【正文】 （ Power MOSFET）。 ■ 電力 MOSFET是用 柵極 電壓來(lái)控制 漏極 電流的，它的特點(diǎn) 有： ◆ 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。 ◆ 開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高。 ◆ 熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)于 GTR。 ◆ 電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過(guò) 10kW的電力電子裝置。 82/7 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ■ 電力 MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 ◆ 電力 MOSFET的種類(lèi) ? 按導(dǎo)電溝道可分為 P溝道和 N溝道。 ? 當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道的稱(chēng)為 耗盡型 。 ? 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)電溝道的稱(chēng)為 增強(qiáng)型 。 ? 在電力 MOSFET中，主要是 N溝道增強(qiáng)型 。 83/7 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ◆ 電力 MOSFET的結(jié)構(gòu) ? 是 單極 型晶體管。 ? 結(jié)構(gòu)上與小功率 MOS管有較大區(qū) 別，小功率 MOS管是 橫向 導(dǎo)電器件，而 目前電力 MOSFET大都采用了 垂直 導(dǎo)電 結(jié)構(gòu)，所以又稱(chēng)為 VMOSFET（ Vertical MOSFET），這大大提高了 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，分為利用 V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的 VVMOSFET （ Vertical Vgroove MOSFET） 和具有 垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散 MOS結(jié)構(gòu)的 DMOSFET （ Vertical Doublediffused MOSFET） 。 ? 電力 MOSFET也是 多元集成 結(jié)構(gòu)。 N+GSDP 溝道b)N+NSGDP PN+N+N+溝道a)GSDN 溝道圖1 1 9圖 220 電力 MOSFET的結(jié)構(gòu) 和電氣圖形符號(hào) a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào) 84/7 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ◆ 電力 MOSFET的工作原理 ? 截止：當(dāng) 漏源 極間接正電壓， 柵極 和 源極 間電壓為 零 時(shí)， 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(guò)。 ? 導(dǎo)通 √在 柵極 和 源極 之間加一 正電壓 UGS，正電壓會(huì)將其下面 P區(qū)中的空穴推開(kāi)，而將 P區(qū)中的少子 —— 電子吸引到柵極下面的 P區(qū)表面。 √當(dāng) UGS大于某一電壓值 UT時(shí)，使 P型半導(dǎo)體反型成 N型半導(dǎo)體，該 反型層 形成 N溝道而使 PN結(jié) J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。 √UT稱(chēng)為 開(kāi)啟電壓（或閾值電壓） ， UGS超過(guò) UT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流 ID越大。 85/7 ■ 電力 MOSFET的基本特性 ◆ 靜態(tài)特性 ? 轉(zhuǎn)移特性 √指漏極電流 ID和柵源間電壓 UGS的關(guān)系，反映了輸入電壓和輸 出電流的關(guān)系 。 √ID較大時(shí)， ID與 UGS的關(guān)系近似 線性，曲線的斜率被定義為 MOSFET的 跨導(dǎo) Gfs，即 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 GSDfs ddUIG ?圖 221 電力 MOSFET的 轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 (211) √是電壓控制型器件，其輸入阻 抗極高，輸入電流非常小。 86/7 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ? 輸出特性 √是 MOSFET的 漏極 伏安特性。 √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)）三個(gè)區(qū)域，飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極電流不再增加，非飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極電流相應(yīng)增加。 √工作在 開(kāi)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。 ? 本身結(jié)構(gòu)所致， 漏極 和 源極 之間形成了一個(gè)與 MOSFET反向并聯(lián)的 寄生二極管 。 ? 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。 圖 221 電力 MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 b) 輸出特性 87/7 ◆ 動(dòng)態(tài)特性 ? 開(kāi)通過(guò)程 √開(kāi)通延遲時(shí)間 td(on) 電流上升時(shí)間 tr 電壓下降時(shí)間 tfv 開(kāi)通時(shí)間 ton= td(on)+tr+ tfv ? 關(guān)斷過(guò)程 √關(guān)斷延遲時(shí)間 td(off) 電壓上升時(shí)間 trv 電流下降時(shí)間 tfi 關(guān)斷時(shí)間 toff = td(off) +trv+tfi ? MOSFET的 開(kāi)關(guān)速度 和其 輸入 電容的充放電 有很大關(guān)系，可以降 低柵極驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻 Rs，從而減 小柵極回路的充放電時(shí)間常數(shù)，加 快開(kāi)關(guān)速度。 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 信號(hào) R s R G R F R L i D u GS u p i D + U E 圖 222 電力 MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程 a)測(cè)試電路 b) 開(kāi)關(guān)過(guò)程波形 up為矩形脈沖電壓信號(hào)源， Rs為信號(hào)源內(nèi)阻， RG為柵極電阻， RL為漏極負(fù)載電阻， RF用于檢測(cè)漏極電流。 (a) (b) 88/7 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ? 不存在 少子儲(chǔ)存效應(yīng) ，因而其關(guān)斷過(guò)程是 非常迅速的。 ? 開(kāi)關(guān)時(shí)間在 10~100ns之間，其工作頻率可 達(dá) 100kHz以上，是主要電力電子器件中最高 的。 ? 在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需要對(duì)輸入電容充放電，仍 需要一定的 驅(qū)動(dòng)功率 ，開(kāi)關(guān)頻率越高，所需 要的驅(qū)動(dòng)功率越大。 89/7 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ■ 電力 MOSFET的主要參數(shù) ◆ 跨導(dǎo) Gfs、開(kāi)啟電壓 UT以及開(kāi)關(guān)過(guò)程中的各 時(shí)間參數(shù) 。 ◆ 漏極電壓 UDS ? 標(biāo)稱(chēng)電力 MOSFET電壓定額的參數(shù)。 ◆ 漏極直流電流 ID和漏極脈沖電流幅值 IDM ? 標(biāo)稱(chēng)電力 MOSFET電流定額的參數(shù)。 ◆ 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。 ◆ 極間電容 ? CGS、 CGD和 CDS。 ◆ 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)。 90/7 絕緣柵雙極晶體管 ■ GTR和 GTO是雙極型電流驅(qū)動(dòng)器件，由于具有 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)，但開(kāi)關(guān)速度較 低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。而電力 MOSFET是單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件，開(kāi)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。 絕緣柵雙極晶體管（ Insulatedgate Bipolar Transistor—— IGBT或 IGT） 綜合了 GTR 和 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。 91/7 絕緣柵雙極晶體管 ■ IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理 ◆ IGBT的結(jié)構(gòu) ? 是三端器件，具有 柵極 G、 集電極 C和 發(fā)射極 E。 ? 由 N溝道 VDMOSFET與 雙 極型晶體管 組合而成的 IGBT， 比 VDMOSFET多一層 P+注入 區(qū)，實(shí)現(xiàn)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 是用 GTR與 MOSFET組成的 達(dá) 林頓 結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個(gè)由 MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū) PNP晶 體管。 圖 223 IGBT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) RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。 92/7 絕緣柵雙極晶體管 ◆ IGBT的工作原理 ? IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力 MOSFET基本相同，是一種 場(chǎng) 控 器件。 ? 其開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓 UGE決定的。 √當(dāng) UGE為正且大于開(kāi)啟電壓 UGE(th)時(shí)， MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使 IGBT導(dǎo)通。 √當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得 IGBT關(guān)斷。 ? 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) 使得電阻 RN減小，這樣高耐壓的 IGBT也 具有很小的 通態(tài)壓降 。 93/7 絕緣柵雙極晶體管 ■ IGBT的基本特性 ◆ 靜態(tài)特性 ? 轉(zhuǎn)移特性 √描述的是集電極電流 IC與柵射電壓 UGE之間的 關(guān)系。 √開(kāi)啟電壓 UGE(th)是 IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而 導(dǎo)通的最低柵射電壓，隨 溫度 升高而略有下降。 （ a） 圖 224 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 94/7 絕緣柵雙極晶體管 ? 輸出特性（伏安特性） √描述的是以柵射電壓為參考變量時(shí)，集電極電流 IC與集射極間電壓 UCE之間的關(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) 。 √當(dāng) UCE0時(shí)， IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。 √在電力電子電路中，IGBT工作在 開(kāi)關(guān)狀態(tài) ，因而是在 正向阻斷區(qū) 和 飽和區(qū) 之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。 (b) 圖 224 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 b) 輸出特性 95/7 絕緣柵雙極晶體管 ◆ 動(dòng)態(tài)特性 ? 開(kāi)通過(guò)程 √開(kāi)通延遲時(shí)間 td(on) 電流上升時(shí)間 tr 電壓下降時(shí)間 tfv 開(kāi)通時(shí)間 ton= td(on)+tr+ tfv √tfv分為 tfv1和 tfv2兩段。 ? 關(guān)斷過(guò)程 √關(guān)斷延遲時(shí)間 td(off) 電壓上升時(shí)間 trv 電流下降時(shí)間 tfi 關(guān)斷時(shí)間 toff = td(off) +trv+tfi √tfi分為 tfi1和 tfi2兩段 ? 引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而 IGBT的開(kāi)關(guān)速度要低于電力 MOSFET。 圖 225 IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程 96/7 絕緣柵雙極晶體管 ■ IGBT的主要參數(shù) ◆ 前面提到的各參數(shù)。 ◆ 最大集射極間電壓 UCES ? 由器件內(nèi)部的 PNP晶體管所能承受的擊穿電壓所確定的。 ◆ 最大集電極電流 ? 包括額定直流電流 IC和 1ms脈寬最大電流 ICP。 ◆ 最大集電極功耗 PCM ? 在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。 97/7 絕緣柵雙極晶體管 ◆ IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下： ? 開(kāi)關(guān)速度 高， 開(kāi)關(guān)損耗 小。 ? 在相同電壓和電流定額的情況下， IGBT的 安 全工作區(qū) 比 GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的 能力。 ? 通態(tài)壓降 比 VDMOSFET低，特別是在電流較 大的區(qū)域。 ? 輸入阻抗 高，其輸入特性與電力 MOSFET類(lèi) 似。 ? 與電力 MOSFET和 GTR相比， IGBT的 耐壓 和 通流能力 還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持 開(kāi)關(guān)頻率 高 的特點(diǎn)。 98/7 絕緣柵雙極晶體管 ■ IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū) ◆ IGBT的擎住效應(yīng) ? 在 IGBT內(nèi)部寄生著一個(gè) NPN+晶體管和作為主開(kāi) 關(guān)器件的 P+NP晶體管組成的寄生晶閘管。其中 NPN晶體 管的基極與發(fā)射極之間存在 體區(qū)短路電阻 ， P形體區(qū)的橫 向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相