晶体驱动电路及设计课件

功率元件驱动设计SCRBJTMOSIGBT驱动设计2007-11-11电力半导体器件厂内常用功率半导体1.2功率二极管1.3晶闸管SCR1.4功率晶体管BJT1.6功率场效应管MOSFET1.7IGBT功率元件简介BJT结构,参数及驱动设计MOS结构,参数及驱动设计SCR结构,参数及驱动设计IGBT结构,参数及驱动设计BJT结构参数及驱动设计BJT简介双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT）

分类根据功率，可分为小功率晶体管和电力晶体管

应用20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代

应用20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代BJT共发射极电路的输出特性图1-10BJT共发射极电路的输出特性◤该图表示集电极电流IC与集射极电压UCE的关系，其参变量为IB，特性上的四个区域反映了BJT的四种工作状态。◢◤在晶体管关断状态时，基极电流IB＝0，集电极发射极间电压即使很高，但发射结与集电结均处于反向偏置，即UBE≤0，UBC<0，发射结不注入电子，仅有很少的漏电流流过，在特性上对应于截止区（I区），相当于处于关断状态的开关。◢◤当发射结处于正向偏置而集电结仍为反向偏置时，即UBE>0，UBC<0，随着IB增加，集电极电流IC线性增大，晶体管呈放大状态，特性上对应线性放大区（II区）。◢◤当基极电流IB>（IC/β）时，晶体管就充分饱和了。这时发射结和集电结都是正向偏置，即UBE>0，UBC>0，电流增益和导通压降UCE均达到最小值，BJT进入饱和区（IV区）。BJT工作在饱和区，相当于处于导通状态的开关。◢

1.3.5达林顿BJT与BJT模块图1-17达林顿BJT的等效电路达林顿BJT有以下特点：1共射极电流增益值大

图1-18BJT模块的等效电路

BJT模块除了有上述达林顿BJT的特点外，还有如下优点：

1）

它是能量高度集中的组合器件，大大缩小了变换器的体积；2）

有电绝缘且传热好的固定底座，安装使用很方便；3）

内含续流二极管减少了线路电感，降低了器件关断时电流变化率造成的过电压。2饱和压降UCEsa较高3关断速度减慢

ts=ts1+ts2

1.4功率场效应管1.4.1概述◤功率场效应管，即功率MOSFET(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)是一种单极型的电压控制器件，有驱动功率小、工作速度高、无二次击穿、安全工作区宽等显著优点。◢◤在中小功率的高性能开关电源、斩波器、逆变器中，功率场效应管成为双极型晶体管的竞争对手，并得到了越来越广泛的应用。◢

图1-19功率场效应管结构图（a）“T”MOSFET；（b）“V”－MOSFET1.4.2MOSFET的基本特性1；转移特性图1-20N沟道型MOSFET的转移特性◤只有UGS大于门槛电压UGS（th）才有漏极电流ID流过，在ID较大时，ID和UGS近似为线性关系，亦即跨导gFS为常数：◤UGS＝10V之后，MOSFET的ID由外电路限制了。因此工作在开关状态的MOSFET正向驱动电压Ug≈10V。◢

（二）输出特性

◤输出特性可以分为三个区域:可调电阻区I，饱和区II和雪崩区III◢图1-21功率MOSFET输出特性1.4.3MOSFET安全工作区图1-24MTM4N50的安全工作区（a）最大额定开关安全工作区；（b）最大额定正偏安全工作区◤由于电流具有随温度上升而下降的负反馈效应，因而MOSFET中不存在电流集中和二次击穿的限制问题，它有较好的安全工作区（SOA）

◢

◤图1-24是型号为MTM4N50(500V,4A)的MOSFET的安全工作区，它分最大额定开关安全工作区和最大额定正向偏置安全工作区两种。◢◤最大额定开关安全工作区是负载线可跨越而不会招致MOSFET损坏的界限，基本的限制是峰值电流IDM和击穿电压U(BR)DSS，这个安全工作区只适用于器件开关时间小于1μs的开通和关断过程

◢◤在其余工作条件下，使用正向偏置安全工作区。正向偏置安全工作区受功率损耗的限制，而结温是随功率损耗的变化而变化，图1-29b）表示的是温度为25℃时的正向偏置安全工作区。◢◤在任一温度下，某一工作电压的允许电流可通过下列等式算出：1．4．4MOSFET的基本参数（一）漏极额定电流ID和峰值电流IDM

（二）通态电阻rDS(ON

（三）阀值电压UGS(th)

（四）漏源击穿电压U(BR)DSS

（五）最大结温TJM

（六）最大耗散功率PD

（七）热阻

TC+PD

<TJM1.5绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)1.5.1IGBT的结构与工作原理

图1-25IGBT的结构剖面图图1-26IGBT简化等效电路及信号◤绝缘栅极双极型晶体管简称IGBT,它将功率MOSFET与BJT的优点集于一身，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、驱动电路简单等优点，又具有通态压降低、耐压高和承受电流大等优点◢◤由结构图可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区BJT，其简化等效电路如图1-26所示，图中电阻Rdr是厚基区BJT基区内的扩展电阻。◢

◤IGBT是以BJT为主导元件，MOSFET为驱动元件的达林顿结构器件，图示器件是N沟道IGBT，MOSFET为N沟道型，BJT为PNP型。◢

1.5.2IGBT的基本特性

IGBT的开关特性的测试电路IGBT的开关特性的开关特性曲线◤IGBT的开关特性如图1-35所示。由图可知IGBT的开关特性与功率MOSFET基本相同。◢◤td(on)+tr=ton叫开通时间，td(off)+tf=toff叫关断时间◢

IGBT的正偏安全工作区和反偏安全工作区◤IGBT开通时的正向偏置安全工作区FBSOA是由最大集电极电流ICM、最大集射极电压UCEM、最大功耗三条边界极限曲线包围而成的，◢◤IGBT的反向偏置安全工作区RBSOA如图1-29b)所示。它基本上是一矩形：2倍的额定集电极电流（2IC）和额定集射级电压（UCE）所围成的矩形。◢

3.3.1概述也分为结型和绝缘栅型（类似小功率FieldEffectTransistor——FET）但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）简称电力MOSFET（PowerMOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor——SIT）返回3.3.1概述

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3.3.2电力MOSFET的结构和工作原理电力MOSFET的种类

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N沟道增强型返回3.3.2电力MOSFET的结构和工作原理导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，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电力MOSFET的多元集成结构国际整流器公司（InternationalRectifier）的HEXFET采用了六边形单元西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列3.3.2电力MOSFET的结构和工作原理小功率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（VerticalMOSFET）——大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）

这里主要以VDMOS器件为例进行讨论3.3.2电力MOSFET的结构和工作原理电力MOSFET的工作原理截止：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3.3.3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)输出特性返回3.3.3电力MOSFET的基本特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs3.3.3电力MOSFET的基本特性MOSFET的漏极伏安特性（输出特性）：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）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3.3.3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，RG—栅极电阻，RL—负载电阻，RF—检测漏极电流3.3.3电力MOSFET的基本特性开通过程（开关过程图）开通延迟时间td(on)——up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段上升时间tr——

uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定UGSP的大小和iD的稳态值有关UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和3.3.3电力MOSFET的基本特性关断过程（开关过程图）

关断延迟时间td(off)——up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小止的时间段下降时间tf——

uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS<UT时沟道消失，iD下降到零为止的时间段关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和3.3.3电力MOSFET的基本特性MOSFET的开关速度MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速开关时间在10~100ns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。3.3.4电力MOSFET的主要参数3.电力MOSFET的主要参数

除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之还有:1)

漏极电压UDS

电力MOSFET电压定额2)

漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM

电力MOSFET电流定额3)栅源电压UGS

栅源之间的绝缘层很薄，UGS>20V将导致绝缘层击穿4)

极间电容

极间电容CGS、CGD和CDS

返回3.3.4电力MOSFET的主要参数厂家提供：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CrssCiss=CGS+CGD

（1-14）

Crss=CGD

（1-15）

Coss=CDS+CGD

（1-16）输入电容可近似用Ciss代替这些电容都是非线性的3.3.4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

MOSFET正向偏置安全工作区(图中的时间表示脉冲宽度）

一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点

实际使用中仍应注意留适当的裕量3.4绝缘栅双极晶体管3.4.1概述3.4.2IGBT的结构和工作原理3.4.3IGBT的基本特性3.4.4IGBT的主要参数3.4.5IGBT的擎住效应和安全工作区返回3.4.1概述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两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS器件返回3.4.1概述绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT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3.4.2IGBT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1-22IGBT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)电气图形符号返回3.4.2IGBT的结构和工作原理IGBT的结构（显示图）图1-22a—N沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT（N-IGBT）

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3.4.2IGBT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：电导调制效应使电阻RN减小，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3.4.3IGBT的基本特性1)

IGBT的静态特性图1-23IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性返回3.4.3IGBT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2~6V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的截止区、放大区和饱和区相对应uCE<0时，IGBT为反向阻断工作状态3.4.3IGBT的基本特性2)

IGBT的动态特性图1-24IGBT的开关过程3.4.3IGBT的基本特性IGBT的开通过程

（开关过程图）

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uGE上升至其幅值10%的时刻，到iC上升至10%ICM²

电流上升时间tr

——iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间开通时间ton——开通延迟时间与电流上升时间之和uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程3.4.3IGBT的基本特性IGBT的关断过程（开关过程图）关断延迟时间td(off)——从uGE后沿下降到其幅值90%的时刻起，到iC下降至90%ICM电流下降时间tf——iC从90%ICM下降至10%ICM关断时间toff——关断延迟时间与电流下降之和电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1——IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢3.4.3IGBT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