32 24 16
Tj = 25C UGS = 0V f = 1MHz
Cis
CGS
8
Cos
Crs
S
O
10
20
30
40
50
《器件说明》
U DS / V
? Cis=CGSCGD 输入电容（DS短接） 开关速度
Cos=CDSCGD 输出电容（GS短接）
计算 驱动电路
Crs =CGD
反馈（米勒）电容
设计
C / nF
▲ 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。
§3-1 功率二极管 （Power Diode)
1 静态特性
iD
电导调制效应
★ 电导调制效应：
电流↑—注入载流子数↑ 保持 电阻率↓—多子↑ 电中性
2 动态特性
mA ~ mA
uD
反向阻断 0.5~1.2V
雪崩 击穿
PD等效模型：
1.2
UDS = 60V
1.0
25
50
75
100 125 150
Tj / C
0.5
0.4
Tj = 100C
0.3
Tj = 25C
0.2
Tj = 55C
0.1
0
5
10
15
20
25
IDS / A
动态特性：
uGS
90%
10%
uDS
90%
UGS UDS
uG
uGS
?UG
UG
t
t
uDS
Ui
t
t
iDS
IL
t
10%
E
B
台面结构面积大→I 大； P N+
轻掺杂→ρ大→V梯度↑
N-
→V大；但β小。
N+
C
2 类型
单管：β=10 ~ 15，驱动电流大 复合（达林顿）管：
T1
T1
T2
T2
NPN
PNP
★ T2的C结未正偏，Uces大 ★ T1→T2 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。
G
0.2
0.20
0.1
0.10
0.05
Single Pulse
RTjC = 0.25C/W
0.02
0.01 0.01 0.1
1.0 10 100 1000 10000
t / ms
D
KR
=
Z TjC R T jC
结-壳瞬态热阻 结-壳稳态热阻
§3-4 绝缘栅双极晶体管 IGBT
C
RN
1 IGBT的结构
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 + 300℃工作温度。
SiC 功率MOS与IGBT研发进展
■理论上，通态比电阻同比硅MOS分别低100－2000倍。
2019
10 3 UMOS
Silicon
比电阻 （ cm2）
Ui
t iDS
IL
t
iD IL t
t0 t1
Q0 Q1
t2 t3
Q2 Q3
★ 栅极电荷特性
电路运行条件的影响
uGS / V
U DS = 10V
U DS = 80V
uGS / V
14
IRF130
12
IDS = 1A
10
8
6
4
2
Q / nC
O 5 10 15 20 25 30
Q1 Q2
Q3
开通 电流
降落 电压
• 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。
外壳电容
体电感
PN结电阻
引线电感
体电阻 势垒+扩散电容
开通过程：
外壳电容
体电感
PN结电阻
iD uD
UFRP
实际 uD
理想 iD
实际 iD
引线电感
体电阻
2V
势垒+扩散电容
关断过程：
tFR
iD
UFRP
由UR、线路电感、 体电感决定
理想 iD
实际 iD
tRR
反向充电建立势垒
t 反向恢复时间
t 理想 uD
Ron
U GS
I DS
1.25
1.15
1.05
MTP1N100 1A1000V
0.95 MTP5N40
5A400V
0.85
MTP25N06
25A60V
0.75 4 6 8 10 12 14 16 18 20
UGS / V
Ron /
Ron / on25C R
2.0
1.8
1.6
UDS = 400V
1.4
功率MOSFET的结构与电路模型
G
S
G
D
D
G
N+ N+
N+ N+
S S
P
P
N-
D
CGD
CDS
N+
G
D
★ 垂直导电VD，面积 大，电流大； ★ 轻掺杂，电阻率大，耐压高；
★ 沟道短D-S间U、R、 C均小； ★ 胞元并联结RDS小，可达mΩ。
CGS
Rb
S 沟道体电阻
☆ 无电导调制效应， UDSS 较GTR大。
★ 栅极电荷特性
Ui IL
CGD IG
iD iDS
CDS
CGS S
40 32
？密勒效应 MTE50N10
Tj = 25C UGS = 0V
24
f = 1MHz
16
Cis
8
Cos
Crs
O
10
20
30
40
50
U DS / V
IG =Const
UGS(t )
UG S(Q)
iG
IG
t
uGS
放大区 调阻区
t
uDS
（开通过程贮存于Cis）
S2
S1＋S2=开关周期驱动能量
UGS-
平均驱动功率
1
P= TS
0TSuGiS Gd= t Pon po
n po
f= f po
n po
ff
=fS(S1S2)=fS(UGSUGS)Q (3Q0)
★ 安全工作区
电路运行条件的影响
IDS / A
Ron 损耗 限制
脉冲 电流 限制
tc—关断时间 t3—存储时间 （μs 级） t4—下降时间
§3-3 功率场效应晶体管 Power MOSFET
1 分类与结构特点
小功率MOSFET：
结型 绝缘栅型
增强型 耗尽型
N沟道 P沟道
N沟道 P沟道
Power MOSFET
D
★ 因工艺和结构差异名称不同。如：
Motorola NEC Siemens
TMOS VDMOS SiPMOS
G S
小功率MOSFET的结构
反型层 G
S
D
N+
N+
P
★ 电压控制，输入阻抗高。
GTR:10~104 MOS:107 ~1014
★ 单极型，温—流负反馈，
温度稳定性高，无二次击穿。
uGS > 0
104~5V / mm
☆ 横向导电，电流小，耐压低。
适合于MOS IC。
过驱动
14
IRF130
12
UDS = 80V
10
8
IDS = 12A
6
4
IDS = 1A
2
Q / nC
O 5 10 15 20 25 30
U DS
U GS
Q
I DS
★ 栅极电荷特性
应用于驱动功率计算
uGS
U GS
S1
S1:开通过程消耗于RG的能量
S2:关断过程消耗于RG的能量
O
Q
-Q0
Q1
Q2
Q3
2 PMOSFET的特性
静态特性：
★ 输出特性
iD
调 阻 区
饱和区
雪崩
U GS
击穿区
无栅压反向输出特性
U GS=0 U GS
u DS
U GS=0
Ron = 5 ~ 10m
UGS>0
正栅压反向输出特性
★ 转移特性
iD
负电流温度系数
适于并联
跨导 I D = g U GS
uGS
开启电压 UT
开启电压 跨导
103
1990
P / kVA 105
104
发展历程
SCR
2000
GTO
SITH
103
IGBT
102
P / kVA 103
102
102
SCR
10
1980
GTO
10
IGBT
101
GTR 1 10
MOS f / kHz
102 103 104