功率場效應晶體管絕緣柵雙極型晶體管

功率場效應晶體管絕緣柵雙極型晶體管第1頁/共50頁1.5功率場效應晶體管—全控型1.5.1P-MOSFET的結構與工作原理1.5.2P-MOSFET的基本特性1.5.3P-MOSFET的主要參數(shù)1.5.4P-MOSFET的安全工作區(qū)1.5.5P-MOSFET的門極驅動電路

第2頁/共50頁1.5功率場效應晶體管—全控型分為結型和絕緣柵型通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）簡稱功率MOSFET（PowerMOSFET）結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）

特點——用柵極電壓來控制漏極電流驅動電路簡單，需要的驅動功率小。(絕緣柵、電壓控制器件)開關速度快，工作頻率高。(只有多數(shù)載流子，無少數(shù)載流子積蓄效應)安全區(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，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。功率場效應晶體管(PowerMetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)第3頁/共50頁1.5.1P-MOSFET的結構和工作原理P-MOSFET的種類

按導電溝道可分為P溝道和N溝道。

耗盡型——當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道。

增強型——對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道。

功率MOSFET主要是N溝道增強型。第4頁/共50頁功率MOSFET的芯片內部結構ＮＮＰＮ－Ｎ＋漏極柵極源極芯片照片斷面第5頁/共50頁1.5.1P-MOSFET的結構和工作原理P-MOSFET的結構是單極型、全控型晶體管。導電機理與小功率MOS管相同，但結構上有較大區(qū)別。采用多元集成結構，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設計。圖1-19功率MOSFET的結構和電氣圖形符號漏極源極柵極外延漂移層襯底SiO2絕緣層第6頁/共50頁1.5.1P-MOSFET的結構和工作原理小功率MOS管是橫向導電器件。功率MOSFET大都采用垂直導電結構，又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET）。按垂直導電結構的差異，分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散MOS結構的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。這里主要以VDMOS器件為例進行討論。P-MOSFET的結構第7頁/共50頁1.5.1P-MOSFET的結構和工作原理截止：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J1反偏，漏源極之間無電流流過。P-MOSFET的工作原理導電：在柵源極間加正電壓UGS則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)的表面，當UGS大于UT時，P型半導體反型成N型，成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電。UGS數(shù)值越大，P-MOSFET導電能力越強，ID也就越大。第8頁/共50頁1.5.2P-MOSFET的基本特性

(1)轉移特性（TransferCharacteristic）漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉移特性。ID較大（?。r，ID與UGS的關系近似（非）線性，曲線的斜率（微變量之比）定義為跨導Gfs。圖1-20

功率MOSFET的轉移特性1）靜態(tài)特性010203050402468ID/AUTUGS/V△ID△UGS第9頁/共50頁1.5.2P-MOSFET的基本特性

(2)輸出特性漏極電流ID和漏源間電壓UDS的關系稱為MOSFET的輸出特性，即漏極伏安特性

。分為四個區(qū)：非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）、飽和區(qū)（恒流區(qū)）、擊穿區(qū)（雪崩區(qū)）、截止區(qū)（UGS低于開啟電壓）102030504001020305040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)特性擊穿區(qū)工作在開關狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉換。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。第10頁/共50頁1.5.2P-MOSFET的基本特性開通過程開通延遲時間td(on)

上升時間tr開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和

ton＝td(on)

＋tr關斷過程關斷延遲時間td(off)下降時間tf關斷時間toff——關斷延遲時間和下降時間之和toff＝td(off)

＋tfa）b)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—信號源內阻，RG—柵極電阻，RL—負載電阻，RF—檢測漏極電流2)

動態(tài)特性第11頁/共50頁P-MOSFET元件極間電容的等效電路從中可以求得器件的：輸入電容：Cin＝CGS＋CGD。輸出電容:Cout＝CGD＋CDS。反饋電容：Cr＝CGD。正是Cin在開關過程中需要進行充、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)驅動仍需一定的柵極功率。開關頻率越高，柵極驅動功率也越大。

第12頁/共50頁1.5.2P-MOSFET的基本特性

MOSFET的開關速度和Cin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)載流子特有的存貯效應，因此開關時間很短，典型值為20ns，影響開關速度的主要是器件極間電容。可降低信號源驅動電路內阻Rs減小Ci

充、放電時間常數(shù)，加快開關速度。不存在少子儲存效應，關斷過程非常迅速。開關時間在10~100ns之間，工作頻率可達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。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率。開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。MOSFET的開關速度第13頁/共50頁1.5.3P-MOSFET的主要參數(shù)

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UDS

(2)

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM——P-MOSFET電流定額,表征P-MOSFET的電流容量(3)

柵源電壓UGS——UGS>20V將導致絕緣層擊穿。

(4)

極間電容——極間電容CGS、CGD和CDS。前兩者由MOS結構的絕緣層形成的，其電容量的大小由柵極的幾何形狀和絕緣層的厚度決定；后者由PN結構成，其數(shù)值大小由溝道面積和有關結的反偏程度決定。第14頁/共50頁1.5.3P-MOSFET的主要參數(shù)

——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Ron

(6)

漏源擊穿電壓BUDS——該電壓決定了P-MOSFET的最高工作電壓(7)

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。

第15頁/共50頁

功率MOSFET具有電流負溫度效應，沒有二次擊穿問題，具有非常寬的安全工作區(qū)，特別是在高電壓范圍內，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。圖正向偏置安全工作區(qū)1.5.4

P-MOSFET的安全工作區(qū)由以下四條邊界限定：①Ⅰ漏-源通態(tài)電阻Ron；②Ⅱ最大漏極電流IDM；③Ⅲ極限功耗PCM；④Ⅳ極限漏-源電壓UDSM。第16頁/共50頁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開關安全工作區(qū)(SSOA)開關安全工作區(qū)(SSOA)表示器件工作的極限范圍。在功率MOSFET換流過程中，當器件體內反并聯(lián)二級管從導通狀態(tài)進入反向恢復期時，如果漏極電壓上升過大，則很容易造成器件損壞。二極管反向恢復期內漏源極的電壓上升率稱為二極管恢復耐量，二極管恢復耐量是功率MOSFET可靠性的一個重要參數(shù)。③換向安全工作區(qū)(CSOA)1.5.4

P-MOSFET的安全工作區(qū)第17頁/共50頁1.5.5

P-MOSFET的門極驅動電路(1)功率MOSFET驅動電路的共性問題①驅動電路應簡單、可靠。也需要考慮保護、隔離等問題。②驅動電路的負載為容性負載。③按驅動電路與柵極的連接方式可分為直接驅動與隔離驅動。第18頁/共50頁(2)功率MOSFET對柵極驅動電路的要求①保證功率MOSFET可靠開通和關斷，觸發(fā)脈沖前、后沿要求陡峭。②減小驅動電路的輸出電阻，提高功率MOSFET的開關速度。③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。④功率MOSFET開關時所需的驅動電流為柵極電容的充、放電電流。1.5.5

P-MOSFET的門極驅動電路第19頁/共50頁⑤驅動電路應實現(xiàn)主電路與控制電路之間的隔離，避免功率電路對控制信號造成干擾。⑥驅動電路應能提供適當?shù)谋Ｗo功能，使得功率管可靠工作，如低壓鎖存保護、過電流保護、過熱保護及驅動電壓箝位保護等。⑦驅動電源必須并聯(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。1.5.5

P-MOSFET的門極驅動電路第20頁/共50頁(3)P-MOSFET驅動電路的驅動方式①直接驅動

TTL驅動電路1.5.5P-MOSFET的門極驅動電路第21頁/共50頁②隔離驅動電路1.5.5P-MOSFET的門極驅動電路第22頁/共50頁對于VDMOS，其驅動電路非常簡單，但在高速開關驅動時或在并聯(lián)運行時，可在其驅動電路的輸出級上接入射極跟隨器，并盡可能地減小輸出電阻，以縮短它的開通和關斷時間。如果在驅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。1.5.5P-MOSFET的門極驅動電路第23頁/共50頁第24頁/共50頁1.6絕緣柵雙極晶體管—全控型1.6.1IGBT的結構與工作原理1.6.2IGBT的基本特性1.6.3IGBT的主要參數(shù)1.6.4IGBT的擎住效應和安全工作區(qū)1.6.5IGBT的柵極驅動電路

第25頁/共50頁1.6

絕緣柵雙極晶體管—全控型兩類器件取長補短結合而成的復合器件—Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）GTR和MOSFET復合，結合二者的優(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的地位。

GTR和GTO的特點——雙極型，電流驅動，有電導調制效應，通流能力很強，開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。

MOSFET的優(yōu)點——單極型，電壓驅動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單。第26頁/共50頁1.6.1

IGBT的結構和工作原理

IGBT的結構三端器件：柵極(門極)G、集電極C和發(fā)射極E圖1-22IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內部結構斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號圖1-22a—N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強的通流能力。第27頁/共50頁1.6.1

IGBT的結構和工作原理簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET(驅動元件)組成的達林頓結構，一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)PNP晶體管。在集電極和發(fā)射極之間其內部實際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1-22IGBT的結構和簡化等效電路a)內部結構斷面示意圖b)具有寄生晶體管簡化等效電路

IGBT的結構RN為GTR晶體管基區(qū)內的調制電阻。RS

為溝道體P基區(qū)內的體區(qū)電阻。第28頁/共50頁1.6.1

IGBT的結構和工作原理

驅動原理與功率MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導通：uGE>開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。通態(tài)壓降：電導調制效應使電阻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內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。IGBT的工作原理第29頁/共50頁ICUGE(th)UGEO1.6.2

IGBT的基本特性1)靜態(tài)特性

(1)

轉移特性圖1-23IGBT的轉移特性——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UGE

＜UGEth(開啟電壓)時，IGBT處于關斷狀態(tài)。當UGE＞UGEth時，IGBT導通。IGBT導通后的大部分集電極電流范圍內，IC與UGE呈線性關系。第30頁/共50頁1.6.2

IGBT的基本特性1)靜態(tài)特性

(2)

輸出特性圖1-23IGBT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。可分為正向阻斷區(qū)、飽和區(qū)、線性（放大或有源）區(qū)和擊穿區(qū)四個部分。

UCE>0,UGE<UT時，IGBT中MOSFET沒形成溝道，J2結反偏，正向阻斷；在正向導通的放大區(qū)區(qū)域內，IC與UCE呈線性關系；對應著伏安特性明顯彎曲部分，這時IC與UCE呈非線性關系，此時IGBT工作于飽和區(qū)。

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。O線性區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加擊穿區(qū)第31頁/共50頁1.6.2

IGBT的基本特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖1-24IGBT的開關過程開通過程

與MOSFET的相似開通延遲時間td(on)

電流上升時間tr

開通時間tonuCE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。(2)

動態(tài)特性第32頁/共50頁1.6.2

IGBT的基本特性圖1-24IGBT的開關過程關斷延遲時間td(off）電流下降時間

關斷時間toff電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT器件內部的MOSFET的關斷過程，iC下降較快。tfi2——IGBT內部的PNP晶體管的關斷過程，iC下降較慢。

IGBT的關斷過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM第33頁/共50頁1.6.3

IGBT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PCM——包括在額定的測試溫度(殼溫為25℃)條件下，額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。

(2)

最大集電極電流PCM——由內部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1)

最大集射極間電壓UCES第34頁/共50頁1.6.3

IGBT的主要參數(shù)——使IGBT導通所需的最小柵-射極電壓,通常IGBT的開啟電壓UGE(th)在3V～5.5V之間。(6)

柵射極開啟電壓UGE(th)

——IGBT在飽和導通時，通過額定電流的集射極電壓。通常IGBT的集射極飽和電壓在1.5V～3V之間。(5)

集射極飽和電壓UCEO

——UGES是柵極的電壓控制信號額定值。只有柵射極電壓小于額定電壓值，才能使IGBT導通而不致?lián)p壞。(4)柵射極額定電壓UGES第35頁/共50頁1.6.3

絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結如下：開關速度高，開關損耗小。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一步提高，同時保持開關頻率高的特點。

第36頁/共50頁1.6.4

IGBT的擎住效應和安全工作區(qū)擎住效應或自鎖效應：動態(tài)擎住效應（關斷過程中集射電壓上升過快）比靜態(tài)擎住效應（集電極電流IC>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年代中后期開始逐漸解決?！狪GBT為四層結構，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J3結施加正偏壓，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）處于飽和狀態(tài)，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控——擎住作用圖1-24IGBT的等效電路第37頁/共50頁1.6.4

IGBT的擎住效應和安全工作區(qū)IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導器件?！畲蠹姌O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)（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。

正偏安全工作區(qū)（FBSOA）第38頁/共50頁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中PNP晶體管的擊穿電壓所確定；最大功耗則由最高允許結溫所決定。IGBT關斷時的反向偏置安全工作區(qū)與IGBT關斷時的du/dt有關，du/dt越高，RBSOA越窄。1.6.4

IGBT的擎住效應和安全工作區(qū)第39頁/共50頁1.6.5

IGBT的柵極驅動電路1)柵極驅動電路對IGBT的影響①正向驅動電壓+V增加時，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。②IGBT在關斷過程中，柵射極施加的反偏壓有利于IGBT的快速關斷。③柵極驅動電路最好有對IGBT的完整保護能力。④為防止造成同一個系統(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可能遠，且不要將多個IGBT的柵極驅動線捆扎在一起。（1）.IGBT的柵極驅動第40頁/共50頁2)IGBT柵極驅動電路應滿足的條件①柵極驅動電壓脈沖的上升率和下降率要充分大。②在IGBT導通后，柵極驅動電路提供給IGBT的驅動電壓和電流要具有足夠的幅度。③柵極驅動電路的輸出阻抗應盡可能地低。柵極驅動條件與IGBT的特性密切相關。設計柵極驅動電路時，應特別注意開通特性、負載短路能力和引起的誤觸發(fā)等問題。1.6.5

IGBT的柵極驅動電路第41頁/共50頁1）阻尼濾波