第四講 功率場效應(yīng)管

電力電子器件基礎(chǔ)第1章第2頁電力電子器件概述第一講功率二極管第二講功率晶體管第三講晶閘管第四講功率場效應(yīng)器件/IGBT第五講半導(dǎo)體器件的塑料封裝功率場效應(yīng)管分類根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同分為結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET-JunctionFieldEffectTransistor)，金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET-Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistor)。根據(jù)導(dǎo)電溝道的類型可分為N溝道和P溝道兩大類；根據(jù)零柵壓時器件的導(dǎo)電狀態(tài)又可分為耗盡型和增強型兩類。第1章第4頁4.2MOS場效應(yīng)管MOSFET為三端元件。由一個MOS與兩個相鄰的pn結(jié)構(gòu)成.為集成電路中最重要的元件與相同功能的雙極性晶體管(GTR)相比,面積小，可以增加集成電路的密度。工藝步驟較少，制造成本較低。做成CMOS(NMOS+PMOS)，功率消耗更低。第1章第5頁4.2.1MOS結(jié)構(gòu)為MOSFET的核心部分：由上往下之材料分別為金屬、氧化層及半導(dǎo)體。氧化層的厚度通常Si襯底是接地的，所以金屬相對Si背面歐姆接觸面為正偏壓時，V為正,反之,V為負(fù)。第1章第6頁4.2.2理想的MOS定義：TheIdealMOS在沒有加外加偏壓時（即熱平衡狀態(tài)），金屬功函數(shù)qm和半導(dǎo)體功函數(shù)qs的能量差為零，即功函數(shù)差qms等于零。

其中qB:為費米能級EF和本怔費米能級Ei的能量差

qχ:

半導(dǎo)體電子親和力換句話說，當(dāng)無外加偏壓時，能帶是平的。（稱為平帶狀態(tài)flatbandcondition)。第1章第7頁4.2.2理想的MOS定義（續(xù)）在任意偏壓下，MOS結(jié)構(gòu)的電荷只有半導(dǎo)體電荷和靠近氧化層的金屬表面電荷兩種，二者的電量相等但極性相反。在直流偏壓下，沒有載流子流過氧化層，既氧化層的電阻是無窮大。綜上所述，可知理想的MOS結(jié)構(gòu)相當(dāng)與一個平行平板電容器的特性。第1章第8頁4.2.3理想的MOS結(jié)構(gòu)能帶圖門極無偏壓時，

(V=0)的p-type半導(dǎo)體MOS機構(gòu)的能帶圖第1章第9頁4.2.4非平衡狀態(tài)下的能帶圖（p型）當(dāng)偏壓不為零時，能帶圖兩側(cè)因下拉、上移而彎曲。半導(dǎo)體的載流子密度和能量差呈指數(shù)關(guān)系，如下式：能帶圖彎曲，使EF與Ei的差改變，形成以下情形：積累(accumulation):V<0耗盡(depletion):V>0反型(inversion):V>>0第1章第10頁

V<0，由于形成表面空穴堆積，所以稱為積累accumulation空穴受電場作用上移于表面形成空穴堆積EF更靠近Ev，故空穴劇增4.2.4非平衡狀態(tài)下的能帶圖（p型）第1章第11頁

V>0，因空穴遠(yuǎn)離表面，形成耗盡區(qū)。EF更遠(yuǎn)離Ev，空穴減少，剩下固定的受主離子V越大，W越大。4.2.4非平衡狀態(tài)下的能帶圖（p型）第1章第12頁V>>0時，EF遠(yuǎn)離Ev且EF已超過Ei，此種情形為n型能帶，所以p型半導(dǎo)體表面的載流子變?yōu)殡娮?，稱為反型。4.2.4非平衡狀態(tài)下的能帶圖（p型）第1章第13頁Ψs〈0：空穴積累Ψs＝0：平帶狀況ΨB〉Ψs〉0：空穴耗盡Ψs=ΨB：ns=np=niΨs〉ΨB：反型Ψs〉2ΨB：強反型s：表面電位當(dāng)表面電子濃度ns=Na時時，稱為強反型．bulk由半導(dǎo)體電子濃度公式可得4.2.4非平衡狀態(tài)下的能帶圖（p型）第1章第14頁V<<0時，EF遠(yuǎn)離Ec且EF已超過Ei，此種情形為p型之能帶，故n型半導(dǎo)體表面的載流子為空穴。非平衡狀態(tài)下的能帶圖（n型）第1章第15頁4.2.5耗盡區(qū)寬度在耗盡和反型狀態(tài)下都有耗盡區(qū)．同n+p結(jié)的電荷電場，電位分析可知當(dāng)強反型時，偏壓略有改變，電子濃度會大量增加（指數(shù)關(guān)系），所以，耗盡區(qū)電荷的改變不大，可說此時，耗盡區(qū)寬度已達(dá)最大。第1章第16頁4.2.6理想MOS曲線沒有功函數(shù)差時,外加偏壓降落在氧化層和半導(dǎo)體上。其中第1章第17頁4.2.6理想MOS曲線（C-V圖）積累情況下，負(fù)偏壓加的越多,積累在半導(dǎo)體表面的空穴濃度越大，同時金屬表面感應(yīng)的負(fù)電荷也增加,電壓降落在氧化層上。這時,MOS的單位面積的電容只是氧化層電容：……..為定值第1章第18頁耗盡時，隨著正偏壓的增加，半導(dǎo)體耗盡區(qū)寬度增加，同時金屬表面感應(yīng)的正電荷也增加。電壓降落在氧化層和耗盡區(qū)之間。相當(dāng)于氧化層電容和半導(dǎo)體的接觸電容串聯(lián)起來：V越大，耗盡區(qū)寬度越大，Cj越小，C’(depl)越小4.2.6理想MOS曲線（C-V圖）第1章第19頁耗盡情形下的C-V圖其中：整理后可得：隨著V增大，電容值會下降第1章第20頁4.2.6理想MOS曲線（C-V圖）（續(xù)）

反型情況下，電荷的變化要到受頻率的影響。在低頻情況下時，正偏壓加的越多，半導(dǎo)體耗盡區(qū)的寬度不變(Wm)，固定的受主離子不變，增加的是半導(dǎo)體表面的反型的電子濃度，同時金屬表面感應(yīng)的正電荷也增加。這時候的外加電壓稱為臨界電壓：第1章第21頁4.2.6理想MOS曲線（C-V圖）（低頻）剛剛反型之點，反型電子為零，耗盡區(qū)寬度達(dá)到最大值。積累時MOS的單位面積的電容只是氧化層的電容：第1章第22頁4.2.6理想MOS曲線（C-V圖）（高頻）高頻下的反型時，由于作為少數(shù)栽流子的反型電子無法及時反應(yīng)，耗盡區(qū)的寬度也無明顯的變化，所以電容不會增加，維持在最低值。第1章第23頁第1章第24頁4.2.6理想MOS曲線（C-V）（n型半導(dǎo)體）第1章第25頁4.2.7

實際的MOS結(jié)構(gòu)與理想的MOS結(jié)構(gòu)最大的差異：a.金屬電極和半導(dǎo)體功函數(shù)差qms不為零；b.氧化層中或界面處有電荷存在。所以熱平衡時的半導(dǎo)體區(qū)能帶圖有彎曲，不是平帶情形(flat-bandcondition)。

ms欲使半導(dǎo)體恢復(fù)平帶狀況之電壓（平帶電壓flat-bandvoltage)。第1章第26頁1.功函數(shù)差：功函數(shù)：真空能級與費米能級差平衡狀態(tài)下（無偏壓），半導(dǎo)體能帶為彎曲的。第1章第27頁常用電極材料：鋁：功函數(shù)為4.1e.vn+硅：功函數(shù)為4.05e.vp+硅：功函數(shù)為5.05e.v功函數(shù)差和電極材料及襯底摻雜濃度有關(guān)。第1章第28頁2.平帶電壓（Flat-bandvoltage）定義：使半導(dǎo)體區(qū)能帶無彎曲所施加的門極電壓。加門極電壓，跨越氧化層及半導(dǎo)體的表面電位會改變：即ms既半導(dǎo)體內(nèi)無電荷存在第1章第29頁3.氧化層電荷：可區(qū)分為四種電荷:1.界面陷阱電荷(Qit)2.固定氧化物電荷(Qf)3.氧化層陷阱電荷(Qot)4.可動離子電荷(Qm)第1章第30頁界面陷阱電荷(Qit)(interfacetrappedcharge)

產(chǎn)生原因：

起因于Si-SiO2介界面的不連續(xù)性及界面上的不飽和鍵，通常Qit的大小與界面化學(xué)成分有關(guān)。

改善方法：

于硅上以熱成長SiO2的MOS使用低溫（約450℃）氫退火來中和大部分的界面陷阱電荷，或選擇低缺陷的硅片（即(100)晶片）。第1章第31頁固定氧化層電荷Qf(fixedoxidecharge)

產(chǎn)生原因：

當(dāng)氧化停止時，一些離子化的硅就留在界面處（約30?處）。這些離子及硅表面上的不完全硅鍵合，產(chǎn)生了正的固定氧化層電荷Qf。

改善方法：

可調(diào)整氧化工藝的調(diào)整或退火

(Annealing)來降低其影響力或是選擇較佳的晶格方向。第1章第32頁氧化層陷阱電荷Qot(oxidetrappedcharge)

產(chǎn)生原因：

主要是因為MOS制作時所產(chǎn)生的電子/空穴被氧化層內(nèi)的雜質(zhì)或未飽和鍵所捕捉,而成陷阱電荷。

改善方法：

可利用低溫回火消除掉。第1章第33頁

可移動離子電荷Qm(mobileioniccharge)

產(chǎn)生原因：

通常是鈉、鉀離子等堿性金屬雜質(zhì)，在高溫和高正、負(fù)偏壓工作時，可在氧化層中來回移動，并使的電容電壓特性沿著電壓軸產(chǎn)生平移。改善方法：

在進行硅氧化時，于反應(yīng)氣體中加入適量的HCl，其中的Cl離子會中和SiO2層中的堿金屬離子。第1章第34頁平帶電壓VFB（續(xù)）當(dāng)VG=VFB時，s=0，故可得：氧化層所跨電位由以下分析可知：平衡狀態(tài)Vox平帶狀態(tài)平帶狀態(tài)下，假設(shè)氧化層電荷QO存在半導(dǎo)體之界面處（即x0=d），則可得：FB（假設(shè)無功函數(shù)差）第1章第35頁平帶電壓VFB（續(xù)）若氧化層中的電荷分布為任意分布（一般情況），平帶電壓可以表示為：再考慮函數(shù)差，并忽略界面陷阱電荷，平帶電壓會變?yōu)椋旱?章第36頁氧化層電荷對CV圖的影響其中平帶電壓介于積累態(tài)和耗盡態(tài)之間：由平帶電壓公式可知：(Qo包括Qf、Qot

、Qm)Qo為正時，平帶電壓會比ms小Qo為負(fù)時，平帶電壓會比ms大第1章第37頁氧化層電荷對CV圖的影響（續(xù)）由平帶電壓的分析可知，當(dāng)氧化層電荷為正時，CV圖會向左平移，且電荷越多，平移量越多；當(dāng)氧化層電荷為負(fù)時，CV圖會往右平移。Qo包括：固定氧化層電荷Qf、氧化層陷阱電荷Qot

以及可移動離子電荷Qm。4.2.8MOS場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理MOS場效應(yīng)晶體管的基本結(jié)構(gòu)L：通道長度Z：通道寬度d：氧化層厚度

rj

：結(jié)深門極源極漏極加適當(dāng)?shù)拈T極電壓使得門極下方產(chǎn)生反型層，形成通道，連接源極和漏極區(qū)。源極為載流子的來源，經(jīng)過通道流向漏極極。當(dāng)基底為P型時，載流子為電子，所以，電流由漏極流向源極。當(dāng)基底為N型時，載流子為空穴，電流由源極流向漏極。2.功率MOS場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)

A. 最初的功率MOS是VVMOSFET結(jié)構(gòu)，為美國雷達(dá)公司1975年首先提出。在N+上外延生長N-漂移區(qū)，再選擇擴散P溝道區(qū)，P區(qū)內(nèi)再選擇擴散N+源區(qū)。各向異性腐蝕V型槽，V型槽上做成MOS結(jié)構(gòu)，襯底N+做漏極，當(dāng)在柵極上加上適當(dāng)?shù)碾妷?，會在P型體區(qū)形成N型反型層，成為溝通源區(qū)和漏區(qū)的導(dǎo)電通道。這樣一來，電子從N+源區(qū)出發(fā)，經(jīng)過溝道流到N-漂移區(qū)，然后垂直流到漏極，首次改變了MOSFET電流沿表面水平方向流動的傳統(tǒng)概念，實現(xiàn)電流的垂直流動。B.常見的VDMOS結(jié)構(gòu)采用垂直導(dǎo)電的雙擴散MOS結(jié)構(gòu)，利用兩次擴散形成的P型和N+型區(qū)，在硅片表面處的結(jié)深之差形成溝道，上表面做成MOS結(jié)構(gòu)，電流在溝道內(nèi)沿表面流動，然后垂直被漏極接收。

VDMOS管的襯底是重?fù)诫s(超低阻)N+單晶硅片，其上延生長一高阻N－層(最終成為漂移區(qū)，該層電阻率及外延厚度決定器件的耐壓水平),在N－上經(jīng)過P型和N型的兩次擴散，形成N+N－PN+結(jié)構(gòu)。

柵極為零偏壓時，iD被P型體區(qū)阻隔，漏源之間的電壓UDS加在反向PN－結(jié)上，整個器件處于阻斷狀態(tài)。當(dāng)柵極正偏壓超過閾值電壓UT時溝通道由P型變成N+型，這個反型的溝道成為iD電流的通道，整個器件又處于導(dǎo)通狀態(tài)。它靠N+型溝道來導(dǎo)電故稱之為N溝道VDMOS管。在MOSFET中只有一種載流子(N溝道時是電子，P溝道時是空穴)。由于電子的遷移率比空穴高3倍左右，從減小導(dǎo)通電阻增大導(dǎo)通電流計，一般常用N溝道器件。

功率MOSFET在特性上的優(yōu)越之處在于沒有熱電反饋引起的二次擊穿、輸入阻抗高、跨導(dǎo)的線性度好和工作頻率高。C.MOSFET的多元集成結(jié)構(gòu)下圖所示為IR功率MOSFET的基本結(jié)構(gòu)。圖中每一個六角形是一個MOSFET的原胞(cell)。正因為原胞是六角形的(hexangular)，因而IR常把它稱為HEXFET。功率MOSFET通常由許多個MOSFET原胞組成。已風(fēng)行了十余年的IR第三代(Gen-3)HEXFET每平方厘米約有18萬個原胞，目前世界上密度最高的IR第八代(Gen-8)HEXFET每平方厘米已有1740萬個原胞。3.功率場效應(yīng)晶體管的工作原理當(dāng)柵源極電壓UGS＝0時，漏極下的P型區(qū)表面不出現(xiàn)反型層，無法溝通漏源。此時即使在漏源之間施加電壓也不會形成P區(qū)內(nèi)載流子的移動，即VMOS管保持關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)柵源極電壓UGS＞0且不夠充分時，柵極下面的P型區(qū)表面呈現(xiàn)耗盡狀態(tài)，還是無法溝通漏源，此時VMOS管仍保持關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)柵源極電壓UGS超過強反型條件時，柵極下面的硅的表面從P型反型成N型，形成N型表面層并把源區(qū)和漏區(qū)聯(lián)系起來,從而把漏源溝通，使MOS管進入導(dǎo)通狀態(tài)。4.功率MOSFET的特性和主要參數(shù)1.功率場效應(yīng)晶體管的特性(1)功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性表示功率MOSFET的輸入柵源電壓UGS與輸出漏極電流ID之間的關(guān)系。轉(zhuǎn)移特性表示功率MOSFET的放大能力，與GTR中的電流增益相仿，由于功率MOSFET是電壓控制器件，因此用跨導(dǎo)這一參數(shù)來表示。定義為：

gm=ΔId/Δugs單位：西門子（1/歐姆）功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性曲線(2)功率MOSFET的輸出特性當(dāng)柵源電壓UGS一定時，漏極電流ID與漏源電壓UDS間關(guān)系曲線稱為VMOSFET的輸出特性。只有當(dāng)柵源電壓UGS達(dá)到或超過強反型條件時，使MOSFET進入導(dǎo)通狀態(tài)。柵源電壓UGS越大，漏極電流越大，可見漏極電流ID受柵源電壓UGS的控制。輸出特性分為三個區(qū)域，可調(diào)電阻區(qū)、飽和區(qū)和雪崩區(qū)。

在可調(diào)電阻區(qū)Ⅰ內(nèi)，器件的電阻值是變化的。當(dāng)柵源電壓UGS一定時，器件內(nèi)的溝道已經(jīng)形成，若漏源電壓UDS很小時，對溝道的影響可忽略，此時溝道的寬度和電子的遷移率幾乎不變，所以ID與UDS幾乎呈線性關(guān)系。在飽和區(qū)Ⅱ中，當(dāng)UGS不變時，ID趨于不變。當(dāng)UDS增大至使漏極PN結(jié)反偏電壓過高，發(fā)生雪崩擊穿，ID突然增加，此時進入雪崩區(qū)Ⅲ，直至器件損壞。使用時應(yīng)避免出現(xiàn)這種情況。第1章第48頁飽和區(qū)（Saturationregion）當(dāng)VDS逐漸增加，靠近漏極附近的氧化層所承受的電壓減小，產(chǎn)生反型電荷的能帶彎曲變小，所以反型電子減少，ID-VDS曲線的斜率逐漸減小。當(dāng)漏極電壓增加使得漏極端氧化層的電壓恰好等于開啟電壓VT，此時反型電子密度為零，（稱為夾斷)，故ID-VDS曲線的斜率變?yōu)榱悖措娏骶S持不變，達(dá)到飽和。此時

功率MOSFET開關(guān)特性(3)功率MOSFET的開關(guān)特性因為MOSFET存在輸入電容Ci，Ci有充電過程，柵極電壓UGS呈指數(shù)曲線上升,當(dāng)UGS上升到開啟電壓UT時，開始出現(xiàn)漏極電流iD，從脈沖電壓的前沿到iD出現(xiàn)，這段時間稱為開通延遲時間td。隨著UGS增加，iD上升，從有iD到iD達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所用時間稱為上升時間tr。開通時間ton可表示為延遲時間和上升時間之和

ton＝td＋tr

當(dāng)脈沖電壓下降到零時，柵極輸入電容Ci通過信號源內(nèi)阻RS和柵極電阻RG開始放電，柵極電壓UGS按指數(shù)曲線下降，當(dāng)下降到UGSP時，漏極電流才開始減小，這段時間稱為關(guān)斷延遲時間ts。之后，Ci

繼續(xù)放電，從iD減小，到UGS＜UT溝道關(guān)斷，iD下降到零。這段時間稱為下降時間tf。關(guān)斷時間toff可表示為延遲時間和下降時間之和：

toff＝ts＋tf

由上分析可知，改變信號源內(nèi)阻RS，可改變Ci充、放電時間常數(shù)，影響開關(guān)速度。(4)安全工作區(qū)(SOA)

功率MOSFET沒有二次擊穿問題，具有非常寬的安全工作區(qū)，特別是在高電壓范圍內(nèi)，但是功率MOSFET的通態(tài)電阻比較大，所以在低壓部分不僅受最大電流的限制，還要受到自身功耗的限制。正向偏置安全工作區(qū)①正向偏置安全工作區(qū)(FBSOA)

正向偏置安全工作區(qū)由四條邊界極限所包圍的區(qū)域。漏源通態(tài)電阻線，最大漏極電流線，最大功耗限制線和最大漏源電壓線，②開關(guān)安全工作區(qū)(SSOA)

開關(guān)安全工作區(qū)(SSOA)表示器件工作的極限范圍。在功率MOSFET換流過程中，當(dāng)器件體內(nèi)反并聯(lián)二級管從導(dǎo)通狀態(tài)進入反向恢復(fù)期時，如果漏極電壓上升過大，則很容易造成器件損壞。二極管反向恢復(fù)期內(nèi)漏源極的電壓上升率稱為二極管恢復(fù)耐量，二極管恢復(fù)耐量是功率MOSFET可靠性的一個重要參數(shù)。2.功率場效應(yīng)晶體管的主要參數(shù)(1)漏源擊穿電壓BUDS：該電壓決定了功率MOSFET的最高工作電壓。(2)柵源擊穿電壓BUGS

：該電壓表征了功率MOSFET柵源之間能承受的最高電壓。(3)漏極最大電流ID：表征功率MOSFET的電流容量。(4)開啟電壓UT：又稱閾值電壓，它是指功率MOSFET流過一定量的漏極電流時的最小柵源電壓。(5)通態(tài)電阻Ron：通態(tài)電阻Ron是指在確定的柵源電壓UGS下，功率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)。(6)極間電容：功率MOSFET的極間電容是影響其開關(guān)速度的主要因素。其極間電容分為兩類；一類為CGS和CGD，它們由MOS結(jié)構(gòu)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；另一類是CDS，它由PN結(jié)構(gòu)成，其數(shù)值大小由溝道面積和有關(guān)結(jié)的反偏程度決定。

一般生產(chǎn)廠家提供的是漏源短路時的輸入電容Ci、共源極輸出電容Cout及反饋電容Cf，它們與各極間電容關(guān)系表達(dá)式為

Ci＝CGS＋CGDCout＝CDS＋CGDCf＝CGD

顯然，Ci﹑Cout和Cf均與柵漏電容CGD有關(guān)。(2)功率MOSFET對柵極驅(qū)動電路的要求①保證功率MOSFET可靠開通和關(guān)斷，觸發(fā)脈沖前、后沿要求陡峭。②減小驅(qū)動電路的輸出電阻，可提高功率MOSFET的開關(guān)速度。③觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開啟電壓，為了防止誤導(dǎo)通，在功率MOSFET截止時，最好能提供負(fù)的柵源電壓。④功率MOSFET開關(guān)時所需的驅(qū)動電流為柵極電容的充、放電電流。6.功率MOSFET的保護(1)靜電保護在靜電較強的場合，容易靜電擊穿，造成柵源短路。①應(yīng)存放在防靜電包裝袋、導(dǎo)電材料包裝袋或金屬容器中。取用器件時，應(yīng)拿器件管殼，而不要拿引線。②工作臺和烙鐵都必須良好接地，焊接時電烙鐵功率應(yīng)不超過25W，最好使用12V～24V的低電壓烙鐵，且前端作為接地點，先焊柵極，后焊漏極與源極。③在測試MOSFET時，測量儀器和工作臺都必須良好接地，MOSFET的三個電極未全部接入測試儀器或電路前，不要施加電壓，改換測試范圍時，電壓和電流都必須先恢復(fù)到零(2)柵源間的過電壓保護適當(dāng)降低驅(qū)動電路的阻抗，在柵源間并接阻尼電阻。(3)短路、過電流保護功率MOSFET的過電流和短路保護與GTR基本類似，僅是快速性要求更高，在故障信號取樣和布線上要考慮抗干擾，并盡可能減小分布參數(shù)的影響。(4)漏源間的過電壓保護在感性負(fù)載兩端并接箝位二極管，在器件漏源兩端采用二極管VD及RC箝位電路或采用RC緩沖電路。7.功率MOSFET的串并聯(lián)(1).功率MOSFET的串聯(lián)連接一般來說，因功率MOSFET經(jīng)常工作在高頻開關(guān)電路中，常用的電阻與電容串并聯(lián)在解決動態(tài)均壓時，由于分布參數(shù)的影響，難以做到十分滿意，所以除非必要，通常不將它們串聯(lián)工作。(2).功率MOSFET的并聯(lián)連接由于功率MOSFET的導(dǎo)通電阻是單極載流子承載的，具有正的電阻溫度系數(shù)。當(dāng)電流意外增大時，附加發(fā)熱使導(dǎo)通電阻自行增大，對電流的正增量有抑制作用，所以功率MOSFET對電流有一定的自限流能力，比較適合于并聯(lián)使用而不必采用并聯(lián)均流措施。4.2.8絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管IGBT是80年代中期問世的一種新型復(fù)合電力電子器件，由于它兼有MOSFET的快速響應(yīng)、高輸入阻抗和GTR的低通態(tài)壓降、高電流密度的特性，這幾年發(fā)展十分迅速。目前，IGBT的容量水平達(dá)(1200～1600A)/(1800～3330V),工作頻率達(dá)40kHz以上。1.結(jié)構(gòu)和工作原理(1).絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)

IGBT相當(dāng)于一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)GTR。從圖中我們還可以看到在集電極和發(fā)射極之間存在著一個寄生晶閘管，寄生晶閘管有擎住作用。采用空穴旁路結(jié)構(gòu)并使發(fā)射區(qū)寬度微細(xì)化后可基本上克服寄生晶閘管的擎住作用。IGBT的低摻雜N漂移區(qū)較寬，因此可以阻斷很高的反向電壓。IGBT的結(jié)構(gòu)、符號及等效電路三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E(2).絕緣柵雙極型晶體管的工作原理當(dāng)UDS＜0時，J3PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，IGBT呈反向阻斷狀態(tài)。當(dāng)UDS＞0時，分兩種情況：①若門極電壓UG＜開啟電壓UT，IGBT呈正向阻斷狀態(tài)。②若門極電壓UG＞開啟電壓UT，IGBT正向?qū)ā?.IGBT的主要特性(1)IGBT的伏安特性伏安特性表示器件的端電壓和電流的關(guān)系。對IGBT來說，就是以柵射電壓UGE為參變量時，集電極電流IC和集射電壓UCE之間的關(guān)系曲線。IGBT的伏安特性與GTR基本相似，不同之處是以柵射電壓UGE為參變量，而不是基極電流。UCE<0是反向阻斷狀態(tài)。UCE>0時，也可分為飽和區(qū)、放大區(qū)和正向阻斷區(qū)，UCE再增加可以進入擊穿區(qū)。開關(guān)器件IGBT常工作于飽和狀態(tài)和阻斷狀態(tài)，若IGBT工作于放大狀態(tài)將會增大IGBT的損耗。IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性(2)IGBT的轉(zhuǎn)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(guān)系曲線。當(dāng)柵射電壓UGE＜UGEth時，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)當(dāng)UGE＞UGEth時，IGBT導(dǎo)通。IGBT導(dǎo)通后的大部分集電極電流范圍內(nèi)，IC與UGE呈線性關(guān)系。(3)開關(guān)特性第1章第71頁

IGBT的開通過程

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。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第1章第72頁

IGBT的關(guān)斷過程關(guān)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——iC從90%ICM下降至10%ICM

關(guān)斷時間toff——關(guān)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。tfi1——IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快；tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢

(4)擎住效應(yīng)

IGBT為四層結(jié)構(gòu)，存在一個寄生晶閘管，在NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間存在一個體區(qū)短路電阻，P型體區(qū)的橫向空穴流過此電阻會產(chǎn)生一定壓降，對J3結(jié)相當(dāng)于一個正偏置電壓。在規(guī)定的集電極電流范圍內(nèi)，這個正偏置電壓不會使NPN晶體管導(dǎo)通；當(dāng)IC大到一定程度時，該偏置電壓使NPN晶體管開通，進而使NPN和PNP晶體管處于飽和狀態(tài)。于是柵極失去控制作用，這就是所謂的擎住效應(yīng)。(5)安全工作區(qū)

IGBT開通時的正向偏置安全工作區(qū)由電流、電壓和功耗三條邊界極限包圍而成。最大集電極電流ICM是根據(jù)避免動態(tài)擎住而確定的，最大集射極電壓UCEM是由IGBT