現(xiàn)代電力電子技術(shù)(仿真) 22

1、1. 功率MOSFET結(jié)構(gòu) 可控功率電子器件主要分兩大類：一類是電平觸發(fā)的功率電子器件，只要在器件的控制端的電平保持正向偏置，器件就處于開通狀態(tài)，這類器件有、GTR、IGBT等；另一類是脈沖觸發(fā)的功率電子器件，器件控端受到正向脈沖的觸發(fā)而導(dǎo)通，器件的關(guān)斷要么器件的主電極反向或在器件控端加以反向脈沖，這類器件有SCR、GTO等。MOSFET是屬于電平觸發(fā)的功率電子器件。2.5 功率MOSFET模型的建立2.5.1 功率MOSFET結(jié)構(gòu)與特性 1MOSFET實物圖(TO-3P)2MOSFET實物圖(TO-220)3MOSFET實物圖(TO-220S)4IR公司HEXFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)5MOSFET（M

2、etal Oxide Semiconductor Fiele-Effect Transistor）是一種單極性器件。功率MOSFET具有較高的開關(guān)速度；非常低的門驅(qū)動功率；容易并聯(lián)；沒有雙極型晶體管的二次擊穿的現(xiàn)象。一個普通MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 6 制造功率MOSFET的關(guān)鍵，主要是解決大電流和高電壓問題，以提高器件的功率處理能力對比MOSFET與雙極型器件（如GTR）的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)后者首先在功率領(lǐng)域獲得突破的原因主要有三點： 1) 發(fā)射極和集電極是安置在基區(qū)的兩側(cè)，電流是流過面積很大而厚度較薄的基區(qū)，因而可以參照GTR等功率器件，制造為垂直導(dǎo)電模式，電流容量可以很大； 2) 為了提高耐壓，在

3、集電區(qū)中加人了一個輕摻雜N-型區(qū)，使器件耐壓能力大為改善； 3) 基區(qū)寬度的控制是靠雙重擴(kuò)散技術(shù)實現(xiàn)的，尺寸控制嚴(yán)格準(zhǔn)確，適宜于各種功率要求的設(shè)計。 VVMOSFET和UMOSFET基本結(jié)構(gòu) 電場集中，不易提高耐壓。7功率MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 胞元并聯(lián)結(jié)RDS小，可達(dá)m。 垂直導(dǎo)電VD，面積大，電流大； 無電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，UDSS較GTR大。 輕摻雜，電阻率大，耐壓高； 溝道短D-S間U、R、C均??；82. MOSFET靜態(tài)特性與參數(shù) (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性主要指功率MOSFET的輸出特性、飽和特性和轉(zhuǎn)移特性。與靜態(tài)特性相關(guān)的參數(shù)主要有通態(tài)電阻Ron、開啟電壓VGS(Th)、跨導(dǎo)gm。最大電

4、壓額定值BVDS和最大電流額定值IDM等。A輸出特性 9B飽和壓降特性 由于功率MOSFET是單極型器件，不像GTR、SCR及GTO那樣具有載流子存貯效應(yīng)，因而通態(tài)電阻較大，飽和壓降也較高，使導(dǎo)通損耗大。為了降低通態(tài)電阻，在設(shè)計上要采取一些相應(yīng)的措施。但是，MOSFET的通態(tài)電阻總是要比GTR、SCR及GTO的通態(tài)電阻大。 10C轉(zhuǎn)移特性 柵源電壓VGS漏極電流ID之間的關(guān)系稱為轉(zhuǎn)移特性。下圖為功率MOSFET在小信號下的轉(zhuǎn)移特性。圖中特性曲線的斜率DID/DVGS即表示功率MOSFET的放大能力，因為它是電壓控制器件，所以用跨導(dǎo)參數(shù)gm來表示，跨導(dǎo)gm的作用與GTR中的電流增益相似。 11(

5、2) 靜態(tài)參數(shù) A通態(tài)電阻Ron Ron=rCH+rACC+rJFET+rD 功率MOSFET通態(tài)電阻分布示意圖 rCH 反型層溝道電阻rACC 柵漏積聚區(qū)電阻 rJFET FET夾斷區(qū)電阻rD 輕摻雜漏極區(qū)電阻12Ron與溫度的關(guān)系 1. Ron與溫度非常敏感2. 易于并聯(lián)3. 電壓等級越高影響越大13Ron與漏極電流的關(guān)系 14Ron與柵源電壓的關(guān)系 電壓等級越高rD對Ron的影響越大15 對于高耐壓功率MOSFET，為了滿足電壓設(shè)計的需要，其漂移區(qū)的雜質(zhì)濃度較低，所用的外延層較厚。當(dāng)導(dǎo)電溝道充分強化之后，其總的通態(tài)電阻Ron主要決定于漂移區(qū)電阻rD。利用漏源之間的擊穿電壓BVDS與漂移區(qū)

6、雜質(zhì)濃度和厚度的關(guān)系，以及漂移區(qū)電阻與其雜質(zhì)濃度和厚度的關(guān)系，可以將功率MOSFET的通態(tài)電阻表示成擊穿電壓的函數(shù)，即 式中，A代表芯片面積。若其單位用mm2，BVDS的單位用V，則Ron的單位是。于是，我們可以很方便地利用器件的電壓額定來估計它的通態(tài)壓降VDSIDRDS或功耗ID2RDS。 16B開啟電壓VGS(Th) VGS(Th)與溫度的關(guān)系 17C跨導(dǎo)gm 小信號跨導(dǎo)gm與柵壓VGS的關(guān)系曲線 18D漏極擊穿電壓BVDS BVDS-Tj關(guān)系 19 E柵源擊穿電壓BVGS 對柵源擊穿電壓BVGS是為了防止絕緣柵層會因柵源電壓過高而發(fā)生介電擊穿而設(shè)定的參數(shù)。MOSFET處于不工作狀態(tài)時，因

7、靜電感應(yīng)引起的柵極上的電荷積累將有可能擊穿器件一般將柵源電壓的極限值定為20V。 F最大漏極電流IDM 最大漏極電流IDM表征功率MOSFET的電流容量，其測量條件為：VGS=10V,VDS為某個適當(dāng)數(shù)值。20功率MOSFET極間電容分布及其等效電路 A極間電容 (3) 動態(tài)特性21極間電容與VDS成反比，因此高耐壓器件不應(yīng)應(yīng)用在低壓電路中。22B柵極電荷特性 柵源電壓時間曲線 Miller電容靜態(tài)下很小，動態(tài)值最高可以達(dá)到CGS的20倍以上，因此需要比手冊中提供的Ciss更多的充電電荷。23柵電荷曲線（恒流充電） CGD充電電荷隨外電路不同而不同。24開關(guān)時間與漏極電流關(guān)系曲線 驅(qū)動電路驅(qū)動

8、柵極電阻如何計算？25C開關(guān)過程26D源漏二極管特性 由于功率MOSFET中專門集成一個反并聯(lián)二極管，用以提供無功電流通路。所以當(dāng)源極電位高于漏極時，這個二極管即正向?qū)?。由于這個二極管成為電路的重要組成部分，所以手冊中都給出它的正向?qū)▔航?即VSD)和反向恢復(fù)時間trr的參數(shù)值。 E漏源極的dv/dt耐量 功率MOSFET內(nèi)部存在著一個寄生三極管，它的集電極與基極間的電容CCB和基射電阻RBE相連接。當(dāng)漏源極間出現(xiàn)較高的電壓變化率dvDS/dt時，在電容CCB中會產(chǎn)生位移電流iB其值為iB=CCBdvDS/dt 該位移電流iB流入寄生三極管基極，在iB值達(dá)到一定數(shù)值時，有可能使寄生三極管導(dǎo)

9、通，進(jìn)而使功率MOSFET的耐壓能力受到破壞。但在一般情況下由于電阻RBE值很小，不致出現(xiàn)這種嚴(yán)重情況。 27由于功率MOSFET的開關(guān)頻率很高，若帶電感負(fù)載運行時必然使器件在關(guān)斷過程中承受很高的再加電壓。在這種情況下功率MOSFET有可能出現(xiàn)電壓和電流同時為最大值的瞬態(tài)工況，使器件因承受很大的瞬時功率損耗而遭受損壞。此外，與靜態(tài)dvDS/dt的效應(yīng)相同，過高的dvDS/dt會經(jīng)反饋電容Crss耦合到柵極上，致使正在關(guān)斷的功率MOSFET再次誤開通。 28二極管反向恢復(fù)期內(nèi)決定的漏源極的電壓上升率dvDS/dt，稱之為二極管恢復(fù)dvDS/dt。這也是一種動態(tài)dvDS/dt。 反向恢復(fù)特性29一

10、個單細(xì)胞功率MOSFET 2.5.2 功率MOSFET建模30一個單細(xì)胞功率MOSFET的等效電路 31N溝道功率MOSFET的模型 1. 功率MOSFET的模型電路 結(jié)型場效應(yīng)晶體管內(nèi)部結(jié)構(gòu) 322. 模型參數(shù)的提取 1）橫向MOSFET參數(shù)的提取主要涉及轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線，在曲線上確定本征跨導(dǎo)參數(shù)KP、門檻電壓UT、源極電阻RS等。2）縱向JFET參數(shù)的提取漏電阻Rd、門檻電壓UTO、電流增益Bt、飽和電流IS等。3）體二極管參數(shù)的提取結(jié)電容Cj0、恢復(fù)時間Tr、飽和電流IS1、體電阻RS1等。4）其他參數(shù)Cgd、Ca、Cgs由電容電壓特性曲線得到；Ubreak功率MOSFET的擊

11、穿電壓。功率MOSFET的子電路模型333. 仿真結(jié)果34352.6 IGBT模型的建立2.6.1 IGBT結(jié)構(gòu)與特性 IGBT按緩沖區(qū)的有無來分類，緩沖區(qū)是介于P+發(fā)射區(qū)和N-飄移區(qū)之間的N+層。無緩沖區(qū)者稱為對稱型IGBT，有緩沖區(qū)者稱為非對稱型IGBT。因為結(jié)構(gòu)不同，因而特性也不同。非對稱型IGBT由于存在N+區(qū)，反向阻斷能力弱，但其正向壓降低、關(guān)斷時間短、關(guān)斷時尾部電流??；與此相反，對稱型IGBT具有正反向阻斷能力，其他特性卻不及非對稱型IGBT。由于目前商品化的IGBT單管或模塊大部分是非對稱型IGBT，所以本課程就以具有緩沖區(qū)N+的IGBT進(jìn)行討論。 36371700V/1200A

12、 ， 3300V/1200A IGBT 模塊383940Powerex CM300DY-24H4x IGBT4x Diode IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)41一. 非對稱型IGBT的物理描述 電導(dǎo)調(diào)制 反向阻斷42雙載流子參與導(dǎo)電43二. 導(dǎo)通特性 IGBT的開通和關(guān)斷時由柵極電壓來控制的，當(dāng)柵極加上正向電壓時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。此時，從P+區(qū)注入到N-區(qū)的空穴（少數(shù)載流子）N-區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少N-區(qū)的電阻Rdr，使高耐壓的IGBT也具有低的通態(tài)電壓特性，在柵極上施加反向電壓后，MOSFET的溝道消除，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即

13、被切斷。 作為一個虛擬達(dá)林頓電路末級，PNP管從不進(jìn)入深飽和區(qū)，它的電壓降比處于深飽和區(qū)的同樣PNP管要高。然而特別應(yīng)該指出的是：一個IGBT發(fā)射極覆蓋芯片的整個面積，因此它的注射效率和通態(tài)壓降比同樣尺寸的雙極晶體管要優(yōu)越得多。44三. 靜態(tài)特性 當(dāng)IGBT關(guān)斷后，J2結(jié)阻斷正向電壓；反向阻斷電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無N+緩沖區(qū)，正、反向阻斷電壓可以做到同樣水平，但加入N+緩沖區(qū)后，伏安特性中的反向阻斷電壓只能達(dá)到幾十伏，因此限制了IGBT在需要阻斷反向電壓場合的應(yīng)用。 45與普通達(dá)林頓電路不同，流過等效電路中MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。 式中VJ1為J1結(jié)的正向電壓，其值約

14、為0.71V；Vb為擴(kuò)展電阻Rb上的壓降；Ron為溝道歐姆電阻。 與功率MOSFET相比，IGBT通態(tài)壓降要小得多，1000V的IGBT約有25V的通態(tài)壓降。 因為高壓IGBT中的PNP小于1，所以PNP晶體管的基區(qū)電流，也即MOSFET的電流構(gòu)成IGBT總電流的主要部分。這種不均衡的電流分配是由IGBT的結(jié)構(gòu)所決定的。 46四. 動態(tài)特性 IGBT動態(tài)特性 鉗位效應(yīng)：G-E 驅(qū)動電流 二極管正向特性拖尾電流MOS已經(jīng)關(guān)斷，IGBT存儲電荷釋放緩慢47IGBT的擎?。↙atch）效應(yīng)SCR 靜態(tài)擎住 動態(tài)擎住 過熱擎住P區(qū)體電阻RP引發(fā)擎住關(guān)斷過急位移電流CJPN結(jié)電容RG 不能過小，限制關(guān)斷

15、時間。RP 及PNP、NPN 電流放大倍數(shù)因溫度升高而增大。（150時ICM降至1/2）48IGBT的通態(tài)特性49IGBT的電流容量 最大連續(xù)電流 IC 最大脈沖電流 ICM 最大開關(guān)電流 ILM規(guī)定條件下，可重復(fù)開關(guān)電流的最大值。 允許短路電流 ISC50五. IGBT器件物理模型中的電容分布 Rb厚基區(qū)調(diào)制電阻 Coxd柵漏重疊氧化電容 Cm源極金屬層電容 Coxs柵源重疊氧化電容 Cgdj柵漏重疊耗盡電容 Cdsj漏源重疊耗盡電容 Ccer集射再分布電容 Cebd射基擴(kuò)散電容 Cebj射基耗盡電容 柵源電容Cgs=Cm+Coxs 柵漏電容CgdCgdj Coxd/( Cgdj+ Coxd

16、) 51柵源電容Cgs 從圖2-4中可以看出，柵極和源極金屬層之間有一等效源極金屬層電容Cm；同時存在一柵源重疊氧化電容Coxs，而且兩者以并聯(lián)的方式同時影響著柵源之間的電容特性，由于Cm與Coxs的動態(tài)特性相當(dāng)穩(wěn)定，所以 Cgs=Cm/Coxs =Cm+Coxs可知Cgs可近似為一靜態(tài)穩(wěn)定電容。 522. 柵漏電容Cgd 由于IGBT的物理工藝特性，柵極與漏極之間始終存在一個穩(wěn)定的線性電容柵源重疊氧化電容Coxd；在IGBT工作狀態(tài)下，隨著Vce的增加，在源極（P+區(qū)）和柵極（N-區(qū)）下方，會產(chǎn)生一耗盡層( Depletion Region ) 如圖2-4所示，該耗盡層即可等效為柵漏耗盡層重

17、疊電容Cgdj，而Cgdj與Coxd串聯(lián)構(gòu)成了柵漏電容Cgd。因此，當(dāng)IGBT未開通時，耗盡層電容Cgdj等于零，此時Cgd=Coxd，當(dāng)IGBT開通時，耗盡層產(chǎn)生，直至穩(wěn)定，因此Cgdj等效為一非線性電容，影響著柵漏電容Cgd的大小。 533. 集射再分布電容Ccer 集射再分布電容 Ccer是由基區(qū)與集電區(qū)邊界條件中的電荷分布所引起的，其動態(tài)特性主要決定于集基耗盡電容Cbcj且與之成比例，而Cbcj由于其形成原因同Cdsj相同，因此包含在MOSFET模型中。集基耗盡層的寬度與Cbcj成反比，當(dāng)集基間電壓增加時，集基間耗盡層的寬度Wbcj也隨之增加， 54其中，W是是N區(qū)與等效BJT基集耗盡

18、層寬度差，而Weff是基區(qū)載流子流通有效寬度，通常情況下，兩者的比值大約為0.334。實際中，基區(qū)多子電荷數(shù)Q要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于P+襯底電荷數(shù)QB，因此在IGBT關(guān)斷時輸出電容中分布電容Ccer占主導(dǎo)地位。而在IGBT開通時由于Q的值為零，因此此時的輸出電容要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于關(guān)斷時的輸出電容。在射基區(qū)之間沒有緩沖區(qū)時，Q及QB可以表示為： 其中，P0表示等效BJT中靠發(fā)射極側(cè)基區(qū)末端載流子密度。 554. 等效射基電容Ceb由圖2-4中可知，等效BJT射基擴(kuò)散電容Cebj及射基耗盡電容Cebd串聯(lián)構(gòu)成了Ceb。在IGBT實際工作狀態(tài)下，當(dāng)射基PN結(jié)反偏時，Cebj占主導(dǎo)地位，而當(dāng)射基PN結(jié)正向偏置時，Cebd占主導(dǎo)地位。通常我們以電容兩端電壓特性來代替電容特性：對于Cebj：對于Cebd： 565. 溝道調(diào)制電阻Rb溝道調(diào)制電阻是IGBT中所特有的特性，它的存在使得IGBT關(guān)斷尾部電流得到了抑止，使得關(guān)斷速度能夠加以提高，使其具有優(yōu)良的動態(tài)特性。但是這又和器件開關(guān)時的能量損耗有著直接的關(guān)系，同時，由于IGBT自身的散熱問題，也使得器件設(shè)計者們必須選擇一個擇中的方案。若是以Q表示所有載流子的電荷總和，那么：