第1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RbBCEUCEIcRLT1UCC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 。 ，VUCC505LRVUCE3 . 01TCECTUIP1WURUCELCC33 . 010)/(1T0CI01TP1TAIC51T)(LCCCCCECRIUIUIW75)5550(5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 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RBBCEUCEIcRLT1UCCUBEUBBUCCRBBCEUCERLT1UBBUEBUCBUCCRBBCEUCEIcRLT1UBB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 EI/IC系数 是共基极电路的电流放大倍数，亦称电流传输比 11ECECCECBCI/II/IIIIII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。BBEBBPBRUUUI)(BECCLCUURI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 ccuiP1.3.4 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 SBRSBRSBRUIP000SBSBSBUIPSBFSBFSBFUIP在二次击穿现象中，当第一次雪崩击穿在二次击穿现象中，当第一次雪崩击穿后，从电流上升到后，从电流上升到I ISBSB ，再到触发产生二，再到触发产生二次击穿的时间延迟，称为触发时间。意味次击穿的时间延迟，称为触发时间。意味着着BJTBJT工作点进入一次击穿区时，并不立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。即产生二次击穿，而要有一个触发时间。当加在当加在BJTBJT上的能量超过临界值（触发能上的能量超过临界值（触发能量）时，才产生二次击穿，也就是说二次量）时，才产生二次击穿，也就是说二次击穿需要能量击穿需要能量。 （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T1T2CBT1T2ECBR1R2图1-17 达林顿BJT的等效电路T1T2ECBR1R2D1DF达林顿BJT有以下特点：1 共射极电流增益值大 )1 () 1(122221BBEIRU图1-18 BJT模块的等效电路 BJTBJT模块除了有上述达林顿模块除了有上述达林顿BJTBJT的特的特点外，还有如下优点：点外，还有如下优点： 1 1） 它是能量高度集中的组合器件，它是能量高度集中的组合器件，大大缩小了变换器的体积；大大缩小了变换器的体积； 2 2） 有电绝缘且传热好的固定底有电绝缘且传热好的固定底座，安装使用很方便；座，安装使用很方便； 3 3） 内含续流二极管减少了线路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电感，降低了器件关断时电流变化率造成的过电压的过电压。2 饱和压降UCEsa较高 3 关断速度减慢 ts = ts1 + ts21.4 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”MOSFET1.4.2 MOSFET的基本特性 1；转移特性图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 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)(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：CjcDCCACDATcDRPTII25125()(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 jcRjcRTC +PD 0的情况下，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。1.6.2 晶闸管的伏安特性与参数IaUAKUBRUBFIaUBRUAK(a)(b)00图1-32晶闸管的伏安特性 （a） （b） 0gigtgIi 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1-32 a）所示。 晶闸管的一些主要参数（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）晶闸管的电压定额：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 1.6.3 晶闸管的开关过渡过程 图1-34 晶闸管元件的开通过程 （一）晶闸管的开通过程 ：1. 延迟时间td（由ig = 0.1Igt到UAK = 0.9 Ea的时间间隔）。2上升时间tr（由UAK = 0.9 Ea到UAK = 0.1 Ea的这段时间间隔） 3扩散时间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trr 2控制极的恢复时间tgr 晶闸管的串并联 图1-39 晶闸管的串联运行（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，必须降低电压的额定值作用，一般取晶闸管的额定电压为：)()25. 01 . 0(avDRHjIUR jsmRjRjRnVKP12smHnUU)8.32.2(图1-40 晶闸管并联运行（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，故只在小功率的场合下适用 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双向晶闸管内部结构图1-42 双向晶闸管的伏安特性 1.7.3 光控晶闸管 AKGAGK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1-44 GTO的结构与符号图中：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 项目晶闸管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12V0.10.7V（单管）0.82.1V（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：基极电流消失（5）关断时的保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安全工作区浪涌冲击10倍的额定电流（重复性）20倍的额定电流（非重复性）二倍的额定电流（非重复性）误动作（控制可靠性）控制极干扰信号，过大的du/dt会引起误触发，故需抑制措施，以防止电源短路损坏元件基极干扰信号，过大du/dt造成瞬时导通，但可复原，不致引起损坏。若是电源短路，工作点超出安全工作区，会损坏元件维护无活动部件，不易损坏部件，需维护（同晶闸管）寿命半永久性半永久性二次击穿不存在存在BJT、功率MOSFET、IGBT的性能比较 CIdcWI器件名称BJTMOSFETIGBT驱动方式电流电压电压驱动功率大小小存储时间520无几乎无开关速度150.10.50.51高压化容易难容易大电流化容易难容易高速化难极容易极容易SOA窄宽宽饱和电压低高低工作机理少数载流子导电多数载流子导电少子、多子混合导电I-U特性电流控制指数伏安特性电压控制低电流平方伏安特性高电流区线性伏安特性 （沟道宽度）电压控制大电流指数伏安特性，小电流MOS伏安特性 Id决定于沟道宽度和栅有效面积并联应用不能简单并联，须采用均流电阻等措施不产生电流集中，能直接并联不产生电流集中，能直接并联耐压能力采用深结、台面等终端技术采用场板、分压环等平面终端技术采用场板、分压环等平面终端技术输入阻抗小，要求较大的基极电流，故驱动电路设计复杂大，驱动电路设计简单大，驱动电路设计简单跨导换算成gm较MOS大，但IC上升，gm下降受沟道宽长比限制，Id上升，gm下降跨导大开关特性少子存储效应，限制开关速度多子漂移，无存储效应，开关速度较BJT高一个数量级比MOSFET慢安全工作区SOA受二次击穿影响，SOA小无二次击穿，SOA大无二次击穿，SOA大温度特性电流温度系数为正，会发生热崩电流温度系数为负，稳定性好调整结构参数，能使温度系数为零工作频率低最高高开关损耗中高（取决于与通态损耗的折衷）很低低中（取决于与通态损耗的折衷）BIsss