章电力半导体器件课件

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◤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增加,集电极 电流IC线性增大,晶体管呈放大状态,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。◢
(c)共集电极电路
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),相当于处于关断状 态的开关。 ◢
• 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
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。
1.4.1 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。◢
R1
R2 E
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。
1.4 功率场效应管
图1-24 MTM 4N 50的安全工作区
化,图1-29 b)表示的是温度为25℃时的
(a)最大额定开关安全工作区;
正向偏置安全工作区。 ◢ ◤在任一温度
(b)最大额定正偏安全工作区
下,某一工作电压的允许电流可通过下列
等式算出:
◤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
功率晶体管BJT一般是指壳温为25℃时功耗 大于1W的晶体管
图1-7 集电极耐压与单位发射面积电流密度 关系
1.3.2 工作原理及输出特性
Ic
RL
图 1
C
RB B
T1
UCE
UBE
E
UCC
α IC / IE
- BJT
8
UBB
(a)共发射极电路
α 系数 是共基极电路的电流放大倍
U CE
数,亦称电流传输比
电流 设 IC
I5CA,0,则即T 1截的止管时耗的I管C U 耗CP E TIC 1 (U 0C C 。IC 如R L )果5 T 1(5 工作 0 5 在5 线) 性7放W 5 。大状态时,
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
二极管关断过程的波形
研究二极管关断过程的电路
• 关断过程的三个时间段。
• 反相恢复时间,反相恢 复电流。
1.3
功率晶体管
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1-6 BJT内部结构与元件符号 (a)BJT内部结构; (b)元件符号
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
图1-15 BJT的安全工作区
◤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 ◢
三 种 基 本
RB
E T1 C
RL
B
U EB
U CB
U CC
U BB
IIC BIEI CIC1 IC IC /I/E IE1

(b)共基极电I路c

C
β称为共射极电路的电流放大倍数。若接
RB B
T1
UCE
UCC 近于1,则β的数值会很大 ,它反映了BJT
E
UBB
RL
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
◢ Crss与结电容之间的关系。
10%
UGS
t t d(on)
r
t t d(off)
f
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
tontd(on) tr
tofftd(of)f tf
1.4.3 MOSFET安全工作区
1.3.5 达林顿BJT与BJT模块 C
C
C
B T1
B
T1
T2
T2
R1
R2
E
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
ββ1(β21)β2(1R U2B IB 2 E 1)
2 饱和压降UCEsa较高
3 关断速度减慢
ts = ts1 + ts2
B T1
D1
T2
DF
gFSdD I/dU GS
◤ U GS=10V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Ug≈10V。 ◢
图1-21 功率MOSFET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 ◢
1.4.2 (三)MOSFET的电容
MOSFET的基本特性
◤ 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。 ◢
◤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工作在截止状态,BJT相当于一 断开的开关◢
图1-11
BJT的开关特性
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。 ◢
(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:①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;②集电极允许最高电 压UCE0,由雪崩击穿决定;③集电极 直流功率耗散线PCM ,由热阻决定; ④二次击穿临界线PSB,由二次击穿触 发功率决定。◢
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
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
{ID(T)c}A{ID(25C}A1{{T P C D }R C θjc}2 C5
作区和最大额定正向偏置安全工作区两种。 ◢
1.4.4 MOSFET的基本参数
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
(四)开关特性
UDS 90%
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
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(UP>>UBB) 的正脉冲信号时,基极电流立即上升
, 到射结IB逐U渐P 由URB反BBU 偏BE变为在正I偏B的,作B用JT下由,截发止
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 ICRL(U CC U B)E, 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工作在 饱和状态,BJT相当于闭合的开关。◢
图1-19 功率场效应管结构图 (a)“T”MOSFET; (b)“V”-MOSFET
1.4.2 1;转移特性
MOSFET的基本特性 (二)输出特性
图1-20 N沟道型MOSFET的转移特性
wk.baidu.com◤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:
◤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 1μs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
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, ◤由结构图可以看出,IGBT相当于一个由 它将功率MOSFET与BJT的优点集于 MOSFET驱动的厚基区BJT,其简化等效电路如
(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 Rθ jc
TC +PD

<
jc
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
零偏二次击穿触发功率 PSB 0ISB 0USB 0
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。
正偏二次击穿触发功率 PSBFISBU FSBF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。◢
Ic RL
C
Rb B
T1
U CE
U CC
E
• 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
图1-1:简单的bjt电路
经过一个转换过程(称开关过程)
•例如,图1-1所示电路中 RL 5 ,UCC 50V,当工作在饱和导通状态时管
压降,UCE0.3V ,T 1 的管耗 PT1ICUCE (U C/C R L ) U C E 1 0 0 .3 3 W ,T 1 截止的漏
◤ 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
Picuc
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
◤在二次击穿现象中,当第一次雪崩击穿
反偏二次击穿触发功率 PSBRISBU RSBR后,从电流上升到ISB ,再到触发产生二
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