电力半导体器件课件

第第3 3章章 电力半导体器件电力半导体器件 n n3.13.1概述概述n n3.23.2功率二极管功率二极管n n3.33.3功率晶体管功率晶体管GTRGTRn n3.43.4晶闸管晶闸管n n3.53.5静电感应器件静电感应器件n n3.63.6功率场效应晶体管功率场效应晶体管n n3.73.7绝缘栅晶体管绝缘栅晶体管n n3.8 MOS3.8 MOS场控晶闸管（场控晶闸管（MCTMCT）返回3.1概述n n19561956年美国贝尔公司发明了年美国贝尔公司发明了PNPNPNPN可触发晶体管，可触发晶体管，19571957年年通用电器（通用电器（GEGE）进行了商业化开发，并命名为晶体闸流）进行了商业化开发，并命名为晶体闸流管，简称为晶闸管（管，简称为晶闸管（thyristorthyristor）或可控硅（）或可控硅（silicon silicon controlled rectifierSCRcontrolled rectifierSCR）。）。n n由于晶闸管类器件基本上是换流型器件，其工作频率又比由于晶闸管类器件基本上是换流型器件，其工作频率又比较低，由其组成的频率变换装置在电网侧谐波成分高，功较低，由其组成的频率变换装置在电网侧谐波成分高，功率因素低。率因素低。n n7070年代大功率晶体管（三极管）已进入工业应用阶段，它年代大功率晶体管（三极管）已进入工业应用阶段，它被广泛应用于数百千瓦以下的功率电路中，功率晶体管工被广泛应用于数百千瓦以下的功率电路中，功率晶体管工作频率比晶闸管大大提高，达林顿功率晶体管可在作频率比晶闸管大大提高，达林顿功率晶体管可在10KHZ10KHZ以下工作以下工作,非达林顿功率晶体管可达非达林顿功率晶体管可达20KHz20KHz，出现了所谓，出现了所谓“20KHz”“20KHz”革命，其缺点在于存在二次击穿和不易并联以革命，其缺点在于存在二次击穿和不易并联以及开关频率仍然偏低等问题，使其使用受到了限制。及开关频率仍然偏低等问题，使其使用受到了限制。n n7070年代后期，功率场效应管（年代后期，功率场效应管（POWER POWER MOSFETMOSFET）开始进入实用阶段，这标志着电力半）开始进入实用阶段，这标志着电力半导体器件进入高频化阶段。在导体器件进入高频化阶段。在8080年代又研制了电年代又研制了电流垂直流动结构器件（流垂直流动结构器件（VDMOSVDMOS），它具有工作频），它具有工作频率高（可达兆率高（可达兆HZHZ），开关损耗小，安全工作区宽，），开关损耗小，安全工作区宽，几乎不存在二次击穿，输入阻抗高，易并联（漏几乎不存在二次击穿，输入阻抗高，易并联（漏源电阻为正温度特性）的特点，是目前高频化的源电阻为正温度特性）的特点，是目前高频化的主要器件，尽管主要器件，尽管VDMOSVDMOS器件的开关频率高，但导器件的开关频率高，但导通电阻大这一缺点限制了它在高频大中功率领域通电阻大这一缺点限制了它在高频大中功率领域应用。应用。n n绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管IGBTIGBT（insulated gate bipolar insulated gate bipolar transistortransistor）。）。IGBTIGBT于于19821982年在美研制成功，年在美研制成功，19851985年投入市场年投入市场,为场控器件，其工作频率超过为场控器件，其工作频率超过20KHz20KHz。n n8080年代另一重要的发展是智能化功率集成电路年代另一重要的发展是智能化功率集成电路(SMART POWER IC)(SMART POWER IC)的研制成功，它们是在制造过的研制成功，它们是在制造过程中，将功率电子电路和信息电子电路一起集成程中，将功率电子电路和信息电子电路一起集成在一个芯片上或是封装在一个模块内产生的，具在一个芯片上或是封装在一个模块内产生的，具有信号测试及处理、系统保护及故障诊断等功能，有信号测试及处理、系统保护及故障诊断等功能，它们实际上是一种微型化的功率变换装置。它们实际上是一种微型化的功率变换装置。n n随着科学技术的发展及功率集成制造技术的日趋完善，电力电子技术具有广阔的发展前景。本章将详细介绍快恢复二极管、晶闸管（SCR）、双极型晶体管、功率场效应晶体管（MOSFET）、和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的性能、参数、工作原理及驱动技术。返回3.2功率二极管功率二极管n nP P型半导体和型半导体和N N型半导体是两种导电类型的半导体材型半导体是两种导电类型的半导体材料，通过某种工艺方法将两种半导体结合在一起，则料，通过某种工艺方法将两种半导体结合在一起，则在交界面处型成在交界面处型成PNPN结。结。图3-1 PN结、二极管符号和二极管伏安特性 1 1 1 1、PNPNPNPN结零偏置结零偏置结零偏置结零偏置n nP P型半导体多子为空穴，型半导体多子为空穴，N N型半导体多子为电型半导体多子为电子，当子，当PNPN结零偏时，结零偏时，P P型半导体和型半导体和N N型半导体型半导体交界处多子相互扩散，即交界处多子相互扩散，即P P型半导体中空穴向型半导体中空穴向N N型半导体扩散，型半导体扩散，N N型半导体中电子向型半导体中电子向P P型半导型半导体扩散，在体扩散，在P P型半导体侧形成负电荷，在型半导体侧形成负电荷，在N N型型侧形成正电荷，电场方向如图侧形成正电荷，电场方向如图3-2(a)3-2(a)所示，该所示，该电场方向阻碍多子扩散，当两者平衡时空间电电场方向阻碍多子扩散，当两者平衡时空间电荷区达到了一定宽度，由于多子扩散运动和少荷区达到了一定宽度，由于多子扩散运动和少子漂移运动相等，总体上看没有电流形成。子漂移运动相等，总体上看没有电流形成。n n 图3-2 2 2 2 2、PNPNPNPN结正向偏置结正向偏置结正向偏置结正向偏置n n外电场削弱了外电场削弱了PNPN结内部空间电荷区形成的内电场，结内部空间电荷区形成的内电场，打破了多子扩散和少子漂移的平衡，这时打破了多子扩散和少子漂移的平衡，这时P P区的空区的空穴不断涌入穴不断涌入N N区，区，N N区的电子也不断涌入区的电子也不断涌入P P区，各区，各自成为对方区中的少数载流子，电场方向如图自成为对方区中的少数载流子，电场方向如图 3-3-2(b)2(b)所示。所示。n n当当PNPN结流过正向大电流时，注入基区的空穴浓度结流过正向大电流时，注入基区的空穴浓度大大超过原始大大超过原始N N型基片的多子浓度，为了维持半型基片的多子浓度，为了维持半导体电中性的条件，多子浓度也要相应的大幅度导体电中性的条件，多子浓度也要相应的大幅度增加，即在注入大电流条件下原始增加，即在注入大电流条件下原始N N型基片的电型基片的电阻率大大下降，也就是说电导率大大地增加，这阻率大大下降，也就是说电导率大大地增加，这种现象称为基区电导调制效应。种现象称为基区电导调制效应。n n3 3、PNPN结反偏结反偏n n外电场加强了内部电场，从而强烈地阻止结多子扩散，但该电场使漂移加强，这种漂移形成PN结漏电流，由于少子浓度很低，所以该漂移电流很小，且随反偏电压V增大而增大，但变化很小，因此反偏PN结相当于“断态”或“高阻状态”。随着反偏增大，其内电场加强，空间电荷区加宽，当增大到使结雪崩击穿强度时，反向漏电流急剧增大结会因损耗急剧增大而损坏，所以结上反向电压受雪崩击穿电压的限制。4 4、PNPN结特点：结特点：n nPN结通过正向大电流时压降只有1V左右，即双极型器件通态压降较小，空间电荷区的雪崩击穿电场强度决定了结承受反向电压的大小，击穿前反向漏电流很小，一旦击穿反向漏电流急剧增加。结正偏时呈现低阻状态，反偏时呈现高阻状态，即PN结具有单向导电特性。5 5 5 5、PNPNPNPN结动态工作过程结动态工作过程结动态工作过程结动态工作过程n n1 1）二极管）二极管D D从导通转向关断过程从导通转向关断过程n n所有的所有的PNPN结二极管，在传导正向电流时，都结二极管，在传导正向电流时，都以少子形式存储电荷。但是，当二极管反向时，以少子形式存储电荷。但是，当二极管反向时，在二极管处于在二极管处于“断态断态”前存储的电荷必须全部前存储的电荷必须全部抽出或必须被中和掉。发生这一过程所花费的抽出或必须被中和掉。发生这一过程所花费的时间定义为反向恢复时间，即反向恢复时间为时间定义为反向恢复时间，即反向恢复时间为清除这些少数载流子达到稳态值所需的时间。清除这些少数载流子达到稳态值所需的时间。n n当当PNPN结正向导通时，结正向导通时，PNPN结突然加一反偏电压，结突然加一反偏电压，反偏时高阻状态（反向阻断能力）的恢复需要反偏时高阻状态（反向阻断能力）的恢复需要经过一段时间。在未恢复反偏高阻状态之前，经过一段时间。在未恢复反偏高阻状态之前，二极管相当于短路状态，这是一个很重要的特二极管相当于短路状态，这是一个很重要的特性。性。n n 图图3-3 3-3 二极管电二极管电流、电压波形流、电压波形定义定义n n在反偏电场作用下，正向电流逐步减小到零，由于PN结正向导通时在P型半导体内存储了许多电子，在N型半导体内存储了许多空穴，除了一部分少数载流子被复合掉外，其余少数载流子在反偏电场作用下，形成反向电流，当靠近结附近的多余少数载流子离开了空间电荷区，电流开始减小，空间电荷区电场加宽，为PN结恢复反偏时高阻状态（反向阻断能力）创造条件。n n恢复时间由两个不同的时间区间（恢复时间由两个不同的时间区间（t ta a，t tb b）组成。）组成。t ta a被称为存储时间，被称为存储时间，t tb b 被称为渡越时间。被称为渡越时间。n n反向恢复时间反向恢复时间t trrrr（耗尽存储电荷所需的总时间）（耗尽存储电荷所需的总时间）定义为：定义为：n nt trrrr通常作为器件开关速度的度量，并用来决定器通常作为器件开关速度的度量，并用来决定器件是否适合于某一规定的应用。件是否适合于某一规定的应用。n nt ta a为二极管反向电流从零上升到峰值所需的时间，为二极管反向电流从零上升到峰值所需的时间，t tb b为二极管反向电流从峰值降到为二极管反向电流从峰值降到1/41/4峰值电流所需峰值电流所需的时间。由于在的时间。由于在t tb b期间二极管承受高电压的同时也期间二极管承受高电压的同时也承受大电流，所以二极管内将有显著的功率损耗。承受大电流，所以二极管内将有显著的功率损耗。n n反向恢复电荷反向恢复电荷 ：定义为：定义为 期间电流期间电流时间曲线包时间曲线包围的面积。该指标反映了反向恢复损耗的大小。围的面积。该指标反映了反向恢复损耗的大小。n n2 2）二极管导通特性）二极管导通特性n n当当PNPN结从反偏转向正向导通结从反偏转向正向导通时，时，PNPN结的通态压降并不立结的通态压降并不立即达到其静态伏安特性所对即达到其静态伏安特性所对应的稳态压降值，而需经过应的稳态压降值，而需经过一段正向恢复时期，在这期一段正向恢复时期，在这期间，正向动态峰值压降可以间，正向动态峰值压降可以达到数伏至数十伏。图给出达到数伏至数十伏。图给出了了PNPN结正向导通时的动态波结正向导通时的动态波形。形。图图3-4 3-4 二极管导通特性二极管导通特性6 6、二极管主要参数、二极管主要参数n n二极管主要参数有：二极管主要参数有：n n额定平均电流；稳态平均电压；反向重复峰值电额定平均电流；稳态平均电压；反向重复峰值电压；反向恢复时间；反向恢复电荷量等。在反向压；反向恢复时间；反向恢复电荷量等。在反向恢复电流特性中，峰值反向电流是一个重要的参恢复电流特性中，峰值反向电流是一个重要的参数，此外反向电流的波形衰减斜率也是一个重要数，此外反向电流的波形衰减斜率也是一个重要参数。在电路中、在具有引线电感的参数。在电路中、在具有引线电感的PNPN结中，会结中，会引起电压尖刺，变化率越高（所谓硬恢复或强迫引起电压尖刺，变化率越高（所谓硬