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1、第三章第三章 电力电子器件及其应用技术电力电子器件及其应用技术3-1 功率二极管功率二极管 3-2 功率晶体管功率晶体管 3-3 功率场效应晶体管功率场效应晶体管 3-4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 3-5 开关器件的集成驱动电路开关器件的集成驱动电路 绪论：电力电子器件的研发主流绪论：电力电子器件的研发主流SiC器件器件 3-6 开关器件应力与缓冲电路开关器件应力与缓冲电路 分类分类 发展历程发展历程 电力电子器件的研发主流电力电子器件的研发主流SiC器件器件 1992年年PSRCPSRC（美国北卡州立大学功率半导体研究中心）最先报道；（美国北卡州立大学功率半导体研究中心）最先报道；2
2、001年年碳化硅肖特基势垒二极管碳化硅肖特基势垒二极管SiC-SBDSiC-SBD(Schottky Barrier Diode)投放市场。投放市场。SiC-SBDSiC-SBD 研发水平已达到研发水平已达到:高压器件阻断电压超过高压器件阻断电压超过10kV;大电流器件通态电流大电流器件通态电流130A、阻断电压高达、阻断电压高达5kV。突出优点突出优点：反向漏电流极小：反向漏电流极小+零反向恢复时间零反向恢复时间+300工作温度。工作温度。碳化硅肖特基势垒二极管碳化硅肖特基势垒二极管SiC-SBD SiC-SBD 理论上，通态比电阻同比硅理论上，通态比电阻同比硅MOS分别低分别低100200
3、0倍。倍。SiC 功率功率MOS与与IGBT研发进展研发进展 1995199510-1100101102103102103104Silicon比电阻（cm2）阻断电压(V)1993-19954H-SiCCreeUMOS10-1100101102103102103104N-G1997Purdue1998Cree1997Denso1997Purdue1996Cree1993-1995NCSU1997Siemens1999KansaiCree2000Purdue2001KansaiCree2001Purdue2002Cree2003Cree2004阻断电压(V)UMOSDMOSSilicon10 k
4、V123 m cm24H-SiC20042004 GCT、SCR、GTR、pn结二极管、结型场效应晶体管、结二极管、结型场效应晶体管、静电感应晶体管静电感应晶体管、功率模块均时有报道功率模块均时有报道。0102030405060708090100024681012通态压降(V)电流密度(A/cm2）p-IGBTMOSFET10 kV SiC功率功率MOS与与IGBT导通特性比较导通特性比较15 kV SiC功率功率MOS与与IGBT导通特性及高温稳定性比较导通特性及高温稳定性比较27 C225 C225 C27 Cp-IGBTMOSFET300 W/cm2MOSFET电流密度(A/cm2）通态
5、压降(V)问题与展望：问题与展望：碳化硅不仅能提高器件的耐压能力，还能大幅度降低器件损碳化硅不仅能提高器件的耐压能力，还能大幅度降低器件损耗，使电力电子技术的节能优势得以更加充分的发挥。耗，使电力电子技术的节能优势得以更加充分的发挥。与硅相比碳化硅的另一优势是能够兼顾器件的功率、频率以与硅相比碳化硅的另一优势是能够兼顾器件的功率、频率以及耐高温。正好都是电力电子技术发展对器件的基本要求。及耐高温。正好都是电力电子技术发展对器件的基本要求。今后几年，随着碳化硅晶体生长技术和器件制造技术的完善，今后几年，随着碳化硅晶体生长技术和器件制造技术的完善，其器件在成品率、可靠性和价格等方面都将有较大改善，
6、从其器件在成品率、可靠性和价格等方面都将有较大改善，从而进入应用的阶段。而进入应用的阶段。这极有可能引发电力电子技术的一场新的革命这极有可能引发电力电子技术的一场新的革命。因此，碳化硅电力电子器件的诞生和开发是电力电子技术在因此，碳化硅电力电子器件的诞生和开发是电力电子技术在世纪之交的一次革命性进展。世纪之交的一次革命性进展。氮化镓氮化镓GaNGaN具有碳化硅的高击穿电场特性，具有碳化硅的高击穿电场特性，更具更具高频特性高频特性的开发潜力。的开发潜力。1静态特性静态特性 电导调制效应电导调制效应：电流电流注入载流子数注入载流子数电阻率电阻率多子多子保持保持 电中性电中性 动态特性动态特性 （P
7、ower Diode)PD等效模型等效模型：3-1 功率二极管功率二极管 2开通过程开通过程：正向恢复时间 由由UR、线路电感、线路电感、体电感决定体电感决定 反向充电建立势垒反向充电建立势垒 反向恢复时间 关断过程关断过程：因正向电导调制效应且电流大：因正向电导调制效应且电流大：tFR tRR 普通普通PD tRR 100us PD的分类的分类 快恢复二极管快恢复二极管 （Fast Recovery Diode tRR 0.2us)软恢复二极管软恢复二极管 （Soft Recovery Diode tRR 0.51us)势垒（肖特基）二极管势垒（肖特基）二极管 （Schottky Barri
8、er Diode tRR 50ns)3 结构结构 三重扩散台面型结构三重扩散台面型结构：GTR-Giant Transistor BJT-Bipolar Junction Transistor 台面结构面积大台面结构面积大I 大；大；轻掺杂轻掺杂大大V梯度梯度 V大；但大；但小。小。13-2 功率晶体管功率晶体管 类型类型 单管：单管：=10 15，驱动电流大，驱动电流大 复合（达林顿）管：复合（达林顿）管：T2的的C结未正偏，结未正偏，Uces大大 T1T2 顺序动作，速度慢顺序动作，速度慢 GTR（达林顿）模块：多级复合、单桥臂、桥（达林顿）模块：多级复合、单桥臂、桥 R1、R2提供提供I
9、cb的通的通 路提高热稳定性；路提高热稳定性；R2分流分流T1穿透电流，穿透电流，保证关断可靠。保证关断可靠。D1抽取抽取T2发射结电发射结电 荷，加速荷，加速T2与与T1同同 步关断。步关断。2静态特性静态特性：GTR的特性的特性 准饱和区准饱和区 深深饱饱和和区区 截止区截止区 二次击穿区二次击穿区 二次击穿临界曲线二次击穿临界曲线 放大区放大区 一次击穿与一次击穿与二次击穿二次击穿 安全工作区安全工作区SOA SOASafe Operation Area3动态特性动态特性：t1延迟时间延迟时间 t2上升时间上升时间 t3存储时间存储时间 t4下降时间下降时间 ts开通开通时间时间 （n
10、s 级）级）tc关断关断时间时间 （s 级）级）准饱和准饱和 加速电容加速电容 1小功率小功率MOSFET：因工艺和结构差异名称不同。如：因工艺和结构差异名称不同。如：Motorola TMOS NEC VDMOS Siemens SiPMOS Power MOSFET Power MOSFET 结结 型型 绝缘栅型绝缘栅型 增强型增强型 耗尽型耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道 N沟道沟道 P沟道沟道 Power MOSFET 3-3 功率场效应晶体管功率场效应晶体管 分类与结构特点分类与结构特点 电压控制，输入阻抗高。电压控制，输入阻抗高。单极型，温单极型，温流负反馈，流负反馈，温度稳定性高，
11、无二次击穿。温度稳定性高，无二次击穿。横向导电，电流小，耐压低。横向导电，电流小，耐压低。适合于适合于MOS IC。小功率小功率MOSFET的结构的结构 功率功率MOSFET的结构与电路模型的结构与电路模型 胞元并联结胞元并联结RDS小，可达小，可达m。垂直导电垂直导电VD，面积，面积 大，电流大；大，电流大；无电导调制效应，无电导调制效应，UDSS 较较GTR大。大。轻掺杂，电阻率大，耐压高；轻掺杂，电阻率大，耐压高；沟道短沟道短D-S间间U、R、C均小；均小；饱和区饱和区 调调阻阻区区 雪崩雪崩 击穿区击穿区 输出特性输出特性 静态特性静态特性：PMOSFET的特性的特性 无栅压反向输出特
12、性无栅压反向输出特性 正栅压反向输出特性正栅压反向输出特性 2 饱和区的电流转移特性饱和区的电流转移特性 负电流温度系数负电流温度系数 适于并联适于并联 跨导跨导开启电压开启电压 UT 转移特性转移特性 开启电压开启电压 跨导跨导 随温升降低随温升降低 通态电阻特性通态电阻特性 正向电阻区正向电阻区 临界饱和漏压临界饱和漏压 动态特性动态特性：t1开通开通延迟延迟 t2上升时间上升时间 t3关断延迟关断延迟 t4下降时间下降时间 ton开通开通时间时间 toff关断关断时间时间 器件说明器件说明?输入电容（输入电容（DS短接）短接）输出电容（输出电容（GS短接）短接）反馈（米勒）电容反馈（米勒
13、）电容 极间电容特性极间电容特性 器件说明器件说明 开关速度开关速度 计算计算 驱动电路驱动电路 设计设计?栅极电荷特性栅极电荷特性？密勒效应密勒效应开通开通 电流电流 降落降落 电压电压 过驱动过驱动 栅极电荷特性栅极电荷特性电路运行条件的影响电路运行条件的影响 S1:开通过程消耗于开通过程消耗于RG的能量的能量S2:关断过程消耗于关断过程消耗于RG的能量的能量 （开通过程贮存于（开通过程贮存于Cis）S1S2=开关周期驱动能量开关周期驱动能量 平均驱动功率平均驱动功率 栅极电荷特性栅极电荷特性 应用于驱动功率计算应用于驱动功率计算 耐压耐压限制限制 脉冲脉冲功率功率限制限制 脉冲脉冲电流电
14、流限制限制 Ron损耗损耗限制限制 安全工作区安全工作区 电路运行条件的影响电路运行条件的影响 热击穿热击穿 电压击穿电压击穿 结结-壳壳稳态热阻稳态热阻 结结-壳壳瞬态热阻瞬态热阻 安全工作区安全工作区 电路运行条件的影响电路运行条件的影响 热欧姆定律：热欧姆定律：功率功率 耐量耐量?1IGBT的结构的结构 IGBTN区体电阻 IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor 3-4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 静态特性静态特性：IGBT的特性的特性 转移特性转移特性 输出特性输出特性 饱和区 饱和电压特性饱和电压特性 2动态特性动态特性：钳位效应钳位效应：
15、与MOSFET相似 拖尾电流拖尾电流MOS已经关断，IGBT存储电荷释放缓慢 IGBT的擎住（的擎住（Latch）效应）效应 SCR 静态擎住静态擎住 动态擎住动态擎住 过热擎住过热擎住 P区体电阻区体电阻RP引发擎住引发擎住 关断过急关断过急位移电流位移电流 CJPN结电容结电容 RG 不能过小，限制关断时间。不能过小，限制关断时间。RP 及及PNP、NPN 电流放大倍数电流放大倍数 因温度升高而增大。因温度升高而增大。（125时时ICM降至降至1/2）IGBT的通态特性的通态特性 IGBT的电流容量的电流容量 最大连续电流最大连续电流 IC 最大脉冲电流最大脉冲电流 ICM 最大开关电流最
16、大开关电流 ILM 规定条件下，可重复开关电流的最大值。规定条件下，可重复开关电流的最大值。允许短路电流允许短路电流 ISC IGBT短路状态的失效机理短路状态的失效机理 失效原因：失效原因：短路保护短路保护 延时搜索延时搜索 超过热极限：超过热极限：半导体本征温度极限半导体本征温度极限250Co,短路电流过大使管芯过热。短路电流过大使管芯过热。关断过电压：关断过电压：分布和封装引线电感与短路大电流关断变化。分布和封装引线电感与短路大电流关断变化。电流擎住效应电流擎住效应 基本要求基本要求：Ic 较大时，增较大时，增 IB 可降可降 Uces；深度饱和与快速关断相矛盾。深度饱和与快速关断相矛盾
17、。3过驱动系数 增 IBP-可加速关断，但电流变化率增大。一般取：3-5 开关器件的集成驱动电路开关器件的集成驱动电路（Drive Circuit）1GTR 基本驱动电路基本驱动电路 D1：UBE+UD2+UD3=UD1+UCES贝克钳位电路 UCES=UBE+UD2+UD3 UD1 =UBE+UD2 （一般取0.73V)使GTR集电结反偏或零偏准饱和准饱和 D1应为快恢复管，D2、D3为普通管集成驱动电路集成驱动电路 EXB356：150A/600V；IBP=+3A/-3.4A、IIN=39mAEXB356 (富士 日)UAA4002 (汤姆逊 法)M57950 (三菱 日)驱动电路的设计原
18、则驱动电路的设计原则 安全安全+低耗低耗+快速快速 隔离：隔离：光电耦合、光纤、脉冲变压器；光电耦合、光纤、脉冲变压器；电平适当：电平适当：+12 16V/-5 10V 边沿陡直：边沿陡直：tUP、tDn 1s 电压尖峰 动态擎住 驱动回路短、回路阻抗小、驱动功率足驱动回路短、回路阻抗小、驱动功率足 PMOSFET&IGBT 2IR2110、2235集成驱动电路集成驱动电路 自举过程自举过程 驱动供电方式驱动供电方式 最短导通时间限制最短导通时间限制 电流检测方式电流检测方式 P4551 EXB840/841高速型厚膜驱动电路高速型厚膜驱动电路（富士）EXB840：150A/600V、75A/
19、1200V；40kHz、延迟、延迟1s、25mA EXB841：400A/600V、300A/1200V；40kHz、延迟、延迟1s、47mA C 非滤波，吸收电源线 阻抗变化引起的电压波动 桥臂直通、ic(近似uce)过大、T过高 Uce允许短路时间530s 延时搜索/缓降栅压“0”强迫-5V封锁M57962AL厚膜驱动电路厚膜驱动电路（三菱）短路检测时间：短路检测时间：P2-P4间电容10008000p 对应36S 600A/600V、400A/1200V；20kHz、延迟、延迟80%GTRMOSFETIGBT3-6 开关器件应力与缓冲电路开关器件应力与缓冲电路 1开关损耗与器件应力开关损
20、耗与器件应力开关损耗与器件应力开关损耗与器件应力开关损耗与器件应力开关损耗与器件应力每周期损耗每周期损耗 开关功率损耗开关功率损耗 开关轨迹 电阻负载电阻负载 1容性负载容性负载开通过程开通过程感性负载感性负载关断过程关断过程安全安全ON ：限制限制di/dt 开通开通/串联缓冲串联缓冲；OFF：限制限制du/dt 关断关断/并联缓冲并联缓冲；降低（降低（转移转移）S损耗，改变开关轨迹损耗，改变开关轨迹。缓冲电路缓冲电路（Snubber Circuit）有损缓冲电路有损缓冲电路无损缓冲电路部分开关损耗转移到缓冲电路部分开关损耗转移到缓冲电路部分开关损耗转移到缓冲电路部分开关损耗转移到缓冲电路电
21、流、电压、热电流、电压、热应力应力 Stress（Buck例）例）无无缓冲工作波形缓冲工作波形开、关过程损耗均大！开、关过程损耗均大！2有损缓冲电路有损缓冲电路 iL连续时的缓冲电路连续时的缓冲电路 临界临界电容电容Cs缓冲缓冲 经 tDOCs大，uCE1时最小最小值应在 1 的抛物线上讨论讨论 开关损耗开关损耗=2/3时最小 电容参数在最小导通时间内Cs电荷应放尽RCD关断缓冲电路的另一种接法参数选取参数选取 电阻参数频率越高，电阻越小，开通附加电流越大。电阻值与损耗无关。RLD开通开通缓冲电路缓冲电路L恒流源，开通初，D导通/恢复，经上升时间 tUP：uCE由Ui uLs 限制di/dt经
22、 tUPLs大，iC IL D导通，tUP 1Ls小，iC IL D阻断，tUP tFU，1设：uCE线性下降RLD开通开通缓冲电路缓冲电路临界临界电感缓冲电感缓冲由 对偶原理：对偶原理：开通关断并联串联电压电流电容电感上升下降 开关损耗开关损耗=2/3时最小在最小关断时间内Ls电流应回零电阻值与损耗无关；频率越高，电阻越大，关断附加电压越大。复合复合缓冲电路缓冲电路应用实例：无损缓冲电路无损缓冲电路有损有损 缓冲电路缓冲电路由由S移出移出Ui、RLS、Rs 热热？无损无损缓冲电路缓冲电路3无损关断缓冲电路无损关断缓冲电路与与RCD并联并联缓冲缓冲相似相似Buck例例关断过程关断过程无损关断缓
23、冲电路无损关断缓冲电路开通过程Ui、D3、L1、C1、C2回路串联谐振否则D1、D2导通 最小导通时间谐振周期 开通最大附加电流无损关断缓冲电路另一种形式无损关断缓冲电路另一种形式自行分析自行分析无损开通缓冲电路无损开通缓冲电路与与RLD串联串联缓冲缓冲相似相似 在最小关断时间内应保证次级电流回零，剩余能量为零 关断最大附加电压N2不能过小应用实例：ZC on+ZV off变压器隔离变换器的缓冲电路变压器隔离变换器的缓冲电路关断过程关断过程开通过程开通过程否则经N1、Ui、D2、Ls回路放电当N2电流=0时T、D2、Ls、Cs回路谐振，当D1导通，Ls、Cs能量回馈按速率下降到 0最终漏感漏感 除一般无损缓冲意义外，吸收 漏感能量，防止开关器件过压Flyback 例变压器隔离缓冲电路变压器隔离缓冲电路参数选取：参数选取：关断时，Cs、La能量守恒转移到Cs Ls由最小导通时间谐振周期确定小结小结