电力电子学习 2

二极管的垂直导电结构和横向导电结构是什么意思？
垂直导电结构一般是高压大电流器件，垂直结构有利于散热和减小导通压降，而水平结构一般用于低压小电流器件，特点是成本低工艺易于实现

2.6 功率场效应晶体管
场效应晶体管：包括结型场效应管（JFTE）和金属氧化物绝缘栅功率场效应晶体管（MOSFTE），是一种单极型电压全控器件，在各类开关电路中应用极为广泛。
主要优点：
具有输入阻抗高，驱动功率小且电路简单；
工作速度快（开关频率可达500KHZ以上）
热稳定性好、不易发生二次击穿且安全工作区
场效应晶体管的分类：
当栅极电压为零时，漏源极存在导电沟道的称为耗尽型场效应晶体管（包括N、 P沟道），包括结型场效应晶体管，常采用耗尽型结构；
当栅极电压不为零时，漏源极存在导电沟道的称为增强型场效应晶体管（包括 N\P沟道），对于功率MOSFET常采用N沟道的增强型结构

耗尽型结型场效应管（JFET）—在同一块N§型半导体上制作两个高掺杂的P区或N区，将他们连接在一起并引出栅极，而半导体的两端引出分别形成漏极和源极，一依据半导体的不同，可以分为N沟道和P沟道两种。

N沟道增强型绝缘栅场效应管（MOSFET）
栅极和其他电极及硅片之间是绝缘的，称绝缘栅型场效应管

2.6.1 基本结构和工作原理
外形结构电气符号

2.6.1 基本结构和工作原理
工艺结构：

功率MOSFET导电机理与小功率MOS管特性相同，但在结构上有较大区别；
小功率MOS管均采用导电沟道平行于芯片表面横向导电结构；
而功率MOSFET大都采用垂直导电结构（导电沟道垂直于芯片表面）
垂直导电结构能大大提高器件的耐压和通流能力，所以功率MOSFET又称为VMOSFET。

功率MOSFET导电机理：
当栅源极间电压为零时，若漏源极间加正电压时，P基区与N区之间形成的PN结反偏，漏源极之间无电流流过

若在栅源极加正电压Ugs,栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过
但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的电子吸引到栅极下面的区表面

当Ugs大于Ut(开启电压，一般为2–4V)时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使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结消失，漏极和源极导电

功率MOSFET特性及主要参数

1.温度特性与安全工作区
功率MOSFET的通态电阻Rds随着温度的上升而增大；
功率MOSFET具有正温度系数特性----有利于并联：其电流越大，发热越大，通态电阻就增大，从而限制了电流的增大，这对于功率MOSFET并联运行的均流也比较有利；
功率MOSFET的这种正温度特性使得功率MOSFET 没有热反馈引起的二次击穿现象，其安全工作区大大增大；
通常双极性器件（SCR）具有负温度系数，及其通态电阻则随着温度的上升而减小，因此不利于并联。

导致功率MOSFET（单极性）和 SCR （）双极性正负温度系数差异的根本原因是这两种器件的工作载流子性质不同：
SCR

SCR这类双极型器件主要依靠少数载流子的注入传导电流

而少数载流子的注入密度随结温上升而增大，相应的多数载流子的浓度也增加，相应的多数载流子浓度也增加，从而导致通态电阻下降而使电流的增大，而电流的增大使结温进一步上升，从而使电流与结温间形成正反馈效应；（负温度系数）

功率MOSFET主要依靠多数载流子导电。

多数载流子的迁移率随温度的上升而下降，其宏观表现就是漂移区的电阻升高，电阻升高会使电流减小，电流的减小使得结温下降，从而使电流与结温之间形成负反馈效应。（正温度系数）

2.静态特性
功率MOSFET的静态正向输出特性描述了不同的UGS下，漏极电流ID与漏源极电压UDS间的关系曲线。它可以分为三个区域：
当UGS＜UT（UT——开启电压），功率MOSFET工作在截止区；
当UGS＞UT，当器件工作在器件饱和区时，随着UDS的增大，ID几乎不变，只有改变UGS才能使ID发生变化;
当MOSFET充分导通时，其工作在正向电阻区，此时UGS 、 UDS的变化均能导致ID的变化，就像电阻一样。

在功率MOSFET的饱和区中维持UDS为恒值，漏极电流ID将随栅源间电压UGS而变。
定义Gfs＝ID/(UGS- UT)为直流跨导 Gfs越大，说明UGS对ID的控制能力越强。
功率MOSFET漏源（D-S）极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通，因此功率MOSFET可看作是逆导器件；
在画电路图时，为了避免遗忘，常常在MOSFET的电气符号两端反向并联一个二极管。

动态特性了解即可

4.主要参数

        除前面已涉及到的跨导、开启电压以及开关过程中的时间参数外，功率MOSFET还有以下主要参数：
（1）通态电阻Ron通态电阻Ron是影响最大输出功率的重要参数。Ron随ID的增加而增加，随UGS的升高而减小。
（2）漏极电压最大值UDSM这是标称功率MOSFET电压额定的参数，为避免功率MOSFET发生雪崩击穿，实际工作中的漏极和源极两端的电压不允许超过漏极电压最大值UDSM。
（3）漏极电流最大值IDM这是标称功率MOSFET电流额定的参数，实际工作中漏源极流过的电流应低于额定电流IDM的50%。

GTO(门级可关断晶闸管)：全控型器件电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低。GTO 电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低。
GTR（电力晶体管）耐高压，电流大开关特性好。GTR 耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题。
MOSFET （电力场效应晶体管）驱动电路简单，需要驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性高于GTR但是电流容量小。MOSFET 开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。
IGBT(绝缘栅双极晶体管)它综合了GTR和mosfet的优点，IGBT 开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTO。

与GTO和GTR通过电流来驱动不同，MOSFET是电压驱动型器件（场控器件），其输入阻抗极高，输入电流非常小，有利于驱动电路的设计；
开通时栅-源极需加10~15V驱动电压；
关断时栅-源极需加-5~-10V驱动电压；
栅极驱动电阻的选取必须参考相关手册：若电阻选取过大，则会影响开关管的开关速度；若电阻选取过小，则由于开关速度过快，可能会导致电压尖峰。

电力MOSFET的一种驱动电路：包括电气隔离和晶体管放大电路两部分;
无输入信号时高速放大器A输出负电平,V3导通输出负驱动电压;
当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压。

功率MOSFET的薄弱之处是栅源极间的绝缘层易被击穿损坏，栅源间电压不得超过20V。为此，在使用时必须注意若干保护措施。 1）防止静电击穿 2）防止栅源过电压

功率MOSFET属于多子导电的单极型器件

，无电导调制效应，通流能力受到限制，另外，虽然开关速度较快，

但当要提高器件的阻断电压时，其导通电阻将迅速增加，以至于使器件无法正常工作；

为克服功率MOSFET不足，结合双极性器件（大功率晶体管GTR）的优点，推出并发展了新的器件—绝缘栅双极型晶体管（IGBT-Insulated Gate Bipolar Transistor）；

IGBT综合了功率MOSFET和GTR的优点，是一种复合型器件，是当今电力电子技术应用最广的主流器件。

图a)、b)、c)为IGBT的外形、简化等效电路和电气图形符号；
IGBT有三个电极，分别是集电极C、发射极E和栅极G；
在应用电路中C接电源正极，E接电源负极，它的导通和关断由栅极电压来控制；
栅极加正电压时，MOSFET内形成导电沟道，为PNP型GTR提供基极电流，则IGBT导通；
撤除栅极正压或在栅极上加反向电压时MOSFET的导电沟道消失，GTR的基极电流被切断，则IGBT被关断。

1.静态特性
1）IGBT的导通原理和功率MOSFET相似;
2）图为IGBT的伏安特性，它反映在一定的栅极—发射极电压UGE下IGBT的输出端电压UCE与电流IC的关系;

3）当UGE＞UGE(th)（开启电压，一般为3～6V）时，IGBT开通;

4）当UGE＜UGE(th)时，IGBT关断。

IGBT的伏安特性分为正向阻断区、有源区和饱和区；值得注意的是，IGBT的反向电压承受能力很差，其反向阻断电压只有几十伏，因此限制了它在需要承受高反压场合的应用；为满足实际电路的要求，IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，成为逆导器件，选用时应加以注意。

3．主要参数
（1）最大集射极间电压UCEM
这是由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所确定的，实际应用中应计算IGBT集射极两端的最大电压，并在选型时留有裕量。
（2）最大集电极电流
包括额定直流电流ICM和1ms脉宽最大电流ICP。
（3）最大集电极功耗PCM
指在正常工作温度下允许的最大耗散功率。

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