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第1章 电力半导体器件,1.1 电力半导体器件种类与特点 1.2 功率二极管 1.3 功率晶体管 1.4 功率场效应管 1.5 绝缘栅极双极型晶体管 1.6 晶闸管 1.7 晶闸管的派生器件 1.8 主要电力半导体器件特性比较,1.1 电力半导体器件种类与特点,1.1.1 半导体器件分类 从功率等级来分类 有微功率器件、小功率器件、大功率器件等等 制造材料分类 有锗管、硅管等等 从导电机理分类 有双极型器件、单极型器件、混合型器件等等 从控制方式来分类 可分为不可控器件、半可控器件和全可控器件三类器件,1.1.2 电力半导体器件使用特点,电力半导体器件稳态时通常工作在饱和导通与截止两种工作状态。 饱和导通时，器件压降很小，而截止时它的漏电流小得可以忽略，这样在饱和导通与截止两种工作状态下的损耗都很小，器件近似于理想的开关 但需要指出的是，电力半导体器件在开关状态转换过程时并不是瞬时完成的（所需时间称开关时间），而是要经过一个转换过程（称开关过程）,图1-1：简单的bjt电路,例如，图1-1所示电路中 ， 当工作在饱和导通状态时管压降， ， 的管耗 ， 截止的漏电流 ，即截止时的管耗 。如果 工作在线性放大状态时，设 ，则 的管耗 。,从使用角度出发，主要可从以下五个方面考查电力半导体器件的性能特点： 导通压降 运行频率 器件容量 耐冲击能力 可靠性 此外，诸如控制功率、可串并联运行的难易程度、价格等等也是选择电力半导体器件应考虑的因数。,1.1.3 电力半导体器件发展水平,在整流管类中，快速恢复二极管将有较大的发展 在高压直流输电中，晶闸管（光控晶闸管）将有很好的发展机遇。 在功率晶体管类中，以IGBT发展最为迅速,1.2 功率二极管,1.2.1 二极管工作原理与伏安特性 它具单向导电性 当外加正向电压（P区加正、N区加负）时，PN结导通，形成电流 二极管外加反向偏压（P区加负、N区加正）时,所以反向电流非常小. 二极管的伏安特性如图1-3所示。,图1-2二极管耗尽层与少数载流子浓度分布,图1-3二极管伏安特性,1.2.2 功率二极管开关特性,关断过程的三个时间段。 反相恢复时间，反相恢复电流。,研究二极管关断过程的电路,二极管关断过程的波形,功率二极管开通时间很短，一般可以忽略不计，但二极管的关断过程较复杂，对电路的影响不能忽视。,1.3 功率晶体管,图1-6 BJT内部结构与元件符号 （a）BJT内部结构； （b）元件符号,BJT是一种双极型半导体器件，即其内部电流由电子和空穴两种载流子形成。基本结构有NPN和PNP两种。 为了提高BJT耐压，一般采用NPvN三重扩散结构（图1-6）。,图1-7 集电极耐压与单位发射面积电流密度关系,功率晶体管BJT一般是指壳温为25时功耗大于1W的晶体管,1.3.2 工作原理及输出特性,图1-8 BJT三种基本电路,（a）共发射极电路,（b）共基极电路,（c）共集电极电路,系数 是共基极电路的电流放大倍数，亦称电流传输比,称为共射极电路的电流放大倍数。若接近于1，则的数值会很大 ,它反映了BJT的放大能力，就是用较小的基极电流IB可以控制大的集电极电流IC,BJT共发射极电路的输出特性,图1-10 BJT共发射极电路的输出特性,该图表示集电极电流IC 与集射极电压UCE的关系，其参变量为IB，特性上的四个区域反映了BJT的四种工作状态。 在晶体管关断状态时，基极电流IB0，集电极发射极间电压即使很高，但发射结与集电结均处于反向偏置，即UBE0，UBC0，UBC（IC /）时，晶体管就充分饱和了。这时发射结和集电结都是正向偏置，即UBE0，UBC0，电流增益和导通压降UCE均达到最小值，BJT进入饱和区（IV区）。BJT工作在饱和区，相当于处于导通状态的开关。,BJT的开关特性,图1-11 BJT的开关特性,当基极回路输入一幅值为UP（UPUBB）的正脉冲信号时，基极电流立即上升到 ，在IB的作用下，发射结逐渐由反偏变为正偏，BJT由截止状态变为导通状态 ，集电极电流IC上升到负载电阻压降 。集电极电流IC上升到负载电阻压降 ，集电结变为零偏甚至正偏，集电极与发射极之间的压降UCE0，BJT工作在饱和状态，BJT相当于闭合的开关。,当基极输入脉冲为负或零时，BJT的发时结和集电结都处于反向偏置，集电极电流逐渐下降到ICICEO0，因此负载电阻RL上的压降可以忽略不计，集电极与发射极之间的压降UCEUCC，即BJT工作在截止状态，BJT相当于一断开的开关,BJT的开关特性,图1-11 BJT的开关特性,图1-11 b）中的ton叫开通时间，它表示BJT由截止状态过渡到导通状态所需要的时间。它由延迟时间td和上升时间tr两部分组成，ton = td + tr。 td为延迟时间，表示从加入驱动脉冲，到集电极电流上升到0.1ICsa所需要的时间 tr为上升时间，表示集电极电流从0.1ICsa上升到0.9ICsa所需要的时间。 toff叫关断时间，表示BJT由导通状态过渡到截止状态所需要的时间。它由存贮时间ts和下降时间tf组成，toff = ts + tf。 ts为存贮时间，表示输入脉冲由正跳变到零时刻开始，直到集电极电流下降到0.9ICsa所需要的时间。 tf为下降时间，表示集电极电流从0.9ICsa下降到0.1ICsa所需要的时间。 ,图1-12 功率晶体管的开关损耗,1.3.4 BJT的二次击穿,图1-13 二次击穿实验曲线,图1-14 二次击穿临界线,反偏二次击穿触发功率 零偏二次击穿触发功率 正偏二次击穿触发功率,在二次击穿现象中，当第一次雪崩击穿后，从电流上升到ISB ，再到触发产生二次击穿的时间延迟，称为触发时间。意味着BJT工作点进入一次击穿区时，并不立即产生二次击穿，而要有一个触发时间。当加在BJT上的能量超过临界值（触发能量）时，才产生二次击穿，也就是说二次击穿需要能量。,（二）BJT的安全工作区（SOA）, BJT工作的安全范围由图1-15所示的几条曲线限定：集电极最大允许直流电流线ICM，由集电极允许承受的最大电流决定；集电极允许最高电压UCE0，由雪崩击穿决定；集电极直流功率耗散线PCM ，由热阻决定；二次击穿临界线PSB，由二次击穿触发功率决定。,图1-15 BJT的安全工作区,图1-16 不同工作状态下BJT的安全工作区 （a）正向偏置安全工作区； （b）反向偏置安全工作区,从图1-16可以看出BJT的反向偏置安全工作区比正偏时大得多 可以在元件关断瞬间，想办法使元件真正置于反偏工作状态，即对BJT基极驱动电路，在元件截止时，施加负的基射极电压。 来利用反偏安全工作区的特性 ,1.3.5 达林顿BJT与BJT模块,图1-17 达林顿BJT的等效电路,达林顿BJT有以下特点： 1 共射极电流增益值大,图1-18 BJT模块的等效电路,BJT模块除了有上述达林顿BJT的特点外，还有如下优点： 1） 它是能量高度集中的组合器件，大大缩小了变换器的体积； 2） 有电绝缘且传热好的固定底座，安装使用很方便； 3） 内含续流二极管减少了线路电感，降低了器件关断时电流变化率造成的过电压。,2 饱和压降UCEsa较高 3 关断速度减慢 ts = ts1 + ts2,1.4 功率场效应管,1.4.1 概述,功率场效应管，即功率MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 是一种单极型的电压控制器件，有驱动功率小、工作速度高、无二次击穿、安全工作区宽等显著优点。 在中小功率的高性能开关电源、斩波器、逆变器中，功率场效应管成为双极型晶体管的竞争对手，并得到了越来越广泛的应用。,图1-19 功率场效应管结构图 （a）“T”MOSFET； （b）“V”MOSFET,1.4.2 MOSFET的基本特性,1；转移特性,图1-20 N沟道型MOSFET的转移特性,只有UGS大于门槛电压UGS（th）才有漏极电流ID流过，在ID较大时，ID和UGS近似为线性关系，亦即跨导gFS为常数：, U GS10V之后，MOSFET的ID由外电路限制了。因此工作在开关状态的MOSFET正向驱动电压Ug10V。 ,（二）输出特性,输出特性可以分为三个区域 :可调电阻区I，饱和区II和雪崩区III ,图1-21 功率MOSFET输出特性,1.4.2 MOSFET的基本特性,（三）MOSFET的电容,图1-22 MOSFET各端点之间的电容, MOSFET各极之间的结电容由其物理结构所决定，金属氧化膜的栅极结构决定了栅漏之间的结电容Cgd和栅源之间的结电容Cgs，MOSFET的PN结形成了漏源间的结电容Cds。 图1-22表示了MOSFET的输入电容Ciss、输出电容Coss和反向传输电容Crss与结电容之间的关系。 ,（四）开关特性,图1-23 开关特性测试电路与波形,td(on)：开通延迟时间 tr：上升时间 td(off) ：关断延迟时间， tf ：下降时间,1.4.3 MOSFET安全工作区,图1-24 MTM 4N 50的安全工作区 （a）最大额定开关安全工作区； （b）最大额定正偏安全工作区,由于电流具有随温度上升而下降的负反馈效应，因而MOSFET中不存在电流集中和二次击穿的限制问题，它有较好的安全工作区（SOA） 图1-24是型号为MTM 4N 50(500V, 4A)的MOSFET的安全工作区，它分最大额定开关安全工作区和最大额定正向偏置安全工作区两种。 ,最大额定开关安全工作区是负载线可跨越而不会招致MOSFET损坏的界限，基本的限制是峰值电流IDM和击穿电压U(BR)DSS ，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，而结温是随功率损耗的变化而变化，图1-29 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列等式算出：,144 MOSFET的基本参数,（一）漏极额定电流ID和峰值电流IDM （二）通态电阻rDS(ON （三）阀值电压UGS(th) （四）漏源击穿电压U(BR)DSS （五）最大结温TJM （六）最大耗散功率PD （七）热阻,TC +PD TJM,1.5 绝缘栅极双极型晶体管 (IGBT ),1.5.1 IGBT的结构与工作原理,图1-25 IGBT的结构剖面图,图1-26 IGBT简化等效电路及信号,绝缘栅极双极型晶体管简称IGBT,它将功率MOSFET与BJT的优点集于一身，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、驱动电路简单等优点，又具有通态压降低、耐压高和承受电流大等优点 ,由结构图可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区BJT，其简化等效电路如图1-26所示，图中电阻Rdr是厚基区BJT基区内的扩展电阻。 IGBT是以BJT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IGBT，MOSFET为N沟道型，BJT为PNP型。 ,1.5.2 IGBT的基本特性,伏安特性,转移特性, IGBT的伏安特性是指以栅极电压UGE为参变量时，集电极电流IC与集电极电压UCE之间的关系曲线 IGBT的伏安特性与BJT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 IGBT作为开关器件稳态时主要工作在饱和导通区 , IGBT的转移特性是指集电极输出电流IC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UGE小于开启电压UGE(th)时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分集电极电流范围内，IC与UGE呈线性关系。 ,1.5.2 IGBT的基本特性,IGBT的开关特性的测试电路,IGBT的开关特性的开关特性曲线, IGBT的开关特性如图1-35所示。由图可知IGBT的开关特性与功率MOSFET基本相同。 td(on)+ tr= ton叫开通时间，td(off)+ tf= toff叫关断时间,IGBT的正偏安全工作区和反偏安全工作区, IGBT开通时的正向偏置安全工作区FBSOA是由最大集电极电流ICM、最大集射极电压UCEM、最大功耗三条边界极限曲线包围而成的， 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：2倍的额定集电极电流（2IC）和额定集射级电压（UCE）所围成的矩形。 ,1.6 晶闸管,图1-31 晶闸管的双三极管模型,（一）晶闸管的结构 （二）晶闸管的双三极管模型,1）无信号下的电路工作状态 在无信号状态下，电路电流很小，因而可近似地认为电路处于断态（T1、T2相应地处于截止状态），更确切地应称为正向阻断状态。,2）有信号下的电路工作状态 在UAK 0的情况下，若加入幅值足够大的电流ig，且满足，就可以使电路从断态转换到通态。,通过上述分析可知晶闸管有如下特性： （1）晶闸管导通的条件是：阳阴极间必须加正向电压，控制极施加正的控制极电流； （2）晶闸管具有正向阻断的能力； （3）元件在正压时是可控的，在反压时则完全处于断态，也就是说它具有单向导电性质。 （4）元件触发导通后，控制极失去作用，即元件的可控性是不可逆的。,1.6.2 晶闸管的伏安特性与参数,图1-32 晶闸管的伏安特性 （a） （b）,它的反向特性见图1-32 a)、b）的第三象限，它与一般二极管的反向特性相似，具有很好的反向阻断能力，此时只有很小的漏电流（若干微安到几十毫安）通过元件。当反向电压增加到- UBR时，漏电流急剧增加，特性曲线开始弯曲，称UBR为反向转折电压。若进一步增大反向电压，就会使晶闸管击穿。 ,晶闸管的正向特性见图1-32 a）、b）的第一象限。当门极没有正向电压，即门极电流ig = 0时，正向流过晶闸管的漏电流也很微小，晶闸管具有正向阻断能力。只要正向电压低于正向转折电压UBF，晶闸管就处于断态，一旦正向电压达到UBF，则电流突然增加，端电压很快下降，晶闸管处于通态，见图1-32 a）所示。 ,晶闸管的一些主要参数,（一）晶闸管的电压定额： 1断态重复峰值电压Udrm 2反向重复峰值电压Urrm 3额定电压值 4通态（峰值）电压UTm,（二）晶闸管的电压定额： 1通态平均电流 ITa 2维持电流 IH 3擎住电流 ILH 4断态重复峰值电流Idrm及反向重复峰值电流Irrm,（三）晶闸管的门极参数定额 1门极触发电流Igt 2门极触发电压Ugt,（四）动态参数和结温 1.断态电压临界上升率du/dt 2.通态电流临界上升率di/dt 3.额定结温TJM,1.6.3 晶闸管的开关过渡过程,图1-34 晶闸管元件的开通过程,（一）晶闸管的开通过程 ： 1. 延