第一讲 功率器件工作原理

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(3) 全控型器件——通过控制信号既可控制其导通又可控制其 关断，又称自关断器件 功率晶体管(Giant Transistor)
绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor—— IGBT）
电 力 场 效 应 晶 体 管 （ Power MOSFET ， 简 称 为 电 力 MOSFET） 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor — GTO）
电力电子器件基础
电力电子器件概述 第一讲 功率二极管 第二讲 功率晶体管 第三讲 晶闸管 第四讲 功率MOS器件/IGBT 第五讲 半导体器件的塑料封装
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电力电子器件概述
主要内容：
简要概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题 介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性 , 主 要参数以及选择和使用中应注意的一些问题
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按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的 情况分为三类： 单极型器件 —— 由一种载流子参与导电的器 件， MOS， 肖特基二极管
双极型器件 —— 由电子和空穴两种载流子参 与导电的器件，晶体管，晶闸管， Iபைடு நூலகம்BT
复合型器件 —— 由单极型器件和双极型器件 集成混合而成的器件， MOS控制晶闸管等
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PN结的电容效应： PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称 为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散 电容CD
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。
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2 电力电子器件的分类
按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以 下三类：
(1) 不可控器件——不能用控制信号来控制其通断, 因此也
就不需要驱动电路
功率二极管（Power Diode）只有两个端子，器件的通和 断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的 (2)半控型器件——通过控制信号可以控制其导通而不能控 制其关断 晶闸管（ Thyristor ）及其大部分派生器件 , 器件的关断由 其在主电路中承受的电压和电流决定
电流下降时间：tf= t2- t1
反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf /td，或 称恢复系数，用Sr表示
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IF UF
d iF dt td tF t0
trr t1
u i tf t2 UR t 2V 0 UFP
iF
d iR dt IRP a)
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1 电力电子器件的概念和特征
2 电力电子器件的分类
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1 电力电子器件的概念和特征
主电路（main power circuit）——电气设备或 电力系统中，直接承担电能的变换或控制任 务的电路 电力电子器件（ power electronic device ） — — 可直接用于处理电能的主电路中，实现电 能的变换或控制的电子器件
因结电容的存在，状态之间的转换必然有一个过 渡过程，此过程中的电压—电流特性是随时间变化 的。
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开关特性——反映通态和断态之间的转换过程 关断过程： 须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能 力，进入截止状态 在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明 显的反向电压过冲
IF UF tF t0 diF dt td trr t1 diR dt IRP a) URP u i tf t2 UR t 2V 0 b) uF tfr t UFP iF
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1.2
功率二极管的基本特性
I IF
VB
O UTO UF U
图1-3 功率二极管的伏安特性
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二极管伏安特性测试电路
＋ V RP mA － － mA ＋ V RP
E
R
E
R
(a)
(b)
图1-3A 功率二极管的伏安特性测试电路
1. 静态特性 主要指其伏安特性 当功率二极管承受的正向电压大到一定值（门槛 电压 UTO ），正向电流才开始明显增加，处于稳定导 通状态。与正向电流 IF 对应的功率二极管两端的电压 UF即为其正向电压降。当功率二极管承受反向电压时， 只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。 2. 动态特性
NÐ Í Ç ø
Õ ¼ ¿ ä µ ç º É Ç ø
图1-2 PN结的形成
PN结的正向导通状态
正向偏置时， 外电路起到减小内电场的作用， 载流子移动更容 易。电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低， 维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态
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PN结的反向截止状态 反向偏置时, 多数载流子向电极移动, 耗尽层增加, 只有极少的电流流过, 呈现阻断状态 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
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第一讲
功率二极管
1.1 PN结与功率二极管的工作原理
1.2 功率二极管的基本特性 1.3 功率二极管的主要参数
1.4 功率二极管的主要类型
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功率二极管(Power Diode)结构主要就是PN 结,肖特基二极管的主要结构是金属 -半导体 结。原理简单，工作可靠，自 20 世纪 50 年 代初期就获得应用 快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、 高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合， 具有不可替代的地位
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阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态 损耗 在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关 断损耗，总称开关损耗 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造 成器件发热的原因之一 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损 耗是器件功率损耗的主要成因 器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能 成为器件功率损耗的主要因素
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广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器 件两类。 自20世纪50年代以来，真空管仅在频率很 高（如微波）的大功率高频电源中还在使用， 而电力半导体器件已取代了汞弧整流器 （ Mercury Arc Rectifier ） 、 闸 流 管 （ Thyratron ）等电真空器件，成为绝对主力。 因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导 体器件。 电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。
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1.1
PN结与功率二极管的工作原理
功率二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二 极管一样以半导体PN结为基础。 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。 从外形上看，主要有螺栓型和平板型封装。近些年来， 塑 料封装发展很快。
A K A I P J b) N K
K
A a)
c)
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(3) 实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控 制。
在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电 路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。 (4) 为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而 损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一 般都要安装散热器。 导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗
图1-1 功率二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
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N型半导体和 P 型半导体结合后构成 PN 结。交界处电子 和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散 运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带 正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动 的正、负电荷称为空间电荷。空间电荷建立的电场被称 为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一 方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向 本区运动，即漂移运动。扩散运动和漂移运动既相互联 系又是一对矛盾，最终达到动态平衡，正、负空间电荷 量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范 围，被称为空间电荷区，又被称为耗尽层。
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1.3
功率二极管的主要参数
1. 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） 和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平 均值
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。
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Ú µ Ä ç ³ ¡
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3. 反向重复峰值电压URRM
指对功率二极管所能重复施加的反向最高峰值 电压 使用时，往往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
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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 ， 功 率 硅 二 极 管 的 TJM 通 常 在 125~175C范围之内 5. 反向恢复时间trr
图1-4功率二极管的动态过程波形
a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置
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IF UF
d iF dt td tF t0
trr t1
u i tf t2 UR t 2V 0 b) UFP
iF
d iR dt IRP URP
uF tfr t
a) 正向偏置转换为反向偏置
延迟时间：td= t1- t0,
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造成功率二极管和信息电子电路中的普通二极管区别 的一些因素：
正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大， 因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽 略 引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响 承受的电流变化率 di/dt 较大，因而其引线和器件自 身的电感效应也会有较大影响 为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降 较大
当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽 略 当采用反向漏电流较大的功率二极管时，其断态损耗造成的 发热效应也不小
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2. 正向压降UF 指功率二极管在指定温度下，流过某一指定的 稳态正向电流时对应的正向压降 有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬 态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降

uF tfr t
URP
零偏置转换为正向偏置 b)
开通过程： 功率二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于 接近稳态压降的某个值。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。
电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳 态，导通前管压降较大
正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流 上升率越大，UFP越高
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同处理信息的电子器件相比，电力电子器 件的一般特征： (1) 能处理电功率的大小，即承受电压和 电流 的能力，是最重要的参数
其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级, 大多都远大于处理信息的电子器件。
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(2) 电力电子器件一般都工作在开关状态
导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近 于零，而电流由外电路决定 阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为 零，而管子两端电压由外电路决定 电力电子器件的动态特性（也就是开关特性）和参数， 也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时候甚至上升 为第一位的重要问题。 作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替
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按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的 性质， 分为两类： (1) 电流驱动型——通过从控制端注入或者抽出电流来实 现导通或者关断的控制 (2) 电压驱动型——仅通过在控制端和公共端之间施加一 定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。电压驱动 型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个 主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流 大小和通断状态，所以又称为场控器件，或场效应器件。