功率場效應晶體管絕緣柵雙極型晶體管

1、會計學1功率場效應晶體管絕緣柵雙極型晶體管功率場效應晶體管絕緣柵雙極型晶體管第1頁/共57頁第1頁/共57頁第2頁/共57頁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。(絕緣柵、電壓控制器件)開關速度快，工作頻率高。(只有多數(shù)載流子，無少數(shù)載流子積蓄效應)安全區(qū)寬，熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。（沒有類似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10kW的電力電子裝置。功率場效應晶體管功率場效應晶體管( PowerMetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)第2頁/共57頁第3頁/共57頁。第3頁/共57頁第4頁/共57

2、頁功率功率MOSFET的芯片內的芯片內部結構部結構漏極柵極源極芯片照片斷面第4頁/共57頁第5頁/共57頁是單極型、全控型晶體管。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。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的結構和電氣圖形符號漏極源極柵極外延漂移層襯底SiO2絕緣層第5頁/共57頁第6頁/共57頁P-MOSFET的結構的結構第6頁/共57頁第7頁/共57頁 P-MOSFET的工的工作原理作原理導電導電：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

3、開，而將（少子）電子吸引到柵極下的P基區(qū)的表面，當UGS大于UT時，P型半導體反型成N型，成為反型層反型層，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電。UG S數(shù) 值 越 大 ， P -MOSFET導電能力越強，ID也就越大。第7頁/共57頁第8頁/共57頁圖1-20功率MOSFET的轉移特性1）靜態(tài)特性）靜態(tài)特性010203050402468ID/AUTUGS/VIDUGS第8頁/共57頁第9頁/共57頁1020305040010 20 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-MO

4、SFET的輸出特性1）靜態(tài)特性）靜態(tài)特性擊穿區(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)的直流電阻，對器件并聯(lián)時的均流有利。第9頁/共57頁第10頁/共57頁下降時間之和toff td(off) tfpinGSTDDinGSDUCUUiiCUi， 充 電 ，時 ， 導 電 溝 道 ，預 夾 斷 ， 仍 充 電 ，穩(wěn) 定 ， 不 變a ）b )RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd (on)trtd(off)tf圖1-21P-MOSFET的開關過程a)開關特性測試

5、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()0pinGSDd offDinGSDGSTDUCUitiCUiUUi高 電 平 ， 放 電 ， 不 變時， 預 夾 斷 ，仍 放 電 ，繼 續(xù) ， 夾 斷 區(qū) 上 升 ，時 ， 導 電 溝 道 消 失 ， 第10頁/共57頁第11頁/共57頁第11頁/共57頁第12頁/共57頁開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。MOSFET的開關速度的開關速度第12頁/共57頁第13頁/共57頁P-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

6、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結構的絕緣層形成的，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結構成，其數(shù)值大小由溝道面積和有關結的反偏程度決定。第13頁/共57頁第14頁/共57頁指在確定的柵源電壓UGS下，P-MOSFET處于恒流區(qū)時的直流電阻，是影響最大輸出功率的重要參數(shù)。(5) (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

7、/共57頁第15頁/共57頁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/共57頁第16頁/共57頁第16頁/共57頁第17頁/共57頁第17頁/共57頁第18頁/共57頁流為柵極電容的充、放電電流。第18頁/共57頁第19頁/共57頁第19頁/共57頁第20頁/共57頁第20頁/共57頁第21頁/共57頁第21頁/共57頁第22頁/共57頁第22頁/共57頁第23頁/共57頁第23頁/共57頁第24頁/共57頁第24頁/共57頁第25頁/共57頁的地位。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

8、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。第25頁/共57頁第26頁/共57頁圖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)，具有很強的通流能力。第26頁/共57頁第27頁/共57頁圖1-22IGBT的結構和簡化等效電路a)內部結構斷面示意圖b)具有寄生晶體管簡化等效電路 IGBT的結構的結構RN為GTR晶體管基區(qū)內的調制電

9、阻。RS為溝道體P基區(qū)內的體區(qū)電阻。第27頁/共57頁第28頁/共57頁流被切斷，IGBT關斷。 IGBT的工作的工作原理原理第28頁/共57頁第29頁/共57頁ICUGE(th)UGEO圖1-23IGBT的轉移特性是指輸出集電極電流IC與柵射控制電壓UGE之間的關系曲線。當柵射電壓UGEUGEth(開啟電壓開啟電壓)時，IGBT處于關斷狀態(tài)。當UGEUGEth時，IGBT導通。IGBT導通后的大部分集電極電流范圍內，IC與UGE呈線性關系。第29頁/共57頁第30頁/共57頁圖1-23IGBT的輸出特性以柵射電壓UGE為參變量時，集電極電流IC和集射電壓UCE之間的關系曲線，成為IGBT的伏

10、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)四個部分。 UCE0,UGE臨界值ICM）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。IGBT為四層結構，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)的橫向空穴電流會在該電阻上產生壓降，相當于對J3結施加正偏壓，當IC大到一定程度時，該偏置電壓使NPN晶體管J3開通，進而使NPN和PNP晶體管（寄生晶閘管）處于飽和狀態(tài)，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控擎住作用圖1-24IGBT的等效電路第36頁/共57頁第37頁/共57頁IGBT往往與反并聯(lián)的快速

11、二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導器件。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37頁/共57頁第38頁/共57頁第38頁/共57頁第39頁/共57頁IGBT線捆扎在一起。（1）. IGBT的柵極驅動的柵極驅動第39頁/共57頁第40頁/共57頁第40頁/共57頁第41頁/共57頁（2）. IGBT驅動電路驅動電路第41頁/共57頁第42頁/共57頁第42頁/共57頁第43頁/共57頁第43頁/共57頁第

12、44頁/共57頁第44頁/共57頁第45頁/共57頁第45頁/共57頁第46頁/共57頁（3）. IGBT的保護的保護第46頁/共57頁第47頁/共57頁第47頁/共57頁第48頁/共57頁第48頁/共57頁第49頁/共57頁第49頁/共57頁第50頁/共57頁下降時間之和toff td(off) tfpinGSTDDinGSDUCUUiiCUi， 充 電 ，時 ， 導 電 溝 道 ，預 夾 斷 ， 仍 充 電 ，穩(wěn) 定 ， 不 變a ）b )RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd (on)trtd(off)tf圖1-21P-MOSFET的開關過

13、程a)開關特性測試電路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()0pinGSDd offDinGSDGSTDUCUitiCUiUUi高 電 平 ， 放 電 ， 不 變時， 預 夾 斷 ，仍 放 電 ，繼 續(xù) ， 夾 斷 區(qū) 上 升 ，時 ， 導 電 溝 道 消 失 ， 第50頁/共57頁第51頁/共57頁第51頁/共57頁第52頁/共57頁流被切斷，IGBT關斷。 IGBT的工作的工作原理原理第52頁/共57頁第53頁/共57頁圖1-23IGBT的輸出特性以柵射電壓UGE為參變量時，集電極電流IC和集射電壓UCE之間的關系曲線，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)四個部分。 UCE0,UGE0,UGEUT時，IGBT中MOSFET沒形成溝道，J2結反偏，正向