電力電子建模功率半導(dǎo)體器件課件

1、一、發(fā)展歷程1956年(Bell Lab)發(fā)明了晶閘管(SCR) ，標(biāo)志著電力電子學(xué)科的建立。6500V/5000A/0.7V/2.510kHz大容量低頻第三講 功率半導(dǎo)體器件第1頁(yè)，共47頁(yè)。不具有自關(guān)斷能力！電流開(kāi)通增益小，只有5-10，且開(kāi)通后需要維持門(mén)極電流；開(kāi)關(guān)頻率最高只有5kHz。電流型門(mén)極驅(qū)動(dòng)！電流關(guān)斷增益小，只有5，關(guān)斷時(shí)要很大的門(mén)極負(fù)電流。1970年后期1970年前期GTRGTO晶閘管的不足之處開(kāi)關(guān)頻率低！第2頁(yè)，共47頁(yè)。1980年代，出現(xiàn)了高頻、壓控型器件。600V/200A/100kHz6500V/200A/50kHz低壓中小功率場(chǎng)合高壓大功率場(chǎng)合(Toshiba )發(fā)

2、明MOSFETIGBT第3頁(yè)，共47頁(yè)。兼具GTO(耐壓高、通態(tài)電流大)和MOSFET(電壓型控制，開(kāi)關(guān)速度快)的優(yōu)點(diǎn)；且不需外加驅(qū)動(dòng)電路 。1990年代后期出現(xiàn)了集成門(mén)極換向晶閘管(IGCT) 。2000年代初出現(xiàn)了寬禁帶半導(dǎo)體材料電力電子器件 。包括：碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、金剛石。優(yōu)點(diǎn)：耐壓高得多、通態(tài)電阻低得多，更好的導(dǎo)熱性能，更強(qiáng)的耐高溫能力，極高的開(kāi)關(guān)速度。(4500V/4000A/10-50kHz)第4頁(yè)，共47頁(yè)。德國(guó)艾賽斯美國(guó)安森美美國(guó)飛兆（仙童）德國(guó)英飛凌（優(yōu)派克）美國(guó)國(guó)際整流器美國(guó)威世意大利意法半導(dǎo)體日本富士德國(guó)西門(mén)子第5頁(yè)，共47頁(yè)。二、分類(lèi)按驅(qū)動(dòng)方式電流型

3、驅(qū)動(dòng)電壓型驅(qū)動(dòng)按可控性不控半控SCRGTRGTOMOSFETIGBTIGCT全控DIODE第6頁(yè)，共47頁(yè)。三、二極管（DIODE）1、反向恢復(fù)特性（reverse recovery）第7頁(yè)，共47頁(yè)。2種載流子反向恢復(fù)特性：正向?qū)ǖ亩O管在外電路施加反向偏置電壓后，二極管的電流下降到零，而后反向流通。將過(guò)剩少數(shù)載流子移除出去，導(dǎo)致二極管流過(guò)反向電流。反向恢復(fù)電荷Qrr反向恢復(fù)損耗Prr第8頁(yè)，共47頁(yè)。2、按反向恢復(fù)特性分類(lèi)普通整流二極管（ trr 5us）快恢復(fù)二極管（ trr 1us）超快恢復(fù)二極管（trr100ns）肖特基二極管（trr40ns）PN結(jié)二極管勢(shì)壘二極管SiC二極管（t

4、rr=0）功率二極管在開(kāi)關(guān)頻率低于1kHz的場(chǎng)合，使用普通整流二極管；高頻場(chǎng)合采用超快恢復(fù)二極管和肖特基二極管。為了減小反向恢復(fù)損耗，必須減小二極管的反向恢復(fù)時(shí)間！第9頁(yè)，共47頁(yè)。3、主要參數(shù)額定正向平均電流反向重復(fù)峰值電壓正向平均電壓二極管是負(fù)溫度系數(shù)，即溫度越高，管壓降越低！因此，二極管絕對(duì)不能并聯(lián)使用！第10頁(yè)，共47頁(yè)。正向平均電壓（VF）反向重復(fù)峰值電壓（VRRM）額定正向平均電流（IF(AV)）反向偏置電壓一般低于1/32/3 VRRM ，否則很可能會(huì)被擊穿！正向電流平均值一般低于1/22/3 IF(AV) ，否則會(huì)過(guò)熱！通態(tài)損耗Pon第11頁(yè)，共47頁(yè)。【例1】下圖中的二極管選

5、何種類(lèi)型？已知Uin=220V，50Hz，Uo=100V，fs=50kHz。第12頁(yè)，共47頁(yè)。只有1種載流子導(dǎo)電溝道四、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（POWER MOSFET）1、工作機(jī)理反型電容效應(yīng)第13頁(yè)，共47頁(yè)。按導(dǎo)電機(jī)理2、分類(lèi)增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道MOSFET按溝道載流子類(lèi)型增強(qiáng)型耗盡型P溝道器件的導(dǎo)通電阻較N溝道器件高，故功率MOSFET主要為N溝道型。Ugs=0時(shí)溝道就已經(jīng)存在Ugs0時(shí)溝道才存在第14頁(yè)，共47頁(yè)。3、特性曲線(xiàn)（N溝道增強(qiáng)型）可變電阻區(qū)：當(dāng)UgsUT時(shí)，開(kāi)始形成溝道。溝道寬度截止區(qū)：當(dāng)UgsUgs-UT時(shí)，電流不隨Uds變化。擊穿區(qū)第15頁(yè)，共47頁(yè)。在器件的飽和區(qū)中

6、，維持Uds不變，iD與Ugs的函數(shù)關(guān)系。【例2】如何構(gòu)成恒流型電子負(fù)載？第16頁(yè)，共47頁(yè)。4、等效電路MOSFET的寄生二極管是與生俱來(lái)的！MOSFET不具有反向阻斷能力！MOSFET的寄生二極管的反向恢復(fù)時(shí)間trr很大！反向續(xù)流場(chǎng)合，必須外并超快恢復(fù)二極管（SFRD）或者肖特基二極管（SBD）！第17頁(yè)，共47頁(yè)。輸入電容Ciss輸出電容Coss密勒CrssMOSFET并聯(lián)，可以減小RON，減小通態(tài)損耗；但是增大了Cds，增大了開(kāi)通損耗！通態(tài)損耗Pon開(kāi)通損耗Ps容性開(kāi)通第18頁(yè)，共47頁(yè)。5、主要參數(shù)第19頁(yè)，共47頁(yè)。漏極連續(xù)電流ID（100）單管電流平均值一般低于1/22/3 ID

7、，否則會(huì)過(guò)熱！漏源擊穿電壓V(BR)DS漏源電壓一般低于1/32/3 VDS ，否則可能會(huì)擊穿！柵源電壓VGS驅(qū)動(dòng)電壓必須低于 VGS ，否則會(huì)擊穿柵極絕緣層！門(mén)檻電壓VGS（th）驅(qū)動(dòng)電壓必須高于 VGS(th) ，否則無(wú)法導(dǎo)通！第20頁(yè)，共47頁(yè)。導(dǎo)通電阻RDS(on)特點(diǎn)1：耐壓越高， RDS(on)也越大！特點(diǎn)2：驅(qū)動(dòng)電壓越高， RDS(on)越??！特點(diǎn)3：RDS(on)為正溫度系數(shù)，即溫度越高，電阻越大，且是成倍增大！正溫度系數(shù)可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)管之間的自動(dòng)均流！MOSFET耐壓一般低于600V！CoolMOS(英飛凌公司)耐壓600V-800V通態(tài)電阻下降為1/3第21頁(yè)，共47頁(yè)。【例3

8、】下圖中的二極管選何種類(lèi)型？已知Uin=5V，Uo=1V，Po=100W，fs=50kHz。特點(diǎn)4：導(dǎo)通電阻具有雙向?qū)щ娦?！取代SBD，實(shí)現(xiàn)同步整流！S1和S2必須互補(bǔ)導(dǎo)通，且先關(guān)后開(kāi)！第22頁(yè)，共47頁(yè)。6、驅(qū)動(dòng)電路【例4】MOSFET是電壓型驅(qū)動(dòng)器件，只要Vgs超過(guò)門(mén)檻電壓就能導(dǎo)通，為什么還需要專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路？驅(qū)動(dòng)電路是控制電路與MOSFET的柵極之間的接口電路！第23頁(yè)，共47頁(yè)。 直接驅(qū)動(dòng)適用于控制電路和MOSFET的源極共地的應(yīng)用場(chǎng)合！第24頁(yè)，共47頁(yè)。MOSFET并聯(lián)時(shí)的驅(qū)動(dòng)第25頁(yè)，共47頁(yè)。 隔離驅(qū)動(dòng)適用于控制電路和MOSFET的源極不共地的應(yīng)用場(chǎng)合！第26頁(yè)，共47頁(yè)。變壓

9、器隔離優(yōu)點(diǎn)：不需要獨(dú)立電源！響應(yīng)速度快！可提供反向偏置電壓，能可靠關(guān)斷！便宜！缺點(diǎn)：由分立元件搭成電路，尺寸較大；僅適用于占空比變化不大的場(chǎng)合！第27頁(yè)，共47頁(yè)?！纠?】若PWM信號(hào)的占空比為0.6，若要使Ugs達(dá)到15V，則變壓器的匝比為多少？在此若占空比減為0.4，則Ugs為多少？【例6】若PWM信號(hào)的占空比為1，是否可用上圖進(jìn)行驅(qū)動(dòng)？第28頁(yè)，共47頁(yè)。光耦隔離三菱富士第29頁(yè)，共47頁(yè)?！纠?】若PWM信號(hào)的占空比為1，是否可用上圖進(jìn)行驅(qū)動(dòng)？第30頁(yè)，共47頁(yè)。電容自舉常用集成芯片IR2110IR2110適用于同時(shí)驅(qū)動(dòng)半橋、全橋的上下橋臂或者同步整流的Buck變換器等。第31頁(yè)，共4

10、7頁(yè)。主電路直流電壓：Uin=500V開(kāi)關(guān)頻率：fc=100kHz驅(qū)動(dòng)電源電壓：Vcc=1020V第32頁(yè)，共47頁(yè)。狀態(tài)1：Q1斷、Q2通；Q3通、Q4斷。此時(shí)，S1關(guān)斷，S2開(kāi)通。+15V經(jīng)過(guò)DB給自舉電容CB充電，直至+15V。第33頁(yè)，共47頁(yè)。狀態(tài)2：Q1通、Q2斷；Q3斷、Q4通。此時(shí)，S2關(guān)斷。自舉電容CB充經(jīng)過(guò)Q1進(jìn)行放電，直至S1完全開(kāi)通。第34頁(yè)，共47頁(yè)。承受的反向電壓：Urrm=Uin正向平均電流：IF=Qgfs只能選超快恢復(fù)二極管自舉電路參數(shù)選擇DB占空比不能過(guò)小第35頁(yè)，共47頁(yè)。五、絕緣柵晶體管（IGBT）1、工作機(jī)理由N溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)的PNP型GTR！不具

11、有反向流通能力；關(guān)斷時(shí)有電流拖尾現(xiàn)象！關(guān)斷時(shí)，基區(qū)過(guò)剩載流子無(wú)處釋放，只能緩慢復(fù)合！電流拖尾導(dǎo)致關(guān)斷損耗很大，成為Ps的主要部分！第36頁(yè)，共47頁(yè)。2、特性曲線(xiàn)UGE不變，iC和UCE的函數(shù)關(guān)系。 iC一定， UGE越大，UCE(sat)越低！ 反向阻斷電壓極低，在需要反向阻斷的場(chǎng)合必須串聯(lián)二極管使用！逆阻型IGBT具有反向阻斷能力！第37頁(yè)，共47頁(yè)。在器件的放大區(qū)中，維持UCE不變，iC與UGE的函數(shù)關(guān)系。第38頁(yè)，共47頁(yè)。3、等效電路沒(méi)有寄生二極管！個(gè)別廠(chǎng)家將IGBT和二極管集成在一個(gè)芯片中，使之具備反向續(xù)流能力！容性開(kāi)通損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于MOSFET，可以忽略！電流密度為MOSFET的2

12、0倍，相同電流定額下的芯片面積小，極間電容?。〉?9頁(yè)，共47頁(yè)。4、主要參數(shù)（以IXH35N120A為例）集射擊穿電壓VCES集電極連續(xù)電流IC90開(kāi)啟電壓VGE(th)第40頁(yè)，共47頁(yè)。飽和壓降VCE(sat)特點(diǎn)1：在小電流時(shí)，為負(fù)溫度系數(shù)；在大電流時(shí)為正溫度系數(shù)！特點(diǎn)2：飽和壓降隨溫度變化很小！特點(diǎn)3：飽和壓降隨Uge的增大而減??！特點(diǎn)4：相同電壓定額，同樣電流下的通態(tài)壓降低于MOSFET！第41頁(yè)，共47頁(yè)。關(guān)斷時(shí)間tfi和單次關(guān)斷能耗Eoff通態(tài)損耗Pon關(guān)斷損耗Ps第42頁(yè)，共47頁(yè)。5、驅(qū)動(dòng)電路加快關(guān)斷，減小電流拖尾導(dǎo)致的關(guān)斷損耗！可靠關(guān)斷，防止誤開(kāi)通！IGBT關(guān)斷時(shí)必須施加反向偏置電壓，一般為-5-15V。柵極特性相同，因此驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，可以用相同的驅(qū)動(dòng)芯片！相同點(diǎn)不同點(diǎn)目的IGBT和MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路有什么異同點(diǎn)？第43頁(yè)，共47頁(yè)。不具有短路保護(hù)功能！第44頁(yè)，共47頁(yè)。EXB841（IGBT高速驅(qū)動(dòng)芯片）具有過(guò)流保護(hù)功能！單電源供電！開(kāi)關(guān)頻率40kHz！-5V的反向偏壓！軟關(guān)斷！保護(hù)閾值Uce=8V第45頁(yè)，共47頁(yè)。六、小結(jié) MOSFET IGBT 導(dǎo)通時(shí)相當(dāng)于電