5全控器件2(MOSFET和IGBT).ppt

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1、课题十五:典型全控器件MOSFET和IGBT1一、电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET），简称电力MOSFET（PowerMOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor——SIT）2电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道。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——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。电力MOSFET主要是N沟道增强型。1.电力MOSFET的结构和工作

2、原理一、电力场效应晶体管3电力MOSFET的结构导电机理与小功率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。图15-1电力MOSFET的结构和电气图形符号一、电力场效应晶体管4小功率MOS管是横向导电器件。电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（VerticalMOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。电力MOSFET的结构一、电力场效应晶体管5是单极型晶体管（只有一种载流子参与导电）。优点——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。开关速度快，工作频率高（最高）。热稳定性优于GT

3、R。缺点——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。电力MOSFET的特点一、电力场效应晶体管6电力场效应晶体管7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。导电：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。图15-2电力MOSFET的结构和电气图形符号电力MOSFET的工作原理一、电力场效应晶体管8(1)静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID

4、与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图15-3电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性2.电力MOSFET的基本特性一、电力场效应晶体管9截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应GTR的饱和区）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

5、压时器件导通。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。MOSFET的漏极伏安特性：一、电力场效应晶体管10不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。开关时间在10~100ns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的开关速度一、电力场效应晶体管113.电力MOSFET的主要参数——电力MOSFET电压定额(1)漏极电压UDS(2)漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM——电力MOSFET电流定额(3)栅

6、源电压UGS——UGS>20V将导致绝缘层击穿。除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：(4)极间电容——极间电容CGS、CGD和CDS一、电力场效应晶体管12二、绝缘栅双极晶体管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-gateBipolarTransistor——IGBT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

7、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。131.IGBT的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极E图15-5IGBT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)电气图形符号二、绝缘栅双极晶体管14简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。RN为晶体管基区内的调制电阻。图15-5IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)