电力电子技术课件：08 功率晶体管和二极管

1、功率电子学的发展特征是器件的发展 慢速 SCR-高速开关器件 应用场合更为广阔 二极管/晶体管/GTR/MOS/IGBT,第八章 功率晶体管和二极管,常用高频功率开关器件,二极管 三极管,GTR MOSFET IGBT,南京航空航天大学航空电源重点实验室,第八章 功率晶体管和二极管,基本要求： 了解各种常用功率晶体管和二极管的基本特性及定额参数，为设计功率电路正确选用功率器件打下基础。 学习内容：,一、二极管静特性 PN节特性（电压-电流关系）,The practical realization of the power diode: n+ substrate.基区. cathode n- e

2、pitaxial.外延层. thickness dependent upon breakdown voltage p+ anode,Basic Structure but adding significant ohmic resistance when the junction forward biased,i-v characteristics,Voltage drop : Vd=Vj+RonIF Vj the voltage across pn junction RonIF the drift region voltage, ohmic-like.,一、二极管静特性 温度特性：负温度系数,

3、正向导通及反向截止,PN结的正向导通状态 PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在0.51.7V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态 PN结的反向截止状态 PN结的单向导电性 二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征 PN结的反向击穿 有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿,二、二极管的开关特性 1. 电容效应： 节电容CJ=势垒电容CB+扩散电容CD 开/关-充/放电 垫垒电容CB-两端电压变化，内电场重新建立,等效为CB, 大小与 PN 结截面积成正比,这与电容基本定义一致 扩散电容CD -二极管的电流变化,内部存储电荷变化；空穴从 P 区到 N 区，电子从 N 区到

4、 P 区电荷不完全复合,多余部份即为存储电荷。当电流大,存储电荷增加；当电流小,放出电荷；表现出电容特性 势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比；而扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时势垒电容为主，正向电压较高时扩散电容为结电容主要成分 结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。,2. 开关特性 开通过程：正向恢复 关断过程：反向恢复，反向峰值电流IRR，反向恢复时间trr，柔度系数SF,反向恢复问题的影响,引起较

5、大的损耗 di/dt造成较大的电磁干扰, 以及尖峰电压(Lsdi/dt) 限制了二极管的开关速度,三、二极管的类型（ 重要! ：名称、分类及应用场合） 按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性有不同的分类 应用时，应根据不同场合的不同要求，选择不同类型的功率二极管； 性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。 分类： 普通二极管 trr 大，适用于低频,如 1 kHz整流电路 快恢复二极管 trr5 us，开关二极管，用于高频整流/斩波和逆变,其中超快恢复 trr50 ns 肖特基二极管,1. 普通二极管（General Purpose Diode） 又称整流二极

6、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5s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。,2. 快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD） 恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5s以下）的二极管，也简称快速二极管 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。,超快恢复二极管Ultra Fast Recovery Diode,3. 肖特基二极管 以金属和半导体接触形成

7、的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier DiodeSBD），简称为肖特基二极管 结构特殊: 金属层+N,利用接触势垒的单向导电作用 结构/符号,不是完整的 PN 结,肖特基二极管的优点 *反向恢复时间很短（1040ns） * 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲 *在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管 *其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高 肖特基二极管的弱点： 当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下； * 反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作

8、温度。,肖特基伏安特性的比较,肖特基应用场合,应用于高频/低压场合 高频:因为其 trr 小 低压: 压降小,器件损耗小 耐压等级低限制其在高输出电压的应用场合,四、二极管的性能参数 1.最高允许结温TjM 2.额定正向平均电流IF 3. 浪涌电流 4.平方电流秒定额 5.反向重复峰值电压 6.反向恢复时间,正向平均电流IF(AV) 额定电流 在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值（与SCR相同） 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。 2. 正向压降UF 功率二极管在指定

9、温度下，流过某一特定的稳态正向电流时对应的正向压降； 3. 反向重复峰值电压URRM 对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的2/3 使用时常按照电路中功率二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定。 4. 最高工作结温TJM 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示 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trr trr= td+ tf ，关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻断能力止的时间 6. 浪涌电流IFSM 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。,一、概述 双极型功率晶体

10、管(电流控制型器件)：GTR BJT: bipolar junction transistorGTR: Giant Transistor power BJT 场控晶体管(电压型控制器件)：MOSFET，IGBT，等 二、双极型功率晶体管 1.稳态特性 饱和,截止,放大,临界饱和基极电流： 式8-21 过驱动系数： ODF 式8-22 强制电流增益： 式8-23 总导通损耗：,2.开关特性,图 8-6 等效电路,开关时间定义: 延迟时间 上升时间 存储时间 下降时间,开通过程： ib先给结电容Cbe充电; ic在经过td(开通延时)后开始上升 关断过程： ib首先将基区过剩电荷抽走, Cbe仍然

11、正偏,Q仍然导通 经过存储时间ts后,Q电流方开始下降 再经过下降时间Tf后,才能关断,3.晶体管的参数 （1）共射极直流电流放大倍数 （2）集-射饱和压降 （3） 额定值和二次击穿 电压定额: 最大允许电流: 功耗定额: 计算(P146) 二次击穿 (4)安全工作区safe operation area,静态参数,极限参数,4. GTR的二次击穿现象与安全工作区 一次击穿（电击穿） 集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿 只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变 二次击穿（热击穿） 一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降 常常立

12、即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变,安全工作区 SOA: 概念见P151页 考虑电压电流功率二次击穿多个因素 由四条曲线所围成的范围,4. 达林顿连接,方法:,优点:放大倍数变大 缺点:饱和压降变大,大电流GTR的小，Ibs过大 为获得较大，可将两晶体管组成复合管，即进行达林顿连接 为两级之乘积，起到放大作用 但Uces会有一定程度的增加,三、场控半导体器件 MOSFET，IGBT 1.功率场效应晶体管 （1）分类,B. 寄生电容和体二极管,弥勒电容和弥勒效应,C Characteristics of the Gate Charge 开关特性，以开通为例(测试条件：？),As iG c

13、harges Cgs and Cgd, VGS increases from 0 up to VGS(th). The graph of increasing VGS(t) seems to be increasing linearly, but it is in fact an exponential curve having a time constant of 1 = RG(Cgs + Cgd1). As shown in Figure (a), VDS is still equal to VDD, and iD is zero. The MOSFET is still in the t

14、urn off state.,t0 t1:,VGS increases exponentially passing VGS(th), and as VGS continues to increase, iD begins to increase and reaches full load current (IO). So (Va) varies to IO condition in t2. When iD is smaller than IO, and when it is in a state where the DF is being conducted, VDS maintains th

15、e VDD, but the graph shows the voltage which is a little less than VDD. This is caused by the voltage drop due to the existing inductance in the line of the circuit.,t1 t2:,t2 t3:,VGS is a constant value in accordance with the transfer characteristics as it is in an active region where iD is the ful

16、l load current (IO). So, iG can only flow through Cgd, and is obtained by the following equation.,米勒效应,It is the period where it operates in an ohmic region. The VGS increases up to VGG with a time constant of 2 = RG(Cgs + Cgd2),t3 t4:,（3）功率场效应晶体管的参数（教材P153） A。静态参数 通态电阻RDS 及其影响因素 开启电压UT B。极限参数 漏源击穿电

17、压U(BR)DS 栅源击穿电压 最大允许漏极电流IDM 最大允许功耗 C。安全工作区,D. 动态参数开关特性 开通时间: tON =开通延迟td（on）+上升tr 关断时间: tOF =关断延迟ts（off）+下降tf du/dt,2.绝缘栅晶体管IGBT,(1) 符号和特点,掣住效应 拖尾电流,三种全控开关器件的应用特点：,思考： 1. 二极管的种类有哪些? 各自的应用场合? 2. 二极管的反向恢复带来哪些问题? 3. GTR、MOSFET和IGBT的优缺点和应用场合？,本章要点： 名称、电气符号、图形符号 特性和适用场合，类型选择 最基本参数：1）定额，2）电气参数（静态，开关特性） 术语

18、和定义 其它. 如：安全工作区，米勒效应,常用高频功率开关器件,二极管 三极管,GTR MOSFET IGBT,1.静特性 PN结特性 2.开关特性 电容效应引起: 关断过程-反向峰值电流IRR，反向恢复时间trr 开通过程-正向恢复 3. 分类和适用场合 普通二极管:1kHz以下 快/超快恢复二极管:高频 肖特基二极管:高频低压（=200V） 4. 参数 额定正向平均电流IF 反向重复峰值电压 反向恢复时间 正向导通压降,1.静特性 电流控制型开关器件 输入和输出特性-P141图8-5 饱和,截止,放大 饱和深度影响:总导通损耗，关断速度 2.开关特性 电容效应造成: 开通时间: tON=延迟时间td+上升时间tr 关断时间: tOF=存储时间ts+下降时间tf 3.参数 电流放大倍数和饱和压降(特性) 额定值(极限值):电压定额BUceo ,BUebo; 最大允许电流ICM 安全工作区: 电流,功耗,电压,二次击穿,1. 静特性:电压控制型开关器件 输出特性和转移特性P156图8-29 体二极管 2. 开关特性:寄生电容引起 开通时间: tON=开通延迟td(on)+上升tr 关断时间: tOF=关断延迟ts(off)+下降tf du/dt 3. 参数 静态: 通态电阻RDS（正温