电力电子器件6章

1、第六章 功率场控器件 第一节 功率MOSFET 第二节 IGBT和MCT 第一节 功率MOSFET Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 第二节 IGBT和MCT Insulated Gate Bipolar Transistor MOS Controlled Thyristor功率场控器件: 电压控制主电流的 电力电子器件。 基本特点是: （1）输入阻抗高（驱动功率小）， （2）可自关断 （ 控制信号撤除后或加负信号）1. MOSFET的电压控制功率场控器件:VDMOS ， VVMOS2. 单双极复合型功率场控器件:

2、IGBT ， MCT MOSFET的电压控制方式 + 双极器件的电导调制效应 3. 静电感应功率场控器件: SIT ， SITH （ JFET SIT SITH）新型电力电子器件 高频大功率电力电子应用领域。第一节 功率MOSFETPower Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor平面水平沟道结构MOSFET: G，D，S集中在Si片的同一表面。 导电沟道局限于浅表面层 导通电阻大导通 电流不大。芯片利用率低。垂直沟道结构MOSFET（功率MOSFET） VDMOS: S，D分别在Si的两个表面 沟道 短，截面积大 导通电阻小，通流能

3、力和 耐压能力高；工作频率高，驱动功率小，无热电反馈二次击穿，跨导线性度高，制造工艺与集成电路的工艺兼容。第一节 功率MOSFET一. 功率MOSFET的结构: VDMOS 垂直沟道双扩散型MOSFET。 VVMOS V型槽的垂直沟道MOSFET。（一）.VDMOS的结构: 沟道长度短；多元胞并联集成器件。（二）.VVMOS的结构:改变了电流方向，路径更短。功率MOSFET命名法:（统称为VDMOS）A:按断面结构:VDMOS，VVMOS，UMOS。B:按平面版图:TMOS（四边形）， HEXFET（正六角形）。C: 另外 SiPMOS，ZMOS。（三）.结构与器件参数: 通态电阻和电容。 1

4、.通态电阻 RDS 通态电阻 RDS 漂移区电阻沟道电阻 电极接触与引线电阻。 其中沟道电阻受栅压的调制。2.高压VDMOS的通态电阻 RDS 与击穿电压的关系:（2.5次方关系）ABURDSDS5 . 27103 . 83.VDMOS的电容: 栅源电容 CGS , 栅漏电容 CGD ，漏源电容CDS （包括全部的本征电容和寄生电容）。 厂家方便提供电容为: 共源输入电容 Ciss 共源输出电容 Coss ，反向转移电容 Crss 其换算关系为:gdrssgddsossgdgsissCCsgCCCsdCCC短接）（短接）（, , 对于N沟道VDMOS：器件设计时通过金属源电极将 N+ 源电压与

5、P型沟道体区短路（类似于晶闸管中短路点的结构）减小PN结电容 （ CDS ， CGS ）。源电极与沟道体区短路使漏源间出现了一个集成式的PN结二极管，该二极管处于反并联续流二极管位置，除非特殊处理，该二极管不能作为续流二极管用。因为此二极管反向恢复较慢，且它的导通续流，有可能使VDMOS的 N+PN- 寄生BJT激活，诱发二次击穿失效。4. 功率MOSFET有N沟道，P沟道两类: N沟器件常用。 当通态电阻和击穿电压相同的功率MOSFET, P沟道 器件比N沟道器件的芯片尺寸大许多。（因通态电阻 与载流子的迁移率成反比，当芯片尺 寸相同时，空 穴导电的P沟器件的通态电阻是电子导电的N沟器件 的

6、通态电阻高4倍。） P沟器件的芯片尺寸、极间电容均比具有相同通态电阻的N沟器件的极间电容大，价格高。二. 功率MOSFET的工作特性: 功率MOSFET的优点: 输入阻抗高， 驱动功耗小；无热电反馈二次击穿； 跨导线性度高；工作频率高。（一）.极限参数与安全工作区: 1. 极限参数：最大许用漏极电流， 最大许用漏源电压， 最大许用栅源电压。 A. 功率MOSFET的最大许用漏极电流IDM ： Tjm 最高允许结温 T 环境温度 R 热阻 B. MOSFET的最大许用漏源电压： 最大许用漏极电压与外延层的浓度和厚度有关。 该电压受沟道体与外延层之间的PN结雪崩击穿 电压 BUDS 限制。21RR

7、TTIDSajmDMC. MOSFET的最大许用栅 源电压：该电压控制导电沟道传导电流能力的大小。 在相同下 UDS ，UGS 越高 IDS 越大。一般 UGS 小于20伏。D. RDS 和BUDS的温度特性曲线: VDMOS 的RDS和BUD具有正温度系数。 RDS 随着温度的上升而增大，与GTR的 RDS 相反， 因此，VDMOS没有热电反馈引起的二次击穿。 因为MOSFET靠多数载流子导电，温度在室温与最高 结温间变化时，对多数载流子的密度影响不大，但其迁移率随温度的上升而下降，表现在漂移区的电阻升高，电流减小，从而使由焦耳热引起的结温升降下来，电流与温度间保持负反馈关系。也保证了MOS

8、FET的电流沿沟道乃至整个芯片的均匀性。它比各种双极器件更适合并联使用。BJT（少子导电）： Tj少子注入 j Tj（正反馈）VDMOS（多子导电）： TjRDS（ON） j Tj （负反馈）E.安全工作区:功率MOSFET的安全工作区比双极晶体管器件的大。比双极晶体管器件少一条二次击穿限。当器件处于脉冲工作状态时，其平均功耗会减小，功耗限将向外移动，使安全工作区增大。若导通时间小于2微秒时，其安全工作区为一矩形。（二）.静态特性:1.输出特性曲线:（VDMOS与GTR比较） 由图比较可知： VDMOS在饱和区的恒流特性优于GTR（可作恒流源）。 VDMOS的跨导线性度优于GTR的跨导线性度。

9、 VDMOS的导通电阻RDS比GTR的导通电阻 RDS 大。输出特性曲线中， RDS 阻性导电区的曲线斜率的倒数当VDMOS作电子开关时，工作在阻性导电区而非饱和区。VGS RDS T RDS ， 其温度系数约为 +0.007/。25 200 RDS增大为原来的3.39倍。2. VDMOS的转移特性及跨导特性:与其他场效应器件一样，有一个开启电压 UT 。其开启电压 UT 一般在24伏左右，随温度升高一度，开启电压 UT 下降5毫伏。当栅压高于 UT 时， ID 进入线性增长区。栅压增长到一定程度，ID 就不会持续线性增长，而趋于一个常数。在图5-9中，三个不同温度的转移特性曲线有一个公共的交

10、点，该点的温度系数为0。跨导DSUGSDmUIg跨导特性图5-9曲线表明:跨导随温度的变化较小，其温度系数为 0.2%。（双极晶体管的同类参数是放大系数 ， 其温度系数为 +0.8%）可见VDMOS的开关特性比GTR的稳定得多。（三）.动态特性:VDMOS主要在高频开关中使用，1.VDMOS的直流输入阻抗大于 1012 。作为高阻抗输入的开关器件，维持导通和关断均不需消耗能量，但在开启和关断态时，需要对极间电容充电和放电，要消耗能量在栅电阻上。说明:A. VDMOS的极间电容是变电容。B. 驱动所需电荷Q与 ID 关系不大(因Q小)。C. VDMOS开关速度取决于栅电极的充放电速率。D. 器件

11、在开通和关断过程中，UGS QG 曲线具有平台 特征，相应的栅压变化也具有平台特征，可分为三个 时期，每个时期的栅压 变化率不同。2. UGS t 也具有平台开关特征曲线 (RG较大时“平台”波形特征明显)2. 开通和关断过程中栅压变化的分析:A.开启过程: 第一时期: 驱动电压上升为定值，栅源电压逐渐上升，且低于开启电压值 UT ，器件不导通，漏源电压维持断态值不变。输入电容较小，充电电流较大，栅压变化率较大，随时间按指数上升。当输入电容越大或栅极驱动阻抗越大，这一时期的开通延迟时间 td (on) 越长。第二时期: 漏源电压下降，使输入电容增大。同时栅源电压的迅速下降将通过电容 Crss

12、对栅极产生一个电流反馈，即由源至栅的位移电流，此电流将通过RG使栅压下降，使栅压随时间上升的速率明显减缓。此阶段漏极电流迅速上升，所经时间为上升时间 tr 此阶段 Ciss 较大。开通延迟时间 td (on) 与上升时间 tr 之和称为开通时间 t (on) 。第三时期: 漏源电压接近于稳态值，输入电容恢复到与第一时期的输入电容值相近，栅压的上升速率与第一时期的上升速率相近，上升较快。此时VDMOS充分导通。B. 关断过程:驱动电压突降至零，器件进入关断过程，同理可以分析三个时期的特性。VDMOS的开关时间常数为数十到一二百纳秒，比双极器件的短很多。VDMOS靠多数载流子导电，不存在少子存储效

13、应，其关断过程很快，VDMOS开通感应沟道也快（BJT开通也快）。其工作频率高。由RC时间常数决定。 其物理意义为：工作频率与输入电容成反比，大电流器件必须用大面积芯片，而大面积芯片必带来大电容问题，电容越大必然导致频率的降低。这是器件中功率与频率的矛盾。GiSSRCf21电子在沟道和漂移区中的渡越速度是决定工作频率上限 fmax 的主要因素。工作频率与击穿电压间也是一对矛盾。（四）.特性参数表: 书127页。当漏源加有高压时，VDMOS严禁栅源开路。三.功率MOSFET的可靠性问题: dv/dt 效应和静电效应。（一）. dv/dt 效应: （过高的 dv/dt 诱发VDMOS中寄生BJT的

14、 二次击穿）1.第一种 dv/dt 误导通模式: （不易损坏器件）UGSUTIDS不大 VDMOS一旦误导通后dv/dt栅压为零，器件处于关断状态：外加漏源dv/dtCgdIM1Ugs UgsUT误导通若电压变化很快，使 IM 1 大到通过栅极电阻Rg上的压降 Ugs 超过开启电压 UT ，则功率MOSFET被误导通。这种模式中的临界 dv/dt 值为 。dttdvCIgdM)(1gdgTCRUdtdv公式表明：在dv/dt工作条件下，应采取措施: 设计阻抗很低的栅极驱动电路； 避免高温运行（因为T UT ）。 ：VDMOS禁止栅源开路态工作！ 栅源短路时的VDMOS的dv/dt耐量高！ VD

15、MOS开路时 Rg = dv/dt 耦合 Ugs SiO2被击穿。2. 第二种 dv/dt 误导通模式:（易损坏器件） VDMOS在自关断过程中（尤其感性负载下）， 过大的dv/dt 容易诱发寄生双极晶体管的二次击穿。斜坡电压 U(t) ，通过电容 Cds 在栅源回路中产生一位移电流 IM 2 ， 若电压变化很快，使 IM 2 在电阻 Rb 上产生的压降足以使寄生晶体管的发射结正向导通，寄生晶体管被开通。主器件的漏源间有电流通过。若 IM 2 Rb 0.7伏，寄生 N+PN 双极晶体管激活开通，此时，若BJT集电结雪崩击穿，易诱发BJT的二次击穿导致VDMOS损坏。dttdvCIdsM)(2这

16、种模式中的临界 dv/dt 值为表明：该模式中 Rb 的作用非常明显，它决定误导通的 临界 dv/dt 值和二次击穿的电压高低。 Rb ：BUCER BUCBO （一般BUCER=0.6 BUCBO) Rb ： BUCEO BUCER ( Rb = ) BUCEO BUCER BUCBO . 采用源极短路减小 Rb (器件制造者)。 .器件应用者需注意: VDMOS在高温高压下更易 发生二次击穿。 因为：(a) UDS 漏沟结反偏耗尽层扩展 P基区厚度Wp Rb BU( BUCEO )。dsbBECRUdtdv (b)Tj Rb .寄生BJT的 UBE : TUBE 临界 dv/dt 。 寄生

17、BJT将其特有的热电正反馈二次击穿引入 VDMOS中。 P沟道的VDMOS不易发生寄生BJT误导通和 二次击穿。（因为P沟道VDMOS的Rb是由N型 沟道体区构成， Rb较小）（二）.静电效应: 1.半导体器件因受静电放电ESD（ElectroStatic Discharge） 的损害而失效的一种消极机制。 静电源有:器件本身或人体。50250 pf 的小电容小电容较少的电荷 高电位（千万伏） ESD是使得 器件性能退化或完全失效的主要原因之一。2. ESD有 ：热效应：强电场脉冲焦耳热金属电极熔化。 电效应：过电压SiO2介质击穿。 3.器件的ESD 过敏电压(ESD 损伤阈值电压) 能够导

18、致器件突发性完全失效的静电放电最低 单脉冲电压。UQC VDMOS对ESD过敏性强：100200 V Ciss过敏性 4. VDMOS的ESD防护措施: 去静电； （接地，电离空气。） 防止静电积累。 G、S极间用铝箔或导电泡沫塑料短路运输。四.功率MOSFET的应用基础: 第二节 IGBT和MCTInsulated Gate Bipolar TransistorMOS Controlled Thyristor第二节 IGBT和MCT1. 双极器件（GTR，GTO，SCR等） 优点：少子电导调制效应通流能力强， 尺寸小，价格低。 缺点: 开关速度低，驱动功耗大， 驱动控制不易。有二次击穿效应。

19、2. 单极器件（VDMOS ，SIT） 优点: 无少子电荷储存效应，开关速度快， 输入阻抗高，驱动功耗小，驱动容易， 二次击穿现象大大被抑制。 2/300200cmAJ 缺点: 导通电阻大，通流能力小， （600伏）。 3. 双极MOS复合器件（BiMOS技术）。 使功率与频率积增大。 IGBT: VDMOSPN结电导调制。 MCT: VDMOSGTO一. IGBT的基本结构和工作原理:1. N沟IGBT的基本结构（比VDMOS多一个P层） 开关原理与VDMOS一样。内含寄生晶闸管， 存在二次击穿问题。2/10cmAJ 2. IGBT的特点: .具有反向电压阻断能力（较弱但很有用！）， （VD

20、MOS则无） .具有电导调制效应。因有二极管注入N基区少子空穴。Uce 饱和值不随 IF 成比例增长。 但有0.7V拐角死区二极管特征。 .饱和输出特性曲线（类似于VDMOS） .IGBT的栅极关断可以通过加负栅压，也可以零栅压关断（此时，N基区的少子空穴，需一定的复合时间消失，IC 有关断拖尾现象）。 .栅控功耗小（ Ciss小）。 . 由于存在寄生P+NPN + 可控硅结构，有发生锁定 （latch up）的可能，需加发射极短路等措施抑制锁定。 . 开关速度较快。（20KHz大功率领域）3. 锁定（latch up）: IGBT正常开关是由 UGS 控制的沟道导电通路工作， 其内部的寄生S

21、CR不起作用，但在某些条件下（高温， 高电流，感性负载高速关断，短路下硬关断等），SCR 有可能锁定导通，此时，IGBT门极失去对器件电流的 正常开关控制能力器件被烧坏。4.抑制锁定的方法:(发射极短路) （抑制寄生SCR作用 ） 减小 N+ 发射区尺寸 减小P基区的薄层电阻。 （使 2 减小。）5.IGBT中存在两条主电流路径: PN结N漂移区MOS 导电沟道 寄生晶闸管通道, 一旦它导通,烧坏IGBT,此晶闸 管并非专门设计,其通态压降太大。121二.工作特性:（一）.静态特性:其等效电路有两种:一种由一个PiN二极管和一个功率MOSFET串联而成。另一种是一个用MOS管驱动的长基区PNP晶体管。IGBT的通态特性曲线:由曲线可得出: A. I GBT不适合于要求器件的压降低于 0.7伏的场合。在高栅压下的通态曲线 明显转折。与VDMOS的不同。 B. IGBT能承受的电流密度很高。 。 （600V等级器件） C. 击穿电压高的IGBT器件， 其电流容量较低。GTRMOSIGBTJJJ520（二）.动态特性:IGBT是一种自关断器件，且是用电压控制开关的自关断器件，其关断过程中的动态特性与GTR，GTO，MOSFET均不同。从正向导通到正向阻断，IGBT的栅极与发射极短接，栅电容 Cg 放电，栅电压