第一章电力电子器件.docx
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第一章电力电子器件
第1章电力电子器件
授课方式
理论课
课时安排
讲课6学时
教学内容：
（1）各种二极管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，器件的选取原;
（2）半控型器件-晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，器件的选取原则，典型全控型器件：
GTO、电力MOSFET、IGBT，功率集成电路和智能功率模块，
（3）典型全控型器件：
GTO、电力MOSFET、IGBT，功率集成电路和智能功率模块.
教学要求：
掌握半控型器件-晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，熟练掌握器件的选取原则；掌握典型全控型器件的工作原理、伏安特性、主要静态。
教学重点：
晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，器件的选取原则，典型全控型器件的工作原理、伏安特性、主要静态。
教学难点：
晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数。
§1.1整流器件的应用
授课方式
理论课
课时安排
讲课2学时
教学要求：
熟悉功率二极管的基本特性，掌握其应用。
教学重点：
功率二极管的应用。
教学难点：
功率二极管的应用
教学内容
备注
§1.1整流器件的应用
1.1.1功率二极管的基本特性
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的，从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。
图1-1二极管的外形、结构和电气图形符号
a）外形b）结构c）电气图形符号
PN结的反向截止状态，PN结的单向导电性；
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。
不同类型的功率二级管：
a.普通二极管（GeneralPurposeDiode）
又称整流二极管（RectifierDiode）
多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中
其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要
正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上
b.快恢复二极管（FastRecoveryDiode--FRD）
恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5s以下）的二极管，也简称快速二极管
工艺上多采用了掺金措施
有的采用PN结型结构
有的采用改进的PiN结构
采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodes--FRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在400V以下
从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。
前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。
c.肖特基二极管
以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode--SBD），简称为肖特基二极管
20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用
肖特基二极管的优点
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，明显低于快恢复二极管
其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高
肖特基二极管的弱点
当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下
反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度
1.1.2二极管的基本应用
A续流；B限幅；C钳位；D稳压；E整流。
增加
序论
内容
§1.2半控型器件--晶闸管
授课方式
理论课
课时安排
讲课2学时
教学要求：
掌握半控型器件-晶闸管的结构、工作原理，掌握伏安特性、主要参数，熟练掌握器件的选取原则和型号。
了解晶闸管的简易测试和派生器件。
教学重点：
晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要参数以及器件的选取原则。
教学难点：
伏安特性、主要参数积极器件选择。
教学内容
备注
（1）晶闸管的结构与工作原理
外形有螺栓型和平板型两种封装
引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端
对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便
平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间
结论：
（1）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。
（2）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。
（3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。
（4）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。
综上所述得出：
晶闸管的导通条件是正向阳极电压和正向触发。
（2）晶闸管的基本特性
a.静态特性
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
IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通
随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低
导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿
晶闸管本身的压降很小，在1V左右
导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。
IH称为维持电流。
晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性
晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出
阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端
门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的
晶闸管的门极和阴极之间是PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性。
为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区
（3）晶闸管的主要参数
a.电压定额
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。
3）通态（峰值）电压UTM
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。
通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。
选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2~3倍，
b.电流定额
1）通态平均电流IT（AV）（额定电流）
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流的平均值。
使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管
应留一定的裕量，一般取1.5-2倍
正弦半波电流平均值IT（AV）、电流有效值IT和电流最大值Im三者的关系为：
（1.1）
（1.2）
各种有直流分量的电流波形，其电流波形的有效值I与平均值Id之比，称为这个电流的波形系数，用Kf表示。
因此，在正弦半波情况下电流波形系数为：
（1.3）
所以，晶闸管在流过任意波形电流并考虑了安全裕量情况下的额定电流IT（AV）的计算公式为：
（1.4）
在使用中还应注意，当晶闸管散热条件不满足规定要求时，则元件的额定电流应立即降低使用，否则元件会由于结温超过允许值而损坏。
2）维持电流IH
使晶闸管维持导通所必需的最小电流
一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小
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
对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍
（4）晶闸管的型号和简单测试方法
1）型号
KP
K表示闸流特性；P表示普通型；横线前为额定电流等级，后为额定电压等级。
2）测试方法
通过万用表测试元件三个电极的阻值。
阳极与阴极间为几百千欧以上，而门极与阴极间为几十欧。
（5）晶闸管的派生器件
a.快速晶闸管（FastSwitchingThyristor--FST）
包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管
管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善
普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10μs左右
高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高
由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应
b.双向晶闸管
可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成
有两个主电极T1和T2，一个门极G
正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性
与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（SolidStateRelay--SSR）和交流电机调速等领域应用较多
通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。
c.逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor--RCT）
将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件
具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点
逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管的电流
d.光控晶闸管（LightTriggeredThyristor--LTT）
又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管
小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子
大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器
光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位
e.门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor——GTO）
晶闸管的一种派生器件
可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断
GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用
§1.3电力晶体管和电力场效应晶体管
授课方式
理论课
课时安排
讲课2学时
教学要求：
掌握GTR的参数和二次击穿现象；掌握PM的特性和主要参数。
了解GTR和PM的结构和原理。
教学重点：
GTR的参数和二次击穿现象，PM的特性和主要参数。
教学难点：
GTR二次击穿现象和PM的特性。
教学内容
备注
（1）电力晶体管
电力晶体管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）
耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有时候也称为PowerBJT，在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。
20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代
a.GTR的结构和工作原理
与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的
主要特性是耐压高、电流大、开关特性好
通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构
采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成一般采用共发射极接法，集电极电流ic与基极电流ib之比为
（1-9）
（——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力）
当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为
ic=βib+Iceo（1-10）
产品说明书中通常给直流电流增益hFE——在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比。
一般可认为β≈βhFE
单管GTR的值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益
b.GTR的基本特性
（1）静态特性
共发射极接法时的典型输出特性：
截止区、放大区和饱和区
在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区
在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区
c.GTR的主要参数
前已述及：
电流放大倍数（、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff
此外还有：
1）最高工作电压
GTR上电压超过规定值时会发生击穿
击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关
BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>BUceo
实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多
2）集电极最大允许电流IcM
通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic
实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点
3）集电极最大耗散功率PcM
最高工作温度下允许的耗散功率
产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度
d.GTR的二次击穿现象与安全工作区
一次击穿
集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿
只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变
二次击穿
一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降
常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变
安全工作区（SafeOperatingArea——SOA）
最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定
图1-14GTR的安全工作区
（2）电力场效应晶体管
分为结型和绝缘栅型（类似小功率FieldEffectTransistor——FET）
但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）
简称电力MOSFET（PowerMOSFET）
结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor——SIT）
特点——用栅极电压来控制漏极电流
驱动电路简单，需要的驱动功率小
开关速度快，工作频率高
热稳定性优于GTR
电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。
a.电力MOSFET的结构和工作原理
电力MOSFET的种类
按导电沟道可分为P沟道和N沟道
耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道
增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道
电力MOSFET主要是N沟道增强型
电力MOSFET的结构
导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管
导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别
小功率MOS管是横向导电器件
电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（VerticalMOSFET）——大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力
按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）
这里主要以VDMOS器件为例进行讨论
电力MOSFET的多元集成结构
国际整流器公司（InternationalRectifier）的HEXFET采用了六边形单元
西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元
摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列
电力MOSFET的工作原理
截止：
漏源极间加正电源，栅源极间电压为零
P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过
导电：
在栅源极间加正电压UGS
栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。
但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子——电子吸引到栅极下面的P区表面
当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电
b.电力MOSFET的基本特性
1）静态特性
漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。
ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。
MOSFET的漏极伏安特性（输出特性）：
截止区（对应于GTR的截止区）
饱和区（对应于GTR的放大区）
非饱和区（对应于GTR的饱和区）
电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。
电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。
电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。
c.电力MOSFET的主要参数
跨导Gfs、开启电压UT以及td（on）、tr、td（off）和tf之外，还有
1）漏极电压UDS电力MOSFET电压定额
2）漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM电力MOSFET电流定额。
3）栅源电压UGS栅源之间的绝缘层很薄，?
UGS?
>20V将导致绝缘层击穿。
漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区。
一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点。
实际使用中仍应注意留适当的裕量。
§1.4半控型器件--晶闸管
授课方式
理论课
课时安排
讲课2学时（含1.3节）
教学要求：
掌握IGBT工作原理和特性、主要参数，熟练IGBT的保护。
教学重点：
IGBT特性、主要参数。
教学难点：
IGBT特性。
教学内容
备注
GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂
MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单
两类器件取长补短结合而成的复合器件——Bi-MOS器件
绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）
GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有良好的特性
1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场，中小功率电力电子设备的主导器件
继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位
1.IGBT的结构和工作原理
三端器件：
栅极G、集电极C和发射极E
IGBT的结构
图1-19a—N沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT（N-IGBT）
IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1
——使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力
简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管
RN为晶体管基区内的调制电阻
IGBT的原理
驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定
导通：
uGE大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通
导通压降：
电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小
关断：
栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断
2.IGBT的基本特性
1）IGBT的静态特性
转移特性——IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似
开启电压UGE（th）——IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压
UGE（th）随温度升高而略有下降，在+25（C时，UGE（th）的值一般为2~6V
输出特性（伏安特性）——以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系
分为三个区域：
正向阻断区、有源区和饱和区。
分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应
uCE<0时，IGBT为反向阻断工作状态
3.IGBT的主要参数
1）最大集射极间电压UCES由内部PNP晶体管的击穿电压确定
2）最大集电极电流包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP
3）最大集电极功耗PCM正常工作温度下允许的最大功耗
IGBT的特性和参数特点
（1）开关速度高，开关损耗小。
在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当
（2）相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力
（3）通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域
（4）输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似
（5）与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点
4.IGBT的擎住效应和安全工作区
寄生晶闸管——由一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成
擎住效应或自锁效应：
NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控
动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小
正偏安全工作区（FBSOA）——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定
反向偏置安全工作区（RBSOA）——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定
擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决
IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件
5．IGBT的保护
IGBT由GTR和MOSFET复合而成，所以可以采用前两者的保护方法考虑保护。
课时包含在§1.3电力晶体管和电力场效应晶体管章节中。
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