四电力电子器件PPT课件

1、4.1 GTR的结构和工作原理GTR的结构和工作原理( 图1-15 ） 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 第1页/共49页4.1 GTR的结构和工作原理 一般采用共发射极接法，集电极电流ic与基极电流ib之比为 （1-9） GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力 当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为 ic= ib +Iceo （1-10） 产品说明书中通常给直流电流增益hFE在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比

2、。一般可认为 hFE 单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益bcii第2页/共49页4.1 GTR的基本特性 (1) 静态特性 共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区 在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区 在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区图1-16 共发射极接法时GTR的输出特性截止区放大区饱和区图1-16OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce第3页/共49页4.1 GTR的基本特性 开通过程开通过程 延迟时间t td d和上升时间t tr r，二者之和为开通时间t ton

3、ont td d主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。增大i ib b的幅值并增大d di ib b/d/dt t，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程 第4页/共49页4.1 GTR的基本特性关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toffts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，(负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加，从而增大通态损耗)，或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多

4、 第5页/共49页4.1 GTR的主要参数 前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff 此外还有,1)最高工作电压 GTR上电压超过规定值时会发生击穿 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关 实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多 BUceo为基极开路时，c和e之间的击穿电压。第6页/共49页4.1 GTR的主要参数 2)集电极最大允许电流IcM 实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点 3) 集电极最大耗散功率PcM 最高工作温度下允许的耗散功率 产品说明书中给Pc

5、M时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度第7页/共49页4.1 GTR的二次击穿现象与安全工作区一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿 只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变 二次击穿v 一次击穿发生时，如果继续增高外接电压，则Ic继续增大，当达到某个临界点时，Uce会突然降低至一个小值，同时导致Ic急剧上升，这种现象称为二次击穿；v 二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微秒范围，常常立即导致器件的永久损坏。 v 将不同基极电流下二次击穿的临界点连接起来，就构成二次击穿临界线，其反映二次击穿功率PSB。第8页/共49页4.1 GTR的二次击穿现象与

6、安全工作区安全工作区（Safe Operating AreaSOA） 最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定图1-18 GTR的安全工作区第9页/共49页第10页/共49页Vin1GND2Vout3GND4E148S15+15Vin1GND2Vout3V1078L05+15C18+5TIP1422W 2.7k+15_1VD11N4746C125V100uC5104第11页/共49页4.2 电力场效应晶体管也 分 为 结 型 和 绝 缘 栅 型 （ 类 似 小 功 率 F i e l d E f f e c t TransistorFET）但 通 常 主

7、要 指 绝 缘 栅 型 中 的 M O S 型 （ M e t a l O x i d e Semiconductor FET）简称 电力MOSFET（Power MOSFET） 按导电沟道可分为 P沟道 和N沟道 耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道 增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道 电力MOSFET主要是增强型,以N沟道居多结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT）第12页/共49页4.2 电力MOSFET的结构和工作原理GSDP 沟道GSDN 沟道图1-19 电力MOSFET电气图

8、形符号 电力MOSFET是多元集成结构，一个器件由许多小MOSFET元组成。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。小功率MOS导电沟道平行于芯片表面,是横向导电器件。电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力第13页/共49页4.2 电力MOSFET的工作原理UGS=0截止：截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零n P基区与N区之间形成的PN结反偏，漏源极之间无电流流过第14页/共49页4.2 电力MOSFET的工作原理0UGSUTn 当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区

9、表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层反型层，该反型层形成N沟道而使PN结消失，漏极和源极导电第16页/共49页4.2 电力MOSFET的基本特性 特点用栅极电压来控制漏极电流 MOSFET是电压控制型器件（场控器件），其输入阻抗极高，输入电流非常小。驱动电路简单，需要的驱动功率小 导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型器件； 开关速度快，工作频率高 热稳定性优于GTR 电流容量小，耐压低第17页/共49页4.2 电力MOSFET的基本特性1)静态特性图1-20 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性01020305040图

10、1-202468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A漏极电流I ID D和栅源间电压U UGSGS的关系称为MOSFETMOSFET的转的转移特性移特性I ID D较大时，I ID D与与U UGSGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为 跨导跨导G GfsfsGfsdId/dUGS 截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应于GTR的饱和区，某些书籍上将其命名为正向电阻区）第18页/共49页4.2 电力MOSFET

11、的基本特性MOSFET的漏极伏安特性（输出特性）： 电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换 电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通 电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利原因是电流越大，发热越大，通态电阻就加大，从而限制电流的加大，有利于均流。问题：电力MOSFET能否反向导通？第19页/共49页4.2 电力MOSFET的基本特性 低压大电流的电力MOSFET的导通压降与二极管相比要低的多，如型号为FQP140N03L的电力MOSFET（UDS=30V，ID=140A），其导通电阻仅为3.8m，若负载电流为20A

12、，则导通压降为76mV，因此采用低压电力MOSFET作为整流器件可提高电路效率，减轻散热压力，有利于实现此类电源的小型化。 第20页/共49页4.2 电力MOSFET的基本特性第21页/共49页4.2 电力MOSFET的基本特性 2) 动态特性图1-21 电力MOSFET的开关过程a) 测试电路 b) 开关过程波形up脉冲信号源，Rs信号源内阻和栅极驱动电阻，RG栅极电阻，RL负载电阻，RF检测漏极电流第22页/共49页4.2 电力MOSFET的基本特性 开通过程 开通延迟时间td ( o n ) 从驱动脉冲电压前沿时刻到iD的数值达到稳态电流的10%的时间段 电流上升时间tri 从uGS上升

13、到开启电压UT，到漏极电流iD的数值达到稳态电流的90%的时间段 电压下降时间tf v 当uG S上升到UGSP时，功率MOSFET的漏、源极电压uDS开始下降，受栅、漏电容CGD的影响，驱动回路的时间常数增大，uG S增长缓慢，波形上出现一个平台期 ， 当 uD S下 降 到 导 通 压 降 ， 功 率MOSFET进入到稳态导通状态 开通时间ton=td(on)+tri+tfv iDOOttuGSUTtd(on)ttd(off)tfiriuDSOtUGSPfvttrv第23页/共49页4.2 电力MOSFET的基本特性 关断过程 关断延迟时间td(off) 当驱动脉冲电压下降到零时，栅源极输

14、入电容Cin通过栅极电阻放电，栅极电压uGS按指数曲线下降，当下降到UGSP时，功率MOSFET的漏、源极电压uDS开始上升 电压上升时间tr v 栅、漏电容CGD放电，uGS波形上出现一个平台。当uDS上升到输入电压时，iD开始减小 电流下降时间tfi uGS从UGSP继续下降，iD减小，到uG S20V将导致绝缘层击穿 4)极间电容 极间电容CGS、CGD和CDS厂家提供：漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss Ciss= CGS+ CGD （1-14） Crss= CGD （1-15） Coss= CDS+ CGD （1-16）输入电容可近似用Cis

15、s代替 第27页/共49页4.2 电力MOSFET的主要参数 漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区 一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题通态电阻Ron：是影响最大输出功率的重要参数。在相同条件下，耐压等级越高的器件其Ron越大，这也是电力MOSFET耐压难以提高的原因之一。另外Ron随结温的增加而增加，随uGS的升高而减小。 GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂； MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。 GTO、GTR、电

16、力MOSFET的比较：第28页/共49页第29页/共49页4.3 绝缘栅双极晶体管 电力MOSFET属于多子导电，无电导调制效应，当要提高阻断电压时，其导通电阻将迅速增加，以至于使功率管无法正常工作。所以，电力MOSFET在同样的管芯面积下，随着耐电压的提高，电流容量下降的很厉害。例如FQP85N06型MOSFET为60V85A(25)，而同样尺寸的MOS管FQP5N90，电压为900V，而电流容量只有5A。为克服这个缺点，在电力MOSFET中的漏极侧引入一个PN结，在正常导通时，有效电阻成几十倍地降低，可大大提高电流密度，这样就产生了新的器件IGBT。 绝缘栅双极晶体管（Insulated-

17、gate Bipolar TransistorIGBT或IGT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性 1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位第30页/共49页4.3 IGBT的结构和工作原理 IGBT是三端器件：栅极G、集电极C和发射极E图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ

18、1IDRonb)GCc)IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1 使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力E第31页/共49页4.3 IGBT的结构和工作原理IGBT的原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定 导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通 导通压降：电导调制效应使通态压降小 关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断第32页/共49页

19、4.3 IGBT的基本特性1)IGBT的静态特性图1-23 IGBT的转移特性和输出特性a) 转移特性 b) 输出特性O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加第33页/共49页4.3 IGBT的基本特性转移特性IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似 开启电压UGE(th)IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25C时，UGE(th)的值一般为26V输出特性（伏安特性）以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系 分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截

20、止区、放大区和饱和区相对应UCE0时，IGBT为反向阻断工作状态第34页/共49页4.3 IGBT的基本特性 2)IGBT的动态特性图1-24 IGBT的开关过程 IGBT的开通过程的开通过程与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行 开通延迟时间td(on) 从驱动电压uGE的前沿上升至其幅值的10的时刻，到集电极电流ic上升至电流幅值ICM的10的时刻止 电流上升时间tri iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间 电压下降时间（tfv1+tfv2） tfv1为IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程,tfv2为MOSFET和PNP晶体管同时工作的

21、电压下降过程 开通时间ton开通延迟时间td(on)、电流上升时间tri与电压下降时间（tfv1+tfv2）之和。第35页/共49页4.3 IGBT的基本特性 IGBT的关断过程 关断延迟时间td ( o ff ) 从驱动电压uG E的脉冲下降到其幅值的90的时刻起，到集射电压uC E上升到其幅值的10% 电压上升时间trv 这段时间内栅极-集电极寄生电容CGC放电，栅极电压uG E基本维持在一个电压水平上 电流下降时间tfi 集电极电流从90ICM下降至10ICM,电流下降时间分为tfi1和tfi2两段，其中tfi1对应IGBT内部的MOSFET的关断过程，这段时间集电极电流Ic下降较快；t

22、fi2对应IGBT内部的PNP晶体管的关断过程 关断时间toff关断延迟时间与电流下降之和第36页/共49页4.3 IGBT的基本特性 IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数第37页/共49页4.3 IGBT的主要参数 1) 最大集射极间电压UCES 由内部PNP晶体管的击穿电压确定 2) 最大集电极电流 包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 3)最大集电极功耗PCM 正常工作温度下允许的最大功耗 第38页/共49页4.3 IGBT的

23、主要参数IGBT的特性和参数特点1.开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当2.相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力3.在电流较大的区域通态压降比VDMOSFET低4.输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似5.与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点第39页/共49页4.3 IGBT的主要参数第40页/共49页4.3 IGBT的常见封装第41页/共49页第42页/共49页第43页/共49页GTRMOSFETIGBT电气符号比较图1-15a)基极 bP基区N漂移

24、区N+衬底基极 b 发射极 c集电极 cP+P+N+b)bec空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ibN+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19 GTR MOSFET IGBTE第44页/共49页其它新型电力电子器件 静电感应晶体管（SIT，Static Induction Transistor）：诞生于1970年。是一种多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。但SIT是在栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，使用不太方便；且通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未得到广泛应用。 静电感应晶

25、闸管（SITH，Static Induction Thyristor）：诞生于1972年，因其工作原理与SIT类似，门极和阳极电压均能通过电场控制阳极电流，因此SITH又被称为场控晶闸管（FCT ，Field Controlled Thyristor）。SITH是两种载流子导电的双极型器件，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件；SITH一般也是正常导通型（栅极不加信号时导通），而且其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。 集成门极换流晶闸管（IGCT，Integrated Gate-Commutated Thyristor）：于20世纪90年代后期出现，1997年得到商品化，其结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度比GTO快10倍，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大。目前的制造水平是4500V/4000A，有望取代GTO在特大功率场合的位置。 第45页/共49页其它新型电力电子器件 功率模块和功率集成电路： 20世纪80年代中后期开始，在电力电子器件研制过程中一个共同趋势是模块化。将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。功率模块可缩小装置体积，降低