电力电子建模功率半导体器件

一、发展历程1956年(BellLab)发明了晶闸管(SCR)，标志着电力电子学科的建立。6500V/5000A/0.7V/2.5~10kHz大容量低频第三讲功率半导体器件•不具有自关断能力！电流开通增益小，只有5-10，且开通后需要维持门极电流；开关频率最高只有5kHz。•电流型门极驱动！电流关断增益小，只有5，关断时要很大的门极负电流。1970年后期1970年前期GTRGTO晶闸管的不足之处•开关频率低！1980年代，出现了高频、压控型器件。600V/200A/100kHz6500V/200A/50kHz低压中小功率场合高压大功率场合(Toshiba)发明MOSFETIGBT兼具GTO(耐压高、通态电流大)和MOSFET(电压型控制，开关速度快)的优点；且不需外加驱动电路。1990年代后期出现了集成门极换向晶闸管(IGCT)。2000年代初出现了宽禁带半导体材料电力电子器件。包括：碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石。优点：耐压高得多、通态电阻低得多，更好的导热性能，更强的耐高温能力，极高的开关速度。(4500V/4000A/10-50kHz)德国艾赛斯美国安森美美国飞兆（仙童）德国英飞凌（优派克）美国国际整流器美国威世意大利意法半导体日本富士德国西门子二、分类按驱动方式电流型驱动电压型驱动按可控性不控半控SCRGTRGTOMOSFETIGBTIGCT全控DIODE三、二极管（DIODE）1、反向恢复特性（reverserecovery）SDUinLCRLiLiDtttUgeiLiDUgeiD002种载流子反向恢复特性：正向导通的二极管在外电路施加反向偏置电压后，二极管的电流下降到零，而后反向流通。trrtiDuDIRm将过剩少数载流子移除出去，导致二极管流过反向电流。反向恢复电荷Qrr反向恢复损耗Prr2、按反向恢复特性分类普通整流二极管（trr＞5us）快恢复二极管（trr＜1us）超快恢复二极管（trr＜100ns）肖特基二极管（trr＜40ns）PN结二极管势垒二极管SiC二极管（trr=0）功率二极管在开关频率低于1kHz的场合，使用普通整流二极管；高频场合采用超快恢复二极管和肖特基二极管。为了减小反向恢复损耗，必须减小二极管的反向恢复时间！3、主要参数额定正向平均电流反向重复峰值电压正向平均电压二极管是负温度系数，即温度越高，管压降越低！因此，二极管绝对不能并联使用！•正向平均电压（VF）•反向重复峰值电压（VRRM）•额定正向平均电流（IF(AV)）反向偏置电压一般低于1/3~2/3VRRM，否则很可能会被击穿！正向电流平均值一般低于1/2~2/3IF(AV)，否则会过热！通态损耗Pon【例1】下图中的二极管选何种类型？已知Uin=220V，50Hz，Uo=100V，fs=50kHz。uinUo只有1种载流子导电沟道四、功率场效应晶体管（POWERMOSFET）1、工作机理NNPBSDGNNPBSDGNNPBSDG反型NNPSDG电容效应按导电机理2、分类增强型耗尽型N沟道P沟道MOSFET按沟道载流子类型增强型耗尽型P沟道器件的导通电阻较N沟道器件高，故功率MOSFET主要为N沟道型。Ugs=0时沟道就已经存在Ugs0时沟道才存在3、特性曲线（N沟道增强型）•可变电阻区：当UgsUT时，开始形成沟道。onRgsU沟道宽度•截止区：当UgsUT时，未形成沟道。Ugs不变，iD和Uds的函数关系。•恒流区：当UdsUgs-UT时，电流不随Uds变化。•击穿区在器件的饱和区中，维持Uds不变，iD与Ugs的函数关系。【例2】如何构成恒流型电子负载？4、等效电路dsCgsCgdCMOSFET的寄生二极管是与生俱来的！MOSFET不具有反向阻断能力！MOSFET的寄生二极管的反向恢复时间trr很大！反向续流场合，必须外并超快恢复二极管（SFRD）或者肖特基二极管（SBD）！•输入电容Ciss•输出电容Coss•密勒CrssMOSFET并联，可以减小RON，减小通态损耗；但是增大了Cds，增大了开通损耗！通态损耗Pon开通损耗Ps容性开通5、主要参数•漏极连续电流ID（100℃）单管电流平均值一般低于1/2~2/3ID，否则会过热！•漏源击穿电压V(BR)DS漏源电压一般低于1/3~2/3VDS，否则可能会击穿！•栅源电压VGS驱动电压必须低于VGS，否则会击穿栅极绝缘层！•门槛电压VGS（th）驱动电压必须高于VGS(th)，否则无法导通！2.4~2.6onBRDSRV（）•导通电阻RDS(on)特点1：耐压越高，RDS(on)也越大！特点2：驱动电压越高，RDS(on)越小！特点3：RDS(on)为正温度系数，即温度越高，电阻越大，且是成倍增大！正温度系数可实现并联管之间的自动均流！MOSFET耐压一般低于600V！CoolMOS(英飞凌公司)耐压600V-800V通态电阻下降为1/3S1UinLCRLS2【例3】下图中的二极管选何种类型？已知Uin=5V，Uo=1V，Po=100W，fs=50kHz。SDUinLCRL特点4：导通电阻具有双向导电性！取代SBD，实现同步整流！S1和S2必须互补导通，且先关后开！！！6、驱动电路【例4】MOSFET是电压型驱动器件，只要Vgs超过门槛电压就能导通，为什么还需要专门的驱动电路？DSPPWM信号3.3V/4mAMOSFET驱动信号15V/1A？驱动电路是控制电路与MOSFET的栅极之间的接口电路！•直接驱动适用于控制电路和MOSFET的源极共地的应用场合！SDUinLCRLDSPPWM信号3.3V/4mAMOSFET驱动信号15V/1A+15V1kΩ15V10~100Ω1N4148Q1Q2Q4Q3DSPMOSFET并联时的驱动•隔离驱动适用于控制电路和MOSFET的源极不共地的应用场合！DSPPWM信号3.3V/4mAMOSFET驱动信号15V/1ASDUinLCRL？？+15V1kΩ15V10~100Ω1N4148Q4Q3C变压器隔离优点：不需要独立电源！响应速度快！可提供反向偏置电压，能可靠关断！便宜！缺点：由分立元件搭成电路，尺寸较大；仅适用于占空比变化不大的场合！！！【例5】若PWM信号的占空比为0.6，若要使Ugs达到15V，则变压器的匝比为多少？在此若占空比减为0.4，则Ugs为多少？+15V1kΩ15V10~100Ω1N4148Q4Q3C【例6】若PWM信号的占空比为1，是否可用上图进行驱动？光耦隔离三菱富士NC1AN2CA3NC4VCC8Vo7Vo6VEE5U1A3120R11kR210R310kPWMZ15VC20.1uFD1N414815VNC110uF15V15VN15VNS【例7】若PWM信号的占空比为1，是否可用上图进行驱动？电容自举——常用集成芯片IR2110IR2110适用于同时驱动半桥、全桥的上下桥臂或者同步整流的Buck变换器等。UinC1RL？？S2S1C2•主电路直流电压：Uin=500V•开关频率：fc=100kHz•驱动电源电压：Vcc=10~20V状态1：Q1断、Q2通；Q3通、Q4断。此时，S1关断，S2开通。+15V经过DB给自举电容CB充电，直至+15V。UinC1RLS2S1C2ComUBHoLoUsVccIR2110+15V123756Q1Q2Q3Q4CBDB状态2：Q1通、Q2断；Q3断、Q4通。此时，S2关断。自举电容CB充经过Q1进行放电，直至S1完全开通。UinC1RLS2S1C2ComUBHoLoUsVccIR2110+15V123756Q1Q2Q3Q4ACBDBgBBr15QCKUUinC1RLS2S1C2ComUBHoLoUsVccIR2110+15V123756Q1Q2Q3Q4ACBDB承受的反向电压：Urrm=Uin正向平均电流：IF=Qgfs只能选超快恢复二极管•自举电路参数选择DB占空比不能过小五、绝缘栅晶体管（IGBT）1、工作机理VFCEGmRVGbec由N沟道MOSFET驱动的PNP型GTR！•不具有反向流通能力；•关断时有电流拖尾现象！关断时，基区过剩载流子无处释放，只能缓慢复合！电流拖尾导致关断损耗很大，成为Ps的主要部分！2、特性曲线UGE不变，iC和UCE的函数关系。•iC一定，UGE越大，UCE(sat)越低！饱和区正向击穿区截止区反向击穿区放大区UGE=0UCEIC0UGE1UGE2UGE3Uces•反向阻断电压极低，在需要反向阻断的场合必须串联二极管使用！逆阻型IGBT具有反向阻断能力！在器件的放大区中，维持UCE不变，iC与UGE的函数关系。UGE=0UCEIC0UGE1UGE2UGE3UGEUGE(th)IC03、等效电路器件类型型号MTE75N10MOSFETIXGH75N60IGBTUN/V100600IN/A7575Ciss/pFCrss/pFCoss/pF6000400012004000100340CgeCgcCceGCE•没有寄生二极管！•个别厂家将IGBT和二极管集成在一个芯片中，使之具备反向续流能力！容性开通损耗远远小于MOSFET，可以忽略！•电流密度为MOSFET的20倍，相同电流定额下的芯片面积小，极间电容小！Cies=Cgc+CgeCoes=Cgc+CceCres=Cgc4、主要参数（以IXH35N120A为例）•集射击穿电压VCES•集电极连续电流IC90•开启电压VGE(th)•饱和压降VCE(sat)特点1：在小电流时，为负温度系数；在大电流时为正温度系数！特点2：饱和压降随温度变化很小！特点3：饱和压降随Uge的增大而减小！特点4：相同电压定额，同样电流下的通态压降低于MOSFET！•关断时间tfi和单次关断能耗Eoff通态损耗Pon关断损耗Ps器件类型型号IXGH25N120低速IXGH25N120A高速UN/V12001200IN/A5050Uce(sat)/Vtf/us31.240.85、驱动电路加快关断，减小电流拖尾导致的关断损耗！可靠关断，防止误开通！IGBT关断时必须施加反向偏置电压，一般为-5~-15V。栅极特性相同，因此驱动电路的结构类似，可以用相同的驱动芯片！•相同点•不同点目的IGBT和MOSFET的驱动电路有什么异同点？NC1AN2CA3NC4VCC8Vo7Vo6VEE5U1A3120R11KR23KR3100R41K24V124V124V1N24V1NPWM1G1E1D1D3D4D2C2C1+C3+C4不具有短路保护功能！过流保护光耦隔离电压放大5.1VQ2Q1R913265151420VRgDpSPWMEXB841（IGBT高速驱动芯片）•具有过流保护功能！•单电源供电！•开关频率40kHz！•-5V的反向偏压！•软关断！保护阈值Uce=8V六、小结MOSFETIGBT导通时相当于电阻导通时为基本不变的电压降可以并联大电流时可以并联有寄生二极管没有寄生二极管可以反向流通不可以反向流通不要反向偏置驱动需要反向偏置驱动不能长期短路可抗10us的短路电流容性开通电流拖尾低压中小功率高压大功率100kHz40kHz七、作业1、查找一款MOSFET的高速驱动芯片，并详述其工作原理。2、MOSFET的短路保护电路！