逆变电源功率半导体ppt课件.ppt

功率半导体培训讲义功率半导体器件 Ø 1.1 功率半导体器件种类与特点 Ø 1.2 功率晶体管 Ø 1.3 功率场效应管 Ø 1.4 绝缘栅极双极型晶体管 Ø 1.5 运用本卷须知以及性能比较1.1 功率半导体器件种类与特点从功率等级来分类 有微功率器件、小功率器件、大功率器件等等制造资料分类 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 1.1.1 半导体器件分类1.1.2 功率半导体器件运用特点 o电力半导体器件稳态时通常任务在饱和导通与截止两种任务形状o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任务形状下的损耗都很小，器件近似于理想的开关 o但需求指出的是，电力半导体器件在开关形状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 ， 当任务在饱和导通形状时管压降， ， 的管耗 ， 截止的漏电流 ，即截止时的管耗 。

假设 任务性放大形状时，设 ，那么 的管耗  从运用角度出发，主要可从以下五个方面调查功率半导体器件的性能特点： 导通压降 运转频率 器件容量 耐冲击才干 可靠性 此外，诸如控制功率、可串并联运转的难易程度、价钱等等也是选择电力半导体器件应思索的因数1.1.3 功率半导体器件开展程度 o在整流管类中，快速恢复二极管将有较大的开展o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o在功率晶体管类中，以IGBT开展最为迅速 1.2 功率晶体管 图1-2 BJT内部构造与元件符号〔a〕BJT内部构造； 〔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构成根本构造有NPN和PNP两种 为了提高BJT耐压，普通采用NPvN三重分散构造〔图1-6〕图1-3 集电极耐压与单位发射面积电流密度关系 功率晶体管BJT普通是指壳温为25℃时功耗大于1W的晶体管 1.2.1 任务原理及输出特性图1-4 BJT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的放大才干，就是用较小的基极电流IB可以控制大的集电极电流IC  1.2.2 BJT共发射极电路的输出特性 图1-5 BJT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的四种任务形状◢◤在晶体管关断形状时，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〕，相当于处于关断形状的开关 ◢◤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添加，集电极电流IC线性增大，晶体管呈放大形状，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任务在饱和区，相当于处于导通形状的开关◢ 1.2.3 BJT的开关特性图1-6 BJT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，基极电流立刻上升到 ，在IB的作用下，发射结逐渐由反偏变为正偏，BJT由截止形状变为导通形状 ，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任务在饱和形状，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任务在截止形状，BJT相当于一断开的开关◢1.2.3 BJT的开关特性图1-7 BJT的开关特性 ◤图1-11 b〕中的ton叫开通时间，它表示BJT由截止形状过渡到导通形状所需求的时间它由延迟时间td和上升时间tr­两部分组成，ton = td + tr ◢ ◤ td为延迟时间，表示从参与驱动脉冲，到集电极电流上升到0.1ICsa所需求的时间 tr为上升时间，表示集电极电流从0.1ICsa上升到0.9ICsa所需求的时间◢ ◤ toff叫关断时间，表示BJT由导通形状过渡到截止形状所需求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辰开场，直到集电极电流下降到0.9ICsa所需求的时间。

◢◤ tf为下降时间，表示集电极电流从0.9ICsa下降到0.1ICsa所需求的时间 ◢图1-8 功率晶体管的开关损耗 1.2.4 BJT的二次击穿 图1-9 二次击穿实验曲线 图1-10 二次击穿临界限 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 ◤在二次击穿景象中，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任务点进入一次击穿区时，并不立刻产生二次击穿，而要有一个触发时间当加在BJT上的能量超越临界值〔触发能量〕时，才产生二次击穿，也就是说二次击穿需求能量◢ 1.2.5 BJT的平安任务区〔SOA〕 ◤ BJT任务的平安范围由图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，由集电极允许接受的最大电流决议；②集电极允许最高电压UCE0，由雪崩击穿决议；③集电极直流功率耗散线PCM ，由热阻决议；④二次击穿临界限PSB，由二次击穿触发功率决议◢图1-11 BJT的平安任务区图1-12 不同任务形状下BJT的平安任务区〔a〕正向偏置平安任务区； 〔b〕反向偏置平安任务区◤从图1-16可以看出BJT的反向偏置平安任务区比正偏时大得多◢◤可以在元件关断瞬间，想方法使元件真正置于反偏任务形状，即对BJT基极驱动电路，在元件截止时，施加负的基射极电压。

来利用反偏平安任务区的特性 ◢1.2.6 达林顿BJT与BJT模块图1-13 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 2 饱和压降UCEsa较高 3 关断速度减慢 ts = ts1 + ts2图1-14 BJT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，大大减少了变换器的体积； 2〕    有电绝缘且传热好的固定底座，安装运用很方便； 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呵斥的过电压1.3 功率场效应管 1.3.1 概述◤功率场效应管，即功率MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 是一种单极型的电压控制器件，有驱动功率小、任务速度高、无二次击穿、平安任务区宽等显著优点◢◤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运用◢ 图1-15 功率场效应管构造图〔a〕“T〞MOSFET； 〔b〕“V〞－MOSFET1.3.2 MOSFET的根本特性 〔一〕转移特性图1-16　N沟道型MOSFET的转移特性 ◤只需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：◤ U GS＝10V之后，MOSFET的ID由外电路限制了。

因此任务在开关形状的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1-17　功率MOSFET输出特性〔三〕MOSFET的电容 图1-18 MOSFET各端点之间的电容◤ MOSFET各极之间的结电容由其物理构造所决议，金属氧化膜的栅极构造决议了栅漏之间的结电容Cgd和栅源之间的结电容Cgs，MOSFET的PN结构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1-19 开关特性测试电路与波形Øtd(on)：开通延迟时间Øtr：上升时间Ø td(off) ：关断延迟时间，Øtf ：下降时间 1.3.3 MOSFET平安任务区图1-20 MTM 4N 50的平安任务区〔a〕最大额定开关平安任务区； 〔b〕最大额定正偏平安任务区 ◤由于电流具有随温度上升而下降的负反响效应，因此MOSFET中不存在电流集中和二次击穿的限制问题，它有较好的平安任务区〔SOA〕 ◢ ◤图1-24是型号为MTM 4N 50(500V, 4A)的MOSFET的平安任务区，它分最大额定开关平安任务区和最大额定正向偏置平安任务区两种。

◢◤最大额定开关平安任务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 ，这个平安任务区只适用于器件开关时间小于1μs的开通和关断过程 ◢◤在其他任务条件下，运用正向偏置平安任务区正向偏置平安任务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1-29 b〕表示的是温度为25℃时的正向偏置平安任务区 ◢ ◤在任一温度下，某一任务电压的允许电流可经过以下等式算出：1．3．4 MOSFET的根本参数 Ø〔一〕漏极额定电流ID和峰值电流IDM Ø〔二〕通态电阻rDS(ON Ø〔三〕阀值电压UGS(th) Ø〔四〕漏源击穿电压U(BR)DSS Ø〔五〕最大结温TJM Ø〔六〕最大耗散功率PD Ø〔七〕热阻 Ø TC +PD < TJM1.4 绝缘栅极双极型晶体管 (IGBT )1.4.1 IGBT的构造与任务原理 图1-21 IGBT的构造剖面图 图1-22 IGBT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、耐压高和接受电流大等优点 ◢◤由构造图可以看出，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构造器件，图示器件是N沟道IGBT，MOSFET为N沟道型，BJT为PNP型 ◢ 1.4.2 IGBT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的输出特性类似，也可分为饱和区I、放大区II和击穿区III三部分 ◢◤ IGBT作为开关器件稳态时主要任务在饱和导通区 ◢◤ 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的转移特性一样，当栅极电压UGE小于开启电压UGE(th)时，IGBT处于关断形状◢1.4.2 IGBT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根本一样◢◤ td(on)+ tr= ton叫开通时间，td(off)+ tf= toff叫关断时间◢IGBT的正偏平安任务区和反偏平安任务区◤ IGBT开通时的正向偏置平安任务区FBSOA是由最大集电极电流ICM、最大集射极电压UCEM、最大功耗三条边境极限曲线包围而成的， ◢◤ IGBT的反向偏置平安任务区RBSOA如下图。

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 ◢ 1.4.3 米勒效应的影响1、在IGBT(MOSFET)被关断后，CGE〔CGS〕很小，约等于CCE 〔CDS〕2、在导通形状下，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 的加强层的扩展， CGC(CGD)将大幅度上升3、在开关过程中，基于米勒效应， CGC(CGD)还会进一步的动态添加图1-23 米勒效应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：1.4.4 IGBT的擎住效应擎住效应擎住效应 IGBT IGBT 为四层构造，体内存在一个奇生晶体管，其等效电路如图为四层构造，体内存在一个奇生晶体管，其等效电路如图以下图所示在以下图所示在V2V2的基极与发射极之间并有一个扩展电阻的基极与发射极之间并有一个扩展电阻 Rbr Rbr，在，在此电阻上此电阻上P P型体区的横向空穴会产生一定压降，对型体区的横向空穴会产生一定压降，对 J3 J3 结来说，相结来说，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，不大，V2V2不起作用，当不起作用，当IdId大到一定程度时，该正偏置电压足以使大到一定程度时，该正偏置电压足以使V2V2开通，进而使开通，进而使V2V2和和V3V3处于饱和形状，于是寄生晶体管开通，栅极失处于饱和形状，于是寄生晶体管开通，栅极失去控制造用，这就是所谓的擎住效应去控制造用，这就是所谓的擎住效应 .IGBT .IGBT发生擎住效应后，漏极发生擎住效应后，漏极电流增大，呵斥过高功耗，导致损坏可见，漏极电流有一个临界电流增大，呵斥过高功耗，导致损坏可见，漏极电流有一个临界值值 Idm Idm当IdId＞＞IdmIdm时便会产生擎住效应时便会产生擎住效应  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，形成动态擎住效应运用中必需防止IGBT发生擎住效应，为此可限制Idm值，或者用加大栅极电阻Rg的方法延伸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。

1.4.4 IGBT的擎住效应1.4.5 IGBT的驱动 IGBT 的驱动条件与 IGBT 的特性亲密相关随着正偏置电压Uge添加，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 负偏电压-Uge直接影响IGBT的可靠运转，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  门极电阻Rg添加，将使IGBT的开通与关断时间添加；因此使开通与关断能耗均添加而门极电阻减小，那么又使di/dt增大，能够引发IGBT误导通，同时 Rg 上的损耗也有所添加具体关系如以下图所示1.4.6 IGBT开通损耗图1-24 IGBT开通损耗1.5 运用本卷须知以及性能比较 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，故驱动电路必需很可靠，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〕驱动电路要能传送几十kHz的脉冲信号  4〕驱动电平+Uge也必需综合思索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能接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，普通选 12～15V 5〕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，普通取-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构成的尖峰电压，确保IGBT的平安 7〕由于IGBT在电力电子设备中多用于高压场所，故驱动电路与控制电路在电位上应严厉隔离 8) IGBT的栅极驱动电路应尽能够简单适用，最好本身带有对IGBT 的维护功能，有较强的抗干扰才干BJT、功率MOSFET、IGBT的性能比较 器件称号BJTMOSFETIGBT驱动方式电流电压电压驱动功率大小小存储时间5~20无几乎无开关速度1~50.1~0.50.5~1高压化容易难容易大电流化容易难容易高速化难极容易极容易SOA窄宽宽饱和电压低高低任务机理少数载流子导电多数载流子导电少子、多子混合导电I-U特性电流控制指数伏安特性电压控制低电流平方伏安特性高电流区线性伏安特性 〔沟道宽度〕电压控制大电流指数伏安特性，小电流MOS伏安特性 Id决议于沟道宽度和栅有效面积并联运用不能简单并联，须采用均流电阻等措施不产生电流集中，能直接并联不产生电流集中，能直接并联耐压才干采用深结、台面等终端技术采用场板、分压环等平面终端技术采用场板、分压环等平面终端技术输入阻抗小，要求较大的基极电流，故驱动电路设计复杂大，驱动电路设计简单大，驱动电路设计简单跨导β换算成gm较MOS大，但IC上升，gm下降受沟道宽长比限制，Id上升，gm下降跨导大开关特性少子存储效应，限制开关速度多子漂移，无存储效应，开关速度较BJT高一个数量级比MOSFET慢平安任务区SOA受二次击穿影响，SOA小无二次击穿，SOA大无二次击穿，SOA大温度特性电流温度系数为正，会发生热崩电流温度系数为负，稳定性好调整构造参数，能使温度系数为零任务频率低最高高开关损耗中～高〔取决于与通态损耗的折衷〕很低低～中〔取决于与通态损耗的折衷〕IGBT和MOSFET模块的运用范围。