合肥工业大学电力电子技术第五讲第二章

uGS UGSP UT O iD O
t
uDS
t td (on) tri tfv td(off) trv tfi
O
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电
力
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技
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2.7.2 功率MOSFET特性及主要参数
当uGS上升到UGSP时，功率 uGS GSP MOSFET的漏、源极电压uDS开 U UT 始下降，受栅、漏电容CGD的影 iO D 响，uGS增长缓慢，波形上出现 一个平台期，当uDS下降到导通 O u 压降，功率MOSFET进入到稳 DS 态导通状态，这一时间段为电 O 压下降时间tfv。 此后uGS继续升高直至达到稳态。 功率MOSFET 的开通时间ton是 开通延迟时间、电流上升时间 与电压下降时间之和，即 ton=td(on)+tri+tfv。
u GE
O iC
td(on) tri
t
t fi1 O u CE t fv1 t fv2 t d (off ) trv
tfi2 t
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开通时，集射电压uCE的下降 过程分为tfv1和tfv2两段。
图2-33 IGBT的开关过程
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2.8.2 IGBT特性及主要参数
tfv1为IGBT中MOSFET单独工作的电压 下降过程； tfv2为MOSFET和PNP晶体管同时工作 的电压下降过程，由于uCE下降时IGBT 中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状 态也需要一个过程，因此tfv2段电压下降 过程变缓。 只有在tfv2段结束时，IGBT才完全进入 饱和导通状态。开通时间ton为开通延迟 时间td(on)、电流上升时间tri与电压下降时 间（tfv1+ tfv2）之和。
正向阻断区
图1-23 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性
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2.8.2 IGBT特性及主要参数
1、静态伏安特性
IC 有源区

IGBT的导通原理和功率 MOSFET相似。图2-32为 IGBT的伏安特性，它反映在 一定的栅极—发射极电压UGE 下IGBT的输出端电压UCE与 电流IC的关系。
uGS UGSP UT O iD O uDS O td (on) tri tfv td(off) trv tfi
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2.7.2 功率MOSFET特性及主要参数
4．主要参数 除前面已涉及到的跨导、开启电压以及开关过程中 的时间参数外，功率MOSFET还有以下主要参数： （1）通态电阻Ron 通态电阻Ron是影响最大输出功率的重要参数。Ron 随ID的增加而增加，随UGS的升高而减小。 （2）漏极电压最大值UDSM 这是标称功率MOSFET电压额定的参数，为避免功 率MOSFET发生雪崩击穿，实际工作中的漏极和源极两端 的电压不允许超过漏极电压最大值UDSM。 （3）漏极电流最大值IDM 这是标称功率MOSFET电流额定的参数，实际工作 中漏源极流过的电流应低于额定电流IDM的50%。

图2-32 IGBT的伏安特性
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2.8.2 IGBT特性及主要参数
1、静态伏安特性
IC 有源区

值得注意的是，IGBT的反向 电压承受能力很差，其反向 阻断电压只有几十伏，因此 限制了它在需要承受高反压 场合的应用。
为满足实际电路的要求， IGBT往往与反并联的快速二 极管封装在一起，成为逆导 器件，选用时应加以注意。
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t td (on) tri tfv td(off) trv tfi
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2.7.2 功率MOSFET特性及主要参数
当驱动脉冲电压下降到零时，栅源极输入电容Cin通过栅极电阻放电， 栅极电压uGS按指数曲线下降，当下降到UGSP时，功率MOSFET的漏、 源极电压uDS开始上升，这段时间称为关断延迟时间td(off)。 此时栅、漏电容CGD放电，uGS波形上出现一个平台。当uDS上升到输入 电压时，iD开始减小，这段时间称为电压上升时间trv。 此后Cin继续放电，uGS从UGSP继续下降，iD减小，到uGS<UT时沟道消失， iD下降到稳态电流的10%，这段时间称为电流下降时间tfi。
uGS UGSP UT O iD O uDS O td (on) tri tfv td(off) trv tfi
t
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2.7.2 功率MOSFET特性及主要参数
关断延迟时间、电压上升时间和电流下降时间之和为功率MOSFET的 关断时间toff，即toff=td(off)+trv+tfi。 功率MOSFET是单极性器件，只靠多子导电，不存在少子储存效应， 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。
继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。
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2.8.1 基本结构和工作原理
图2-31是IGBT的外形、简化等效电路和电气图形符号，它有三 个电极，分别是集电极C、发射极E和栅极G。
E G
E G C E a) C
G
+ V J1 ID RN + + ID Ron E b)
C IC C G E
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2.7.2 功率MOSFET特性及主要参数
4．主要参数 栅源电压UGS 栅源之间的绝缘层很薄，UGS>20V将 导致绝缘层击穿 极间电容 极间电容CGS、CGD和CDS
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2.7.3 功率MOSFET的驱动
与GTO和GTR通过电流来驱动不 同，MOSFET是电压驱动型器件 （场控器件），其输入阻抗极高， 输入电流非常小，有利于驱动电 路的设计。 目前对于功率MOSFET的驱动常 采用专用的集成驱动芯片，如 TOSHIBA公司生产的TLP250等 功率MOSFET专用驱动芯片。 TLP250包含一个光发射二极管和 一个集成光探测器，并集合了晶 体管驱动电路。
u GE
O iC
td(on) tri
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t fi1 O u CE t fv1 t fv2 t d (off ) trv
tfi2 t
O
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图2-33 IGBT的开关过程
电
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2.8.2 IGBT特性及主要参数
电流下降时间分为tfi1和tfi2两段，其中 tfi1对应IGBT内部的MOSFET的关断过 程，这段时间集电极电流Ic下降较快； tfi2对应IGBT内部的PNP晶体管的关 断过程，这段时间内MOSFET已经关 断，IGBT又无反向电压，所以N基区 内的少子复合缓慢，造成ic下降较慢， 这称为IGBT的电流拖尾现象。 由于此时uCE已处于高位，相应的关 断损耗增加。关断时间toff为关断延迟 时间td(off)、电压上升时间trv与电流下降 时间（tfi1+ tfi2）之和。 IGBT的开关速度要低于功率 MOSFET。
电
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2.8.2 IGBT特性及主要参数
1、静态伏安特性 同样可以用转移特性和输出特性表述
开启电压UGE(th)： IGBT能实现电导调 制而导通的最低栅 射电压 UGE(th)随温度升高会 下降
IC IC 饱 和 区 有源区
UG E增加 UG E(th ) UFM UCE b)
URM 反向阻断区 O UG E(th ) a) UG E O
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2.8 绝缘栅双极型晶体管
GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效 应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱 动电路复杂。 功率MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快， 输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路 简单。但是导通压降大。 两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS器件 1986年IGBT投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的 市场，中小功率电力电子设备的主导器件。
图2-30 功率MOSFET的集成驱 动芯片TLP250
D
A
G S
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2.7.4 功率MOSFET的应用特点
功率MOSFET的薄弱之处是绝缘层易被击穿损坏，栅 源间电压不得超过20V。为此，在使用时必须注意若干 保护措施。
（1）防止静电击穿
（2）防止栅源过电压 一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是 它的一大优点 漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决 定了电力MOSFET的安全工作区
c)
图2-31 IGBT的外形、简化等效电路和电气图形符号 a) 外形 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号
电
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2.8.1 基本结构和工作原理
IGBT的结构
IGBT比VDMOSFET多一层P+注入 发射极 栅极 区，形成了一个大面积的 P+N结J1， G 使得IGBT E具有很强的通流能力 简化等效电路表明， IGBT是GTR + N+ + N+ N 组成的达林顿结构， N 与MOSFET P P J3MOSFET 输入为 ，所以 IGBT驱动 J2 N 漂移区 原理与MOSFETN 基本相同。 + 缓冲区 RN为MOSFET J1 的等效调制电阻， P+ 注入区 即漏-源极之间的等效电阻RDS 输出为PNP三极管 C 集电极
当UGE＞UGE(th)（开启电压， 一般为3～6V）时，IGBT开 通。当UGE＜UGE(th)时，IGBT 关断。IGBT的伏安特性分为 正向阻断区、有源区和饱和 区，分别与GTR的截止区、 放大区和饱和区相对应。
URM 反向阻断区 O
饱 和 区 UGE 增加 UGE(th) 正向阻断区 UFM UCE
G
+ V ID RN J1 + + IDRo n E b)
C IC
G
a)
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2.8.1 基本结构和工作原理
C IC
漂移区 缓冲区
G
+ V ID RN J1 + + IDRo n E b)
注入区
IGBT的原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同， 通断由栅射极电压uGE决定 导通：uGE大于开启电压UGE(th)时， C 当UGE=0时，MOSFET管内无导通沟道， • MOSFET内形成沟道，改变了调制电 •其调制电阻 RN可视为无穷大，IC=0， 阻RF IGBT N，为晶体管提供基极电流， •MOS ET处于断态。 G 导通 关断：栅射极间施加反压或撤除uGE时， MOSFET内的沟道消失，晶体管的基 极电流被切断，使得VJ1截止，IGBT关 断 c)
u GE
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td(on) tri
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t fi1 O u CE t fv1 t fv2 t d (off ) trv
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图2-33 IGBT的开关过程
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2.8.2 IGBT特性及主要参数
IGBT关断时，从驱动电压uGE 的脉冲下降到其幅值的90％的 时刻起，到集射电压uCE上升到 其幅值的10%，这段时间为关 断延迟时间td(off)。 随后是集射电压上升时间trv， 这段时间内栅极-集电极寄生电 容CGC放电，栅极电压uGE基本 维持在一个电压水平上。 集电极电流从90％ICM下降至 10％ICM的这段时间为电流下降 时间tf。
电力电子技术
Power Electronics
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2.7.2 功率MOSFET特性及主要参数
uGS 3．动态特性 UGSP UT 功率MOSFET存在输 O 入电容Cin，包含栅、源 iD
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电容CGS和栅、漏电容 CGD。
uDS
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t tri tfv td(off) trv tfi
当驱动脉冲电压到来时 ，Cin有充电过程，栅极 O td (on) 电压uGS呈指数曲线上升 ，如图2-29所示。
URM 反向阻断区 O
饱 和 区 UGE 增加 UGE(th) 正向阻断区 UFM UCE

图2-32 IGBT的伏安特性
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2.8.2 IGBT特性及主要参数
IGBT的开通过程与功率 MOSFET的开通过程很相似。 从驱动电压uGE的前沿上升至 其幅值的10％的时刻，到集电 极电流ic上升至电流幅值ICM的 10％的时刻止，这段时间为开 通延迟时间td(on)。 而ic从10％ICM上升至90％ICM 所需时间为电流上升时间tri。
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图2-29 功率MOSFET的开关过程波形
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2.7.2 功率MOSFET特性及主要参数
当uGS上升到开启电压UT时，开始出现漏极电流iD。从驱动脉冲电压前沿 时刻到iD的数值达到稳态电流的10%的时间段称为开通延迟时间td(on)。 此后，iD随uGS的上升而上升。从uGS上升到开启电压UT，到漏极电流iD的数 值达到稳态电流的90%的时间段称为电流上升时间tri。此时uGS的数值为功 率MOSFET进入正向电阻区的栅压UGSP。