常用电力电子器件.docx

1、常用电力电子器件第5章 常用电力电子器件在开关电源中，电力电子器件是完成电能转换以及主电路拓扑中最为关键的元件。 为降低器件的功率损耗，提高效率，电力电子器件通常工作于开关状态， 因此又常称为开关器件。电力电子器件种类很多， 按照器件能够被控制电路信号所控制的程度， 可以将电力电子器件分为不可控器件，即二极管；半控型器件，主要包括晶闸管 （SCR）及其派生器件；全控型器件，主要包括绝缘栅双极型晶体管 （IGBT）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（电 力MOSFET）等。半控型及全控型器件按照驱动方式又可以分为电压驱动型、电流驱动型两 类，上述分类见图 5-1。电力 MOSFET电L不可

2、控器件二极管电厂电压驱动型-力半控型器件SCR力IGBT电电子子器IGBT器r SCR件-全控型器件电力MOSFET件-电流驱动型GTO晶闸管GTR GTRGTO晶闸管图5-1电力电子器件的分类传统电力电子器件的性能效率等性能指标不断提随着半导体材料及技术的发展，新型电力电子器件不断推出, 也不断提高，这成为包括开关电源在内的各种电力电子装置的体积、 高的重要因素。了解和掌握各种电力电子器件的特性和使用方法是正确设计开关电源的基 础。在开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、 IGBT和MOSFET。SCR在开关电源的输入整流电路及其软起动中有少量应用， GTR由于驱动较为困难、开关频率较低

3、，也逐渐被IGBT和MOSFET所取代。因此这里将主要介绍二极管、 IGBT和MOSFET的工作原理，主要参数及驱动方法。5. 1二极管二极管是最为简单但又是十分重要的一种电力电子器件，在开关电源的输入整流电路、逆变电路、输出高频整流电路以及缓冲电路中均有使用。1、二极管的基本结构及工作原理开关电源中应用的二极管除电压、电流等参数与电子电路中的二极管有较大差别外，其基本结构和工作原理是相同的，都是由半导体 PN结构成，即P型半导体与N型半导体结合构成，其结构见图5-2。P型半导体是在半导体中添加三价元素，因此硅原子外层缺少 一个电子形成稳定结构， 即形成空穴。N型半导体是在半导体中添加五价元素

4、， 因此它在形成稳定结构后，半导体晶体中能给出一个多余的电子。 在纯净的半导体中， 空穴和电子成对出现，数量极少，所以导电能力很差。而 P型或N型半导体中的空穴或自由电子数量大大增加，导电能力大大增强。在 P型半导体中空穴数远远大于自由电子数，因此空穴称为多 子，自由电子称为少子。在 N型半导体中则相反，空穴为少子，自由电子为多子。内电场Q Q Q 0+ + +。I O 1 +Q o。1 O1 + +oO oO oO | 0 1 .S)oO oO oO 1 o,1 1 + (+1P型区 空间电荷区 N型区图5-2 PN结的形成当N型半导体和P型半导体结合后构成 PN结。由于交界处电子和空穴的浓

5、度差别， 造成了各区的多子向另一区的扩散运动， 于是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。空间电荷建立的内电场，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达到平衡时，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， 通常也称为耗尽层、 阻挡层或势垒区。当PN结外加正向电压，即外加电压的正端接 P区、负端接N区时，外加电场方向与内电场方向相反，内电场被削弱，使得多子的扩散运动大于少子的漂移运动， 而在外电路上形成自P

6、区至N区的电流，该电流被称为正向电流，由于电导调制效应，正向 PN结在流过较大正向电流时的压降很低，表现为正向导通状态。当PN结外加反向电压时，外加电场与内电场方向相同，使空间电荷区加宽，少子的漂 移运动大于多子的扩散运动，产生自 N区至P区的电流，该电流被称为反向电流。由于少子的浓度很小，因此此时的 PN结表现为高阻态，被称为反向截止状态。在PN结承受反向电压时， 随着反向电压的升高，空间电荷区的宽度及电场强度的峰值 均随之增加，当电场强度超过一定限度就会造成击穿。 PN结的电击穿有两种形式：雪崩击穿和齐纳击穿。反向击穿发生时，只要外电路中采取了措施， 将反向电流限制在一定范围内， 保证PN

7、结的耗散功率不超过允许值， PN结仍可恢复正常。如果超过了允许的耗散功率，就会导致PN结温度过高而烧毁，这种现象称为热击穿。为提高二极管的反向耐压， 可以在通常重掺杂的 P型和N 型半导体间加入一层低掺杂的N 一型半导体。在正向导通状态， P区及N 区的大量载流子进入 N 一区，使N 一区保持很低的压降。在反向截止状态，由于基本保持中性， N 一区内的电场强度基本为恒值。这样由于空间电荷区域宽度增加，在同样的反压情况下，电场强度的峰值得以降低。采用这种结构 的二极管称为P-i-N二极管。承受反压时PN及P-i-N型二极管空间电荷区的电场强度见图 5-3。正向电流才开始明显增加， 转为正向导通状

8、态。 二极管导通时的正向电流 |F由外电路决定,与If相对应的二极管两端电压 Uf即为二极管的正向压降。 当对二极管施加反向电压时， 只有少数载流子引起的微小的漏电流， 其数值基本不随电压而变化。 当反向电压超过一定数值后，二极管的反向电流迅速增大，产生雪崩击穿。二极管的主要参数有：（1）正向平均电流If（AV）该参数是二极管电流定额中最为重要的参数，它是在指定的管壳温度（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。快恢复二极管通常采用占空比为一定数值 （通常为0.5）的方波电流的平均值标注二极管的额定电流。二极管的结温（或壳温）是限制其工作电流最大值的主要因

9、素之一，因此在实际使用 时应按有效值相等的原则来选取电流定额， 并同时考虑器件的散热条件。 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， 因此即使不考虑安全裕量， 二极管通常也必须降额使用。通常是其反向重复峰值电压 Urrm，指对二极管所能重复施加的反向最高峰值电压,雪崩击穿电压的 2/3。(3)正向压降UF指在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时所对应的正向压降。 正向压降越低表明其导通损耗越小。 通常耐压低的二极管正向压降较低， 普通整流二极管压降低于快恢复二极管。二极管的正向压降具有负温度系数，它随着温度的上升而略有下降。反向恢复电流Irp及反向恢复时间Trr由于二极管P

10、N结中的空间电荷区存储电荷的 影响，当给处于正向导通状态的二极管施加反压时， 二极管不能立即转为截止状态， 只有当存储电荷完全复合后，二极管才呈现高阻状态。这期间的电压电流波形见图 5 -5。这一过程称为二极管的反向恢复过程。反向恢复时间 Trr通常定义为从电流下降为零至反向电流衰减至反向恢复电流峰值一定数值 (一般为10%或25%)的时间。反向恢复电流及恢复时间与正向导通时的正向电流If以及电流下降率diF；dt密切相关。产品手册中通常给出在一定的正向电流以及电流下降率条件下， 二极管的反向恢复电流及恢复时间。 图5 -5中电流下降时间tf条件下造成的反向电压过冲与延迟时间td的比值称为恢复

11、特性的软度， 或称恢复系数。恢复系数越大，在同样的外电路U Rp越小。反向恢复电流小、恢复时间短的快速软恢复二极管是开关电源高频整流部分的理想器件。图5-5二极管的反向恢复过程在一定的工艺和材料水平下，二极管的反向恢复特性与正向通态压降存在折中关系,向恢复特性好的器件通常正向压降较高， 许多厂家一般都有多个产品系列供用户选择以适应 不同场合的应用要求。3二极管的主要类型二极管在开关电源中有大量应用，按照正向压降、反向耐压、 反向漏电流等性能， 特别 是反向恢复特性的不同， 在应用时应根据不同场合的不同要求， 选择不同类型的二极管。 常 用的二极管可以分为以下三类：(1)普通二极管 普通二极管又

12、称整流二极管， 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，在参数表中甚至不列出这一参数，这在开关频率不高时并不重要。 但其正向压降低，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。快恢复二极管(Fast Recovery Diode , FRD)反向恢复过程很短(5s以下)的二极管，也PN结型结构，有的采用改进简称快速二极管。工艺上多采用了掺金措施，结构上有的采用的PiN结构。其正向压降高于普通二极管 (12V左右)，反向耐压多在1200V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，

13、 后者则在100ns以下，甚至达到 2030ns。(3)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(Schottky Barrier Diode , SBD )，简称为肖特基二极管。与以 PN结为基础的二极管相比，肖特基二极管具有正向压降低 (0.4 0. 8V)，反向恢复时间很短(10 40ns)的优点。肖特基二极管的弱点在于：采用传统硅材料制成的器件反向漏电流较高， 并随着结温的升高而显著上升，而且其正向压降随着耐压的上升迅速增大，因此目前其耐压多低于 200V。由于上述特点，肖特基二极管多用于低压场合。近年来，随着新型材料碳化硅 (SiC)的发展，采用碳化

14、硅制成的肖特基二极管的性能大幅度提高，其耐压已达到1200V，反向恢复特性显著优于常规的硅快恢复二极管， 且漏电流很小，高耐压的碳化硅二极管正向通态压降与硅快恢复二极管基本相当。 由于碳化硅二极管优良的反向恢复特性，使其在升压型 PFC电路、高频整流电路等应用场合具有显著的优势。其缺点是目前的价格仍然较高。5.2 电力 MOSFET电力MOSFET是近年来发展最快的全控型电力电子器件之一。它显著的特点是用栅极 电压来控制漏极电流，因此所需驱动功率小、驱动电路简单；又由于是靠多数载流子导电， 没有少数载流子导电所需的存储时间， 是目前开关速度最高的电力电子器件， 在小功率电力电子装置中是应用最为

15、广泛的器件。5. 2. 1结构和工作原理电力MOSFET与电子电路中应用的 MOSFET类似，按导电沟道可分为 P沟道和N沟 道。在电力 MOSFET中，应用最多的是绝缘栅 N沟道增强型。电力 MOSFET在导通时只有一种极性的载流子(多子)参与导电，属单极型晶体管。与小功率 MOS管不同的是电力MOSFET的结构大都采用垂直导电结构，以提高器件的耐压和耐电流能力。现在应用最多 的是具有垂直导电双扩散 MOS 结构的 VDMOSFET(Vertical Double-diffused MOSFET)。电力MOSFET器件由多个小 MOSFET元胞(cell )组成，不同生产厂家设计的元胞形状

16、和排列方式不同。美国 IR公司采用VDMOS技术生产的电力 MOSFET称为HEXFET，具 有六边形元胞结构。西门子公司的 SIPMOSFET采用了正方形单元。图 5-6a是N沟道增强型VDMOS中一个元胞的结构图，图 5-6b为电力MOSFET的电气图形符号。图5-6电力MOSFET结构和电气符号由图5-6a可以看出，对于 N沟道增强型图VDMS，当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅源间电压为零时，由于 P体区与N一漂移区形成的PN结为反向偏置，故漏源之间不导电。如果施加正电压Ugs于栅源之间，由于栅极是绝缘的， 没有栅极电流流过。但栅极的正电压会将P区中的少子一电子吸引到栅极下面的 P区

17、表面。当Ugs大于开启电压Ut时,栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使 P型反型成N型，形成反型层，该反型层形成N沟道使PN结消失，漏极和源极之间形成导电通路。 栅源电压UGS越高，反型层越厚，导电沟道越宽，则漏极电流越大。漏极电流 ID不仅受到栅源电压 UGS的控制，而且与漏极电压Uds也密切相关。以栅源电压 Ugs为参变量反映漏极电流 Id与漏极电压Uds间 关系的曲线族称为 MOSFET的输出特性，漏极电流|d和栅源电压Ugs的关系反映了输入控 制电压与输出电流的关系，称为 MOSFET的转移特性，见图 5 -7。电力MOSFET的开关过程见图5 -8。在开通过程中，由于输入电

18、容的影响，栅极电压uGS 呈指数规律上升，当uGS上升到开启电压UT时，MOSFET开始导通，漏极电流iD随着uGS 的上升而增加。当UGS达到使MOSFET进人非饱和区的栅压 Ugsp后，MOSFET进入非饱和区，此时虽然Ugs继续升高，但iD已不再变化。从Ugs开始上升至 MOSFET开始导通间的时间称为开通延迟时间td（on），Ugs从Ut上升到UGSP的时间段称为上升时间tr。MOSFET的U DS / Va）转移特性 图1-2图5-7电力 MOSFET的转移关断时，同样由于输入电容的影响， Ugs呈指数规律下降，当 Ugs呈低于Ugsp时，漏极电流iD开始下降，直至Ugs低于开启电压

19、Ut，iD下降到零。从Ugs开始下降至MOSFET开始关断的时间称为关断延迟时间 td(off)。 Ugs从Ugsp下降到Ugs：Ut时沟道消失，iD从通态电流降到零为止的时间段称为下降时间 tf。MOSFET的关断时间toff定义为关断延迟时间和下降时间之和。MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速，开关时间在 10100ns之间，工作频率可达 100kHz以上，是常用电力电子器件中最高的。由于电力MOSFET结构所致，源漏间形成一个寄生的反并联二极管，使漏极电压 UDS为负时呈现导通状态，也称本体二极管，它是与 MOSFET构成一个不可分割的整体，这样虽然在许多应

20、用中简化了电路，减少了元件数量，但由于本体二极管的反向恢复时间较长， 在咼频应用时必须注意其影响。5. 2. 2主要参数电力MOSFET的主要参数有：(1)漏源击穿电压Udss UdsSI常为结温在 25150C之间，漏源极的击穿电压。该参数限制了 MOSFET的最高工作电压，常用的 MOSFET的U DSS通常在1000 V以下，尤其以500V及以下器件的各项性能最佳。需要注意的是常用的 MOSFET的漏源击穿电压具有正温 度系数，因此在温度低于测试条件时， U DSS会低于产品手册数据。(2)漏极连续电流额定值Id和漏极脉冲电流峰值I dm 这是标称电力 MOSFET电流定额的参数，一般情

21、况下，I dm是Id的2 4倍。工作温度对器件的漏极电流影响很大，产品 的生产厂商通常也会给出不同壳温下， 允许的漏极连续电流变化情况。在实际器件参数计算时，必须考虑其损耗及散热情况得出壳温， 由此核算器件的电流定额。 通常在壳温为80 90 C时，器件可用的连续工作电流只有 TC = 25C额定值|D的60%70%。电阻。漏源通态电阻 RDs(on)直接影响器件的通态压降及损耗，通常额定电压低、电流大的器件RDS(on)较小。此外，RDS(on)还与驱动电压及结温有关。 增大驱动电压可以减小 Rds)。R)S(on)具有正的温度系数，随着结温的升高而增加，这一特性使 MOSFET并联运行较为

22、容易。(4)栅源电压Ugss由于栅源之间的 Si02绝缘层很薄，当Ugs|20V将导致绝缘层击 穿。因此在焊接、驱动等方面必须注意。(5)跨导Gfs在规定的工作点下，MOSFET转移特性曲线的斜率称为该器件的跨导。即dlfsdUGS极间电容 MOSFET的3个电极之间分别存在极间电容 Cgs、Cgd和Cds。一般生产厂商提供的是漏源极短路时的输入电容 Gss、共源极输出电容 Css和反向转移电容 Crss。它们之间的关系是Ciss = CGS CGD ( 5-1)(5-3)Crss = CGD ( 5-2)Coss 二 CGD CDS尽管电力MOSFET是用栅源间电压驱动，阻抗很高，但由于存在

23、输入电容 Ciss，开关过程中驱动电路要对输入电容充放电。 这样，用作高频开关时，驱动电路必须具有很低的内阻抗及一定的驱动电流能力。5.2.3新型MOSFET器件简介MOSFET器件近年来发展十分迅速，主要体现在结构、加工工艺及结构封装 (如DirectFET)等方面。在高压 MOSFET器件方面，具有代表性的新型器件是 CoolMOS，在低 压领域各厂家均在工艺及结构封装方面作出许多改进，大大提高了器件的性能。传统的MOSFET结构为保证器件的耐压，需要增加低掺杂外延层的厚度，从而使高压 器件的导通电阻近似与其耐压的 2.42.6次方成正比，而CoolMOS(又称超级结器件 MOSFET)基

24、于电荷补偿原理，由一系列的 P型和N型半导体薄层交替排列组成，结构见图 5-9。在截止态时，由于P型和N型层中的耗尽区电场产生相互补偿效应，使 P型和N型层的掺杂浓度可以做的很高而不会引起器件击穿电压的下降。 导通时，这种高浓度的掺杂使器件的导通电阻明显降低，可以将外延层部分的导通电阻降低至传统 MOSFET的20 %，由于导通损耗的降低，发热减少，故称 CoolMOS。图5-9 CoolMOS的剖面原理图为降低MOSFET的导通电阻，器件生产厂商还采用沟槽型 （Trench）工艺结构，见图5 -10。 对比两种器件的结构可以看出，常规 VDMOS导通电阻主要由沟道电阻、 JFET电阻和外延层

25、电阻构成，而沟槽型 MOSFET中已没有了 JFET这个寄生结构，这大大减小了器件的导 通电阻，特别是对于低压 MOS效果尤其明显。沟槽型 MOSFET带来的另外一个优点是垂直沟道与横向沟道相比，芯片面积将进一步减小。a） VDMOS b）沟槽型 MOSFET图5-10沟槽型MOSFET与VDMOS结构及电流路径对比5. 3绝缘栅双极型晶体管（IGBT）电力MOSFET具有驱动方便、开关速度快等优点，但导通后呈现电阻性质，在电流较大时的压降较高，而且器件的容量较小，仅能适用于小功率装置。大功率晶体管 GTR的饱和压降低、容量大，但其为电流驱动，驱动功率较大，开关速度低。 20世纪80年代出现的

26、绝缘栅双极型晶体管（IGBT ）是把MOSFET与GTR复合形成，除具有 MOSFET的电压型驱 动、驱动功率小的特点，同时具有 GTR饱和压降低和可耐高电压和大电流等一系列应用上的优点，开关频率虽低于 MOSFET，但高于GTR。目前IGBT已基本取代了 GTR，成为当 前在工业领域应用最广泛的电力电子器件。5. 3. 1结构与工作原理图5-11绘出了 IGBT的结构和等效电路。当器件承受正向电压，而栅极驱动电压小于阀值电压时，IGBT的N -层与P -层间的PN结J2反偏，IGBT处于关断状态。当驱动电压IGBT开始导通。此时J3处于正偏状态，因而有大量空穴从 P 区注入N-区域，使N-区

27、域 中的载流子浓度大大增加，产生电导调制效应，降低了 IGBT的正向压降。当撤去栅极电压后，栅极下的导电沟道消失，从而停止了从 N 区经导电沟道向 N-区的电子注入，IGBT开始进入关断过程。但由于 IGBT在正向导通时N -区(基区)含有大量载流子，因而它并不能立刻关断，直到 N -区中的剩余载流子消失，IGBT才进入阻断状态，这样 IGBT的关断延迟时间td(of)比MOSFET要长一些。图5-12绘出了正向导通状态下 IGBT内部的电流流动状态。图中电子电流 Ie流经MOSFET并给PNP型晶体管提供基极电流，流过 PNP型晶体管的空穴电流 也在图中绘(5-4)出。这两部分电流存在以下关

28、系：Ih Ie =Ie式中Ie IGBT发射极电流;pnp PNP型晶体管的电流放大系数。与MOSFET类似，IGBT集电极电流与栅射电压间的关系称为转移特性，集电极电流 与栅射电压、集射电压之间的关系为输出特性，见图 5-13。从图中可以看出，当栅射电压咼于开启电压UGE(th)时，IGBT开始导通，UGE(th)的值一般为26V。图5-12 正向导通状态下IGBT的内部电流状态该过程与MOSFET十分相似。从驱动电压 uGE上升至其幅值的10%至集电极电流iC上升到稳态值的10%的时间称为开通延迟时间 td（on），iC从10%稳态值上升至90%稳态值的时间称IGBT开通过程为上升时间tr

29、。IGBT的开通时间定义为开通延迟时间与上升时间之和。在 中，集射极电压Uce的下降过程分为陡降阶段ifv1和缓降阶段ifv2。前者是由于 MOSFET迅 速导通形成，第二阶段中由于 MOSFET的栅漏电容增加，而且 IGBT中的PNP晶体管由放 大状态转入饱和导通状态也需要一个过程，因此电压下降较缓慢。90%U gem10%Ugem0匚Ic90% I cm -图5-14 IGBT的开关过程IGBT关断过程中，从驱动电压 Uge下降至其幅值的90%到集电极电流ic下降为稳态值的90%的时间称为关断延迟时间 td(Off)，集电极电流iC从稳态值的90%下降至10%的时间称为下降时间tf，两者之

30、和为关断时间toff。同样，集电极电流ic的下降过程也分为陡降阶段上测和缓降阶段，前者也是由于 MOSFET快速关断所形成，后者则是由于 N基区中的少子复合缓慢造成，此阶段的电流又称为拖尾电流。较长时间的拖尾电流会产生较大的关断损 耗。5.3.2主要参数除了上述的各项动态参数外， IGBT的主要参数还包括：(1)最大集射极间电压 Uces 该参数决定了器件的最高工作电压， 这是由内部PNP晶体管所能承受的击穿电压确定的。(2)最大集电极电流 包括在一定的壳温下额定直流电流 I c和1ms脉宽最大电流Icp。不同厂商产品的标称电流通常为壳温 25C或80C条件下的额定直流电流 IC。该参数与IGBT的壳温密切相关，而且由于器件实际工作时的壳温一般都较高，所以设计中必须加以重 视。(3)最大集电极功耗Pcm 在一定的壳温下IGBT允许的最大功耗，该功耗将随壳温升高 而下降。(4)集射饱和压降UcE(sat)栅射间施加一定电压，在一定的结温及集电极电流条件下，集射间饱和通态压降。此压降在集电极电流较小时呈负温度系数， 在电流较大时为正温度系数，这一特性使IGBT并联运行也较为容易。栅射电压Uges与MOSFET相似，当Uge 2CV将导致绝缘层击穿。因此在焊接、 驱动等方面必须注意。 (6)跨导Gfs在规定的工作点下，IGBT转移特性曲线的斜率称为该器件的跨导。即极