1、第八章功率晶体管和二极管第1页，共89页。引言v 功率电子学的发展特征是器件的发展v 慢速SCR-高速开关器件v 应用场合更为广阔v 二极管/晶体管/GTR/MOS/IGBT第2页，共89页。第八章功率晶体管和二极管v基本要求：了解各种常用的功率晶体管和二极管的基本特性和定额参数，为设计功率电路正确选择功率器件打下基础学习内容：功率二极管：大功率晶体管：GTR大功率双极型功率晶体管（Bipolar Junction Transitor,BJT）MOSFET金属氧化物半导体场效应管IGBT绝缘栅晶体管第3页，共89页。第一节功率二极管v功率二极管不可控器件vPower Diode:结构简单工作可
2、靠自20世纪50年代就获得应用v快恢复二极管和肖特基二极管：分别在中高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位第4页，共89页。第一节功率二极管v功率二极管的工作原理v基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样v以半导体PN结为基础，由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的第5页，共89页。第一节功率二极管vN型半导体和P型半导体结合后构成PN结。vP区主要为空穴即为多子，N区的多子为电子；v交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩v散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负v电荷这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。第6页，共89页。第
3、一节功率二极管v空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止v 扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为v 多子）向本区运动，即漂移运动。v?扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾，最终达到动态平v 衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电v 荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称v 为耗尽层、阻挡层或势垒区。第7页，共89页。第一节功率二极管v当PN结外加正向电压时，外加电场与PN结的v内电场方向相反，在外电场作用下P区的空v穴和N区的电子将被吸引到耗尽层，使耗尽层v变窄削弱，有利于多子扩散不利于少子漂流第8页，共89页。第一节功
4、率二极管vPN结外加反向电压时，外加电场与PN结内电v场方向相同，在外电场的作用下，多子将离开vPN结而位空间电荷区变宽，增强了内电场，v因而有利于少于的漂移而不利于多子的扩散。第9页，共89页。二极管的伏安特性vPN结的理解特性第10页，共89页。二极管的伏安特性vPN结的正向导通特性第11页，共89页。二极管的伏安特性vPN结的反向偏置第12页，共89页。正向特性第13页，共89页。正向导通及反向截止vPN结的正向导通状态vPN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左v 右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态vPN结的反向截止状态vPN结的单向导电性v二极管的基本原理就在于PN结的单向导
5、电性这一主要v 特征vPN结的反向击穿v有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿第14页，共89页。二极管正向特性v 1.正向压降随耐压升高而升高v2.正向压降随温度升高而降低v3.正向压降的负温度系数对单个工作有利v4.正向压降的负温度系数对并联不利第15页，共89页。正向特性的负温度特性第16页，共89页。二极管特性v符号:Dv导通机理:PN结特性v正向偏置特性v反向偏置特性第17页，共89页。二极管的开关特性vPN 结是P/N 型半导体结合区的空间电荷区v空间电荷区-内电场-耗尽层v当外加正电压，削弱内电场，注入电荷,形成正向电流v正电压减小时，空间电场放出电荷，内电场增强,正向电流
6、减小v类似电容充放电,-二极管的动态特性中电容效应尤为关键第18页，共89页。二极管的电容效应(1)v两端电压变化，内电场重新建立,等效为Cb称之为”垫垒电容”vCb与PN结截面积成正比,这与电容基本定义一致第19页，共89页。二极管的电容效应(2)v二极管的电流变化,内部存储电荷变化v空穴从P 区到N 区，电子从N 区到P 区电荷不完全复合,多余部份即为存储电荷v当电流大,存储电荷增加；当电流小,放出电荷；表现出电容特性v将之等效为Cd,即扩散电容第20页，共89页。PN结的电容效应：vPN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电v 容Cj，又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用
7、的差别v 分为势垒电容Cb和扩散电容Cdv势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，v 势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正v 比，与阻挡层厚度成反比v而扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电v 压较低时势垒电容为主，正向电压较高时扩散电容为结电容v 主要成分v结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，v 可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注v 意。第21页，共89页。二极管结电容v Cj=Cb+Cdv理解了二极管的电容效应很容易理解其开关过程不能瞬间完成v尤其在外加反压时，二极管的结电容必须先放电，经过一段恢复时间后，二极
8、管才能恢复阻断vCj的存在导致二极管开关损耗增加第22页，共89页。二极管开关特性v等效电路v反向恢复特性(重点)第23页，共89页。几种反向恢复比较第24页，共89页。反向恢复的影响v引起较大的损耗vdi/dt造成较大的电磁干扰以及尖峰电压v限制了二极管的开关速度第25页，共89页。二极管的类型v按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别v是反向恢复特性有不同的分类v应用时，应根据不同场合的不同要求，选择不同类型v的功率二极管；v性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造v成的。v普通二极管v trr大，适用于低频,如1 khz整流电路v快恢复二极管v trr5 us，开关二极管，用
9、于高频整流/斩波和逆v变,其中超快恢复trr+U2;vIb:0-Ib2v Ib先给结电容vCbe充电;Ic在v经过td(开通延v时)后开始上升第51页，共89页。双极型功率晶体管参数v 电流放大倍数,正温度系数v Uces或导通电阻v 电压额定值第52页，共89页。开关波形-关断状态vIb首先将基区过剩电荷抽走,Cbe仍然正偏,Q仍然导通v经过存储时间Ts后,Q电流方开始下降v再经过下降时间Tf后,才能关断第53页，共89页。几个电压额定值vU(BR)cbo发射极开路时UcbmvU(BR)cex基射极反偏时UcemvU(BR)ces基射极短路时UcemvU(BR)cer基射极有r时UcemvU
10、(BR)ceo基射极开路时Ucem第54页，共89页。几个时间的定义v1延迟时间v2上升时间v3存储时间v4下降时间v参见P144 页第55页，共89页。几个电压额定值v BUcboBUceo/BUcer/BUces/BUcexv 大小关系：BUceoBUcer1BUcer2BUcesBUcexR2)第56页，共89页。GTR的电流定额v集电极最大允许电流IcMv通常规定为hFE下降到规定值的1/2-1/3时所对应的Icv实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点v电流Ibm,Iem第57页，共89页。vG极E极同一平面正偏程度不一致v边缘正偏程度中心正偏程度v横向电场方向由边缘指向
11、中心v边缘出现电流热点v正温度系数的电阻率v热循环正偏二次击穿正偏击穿问题第58页，共89页。v3)集电极最大耗散功率PcMv最高工作温度下允许的耗散功率.v产品说明书中给PcM时同时给出壳温TCvPcMT=(TjM-T)PcM/(TJM-Tc)第59页，共89页。正偏二次击穿特性v器件的基区宽度越高，越不易发生击穿v器件的频率高,Is/b下降，容易发生v器件的外加电压高，Is/b下降，容易发生v选择低频器件，外加电压尽量低第60页，共89页。GTR的二次击穿现象与安全工作区v一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变v二
12、次击穿一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变第61页，共89页。反偏二次击穿问题v G极E极同一平面反偏程度不一致v 边缘反偏程度中心反偏程度v 横向电场方向由中心指向边缘v 中心出现电流热点v 正温度系数的电阻率v 热循环反偏二次击穿第62页，共89页。反偏二次击穿特性v 与芯片结构有关v 与Ube和Rb相关v Ube一定时，Rb越大，Es/b越大，不易发生v Rb一定时，Ube越小，Es/b越大，不易发生v 防反偏击穿要求与关断动态指标存在矛盾，需要均衡考虑第63页，共89页。达林顿连接v 大电流GTR的小，
13、Ibs过大v 为获得较大，可将两晶体管组成复合管，即进行达林顿连接v 为两级之乘积，起到放大作用v 但Uces会有一定程度的增加第64页，共89页。安全工作区v考虑电压电流功率二次击穿多个因素v由四条曲线所围成的范围第65页，共89页。安全工作区（Safe Operating AreaSOA）v最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率vPcM、二次击穿临界线限定第66页，共89页。场控半导体第67页，共89页。场效应晶体管v也分为结型和绝缘栅型（类似小功率FieldEffect TransistorFET）v通常指绝缘栅型的MOS 型（Metal OxideSemiconducto
14、r FET）-简称功率MOSFET（PowerMOSFET）v特点用栅极电压来控制漏极电流v-驱动电路简单，需要的驱动功率小v-开关速度快，工作频率高v-热稳定性优于GTRv-电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置第68页，共89页。MOSFET的种类v按导电机理不同可分为结型和绝缘珊型结型外加电场控制场效应晶体管栅源之间PN结耗尽层宽度变化来控制沟道电导v绝缘栅型栅极G与其余两个电极之间是绝缘的，外加电场控制半导体中感应电荷量的变化控制沟道电导的，所以称为绝缘栅型。v导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管第69页，共89页。MOSFET的种类v绝
15、缘栅型MOSFET分为耗尽型和增强型v耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道v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v按导电沟道可分为P沟道和N沟道v功率MOSFET主要是N沟道增强型v（大功率MOSFET一般不用P沟道，空穴的迁移率比电子v低，导通电阻大）第70页，共89页。四个工作区v VGSVT时，v可变电阻区（导通状态）v 当VGDVGS-VDS20V将导致绝缘层击穿v4)极间电容:极间电容CGS、CGD和CDS 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Crssv5)dUDS/dt限制第79页，共89页。安全工作
16、区v漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定v一般来说，MOSFET不存在二次击穿问题；实用中仍应注意留适当的裕量。第80页，共89页。绝缘栅双极晶体管(IGBT)vGTR的特点双极型，电流驱动，通流能力很强，v开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂vMOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，v输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动v电路简单v绝缘栅双极晶体管（Insulated-gatevBipolar TransistorIGBT或IGT）vGTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有良好的特v性v1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市v场，
17、中小功率电力电子设备的主导器件第81页，共89页。IGBT的结构和工作原理v三端器件：栅极G、集电极C和发射极EvIGBT的结构vIGBT比MOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结.IGBT具有很强的通流能力.第82页，共89页。IGBT的原理v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v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v导通压降：通态压降小v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关断第83页，共89页。IGBT的基本特性v1
18、)IGBT的静态特性v转移特性：开启电压UGE(th)v输出特性（伏安特性）v分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。vuCE0时，IGBT为反向阻断工作状态第84页，共89页。IGBT的动态特性v开通时间ton=开通延迟时间td(on)+电流上升时间trv关断时间toff=关断延迟时间td(off)+电流下降时间tf电流拖尾第85页，共89页。IGBT的主要参数v1)最大集射极间电压UCES 由内部PNP晶体管的击穿电压确定v2)最大集电极电流包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICPv3)最大集电极功耗PCM 正常工作温度下允许的最大功耗第86页，共89页。IGBT的特性和参数特点v
19、(1)开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与MOSFET相当v(2)相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力v(3)通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域v(4)输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似v(5)与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点第87页，共89页。IGBT的擎住效应和安全工作区v寄生晶闸管由一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成v擎住效应（自锁效应）：ICM,duCE/dt限制第88页，共89页。v正偏安全工作区（FBSOA）最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定v反向偏置安全工作区（RBSOA）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确定第89页，共89页。
