功率元件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)SCRBJTMOSIGBT驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)2007-11-11電力半導(dǎo)體器件廠內(nèi)常用功率半導(dǎo)體1.2功率二極管1.3晶閘管SCR1.4功率晶體管BJT1.6功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET1.7IGBT功率元件簡(jiǎn)介BJT結(jié)構(gòu),參數(shù)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)MOS結(jié)構(gòu),參數(shù)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)SCR結(jié)構(gòu),參數(shù)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)IGBT結(jié)構(gòu),參數(shù)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)BJT結(jié)構(gòu)參數(shù)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)BJT簡(jiǎn)介雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT）

分類根據(jù)功率，可分為小功率晶體管和電力晶體管

應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代

應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代BJT共發(fā)射極電路的輸出特性圖1-10BJT共發(fā)射極電路的輸出特性◤該圖表示集電極電流IC與集射極電壓UCE的關(guān)系，其參變量為IB，特性上的四個(gè)區(qū)域反映了BJT的四種工作狀態(tài)。◢◤在晶體管關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，基極電流IB＝0，集電極發(fā)射極間電壓即使很高，但發(fā)射結(jié)與集電結(jié)均處于反向偏置，即UBE≤0，UBC<0，發(fā)射結(jié)不注入電子，僅有很少的漏電流流過，在特性上對(duì)應(yīng)于截止區(qū)（I區(qū)），相當(dāng)于處于關(guān)斷狀態(tài)的開關(guān)。◢◤當(dāng)發(fā)射結(jié)處于正向偏置而集電結(jié)仍為反向偏置時(shí)，即UBE>0，UBC<0，隨著IB增加，集電極電流IC線性增大，晶體管呈放大狀態(tài)，特性上對(duì)應(yīng)線性放大區(qū)（II區(qū)）。◢◤當(dāng)基極電流IB>（IC/β）時(shí)，晶體管就充分飽和了。這時(shí)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都是正向偏置，即UBE>0，UBC>0，電流增益和導(dǎo)通壓降UCE均達(dá)到最小值，BJT進(jìn)入飽和區(qū)（IV區(qū)）。BJT工作在飽和區(qū)，相當(dāng)于處于導(dǎo)通狀態(tài)的開關(guān)。◢

1.3.5達(dá)林頓BJT與BJT模塊圖1-17達(dá)林頓BJT的等效電路達(dá)林頓BJT有以下特點(diǎn)：1共射極電流增益值大

圖1-18BJT模塊的等效電路

BJT模塊除了有上述達(dá)林頓BJT的特點(diǎn)外，還有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）

它是能量高度集中的組合器件，大大縮小了變換器的體積；2）

有電絕緣且傳熱好的固定底座，安裝使用很方便；3）

內(nèi)含續(xù)流二極管減少了線路電感，降低了器件關(guān)斷時(shí)電流變化率造成的過電壓。2飽和壓降UCEsa較高3關(guān)斷速度減慢

ts=ts1+ts2

1.4功率場(chǎng)效應(yīng)管1.4.1概述◤功率場(chǎng)效應(yīng)管，即功率MOSFET(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)是一種單極型的電壓控制器件，有驅(qū)動(dòng)功率小、工作速度高、無(wú)二次擊穿、安全工作區(qū)寬等顯著優(yōu)點(diǎn)。◢◤在中小功率的高性能開關(guān)電源、斬波器、逆變器中，功率場(chǎng)效應(yīng)管成為雙極型晶體管的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，并得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。◢

圖1-19功率場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖（a）“T”MOSFET；（b）“V”－MOSFET1.4.2MOSFET的基本特性1；轉(zhuǎn)移特性圖1-20N溝道型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性◤只有UGS大于門檻電壓UGS（th）才有漏極電流ID流過，在ID較大時(shí)，ID和UGS近似為線性關(guān)系，亦即跨導(dǎo)gFS為常數(shù)：◤UGS＝10V之后，MOSFET的ID由外電路限制了。因此工作在開關(guān)狀態(tài)的MOSFET正向驅(qū)動(dòng)電壓Ug≈10V。◢

（二）輸出特性

◤輸出特性可以分為三個(gè)區(qū)域:可調(diào)電阻區(qū)I，飽和區(qū)II和雪崩區(qū)III◢圖1-21功率MOSFET輸出特性1.4.3MOSFET安全工作區(qū)圖1-24MTM4N50的安全工作區(qū)（a）最大額定開關(guān)安全工作區(qū)；（b）最大額定正偏安全工作區(qū)◤由于電流具有隨溫度上升而下降的負(fù)反饋效應(yīng)，因而MOSFET中不存在電流集中和二次擊穿的限制問題，它有較好的安全工作區(qū)（SOA）

◢

◤圖1-24是型號(hào)為MTM4N50(500V,4A)的MOSFET的安全工作區(qū)，它分最大額定開關(guān)安全工作區(qū)和最大額定正向偏置安全工作區(qū)兩種。◢◤最大額定開關(guān)安全工作區(qū)是負(fù)載線可跨越而不會(huì)招致MOSFET損壞的界限，基本的限制是峰值電流IDM和擊穿電壓U(BR)DSS，這個(gè)安全工作區(qū)只適用于器件開關(guān)時(shí)間小于1μs的開通和關(guān)斷過程

◢◤在其余工作條件下，使用正向偏置安全工作區(qū)。正向偏置安全工作區(qū)受功率損耗的限制，而結(jié)溫是隨功率損耗的變化而變化，圖1-29b）表示的是溫度為25℃時(shí)的正向偏置安全工作區(qū)。◢◤在任一溫度下，某一工作電壓的允許電流可通過下列等式算出：1．4．4MOSFET的基本參數(shù)（一）漏極額定電流ID和峰值電流IDM

（二）通態(tài)電阻rDS(ON

（三）閥值電壓UGS(th)

（四）漏源擊穿電壓U(BR)DSS

（五）最大結(jié)溫TJM

（六）最大耗散功率PD

（七）熱阻

TC+PD

<TJM1.5絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)1.5.1IGBT的結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1-25IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖圖1-26IGBT簡(jiǎn)化等效電路及信號(hào)◤絕緣柵極雙極型晶體管簡(jiǎn)稱IGBT,它將功率MOSFET與BJT的優(yōu)點(diǎn)集于一身，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，又具有通態(tài)壓降低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)◢◤由結(jié)構(gòu)圖可以看出，IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)BJT，其簡(jiǎn)化等效電路如圖1-26所示，圖中電阻Rdr是厚基區(qū)BJT基區(qū)內(nèi)的擴(kuò)展電阻。◢

◤IGBT是以BJT為主導(dǎo)元件，MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)器件，圖示器件是N溝道IGBT，MOSFET為N溝道型，BJT為PNP型。◢

1.5.2IGBT的基本特性

IGBT的開關(guān)特性的測(cè)試電路IGBT的開關(guān)特性的開關(guān)特性曲線◤IGBT的開關(guān)特性如圖1-35所示。由圖可知IGBT的開關(guān)特性與功率MOSFET基本相同。◢◤td(on)+tr=ton叫開通時(shí)間，td(off)+tf=toff叫關(guān)斷時(shí)間◢

IGBT的正偏安全工作區(qū)和反偏安全工作區(qū)◤IGBT開通時(shí)的正向偏置安全工作區(qū)FBSOA是由最大集電極電流ICM、最大集射極電壓UCEM、最大功耗三條邊界極限曲線包圍而成的，◢◤IGBT的反向偏置安全工作區(qū)RBSOA如圖1-29b)所示。它基本上是一矩形：2倍的額定集電極電流（2IC）和額定集射級(jí)電壓（UCE）所圍成的矩形。◢

3.3.1概述也分為結(jié)型和絕緣柵型（類似小功率FieldEffectTransistor——FET）但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）簡(jiǎn)稱電力MOSFET（PowerMOSFET）結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）返回3.3.1概述

特點(diǎn)——用柵極電壓來(lái)控制漏極電流驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小開關(guān)速度快，工作頻率高熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置3.3.2電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理電力MOSFET的種類

按導(dǎo)電溝道可分為P溝道

和N溝道

耗盡型——當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道增強(qiáng)型——對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道

電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型返回3.3.2電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別電力MOSFET的多元集成結(jié)構(gòu)國(guó)際整流器公司（InternationalRectifier）的HEXFET采用了六邊形單元西門子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形單元摩托羅拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列3.3.2電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷娏OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET）——大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，又分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）

這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論3.3.2電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理電力MOSFET的工作原理截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無(wú)電流流過3.3.3電力MOSFET的基本特性1)

靜態(tài)特性圖1-20電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性返回3.3.3電力MOSFET的基本特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs3.3.3電力MOSFET的基本特性MOSFET的漏極伏安特性（輸出特性）：截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）電力MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利3.3.3電力MOSFET的基本特性2)

動(dòng)態(tài)特性圖1-21電力MOSFET的開關(guān)過程a)測(cè)試電路b)開關(guān)過程波形up—脈沖信號(hào)源，Rs—信號(hào)源內(nèi)阻，RG—柵極電阻，RL—負(fù)載電阻，RF—檢測(cè)漏極電流3.3.3電力MOSFET的基本特性開通過程（開關(guān)過程圖）開通延遲時(shí)間td(on)——up前沿時(shí)刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時(shí)刻間的時(shí)間段上升時(shí)間tr——

uGS從uT上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時(shí)間段iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負(fù)載電阻決定UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)UGS達(dá)到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變開通時(shí)間ton——開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和3.3.3電力MOSFET的基本特性關(guān)斷過程（開關(guān)過程圖）

關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)——up下降到零起，Cin通過Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時(shí)，iD開始減小止的時(shí)間段下降時(shí)間tf——

uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS<UT時(shí)溝道消失，iD下降到零為止的時(shí)間段關(guān)斷時(shí)間toff——關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和3.3.3電力MOSFET的基本特性MOSFET的開關(guān)速度MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系使用者無(wú)法降低Cin，但可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速開關(guān)時(shí)間在10~100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。3.3.4電力MOSFET的主要參數(shù)3.電力MOSFET的主要參數(shù)

除跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之還有:1)

漏極電壓UDS

電力MOSFET電壓定額2)

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM

電力MOSFET電流定額3)柵源電壓UGS

柵源之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿4)

極間電容

極間電容CGS、CGD和CDS

返回3.3.4電力MOSFET的主要參數(shù)廠家提供：漏源極短路時(shí)的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容CrssCiss=CGS+CGD

（1-14）

Crss=CGD

（1-15）

Coss=CDS+CGD

（1-16）輸入電容可近似用Ciss代替這些電容都是非線性的3.3.4電力MOSFET的主要參數(shù)

漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區(qū)

MOSFET正向偏置安全工作區(qū)(圖中的時(shí)間表示脈沖寬度）

一般來(lái)說，電力MOSFET不存在二次擊穿問題，這是它的一大優(yōu)點(diǎn)

實(shí)際使用中仍應(yīng)注意留適當(dāng)?shù)脑Ａ?.4絕緣柵雙極晶體管3.4.1概述3.4.2IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理3.4.3IGBT的基本特性3.4.4IGBT的主要參數(shù)3.4.5IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)返回3.4.1概述GTR和GTO的特點(diǎn)——雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜

MOSFET的優(yōu)點(diǎn)——單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件—Bi-MOS器件返回3.4.1概述絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）

GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有好的特性

1986年投入市場(chǎng)后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場(chǎng),中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件

繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位3.4.2IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理IGBT是三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E圖1-22IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡(jiǎn)化等效電路c)電氣圖形符號(hào)返回3.4.2IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理IGBT的結(jié)構(gòu)（顯示圖）圖1-22a—N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT（N-IGBT）

IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個(gè)大面積的P+N結(jié)J1——使IGBT導(dǎo)通時(shí)由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流能力簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管

RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻3.4.2IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理IGBT的原理

驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷3.4.3IGBT的基本特性1)

IGBT的靜態(tài)特性圖1-23IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性返回3.4.3IGBT的基本特性轉(zhuǎn)移特性——IC與UGE間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似開啟電壓UGE(th)——IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25C時(shí)，UGE(th)的值一般為2~6V輸出特性（伏安特性）——以UGE為參考變量時(shí)，IC與UCE間的關(guān)系分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對(duì)應(yīng)uCE<0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)3.4.3IGBT的基本特性2)

IGBT的動(dòng)態(tài)特性圖1-24IGBT的開關(guān)過程3.4.3IGBT的基本特性IGBT的開通過程

（開關(guān)過程圖）

與MOSFET的相似，因?yàn)殚_通過程中IGBT在大部分時(shí)間作為MOSFET運(yùn)行開通延遲時(shí)間td(on)——從uGE上升至其幅值10%的時(shí)刻，到iC上升至10%ICM2

電流上升時(shí)間tr

——iC從10%ICM上升至90%ICM所需時(shí)間開通時(shí)間ton——開通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1——IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過程；tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程3.4.3IGBT的基本特性IGBT的關(guān)斷過程（開關(guān)過程圖）關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)——從uGE后沿下降到其幅值90%的時(shí)刻起，到iC下降至90%ICM電流下降時(shí)間tf——iC從90%ICM下降至10%ICM關(guān)斷時(shí)間toff——關(guān)斷延遲時(shí)間與電流下降之和電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快；tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢3.4.3IGBT的基本特性IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來(lái)了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度低于電力MOSFET