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《硅功率器件与电路的现状及发展》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、硅功率器件与电路的现状与发展杨建成(微电子与固体电子学重点实验室，2009年10月)摘要：：本文介绍了功率器件的开关特性及电路反馈方法可更好的优化功率变换器的电路设计及器件选择。数学上从无旋静电场方程，输运方程及半导体器件物理出发，推导解释了三类离散型，垂直电流流动结构功率开关器件的击穿电压与导通电阻的相关问题；并对面向分岔，次谐波和混沌控制的功率电路的反馈控制方法进行了简单介绍。关键词：超结功率器件(SJFET):IGBT,功率M0SFET；导通电阻(Ron)；击穿电压(BV)SiliconPowerE
2、lectronicDevicesandCircuits:StatusandTrendsJianchengYang(GuizhouUnivorsity,KeyLabofMicronano・electronicandSoftwareTechnology,Guiyang550025,China)Abstract：Theswitchingcharacteristics,onresistanceandblockingvoltage,andtheircontrolmethodsaresoprofoundlyinter
3、woventhatonlyagoodgraspofunderlyingsemiconductorphysics»thetheoryofcontrolanddynamicalsystemscanguaranteeoptimumcircuitdesignandcomponentselection.Weusefieldtheory,transportdiffusionequationsandsemiconductorphysicsmethodstoanalysetherelationshipsbetweenth
4、especificon-resistanceandavalanchebreakdownvoltageforthethreetypeofdiscrete,vertical-currentflow,powerswitchingdevices:powerMOSFET,IGBTandsupcijunotionpowerMOSFET;andalsointroduccthedesignorientedanalysisofthebufercationandchaoticcontrolofaDC-DCconverter.
5、Keywords：Supeijunctiondevice;Powersemiconductordevice;IGBT;On-resistance;Breakdownvoltage1引言自从1956年贝尔实验室发明了第一个晶闸管以来，功率半导体技术的发展不断创新,经历了功率MOSFET,GTO,1GCT,IGBT,SJFET等不同时代的新器件。半导体功率器件正朝着高频，大电流，高电压，栅控可关断方向发展。图1是一个功率变换电路示意图。图中的开关功率器件可以是一个功率M0SFET,可以是一个IGBT,也可以是
6、一个SJFETo对一个功率开关器件，我们希望，开状态时器件能承受足够高的压降，即具有足够高的击穿电压；而关状态时，器件应有大的导通电流，从而最小化器件导通压降以降低功率损耗。换言之，器件应有足够小的导通电阻。本文将分析硅功率MOSFET,IGBT,及SJFET的击穿电压与导通电阻的相关问题。一个标准的功率逆变器输出电压应该是一个正弦波形。然而，实际的波形却是一个含有多次谐波成份的非标准波形。通常,使用可控PWM,RESONANT-PULSE等信号进行调节，以尽可能减小其谐波成份。在数学上，我们常用无旋场(
7、p-J/=O,V-E^O)来描述静电场。这/也是我们在描述场效应器件时所用的基本数学方法。电介质中静电场的高斯公式为：g-E•dS=JjjV-E(N=工Q+工如$Q其中Qp为介质中的极化电荷，&丿为真空中的介电常数;相应的微分形式为：=其中的£为介质中的介电E常数,P为电荷密度。用半导体的介电常数，掺杂浓度取代电荷密度及介质介电常数后，利用电介质屮的静电场高斯公式可导出MOSFET的电流电压关系，以及我们所感兴趣的场效应功率器件的击穿电压与导通电阻关系。对PN结二极管及双极晶体管，我们将以与时间有关的空穴
8、和电子的扩散方程及静电场泊松方程为出发点，推出双极输运方程。双极输运方程是描述晶体管内部载流子扩散及漂移运动的非线性微分方程，是推导晶体管的电流电压关系及相应的结构参数估算的基本方程式。2硅功率开关器件工业上，有三类离散型，垂直电流流动结构的功率开关器件：传统的功率MOSFET,常用于功率开关电源装置，是一种高频低压功率开关器件；IGBT,是一种高压(300伏以上)功率开关器件；常用在新能源，工业机器人，电动汽车等领域；SJF
