功率器件新员工培训2006.

功率器件新员工基础培训物料品质部2006-03目录一、我司主要功率器件；二、二极管；三、MOSFET；四、IGBT一、我司主要功率器件我司产品中主要使用的功率器件如下：二极管（功率二极管、信号二极管等）；稳压管；三极管；MOSFET；IGBT;整流桥；可控硅；数码管、液晶等；二、二极管－定义二极管（Diode）：一种具有两个引出端子和单向导电性的半导体器件。二极管广泛应用于各种电路之中，起到整流、嵌位、续流、隔离、稳压、保护等作用。符号：二、二极管－基本原理二极管的重要特性：单向导电性。Why？二、二极管－基本原理多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果使空间电荷区变宽。1，PN结的形成：空间电荷区也称PN结－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区二、二极管－基本原理PN结变窄P接正、N接负外电场IF内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–2，PN结加正向电压：PN结正向偏置二、二极管－基本原理PN结变宽外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－3，PN结加反向电压：PN结反向偏置二、二极管－分类1、按类型划分整流二极管：正向压降低，恢复时间长，适合低频整流。如1N4007，整流桥。信号二极管：速度快，结电容小，适合信号处理。如1N4148、BAV70快恢复二极管：恢复时间短，恢复电流小，关断速度快。快速软恢复二极管：恢复时间短，恢复电流小，恢复特性软。肖特基二极管：正向压降小，无存储电荷。适合低压高频整流。二、二极管－分类2、按封装划分：插装、表面贴装、螺栓封装DO-41DO-15TO-247TO-220SOT-227D2PAKDPAK二、二极管－分类3、按应用划分1）信号二极管：开关二极管：电流≤200mA电压≤200V肖特基二极管：电流≤200mA电压≤40V2）功率二极管：普通整流二极管：430A/1600V快恢复二极管：2*120A/1400V肖特基二极管：60A/100V二、二极管－主要特性和参数硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降外加电压大于死区电压二极管才能导通。外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。二极管的伏安特性：非线形；非理想开关二、二极管－主要特性和参数1反向阻断参数：反向耐压：VR/VRRM/VRSM，正温度系数（温度升高时，材料晶格振动加剧，平均自由程减小，相同外加电压下载流子获得的动能减小，为达到碰撞电离倍增效应所需的外加电压增大）；反向漏电流：IR；2正向导通参数:IFAV;VF；IFSM;I2t;;VT0;rT;3温度参数:TC/TA,TJ/TJM,Rthjc/Rthja/Rthch;4耗散功率:Pd/Ptot;二、二极管－主要特性和参数5，关断特性：PN结构成的二极管在正向导通时，PN结中存储大量的电荷。当电路使二极管换向时，导通时存储的电荷必须全部被抽出，或被中和掉。电荷被抽出的过程就是形成了反向恢复电流。trr:恢复时间IRM:恢复电流Qrr:恢复电荷S:软度因子二、二极管－常见应用问题注意温度对电流处理能力的影响：温度上升，通过电流能力下降。IFAV1IFAV2ITjmTcTC1TC2功率二极管电流降额：产品工作于额定状态时，实际使用电流不超过对应实际壳温的电流额定值的90％。二、二极管－常见应用问题温度对关断特性的影响：温度升高，反向恢复电流增大，恢复时间、恢复电荷变大。三、MOSFET－定义MOSFET－金属氧化物半导体场效应晶体管（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor),它是一种单极型的电压控制器件，不但具有自关断能力，而且有输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快、无二次击穿问题、安全工作区宽、热稳定性能优良、高频性能好及跨导线性度高等优点。广泛应用于开关电源、小功率变频调速等电力电子设备中，具有很重要的地位。三、MOSFET－基本原理1.结构双扩散工艺；多元胞并联；栅结构：平面栅（Planar），沟槽栅（Trench）；很薄的SiO2层；。。。2.基本工作原理栅极加正电压将沟道处的P型半导体反型成N型，从而控制通断。三、MOSFET－分类1、按原始沟道有无和沟道类型划分：N沟道MOSFET增强型（无原始沟道）耗尽型（有原始沟道）P沟道MOSFET增强型（无原始沟道）耗尽型（有原始沟道）业界应用最为广泛的是N沟道增强型MOSFET。且较多使用的是分立器件，模块使用量相对很少。三、MOSFET－分类2、按栅结构划分平面栅（planar）沟槽栅（Trench）三、MOSFET－分类3、按封装类型划分1）表贴封装LFPAKWPAKDPAKD2PAK三、MOSFET－分类2)插装TO-3PTO-3PFM三、MOSFET－主要特性和参数1、实际元胞结构三、MOSFET－主要特性和参数1、BVds：漏源击穿电压为Vgs＝0V时漏源之间的反向漏电流达到某一规定值（如250uA）时的漏源电压。温度系数：正温度系数，约＋10％/ΔTj＝100℃三、MOSFET－主要特性和参数2、Rds（on）VDSRS*Rn+RchRaRepiRSub30V7%6%28%23%29%7%VDSRn+RchRaRepiRSub600V0.5%0.5%1.5%0.5%96.5%0.5%RS*RDS(on)RS*=packagingSGRS*p+n-Poly-GateRepiRSubSiO2RchRn+Ran+n+Ron—VBR(DSS)2.4~2.6，最高通常1000V具有正温度系数（150℃下数值约为室温下的2.5倍），易于并联。三、MOSFET－主要特性和参数3、Vgs（th）和Qg实际驱动电路提供电压必须超过此点之值，且驱动内阻足够小。三、MOSFET－主要特性和参数4、输入电容Ciss、输出电容Coss、弥勒电容Crss极间电容包含两类：一类为Cgs和Cgd，决定于栅极的几何形状和SiO2绝缘层的厚度；另一类为Cds，取决于沟道面积和有关PN结的反偏程度。为减小这些电容的影响，通常Vds应大于10V。三、MOSFET－主要特性和参数5、热阻三、MOSFET－主要特性和参数热阻（温升计算）：thjcswonZPPZthjcPT*)(*△dTRIPjmondsdon*@)(2TfEEPoffonsw/)(三、MOSFET－常见应用问题1、注意温度对BVds的影响极低温度下BVdss比室温下明显降低，设计时应避免可能的Vds尖峰电压击穿器件。BMP产品曾出现过类似失效，相关图片如下：预防措施：设计上保证足够的电压降额裕量。三、MOSFET－常见应用问题2、驱动不足驱动电路提供电压必须超过此点之值，且驱动内阻足够小。我司产品中曾出现：驱动电压仅比閾值电压略高一点，导致驱动不足，损耗异常增加而失效。三、MOSFET－主要供应商主要供应商份额分布（截至2004年底）产品覆盖范围概貌（discrete）MOS等级主要厂家低压=200VVISHAY、IR、ST、Fairchild、ST、PHILIPS、RENESAS、INFINEON中压200～500VIR、ST、Fairchild、APT、IXYS、INFINEON、RENESAS高压600~1500VIR、ST、Fairchild、APT、IXYS、INFINEON、RENESAS大功率500WAPT、IXYS、四、IGBT－定义IGBT－绝缘栅双极性晶体管（InsolatedGateBipolarTransistor），是80年代初为解决MOSFET的高导通压降（难以兼顾高压和大电流特性）和GTR的工作频率低、驱动功耗大等不足而出现的双机理复合器件（DoubleMechanismDevice）。四、IGBT－基本原理PNPN四层结构；相当于一个低压MOSFET和GTR的复合结构；双极性器件；内含寄生晶闸管；寄生结电容四、IGBT－主要特点和应用范围双极型器件，少子参与导电。空穴电流占总电流的20～25％。由于少数载流子注入的基区调制效应，正向饱和压降（类似于MOSFET的导通电阻）不再明显受到耐压的影响。在大电流下可获得很低的通态压降和很高的功率处理能力；同等耐压和功率处理能力下，IGBT所需的芯片面积明显小于MOSFET，因而具有成本优势；具有MOS栅控制结构，驱动与MOSFET类似；关断时由于少数载流子存储效应，存在电流拖尾，关断损耗较高；也限制了使用频率（一般不高于200KHZ）；由于没有自身的体二极管，应用中需配合反并二极管用以续流，同时限制反向电压。多数产品内部已集成封装了此反并二极管。四、IGBT－主要特点和应用范围四、IGBT－分类1、按电压分：600，1200，1700，3300，6500V四、IGBT－分类2、按芯片技术划分四、IGBT－分类工艺穿通击穿电压器件成本饱和压降工作频率安全工作区PT异质外延＋扩散低于雪崩击穿电压高较低较低，20KHZ以下较窄，高温稳定性差NPT同质扩散＋离子注入高于雪崩击穿电压较低稍高较高较宽，高温稳定性好FS-NPT(LPT,SPT类似）与NPT类似，增加扩散一N+缓冲层（其浓度低于PT中的缓冲层）低于雪崩击穿电压较低较低，2V以下较高较宽，高温稳定性好主要芯片技术比较：四、IGBT－分类3、按封装划分：（1）单管分立器件：TO-220,TO-247,TO-MAX等,与MOSFET插装器件封装类似。（2）模块：提供绝缘功能，3KV以上（安规认证，UL）。DCB材料：Al2O3-AlN-AlSIC（一般工业用器件采用Al2O3、AlN，而航空用器件采用AlSIC材料）四、IGBT－分类A、有铜底板（CopperBaseplate）的模块62mm模块：106×62×30mm四、IGBT－分类B、无铜底板模块：SEMIPONTEASY系列四、IGBT－分类4、按照内部拓扑划分：四、IGBT－主要特性和参数1、厂家数据表（BSM200GB120DLC)四、IGBT－主要特性和参数四、IGBT－主要特性和参数四、IGBT－主要特性和参数四、IGBT－主要特性和参数四、IGBT－常见应用问题1、驱动不足与MOSFET驱动类似，IGBT栅极驱动电压也需超过閾值电压足够幅度，通常应为15±10％V.否则可能导致驱动不足，损耗增大。四、IGBT－常见应用问题2、绝缘耐压失效问题导致DCB层破损的可能原因：1）供应商来料不良；2）我司生产制程不良。主要体现为散热器表面平整度不好；导热硅脂涂层偏后；安装力矩过大；安装过程过猛等。15070071UPS生产绝缘失效谢谢！