1、 分為結(jié)型結(jié)型和絕緣柵型絕緣柵型通常主要指絕緣柵型絕緣柵型中的mosmos型型（metal oxide semiconductor fet）簡(jiǎn)稱功率mosfet（power mosfet）結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（static induction transistorsit） 特點(diǎn)特點(diǎn)用柵極電壓來(lái)控制漏極電流驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。(絕緣柵、電壓控制器件)開關(guān)速度快，工作頻率高。(只有多數(shù)載流子，無(wú)少數(shù)載流子積蓄效應(yīng))安全區(qū)寬，熱穩(wěn)定性優(yōu)于gtr。（沒(méi)有類似gtr的二次擊穿）電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kw的電力電子裝置 。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)

2、晶體管( power metal oxide semiconductor field effect transistor)p-mosfet的種類的種類 按導(dǎo)電溝道可分為p溝道溝道和n溝道溝道。 耗盡型耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。 增強(qiáng)型增強(qiáng)型對(duì)于n（p）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道。 功率mosfet主要是n溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型。功率mosfet的芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)漏極柵極源極芯片照片斷面p-mosfet的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是單極型、全控型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率mos管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計(jì)。n+gsdp溝道b)n+

3、n-sgdppn+n+n+溝道a)gsdn溝道圖1-19圖1-19 功率mosfet的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)漏極源極柵極外延漂移層襯底sio2絕緣層小功率mos管是橫向?qū)щ娖骷９?率 m o s f e t 大 都 采 用 垂 直 導(dǎo) 電 結(jié) 構(gòu) ， 又 稱 為vmosfet（vertical mosfet）。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用v型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的vvmosfet和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散mos結(jié)構(gòu)的vdmosfet（vertical double-diffused mosfet）。這里主要以vdmos器件為例進(jìn)行討論。p-mosfet的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)截止截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為

4、零。p基區(qū)與n漂移區(qū)之間形成的pn結(jié)j1反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。 p-mosfet的工作原理的工作原理導(dǎo)電導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓ugs則柵極上的正電壓將其下面的p基區(qū)中的空穴推開，而將（少子）電子吸引到柵極下的p基區(qū)的表面， 當(dāng)ugs大于ut時(shí)，p型半導(dǎo)體反型成n型，成為反型層反型層，該反型層形成n溝道而使pn結(jié)j1消失，漏極和源極導(dǎo)電 。ugs數(shù)值越大，p-mosfet導(dǎo)電能力越強(qiáng)，id也就越大。 (1) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性（transfer characteristic）漏極電流id和柵源間電壓ugs的關(guān)系稱為mosfet的轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性。id較大（小）時(shí)，id與與ugs的關(guān)系近似（

5、非）線性，曲線的斜率（微變量之比）定義為跨導(dǎo)跨導(dǎo)gfs。圖1-20 功率mosfet的轉(zhuǎn)移特性1）靜態(tài)特性）靜態(tài)特性010203050402468id/autugs/vidugs (2) 輸出特性輸出特性漏極電流id和漏源間電壓uds的關(guān)系稱為mosfet的輸出特性，輸出特性，即即漏極伏安特漏極伏安特性性 。分為四個(gè)區(qū)：非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）、飽和區(qū)（恒流區(qū)）、擊穿區(qū)（雪崩區(qū)）、截止區(qū)（ugs低于開啟電壓）102030504001020 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)uds/vugs=ut=3vugs=4vugs=5vugs=6vugs=7vugs=8vid/a圖1-20 p-mosfet的

6、輸出特性1）靜態(tài)特性）靜態(tài)特性擊穿區(qū)工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。通態(tài)電阻，具有正溫度系數(shù)的直流電阻，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。開通過(guò)程開通過(guò)程開通延遲時(shí)間開通延遲時(shí)間td(on) 上升時(shí)間上升時(shí)間tr開通時(shí)間開通時(shí)間ton開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和 ton td(on) tr關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)下降時(shí)間下降時(shí)間tf關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和toff td(off) tfpingstddingsducuuiicui，充電，時(shí)，導(dǎo)電溝道，預(yù)夾斷，仍充電，穩(wěn)定， 不變a

7、）b)rsrgrfrlidugsupid信號(hào)+ueidooouptttugsugsputtd(on)trtd(off)tf圖1-21 p-mosfet的開關(guān)過(guò)程a) 開關(guān)特性測(cè)試電路 b) 開關(guān)過(guò)程波形up脈沖信號(hào)源，rs信號(hào)源內(nèi)阻，rg柵極電阻，rl負(fù)載電阻，rf檢測(cè)漏極電流()0pingsdd offdingsdgstducuiticuiuui高電平，放電， 不變時(shí)，預(yù)夾斷，仍放電，繼續(xù)，夾斷區(qū)上升，時(shí)，導(dǎo)電溝道消失， l從中可以求得器件的：l輸入電容： cincgscgd。l輸出電容: coutcgdcds。l反饋電容： crcgd。l正是cin在開關(guān)過(guò)程中需要進(jìn)行充、放電，影響了開關(guān)速

8、度。同時(shí)也可看出，靜態(tài)時(shí)雖柵極電流很小，驅(qū)動(dòng)功率小，但動(dòng)態(tài)時(shí)由于電容充放電電流有一定強(qiáng)度，故動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)仍需一定的柵極功率。開關(guān)頻率越高，柵極驅(qū)動(dòng)功率也越大。 mosfet的開關(guān)速度和cin充放電有很大關(guān)系。 p-mosfet是多數(shù)載流子器件，不存在少數(shù)載流子特有的存貯效應(yīng)，因此開關(guān)時(shí)間很短，典型值為20ns，影響開關(guān)速度的主要是器件極間電容。 可降低信號(hào)源驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻rs減小ci 充、放電時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度。不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，關(guān)斷過(guò)程非常迅速。開關(guān)時(shí)間在10100ns之間，工作頻率可達(dá)100khz以上，是主要電力電子器件中最高的。場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過(guò)程中需對(duì)輸入電容

9、充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。mosfet的開關(guān)速度的開關(guān)速度除跨導(dǎo)gfs、開啟電壓ut以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有：p-mosfet電壓定額(1) 漏極電壓漏極電壓uds (2) 漏極直流電流漏極直流電流id和漏極脈沖電流幅值和漏極脈沖電流幅值idmp-mosfet電流定額,表征p-mosfet的電流容量(3) 柵源電壓柵源電壓ugs ugs20v將導(dǎo)致絕緣層擊穿 。 (4) 極間電容極間電容極間電容cgs、cgd和cds。 前兩者由mos結(jié)構(gòu)的絕緣層形成的，其電容量的大小由柵極的幾何形狀和絕緣層的厚度決定；后者由pn結(jié)構(gòu)成，其數(shù)值大

10、小由溝道面積和有關(guān)結(jié)的反偏程度決定。指在確定的柵源電壓ugs下，p-mosfet處于恒流區(qū)時(shí)的直流電阻，是影響最大輸出功率的重要參數(shù)。(5) (6) 該電壓決定了p-mosfet的最高工作電壓(7) 該電壓表征了功率mosfet柵源之間能承受的最高電壓。 l功率mosfet具有電流負(fù)溫度效應(yīng)，沒(méi)有二次擊穿問(wèn)題，具有非常寬的安全工作區(qū)，特別是在高電壓范圍內(nèi)，但是功率mosfet的通態(tài)電阻比較大，所以在低壓部分不僅受最大電流的限制，還要受到自身功耗的限制。圖 正向偏置安全工作區(qū)l由以下四條邊界限定：l漏-源通態(tài)電阻ron；l最大漏極電流idm；l極限功耗pcm；l極限漏-源電壓udsm。 正向偏置

11、安全工作區(qū)(fbsoa)l正向偏置安全工作區(qū)由四條邊界極限所包圍的區(qū)域。漏源通態(tài)電阻線，最大漏極電流線，最大功耗限制線和最大漏源電壓線， 開關(guān)安全工作區(qū)(ssoa)l開關(guān)安全工作區(qū)(ssoa)表示器件工作的極限范圍。在功率mosfet換流過(guò)程中，當(dāng)器件體內(nèi)反并聯(lián)二級(jí)管從導(dǎo)通狀態(tài)進(jìn)入反向恢復(fù)期時(shí)，如果漏極電壓上升過(guò)大，則很容易造成器件損壞。二極管反向恢復(fù)期內(nèi)漏源極的電壓上升率稱為二極管恢復(fù)耐量，二極管恢復(fù)耐量是功率mosfet可靠性的一個(gè)重要參數(shù)。 換向安全工作區(qū)(csoa)(1) 功率mosfet驅(qū)動(dòng)電路的共性問(wèn)題 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)簡(jiǎn)單、可靠。也需要考慮保護(hù)、隔離等問(wèn)題。 驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)載為容性負(fù)載。

12、 按驅(qū)動(dòng)電路與柵極的連接方式可分為直接驅(qū)動(dòng)與隔離驅(qū)動(dòng)。(2) 功率mosfet對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求保證功率mosfet可靠開通和關(guān)斷，觸發(fā)脈沖前、后沿要求陡峭。 減小驅(qū)動(dòng)電路的輸出電阻，提高功率mosfet的開關(guān)速度。觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開啟電壓，為了防止誤導(dǎo)通，在功率mosfet截止時(shí)，能提供負(fù)的柵源電壓。 功率mosfet開關(guān)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)電流為柵極電容的充、放電電流。l 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路之間的隔離，避免功率電路對(duì)控制信號(hào)造成干擾。l 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)功能，使得功率管可靠工作，如低壓鎖存保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)及驅(qū)動(dòng)電壓箝位保護(hù)等。l 驅(qū)動(dòng)電源必須并聯(lián)旁路電容，

13、它不僅濾除噪聲，也用于給負(fù)載提供瞬時(shí)電流，加快功率mosfet的開關(guān)速度。(3) p-mosfet驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)方式 直接驅(qū)動(dòng) ttl驅(qū)動(dòng)電路 隔離驅(qū)動(dòng)電路l對(duì)于vdmos，其驅(qū)動(dòng)電路非常簡(jiǎn)單，但在高速開關(guān)驅(qū)動(dòng)時(shí)或在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，可在其驅(qū)動(dòng)電路的輸出級(jí)上接入射極跟隨器，并盡可能地減小輸出電阻，以縮短它的開通和關(guān)斷時(shí)間。如果在驅(qū)動(dòng)信號(hào)上做到阻斷時(shí)柵源電壓小于零，就能進(jìn)一步縮短關(guān)斷時(shí)間。兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件bi-mos器件絕緣柵雙極晶體管（insulated-gate bipolar transistorigbt或igt）gtr和mosfet復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。1986年投入市場(chǎng)，是

14、中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代gto的地位。 gtr和gto的特點(diǎn)雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。 mosfet的優(yōu)點(diǎn)單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。 igbt的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)三端器件：柵極(門極)g、集電極c和發(fā)射極e圖1-22 igbt的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)圖1-22an溝道vdmosfet與gtr組合n溝道igbt。igbt比vdmosfet多一層p+注入?yún)^(qū)，具有很強(qiáng)的

15、通流能力。簡(jiǎn)化等效電路表明，igbt是gtr與mosfet(驅(qū)動(dòng)元件)組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由mosfet驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)pnp晶體管。在集電極和發(fā)射極之間其內(nèi)部實(shí)際上包含了兩個(gè)雙極型晶體管p+np及n+pn，它們又組合成了一個(gè)等效的晶閘管即存在著一個(gè)寄生晶閘管，寄生晶閘管有擎住作用。圖1-22 igbt的結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)化等效電路a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 具有寄生晶體管簡(jiǎn)化等效電路 igbt的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)rn為gtr晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。rs 為溝道體p基區(qū)內(nèi)的體區(qū)電阻 。 驅(qū)動(dòng)原理與功率mosfet基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uge決定。導(dǎo)導(dǎo)通通：uge開啟電壓開啟電壓uge(th)時(shí)，

16、mosfet內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，igbt導(dǎo)通。通態(tài)壓降通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻rn減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，mosfet內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，igbt關(guān)斷。 igbt的工作原理的工作原理icuge(th)ugeo1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 (1) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性圖1-23 igbt的轉(zhuǎn)移特性是指輸出集電極電流ic與柵射控制電壓uge之間的關(guān)系曲線。當(dāng)柵射電壓uge ugeth(開啟電壓開啟電壓)時(shí)，igbt處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)ugeugeth時(shí)，igbt導(dǎo)通。igbt導(dǎo)通后的大部分集電極電流范圍內(nèi)，ic與uge呈線性關(guān)系。1) 靜

17、態(tài)特性靜態(tài)特性 (2) 輸出特性輸出特性圖1-23 igbt的輸出特性以柵射電壓uge為參變量時(shí)，集電極電流ic和集射電壓uce之間的關(guān)系曲線，成為 igbt的伏安特性或。 可分為正向阻斷區(qū)、飽和區(qū)、線性（放大或有源）區(qū)和擊穿區(qū)四個(gè)部分。 uce0, uge臨界值icm ）所允許的集電極電流小。擎住效應(yīng)曾限制igbt電流容量提高，20世紀(jì)90年代中后期開始逐漸解決。igbt為四層結(jié)構(gòu)，npn晶體管基極與發(fā)射極之間存在溝道體區(qū)短路電阻（rs），p形體區(qū)的橫向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)j3結(jié)施加正偏壓，當(dāng)ic大到一定程度時(shí)，該偏置電壓使npn晶體管j3開通，進(jìn)而使npn和pnp晶體管（

18、寄生晶閘管）處于飽和狀態(tài)，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控擎住作用圖1-24 igbt的等效電路 igbt往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件 。最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duce/dt確定。 反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)（rbsoa）最大集電極電流icm、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。 正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)（fbsoa）ligbt開通時(shí)的正向偏置安全工作區(qū)由電流、電壓和功耗三條邊界極限包圍而成。最大集電極電流icm是根據(jù)避免動(dòng)態(tài)擎住而確定的；最大集射極電壓ucem是由igbt中pnp晶體管的擊穿電壓所確定；最

19、大功耗則由最高允許結(jié)溫所決定。ligbt關(guān)斷時(shí)的反向偏置安全工作區(qū)與igbt關(guān)斷時(shí)的du/dt有關(guān)，du/dt越高，rbsoa越窄。 1) 柵極驅(qū)動(dòng)電路對(duì)igbt的影響 正向驅(qū)動(dòng)電壓+v增加時(shí)，igbt輸出級(jí)晶體管的導(dǎo)通壓降和開通損耗值將下降，但并不是說(shuō)+v值越高越好。 igbt在關(guān)斷過(guò)程中，柵射極施加的反偏壓有利于igbt的快速關(guān)斷。 柵極驅(qū)動(dòng)電路最好有對(duì)igbt的完整保護(hù)能力。 為防止造成同一個(gè)系統(tǒng)多個(gè)igbt中某個(gè)的誤導(dǎo)通，要求柵極配線走向應(yīng)與主電流線盡可能遠(yuǎn)，且不要將多個(gè)igbt的柵極驅(qū)動(dòng)線捆扎在一起。（1）. igbt的柵極驅(qū)動(dòng)的柵極驅(qū)動(dòng) 2) igbt柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)滿足的條件 柵極驅(qū)動(dòng)電壓脈沖的上升率和下降率要充分大。 在igbt導(dǎo)通后，柵極驅(qū)動(dòng)電路提供給igbt的驅(qū)動(dòng)電壓和電流要具有足夠的幅度。 柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻抗應(yīng)盡可能地低。l柵極驅(qū)動(dòng)條件與igbt的特