結構N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖210 電力MOSFET的結構和電氣圖形符號2.3.2

26、2.3.2 電力電力MOSFETMOSFET的結構和工作原理的結構和工作原理 導通時只有一種極性的載流子（多子）參與導電，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 電力MOSFET的多元集成結構 國際整流器公司的HEXFET采用了六邊形單元 西門子公司的SIPMOSFET采用了正方形單元 摩托羅拉公司的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列 2.3.2 2.3.2 電力電力MOSFETMOSFET的結構和工作原理的結構和工作原理 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大大提高了 MOSFET器件的耐壓和耐電流能力 按垂

27、直導電結構的差異，又分為利用V型槽實現(xiàn)垂 直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散結構的VDMOSFET 這里主要以VDMOS器件為例進行討論2.3.2 2.3.2 電力電力MOSFETMOSFET的結構和工作原理的結構和工作原理電力電力MOSFET的工作原理的工作原理 截止：截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零nP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2.3.2 2.3.2 電力電力MOSFETMOSFET的結構和工作原理的結構和工作原理電力電力MOSFET的工作原理的工作原理 導電：導電：在柵源極間加正電壓UGSn 柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極

28、的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面n 當UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導體反型成N型而成為反反型層型層，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電2.3.3 2.3.3 電力電力MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性01020305040圖1-202468a)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211 電力

29、MOSFET的轉移特性和輸出特性 a) 轉移特性 b) 輸出特性2.3.3 2.3.3 電力電力MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性 漏 極 電 流ID和柵 源 間 電 壓 UG S的 關 系 稱 為MOSFET的轉移特性的轉移特性 ID較大時，ID與與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為 跨導跨導Gfs2.3.3 2.3.3 電力電力MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性 MOSFET的漏極伏安特性（的漏極伏安特性（輸出特性輸出特性）： 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)（對應于GTR的飽和區(qū)） 電力MOSFET工作在開關狀態(tài)，即在截止區(qū)

30、和非飽和區(qū)之間來回轉換 電力MOSFET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 電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利2.3.3 2.3.3 電力電力MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性 2) 動態(tài)特性動態(tài)特性a）b)圖1-21RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖212 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(nèi)阻，RG柵極電阻，RL負載電阻，RF檢測漏極電流2.3.3 2.3.3 電力電力MOSFETMOSFET的基本

31、特性的基本特性 開通過程（開通過程（開關過程開關過程圖圖）開通延遲時間開通延遲時間td(on) up前沿時刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時刻間的時間段上升時間上升時間tr uGS從從uT上升到MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時間段n iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定n UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關n UGS達到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變開通時間開通時間ton開通延遲時間與上升時間之和2.3.3 2.3.3 電力電力MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性 關斷過程（關斷過程（開關過程圖開關過程圖） 關斷延遲時間關斷延遲時間td(o

32、ff) up下降到零起，Cin通過Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時，iD開始減小止的時間段下降時間下降時間tf uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS20V將導致絕緣層擊穿 4) 極間電容極間電容 極間電容CGS、CGD和CDS2.3.4 2.3.4 電力電力MOSFETMOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù) 廠家提供：漏源極短路時的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉移電容Crss Ciss= CGS+ CGD （1-14） Crss= CGD （1-15） Coss= CDS+ CGD （1-16） 輸入電容可近似用Ciss代替 這些電容都是非線性的2.3.4

33、 2.3.4 電力電力MOSFETMOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù) 漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區(qū) 一般來說，電力MOSFET不存在二次擊穿問題，這是它的一大優(yōu)點 實際使用中仍應注意留適當?shù)脑Ａ?10m s 1m s D C 10us ID 0 VD S 圖213 MOSFET正向偏置安全工作區(qū)（圖中的時間表示脈沖寬度）2.3.5 2.3.5 電力電力MOSFETMOSFET的驅動的驅動 柵源間、柵射間有數(shù)千皮法的電容，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1015V，使IGBT開通的驅動電壓一般15 20

34、V。 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（數(shù)十歐左右）可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應隨被驅動器件電流額定值的增大而減小。 典型的電力MOSFET的驅動電路如圖214所示。2.3.5 2.3.5 電力電力MOSFETMOSFET的驅動的驅動無輸入信號時高速放大器A輸出負電平,V3導通輸出負驅動電壓當有輸入信號時A輸出正電平，V2導通輸出正驅動電壓 專為驅動電力MOSFET而設計的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅動電壓+15V和-10V。A+-MOS

35、FET20 V20 VuiR1R3R5R4R2RGV1V2V3C1-VCC+VCC圖214電力MOSFET的一種驅動電路2.4 2.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管2.4.1 2.4.1 概述概述2.4.2 IGBT2.4.2 IGBT的結構和工作原理的結構和工作原理2.4.3 IGBT2.4.3 IGBT的基本特性的基本特性2.4.4 IGBT2.4.4 IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)2.4.5 IGBT2.4.5 IGBT的擎住效應和安全工作區(qū)的擎住效應和安全工作區(qū)2.4.6 IGBT2.4.6 IGBT的驅動的驅動2.4.1 2.4.1 概述概述 GTR和和GTO的特點的特點雙極型，電

36、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 兩類器件取長補短結合而成的復合器件Bi-MOS器件2.4.1 2.4.1 概述概述絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBT或或IGT） GTR和MOSFET復合，結合二者的優(yōu)點，具有好的特性 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 繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位2.4.2 IGBT2.4.2 IGBT的結構和工作原理的結構和工作原

37、理IGBT是三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極EEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖215 IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結構斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號2.4.2 IGBT2.4.2 IGBT的結構和工作原理的結構和工作原理 IGBT的結構（的結構（顯示圖顯示圖） 圖215（a）N溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT（N-IGBT） IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個大面積的P+N結J1 使IGBT導通時由

38、P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對漂移區(qū)電導率進行調制，使得IGBT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(nèi)的調制電阻2.4.2 IGBT2.4.2 IGBT的結構和工作原理的結構和工作原理 IGBT的原理的原理 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 導通導通：uGE大于開啟電壓開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通 導通壓降導通壓降：電導調制效應使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小 關斷關斷：柵射極間施加反壓或不

39、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2.4.3 IGBT2.4.3 IGBT的基本特性的基本特性1) IGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加圖216 IGBT的轉移特性和輸出特性a) 轉移特性 b) 輸出特性2.4.3 IGBT2.4.3 IGBT的基本特性的基本特性 轉移特性轉移特性IC與UGE間的關系，與MOSFET轉移特性類似 開啟電壓開啟電壓UGE(th)IGBT能實現(xiàn)電導調制而導通的最低柵射電壓 UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25C時，

40、UGE(th)的值一般為26V 輸出特性輸出特性（伏安特性）以UGE為參考變量時，IC與UCE間的關系 分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應 uCE0時，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)2.4.3 IGBT2.4.3 IGBT的基本特性的基本特性 2) IGBT的動態(tài)特性的動態(tài)特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖217 IGBT的開關過程2.4.3 IGBT2.4.3 IGBT的基本特性的

41、基本特性 IGBT的開通過程的開通過程 （開關過程圖） 與MOSFET的相似，因為開通過程中IGBT在大部分時間作為MOSFET運行 開通延遲時間td(on) 從uGE上升至其幅值10%的時刻，到iC上升至10% ICM 電流上升時間tr iC從10%ICM上升至90%ICM所需時間 開通時間ton開通延遲時間與電流上升時間之和 uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程；tfv2MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程2.4.3 IGBT2.4.3 IGBT的基本特性的基本特性 IGBT的關斷過程（的關斷過程（開關過程圖開關過程圖

42、） 關斷延遲時間td(off) 從uGE后沿下降到其幅值90%的時刻起，到iC下降至90%ICM 電流下降時間tfiC從90%ICM下降至10%ICM 關斷時間toff關斷延遲時間與電流下降之和 電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。 tfi1IGBT內(nèi)部的MOSFET的關斷過程，iC下降較快；tfi2IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關斷過程，iC下降較慢2.4.3 IGBT2.4.3 IGBT的基本特性的基本特性 IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導調制效應的好處，但也引入了少子儲存現(xiàn)象，因而IGBT的開關速度低于電力MOSFET IGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關斷時間也是需

43、要折衷的參數(shù)2.4.4 IGBT2.4.4 IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù) 1) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES 由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定 2) 最大集電極電流最大集電極電流 包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 3)最大集電極功耗最大集電極功耗PCM 正常工作溫度下允許的最大功耗 2.4.4 IGBT2.4.4 IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)IGBT的特性和參數(shù)特點的特性和參數(shù)特點開關速度高，開關損耗小。在電壓1000V以上時，開關損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當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VDMOSF

44、ET低，特別是在電流較大的區(qū)域輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似1.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2.4.5 IGBT2.4.5 IGBT的擎住效應和安全工作區(qū)的擎住效應和安全工作區(qū) EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖215 IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結構斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號2.4.5 IGBT2.4.5 IGBT的擎住效應和安全工作區(qū)的擎住效應和安全工作區(qū) 寄生晶閘管

45、寄生晶閘管由一個N-PN+晶體管和作為主開關器件的P+N-P晶體管組成 正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)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 反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)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2.4.5 IGBT2.4.5 IGBT的擎住效應和安全工作區(qū)的擎住效應和安全工作區(qū) 擎住效應或自鎖效應擎住效應或自鎖效應 NPN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(chǎn)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 動態(tài)擎住效應比靜態(tài)擎住效應所允許的集電極

46、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 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 2.4.6 IGBT2.4.6 IGBT的驅動的驅動IGBT的驅動多采用專用的混合集成驅動器常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）內(nèi)部具有退飽和檢測和保護環(huán)節(jié)，當發(fā)生過電流時能快速響應但慢速關斷IGBT，并向外部電路給出故障信號M57962L輸出的正驅動電壓均為+15V左右，負驅動電壓為10V。M57962L型IGBT驅動器的內(nèi)部結構 和外

47、部接線如圖218所示。2.4.6 IGBT2.4.6 IGBT的驅動的驅動13故障指示檢測端VCC接口電路門極關斷電路定時及復位電路檢測電路415861413uoVEE81546-10V+15V30V+5VM57962 L14ui1快恢復trr0.2s4.7k 3.1 100 F100 F圖218M57962L型IGBT驅動器的內(nèi)部結構和外部接線圖2.5 MOS控制晶閘管2.5.1 概述概述2.5.2 MCT2.5.2 MCT的結構和工作原理的結構和工作原理2.5.3 MCT2.5.3 MCT的基本特性的基本特性2.5.4 MCT2.5.4 MCT的主要參數(shù)的主要參數(shù)2.5.5 MCT2.5.

48、5 MCT的門極驅動的門極驅動2.5.1 概述概述 綜合利用晶閘管高電壓、大電流技術與MOSFET控制技術，研制出MOS控制晶閘管復合器件。這種復合器件的基本結構是一個晶閘管與一個或幾個MOSFET的集成。根據(jù)門極控制方法的不同，MOS晶閘管可分為MOSGTO(MCT)和MOS光控晶閘管。MCT將MOSFET的高輸入阻抗、低驅動功率與快的開關速度和SCR的高壓大電流結合在一起，成為80年代末最熱門的器件之一。2.5.2 MCTMCT的結構和工作原理的結構和工作原理 MCT是在SCR結構中集成了一對MOSFET，通過MOSFET來控制SCR的導通與關斷。 使MCT導通的P溝道MOSFET稱為ON

49、FET。 使MCT關斷的N溝道MOSFET稱為OFFFET。 MCT是采用DMOSFET集成電路工藝制成的。一個MCT大約105個單胞。每個單胞含有一個寬基區(qū)的NPN晶體管和一個窄基區(qū)PNP晶體管以及一個OFFFET。 OFFFET連接在PNP晶體管的基射極之間，另有4的單胞含有ONFET，連接在PNP晶體管的集射極之間，這兩組的MOSFET柵極連接在一起，構成MCT的單門極。含有ONFET的MCT單胞如圖219所示。2.5.2 MCTMCT的結構和工作原理的結構和工作原理 門極 N P N+ P+ P P N+ N+ 陰極 陽極 ONFET 溝道 OFFFET 溝道 圖219 MCT的典型結

50、構2.5.2 MCTMCT的結構和工作原理的結構和工作原理 MCT的等效電路和符號如圖220所示 OFFFET ONFET 門 極 陰 極 陽 極 圖220 MCT的等效電路與符號2.5.2 MCTMCT的結構和工作原理的結構和工作原理 在結構上MCT需要用雙門極控制，對外只有單門極，門極信號以陽極為基準而不是以陰極為基準。 當門極相對陽極加負脈沖電壓時，ONFET導通它的漏極電流使NPN晶體管導通。 NPN晶體管又使PNP晶體管導通，并且形成正反饋觸發(fā)過程。通過正反饋的循環(huán)使PNP+NPN1，于是，MCT導通。 當門極相對陽極加正脈沖電壓時，OFFFET導通， PNP晶體管基極電流中斷， P

51、NP晶體管被切斷，破壞了正反饋過程，于是，MCT關斷。 一般來說，5V10V脈沖電壓可使MCT導通，10V脈沖電壓可使MCT關斷。2.5.3 MCT2.5.3 MCT的基本特性的基本特性靜態(tài)正向特性靜態(tài)正向特性MCT實質上是一個MOS控制的晶閘管。在靜態(tài)時，其內(nèi)含的MOSFET不起作用，MCT相當于晶閘管，因此具有高的阻斷電壓和低的通態(tài)壓降。其正向伏安特性如圖217所示。MCT的正向伏安特性隨溫度升高左移，也就是說，溫度升高管壓降減小，但反向漏電流增大。MCT的實際工作溫度一般在55oC150oC。MCT的正向伏安特性類似于二極管，在很大的電流下，通態(tài)電壓僅有一定程度的增加，十分適合于大電流場

52、合。同時，MCT又是雙注入器件，通態(tài)電壓隨阻斷電壓的升高變化不大，所以，在高電壓場合更具優(yōu)勢。2.5.3 MCT2.5.3 MCT的基本特性的基本特性 1.0 0.5 1.0 2.0 1.5 2.5 1000 0 100 10 NMOSFET 達林頓 NIGBT PMCT NMCT 圖221 MCT正向伏安特性2.5.3 MCT2.5.3 MCT的基本特性的基本特性開關特性開關特性MCT由內(nèi)含的MOSFET控制其開通與關斷，開關機理與晶閘管不同。特別是在MCT中，無論是開通或關斷，都是在芯片各個部分同時進行的，與晶閘管相比，MCT具有較快的開關速度。MCT典型的感性開關電路與相應的開關波形如圖

53、222所示。IkVk200 uH圖222（a） MCT典型的感性開關電路 2.5.3 MCT2.5.3 MCT的基本特性的基本特性圖222（b） MCT開關波形 TD(off)I90%TFITRITD(on)I10%vGIK-VKA2.5.3 MCT2.5.3 MCT的基本特性的基本特性 MCT的關斷有兩個過程：先破壞晶閘管的擎住條件，然后使器件兩個基區(qū)中的過剩載流子復合。表征關斷過程的參數(shù)主要是關斷時間和關斷損耗。 關斷時間由關斷延時時間TD（off）I和關斷電流下降時間TFI組成，如圖222（b）所示。 關斷損耗Eoff的定義則是，從VG上升變化10的時刻起到IK0的時間內(nèi)，瞬時功耗VKA

54、IK對時間的積分。2.5.3 MCT2.5.3 MCT的基本特性的基本特性 MCT的關斷特性與陰極電流、陰陽極電壓和溫度等有關。 陰極電流增大，關斷延時時間TD（off）I減小；關斷電流下降時間TFI略微增大。 陰陽極電壓數(shù)值增大，關斷延時時間TD（off）I增大；關斷電流下降時間TFI減小。 溫度升高，關斷延時時間TD（off）I、關斷電流下降時間TFI、關斷損耗均增大。2.5.3 MCT2.5.3 MCT的基本特性的基本特性 MCT開通過程中的參數(shù)變化遠沒有關斷過程那樣劇烈。陰極電流上升的同時，陽陰極之間的電壓是在減小的，可避免開通過程中同時產(chǎn)生峰值電流和峰值電壓，并使開通損耗減小。表征開

55、通特性的參數(shù)開通時間TON和開通損耗EON。 開通時間TON包括開通延遲時間TD（ON）I和開通電流上升時間TRI，其定義如圖222（b）所示。 開通損耗EON的定義則是，從VG下降變化10的時刻起到VKA=VTM的時間內(nèi)，瞬時功耗VKAIK對時間的積分。（VTM是MCT的通態(tài)壓降）2.5.3 MCT2.5.3 MCT的基本特性的基本特性 MCT的關斷特性與陰極電流、陰陽極電壓等有關。 陰極電流增大，開通延時時間TD（ON）I增大；開通電流上升時間TRI略微增大。 陰陽極電壓數(shù)值增大，開通延時時間TD（ON）I增大；開通電流上升時間TRI減小。2.5.3 MCT2.5.3 MCT的基本特性的基

56、本特性安全工作區(qū)安全工作區(qū)MCT無正偏安全工作區(qū)。在沒有吸收電路時的反偏安全工作區(qū)，也即是MCT關斷時的電流與電壓極限容量，如圖223所示。它們與結溫、電流和工作周期等有關。當工作電流超出安全工作區(qū)時，MCT可能失效。但是當峰值可控電流超出安全工作區(qū)時，MCT不會像GTO那樣損壞，而只是不能用門極信號關斷而已。2.5.3 MCT2.5.3 MCT的基本特性的基本特性 圖223 MCT的安全工作區(qū) 100 600 500 400 300 300 400 200 100 200 0 0 150oC SOA 300oC 200oC 150oC 100oC 峰 值 可 控 電 流 （ A） MCT 陽

57、陰電壓（V） 250oC 150oC 50oC 2.5.4 MCT2.5.4 MCT的主要參數(shù)的主要參數(shù) MCT的特性參數(shù)分為兩大類：絕對最大額定值和電特性值。 絕對最大額定值：在任何情況下都不能超越，否則器件講損壞。 電特性值：一般已最小值、典型值、最大值的形式給出，它們與測試方法和應用條件密切相關。在實際應用中，若特性值應用，器件本省不一定損壞，單可能導致電路的工作失常。 MCT的主要參數(shù)包括：斷態(tài)峰值電壓VDRM、反向峰值電壓VRRM、陰極連續(xù)電流IKXX、陰極非重復峰值電流ITSM、峰值可控制電流ITC、門陽極電壓（連續(xù)）VGA、門陽極電壓（峰值）VGAM、電流變化率di/dt、最大功

58、耗PT、工作與儲存溫度Tj，Tstg和最大引線焊接溫度TL。2.5.4 MCT2.5.4 MCT的主要參數(shù)的主要參數(shù) MCT是非反向阻斷器件，反向峰值電流VRRM很低（大約5V左右，MCT35P60F1），但是使用時還需反并聯(lián)二極管。 陰極非重復峰值電流ITSM是通態(tài)脈寬下所允許的流過器件的最大電流限制允許峰值電流和脈寬的是結溫。 當MCT門極通過換向信號時額定關斷的最大陰極電流稱器件的峰值可控制電流ITC。 美國Harris公司生產(chǎn)的型號為MCT35P60F1的MCT的主要參數(shù)見表21所示。2.5.4 MCT的主要參數(shù)參數(shù) 符號 數(shù)值 備注 斷態(tài)峰值電壓 VDRM -600V 除非特別注明，

59、 Tj25oC 反向峰值電壓 VRRM +5V 陰極連續(xù)電流 TC25oC TC115oC IK25 IK115 60A 35A 最大脈 寬200us （ 正弦半波） ，假設 Tj起始90oC Tj最后Tj最大150oC 陰極非重復峰值電流 ITSM 800A 峰值可控電流 ITC 50A 門陽 極電 壓 （連 續(xù)） VGA 20V 門陽 極電 壓 （峰 值） VGAM 25V 電流變化率 di/dt 800A/us 最大功耗 PT 178W 線性降額因子 1.43W/oC 工作和儲存溫度 TJ,Tstg -55150oC 最大引線焊接溫度 TL 260oC 表21 MCTG35P60F1的最

60、大額定值2.5.5 MCT2.5.5 MCT的門極驅動的門極驅動 MCT具有MOS門極，因而門極驅動比較容易實現(xiàn)。門極電容的典型值為10nF，在開關動作期間基本上沒有miller效應（對MOSFET或IGBT的柵極和漏極或集電極之間的結電容稱miller電容，從而使得柵極驅動電壓波形上升沿有一小段平臺，這就稱作miller效應）的電容電流，門極的驅動要求進一步簡化。2.5.5 MCT2.5.5 MCT的門極驅動的門極驅動門極驅動波形門極驅動波形 MCT的額定性能對門極驅動波形在幅值和上升時間兩方面都有一定的要求。圖224給出了MCT門極驅動波形的邊界極限。在MCT開通或關斷的門極脈沖期間，門極