第一章电力半导体器件

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资料分类有锗管、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电力半导体器件运用特点电力半导体器件稳态时通常任务在饱和导通与截止两种任务形状。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任务形状下的损耗都很小，器件近似于理想的开关但需求指出的是，电力半导体器件在开关形状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，当任务在饱和导通形状时管压降，，的管耗，截止的漏电流，即截止时的管耗。假设任务在线性放大形状时，设，那么的管耗。从运用角度出发，主要可从以下五个方面调查电力半导体器件的性能特点：导通压降运转频率器件容量耐冲击才干可靠性此外，诸如控制功率、可串并联运转的难易程度、价钱等等也是选择电力半导体器件应思索的因数。1.1.3电力半导体器件开展程度在整流管类中，快速恢复二极管将有较大的开展在高压直流输电中，晶闸管〔光控晶闸管〕将有很好的开展机遇。在功率晶体管类中，以IGBT开展最为迅速1.2功率二极管

1.2.1二极管任务原理与伏安特性它具单导游电性当外加正向电压〔P区加正、N区加负〕时，PN结导通，构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。研讨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，普通可以忽略不计，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1-6BJT内部构造与元件符号〔a〕BJT内部构造；〔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构成。根本构造有NPN和PNP两种。为了提高BJT耐压，普通采用NPvN三重分散构造〔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普通是指壳温为25℃时功耗大于1W的晶体管1.3.2任务原理及输出特性图1-8BJT三种根本电路〔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β称为共射极电路的电流放大倍数。假设接近于1，那么β的数值会很大,它反映了BJT的放大才干，就是用较小的基极电流IB可以控制大的集电极电流ICBJT共发射极电路的输出特性图1-10BJT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的四种任务形状。◢◤在晶体管关断形状时，基极电流IB＝0，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UBE≤0，UBC<0，发射结不注入电子，仅有很少的漏电流流过，在特性上对应于截止区〔I区〕，相当于处于关断形状的开关。◢◤当发射结处于正向偏置而集电结仍为反向偏置时，即UBE>0，UBC<0，随着IB添加，集电极电流IC线性增大，晶体管呈放大形状，特性上对应线性放大区〔II区〕。◢◤当基极电流IB>〔IC/β〕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UBE>0，UBC>0，电流增益和导通压降UCE均到达最小值，BJT进入饱和区〔IV区〕。BJT任务在饱和区，相当于处于导通形状的开关。◢

BJT的开关特性图1-11BJT的开关特性◤当基极回路输入一幅值为UP〔UP>>UBB〕的正脉冲信号时，基极电流立刻上升到，在IB的作用下，发射结逐渐由反偏变为正偏，BJT由截止形状变为导通形状，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UCE≈0，BJT任务在饱和形状，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IC＝ICEO≈0，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UCE≈UCC，即BJT任务在截止形状，BJT相当于一断开的开关◢BJT的开关特性图1-11BJT的开关特性◤图1-11b〕中的ton叫开通时间，它表示BJT由截止形状过渡到导通形状所需求的时间。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，表示从参与驱动脉冲，到集电极电流上升到0.1ICsa所需求的时间tr为上升时间，表示集电极电流从0.1ICsa上升到0.9ICsa所需求的时间。◢◤toff叫关断时间，表示BJT由导通形状过渡到截止形状所需求的时间。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辰开场，直到集电极电流下降到0.9ICsa所需求的时间。◢◤tf为下降时间，表示集电极电流从0.9ICsa下降到0.1ICsa所需求的时间。◢图1-12功率晶体管的开关损耗1.3.4BJT的二次击穿图1-13二次击穿实验曲线图1-14二次击穿临界限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◤在二次击穿景象中，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任务点进入一次击穿区时，并不立刻产生二次击穿，而要有一个触发时间。当加在BJT上的能量超越临界值〔触发能量〕时，才产生二次击穿，也就是说二次击穿需求能量。◢

〔二〕BJT的平安任务区〔SOA〕◤BJT任务的平安范围由图1-15所示的几条曲线限定：①集电极最大允许直流电流线ICM，由集电极允许接受的最大电流决议；②集电极允许最高电压UCE0，由雪崩击穿决议；③集电极直流功率耗散线PCM，由热阻决议；④二次击穿临界限PSB，由二次击穿触发功率决议。◢

图1-15BJT的平安任务区图1-16不同任务形状下BJT的平安任务区〔a〕正向偏置平安任务区；〔b〕反向偏置平安任务区◤从图1-16可以看出BJT的反向偏置平安任务区比正偏时大得多◢◤可以在元件关断瞬间，想方法使元件真正置于反偏任务形状，即对BJT基极驱动电路，在元件截止时，施加负的基射极电压。来利用反偏平安任务区的特性◢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1-18BJT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，大大减少了变换器的体积；2〕

有电绝缘且传热好的固定底座，安装运用很方便；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呵斥的过电压。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(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)是一种单极型的电压控制器件，有驱动功率小、任务速度高、无二次击穿、平安任务区宽等显著优点。◢◤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运用。◢

图1-19功率场效应管构造图〔a〕“T〞MOSFET；〔b〕“V〞－MOSFET1.4.2MOSFET的根本特性1；转移特性图1-20N沟道型MOSFET的转移特性◤只需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：◤UGS＝10V之后，MOSFET的ID由外电路限制了。因此任务在开关形状的MOSFET正向驱动电压Ug≈10V。◢〔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1.4.2MOSFET的根本特性〔三〕MOSFET的电容图1-22MOSFET各端点之间的电容◤MOSFET各极之间的结电容由其物理构造所决议，金属氧化膜的栅极构造决议了栅漏之间的结电容Cgd和栅源之间的结电容Cgs，MOSFET的PN结构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1.4.3MOSFET平安任务区图1-24MTM4N50的平安任务区〔a〕最大额定开关平安任务区；〔b〕最大额定正偏平安任务区◤由于电流具有随温度上升而下降的负反响效应，因此MOSFET中不存在电流集中和二次击穿的限制问题，它有较好的平安任务区〔SOA〕◢◤图1-24是型号为MTM4N50(500V,4A)的MOSFET的平安任务区，它分最大额定开关平安任务区和最大额定正向偏置平安任务区两种。◢◤最大额定开关平安任务区是负载线可跨越而不会招致MOSFET损坏的界限，根本的限制是峰值电流IDM和击穿电压U(BR)DSS，这个平安任务区只适用于器件开关时间小于1μs的开通和关断过程◢◤在其他任务条件下，运用正向偏置平安任务区。正向偏置平安任务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1-29b〕表示的是温度为25℃时的正向偏置平安任务区。◢◤在任一温度下，某一任务电压的允许电流可经过以下等式算出：1．4．4MOSFET的根本参数〔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<TJM1.5绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)1.5.1IGBT的构造与任务原理图1-25IGBT的构造剖面图图1-26IGBT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、耐压高和接受电流大等优点◢◤由构造图可以看出，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构造器件，图示器件是N沟道IGBT，MOSFET为N沟道型，BJT为PNP型。◢1.5.2IGBT的根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的输出特性类似，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任务在饱和导通区◢◤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的转移特性一样，当栅极电压UGE小于开启电压UGE(th)时，IGBT处于关断形状。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。◢1.5.2IGBT的根本特性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根本一样。◢◤td(on)+tr=ton叫开通时间，td(off)+tf=toff叫关断时间◢

IGBT的正偏平安任务区和反偏平安任务区◤IGBT开通时的正向偏置平安任务区FBSOA是由最大集电极电流ICM、最大集射极电压UCEM、最大功耗三条边境极限曲线包围而成的，◢◤IGBT的反向偏置平安任务区RBSOA如图1-29b)所示。它根本上是一矩形：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〕晶闸管的构造〔二〕晶闸管的双三极管模型1〕无信号下的电路任务形状在无信号形状下，电路电流很小，因此可近似地以为电路处于断态〔T1、T2相应地处于截止形状〕，更确切地应称为正向阻断形状。2〕有信号下的电路任务形状在UAK>0的情况下，假设参与幅值足够大的电流ig，且满足，就可以使电路从断态转换到通态。经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：阳阴极间必需加正向电压，控制极施加正的控制极电流；〔2〕晶闸管具有正向阻断的才干；〔3〕元件在正压时是可控的，在反压时那么完全处于断态，也就是说它具有单导游电性质。〔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1-32a)、b〕的第三象限，它与普通二极管的反向特性类似，具有很好的反向阻断才干，此时只需很小的漏电流〔假设干微安到几十毫安〕经过元件。当反向电压添加到-UBR时，漏电流急剧添加，特性曲线开场弯曲，称UBR为反向转机电压。假设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1-32a〕、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才干。只需正向电压低于正向转机电压UBF，晶闸管就处于断态，一旦正向电压到达UBF，那么电流忽然添加，端电压很快下降，晶闸管处于通态，见图1-32a〕所示。◢晶闸管的一些主要参数〔一〕晶闸管的电压定额：1．断态反复峰值电压Udrm2．反向反复峰值电压Urrm3．额定电压值4．通态〔峰值〕电压UTm〔二〕晶闸管的电压定额：1．通态平均电流ITa2．维持电流IH3．擎住电流ILH4．断态反复峰值电流Idrm及反向反复峰值电流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/dt2.通态电流临界上升率di/dt3.额定结温TJM1.6.3晶闸管的开关过渡过程图1-34晶闸管元件的开经过程〔一〕晶闸管的开经过程：1.延迟时间td〔由ig=0.1Igt到UAK=0.9Ea的时间间隔〕。2．上升时间tr〔由UAK=0.9Ea到UAK=0.1Ea的这段时间间隔〕3．分散时间ts〔由UAK=0.1Ea到UAK=UT(av)的这段时间间隔〕图1-35晶闸管元件的关断过程〔a〕关断晶闸管元件的原理电路；〔b〕关断过程〔二〕晶闸管的关断过程1．反向恢复时间trr2．控制极的恢复时间tgr晶闸管的串并联图1-39晶闸管的串联运转〔a〕晶闸管串联后的反向电压；〔b〕晶闸管串联均压电路通常选均压电阻为：均压电阻Rj的功率可按下式计算：元件串联时，必需降低电压的额定值作用，普通取晶闸管的额定电压为：图1-40晶闸管并联运转〔a〕晶闸管并联时的电流分配；〔b〕串联电阻法均流〔c〕串联互感法均流；〔d〕三个晶闸管并联的串联互感法均流◤用串联电阻法均流虽然简单，但因电阻上有损耗，并且对于动态均流不起作用，故只在小功率的场所下适用◢◤采用均流电抗器均流，其优点是损耗小，电感还有限制电流上升率的作用，但均流电抗器只能起动态均流的作用。◢

1.7晶闸管的派生器件1.7.1双向晶闸管图1-41双向晶闸管内部构造图1-42双向晶闸管的伏安特性1.7.3光控晶闸管图1-46光控晶闸管符号及等效电路1.7.2可关断晶闸管图1-44GTO的构造与符号图中：A--阳极；K--阴极；G--控制级1.8主要电力半导体器件特性比较1.8.1晶闸管与BJT的性能比较工程晶闸管BJT最高耐压额定电流12000V4000A1200V600A开通时间≤几微秒几微秒〔1〕关断时间几十至几百微秒几微秒〔2〕正向压降1～2V0.1~0.7V〔单管〕0.8~2.1V〔达林顿管〕漏电流几毫安以下几百微安以下开关方法及所需能量开通：控制极触发电流〔功率为几瓦以下〕关断：阴极加负电压〔3〕、〔4〕开通：基极流过电流〔功率为几瓦以下〕关断：基极电流消逝〔5〕关断时的维护用缓冲电路抑制反峰电压及du/dt用缓冲电路将电压电流限制在平安任务区浪涌冲击10倍的额定电流〔反复性〕20倍的额定电流〔非反复性〕二倍的额定电流〔非反复