第四講 電力電子概述(三)

1、11.4.3 1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管分為結(jié)型結(jié)型和絕緣柵型絕緣柵型通常主要指絕緣柵型絕緣柵型中的MOSMOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET）簡稱電力MOSFET（Power MOSFET）結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction TransistorSIT）特點特點用柵極電壓來控制漏極電流驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。開關(guān)速度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。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 。電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管21.4.3 1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管

2、電力場效應(yīng)晶體管電力電力MOSFETMOSFET的種類的種類 按導(dǎo)電溝道可分為P P溝道溝道和N N溝道溝道。 耗盡型耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。 增強(qiáng)型增強(qiáng)型對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道。 電力MOSFET主要是N N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型。DATASHEETDATASHEET1）電力）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理31.4.3 1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管電力電力MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)

3、計。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號41.4.3 1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?。電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論。電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)51.4.3 1.4.3 電力場效應(yīng)

4、晶體管電力場效應(yīng)晶體管截止截止：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)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。導(dǎo)電導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS當(dāng)UGS大于UT時，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電 。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號電力電力MOSFET的工作原理的工作原理671.4.3 1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 (1) (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性漏極電流I ID D和柵源間電壓U UGSGS的關(guān)系稱為M

5、OSFET的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移特性移特性。I ID D較大時，I ID D與與U UGSGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)跨導(dǎo)G Gfsfs。010203050402468a)10203050400b)1020 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖1-20 電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性2）電力）電力MOSFET的基本特性的基本特性81.4.3 1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管截止區(qū)截止區(qū)（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)飽和區(qū)（對應(yīng)于GT

6、R的放大區(qū)）非飽和區(qū)非飽和區(qū)（對應(yīng)GTR的飽和區(qū)）工作在開關(guān)狀態(tài)，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(dǎo)通。通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。圖1-20電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性MOSFET的漏極伏安特性的漏極伏安特性：010203050402468a)10203050400b)10 20 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A91.4.3 1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體

7、管開通過程開通過程開通延遲時間開通延遲時間t td(on)d(on) 上升時間上升時間t tr r開通時間開通時間t tonon開通延遲時間與上升時間之和關(guān)斷過程關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時間關(guān)斷延遲時間t td(off)d(off)下降時間下降時間t tf f關(guān)斷時間關(guān)斷時間t toffoff關(guān)斷延遲時間和下降時間之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖1-21 電力MOSFET的開關(guān)過程a) 測試電路 b) 開關(guān)過程波形up脈沖信號源，Rs信號源內(nèi)阻，RG柵極電阻，RL負(fù)載電阻，RF檢測漏極電流(2) 動態(tài)特性

8、動態(tài)特性101.4.3 1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 MOSFET的開關(guān)速度和C Cinin充放電有很大關(guān)系?？山档万?qū)動電路內(nèi)阻R Rs s減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度。不存在少子儲存效應(yīng)，關(guān)斷過程非常迅速。開關(guān)時間在10100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。MOSFET的開關(guān)速度的開關(guān)速度111.4.3 1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管3) 3) 電力電力MOSFETMOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù) 電力MO

9、SFET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IDM電力MOSFET電流定額(3) 柵源電壓柵源電壓UGS UGS20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 。 除跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有： (4) 極間電容極間電容極間電容CGS、CGD和CDS121.4.41.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長補短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOS器件絕 緣 柵 雙 極 晶 體 管 （ I n s u l a t e d - g a t e B i p o l a r TransistorI

10、GBTIGBT或IGTIGT）(DATASHEET 1 2 )GTR和MOSFET復(fù)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(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。GTR和GTO的特點雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。MOSFET的優(yōu)點單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)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。131.4.41.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管1) IGBT1) IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極EEGCN+N-a)PN+

11、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)圖1-22IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號141.4.41.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管圖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(qiáng)的通流能力。簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)

12、射 極 柵 極集 電 極注 入 區(qū)緩 沖 區(qū)漂 移 區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖1-22IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號 IGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)151.4.41.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通導(dǎo)通：u uGEGE大于開啟電壓開啟電壓U UGE(th)GE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。通態(tài)壓降通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷關(guān)斷：柵射

13、極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。 IGBT的原理的原理16a)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加1.4.41.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管2) IGBT2) IGBT的基本特性的基本特性 (1)(1) IGBTIGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性圖1-23IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關(guān)系(開啟電開啟電壓壓UGE(th)輸出特性輸出特性分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。171.4.41.4.4 絕

14、緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖1-24IGBT的開關(guān)過程IGBTIGBT的開通過程的開通過程 與MOSFET的相似開通延遲時間開通延遲時間t td(on)d(on) 電流上升時間電流上升時間t tr r 開通時間開通時間t tononu uCECE的下降過程分為t tfv1fv1和t tfv2fv2兩段。 t tfv1fv1IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程； t tfv2fv2MOSFE

15、T和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。 (2) IGBTIGBT的動態(tài)特性的動態(tài)特性181.4.41.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管圖1-24IGBT的開關(guān)過程關(guān)斷延遲時間關(guān)斷延遲時間t td(offd(off）電流下降時間電流下降時間 關(guān)斷時間關(guān)斷時間t toffoff電流下降時間又可分為t tfi1fi1和t tfi2fi2兩段。t tfi1fi1IGBT器件內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，i iC C下降較快。t tfi2fi2IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，i iC C下降較慢。 IGBT的關(guān)斷過程的關(guān)斷過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMI

16、CMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM191.4.41.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管3) IGBT3) IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)正常工作溫度下允許的最大功耗 。(3) 最大集電極功耗最大集電極功耗PCM包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 。 (2) 最大集電極電流最大集電極電流由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES201.4.41.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT的特性和參數(shù)特點可以總結(jié)如下的特性和參數(shù)特

17、點可以總結(jié)如下：開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。通態(tài)壓降比VDMOSFET低。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點。211.4.41.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)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、最大集射極間電壓和最大集電極功

18、耗確定。 正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)（FBSOA）動態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小。擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高，20世紀(jì)90年代中后期開始逐漸解決。NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，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(dāng)于對J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。221.5.1 1.5.1 集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管IGCTIGCT20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點，容量與GTO相當(dāng)，開關(guān)速度快10倍?？墒∪TO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動功率仍很大。目前正在與IGBT等新型器件激烈競

19、爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的位置。IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）GCT（Gate-CommutatedThyristor）231.5.21.5.2 功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路20世紀(jì)80年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個器件封裝在一個模塊中，稱為功率模塊功率模塊?？煽s小裝置體積，降低成本，提高可靠性。對工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對保護(hù)和緩沖電路的要求。將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路功率集成電路（Power Integrated Circu

20、itPICPIC）。DATASHEET基本概念基本概念241.5.31.5.3 功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路高壓集成電路高壓集成電路（High Voltage ICHVICHVIC）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率集成電路智能功率集成電路（Smart Power ICSPICSPIC）一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率模塊智能功率模塊（Intelligent Power ModuleIPMIPM）則專指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動電路的單片集成，也稱智能IGBT（Intelligent IGBT）。實際應(yīng)用電路實際應(yīng)用電路

21、251.5.31.5.3 功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路功率集成電路的主要技術(shù)難點：高低壓電路之間的絕緣問題以及溫升和散熱的處理。以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在中小功率應(yīng)用場合。智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個難點,最近幾年獲得了迅速發(fā)展。功率集成電路實現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機(jī)電一體化的理想接口。發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀261.6.3 1.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路電力MOSFET和IGBT是電壓驅(qū)動型器件。為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路輸出電阻小。使MOSFET開通的驅(qū)動電壓一般1015V，使IGBT開通的驅(qū)動電壓一般15 20V。關(guān)斷時施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動電壓（一般取-5 -15V）有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩。2) 電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)