功率场效应晶体管绝缘栅双极型晶体管

1、会计学1功率场效应晶体管绝缘栅双极型晶体管功率场效应晶体管绝缘栅双极型晶体管第1页/共57页第1页/共57页第2页/共57页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。(绝缘栅、电压控制器件)开关速度快，工作频率高。(只有多数载流子，无少数载流子积蓄效应)安全区宽，热稳定性优于GTR。（没有类似GTR的二次击穿）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。功率场效应晶体管功率场效应晶体管( PowerMetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)第2页/共57页第3页/共57页。第3页/共57页第4页/共57

2、页功率功率MOSFET的芯片内的芯片内部结构部结构漏极栅极源极芯片照片断面第4页/共57页第5页/共57页是单极型、全控型晶体管。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计。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图1-19功率MOSFET的结构和电气图形符号漏极源极栅极外延漂移层衬底SiO2绝缘层第5页/共57页第6页/共57页P-MOSFET的结构的结构第6页/共57页第7页/共57页 P-MOSFET的工的工作原理作原理导电导电：在栅源极间加正电压UGS则栅极上的正电压将其下面的P基区中的空穴推

3、开，而将（少子）电子吸引到栅极下的P基区的表面，当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型，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。UG S数 值 越 大 ， P -MOSFET导电能力越强，ID也就越大。第7页/共57页第8页/共57页图1-20功率MOSFET的转移特性1）静态特性）静态特性010203050402468ID/AUTUGS/VIDUGS第8页/共57页第9页/共57页1020305040010 20 305040饱和区非饱和区截止区UDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图1-20P-MO

4、SFET的输出特性1）静态特性）静态特性击穿区工作在开关状态，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，具有正温度系数的直流电阻，对器件并联时的均流有利。第9页/共57页第10页/共57页下降时间之和toff td(off) tfpinGSTDDinGSDUCUUiiCUi， 充 电 ，时 ， 导 电 沟 道 ，预 夹 断 ， 仍 充 电 ，稳 定 ， 不 变a ）b )RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd (on)trtd(off)tf图1-21P-MOSFET的开关过程a)开关特性测试

5、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()0pinGSDd offDinGSDGSTDUCUitiCUiUUi高 电 平 ， 放 电 ， 不 变时， 预 夹 断 ，仍 放 电 ，继 续 ， 夹 断 区 上 升 ，时 ， 导 电 沟 道 消 失 ， 第10页/共57页第11页/共57页第11页/共57页第12页/共57页开关频率越高，所需要的驱动功率越大。MOSFET的开关速度的开关速度第12页/共57页第13页/共57页P-MOSFET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

6、电流幅值IDMP-MOSFET电流定额,表征P-MOSFET的电流容量(3) 栅源电压栅源电压UGSUGS20V将导致绝缘层击穿 。 (4) 极间电容极间电容极间电容CGS、CGD和CDS。 前两者由MOS结构的绝缘层形成的，其电容量的大小由栅极的几何形状和绝缘层的厚度决定；后者由PN结构成，其数值大小由沟道面积和有关结的反偏程度决定。第13页/共57页第14页/共57页指在确定的栅源电压UGS下，P-MOSFET处于恒流区时的直流电阻，是影响最大输出功率的重要参数。(5) (6)该电压决定了P-MOSFET的最高工作电压(7) 该电压表征了功率MOSFET栅源之间能承受的最高电压。 第14页

7、/共57页第15页/共57页l由以下四条边界限定：l漏-源通态电阻Ron；l最大漏极电流IDM；l极限功耗PCM；l极限漏-源电压UDSM。第15页/共57页第16页/共57页第16页/共57页第17页/共57页第17页/共57页第18页/共57页流为栅极电容的充、放电电流。第18页/共57页第19页/共57页第19页/共57页第20页/共57页第20页/共57页第21页/共57页第21页/共57页第22页/共57页第22页/共57页第23页/共57页第23页/共57页第24页/共57页第24页/共57页第25页/共57页的地位。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

8、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。第25页/共57页第26页/共57页图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。第26页/共57页第27页/共57页图1-22IGBT的结构和简化等效电路a)内部结构断面示意图b)具有寄生晶体管简化等效电路 IGBT的结构的结构RN为GTR晶体管基区内的调制电

9、阻。RS为沟道体P基区内的体区电阻。第27页/共57页第28页/共57页流被切断，IGBT关断。 IGBT的工作的工作原理原理第28页/共57页第29页/共57页ICUGE(th)UGEO图1-23IGBT的转移特性是指输出集电极电流IC与栅射控制电压UGE之间的关系曲线。当栅射电压UGEUGEth(开启电压开启电压)时，IGBT处于关断状态。当UGEUGEth时，IGBT导通。IGBT导通后的大部分集电极电流范围内，IC与UGE呈线性关系。第29页/共57页第30页/共57页图1-23IGBT的输出特性以栅射电压UGE为参变量时，集电极电流IC和集射电压UCE之间的关系曲线，成为IGBT的伏

10、安特性或。可分为正向阻断区、饱和区、线性（放大或有源）区和击穿区四个部分。 UCE0,UGE临界值ICM）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。IGBT为四层结构，NPN晶体管基极与发射极之间存在沟道体区短路电阻（RS），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，当IC大到一定程度时，该偏置电压使NPN晶体管J3开通，进而使NPN和PNP晶体管（寄生晶闸管）处于饱和状态，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控擎住作用图1-24IGBT的等效电路第36页/共57页第37页/共57页IGBT往往与反并联的快速

11、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ICM、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。 正偏安全工作区正偏安全工作区（FBSOA）第37页/共57页第38页/共57页第38页/共57页第39页/共57页IGBT线捆扎在一起。（1）. IGBT的栅极驱动的栅极驱动第39页/共57页第40页/共57页第40页/共57页第41页/共57页（2）. IGBT驱动电路驱动电路第41页/共57页第42页/共57页第42页/共57页第43页/共57页第43页/共57页第

12、44页/共57页第44页/共57页第45页/共57页第45页/共57页第46页/共57页（3）. IGBT的保护的保护第46页/共57页第47页/共57页第47页/共57页第48页/共57页第48页/共57页第49页/共57页第49页/共57页第50页/共57页下降时间之和toff td(off) tfpinGSTDDinGSDUCUUiiCUi， 充 电 ，时 ， 导 电 沟 道 ，预 夹 断 ， 仍 充 电 ，稳 定 ， 不 变a ）b )RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd (on)trtd(off)tf图1-21P-MOSFET的开关过

13、程a)开关特性测试电路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()0pinGSDd offDinGSDGSTDUCUitiCUiUUi高 电 平 ， 放 电 ， 不 变时， 预 夹 断 ，仍 放 电 ，继 续 ， 夹 断 区 上 升 ，时 ， 导 电 沟 道 消 失 ， 第50页/共57页第51页/共57页第51页/共57页第52页/共57页流被切断，IGBT关断。 IGBT的工作的工作原理原理第52页/共57页第53页/共57页图1-23IGBT的输出特性以栅射电压UGE为参变量时，集电极电流IC和集射电压UCE之间的关系曲线，成为IGBT的伏安特性或。可分为正向阻断区、饱和区、线性（放大或有源）区和击穿区四个部分。 UCE0,UGE0,UGEUT时，IGBT中MOSFET没形成沟道，J2结反偏，正向