常 用功率半导体器件及工作状态

1、第2章 常用功率半导体器件及工作状态2.0 电力半导体器件种类与特点 2.1功率场效应管功率二极管 2.2 绝缘栅极双极型晶体管功率晶体管 2.3 晶闸管 2.4 快恢复二极管2.5 肖特基二极管2.0 电力半导体器件种类与特点 2.0.1 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 2.0.2 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

2、展机遇。在功率晶体管类中，以IGBT发展最为迅速 A2800,V4500:IGBTA28,kV2 . 1;A60,V800:SITA100,V500:MOSFETA600,V1200:BJTA600,kV2:SITHkA5 . 2,kV4:MCTkA1,kV8;kA3,kV5 . 4:GTOkA1,kV2 . 1:s30,kA1,kV5 . 2:kA1,kV12,kA4,kV5:KA3,V100:s25. 0,A450,KV2 . 1:KA6,KV3:功率功率晶体管自关断型双向晶闸管快速晶闸管普通晶闸管换流关断型晶闸管肖特基二极管快速恢复二极管普通整流管整流管电力半导体器件2.1.1 概述功率

3、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在中小功率的高性能开关电源、斩波器、逆变器中，功率源、斩波器、逆变器中，功率场效应管成为双极型晶体管的场效应管成为双极型晶体管的竞争对手，并得到了越来越广竞争对手，并得到了越来越广泛的应用。泛的应用。 图1-19 功率场效应管结构图（a）“T”MOSFET； （b）“V”MOSFET2.1功率场效应管 2.1.2 MOSFET的基本特性 1；转移特性

4、图1-20N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：GSDFSdUdIg/ 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输出特性可以分为三个区域域 : :可调电阻区可调电阻区I I，饱和区饱和区IIII和雪崩区和雪崩区III III 图1-21功率MOSFET输出特性2.1.3 MOSFET的基本特性 （三）MOSFET的电容 图1-22 MOSFET各端点之间的电容 MOSFE

5、T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 90%UDSUGStrtd(on)td(off)tf10%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 rondonttt)(foffdoffttt)(2.1.4 MOSFET安全工作区图1-24 MTM 4N 50的安全工作区（a）

6、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

7、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：CjcDCCACDATcDRPTII25125()(215 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 jcR2.2 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,

8、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

9、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 ET2CT1RLUCCICUCE+UGE-UGE(a)0.9IC0.9ICtftd(off)td(on)ton0.9VCC0.9VCCtt0.1UGE+UGE0.9UGE0UGEICIC=VCC/RL0.1I

10、C-UGEt00trtoff0.1ICUCE0.1VCC0.1VCC(b) 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 11010010001101001000集电极电流 IC(A)极射极电压 UCE（V）极射极电压 UCE（V）200400600800100001101001000集电极电流 IC(A)DC1ms100us15usIGBT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

11、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。 2.3 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。)(1)(12010020100201IIIIcbcbcba2）有信号下的电路工作状态在UAK 0的

12、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。 212121221122112111210)(111iiiiiiiiiibcbcbbbcbc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。2.3.1 晶闸管的伏安特性与参数IaUAKUBRUBFIaUBRUAK(a)(b)00图晶闸管的伏安特性 （a） （b） 0gigtgI

13、i 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，见图所示。 晶闸管的一些主要参数

14、（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Urrm3额定电压值4通态（峰值）电压UTm（二）晶闸管的电流定额：1通态平均电流 ITa2维持电流 IH3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Igt2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 2.3.3 晶闸管的派生器件 双向晶闸管 图1-41双向晶闸管内部结构图1-42 双向晶闸管的伏安特性 光控晶闸管 AKGAGK图1-46 光控晶闸管符号及等效电路可关断晶闸

15、管 图1-44 GTO的结构与符号图中：A-阳极；K-阴极；G-控制级2.4快恢复二极管 2.4.1 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2.4.2 功率二极管开关特性 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。b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrt

16、dtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdta) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt 延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示正向偏置转换为反向偏置 零偏置转换为正向偏置 反相恢复时间，反相恢复电流。 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 1. 正向平均电流正向平

17、均电流IF(AV) 额定电流在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值 正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。 当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略 当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 2. 正向压降正向压降UF 指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降 有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降 3. 反向重复峰值电压反

18、向重复峰值电压URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压 通常是其雪崩击穿电压UB的2/3 使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 4. 最高工作结温最高工作结温TJM 结温结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示 最高工作结温最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度 TJM通常在125175C范围之内 5. 反向恢复时间反向恢复时间trr trr= td+ tf ，关断过程中，电流降到0起到恢复反响阻断能力止的时间 6. 浪涌电流浪涌电流IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型 1. 普通二极管普通二极管（General Purpose Diode） 又称整流二极管（Rectifier Diode） 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中 其反向恢复时间较长，一般在5 s以上，这在开关频率不高时并不重要 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型 2. 快恢复二极管快恢复二极管（Fast Recovery Diode FRD） 恢复过程很短特别是反向恢复过