功率場效應晶體管絕緣柵雙極型晶體管ppt課件

1、l分為結(jié)型和絕緣柵型l通常主要指絕緣柵型中的MOS型Metal Oxide Semiconductor FETl簡稱功率MOSFETPower MOSFETl結(jié)型電力場效應晶體管普通稱作靜電感應晶體管Static Induction TransistorSIT 特點用柵極電壓來控制漏極電流 驅(qū)動電路簡單，需求的驅(qū)動功率小。(絕緣柵、電壓控制器件) 開關速度快，任務頻率高。(只需多數(shù)載流子，無少數(shù)載流子積存效應) 平安區(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，普通只適用于功率不超越10kW的電力電子安裝。功率場效應晶體管功率場效應晶體管( Power Metal O

2、xide ( Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)Semiconductor Field Effect Transistor)lP-MOSFET的種類的種類l按導電溝道可分為按導電溝道可分為P溝道和溝道和N溝道。溝道。l耗盡型耗盡型當柵極電壓為零時漏源極之當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道。間就存在導電溝道。l加強型加強型對于對于NP溝道器件，柵極溝道器件，柵極電壓大于小于零時才存在導電溝道。電壓大于小于零時才存在導電溝道。l功率功率MOSFET主要是主要是N溝道加強型。溝道加強型。漏極柵極源極芯片照片斷面P-M

3、OSFET的構(gòu)造的構(gòu)造是單極型、全控型晶體管。導電機理與小功率MOS管一樣，但構(gòu)造上有較大區(qū)別。采用多元集成構(gòu)造，不同的消費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的構(gòu)造和電氣圖形符號漏極源極柵極外延漂移層襯底SiO2絕緣層l小功率MOS管是橫導游電器件。l功 率 M O S F E T 大 都 采 用 垂 直 導 電 構(gòu) 造 ， 又 稱 為VMOSFETVerticalMOSFET。l按垂直導電構(gòu)造的差別，分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙分散MOS構(gòu)造的VDMOSFETVert

4、icalDouble-diffusedMOSFET。l這里主要以VDMOS器件為例進展討論。P-MOSFET的構(gòu)造的構(gòu)造截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間構(gòu)成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。P-MOSFET的任務原理的任務原理導電：在柵源極間加正電壓UGS那么柵極上的正電壓將其下面的P基區(qū)中的空穴推開，而將少子電子吸引到柵極下的P基區(qū)的外表，當UGS大于UT時，P型半導體反型成N型，成為反型層，該反型層構(gòu)成N溝道而使PN結(jié)J1消逝，漏極和源極導電。UGS數(shù)值越大，P-MOSFET導電才干越強，ID也就越大。(1)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性TransferCharact

5、eristic漏極電流漏極電流ID和柵源間電壓和柵源間電壓UGS的關系稱為的關系稱為MOSFET的的轉(zhuǎn)移特性。轉(zhuǎn)移特性。ID較大小時，較大小時，ID與與UGS的關系近似非線性，曲的關系近似非線性，曲線的斜率微變量之比定線的斜率微變量之比定義為跨導義為跨導Gfs。圖1-20功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性1靜態(tài)特性靜態(tài)特性010203050402468ID/AUTUGS/VIDUGS(2)輸出特性輸出特性漏極電流漏極電流ID和漏源間電壓和漏源間電壓UDS的關系稱為的關系稱為MOSFET的輸出特的輸出特性，即漏極伏安特性性，即漏極伏安特性。分為四個區(qū)：非飽和區(qū)可變分為四個區(qū)：非飽和區(qū)可變電阻區(qū)、飽和區(qū)恒

6、流區(qū)、電阻區(qū)、飽和區(qū)恒流區(qū)、擊穿區(qū)雪崩區(qū)、截止區(qū)擊穿區(qū)雪崩區(qū)、截止區(qū)UGS低于開啟電壓低于開啟電壓102030504001020 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-MOSFET的輸出特性1靜態(tài)特性靜態(tài)特性擊穿區(qū)任務在開關形狀，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)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。開經(jīng)過程開經(jīng)過程開通延遲時間開通延遲時間td(on) 上升時間上升時間tr開通時間開通時間ton開通開通延遲時間與上升

7、時間延遲時間與上升時間之和之和 ton td(on) tr關斷過程關斷過程關斷延遲時間關斷延遲時間td(off)下降時間下降時間tf關斷時間關斷時間toff關斷關斷延遲時間和下降時間延遲時間和下降時間之和之和toff td(off) tfpinGSTDDinGSDUCUUiiCUi，充電，時，導電溝道，預夾斷，仍充電，穩(wěn)定， 不變ab)RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖1-21P-MOSFET的開關過程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(nèi)阻，RG柵極電阻，RL負載電阻，RF檢測漏極電

8、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， l從中可以求得器件的：l輸入電容：CinCGSCGD。l輸出電容:CoutCGDCDS。l反響電容：CrCGD。l正是Cin在開關過程中需求進展充、放電，影響了開關速度。同時也可看出，靜態(tài)時雖柵極電流很小，驅(qū)動功率小，但動態(tài)時由于電容充放電電流有一定強度，故動態(tài)驅(qū)動仍需一定的柵極功率。開關頻率越高，柵極驅(qū)動功率也越大。 MOSFET的開關速度和的開關速度和Cin充放電有很大關系。充放電有很大關系。 P-MOSFET是多數(shù)載流子器件，不存在少數(shù)載

9、流子特有的存是多數(shù)載流子器件，不存在少數(shù)載流子特有的存貯效應，因此開關時間很短，典型值為貯效應，因此開關時間很短，典型值為20ns，影響開關速度的主要是，影響開關速度的主要是器件極間電容。器件極間電容。 可降低信號源驅(qū)動電路內(nèi)阻可降低信號源驅(qū)動電路內(nèi)阻Rs減小減小Ci 充、放電時間常數(shù)，加快開關充、放電時間常數(shù)，加快開關速度。速度。不存在少子儲存效應，關斷過程非常迅速。不存在少子儲存效應，關斷過程非常迅速。開關時間在開關時間在10100ns之間，任務頻率可達之間，任務頻率可達100kHz以上，是主要電力以上，是主要電力電子器件中最高的。電子器件中最高的。場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開

10、關過程中需對輸入電容場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。開關頻率越高，所需求的驅(qū)動功率越大。開關頻率越高，所需求的驅(qū)動功率越大。MOSFET的開關速度的開關速度除跨導Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有：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

11、容CGS、CGD和CDS。前兩者由MOS構(gòu)造的絕緣層構(gòu)成的，其電容量的大小由柵極的幾何外形和絕緣層的厚度決議；后者由PN構(gòu)呵斥，其數(shù)值大小由溝道面積和有關結(jié)的反偏程度決議。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) 通態(tài)電阻通態(tài)電阻Ron (6) 漏源擊穿電壓漏源擊穿電壓BUDS該電壓決議了P-MOSFET的最高任務電壓(7) 柵源擊穿電壓柵源擊穿電壓BUGS該電壓表征了功率MOSFET柵源之間能接受的最高電壓。功率MOSFET具有電流負溫度效應，沒有二次擊穿問題，具有非常寬的平安任務區(qū)，特別是在高電壓范圍內(nèi)，但是功率MOSFET的

12、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，還要遭到本身功耗的限制。圖正向偏置平安任務區(qū)l由以下四條邊境限定：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。正向偏置平安任務區(qū)(FBSOA)正向偏置平安任務區(qū)由四條邊境極限所包圍的區(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，開關平安任務區(qū)(SSOA)開關平安任務區(qū)(SSOA)表示器件任務的極限范圍。在功率MOSFET換流過程中，當器件體內(nèi)反并聯(lián)二級管從導通形狀進入反向恢復期時，假設漏極電壓上升過大，那么很容易呵斥器件損壞。二極管反向恢復期內(nèi)漏源極的電壓上升率稱為二極管恢

13、復耐量，二極管恢復耐量是功率MOSFET可靠性的一個重要參數(shù)。換向平安任務區(qū)(CSOA)(1)功率MOSFET驅(qū)動電路的共性問題驅(qū)動電路應簡單、可靠。也需求思索維護、隔離等問題。驅(qū)動電路的負載為容性負載。按驅(qū)動電路與柵極的銜接方式可分為直接驅(qū)動與隔離驅(qū)動。(2)功率MOSFET對柵極驅(qū)動電路的要求保證功率MOSFET可靠開通和關斷，觸發(fā)脈沖前、后沿要求峻峭。減小驅(qū)動電路的輸出電阻，提高功率MOSFET的開關速度。觸發(fā)脈沖電壓應高于管子的開啟電壓，為了防止誤導通，在功率MOSFET截止時，能提供負的柵源電壓。功率MOSFET開關時所需的驅(qū)動電流為柵極電容的充、放電電流。l驅(qū)動電路應實現(xiàn)主電路與控

14、制電路之間的隔離，防止功率電路對控制信號呵斥干擾。l驅(qū)動電路應能提供適當?shù)木S護功能，使得功率管可靠任務，如低壓鎖存維護、過電流維護、過熱維護及驅(qū)動電壓箝位維護等。l驅(qū)動電源必需并聯(lián)旁路電容，它不僅濾除噪聲，也用于給負載提供瞬時電流，加快功率MOSFET的開關速度。(3)P-MOSFET驅(qū)動電路的驅(qū)動方式直接驅(qū)動TTL驅(qū)動電路隔離驅(qū)動電路l對于VDMOS，其驅(qū)動電路非常簡單，但在高速開關驅(qū)動時或在并聯(lián)運轉(zhuǎn)時，可在其驅(qū)動電路的輸出級上接入射極跟隨器，并盡能夠地減小輸出電阻，以縮短它的開通和關斷時間。假設在驅(qū)動信號上做到阻斷時柵源電壓小于零，就能進一步縮短關斷時間。兩類器件取長補短結(jié)合而成的復合器件

15、Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管Insulated-gateBipolarTransistorIGBT或IGTGTR和MOSFET復合，結(jié)合二者的優(yōu)點。1986年投入市場，是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的位置。 GTR和GTO的特點雙極型，電流驅(qū)動，有電導調(diào)制效應，通流才干很強，開關速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復雜。 MOSFET的優(yōu)點單極型，電壓驅(qū)動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。IGBT的構(gòu)造三端器件：柵極(門極)G、集電極C和發(fā)射極E圖1-22 IGBT的構(gòu)造、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部構(gòu)造

16、斷面表示圖 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)，具有很強的通流才干。簡化等效電路闡明，IGBT是GTR與MOSFET(驅(qū)動元件)組成的達林頓構(gòu)造，一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。在集電極和發(fā)射極之間其內(nèi)部實踐上包含了兩個雙極型晶體管P+NP及N+PN，它們又組合成了一個等效的晶閘管即存在著一個寄生晶閘管，寄生晶閘管有擎住作用。圖1-22 IGBT的構(gòu)造和簡化等效電路a) 內(nèi)部構(gòu)造斷面表示圖 b) 具有寄生晶體管簡化等效電路IGBT的構(gòu)造的構(gòu)造RN為GTR晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻

17、。RS 為溝道體P基區(qū)內(nèi)的體區(qū)電阻 。 驅(qū)動原理與功率MOSFET根本一樣，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決議。導通：uGE開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)構(gòu)成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。通態(tài)壓降：電導調(diào)制效應使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消逝，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。IGBT的任務原理的任務原理ICUGE(th)UGEO1)靜態(tài)特性靜態(tài)特性(1)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性圖1-23 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之間的關系曲線。當柵射電壓UGEUGEth(開啟電壓)時，IGBT

18、處于關斷形狀。當UGEUGEth時，IGBT導通。IGBT導通后的大部分集電極電流范圍內(nèi)，IC與UGE呈線性關系。1)靜態(tài)特性靜態(tài)特性(2)輸出特性輸出特性圖1-23 IGBT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, 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年代中后期開場逐漸處理。IGBT為四層構(gòu)造，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(chǎn)生壓降，相當于對

19、J3結(jié)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形狀，柵極就會失去對集電極電流的控制造用，電流失控擎住作用圖1-24 IGBT的等效電路 IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一同，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。反向偏置平安任務區(qū)反向偏置平安任務區(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。正偏平安任務區(qū)正偏平安任務區(qū)FBSOAIGBT開通時的正向偏置平安任務區(qū)由電流、電壓和功耗三條邊境極限包圍而成。最大集電極電流ICM是根據(jù)防止動

20、態(tài)擎住而確定的；最大集射極電壓UCEM是由IGBT中PNP晶體管的擊穿電壓所確定；最大功耗那么由最高允許結(jié)溫所決議。IGBT關斷時的反向偏置平安任務區(qū)與IGBT關斷時的du/dt有關，du/dt越高，RBSOA越窄。1)柵極驅(qū)動電路對IGBT的影響正向驅(qū)動電壓+V添加時，IGBT輸出級晶體管的導通壓降和開通損耗值將下降，但并不是說+V值越高越好。IGBT在關斷過程中，柵射極施加的反偏壓有利于IGBT的快速關斷。柵極驅(qū)動電路最好有對IGBT的完好維護才干。為防止呵斥同一個系統(tǒng)多個IGBT中某個的誤導通，要求柵極配線走向應與主電流線盡能夠遠，且不要將多個IGBT的柵極驅(qū)動線捆扎在一同。1. IGBT的柵極驅(qū)動的柵極驅(qū)動2)IGBT柵極驅(qū)動電路應滿足的條件柵極驅(qū)動電壓脈沖的上升率和下降率要充分大。在IGBT導通后，柵