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1、第三章 电力电子器件及其应用技术,3-1 功率二极管,3-2 功率晶体管,3-3 功率场效应晶体管,3-4 绝缘栅双极晶体管,3-5 开关器件的集成驱动电路,绪论：电力电子器件的研发主流SiC器件,3-6 开关器件应力与缓冲电路,分类,发展历程,电力电子器件的研发主流SiC器件,1992年PSRC（美国北卡州立大学功率半导体研究中心）最先报道；2001年碳化硅肖特基势垒二极管SiC-SBD(Schottky Barrier Diode)投放市场。SiC-SBD 研发水平已达到:高压器件阻断电压超过10kV;大电流器件通态电流130A、阻断电压高达5kV。突出优点：反向漏电流极小+零反向恢复时间
2、+300工作温度。,碳化硅肖特基势垒二极管SiC-SBD,理论上，通态比电阻同比硅MOS分别低1002000倍。,SiC 功率MOS与IGBT研发进展,GCT、SCR、GTR、pn结二极管、结型场效应晶体管、静电感应晶体管、功率模块均时有报道。,0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,0,2,4,6,8,10,12,通态压降(V),电流密度(A/cm2）,10 kV SiC功率MOS与IGBT导通特性比较,15 kV SiC功率MOS与IGBT导通特性及高温稳定性比较,27 C,225 C,225 C,27 C,p-IGBT,MOSFET,300 W/cm2,MOSF
3、ET,电流密度(A/cm2）,通态压降(V),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，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。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世纪之交的一次革命性进展。,氮化镓GaN具有碳化硅的高击穿电场特性，更具高频特性的开发潜力。,1,静态特性,电导调制效
4、应：,动态特性,（Power Diode),3-1 功率二极管,2,正向恢复时间,由UR、线路电感、体电感决定,反向充电建立势垒,反向恢复时间,因正向电导调制效应且电流大：tFR tRR,普通PD tRR 100us,PD的分类,快恢复二极管（Fast Recovery Diode tRR 0.2us),软恢复二极管（Soft Recovery Diode tRR 0.51us),势垒（肖特基）二极管（Schottky Barrier Diode tRR 50ns),3,结构,三重扩散台面型结构：,台面结构面积大I 大；轻掺杂大V梯度 V大；但小。,1,3-2 功率晶体管,类型,T2的C结未正
5、偏，Uces大,T1T2 顺序动作，速度慢,R1、R2提供Icb的通 路提高热稳定性；R2分流T1穿透电流，保证关断可靠。,D1抽取T2发射结电 荷，加速T2与T1同 步关断。,2,GTR的特性,截止区,一次击穿与二次击穿,3,加速电容,1,小功率MOSFET：,因工艺和结构差异名称不同。如：Motorola TMOS NEC VDMOS Siemens SiPMOS,Power MOSFET,3-3 功率场效应晶体管,分类与结构特点,电压控制，输入阻抗高。,单极型，温流负反馈，温度稳定性高，无二次击穿。,横向导电，电流小，耐压低。适合于MOS IC。,小功率MOSFET的结构,功率MOSFE
6、T的结构与电路模型,胞元并联结RDS小，可达m。,垂直导电VD，面积 大，电流大；,无电导调制效应，UDSS 较GTR大。,轻掺杂，电阻率大，耐压高；,沟道短D-S间U、R、C均小；,雪崩 击穿区,输出特性,PMOSFET的特性,无栅压反向输出特性,正栅压反向输出特性,2,饱和区的电流转移特性,跨导,开启电压 UT,转移特性,通态电阻特性,动态特性：,器件说明,?,极间电容特性,器件说明,栅极电荷特性,？密勒效应,开通 电流,降落 电压,过驱动,栅极电荷特性,电路运行条件的影响,S1:开通过程消耗于RG的能量,S2:关断过程消耗于RG的能量（开通过程贮存于Cis）,S1S2=开关周期驱动能量,
7、平均驱动功率,栅极电荷特性,应用于驱动功率计算,耐压限制,脉冲功率限制,脉冲电流限制,Ron损耗限制,安全工作区,电路运行条件的影响,安全工作区,电路运行条件的影响,?,1,IGBT的结构,IGBT,N区体电阻,IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor,3-4 绝缘栅双极晶体管,IGBT的特性,转移特性,饱和电压特性,2,钳位效应：与MOSFET相似,拖尾电流MOS已经关断，IGBT存储电荷释放缓慢,IGBT的擎住（Latch）效应,静态擎住,动态擎住,过热擎住,P区体电阻RP引发擎住,关断过急位移电流,CJPN结电容,RG 不能过小，限制关断时间。,RP
8、及PNP、NPN 电流放大倍数 因温度升高而增大。（125时ICM降至1/2）,IGBT的通态特性,IGBT的电流容量,最大连续电流 IC,最大脉冲电流 ICM,最大开关电流 ILM,规定条件下，可重复开关电流的最大值。,允许短路电流 ISC,IGBT短路状态的失效机理,失效原因：,短路保护 延时搜索,超过热极限：半导体本征温度极限250Co,短路电流过大使管芯过热。,关断过电压：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,Ic 较大时，增 IB 可降 Uces；深度饱和与快速关断相矛盾。,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
9、电路（Drive Circuit）,1,GTR,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,D1应为快恢复管，D2、D3为普通管,集成驱动电路,EXB356：150A/600V；IBP=+3A/-3.4A、IIN=39mA,EXB356(富士 日)UAA4002(汤姆逊 法)M57950(三菱 日),驱动电路的设计原则 安全+低耗+快速,隔离：光电耦合、光纤、脉冲变压器；,电平适当：+12 16V/-5 10V,边沿陡直：tUP、tDn 1s,电压尖峰,
10、动态擎住,驱动回路短、回路阻抗小、驱动功率足,PMOSFET&IGBT,2,IR2110、2235集成驱动电路,自举过程,驱动供电方式,最短导通时间限制,电流检测方式,P4551,EXB840/841高速型厚膜驱动电路（富士）,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,“0”强迫-5V封锁,M57962AL厚膜驱动电路（三菱）,短路检测时间：P2-P4间电容10008000p 对应36S,600A/600V、400A/1200V；20kHz、延迟1s、500mA,M57962AL应用电路（双电源）,30V稳压管在检测二极管反向恢复时限制P1电压,
11、开关损耗与器件应力,3-6 开关器件应力与缓冲电路,1,开关损耗与器件应力,每周期损耗,开关功率损耗,开关轨迹,1,电流、电压、热应力 Stress,（Buck例）,开、关过程损耗均大！,2,有损缓冲电路,iL连续时的缓冲电路,临界电容Cs缓冲,L恒流源，关断初，D阻断，经存储时间 iCiDS，Cs充电，限制du/dt。,设：iC线性下降,设：导通时Cs能量全耗于Rs,大电容缓冲,由,小电容缓冲,关断损耗1时最小,最小值应在 1 的抛物线上,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,电阻参数,L恒流源，开通初，D导通/恢复，经上
12、升时间 tUP：uCE由Ui uLs 限制di/dt,设：uCE线性下降,临界电感缓冲,由 对偶原理：,开关损耗=2/3时最小,在最小关断时间内Ls电流应回零,应用实例：,无损缓冲电路,有损 缓冲电路,由S移出,？,无损缓冲电路,3,无损关断缓冲电路,Buck例,无损关断缓冲电路,最小导通时间谐振周期,开通最大附加电流,自行分析,无损开通缓冲电路,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,否则经N1、Ui、D2、Ls回路放电,当N2电流=0时,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,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,
