电子系统概论 第一讲 功率半导体器件原理及应用1

电力电子器件的分类
按加在器件控制端和公共端之间的驱动信号性质： 按加在器件控制端和公共端之间的驱动信号性质：
1) 2) 电流驱动型 电压驱动型
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 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
按器件内部电子和空穴两种载流子参与导电情况： 按器件内部电子和空穴两种载流子参与导电情况：
（2）关断过程
iA 100% 90%
10% 0 td uAK
tr
t
IRM
O
t
trr
URRM t gr
晶闸管的开通和关断过程波形
反向阻断恢复时间t 反向阻断恢复时间 trr ：正向电流降为零到反向恢复电流 衰减至接近于零的时间 正向阻断恢复时间t 正向阻断恢复时间tgr： • 在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电 压，晶闸管会重新正向导通。 晶闸管会重新正向导通。 • 应对晶闸管施加足够长时间的反向电压， 使晶闸管充 应对晶闸管施加足够长时间的反向电压， 分恢复其对正向电压的阻断能力。 分恢复其对正向电压的阻断能力。 关断时间t 关断时间tq：trr与tgr之和，即 tq=trr+tgr 约几百微秒 之和，
IF UF tF t 0 diF dt td t1 diR dt IRP URP trr tf t2 UR t 2V 0 uF tfr t u i UFP iF
电力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
延迟时间：t 延迟时间：td= t1- t0,
电流下降时间：t 电流下降时间：tf= t2- t1
绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 （ Insulated-Gate Bipolar Transistor——IGBT） 电力场效应晶体管（电力MOSFET） 门极可关断晶闸管（GTO）
3) 不可控器件
电力二极管（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。
1.2.1
晶闸管的结构与工作原理
A A P1 N1 P2 N2 K N1 P2 IA V1 G IG S EG Ic1 NPN PNP Ic2 V2 IK K b) EA R
Ic1=α1 IA + ICBO1 Ic2=α2 IK + ICBO2 IK=IA+IG IA=Ic1+Ic2 分别是晶体管V 式中α1和α2分别是晶体管V1 G
tgt=td+ tr
.普通晶闸管延迟时间为0.5－1.5ｕs，上升时间为0.5－ 普通晶闸管延迟时间为0 上升时间为0 3.0ｕS。 . 延迟时间随门极电流的增大而减小。 延迟时间随门极电流的增大而减小。 . 和阳极电压的大小有关 。 提高阳极电压可以增大晶体管 和阳极电压的大小有关。 T2 的电流增益。加速正反馈、缩短开通时间。 的电流增益。加速正反馈、缩短开通时间。 .还受到外电路电感的严重影响。 还受到外电路电感的严重影响。
功率半导体器件及其应用
电子系统集成技术研究所 高明煜
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， 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 分为以下三类：
1)半控型器件
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
2) 全控型器件
1.2
半控器件— 半控器件—晶闸管
晶闸管（Thyristor） 可控硅整流器（SCR） 晶闸管（Thyristor）、可控硅整流器（SCR）
A P1 G A A G a) N1 P2 N2 K b) c) K
G
K
K
J1 J2 J3
G
A
图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
IH O
IG2
IG1
IG=0
UDRM Ubo +UA UDSM
雪崩 击穿
-IA
晶闸管的伏安特性
1.2.3
晶闸管的基本特性
2. 动态特性
iA 100% 90%
10% 0 uAK
td
tr
t
IRM
O
t
trr
URRM t gr
图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形
（1）开通过程: 开通过程:
延迟时间t ：门极电流阶跃时刻开始， 延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳 态值的10%的时间。 态值的10%的时间。 上升时间t ：阳极电流从10%上升到稳态值的90%的时间。 上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%的时间。 开通时间t 开通时间tgt:
1.2.2
晶闸管的基本特性
1. 静态特性
晶闸管正常工作时的特性如下：
1)
承受反向电压时， 不论门极是否有触发电流， 承受反向电压时 ， 不论门极是否有触发电流 ， 晶闸管都不会导通。 晶闸管都不会导通。 承受正向电压时， 承受正向电压时 ， 仅在门极有触发电流的情况 下晶闸管才能开通。 下晶闸管才能开通。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 要使晶闸管关断， 要使晶闸管关断 ， 只能使晶闸管的电流降到接 近于零的某一数值以下 。
反向恢复时间很短（10~40ns） 反向恢复时间很短（10~40ns） 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， 降也很小，明显低于快恢复二极管
•
缺点
•
随反向耐压提高， 随反向耐压提高 ， 其正向压降也会 高得不能满足要求， 多用于200V 高得不能满足要求 ， 多用于 200V 以下 反向漏电流较大且对温度敏感， 反向漏电流较大且对温度敏感，
2. 正向压降UF 正向压降U
指电力二极管在指定温度下， 指电力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
3. 反向重复峰值电压URRM 反向重复峰值电压U
对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压
1.1.3
电力二极管的主要参数
结温是指管芯PN结的平均温度， 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 表示。
- 。 。 。 。 。 。
- 。 。 。 - 。 。 。
P型区
空间电荷区
图1-1 PN结的形成
正向偏置 反向偏置 电导调制效应——不符合欧姆定律 电导调制效应——不符合欧姆定律 功率二极管的伏安特性 功率二极管的伏安特性
I IF
O UTO
UF
U
功率二极管的伏安特性
功率二极管的基本特性－ 1.2.2 功率二极管的基本特性－动态特性
——晶闸管通以某一规定倍 数的额定通态平均电流 时的瞬态峰值电压。
1.2.4
2. 电流定额
1)
晶闸管的主要参数
通态平均电流 IT(AV)
——晶闸管在环境温度为40°C和规定的冷却状态下，稳定 结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电 最大工频正弦半波电 流的平均值。 流的平均值
2)
维持电流 IH
2)
3) 4)
1.2.2
晶闸管的基本特性
IA 正向 导通
晶闸管的伏安特性
第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性 III象限的是反向特性
URSM URRM -UA U
IH O
源自文库IG2
IG1
IG=0 +UA
UDRM Ubo UDSM
雪崩 击穿
-IA
图1-8 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG
1.1.4
电力二极管的主要类型
1.普通二极管（整流二极管（Rectifier Diode） 普通二极管（整流二极管（ Diode） 如： IN4007 IN5408 IN4007 IN5408
多用于开关频率不高（ 多用于开关频率不高（<1kHz）,反向恢复时间较长， kHz） 反向恢复时间较长， 一般在5 以上， 一般在5µs以上， 正向电流定额和反向电压定额高
在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时， 相当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位移电 位移电 流。此电流流经J3结时，起到类似门极触发电流的作用。 如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管 误导通 。
反向恢复时间：t 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S 的比值Sr ＝tf /td，（恢复系数）
1.1.3
功率二极管的主要参数
1. 正向平均电流IF(AV) 正向平均电流I
——在指定的管壳温度和散热条件下， ——在指定的管壳温度和散热条件下，允许流过的最大 工频正弦半波电流的平均值 正向平均电流按照电流的发热效应定义， 正向平均电流按照电流的发热效应定义 ， 使用时 应按有效值相等的原则 应按有效值相等的原则来选取电流定额， 有效值相等的原则来选取电流定额，
2. 快恢复二极管（FRD） 快恢复二极管（FRD）
恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（ us以下） 恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5us以下）
1.1.4
电力二极管的主要类型
3. 肖特基二极管
以金属和半导体接触形成的势垒为基础 优点
• •
如： Ips59SB20 40V/0.5A Ips74SB23 40V/1A PBYL1025 25V/10A 1N5819 40V/1A
1.2.2
1) 2)
晶闸管的基本特性
IA 正向 导通
正向阻断状态： 正向阻断状态： 反向阻断状态
URSM URRM -UA
3） 触发导通 4） 关断
a.自然关断: a.自然关断 自然关断: 使门极电流为零， 使门极电流为零，且将阳极电流降 低到维持电流的临界极限值以下， 低到维持电流的临界极限值以下， 维持电流的临界极限值以下 并保持一段时间。 并保持一段时间。 b. 强迫关断: 强迫关断: 加一反向电压， 加一反向电压，并保持一段时间使 其关断
——使晶闸管维持导通所必需的最小电流，
3)
擎住电流 IL
——晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维 持导通所需的最小电流
4)
浪涌电流ITSM
——指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的 不重复性最大正向过载电流 。
1.2.4
3. 动态参数
晶闸管的主要参数
开通时间tgt、关断时间tq
(1) 断态电压临界上升率 断态电压临界上升率du/dt
1) 2) 3) 单极型器件 双极型器件 复合型器件
由一种载流子参与导电的器件 由电子和空穴两种载流子参与导电的器件 由单极型器件和双极型器件集成混合而成
1.1
功率二极管
1.1.1 工作原理及结构 1.1.2 1.1.3 1.1.4 功率二极管的基本特征 功率二极管的主要参数 功率二极管的主要类型
和 V2 的 共 基 极 电 流 增 益 ； ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的 CBO1 CBO2分别是V 共基极漏电流。 共基极漏电流。
IA =
α2 I G + I CBO1+ I CBO2
1−(α1 +α2 )
a)
图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理
4. 最高工作结温TJM 最高工作结温T
5. 反向恢复时间trr 反向恢复时间t
trr= （延迟时间）td+ （电流下降时间）tf ，关断过程 延迟时间） 电流下降时间） 中，电流降到零起到恢复反响阻断能力止的时间。 电流降到零起到恢复反响阻断能力止的时间。
6. 浪涌电流IFSM 浪涌电流I
指电力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。 频周期的过电流。
•
•
目前大多数常数的肖特基二极管 耐压为200V, 耐压为 200V, 但新的碳化硅二 极管耐压可达1200V 极管耐压可达1200V
有尖峰工作波形: 有尖峰工作波形
无尖峰工作波形: 无尖峰工作波形
1.2
半控器件— 半控器件—晶闸管
1.2.1 晶闸管的结构与工作原理 1.2.2 晶闸管的基本特性 1.2.3 晶闸管的主要参数 1.2.4 晶闸管的派生器件
在开关损耗中， 在开关损耗中，关断损耗占主要部分。
1.2.4
1. 电压定额
晶闸管的主要技术参数
1) 断态重复峰值电压UDRM
——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器 件上的 正向峰值电压。
2) 反向重复峰值电压URRM
—— 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器 件上的反向峰值电压。
通态（峰值） 3) 通态（峰值）电压UTM
1.1.1
PN结与功率二极管的工作原理 PN结与功率二极管的工作原理
N型半导体和P型半导体结合后构成PN结 型半导体和P型半导体结合后构成PN结
内电场
。
。 。
-
+ + + + +
+ + + · · · + + + · · · + + + · · · + + + · · · + + + · · ·
N型区