晶體驅(qū)動(dòng)電路及設(shè)計(jì)ppt課件

1、功率元件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)SCR BJT MOS IGBT驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)朱國(guó)榮2019-11-11電力半導(dǎo)體器件o廠內(nèi)常用功率半導(dǎo)體1.2功率二極管 1.3 晶閘管SCR1.4 功率晶體管BJT1.6 功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET1.7 IGBT功率元件簡(jiǎn)介BJT構(gòu)造,參數(shù)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)MOS構(gòu)造,參數(shù)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)SCR構(gòu)造,參數(shù)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)IGBT構(gòu)造,參數(shù)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)SCR簡(jiǎn)介BJT構(gòu)造參數(shù)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)oBJT簡(jiǎn)介o雙極結(jié)型晶體管Bipolar Junction TransistorBJTo 分類o根據(jù)功率，可分為小功率晶體管和電力晶體管o 運(yùn)用o20世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT

2、和電力MOSFET取代o 運(yùn)用o20世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代 BJT共發(fā)射極電路的輸出特性 圖1-10 BJT共發(fā)射極電路的輸出特性該圖表示集電極電流IC 與集射極電壓UCE的關(guān)系，其參變量為IB，特性上的四個(gè)區(qū)域反映了BJT的四種任務(wù)形狀。在晶體管關(guān)斷形狀時(shí)，基極電流IB0，集電極發(fā)射極間電壓即使很高，但發(fā)射結(jié)與集電結(jié)均處于反向偏置，即UBE0，UBC0，UBCIC /時(shí)，晶體管就充分飽和了。這時(shí)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都是正向偏置，即UBE0，UBC0，電流增益和導(dǎo)通壓降UCE均到達(dá)最小值，BJT進(jìn)入飽和區(qū)IV區(qū)。BJT任務(wù)在飽和區(qū)

3、，相當(dāng)于處于導(dǎo)通形狀的開關(guān)。 BJT的開關(guān)特性圖1-11 BJT的開關(guān)特性 當(dāng)基極回路輸入一幅值為UPUPUBB的正脈沖信號(hào)時(shí)，基極電流立刻上升到 ，在IB的作用下，發(fā)射結(jié)逐漸由反偏變?yōu)檎珺JT由截止形狀變?yōu)閷?dǎo)通形狀 ，集電極電流IC上升到負(fù)載電阻壓降 。集電極電流IC上升到負(fù)載電阻壓降 ，集電結(jié)變?yōu)榱闫踔琳姌O與發(fā)射極之間的壓降UCE0，BJT任務(wù)在飽和形狀，BJT相當(dāng)于閉合的開關(guān)。當(dāng)基極輸入脈沖為負(fù)或零時(shí)，BJT的發(fā)時(shí)結(jié)和集電結(jié)都處于反向偏置，集電極電流逐漸下降到ICICEO0，因此負(fù)載電阻RL上的壓降可以忽略不計(jì)，集電極與發(fā)射極之間的壓降UCEUCC，即BJT任務(wù)在截止形狀，

4、BJT相當(dāng)于一斷開的開關(guān)1.3.5 達(dá)林頓BJT與BJT模塊T1T2CBT1T2ECBR1R2圖1-17 達(dá)林頓BJT的等效電路T1T2ECBR1R2D1DF達(dá)林頓BJT有以下特點(diǎn)：1 共射極電流增益值大 )1 () 1(122221BBEIRU圖1-18 BJT模塊的等效電路 BJT模塊除了有上述達(dá)林頓BJT的特點(diǎn)外，還有如下優(yōu)點(diǎn)： 1 它是能量高度集中的組合器件，大大減少了變換器的體積； 2 有電絕緣且傳熱好的固定底座，安裝運(yùn)用很方便； 3 內(nèi)含續(xù)流二極管減少了線路電感，降低了器件關(guān)斷時(shí)電流變化率呵斥的過電壓。2 飽和壓降UCEsa較高 3 關(guān)斷速度減慢 ts = ts1 + ts21.4

5、 功率場(chǎng)效應(yīng)管 1.4.1 概述功率場(chǎng)效應(yīng)管，即功率MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 是一種單極型的電壓控制器件，有驅(qū)動(dòng)功率小、任務(wù)速度高、無二次擊穿、平安任務(wù)區(qū)寬等顯著優(yōu)點(diǎn)。在中小功率的高性能開關(guān)電源、斬波器、逆變器中，功率場(chǎng)效應(yīng)管成為雙極型晶體管的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，并得到了越來越廣泛的運(yùn)用。 圖1-19 功率場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)造圖a“TMOSFET； b“VMOSFET1.4.2 MOSFET的根本特性 1；轉(zhuǎn)移特性圖1-20N溝道型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性 只需UGS大于門檻電壓UGSth才有漏極電流ID流過，在ID較大時(shí)

6、，ID和UGS近似為線性關(guān)系，亦即跨導(dǎo)gFS為常數(shù)：GSDFSdUdIg/ U GS10V之后，MOSFET的ID由外電路限制了。因此任務(wù)在開關(guān)形狀的MOSFET正向驅(qū)動(dòng)電壓Ug10V。 二輸出特性 輸出特性可以分為三個(gè)區(qū)輸出特性可以分為三個(gè)區(qū)域域 : :可調(diào)電阻區(qū)可調(diào)電阻區(qū)I I，飽和區(qū)，飽和區(qū)IIII和雪崩區(qū)和雪崩區(qū)III III 圖1-21功率MOSFET輸出特性1.4.2 MOSFET的根本特性 三MOSFET的電容 圖1-22 MOSFET各端點(diǎn)之間的電容 MOSFET各極之間的結(jié)電容由其物理構(gòu)造所決議，金屬氧化膜的柵極構(gòu)造決議了柵漏之間的結(jié)電容Cgd和柵源之間的結(jié)電容Cgs，MOS

7、FET的PN結(jié)構(gòu)成了漏源間的結(jié)電容Cds。 圖1-22表示了MOSFET的輸入電容Ciss、輸出電容Coss和反向傳輸電容Crss與結(jié)電容之間的關(guān)系。 四開關(guān)特性 90%UDSUGStrtd(on)td(off)tf10%圖1-23 開關(guān)特性測(cè)試電路與波形td(on)：開通延遲時(shí)間tr：上升時(shí)間 td(off) ：關(guān)斷延遲時(shí)間，tf ：下降時(shí)間 rondonttt)(foffdoffttt)(1.4.3 MOSFET平安任務(wù)區(qū)圖1-24 MTM 4N 50的平安任務(wù)區(qū)a最大額定開關(guān)平安任務(wù)區(qū)； b最大額定正偏平安任務(wù)區(qū) 由于電流具有隨溫度上升而下降的負(fù)反響效應(yīng)，因此MOSFET中不存在電流集中

8、和二次擊穿的限制問題，它有較好的平安任務(wù)區(qū)SOA 圖1-24是型號(hào)為MTM 4N 50(500V, 4A)的MOSFET的平安任務(wù)區(qū)，它分最大額定開關(guān)平安任務(wù)區(qū)和最大額定正向偏置平安任務(wù)區(qū)兩種。 最大額定開關(guān)平安任務(wù)區(qū)是負(fù)載線可跨越而不會(huì)招致MOSFET損壞的界限，根本的限制是峰值電流IDM和擊穿電壓U(BR)DSS ，這個(gè)平安任務(wù)區(qū)只適用于器件開關(guān)時(shí)間小于1s的開通和關(guān)斷過程 在其他任務(wù)條件下，運(yùn)用正向偏置平安任務(wù)區(qū)。正向偏置平安任務(wù)區(qū)受功率損耗的限制，而結(jié)溫是隨功率損耗的變化而變化，圖1-29 b表示的是溫度為25時(shí)的正向偏置平安任務(wù)區(qū)。 在任一溫度下，某一任務(wù)電壓的允許電流可經(jīng)過以下等式

9、算出：CjcDCCACDATcDRPTII25125()(144 MOSFET的根本參數(shù) 一漏極額定電流ID和峰值電流IDM 二通態(tài)電阻rDS(ON 三閥值電壓UGS(th) 四漏源擊穿電壓U(BR)DSS 五最大結(jié)溫TJM 六最大耗散功率PD 七熱阻 jcRjcRTC +PD TJM1.5 絕緣柵極雙極型晶體管 (IGBT )1.5.1 IGBT的構(gòu)造與任務(wù)原理 圖1-25 IGBT的構(gòu)造剖面圖 圖1-26 IGBT簡(jiǎn)化等效電路及信號(hào)絕緣柵極雙極型晶體管簡(jiǎn)稱IGBT,它將功率MOSFET與BJT的優(yōu)點(diǎn)集于一身，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，又具有通態(tài)壓降低、耐壓高

10、和接受電流大等優(yōu)點(diǎn) 由構(gòu)造圖可以看出，IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)BJT，其簡(jiǎn)化等效電路如圖1-26所示，圖中電阻Rdr是厚基區(qū)BJT基區(qū)內(nèi)的擴(kuò)展電阻。 IGBT是以BJT為主導(dǎo)元件，MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件的達(dá)林頓構(gòu)造器件，圖示器件是N溝道IGBT，MOSFET為N溝道型，BJT為PNP型。 1.5.2 IGBT的根本特性 伏安特性轉(zhuǎn)移特性 IGBT的伏安特性是指以柵極電壓UGE為參變量時(shí)，集電極電流IC與集電極電壓UCE之間的關(guān)系曲線 IGBT的伏安特性與BJT的輸出特性類似，也可分為飽和區(qū)I、放大區(qū)II和擊穿區(qū)III三部分 IGBT作為開關(guān)器件穩(wěn)態(tài)時(shí)主要任務(wù)在飽和導(dǎo)通區(qū) I

11、GBT的轉(zhuǎn)移特性是指集電極輸出電流IC與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。 它與MOSFET的轉(zhuǎn)移特性一樣，當(dāng)柵極電壓UGE小于開啟電壓UGE(th)時(shí)，IGBT處于關(guān)斷形狀。在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。 1.5.2 IGBT的根本特性 ET2CT1RLUCCICUCE+UGE-UGE(a)0.9IC0.9ICtftd(off)td(on)ton0.9VCC0.9VCCtt0.1UGE+UGE0.9UGE0UGEICIC=VCC/RL0.1IC-UGEt00trtoff0.1ICUCE0.1VCC0.1VCC(b) IGBT的開關(guān)特性的測(cè)試電路 IGBT的開關(guān)特性的

12、開關(guān)特性曲線 IGBT的開關(guān)特性如圖1-35所示。由圖可知IGBT的開關(guān)特性與功率MOSFET根本一樣。 td(on)+ tr= ton叫開通時(shí)間，td(off)+ tf= toff叫關(guān)斷時(shí)間 11010010001101001000集電極電流 IC(A)極射極電壓 UCE（V）極射極電壓 UCE（V）200400600800100001101001000集電極電流 IC(A)DC1ms100us15usIGBT的正偏平安任務(wù)區(qū)和反偏平安任務(wù)區(qū) IGBT開通時(shí)的正向偏置平安任務(wù)區(qū)FBSOA是由最大集電極電流ICM、最大集射極電壓UCEM、最大功耗三條邊境極限曲線包圍而成的， IGBT的反向偏置

13、平安任務(wù)區(qū)RBSOA如圖1-29 b)所示。它根本上是一矩形：2倍的額定集電極電流2IC和額定集射級(jí)電壓UCE所圍成的矩形。 3.3 3.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管3.3.1 3.3.1 概述概述3.3.2 3.3.2 電力電力MOSFETMOSFET的構(gòu)造和任務(wù)原理的構(gòu)造和任務(wù)原理3.3.3 3.3.3 電力電力MOSFETMOSFET的根本特性的根本特性3.3.4 3.3.4 電力電力MOSFETMOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù)3.3.1 3.3.1 概述概述也分為結(jié)型和絕緣柵型類似小功率Field Effect TransistorFET但通常主要指絕緣柵型中的MOS型Meta

14、l Oxide Semiconductor FET簡(jiǎn)稱 電力MOSFETPower MOSFET結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管普通稱作靜電感應(yīng)晶體管Static Induction TransistorSIT3.3.1 3.3.1 概述概述 特點(diǎn)用柵極電壓來控制漏極電流驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需求的驅(qū)動(dòng)功率小開關(guān)速度快，任務(wù)頻率高熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR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 3.3.2 3.3.2 電力電力MOSFETMOSFET的構(gòu)造和任務(wù)原理的構(gòu)造和任務(wù)原理電力電力MOSFET的種類的種類按導(dǎo)電溝道可分為按導(dǎo)電溝道可分為P溝道溝道和和N溝道溝道耗盡型耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)

15、漏源極當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道之間就存在導(dǎo)電溝道加強(qiáng)型加強(qiáng)型對(duì)于對(duì)于NP溝道器件，柵溝道器件，柵極電壓大于小于零時(shí)才存在導(dǎo)電極電壓大于小于零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道溝道電力電力MOSFET主要是主要是N溝道加強(qiáng)型溝道加強(qiáng)型3.3.2 3.3.2 電力電力MOSFETMOSFET的構(gòu)造和任務(wù)原理的構(gòu)造和任務(wù)原理電力電力MOSFET的構(gòu)造的構(gòu)造圖圖1-19電力電力MOSFET的構(gòu)造和電氣圖形符號(hào)的構(gòu)造和電氣圖形符號(hào)N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-193.3.2 3.3.2 電力電力MOSFETMOSFET的構(gòu)造和任務(wù)原理的構(gòu)造和任務(wù)原理導(dǎo)通時(shí)只需

16、一種極性的載流子多子參與導(dǎo)電，是單極型晶體管導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管一樣，但構(gòu)造上有較大區(qū)別電力MOSFET的多元集成構(gòu)造國(guó)際整流器公司International Rectifier的HEXFET采用了六邊形單元西門子公司Siemens的SIPMOSFET采用了正方形單元摩托羅拉公司Motorola的TMOS采用了矩形單元按“品字形陳列 3.3.2 3.3.2 電力電力MOSFETMOSFET的構(gòu)造和任務(wù)原理的構(gòu)造和任務(wù)原理小功率MOS管是橫導(dǎo)游電器件 電 力 M O S F E T 大 都 采 用 垂 直 導(dǎo) 電 構(gòu) 造 ， 又 稱 為 VMOSFETVertical MOSFET大大提高了

17、 MOSFET器件的耐壓和耐電流才干 按垂直導(dǎo)電構(gòu)造的差別，又分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂 直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙分散構(gòu)造的VDMOSFETVertical Double-diffused MOSFET 這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)展討論3.3.2 3.3.2 電力電力MOSFETMOSFET的構(gòu)造和任務(wù)原理的構(gòu)造和任務(wù)原理電力電力MOSFET的任務(wù)原理的任務(wù)原理截止：漏源極間加正電源，柵源極間電截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零壓為零P基區(qū)與基區(qū)與N漂移區(qū)之間構(gòu)成的漂移區(qū)之間構(gòu)成的PN結(jié)結(jié)J1反反偏，漏源極之間無電流流過偏，漏源極之間無電流流過3.3.2 3.3.2 電力電

18、力MOSFETMOSFET的構(gòu)造和任務(wù)原理的構(gòu)造和任務(wù)原理電力電力MOSFET的任務(wù)原理的任務(wù)原理導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過。但柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過。但柵極的正電壓會(huì)將其下面柵極的正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開，而區(qū)中的空穴推開，而將將P區(qū)中的少子區(qū)中的少子電子吸引到柵極下面的電子吸引到柵極下面的P區(qū)區(qū)外表外表當(dāng)當(dāng)UGS大于大于UT開啟電壓或閾值電壓時(shí)，開啟電壓或閾值電壓時(shí)，柵極下柵極下P區(qū)外表的電子濃度將超越空穴濃度，使區(qū)外表的電子濃度將超越空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層型

19、而成為反型層，該反型層構(gòu)成構(gòu)成N溝道而使溝道而使PN結(jié)結(jié)J1消逝，漏極和源極導(dǎo)電消逝，漏極和源極導(dǎo)電3.3.3 3.3.3 電力電力MOSFETMOSFET的根本特性的根本特性1)靜態(tài)特性靜態(tài)特性圖圖1-20電力電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性輸出特性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/A3.3.3 3.3.3 電力電力MOSFETMOSFET的根本特

20、性的根本特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為 跨導(dǎo)Gfs3.3.3 3.3.3 電力電力MOSFETMOSFET的根本特性的根本特性MOSFET的漏極伏安特性輸出特性：的漏極伏安特性輸出特性：截止區(qū)對(duì)應(yīng)于截止區(qū)對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)的截止區(qū)飽和區(qū)對(duì)應(yīng)于飽和區(qū)對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)的放大區(qū)非飽和區(qū)對(duì)應(yīng)于非飽和區(qū)對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū)的飽和區(qū)電力電力MOSFET任務(wù)在開關(guān)形狀，即在截止區(qū)和非飽和任務(wù)在開關(guān)形狀，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換電力電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加漏源極之間

21、有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通電力電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利聯(lián)時(shí)的均流有利3.3.3 3.3.3 電力電力MOSFETMOSFET的根本特性的根本特性 2) 動(dòng)態(tài)特性 圖1-21 電力MOSFET的開關(guān)過程 a) 測(cè)試電路 b) 開關(guān)過程波形 up脈沖信號(hào)源，Rs信號(hào)源內(nèi)阻，RG柵極電阻，RL負(fù)載電阻，RF檢測(cè)漏極電流a）b)圖1-21RsRGRFRLiDuGSupiD信號(hào)+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf3.3.3 3.3.3 電力電力MOSFET

22、MOSFET的根本特性的根本特性開經(jīng)過程開關(guān)過程圖開經(jīng)過程開關(guān)過程圖開通延遲時(shí)間開通延遲時(shí)間td(on)up前沿時(shí)辰到前沿時(shí)辰到uGS=UT并開并開場(chǎng)出現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)iD的時(shí)辰間的時(shí)間段的時(shí)辰間的時(shí)間段上升時(shí)間上升時(shí)間truGS從從uT上升到上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓的柵壓UGSP的時(shí)間段的時(shí)間段iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負(fù)載電阻決議和漏極負(fù)載電阻決議UGSP的大小和的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)UGS到達(dá)到達(dá)UGSP后，在后，在up作用下繼續(xù)升高直至到達(dá)穩(wěn)態(tài)，作用下繼續(xù)升高直至到達(dá)穩(wěn)態(tài)，但但iD已不變已不變開通時(shí)間開通時(shí)間ton開通延遲時(shí)間與

23、上升時(shí)間之和開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和3.3.3 3.3.3 電力電力MOSFETMOSFET的根本特性的根本特性關(guān)斷過程開關(guān)過程圖關(guān)斷過程開關(guān)過程圖關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)up下降到零起，下降到零起，Cin經(jīng)過經(jīng)過Rs和和RG放電，放電，uGS按指數(shù)曲線下降到按指數(shù)曲線下降到UGSP時(shí)，時(shí)，iD開場(chǎng)減小止的時(shí)間段開場(chǎng)減小止的時(shí)間段下降時(shí)間下降時(shí)間tfuGS從從UGSP繼續(xù)下降起，繼續(xù)下降起，iD減小，減小，到到uGS20V將導(dǎo)致絕緣層將導(dǎo)致絕緣層擊穿擊穿 4)極間電容極間電容極間電容極間電容CGS、CGD和和CDS 3.3.4 3.3.4 電力電力MOSFETMOSFET的主要

24、參數(shù)的主要參數(shù)廠家提供：漏源極短路時(shí)的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)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替代這些電容都是非線性的3.3.4 3.3.4 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議了電力MOSFET的平安任務(wù)區(qū) MOSFET正向偏置平安任務(wù)區(qū)(圖中的時(shí)間表示脈沖寬度 普通來說，電力MOSFET不存在二次擊穿問題，這是它的一大優(yōu)點(diǎn) 實(shí)踐運(yùn)用中仍應(yīng)留意留適當(dāng)?shù)脑Ａ?10m s 1m s D C 1

25、0us ID 0 VD S 3.4 3.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管3.4.1 3.4.1 概述概述3.4.2 IGBT3.4.2 IGBT的構(gòu)造和任務(wù)原理的構(gòu)造和任務(wù)原理3.4.3 IGBT3.4.3 IGBT的根本特性的根本特性3.4.4 IGBT3.4.4 IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)3.4.5 IGBT3.4.5 IGBT的擎住效應(yīng)和平安任務(wù)區(qū)的擎住效應(yīng)和平安任務(wù)區(qū)3.4.1 3.4.1 概述概述GTR和和GTO的特點(diǎn)的特點(diǎn)雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流才干很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)調(diào)制效應(yīng)，通流才干很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)

26、雜動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜MOSFET的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開關(guān)速度單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOS器件器件3.4.1 3.4.1 概述概述絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管Insulated-gateBipolarTransistorIGBT或或IGTGTR和和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有好的特性具有好的特性1986年投入市場(chǎng)后，取代了年投入市場(chǎng)后，取代了GTR和一部分

27、和一部分MOSFET的市場(chǎng)的市場(chǎng),中小功率電力電子設(shè)備的主中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件導(dǎo)器件繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的位置的位置3.4.2 IGBT3.4.2 IGBT的構(gòu)造和任務(wù)原理的構(gòu)造和任務(wù)原理nIGBT是三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極En圖1-22 IGBT的構(gòu)造、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)na) 內(nèi)部構(gòu)造斷面表示圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)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)3.4.2 IGBT3.4.2

28、 IGBT的構(gòu)造和任務(wù)原理的構(gòu)造和任務(wù)原理IGBT的構(gòu)造顯示圖的構(gòu)造顯示圖圖圖1-22aN溝道溝道VDMOSFET與與GTR組合組合N溝溝道道IGBTN-IGBTIGBT比比VDMOSFET多一層多一層P+注入?yún)^(qū)，構(gòu)成了一注入?yún)^(qū)，構(gòu)成了一個(gè)大面積的個(gè)大面積的P+N結(jié)結(jié)J1使使IGBT導(dǎo)通時(shí)由導(dǎo)通時(shí)由P+注入?yún)^(qū)向注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，基區(qū)發(fā)射少子，從而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)展調(diào)制，使得從而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)展調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的具有很強(qiáng)的通流才干通流才干簡(jiǎn)化等效電路闡明，簡(jiǎn)化等效電路闡明，IGBT是是GTR與與MOSFET組成的組成的達(dá)林頓構(gòu)造，一個(gè)由達(dá)林頓構(gòu)造，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)

29、驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體晶體管管RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻3.4.2 IGBT3.4.2 IGBT的構(gòu)造和任務(wù)原理的構(gòu)造和任務(wù)原理IGBT的原理的原理驅(qū)動(dòng)原理與電力驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET根本一樣，場(chǎng)控器件，根本一樣，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓通斷由柵射極電壓uGE決議決議導(dǎo)通：導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，時(shí)，MOSFET內(nèi)內(nèi)構(gòu)成溝道，為晶體管提供基極電流，構(gòu)成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓減小，使通態(tài)壓降小降小關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，關(guān)斷：柵

30、射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)內(nèi)的溝道消逝，晶體管的基極電流被切斷，的溝道消逝，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷關(guān)斷3.4.3 IGBT3.4.3 IGBT的根本特性的根本特性1)IGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性圖圖1-23IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性輸出特性O(shè)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3.4.3 IGBT3.4.3 IGBT的根本特性的根本特性轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IC與與UGE間的關(guān)系，與間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特轉(zhuǎn)移特性類似性類似開啟電壓開啟

31、電壓UGE(th)IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓最低柵射電壓UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在隨溫度升高而略有下降，在+25C時(shí)，時(shí)，UGE(th)的值普通為的值普通為26V輸出特性伏安特性輸出特性伏安特性以以UGE為參考變量時(shí)，為參考變量時(shí)，IC與與UCE間的關(guān)系間的關(guān)系分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與分為三個(gè)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(duì)應(yīng)的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對(duì)應(yīng)uCE0時(shí)，時(shí)，IGBT為反向阻斷任務(wù)形狀為反向阻斷任務(wù)形狀3.4.3 IGBT3.4.3 IGBT的根本特性的根本特性 2)

32、IGBT的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性 圖圖1-24IGBT的開關(guān)過程的開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM3.4.3 IGBT3.4.3 IGBT的根本特性的根本特性IGBT的開經(jīng)過程的開經(jīng)過程開關(guān)過程圖開關(guān)過程圖與與MOSFET的類似，的類似，由于開經(jīng)過程中由于開經(jīng)過程中IGBT在大部分時(shí)間作為在大部分時(shí)間作為MOSFET運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)開通延遲時(shí)間開通延遲時(shí)間td(on)從從uGE上升至其幅值上升至其幅值10%的的時(shí)辰，到時(shí)辰，到iC上升至

33、上升至10%ICM電流上升時(shí)間電流上升時(shí)間triC從從10%ICM上升至上升至90%ICM所所需時(shí)間需時(shí)間開通時(shí)間開通時(shí)間ton開通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和開通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和uCE的下降過程分為的下降過程分為tfv1和和tfv2兩段。兩段。tfv1IGBT中中MOSFET單獨(dú)任務(wù)的電壓下降過程；單獨(dú)任務(wù)的電壓下降過程；tfv2MOSFET和和PNP晶體管同時(shí)任務(wù)的電壓下降過程晶體管同時(shí)任務(wù)的電壓下降過程3.4.3 IGBT3.4.3 IGBT的根本特性的根本特性IGBT的關(guān)斷過程開關(guān)過程圖的關(guān)斷過程開關(guān)過程圖關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)從從uGE后沿下降到其幅值后沿下降

34、到其幅值90%的時(shí)辰起，到的時(shí)辰起，到iC下降至下降至90%ICM電流下降時(shí)間電流下降時(shí)間tfiC從從90%ICM下降至下降至10%ICM關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff關(guān)斷延遲時(shí)間與電流下降之和關(guān)斷延遲時(shí)間與電流下降之和電流下降時(shí)間又可分為電流下降時(shí)間又可分為tfi1和和tfi2兩段。兩段。tfi1IGBT內(nèi)部的內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，的關(guān)斷過程，iC下降較下降較快；快；tfi2IGBT內(nèi)部的內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，晶體管的關(guān)斷過程，iC下下降較慢降較慢3.4.3 IGBT3.4.3 IGBT的根本特性的根本特性IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的益處，但也引入了少子儲(chǔ)存景象，因此IGBT的開關(guān)速度低于電力MOSFETIGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時(shí)間也是需求折衷的參數(shù)3.4.4 IGBT3.4.4 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)部由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定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包括額定直流電流IC和和1ms脈寬最大電流脈寬最大電流ICP 3)最大集電極功耗最大集電極功耗PCM正常任務(wù)溫度下正常任務(wù)溫度下允許的最大功耗允許的最大功耗3.4.4 IGBT3.4.4 I