PIcU 图1-24MIM4N50的安全工作区 (a)最大额定开关安全工作区;(b)正偏安全工作区 制是峰值电流和击穿电压U瞬,这个安全工作区只适用于器件开关时间小于1s的 开通和关断过程。在其余工作条件下,使用正向偏置安全工作区。正向偏置安全工作区受 功率损耗的限制,而结温随功率损耗的变化而变化。图1-24(b)表示的是温度为25℃时 的正向偏置安全工作区。在任一温度下,某一工作电压的允许电流可通过下式算出 IxL IA =loach cl-25 Tpp r!s (1-7 式中lx)-在T温度下的最大允许电流; lxr—图1-24(b)中某一给定电压下的最大允许电流; P—25℃时的额定功率损耗,元件产品目录中给出 R—额定稳态热阻,产品目录中给定 1.4.4基本参数 (一)溻极顫定电流l和峰值电流Jw Lυ是流过漏极的最大的连续电流,J。是流过漏极的最大的脉冲电流。这两个电流参 数主要受器件工作温度的限制(通常最高结温为150℃),不论器件通过连续电流还是脉 冲电流,其内部结温不得超过该值。根据实际测试,器件的外壳温度应低于100℃。此外 值得注意的是,一般生产厂家所给出的漏极额定电流是器件外壳温度25℃(Tc=25℃) 时的值,所以在选择器件时要考虑充分的裕度,防止在器件温度升高时漏极额定电流降低 而损坏器件 (二)通态电阻rso 通态电阻r1o是功率 MOSFET非常重要的参数,它是功率M0SFET导通时漏源电压 与漏极电流的比率值。当 MOSFE导通时,漏极电流流过通态电阻,产生耗散功率。通态 电阻值越大耗散功率越大,越容易损坏器件。 通态电阻与栅极电压有关,随着栅极电压的升高通态电阻值减小。这样看似乎栅极电 压越髙越好,但过高的栅极电压会延缓关断时间,所以一般选择栅极电压为10V 通态电阻几乎是结温的线性函数。随着结温升高通态电阻增大,也就是通态电阻 20
rpc具有正的温度系数,因此功率 MOSFET可以直接并联使用 (三)阀值电压Us 栅极阀值电压U。,就是漏极流过一个特定量的电流所需的最小栅源控制电压。人们 也许认为阀值电压Um小一点好,因为小的门极阀值电压的功率 MOSFET可以用CMos 或TL等低电压电路驱动,而且驱动电压小可以减小驱动电路对棚源寄生电容的充放电时 间,加快器件的开关速度。但是太小的阀值电压抗干扰能力差,驱动信号的噪声干扰会引起 功率器件误导通影响它的正常工作。并且正向漏极电压瞬态值会通过漏栅间的寄生电容 耦合到栅极,引起功率器件误导通。 MOSFET的U≥(2~4)V,提高了抗干扰的能力。 (四)漏源击穿电压U(mm 漏源击穿电压U(m是在Us=0时漏极和源极所能承受的最大电压。功率 MOSFET 在工作时绝对不能超过这个电压值。漏源击穿电压U(1是结温的正温度系数函数 (五)最大结温TB 最大结温T是器件所能接受的最大工作和存储温度。一般来说最大结温T是 l50℃。 (六)最大耗散功率P 最大耗散功率PD表示器件所能承受的最大发热功率。参数表中给出的是Tc=25℃ 器件外壳温度25)时的最大耗散功率,一般还给出外壳温度每升高1℃最大耗散功率 的下降值。 (七)热阻Ry 热阻R是结温和外壳温度差值相对于漏极电流所产生的热功率的比率,单位是 ℃/w。其中,θ表示温度,j表示结温,c表示外壳。在产品手册中都给出热阻R的值 器件外壳T、耗散功率P、热阻R、最大结温Tm的关系如下 rc+PpRe TI (1-8 为了使读者对上述参数有一个量的概念,表11列出了m公司生产的型号为RFP460 的功率 MOSFET参数表。 表1-1 RFP460参数表 参数 (1)漏源额定电压Ums 500V 反向转移电容C 2)栅源电压Uc 20-20V(7)开关特性参数(s=290V,lb=12A) (3)漏极额定电流lu(Uos=l0V) 开通延时td TC=25℃ 上升时间 Tc=l00℃ 关断延时te 漏极峰值电流ls 下降时间t (4)阀值电压U(s( (8)工作结温T 55~+150℃ (5)通态电阻ri(Ues=l0V,=2.5A0 (9)最大耗散功率Pbp(Tc=25A (6)输人电容C 420pF 25℃以上下降 2.2w/℃ 输出电容C 870pF (10)热阻Ra(结到外壳) 045℃/W
1.5绝缘栅极双极型晶体管( Isolation Gate Bipolar Transistor-IGBTY) 1.5.1IGBT的结构与工作原理 功率 MOSFET的通态电阻是限制其功率容量的主要因素。因此,如何减小其通态电阻 就成为一个重要研究课题。人们从BJ工作机理上得到启示,在 MOSFET的漂移区引少 数载流子进行电荷调制,从而可使漂移区电阻显著减少。1983年,RCA公司(美国无线 电公司)和CE公司(通用电气公司)利用这一原理几乎同时研制出新一代 MOSFET功率 器件——绝缘栅极双极型晶体管。绝缘栅极双极型晶体管简称lB,它将功率 MOSFET 与BT的优点集于一身,既具有输人阻抗高、速度快 热稳定性好、驱动电路简单等优点,又具有通态压降 N 体区低、耐压高和承受电流大等优点。 漂移区 ICBT的结构剖面图如图1-25所示。其特点是在功 缓冲区率 MOSFET结构的基础上增加了一个P层发射极,形 滑极 成N结J,并由此引出漏极(亦称集电极C)、栅极与 源极(亦称发射极E)则与功率 MOSFET类似。有N 图125ICBT的结构剖面图 缓冲区的IBT称为非对称ICBT,其反向阻断能力弱 但正向压降低,关断时间短,拖尾电流小。由结构图可以看出,GBT相当于一个由MOS FET驱动的厚基区BJT,其简化等效电路如图1-26所示,图中电阻R4是厚基区BT基区 内的扩展电阻。KGBT是以B厂为主导元件、 MOSFET为驱动元件的达林顿结构器件,图示 器件是N沟道ECBT, MOSFET为N沟道型,BT为 正向电压时:MET内形成沟道,并为晶体<、完 PNP型。 IGBT的符号见图126所示。当IGBT栅极施以 管提供基极电流,从而使VCBT导通。此时,从P 区注人到N区的空穴对N区进行电导调制,减小 N区的电阻R4,使高耐压的GB也具有低的通图126IG简化等效电路及符号 态压降。当IGBT栅极施以负电压时, MOSFET内的沟道消失,PNP晶体管的基极电流被 切断,IGBT即关断。 1.52IBT的基本物性 ICBT的基本特性包括稳态特性和动态特性。稳态特性主要是指IGB的伏安特性和转 移特性如图12所示,动态特性是指IBT的开关特性。 IGB'的伏安特性是指以栅极电压U为参变量时,集电极电流lc与集电极电压U 之间关系的曲线。集电极输出电流lc受栅极电压Ulε的控制,Ux越高,lc越大。它与 BT的输出特性相似,也可分为饱和区I、放大区Ⅱ和击穿区Ⅲ三部分,如图1-27(a) 22·
所示。VCBT作为开关器件稳态时主要工 作在饱和导通区。阻断状态下的GBT, 正向电压由2结承担,反向电压由J结 承担。加入N缓冲区后,反向阻断电压 只能达到几十伏的水平,所以FBT内部 般均反并联一个快速恢复二极管。 IGBT的转移特性是指集电极输出电 流lc与栅极电压之间的关系曲线。它与 MOSFET的转移特性相同,当栅极电压 图1-27IGBT的稳态特性 U/c小于开启电压UcE时,IB处于关 (a)伏安特性;(b)转移特性 断状态。在IGBT导通后的大部分集电极电流范围内,l与Uc星线性关系,如图1.27 (b)所示。 IGBT的开关特性如图1-28所示。由图可知IGBT的开关特性与功率 MOSFET基本相 同。开通转换时,从栅极信号为0.Uc所对应的时间到集电极电流上升到0.1l所经历的 时间叫开通延迟时间m,集电极电流从D1/。U- 升到0.9l的时间 叫上升时间t:;关断转换时,从栅极信号下降到0.9Ux开始到集电极电流下降到0.9l所 经历的时间叫关断延迟时间tm,集电极电流从09l下降到0.1lc的时间叫下降时间 tr,tm为开通时间(tm=∞)+1,),t为关断时间(ta=tmm+l1),tm和tm是衡量开关 速度的重要指标。 几 09 图1-28ECB的开关特性 (a)测试电路:(b)开关特性曲线 从上述开关特性可知,IGBT的开关特性与栅极驱动信号的前后沿陡度有关。驱动信 号的源内阻越小,则驱动信号的前后沿就越陡,就可适当降低IE的开关时间。同时可 知,GBT的开关特性与试验电路的负载有关,图1-28所示的开关特性是纯电阻性负载
(R1)测得的,因此集电极电流与电压的变化是线性对应的;如果是电感性负载(L,R) 时,其开关特性稍有不同,特别是集电极电流与电压就不是线性对应的了,开通时电流上 升慢,电压下降快;关断时相反,开始集电极电压上升快,而电流下降慢,同时在开通和 关断的转换过程中还将引起不同程度的电压和电流过冲。 1.5.3IGBT的安全工作区 IGBT开通时的正向偏置安全工作区 FBSOA是由最大集电极电流/n、最大集射极电压 UsM、最大功耗Pn三条边界极限曲线包围而成的,如图1-29(a)所示。 006001000 02004006008001000 极射极电压(cEV 图1-29GBT的安全工作区 (a)正偏安全工作区( FRSOA);(b)反偏安全工作区( RRSOA) 图1-29所示是50A,60V两单元GBT模块的安全工作区。由图可知,ICBT正向偏置 时导通比越大,则元件发热越严重,导致BT的 FBSOA越窄。IGBT的反向偏置安全工作 区( RBSOA)如图1-29(b)所示。它基本上是一矩形,是由2倍的额定集电极电流 (2lc)和额定集射极电压(Ul)所围成的矩形。 1.6晶闸管 1.6.1晶闱酋的站构与工作原理 (一)晶闸管的结构 晶闸管是一种大功率半可控元件。它有三个引出极,即阳极(A)、阴极(K)和门极 (G),符号如图1-30(a)所示。内部原理性结构如图1-30(b)所示。它是先在N型硅基 片的两面扩散铝或硼(P型杂质)形成PNP结构,然后在其中一面的大部分区域扩散 磷或锑(N型杂质)作阴极,在同一面的较小区域作门极。在另一面,放置铝片与P1型 层构成欧姆接触,作阳极。这样阳极与阴极之间形成PNN四层结构,具有三个PN结: J、J2、J3,如图1-30(c)所示