第四讲 电力电子概述(三)

1、11.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管分为结型结型和绝缘栅型绝缘栅型通常主要指绝缘栅型绝缘栅型中的MOSMOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET）简称电力MOSFET（Power MOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT）特点特点用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，需要的驱动功率小。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，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 。电力场效应晶体管电力场效应晶体管21.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管

2、电力场效应晶体管电力电力MOSFETMOSFET的种类的种类 按导电沟道可分为P P沟道沟道和N N沟道沟道。 耗尽型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N N沟道增强型沟道增强型。DATASHEETDATASHEET1）电力）电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理31.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力MOSFETMOSFET的结构的结构是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设

3、计。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号41.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管小功率MOS管是横向导电器件。电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。电力电力MOSFET的结构的结构51.4.3 1.4.3 电力场效应

4、晶体管电力场效应晶体管截止截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电导电：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时，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J1消失，漏极和源极导电 。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号电力电力MOSFET的工作原理的工作原理671.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 (1) (1) 静态特性静态特性漏极电流I ID D和栅源间电压U UGSGS的关系称为M

5、OSFET的转转移特性移特性。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 Gfsfs。010203050402468a)10203050400b)1020 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A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2）电力）电力MOSFET的基本特性的基本特性81.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管截止区截止区（对应于GTR的截止区）饱和区饱和区（对应于GT

6、R的放大区）非饱和区非饱和区（对应GTR的饱和区）工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。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。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。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MOSFET的漏极伏安特性的漏极伏安特性：010203050402468a)10203050400b)10 20 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A91.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体

7、管开通过程开通过程开通延迟时间开通延迟时间t td(on)d(on) 上升时间上升时间t tr r开通时间开通时间t tonon开通延迟时间与上升时间之和关断过程关断过程关断延迟时间关断延迟时间t td(off)d(off)下降时间下降时间t tf f关断时间关断时间t toffoff关断延迟时间和下降时间之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf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，RG栅极电阻，RL负载电阻，RF检测漏极电流(2) 动态特性

8、动态特性101.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 MOSFET的开关速度和C Cinin充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻R Rs s减小时间常数，加快开关速度。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。MOSFET的开关速度的开关速度111.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管3) 3) 电力电力MOSFETMOSFET的主要参数的主要参数 电力MO

9、SFET电压定额(1) 漏极电压漏极电压UDS(2) 漏极直流电流漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值IDM电力MOSFET电流定额(3) 栅源电压栅源电压UGS UGS20V将导致绝缘层击穿 。 除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有： (4) 极间电容极间电容极间电容CGS、CGD和CDS121.4.41.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件绝 缘 栅 双 极 晶 体 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复合，结合二者的优点。1986年投入市场，是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。GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，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。131.4.41.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1) IGBT1) IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极EEGCN+N-a)PN+

11、N+PN+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)图1-22IGBT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141.4.41.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管图1-22aN沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力。简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。RN为晶体管基区内的调制电阻。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发

12、射 极 栅 极集 电 极注 入 区缓 冲 区漂 移 区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)图1-22IGBT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 IGBT的结构的结构151.4.41.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 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。导通导通：u uGEGE大于开启电压开启电压U UGE(th)GE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断关断：栅射

13、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。 IGBT的原理的原理16a)b)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加1.4.41.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2) IGBT2) IGBT的基本特性的基本特性 (1)(1) IGBTIGBT的静态特性的静态特性图1-23IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性转移特性转移特性IC与UGE间的关系(开启电开启电压压UGE(th)输出特性输出特性分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。171.4.41.4.4 绝

14、缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM图1-24IGBT的开关过程IGBTIGBT的开通过程的开通过程 与MOSFET的相似开通延迟时间开通延迟时间t td(on)d(on) 电流上升时间电流上升时间t tr r 开通时间开通时间t tononu uCECE的下降过程分为t tfv1fv1和t tfv2fv2两段。 t tfv1fv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程； t tfv2fv2MOSFE

15、T和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。 (2) IGBTIGBT的动态特性的动态特性181.4.41.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管图1-24IGBT的开关过程关断延迟时间关断延迟时间t td(offd(off）电流下降时间电流下降时间 关断时间关断时间t toffoff电流下降时间又可分为t tfi1fi1和t tfi2fi2两段。t tfi1fi1IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，i iC C下降较快。t tfi2fi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，i iC C下降较慢。 IGBT的关断过程的关断过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMI

16、CMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM191.4.41.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管3) IGBT3) IGBT的主要参数的主要参数正常工作温度下允许的最大功耗 。(3) 最大集电极功耗最大集电极功耗PCM包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 。 (2) 最大集电极电流最大集电极电流由内部PNP晶体管的击穿电压确定。(1) 最大集射极间电压最大集射极间电压UCES201.4.41.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT的特性和参数特点可以总结如下的特性和参数特

17、点可以总结如下：开关速度高，开关损耗小。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。通态压降比VDMOSFET低。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。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。211.4.41.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管擎住效应或自锁效应擎住效应或自锁效应：IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件。最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。 反向偏置安全工作区反向偏置安全工作区（RBSOA）最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功

18、耗确定。 正偏安全工作区正偏安全工作区（FBSOA）动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决。NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。221.5.1 1.5.1 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCT20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍。可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。目前正在与IGBT等新型器件激烈竞

19、争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）GCT（Gate-CommutatedThyristor）231.5.21.5.2 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，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，降低成本，提高可靠性。对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路功率集成电路（Power Integrated Circu

20、itPICPIC）。DATASHEET基本概念基本概念241.5.31.5.3 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路高压集成电路高压集成电路（High Voltage ICHVICHVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率集成电路智能功率集成电路（Smart Power ICSPICSPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率模块智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPMIPM）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。实际应用电路实际应用电路

21、251.5.31.5.3 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。发展现状发展现状261.6.3 1.6.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。使MOSFET开通的驱动电压一般1015V，使IGBT开通的驱动电压一般15 20V。关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5 -15V）有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。2) 电压驱动型器件的驱