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时间:2020-09-28
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1、第一章电力半导体器件1.0电力电子器件概述1.1功率二极管1.2晶闸管1.3可关断晶闸管(GTO)1.4电力晶体管(GTR)1.5功率场效应晶体管(P-MOSFET)1.6绝缘栅双极型晶体管(IGBT)1.7电力电子器件散热、串并联及缓冲保护1.5功率场效应晶体管—全控型1.5.1P-MOSFET的结构与工作原理1.5.2P-MOSFET的基本特性1.5.3P-MOSFET的主要参数1.5.4P-MOSFET的安全工作区1.5.5P-MOSFET的门极驱动电路1.5功率场效应晶体管—全控型分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的MOS型(MetalOxideSemiconductorFE
2、T)简称功率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)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(PowerMetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)1.5.1P-MOSFET的结构和工作原理P
3、-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。功率MOSFET主要是N沟道增强型。功率MOSFET的芯片内部结构NNPN-N+漏极栅极源极芯片照片断面1.5.1P-MOSFET的结构和工作原理P-MOSFET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。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1.5.1P-MOSFET的结构和工作原理
4、小功率MOS管是横向导电器件。功率MOSFET大都采用垂直导电结构,又称为VMOSFET(VerticalMOSFET)。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(VerticalDouble-diffusedMOSFET)。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。P-MOSFET的结构1.5.1P-MOSFET的结构和工作原理截止: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
5、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,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。1.5.2P-MOSFET的基本特性(1)转移特性(TransferCharacteristic)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(小)时,ID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Gfs。图1-20功率MOSFET的转移特性1)静态特性010203050402468ID/AUTUGS/V△ID△U
6、GS1.5.2P-MOSFET的基本特性(2)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,即漏极伏安特性。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)102030504001020305040饱和区非饱和区截止区UDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图1-20P-MOSFET的输出特性1)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
7、联时的均流有利。1.5.2P-MOSFET的基本特性开通过程开通延迟时间td(on)上升时间tr开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和ton=td(on)+tr关断过程关断延迟时间td(off)下降时间tf关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和toff=td(off)+tfa)b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图1-21P-MOSFE
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