电力电子器件介绍

电力电子器件二极管电力MOSFET绝缘栅双极型晶体管IGBTMOSFET及IGBT的驱动和保护功率模块及功率集成电路电力电子器件种类2.1二极管（输入整流、高频逆变整流、缓冲电路等）2.1.1结构和工作原理开关电源中应用的二极管除电压、电流等参数与电子电路中的二极管有较大差别外，其基本结构和工作原理是相同的，都是由半导体PN结构成。（多子、少子、扩散、漂移、空间电荷区（也称耗尽层、阻挡层或势垒区））正向导通状态：当PN结外加正向电压，即外加电压的正端接P区、负端接N区时，外加电场方向与内电场方向相反，内电场被削弱，使得多子的扩散运动大于少子的漂移运动，而在外电路上形成自P区至N区的电流，该电流被称为正向电流，由于电导调制效应，正向PN结在流过较大正向电流时的压降很低，表现为正向导通状态。反向截止状态：当PN结外加反向电压，外加电场方向与内电场方向相同，使空间电荷区加宽，少子的漂移运动大于多子的扩散运动，产生自N区至P区的电流，该电流被称为反向电流。由于少子的浓度很小，因此此时的PN结表现为高阻态。击穿：当PN结承受反向电压时，随着反向电压的升高，空间电荷区的宽度及电场强度的峰值均随之增加，当电场强度超过一定限度时，就会击穿。PN结的电击穿有两种形式:雪崩击穿（低参杂、高反压、共价键）和齐纳击穿（高参杂、低反压、PN结薄）。反向击穿发生时，只要外电路中采取了措施，将反向电流限制在一定范围内，保证PN结的耗散功率不超过允许值，PN结仍可恢复正常。如果超过了允许的耗散功率。就会导致PN结温度过高而烧毁，这种现象称为热击穿。2.1.2主要参数二极管静态特性：当二极管承受的正向电压大于门槛电压UTO，正向电流才开始明显增加，转为正向导通状态。导通时的正向电流IF由外电路决定。UF为正向压降。当二极管施加反向电压时，只有少数载流子引起的微小漏电流，其数值基本上不随电压而变化。当反向电压超过一定数值后，二极管的反向电流迅速增大，产生雪崩击穿。二极管1.正向平均电流IF(AV)：在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。（降额）快恢复二极管经常用占空比为一定数值（0.5）的方波电流的平均值标注二极管的额定电流。2.反向重复峰值电压URRM：是指对二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是雪崩击穿电压的2/3。3.正向压降UF：在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流对所对应的正向压降。（普通整流二极管压降低于快恢复二极管，具有负温度系数，温度上升压降略低）4.反向恢复电流IRP及反向恢复时间trr当给处于导通状态的二极管施加反向电压时，二极管不能立即转为截止状态，只有当存储电荷完全复合后，二极管才呈现高阻状态，这一过程称为二极管的反向恢复过程。反向恢复时间定义为从电流下降为零至反向电流衰减至反向恢复电流峰值25%的时间。主要类型：1.普通二极管：普通二极管又称为整流二极管，多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。其反向恢复时间较长，一般在5微秒以上。其正向压降低，正向电流定额和反向电压可以达到很高，分别可达几千安和几千伏以上。二极管2.快恢复二极管：（FastRecoveryDiode—FRD）反向恢复过程很短的二极管（5us以下），也简称为快速二极管。工艺上多采用了掺金措施，结构上有的采用PN型结构，有的采用PiN结构。其正向压降高于普通二极管（1到2V），反向耐压多在1200V以下。从性能上，可分为快恢复和超快恢回复两个等级。前者反向恢复时间长，后者则在100ns以下，甚至达到20到30ns。3.肖特基二极管(SchottkyDiodes)：在金属（例如铅）和半导体（N型硅片）的接触面上，用已形成的肖特基来阻挡反向电压。与以PN结为基础的二极管相比，肖特基二极管具有正向压降低(0.3-0.6V)、反向恢复时间很短(10到40ns)的优点。缺点在于反向耐压较低，一般低于150V，而且反向漏电流较大，所以肖特基二极管多用于低电压大电流和开关二极管场合。以其发明人肖特基博士（Schottky）命名的！如何看二极管手册2.2电力MOSFET2.2.1结构和工作原理♥电力MOSFET按导电沟道可以分为P沟道和N沟道。♥应用最多的是绝缘栅N沟道增强型，属于单极性晶体管。♥结构大多采用垂直导电结构，以提高器件的耐压和耐电流能力。♥现在应用最多的是具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET。电力MOSFET由多个小MOSFET元胞组成，不同厂家设计的元胞形状和排列方式不同。IR公司生产的具有六边形元胞结构，西门子公司采用正方形单元。图2-6a是N沟道增强型VDMOSFET中一个元胞的内部结构图，图2-6b为电力MOSFET的电气图形符号。+-+-反型区UGS=0,UDS=VS，P和N-形成的PN结反偏，无电流UGSUT,栅极下P区表面电子浓度超过空穴，P型变N型，形成反型层，PN结消失，形成N沟道导电通路。特点全控型开关速度最快驱动功率小，驱动电路简单栅极电压控制漏极电流多子导电、无少子导电所需的存储时间问题电力MOSFET输出特性：以栅源电压UGS为参考量，反映漏极电流ID与漏极电压UDS间关系的曲线族称为MOSFET的输出特性转移特性:漏极电流ID和栅源电压UGS的关系反映了输入控制电压与输出电流的关系，称为MOSFET的转移特性电力MOSFET开关过程★开通过程中，输入电容影响，uGS呈指数上升，当uGS开启电压时，MOSFET开始导通，iD随着uGS上升而增加。当uGS达到UGSP后，MOSFET进入饱和区，此时虽uGS继续升高，但iD不再变化。★关段时，输入电容影响，uGS呈指数下降，当uGS低于uGSP时，iD开始下降，直至uGS低于开启电压，iD下降到0。PSIMMOSFET开通延迟时间td(on)上升时间tr开通时间从uGS开始上升至MOSFET开始导通的时间uGS从uT上升到UGSP的时间段关断时间关断延迟时间td(off)下降时间从uGS开始下降至MOSFET开始关段的时间uGS从uGSP下降到到uGSuT时，沟道消失，从通态电流降到零为止的时间段1.漏源击穿电压UDSS通常为结温在25度到150度之间，对漏源极的击穿电压。该参数限制了MOSFET的最高工作电压，常用的MOSFET的UDSS通常在1000V以下，尤其以500V及以下器件的各项性能最佳。注意:常用的MOSFET的漏源击穿电压具有正温度系数，因此在温度低于测试条件时，UDSS会低于产品手册中给出的数据。2.漏极连续电流额定值ID和漏极脉冲电流峰值IDM这是标称电力MOSFET电流定额的参数，一般IDM是ID的2-4倍。在计算实际器件参数时，必须考虑其损耗及散热情况得出壳温，由此核算器件的电流额定。通常在壳温为80到90摄氏度时，器件可用的连续工作电流只有25摄氏度时ID的60%到70%。电力MOSFET主要参数3.漏源通态电阻RDS(on)该参数是在栅源间施加一定电压（10-15V）时，漏源间的导通电阻。它直接影响器件的通态压降及损耗，它还与驱动电压及结温有关。它具有正的温度系数，使得MOSFET并联运行较为容易。4.栅源电压UGSS当它的绝对值20V？时将导致绝缘层击穿，因此在焊接、驱动等方面须注意。GSDfsdUdIG5.跨导Gfs在规定的工作点下，MOSFET转移特性曲线的斜率为该器件的跨导，即6.极间电容MOSFET的三个电极之间分别为存在极间电容CGS、CGD、CDS。漏源极短路时的输入电容Ciss=CGS+CGD反向转移电容Crss=CGD共源极输出电容Coss=CGD+CDS厂商提供栅源间电压驱动，阻抗很高，但存在输入电容Ciss，高频使用时，驱动电路的内阻应很低，且具有一定的驱动电流能力。如何看MOSFET手册！！MOSFET只靠多数载流子导电，不存在少子存储效应，因而关断过程非常迅速，开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是常用电力电子器件中最高的。由于电力MOSFET结构所致，漏源间形成一个寄生的反并联二极管，使漏极电压UDS为负时呈现导通状态。它与MOSFET构成一个不可分割的整体，这样虽然在许多作用简化了电路，减少了器件数量，但由于本体二极管的反向恢复时间较长，在高频应用时，必须注意其影响。2.3绝缘栅双极型晶体管（IGBT）2.3.1结构和工作原理¶电力MOSFET具有驱动方便、开关速度快等优点，但导通后呈电阻性质，在电流较大时的压降较高，而且器件的容量较小，仅能适用于小功率装置。¶大功率晶体管（GTR）的饱和压降低、容量大，但电流驱动，驱动功率较大，开关速度低。¶绝缘栅双极型晶体管是把MOSFET与GTR复合而成，除具有MOSFET的电压驱动、驱动功率小的特点，同时具有GTR饱和压降低和可耐高电压和大电流等一系列优点，开关频率虽低于MOSFET，但高于GTR。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）转移特性：IGBT集电极电流IC与栅射电压UGE间的关系当栅射电压高于开启电压UGE（th）时，IGBT开始导通，UGE（th）一般为2到6V。输出特性：集电极电流IC与栅射电压UGE、集射电压UCE之间的关系开通过程中，集射极电压UCE的下降过程分为陡降阶段tfv1和缓降阶段tfv2.前者是由MOSFET迅速导通形成，后者由于MOSFET的栅漏电容增加，而且IGBT中的PNP晶体管由放大状态转入饱和导通状态也需要一个过程，因此电压下降较慢。开通延迟时间td(on)上升时间tr开通时间从驱动电压UGE上升至其幅值的10%到集电极电流IC上升至稳态值的10%的时间IC从10%稳态值上升至90%稳态值的时间集电极电流IC的下降过程也分为陡降阶段tfi1和缓降阶段tfi2，前者也是由于MOSFET快速关断所形成的，后者则是由于N基区中的少子复合缓慢造成，此阶段的电流又称为拖尾电流。关断时间关断延迟时间td(off)下降时间从驱动电压UGE下降至其幅值的90%到集电极电流IC下降为稳态值的90%的时间IC从稳态值的90%下降至10%的时间2.3.2IGBT主要参数2.最大集电极电流包括在一定的壳温下额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。不同生产商产品的标称电流通常为壳温25度或80度条件下的额定直流电流IC。1.最大集射极间电压UCES该参数决定了器件的最高工作电压，这是由内部PNP晶体管所能承受的击穿电压确定的;3.最大集电极功耗PCM在一定壳温下，IGBT允许的最大功耗，该功耗将随壳温升高而下降。4.栅射极间电压UGES与MOSFET相似，当|UGE|20V？，将导致绝缘层击穿。6.跨导Gfs在规定的工作点下，IGBT转移特性曲线的斜率为该器件的跨导。7.极间电容IGBT的三个电极之间也存在极间电容，一般厂商提供的输入电容Cies、输出电容Coes和反向转移电压Cres。它们的公式与MOSFET的相似。5.集射极间饱和压降UCE(sat)它是栅射极间施加一定电压，在一定的结温及集电极电流条件下，集射极间的饱和通态压降。此压降在集电极电流较小时，呈负温度系数;在电流较大时，为正温度系数。如何看IGBT手册2.4MOSFET及IGBT的驱动和保护2.4.1MOSFET及IGBT的驱动驱动电路的基本任务：1）将控制电路发出的信号转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间、可以使其开通或关断的信号。2）电气隔离及电力电子器件的保护等功能。3）电气隔离是实现主电路及控制电路间电量的隔离，可以减少主电路开关噪声对控制电路的影响，并提高控制电路的安全性。一般采用光隔离或磁隔离来实现。驱动电路对电力电子装置的运行效率、可靠性、安全性具有重要的影响！MOSFET及IGBT均为电压驱动型器件，其静态输入电阻很大，驱动功率小。栅源间、栅射间存在输入电容，器件高频通断时，电容频繁充放电，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小，且具有一定的驱动功率。1.MOSFET的驱动使MOSFET开通的栅源极间驱动电压一般取10~15V。施加反向电压可