电力半导体器件

1、第一章 电力半导体器件对应电力二极管，由于要求承受高压，与普通的P-N结不同，其内部一个N-层，其杂质浓度很低，电阻率很高，通过它实现很高的耐压能力。IOIFUTOUFU3.比较：比较：1 击穿实质不同：一个是通过碰撞产生载流子；一个是通过击穿实质不同：一个是通过碰撞产生载流子；一个是通过 强电场直接破坏共价键；强电场直接破坏共价键； 2 产生条件不同：齐纳击穿要求高杂浓度，雪崩击穿浓度较低；产生条件不同：齐纳击穿要求高杂浓度，雪崩击穿浓度较低； 3. 联系：发生齐纳击穿一定产生雪崩击穿；而发生雪崩联系：发生齐纳击穿一定产生雪崩击穿；而发生雪崩 击穿则未必发生齐纳击穿。击穿则未必发生齐纳击穿。

2、热击穿是永久损坏。电击穿发生时，若外电路将反向电流限制在一定热击穿是永久损坏。电击穿发生时，若外电路将反向电流限制在一定范围内，反向电压降低后范围内，反向电压降低后PN节仍可恢复。若电流未控制住，发生了节仍可恢复。若电流未控制住，发生了热击穿，则二极管永久损坏。热击穿，则二极管永久损坏。特点：工艺上多采用掺金措施，结构上多采用PN结型结构。或改进的PIN型结构，但耐压不高。Silicon Controlled Rectifier 图图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) 工作原理工作原理 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理

3、 按照晶体管工作原理，按照晶体管工作原理，可列出如下方程：可列出如下方程：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）式中式中 1和和 2分别是晶体管分别是晶体管V1和和V2的共基极电流增益；的共基极电流增益；ICBO1和和ICBO2分别是分别是V1和和V2的共基极漏电流。的共基极漏电流。晶体管的特性是：在低发射极电流下晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当是很小的，而当发射极电流建立起来之后，发射极电流建立起来之后， 迅速增大。迅速增大。在晶体管在晶体管阻断状态阻断状态下，下，IG=0，而，而 1+ 2是很小的。由

4、上式是很小的。由上式可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。漏电流之和。 如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致 1+ 2趋近于趋近于1的话，流过晶闸管的电流的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）（阳极电流）将将趋近于趋近于无穷大无穷大，从而实现器件，从而实现器件饱和导通饱和导通。由于外电路负载的限制，由于外电路负载的限制，IA实际上会维持实际上会维持有限值有限值。 )(121CBO2CBO1G2AIIII 由以上式（由以上式（2-1）（2-4）可得）可得(1-3)

5、2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性静态特性静态特性 正常工作时的特性正常工作时的特性 当晶闸管承受当晶闸管承受反向电压反向电压时，不论门极是否有触发电流，时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通晶闸管都不会导通 。 当晶闸管承受当晶闸管承受正向电压正向电压时，仅在时，仅在门极门极有有触发电流触发电流的情的情况下晶闸管才能开通况下晶闸管才能开通 。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通发电流是否还存在，晶闸管都保持导通 。 若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外若要使已导通的晶闸管关断，只能利

6、用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值电流降到接近于零的某一数值以下以下。 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 正向特性正向特性 当当IG=0时，如果在器件时，如果在器件两端施加正向电压，则晶两端施加正向电压，则晶闸管处于正向闸管处于正向阻断状态阻断状态，只有很小的正向漏电流流只有很小的正向漏电流流过。过。 如果正向电压超过临界如果正向电压超过临界极限即极限即正向转折电压正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件则漏电流急剧增大，器件开通开通 。 随着随着门极电流幅值门极电流幅值的增的增大，大，正向转折电压正向转折电压降低，降低，晶闸管本身的压降

7、很小，晶闸管本身的压降很小，在在1V左右。左右。 如果门极电流为零，并如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零且阳极电流降至接近于零的某一数值的某一数值IH以下，则晶以下，则晶闸管又回到闸管又回到正向阻断正向阻断状态，状态，IH称为称为维持电流维持电流。 图图1-8 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向转正向转折电压折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+反向特性反向特性 其伏安特性类似其伏安特性类似二极管二极管的的反向特性。反向特性。 晶闸管处于反向阻断状态晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小

8、的时，只有极小的反向漏电流反向漏电流通通过。过。 当反向电压超过一定限度，当反向电压超过一定限度，到到反向击穿电压反向击穿电压后，外电路如后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管损坏。剧增大，导致晶闸管损坏。 图图1-8 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG正向正向转折转折电压电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性动态特性动态特性 开通过程开通过程 由于晶闸管内部的由于晶闸管内部的正反馈正反馈 过程过程需要时间，再加上需要时间，再加

9、上外电路外电路 电感电感的限制，晶闸管受到触发的限制，晶闸管受到触发 后，其阳极电流的增长不可能后，其阳极电流的增长不可能 是是瞬时瞬时的。的。 延迟时间延迟时间td (0.51.5 s) 上升时间上升时间tr (0.53 s) 开通时间开通时间tgt=td+tr 延迟时间随延迟时间随门极电流门极电流的增的增 大而减小大而减小,上升时间除反映晶上升时间除反映晶 闸管本身特性外，还受到闸管本身特性外，还受到外电外电 路电感路电感的严重影响。提高的严重影响。提高阳极阳极 电压电压,延迟时间和上升时间都延迟时间和上升时间都 可显著缩短。可显著缩短。 图图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开

10、通和关断过程波形阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的10%关断过程关断过程 由于由于外电路电感外电路电感的存在，原的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，电压突然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。有过渡过程的。 反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr 关断时间关断时间tq=trr+tgr 关断时间约几百微秒。关断时间约几百微秒。 在在正向阻断恢复时间正向

11、阻断恢复时间内如果内如果重新对晶闸管施加重新对晶闸管施加正向电压正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。是受门极电流控制而导通。图图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形100%反向恢复反向恢复电流最大电流最大值值尖峰电压尖峰电压90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA因此，在实际应用中，应对晶闸管施加足够长的反向电压。晶闸管门极与阴极之间的PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性。3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数电压定额电压定额 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 是在门极断路而结温为额定值

12、时，允许是在门极断路而结温为额定值时，允许重复重复加在器件上的加在器件上的正向正向 峰值电压峰值电压（见图（见图1-8）。）。 国标规定断态重复峰值电压国标规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值电压（即为断态不重复峰值电压（即 断态最大瞬时电压）断态最大瞬时电压）UDSM的的90%。 断态不重复峰值电压应低于断态不重复峰值电压应低于正向转折电压正向转折电压Ubo。 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 是在门极断路而结温为额定值时，允许是在门极断路而结温为额定值时，允许重复重复加在器件上的加在器件上的反向反向 峰值电压峰值电压（见图（见图1-9）。）。 规定反向重复峰值电压规定反向重

13、复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压（即反向为反向不重复峰值电压（即反向 最大瞬态电压）最大瞬态电压）URSM的的90%。 反向不重复峰值电压应低于反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压反向击穿电压。2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 通态峰值电压通态峰值电压UTM 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电 压。压。 通常取晶闸管的通常取晶闸管的UDRM和和URRM中较小的标值作为该器件的中较小的标值作为该器件的额定电压额定电压。 选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压选用时，一般取额定电压为正常工作

14、时晶闸管所承受峰值电压23倍倍。电流定额电流定额 通态平均电流通态平均电流 IT(AV） 国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40 C和规定的和规定的冷冷 却状态却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半 波电流的平均值。波电流的平均值。 按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应发热效应来定义的。来定义的。 一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的 原则来选取晶闸管的电

15、流定额。原则来选取晶闸管的电流定额。 2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数维持电流维持电流IH 维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小最小电流，电流，一般为几十到几百毫安。一般为几十到几百毫安。 结温结温越高，则越高，则IH越小。越小。 擎住电流擎住电流 IL 擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的后，能维持导通所需的最小最小电流。电流。 约为约为IH的的24倍倍 浪涌电流浪涌电流ITSM 指结温为额定值时，在工频正弦波半周期期间器件能承指结温为额定值时，在工频正弦波半周期期

16、间器件能承受的最大过载电流，而且紧接浪涌后的半周期内应能承受受的最大过载电流，而且紧接浪涌后的半周期内应能承受规定的反向电压。规定的反向电压。动态参数动态参数 开通时间开通时间tgt和关断时间和关断时间tq 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的态到通态转换的外加电压最大上升率外加电压最大上升率。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通误导通 。 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 在规定条件下，晶闸管能承受

17、而无有害影响的在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通最大通态电流上升率态电流上升率。 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。坏。1.3.2 双向晶闸管双向晶闸管a)b)IOUIG=0GT1T2双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor） 可以认为是一对可以认为是一对反并联联反并联联 接接的普通晶闸管的集成的普通晶闸管的集成。 门极使器件在主电极的正门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第反两方向均可触发导通，在第和第和第III象限有象

18、限有对称的伏安特对称的伏安特性性。 双向晶闸管通常用在交流双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用电路中，因此不用平均值而用有效值有效值来表示其额定电流值。来表示其额定电流值。图图1-11 双向晶闸管的电气图形双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性符号和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性 双向晶闸管的触发方式 双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触发。主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式： + 触发方式：主极T1为正，T2为负；门极电压G为正（对T2）。特性曲线在第象限。 - 触发方式：主极T1为正，T2为负；门极电压G为负(对T2)。特

19、性曲线在第象限。 + 触发方式：主极T1为负，T2为正；门极电压G为正(对T2)。特性曲线在第象限。 - 触发方式：主极T1为负，T2为正；门极电压G为负(对T2)。特性曲线在第象限。 由于双向晶闸管的内部结构原因，四种触发方式中触发灵敏度不相同，以+ 触发方式灵敏度最低，使用时要尽量避开。常采用的触发方式为+ 和- 。 +触发灵敏度最高。 1.3.3 光控晶闸管光控晶闸管AGKa)AK光强度强弱b)OUIA光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT） 是利用一定波长的是利用一定波长的光光照信号照信号触发导通的晶闸管。触发导通的晶闸管。 由于采用光触发保证

20、由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间了主电路与控制电路之间的的绝缘绝缘，而且可以避免电，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在晶闸管目前在高压大功率高压大功率的场合的场合。图图1-12 光控晶闸管的电气图形符光控晶闸管的电气图形符 号和伏安特性号和伏安特性 a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性 1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管晶闸管的一种派生器件，但晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于电流使其关断，因而属于全控全控型器件型器件。 GTO的结构和工作原理的结构和工作原理

21、 GTO的结构的结构 是是PNPN四层半导体结构四层半导体结构。 是一种多元的功率集成是一种多元的功率集成 器件，虽然外部同样引出器件，虽然外部同样引出3个电个电极，但内部则包含数十个甚至极，但内部则包含数十个甚至数百个共阳极的数百个共阳极的小小GTO元元，这，这些些GTO元的元的阴极阴极和和门极门极则在器则在器件内部件内部并联并联在一起。在一起。 多元集成结构，阴极很小，门、多元集成结构，阴极很小，门、阴极间距很小，使得阴极间距很小，使得P2基区基区横横向电阻很小，能从门极抽出较向电阻很小，能从门极抽出较大电流。大电流。 图图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号的内部结构和电气图形符号a

22、)各单元的阴极、门极间隔排列的图形各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号电气图形符号 1.4 可关断器件可关断器件GTO的工作原理的工作原理 ：导通过程：导通过程 仍然可以用如左所示的仍然可以用如左所示的双晶体管双晶体管模型模型来分析来分析GTO工作原理：关断过程工作原理：关断过程 当门极施加负脉冲时，门极负电流排除P2区非平衡空穴载流子的积累，门极负电压阻止N2区 阴极非平衡载流子的注入。门极负电流，意味着P2基区中的空穴通过门极流出器件，而电子则通过J3结从阴极排出。 随着空穴和电子的排除，在J3结附近形成了耗尽层。此耗尽层

23、从阴极靠近门极的区域逐渐向阴极中心部分扩展。这样，从N2阴极没有电子注入P2基区，P2区与N2区中的过剩载流子复合一直到达电中性为止。J3结如能维持反偏置状态，将为J2结迅速恢复阻断能力创造条件，只要J2结恢复了反向阻断能力，GTO就进入关断状态。关断过程的内部机理：关断过程的内部机理：1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时只不过导通时饱和程度饱和程度较浅。较浅。 而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，当两个晶体管发射极电流出电流，当两个晶体管发射极电流IA和和IK的的减小使减小使 1+ 21时，器件退出时，器件退出饱和饱和而关断。而关断。 GTO的的多元集成结构多元集成结构使得其比普通晶闸管使得其比普通晶闸管开通过程开通过程更快，承受更快，承受di/dt的能力增强。的能力增强。 1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO的动态特性的动态特性 开通过程与普通晶闸管开通过程与普通晶闸管类似。类似。 关断过程关断过程 储存时间储存时间ts 下降时间下降时间tf 尾部时间尾部时间tt 通常通常tf比比ts小得多