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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I
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