电力电子器件BJT-MOSFET-IGBT

电力半导体器件

1.1电力半导体器件种类与特点1.2功率晶体管1.3功率场效应管1.4绝缘栅极双极型晶体管1.5主要电力半导体器件特性比较11.1电力半导体器件种类与特点

1.1.1半导体器件分类从功率等级来分类有微功率器件、小功率器件、大功率器件等等制造材料分类有锗管、硅管等等从导电机理分类有双极型器件、单极型器件、混合型器件等等从控制方式来分类可分为不可控器件、半可控器件和全可控器件三类器件

21.1.2电力半导体器件使用特点

电力半导体器件稳态时通常工作在饱和导通与截止两种工作状态。饱和导通时，器件压降很小，而截止时它的漏电流小得可以忽略，这样在饱和导通与截止两种工作状态下的损耗都很小，器件近似于理想的开关但需要指出的是，电力半导体器件在开关状态转换过程时并不是瞬时完成的〔所需时间称开关时间〕，而是要经过一个转换过程〔称开关过程〕图1-1：简单的bjt电路例如，图1-1所示电路中，当工作在饱和导通状态时管压降，，的管耗，截止的漏电流，即截止时的管耗。如果工作在线性放大状态时，设，那么的管耗。3从使用角度出发，主要可从以下五个方面考查电力半导体器件的性能特点：导通压降运行频率器件容量耐冲击能力可靠性此外，诸如控制功率、可串并联运行的难易程度、价格等等也是选择电力半导体器件应考虑的因数。41.1.3电力半导体器件开展水平在整流管类中，快速恢复二极管将有较大的开展在高压直流输电中，晶闸管〔光控晶闸管〕将有很好的开展机遇。在功率晶体管类中，以IGBT开展最为迅速51.2功率晶体管

图1-6BJT内部结构与元件符号〔a〕BJT内部结构；〔b〕元件符号BJT是一种双极型半导体器件，即其内部电流由电子和空穴两种载流子形成。根本结构有NPN和PNP两种。为了提高BJT耐压，一般采用NPvN三重扩散结构〔图1-6〕。图1-7集电极耐压与单位发射面积电流密度关系

功率晶体管BJT一般是指壳温为25℃时功耗大于1W的晶体管61.2.1工作原理及输出特性图1-8BJT三种根本电路〔a〕共发射极电路〔b〕共基极电路〔c〕共集电极电路系数是共基极电路的电流放大倍数，亦称电流传输比β称为共射极电路的电流放大倍数。假设接近于1，那么β的数值会很大,它反映了BJT的放大能力，就是用较小的基极电流IB可以控制大的集电极电流IC71.2.2BJT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均到达最小值，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。◢

81.2.3BJT的开关特性图1-11BJT的开关特性

◤当基极回路输入一幅值为UP〔UP>>UBB〕的正脉冲信号时，基极电流立即上升到，在IB的作用下，发射结逐渐由反偏变为正偏，BJT由截止状态变为导通状态，集电极电流IC上升到负载电阻压降。集电极电流IC上升到负载电阻压降，集电结变为零偏甚至正偏，集电极与发射极之间的压降UCE≈0，BJT工作在饱和状态，BJT相当于闭合的开关。◢◤当基极输入脉冲为负或零时，BJT的发时结和集电结都处于反向偏置，集电极电流逐渐下降到IC＝ICEO≈0，因此负载电阻RL上的压降可以忽略不计，集电极与发射极之间的压降UCE≈UCC，即BJT工作在截止状态，BJT相当于一断开的开关◢91.2.3BJT的开关特性图1-11BJT的开关特性

◤图1-11b〕中的ton叫开通时间，它表示BJT由截止状态过渡到导通状态所需要的时间。它由延迟时间td和上升时间tr­两局部组成，ton=td+tr。◢◤td为延迟时间，表示从参加驱动脉冲，到集电极电流上升到0.1ICsa所需要的时间tr为上升时间，表示集电极电流从0.1ICsa上升到0.9ICsa所需要的时间。◢◤toff叫关断时间，表示BJT由导通状态过渡到截止状态所需要的时间。它由存贮时间ts和下降时间tf组成，toff=ts+tf。◢◤ts为存贮时间，表示输入脉冲由正跳变到零时刻开始，直到集电极电流下降到0.9ICsa所需要的时间。◢◤tf为下降时间，表示集电极电流从0.9ICsa下降到0.1ICsa所需要的时间。◢图1-12功率晶体管的开关损耗

101.2.4BJT的二次击穿

图1-13二次击穿实验曲线

图1-14二次击穿临界线

反偏二次击穿触发功率零偏二次击穿触发功率正偏二次击穿触发功率

◤在二次击穿现象中，当第一次雪崩击穿后，从电流上升到ISB，再到触发产生二次击穿的时间延迟，称为触发时间。意味着BJT工作点进入一次击穿区时，并不立即产生二次击穿，而要有一个触发时间。当加在BJT上的能量超过临界值〔触发能量〕时，才产生二次击穿，也就是说二次击穿需要能量。◢

111.2.5BJT的平安工作区〔SOA〕◤BJT工作的平安范围由图1-15所示的几条曲线限定：①集电极最大允许直流电流线ICM，由集电极允许承受的最大电流决定；②集电极允许最高电压UCE0，由雪崩击穿决定；③集电极直流功率耗散线PCM，由热阻决定；④二次击穿临界线PSB，由二次击穿触发功率决定。◢

图1-15BJT的平安工作区图1-16不同工作状态下BJT的平安工作区〔a〕正向偏置平安工作区；〔b〕反向偏置平安工作区◤从图1-16可以看出BJT的反向偏置平安工作区比正偏时大得多◢◤可以在元件关断瞬间，想方法使元件真正置于反偏工作状态，即对BJT基极驱动电路，在元件截止时，施加负的基射极电压。来利用反偏平安工作区的特性◢121.2.6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

131.3功率场效应管

1.3.1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、平安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〞－MOSFET141.3.2MOSFET的根本特性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151.3.2MOSFET的根本特性〔三〕MOSFET的电容图1-22MOSFET各端点之间的电容◤MOSFET各极之间的结电容由其物理结构所决定，金属氧化膜的栅极结构决定了栅漏之间的结电容Cgd和栅源之间的结电容Cgs，MOSFET的PN结形成了漏源间的结电容Cds。◢

◤图1-22表示了MOSFET的输入电容Ciss、输出电容Coss和反向传输电容Crss与结电容之间的关系。◢〔四〕开关特性图1-23开关特性测试电路与波形td(on)：开通延迟时间tr：上升时间

td(off)：关断延迟时间，tf：下降时间161.3.3MOSFET平安工作区图1-24MTM4N50的平安工作区〔a〕最大额定开关平安工作区；〔b〕最大额定正偏平安工作区◤由于电流具有随温度上升而下降的负反响效应，因而MOSFET中不存在电流集中和二次击穿的限制问题，它有较好的平安工作区〔SOA〕◢◤图1-24是型号为MTM4N50(500V,4A)的MOSFET的平安工作区，它分最大额定开关平安工作区和最大额定正向偏置平安工作区两种。◢◤最大额定开关平安工作区是负载线可跨越而不会招致MOSFET损坏的界限，根本的限制是峰值电流IDM和击穿电压U(BR)DSS，这个平安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，使用正向偏置平安工作区。正向偏置平安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℃时的正向偏置平安工作区。◢◤在任一温度下，某一工作电压的允许电流可通过以下等式算出：171．3．4MOSFET的根本参数〔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

<TJM181.4绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)1.4.1IGBT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。◢

191.4.2IGBT的根本特性伏安特性转移特性◤IGBT的伏安特性是指以栅极电压UGE为参变量时，集电极电流IC与集电极电压UCE之间的关系曲线◢◤IGBT的伏安特性与BJT的输出特性相似，也可分为饱和区I、放大区II和击穿区III三局部◢◤IGBT作为开关器件稳态时主要工作在饱和导通区◢◤IGBT的转移特性是指集电极输出电流IC与栅极电压之间的关系曲线。

◢◤它与MOSFET的转移特性相同，当栅极电压UGE小于开启电压UGE(th)时，IGBT处于关断状态。◢201.4.2IGBT的根本特性

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根本相同。◢◤td(on)+tr=ton叫开通时间，td(off)+tf=toff叫关断时间◢IGBT的正偏平安工作区和反偏平安工作区◤IGBT开通时的正向偏置平安工作区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的反向偏置平安工作区RBSOA如图1-29b)所示。它根本上是一矩形：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。◢211.4.3米勒效应的影响IGBT和MOSFET的开关特性与晶体管内部的电容及电阻之间的关系：1、在IGBT(MOSFET)被关断后，CGE〔CGS〕很小，约等于CCE〔CDS〕。2、在导通状态下，一旦G-E极〔G-S极)电压大于C-E极(D-S极)电压时，由于G极区下的增强层的扩大，CGC(CGD)将大幅度上升。3、在开关过程中，基于米勒效应，CGC(CGD)还会进一步的动态增加。221.4.4IGBT的擎住效应擎住效应IGBT为四层结构，体内存在一个奇生晶体管，其等效电路如图以下图所示。在V2的基极与发射极之间并有一个扩展电阻Rbr，在此电阻上P型体区的横向空穴会产生一定压降，对J3结来说，相当于一个正偏置电压。在规定的漏极电流范围内，这个正偏置电压不大，V2不起作用，当Id大到一定程度时，该正偏置电压足以使V2开通，进而使V2和V3处于饱和状态，于是寄生晶体管开通，栅极失去控制作用，这就是所谓的擎住效应.IGBT发生擎住效应后，漏极电流增大，造成过高功耗，导致损坏。可见，漏极电流有一个临界值Idm。当Id＞Idm时便会产生擎住效应。23在IGBT关断的动态过程中，假假设dUds／dt过高，那么在J2结中引起的位移电流Cj2〔dUds/dt〕会越大，当该电流流过体区扩展电阻Rbr时，也可产生足以使晶体管V2开通的正向偏置电压，满足寄生晶体管开通擎住的条件，形成动态擎住效应。使用中必须防止IGBT发生擎住效应，为此可限制Idm值，或者用加大栅极电阻Rg的方法延长IGBT关断时间，以减少dUds/dt值。值得指出的是，动态擎住所允许的漏极电流比静态擎住所允许的要小，生产厂家所规定的Id值是按动态擎住所允许的最大漏极电流来确定的。1.4.4IGBT的擎住效应241.4.5IGBT的驱动IGBT的驱动条件与IGBT的特性密切相关。随着正偏置电压Uge增加，通态电压下降，开通能耗Eon也下降，如图以下图所示。由图中还可看出，假设+Uge固定不变时，导通电压将随漏极电流增大而增高，开通损耗将随结温升高而升高。25负偏电压-Uge直接影响IGBT的可靠运行，负偏电压增高时漏极浪涌电流明显下降，对关断能耗无显著影响，－Uge与集电极浪涌电流和关断能耗Eoff

的关系如图以下图所示。26门极电阻Rg增加，将使IGBT的开通与关断时间增加；因而使开通与关断能耗均增加。而门极电阻减小，那么又使di/dt增大，可能引发IGBT误导通，同时Rg上的损耗也有所增加。具体关系如以下图所示。271.4.6IGBT开通损耗281.4.7本卷须知l〕IGBT与MOSFET都是电压驱动，都具有一个2.5～5V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷非常敏感故驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。2〕用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压Uge,有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外,IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率，使IGBT不退出饱和而损坏。

3〕驱动电路要能传递几十kHz的脉冲信号。

4〕驱动电平+Uge也必须综合考虑。+Uge增大时，IGBT通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时的Ic增大，IGBT能承受短路电流的时间减小，对其平安不利，因此在有短路过程的设备中Uge应选得小些，一般选12～15V。295〕在关断过程中，为尽快抽取PNP管的存储电荷，须施加一负偏压Uge,但它受IGBT的G、E间最大反向耐压限制，一般取-1v—-10V。6〕在大电感负载下，IGBT的开关时间不能太短，以限制出di/dt形成的尖峰电压，确保IGBT的平安。7〕由于IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，故驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离。8)