功率场效应晶体管缘栅双极型晶体管

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）简称功率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。(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( Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)P-MOSFET的种类的种类 按导电沟道可分为P沟道沟道和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。 功率MOSFET主要是N沟道增强型沟道增强型。功率MOSFET的芯片内部结构漏极栅极源极芯片照片断面P-MOSFET的结构的结构是单极型、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绝缘层小功率MOS管是横向导电器件。功 率 M O S F E T 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。P-MOSFET的结构的结构截止截止：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。 P-MOSFET的工作原理的工作原理导电导电：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 。UGS数值越大，P-MOSFET导电能力越强，ID也就越大。 (1) 转移特性转移特性（Transfer Characteristic）漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性转移特性。ID较大（小）时，ID与与UGS的关系近似（非）线性，曲线的斜率（微变量之比）定义为跨导跨导Gfs。图1-20 功率MOSFET的转移特性1）静态特性）静态特性010203050402468ID/AUTUGS/VIDUGS (2) 输出特性输出特性漏极电流ID和漏源间电压UDS的关系称为MOSFET的输出特性，输出特性，即即漏极伏安特漏极伏安特性性 。分为四个区：非饱和区（可变电阻区）、饱和区（恒流区）、击穿区（雪崩区）、截止区（UGS低于开启电压）102030504001020 305040饱和区非饱和区截止区UDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图1-20 P-MOSFET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。开通过程开通过程开通延迟时间开通延迟时间td(on) 上升时间上升时间tr开通时间开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和 ton td(on) tr关断过程关断过程关断延迟时间关断延迟时间td(off)下降时间下降时间tf关断时间关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和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1-21 P-MOSFET的开关过程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， l从中可以求得器件的：l输入电容： CinCGSCGD。l输出电容: CoutCGDCDS。l反馈电容： CrCGD。l正是Cin在开关过程中需要进行充、放电，影响了开关速度。同时也可看出，静态时虽栅极电流很小，驱动功率小，但动态时由于电容充放电电流有一定强度，故动态驱动仍需一定的栅极功率。开关频率越高，栅极驱动功率也越大。 MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。 P-MOSFET是多数载流子器件，不存在少数载流子特有的存贮效应，因此开关时间很短，典型值为20ns，影响开关速度的主要是器件极间电容。 可降低信号源驱动电路内阻Rs减小Ci 充、放电时间常数，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除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：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UGS UGS20V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。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。 l功率MOSFET具有电流负温度效应，没有二次击穿问题，具有非常宽的安全工作区，特别是在高电压范围内，但是功率MOSFET的通态电阻比较大，所以在低压部分不仅受最大电流的限制，还要受到自身功耗的限制。图 正向偏置安全工作区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。 正向偏置安全工作区(FBSOA)l正向偏置安全工作区由四条边界极限所包围的区域。漏源通态电阻线，最大漏极电流线，最大功耗限制线和最大漏源电压线， 开关安全工作区(SSOA)l开关安全工作区(SSOA)表示器件工作的极限范围。在功率MOSFET换流过程中，当器件体内反并联二级管从导通状态进入反向恢复期时，如果漏极电压上升过大，则很容易造成器件损坏。二极管反向恢复期内漏源极的电压上升率称为二极管恢复耐量，二极管恢复耐量是功率MOSFET可靠性的一个重要参数。 换向安全工作区(CSOA)(1) 功率MOSFET驱动电路的共性问题 驱动电路应简单、可靠。也需要考虑保护、隔离等问题。 驱动电路的负载为容性负载。 按驱动电路与栅极的连接方式可分为直接驱动与隔离驱动。(2) 功率MOSFET对栅极驱动电路的要求保证功率MOSFET可靠开通和关断，触发脉冲前、后沿要求陡峭。 减小驱动电路的输出电阻，提高功率MOSFET的开关速度。触发脉冲电压应高于管子的开启电压，为了防止误导通，在功率MOSFET截止时，能提供负的栅源电压。 功率MOSFET开关时所需的驱动电流为栅极电容的充、放电电流。l 驱动电路应实现主电路与控制电路之间的隔离，避免功率电路对控制信号造成干扰。l 驱动电路应能提供适当的保护功能，使得功率管可靠工作，如低压锁存保护、过电流保护、过热保护及驱动电压箝位保护等。l 驱动电源必须并联旁路电容，它不仅滤除噪声，也用于给负载提供瞬时电流，加快功率MOSFET的开关速度。(3) P-MOSFET驱动电路的驱动方式 直接驱动 TTL驱动电路 隔离驱动电路l对于VDMOS，其驱动电路非常简单，但在高速开关驱动时或在并联运行时，可在其驱动电路的输出级上接入射极跟随器，并尽可能地减小输出电阻，以缩短它的开通和关断时间。如果在驱动信号上做到阻断时栅源电压小于零，就能进一步缩短关断时间。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（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）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。 IGBT的结构的结构三端器件：栅极(门极)G、集电极C和发射极E图1-22 IGBT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。简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET(驱动元件)组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。在集电极和发射极之间其内部实际上包含了两个双极型晶体管P+NP及N+PN，它们又组合成了一个等效的晶闸管即存在着一个寄生晶闸管，寄生晶闸管有擎住作用。图1-22 IGBT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阻。RS 为沟道体P基区内的体区电阻 。 驱动原理与功率MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导导通通：uGE开启电压开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。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的工作原理的工作原理ICUGE(th)UGEO1) 静态特性静态特性 (1) 转移特性转移特性图1-23 IGBT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UGE UGEth(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。1) 静态特性静态特性 (2) 输出特性输出特性图1-23 IGBT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, 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1-24 IGBT的等效电路 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）lIGBT开通时的正向偏置安全工作区由电流、电压和功耗三条边界极限包围而成。最大集电极电流ICM是根据避免动态擎住而确定的；最大集射极电压UCEM是由IGBT中PNP晶体管的击穿电压所确定；最大功耗则由最高允许结温所决定。lIGBT关断时的反向偏置安全工作区与IGBT关断时的du/dt有关，du/dt越高，RBSOA越窄。 1) 栅极驱动电路对IGBT的影响 正向驱动电压+V增加时，IGBT输出级晶体管的导通压降和开通损耗值将下降，但并不是说+V值越高越好。 IGBT在关断过程中，栅射极施加的反偏压有利于IGBT的快速关断。 栅极驱动电路最好有对IGBT的完整保护能力。 为防止造成同一个系统多个IGBT中某个的误导通，要求栅极配线走向应与主电流线尽可能远，且不要将多个IGBT的栅极驱动线捆扎在一起。（1）. IGBT的栅极驱动的栅极驱动 2) IGBT栅极驱动电路应满足的条件 栅极驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大。 在IGBT导通后，栅极驱动电路提供给IGBT的驱动电压和电流要具有足够的幅度。 栅极驱动电路的输出阻抗应尽可能地低。l栅极驱动条件与IGBT的特性密切相关。设计栅极驱动电路时，应特别注意开通特性、负载短路能力和引起的误触发等问题。（2）. IGBT驱动电路驱动电路2） 光耦合器门极驱动电路 ： 驱动电路的输出级采用互补电路的型式以降低驱动源的内阻，同时加速IGBT的关断过程。3）脉冲变压器直接驱动IGBT的电路 由于是电磁隔离方式，驱动级不需要专门直流电源，简化了电源结构。4）IGBT的驱动模块电路l应用成品驱动模块电路来驱动IGBT ，可以大大提高设备的可靠性，目前市场上可以买到的驱动模块主要有：富士的 EXB840、841，三菱的 M57962L，落木源的KA101、KA102，惠普的 HCPL316J、3120 等。这类模块均具备过流软关断、高速光耦隔离、欠压锁定、故障信号输出功能。由于这类模块具有保护功能完善、免调试、可靠性高的优点，所以应用这类模块驱动 IGBT 可以缩短产品开发周期，提高产品可靠性。 lHCPL316J 可以驱动150A/1200V的IGBT，光耦隔离，COMS/TTL电平兼容，过流软关断，最大开关速度500 ns，工作电压1530 V，欠压保护。输出部分为三重复合达林顿管，集电极开路输出。采用标准SOL-16 表面贴装。 1) 静电保护lIGBT的输入级为MOSFET，所以IGBT也存在静电击穿的问题。防静电保护极为必要。可采用MOSFET防静电保护方法。2) 过电流保护l与BJT一样，IGBT过电流可采用集射极电压状态识别保护方法。（3）. IGBT的保护的保护3) 短路保护