功率器件 新员工基础培训,物料品质部 2006-03,目录,一、我司主要功率器件； 二、 二极管； 三、 MOSFET； 四、 IGBT,一、我司主要功率器件,我司产品中主要使用的功率器件如下： 二极管（功率二极管、信号二极管等）； 稳压管； 三极管； MOSFET； IGBT; 整流桥； 可控硅； 数码管、液晶等；,二、二极管定义,二极管（Diode）：一种具有两个引出端子和单向导电性的半导体器件。 二极管广泛应用于各种电路之中，起到整流、嵌位、续流、隔离、稳压、保护等作用。 符号：,二、二极管基本原理,二极管的重要特性：单向导电性。 Why？,二、二极管基本原理,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,1，PN结的形成：空间电荷区也称 PN 结,形成空间电荷区,二、二极管基本原理,PN 结变窄,P接正、N接负,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,2，PN结加正向电压：PN结正向偏置,二、二极管基本原理,PN 结变宽,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,IR,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,3，PN结加反向电压：PN结反向偏置,二、二极管分类,1、按类型划分 整流二极管：正向压降低，恢复时间长，适合低频整流。如1N4007，整流桥。 信号二极管：速度快，结电容小，适合信号处理。如1N4148、BAV70 快恢复二极管：恢复时间短，恢复电流小，关断速度快。 快速软恢复二极管：恢复时间短，恢复电流小，恢复特性软。 肖特基二极管：正向压降小，无存储电荷。适合低压高频整流。,二、二极管分类,2、按封装划分：插装、表面贴装、螺栓封装,DO-41 DO-15,TO-247,TO-220,SOT-227,D2PAK,DPAK,二、二极管分类,3、按应用划分 1）信号二极管： 开关二极管： 电流200mA 电压200V 肖特基二极管： 电流200mA 电压40V 2）功率二极管： 普通整流二极管：430A/1600V 快恢复二极管：2*120A/1400V 肖特基二极管：60A/100V,二、二极管主要特性和参数,硅管0.5V,锗管0.1V。,反向击穿 电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,硅0.60.8V锗0.20.3V,死区电压,反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。,二极管的伏安特性：非线形； 非理想开关,二、二极管主要特性和参数,1 反向阻断参数： 反向耐压：VR/VRRM/VRSM，正温度系数（温度升高时，材料晶格振动加剧，平均自由 程减小，相同外加电压下载流子获得的动能减小，为达到碰撞电离倍增效应所需的外加电压增大）； 反向漏电流： IR； 2 正向导通参数: IFAV; VF； IFSM; I2t; VT0; rT ; 3 温度参数: TC/TA, TJ/TJM, Rthjc/Rthja/Rthch; 4 耗散功率: Pd/Ptot;,二、二极管主要特性和参数,5，关断特性：PN结构成的二极管在正向导通时，PN结中存储大量的电荷。当电路使二极管换向时，导通时存储的电荷必须全部被抽出，或被中和掉。电荷被抽出的过程就是形成了反向恢复电流。 trr: 恢复时间 IRM: 恢复电流 Qrr: 恢复电荷 S: 软度因子,二、二极管常见应用问题,注意温度对电流处理能力的影响：,温度上升，通过电流能力下降。,功率二极管电流降额：产品工作于额定状态时，实际使用电流不超过对应实际壳温的电流额定值的90。,二、二极管常见应用问题,温度对关断特性的影响：温度升高，反向恢复电流增大，恢复时间、恢复电荷变大。,三、MOSFET定义,MOSFET金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), 它是一种单极型的电压控制器件，不但具有自关断能力，而且有输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快、无二次击穿问题、安全工作区宽、热稳定性能优良、高频性能好及跨导线性度高等优点。广泛应用于开关电源、小功率变频调速等电力电子设备中，具有很重要的地位。,三、 MOSFET基本原理,1.结构,双扩散工艺； 多元胞并联； 栅结构：平面栅（Planar）， 沟槽栅（Trench）； 很薄的SiO2层； 。,2.基本工作原理,栅极加正电压将沟道处的P型半导体反型成N型，从而控制通断。,三、 MOSFET分类,1、按原始沟道有无和沟道类型划分： N沟道MOSFET 增强型（无原始沟道） 耗尽型（有原始沟道） P沟道MOSFET 增强型（无原始沟道） 耗尽型（有原始沟道） 业界应用最为广泛的是N沟道增强型MOSFET。且较多使用的是分立器件，模块使用量相对很少。,三、 MOSFET分类,2、按栅结构划分,平面栅（planar）,沟槽栅（Trench）,三、 MOSFET分类,3、按封装类型划分 1） 表贴封装,LFPAK,WPAK,DPAK,D2PAK,三、 MOSFET分类,2) 插装,TO-3P,TO-3PFM,三、 MOSFET主要特性和参数,1、实际元胞结构,三、 MOSFET主要特性和参数,1、BVds：漏源击穿电压 为Vgs0V时漏源之间的反向漏电流达到某一规定值（如250uA）时的漏源电压。,温度系数：正温度系数，约10/Tj100,三、 MOSFET主要特性和参数,2、Rds（on）,RonVBR(DSS)2.42.6，最高通常1000V 具有正温度系数（150下数值约为室温下的2.5倍），易于并联。,三、 MOSFET主要特性和参数,3、Vgs（th）和Qg,实际驱动电路提供电压 必须超过此点之值，且 驱动内阻足够小。,三、 MOSFET主要特性和参数,4、输入电容Ciss、输出电容Coss、弥勒电容Crss,极间电容包含两类：一类为Cgs和Cgd，决定于栅极的几何形状和SiO2绝缘层的厚度；另一类为Cds，取决于沟道面积和有关PN结的反偏程度。 为减小这些电容的影响，通常Vds应大于10V。,三、 MOSFET主要特性和参数,5、热阻,三、 MOSFET主要特性和参数,热阻（温升计算）：,三、 MOSFET常见应用问题,1、注意温度对BVds的影响 极低温度下BVdss比室温下明显降低，设计时应避免可能的Vds尖峰电压击穿器件。BMP产品曾出现过类似失效，相关图片如下：,预防措施： 设计上保证足够的电压降额裕量。,三、 MOSFET常见应用问题,2、驱动不足,驱动电路提供电压 必须超过此点之值，且 驱动内阻足够小。,我司产品中曾出现： 驱动电压仅比閾值 电压略高一点，导致 驱动不足，损耗异常 增加而失效。,三、 MOSFET主要供应商,主要供应商份额分布 （截至2004年底）,产品覆盖范围概貌（discrete）,四、IGBT定义,IGBT绝缘栅双极性晶体管（Insolated Gate Bipolar Transistor），是80年代初为解决MOSFET的高导通压降（难以兼顾高压和大电流特性）和GTR的工作频率低、驱动功耗大等不足而出现的双机理复合器件（Double Mechanism Device）。,四、 IGBT基本原理,PNPN四层结构；相当于一个低压MOSFET和GTR的复合结构；双极性器件；内含寄生晶闸管；寄生结电容,四、 IGBT主要特点和应用范围,双极型器件，少子参与导电。空穴电流占总电流的2025。 由于少数载流子注入的基区调制效应，正向饱和压降（类似于MOSFET的导通电阻）不再明显受到耐压的影响。在大电流下可获得很低的通态压降和很高的功率处理能力； 同等耐压和功率处理能力下，IGBT所需的芯片面积明显小于MOSFET，因而具有成本优势； 具有MOS栅控制结构，驱动与MOSFET类似； 关断时由于少数载流子存储效应，存在电流拖尾，关断损耗较高；也限制了使用频率（一般不高于200KHZ）； 由于没有自身的体二极管，应用中需配合反并二极管用以续流，同时限制反向电压。多数产品内部已集成封装了此反并二极管。,四、 IGBT主要特点和应用范围,四、 IGBT分类,1、按电压分： 600，1200，1700，3300，6500V,四、 IGBT分类,2、按芯片技术划分,四、 IGBT分类,主要芯片技术比较：,四、 IGBT分类,3、按封装划分： （1）单管分立器件： TO-220, TO-247, TO-MAX等, 与MOSFET插装器件封装类似。 （2）模块：提供绝缘功能，3KV以上（安规认证，UL）。 DCB材料： Al2O3-AlN-AlSIC （一般工业用器件采用Al2O3、 AlN，而航空用器件采用AlSIC材料）,四、 IGBT分类,A、有铜底板（Copper Baseplate）的模块,62mm模块： 1066230mm,四、 IGBT分类,B、无铜底板模块：,SEMIPONT,EASY 系列,四、 IGBT分类,4、按照内部拓扑划分：,四、 IGBT主要特性和参数,1、厂家数据表（BSM200GB120DLC),四、 IGBT主要特性和参数,四、 IGBT主要特性和参数,四、 IGBT主要特性和参数,四、 IGBT主要特性和参数,四、 IGBT常见应用问题,1、驱动不足 与MOSFET驱动类似，IGBT栅极驱动电压也需超过閾值电压足够幅度 ，通常应为1510V.否则可能导致驱动不足，损耗增大。,四、 IGBT常见应用问题,2、绝缘耐压失效问题,导致DCB层破损的可能原因： 1）供应商来料不良； 2）我司生产制程不良。主要体现为散热器表面平整度不好；导热硅脂涂层偏后；安装力矩过大；安装过程过猛等。,15070071 UPS生产绝缘失效,谢 谢 ！,