第一章功率半导体器件

第一章功率半导体器件1.1概述1.1.1功率半导体器件的定义图1-1为电力电子装置的示意图，输入电功率经功率变换器变换后输出至负载。功率变换器即为通常所说的电力电子电路（也称主电路），它由电力电子器件构成。目前，除了在大功率高频微波电路中仍使用真空管（电真空器件）外，其余的电力电子电路均由功率半导体器件组成。图1-1电力电子装置示意图一个理想的功率半导体器件、应该具有好的静态和动态特性，在截止状态时能承受高电压且漏电流要小；在导通状态时，能流过大电流和很低的管压降；在开关转换时，具有短的开、关时间；通态损耗、断态损耗和开关损耗均要小。同时能承受高的di/dt和du/dt以及具有全控功能。1.1.2功率半导体器件的发展功率半导体器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。从1958年美国通用电气公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由功率半导体器件构成的变流器时代。功率半导体器件的发展经历了以下阶段：大功率二极管产生于20世纪40年代，是功率半导体器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。目前已形成整流二极管（RectifierDiode）、快恢复二极管（FastRecoveryDiode—FRD）和肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode—SBD）等3种主要类型。晶闸管（Thyristor,orSiliconControlledRectifier—SCR）可以算作是第一代电力电子器件，它的出现使电力电子技术发生了根本性的变化。但它是一种无自关断能力的半控器件，应用中必须考虑关断方式问题，电路结构上必须设置关断（换流）电路，大大复杂了电路结构、增加了成本、限制了在频率较高的电力电子电路中的应用。此外晶闸管的开关频率也不高，难于实现变流装置的高频化。晶闸管的派生器件有逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。20世纪70年代出现了称之为第二代的自关断器件，如门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO），大功率双极型晶体管（BipolarJunctionTransistor—BJT,orGiantTransistor—GTR），功率场效应管（PowerMetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor—PowerMOSFET）等。20世纪80年代出现了以绝缘栅极双极型晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor—IGBT,orIGT）为代表的第三代复合导电机构的场控半导体器件。20世纪80年代后期，功率半导体器件的发展趋势为模块化、集成化，按照电力电子电路的各种拓朴结构，将多个相同的功率半导体器件或不同的功率半导体器件封装在一个模块中，这样可缩小器件体积、降低成本、提高可靠性。值得指出的是新的一代器件的出现并不意味着老的器件被淘汰，世界上SCR产量仍占全部功率半导体器件总数的一半，是目前高压、大电流装置中不可替代的元件。1.1.3功率半导体器件的分类功率半导体器件可按可控性、驱动信号类型来进行分类。1．按可控性分类根据能被驱动（触发）电路输出控制信号所控制的程度，可将功率半导体器件分为不控型器件、半控型器件、全控型器件等3种。（1）不控型器件不能用控制信号来控制开通、关断的功率半导体器件。（2）半控型器件能利用控制信号控制其导通，但不能控制其关断的功率半导体器件称为半控型器件。（3）全控型器件能利用控制信号控制其导通，也能控制其关断的功率半导体器件称为全控型器件，通常也称为自关断器件。2．按驱动信号类型分类（1）电流驱动型通过在控制端注入或抽出电流来实现开通或关断的器件称为电流驱动型功率半导体器件。GTO、GTR为电流驱动型功率半导体器件。（2）电压驱动型通过在控制端和另一公共得端加入一定的电压信号来实现开通或关断的器件称为电压驱动型功率半导体器件。P-MOSFET、IGBT为电压驱动型功率半导体器件。1.2大功率二极管1.2.1大功率二极管的结构大功率二极管的内部结构是一个具有Ｐ型及Ｎ型两层半导体、一个PN结和阳极A、阴极K的两层两端半导体器件，其符号表示如图1-2a）所示。a）符号b）螺旋式c）平板式图1-2大功率二极管从外部构成看，也分成管芯和散热器两部分。这是由于二极管工作时管芯中要通过强大的电流，而PN结又有一定的正向电阻，管芯要因损耗而发热。为了管芯的冷却，必须配备散热器。一般情况下，200A以下的管芯采用螺旋式（图1-2b）），200A以上则采用平板式（图1-2c））。1.2.2大功率二极管的特性1．大功率二极管的伏安特性二极管阳极和阴极间的电压Uak与阳极电流ia间的关系称为伏安特性，如图1-3所示。第Ⅰ象限为正向特性区，表现为正向导通状态。第Ⅲ象限为反向特性区，表现为反向阻断状态。a）实际特性b）理想特性图1-3大功率二极管的伏安特性2．大功率二极管的开通、关断特性大功率二极管具有延迟导通和延迟关断的特征，关断时会出现瞬时反向电流和瞬时反向过电压。（1）大功率二极管的开通过程大功率二极管的开通需一定的过程，初期出现较高的瞬态压降，过一段时间后才达到稳定，且导通压降很小。图1-4为大功率二极管开通过程中的管压降uD和正向电流iD的变化曲线。由图可见，在正向恢复时间tfr内，正在开通的大功率二极管上承受的峰值电压UDM比稳态管压降高的多，在有些二极管中的峰值电压可达几十伏。图1-4大功率二极管的开通过程图1-5大功率二极管的关断过程（2）大功率二极管的关断过程图1-5为大功率二极管关断过程电压、电流波形。大功率二极管应用在低频整流电路时可不考虑其动态过程，但在高频逆变器、高频整流器、缓冲电路等频率较高的电力电子电路中就要考虑大功率二极管的开通、关断等动态过程。1.2.3大功率二极管的主要参数1、额定正向平均电流（额定电流）IF指在规定＋40℃的环境温度和标准散热条件下，元件结温达额定且稳定时，容许长时间连续流过工频正弦半波电流的平均值。将此电流整化到等于或小于规定的电流等级，则为该二极管的额定电流。在选用大功率二极管时，应按元件允许通过的电流有效值来选取。对应额定电流IF的有效值为1.57IF。2、反向重复峰值电压（额定电压）ＵRRM在额定结温条件下，元件反向伏安特性曲线（第Ⅲ象限）急剧拐弯处于所对应的反向峰值电压称为反向不重复峰值电压URSM。反向不重复峰值电压值的80％称为反向重复峰值电压URRM。再将URRM整化到等于或小于该值的电压等级，即为元件的额定电压。3、反向漏电流IRR对应于反向重复峰值电压URRM下的平均漏电流称为反向重复平均电流IRR。4、正向平均电压UF在规定的＋40℃环境温度和标准的散热条件下，元件通以工频正弦半波额定正向平均电流时，元件阳、阴极间电压的平均值，有时亦称为管压降。元件发热与损耗与UF有关，一般应选用管压降小的元件以降低元件的导通损耗。5、大功率二极管的型号普通型大功率二极管型号用ZP表示，其中Z代表整流特性，P为普通型。普通型大功率二极管型号可表示如下ZP[电流等级]—[电压等级/100][通态平均电压组别]如型号为ZP50—16的大功率二极管表示：普通型大功率二极管，额定电流为50A，额定电压为1600V。1.3晶闸管（SCR）1.3.1晶闸管的结构晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，可区分为管芯及散热器两大部分，分别如图1-6及图1-7所示。a）螺栓型b）平板型c）符号图1-6晶闸管管芯及电路符号表示管芯是晶闸管的本体部分，由半导体材料构成，具有三个与外电路可以连接的电极：阳极Ａ，阴极Ｋ和门极（或称控制极）Ｇ，其电路图中符号表示如图1-6c）所示。散热器则是为了将管芯在工作时由损耗产生的热量带走而设置的冷却器。按照晶闸管管芯与散热器间的安装方式，晶闸管可分为螺栓型与平板型两种。螺栓型（图1-6a））依靠螺栓将管芯与散热器紧密连接在一起，并靠相互接触的一个面传递热量。\a）自冷b）风冷c）水冷图1-7晶闸管的散热器晶闸管管芯的内部结构如图1-3所示，是一个四层（P1—N1—P2—N2）三端（A、K、G）的功率半导体器件。它是在N型的硅基片（N1）的两边扩散Ｐ型半导体杂质层（P1、P2），形成了两个PN结J1、J2。再在P2层内扩散Ｎ型半导体杂质层N2又形成另一个PN结J3。然后在相应位置放置钼片作电极，引出阳极A，阴极K及门极G，形成了一个四层三端的大功率电子元件。这个四层半导体器件由于有三个PN结的存在，决定了它的可控导通特性。图1-8晶闸管管芯结构原理图1.3.2晶闸管的工作原理通过理论分析和实验验证表明：1）只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时晶闸管才能导通，两者不可缺一。2）晶闸管一旦导通后门极将失去控制作用，门极电压对管子随后的导通或关断均不起作用，故使晶闸管导通的门极电压不必是一个持续的直流电压，只要是一个具有一定宽度的正向脉冲电压即可，脉冲的宽度与晶闸管的开通特性及负载性质有关。这个脉冲常称之为触发脉冲。3）要使已导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到某一数值之下（约几十毫安）。这可以通过增大负载电阻，降低阳极电压至接近于零或施加反向阳极电压来实现。这个能保持晶闸管导通的最小电流称为维持电流，是晶闸管的一个重要参数。晶闸管为什么会有以上导通和关断的特性，这与晶闸管内部发生的物理过程有关。晶闸管是一个具有P1—N1—P2—N2四层半导体的器件，内部形成有三个PN结J1、J2、J3，晶闸管承受正向阳极电压时，其中J1、J3承受反向阻断电压，J2承受正向阻断电压。这三个PN结的功能可以看作是一个PNP型三极管VT1（P1—N1—P2）和一个NPN型三极管VT2（N1—P2—N2）构成的复合作用，如图1-9所示。图1-9晶闸管的等效复合三极管效应可以看出，两个晶体管连接的特点是一个晶体管的集电极电流就是另一个晶体管的基极电流，当有足够的门极电流Ig流入时，两个相互复合的晶体管电路就会形成强烈的正反馈，导致两个晶体管饱和导通，也即晶闸管的导通。如果晶闸管承受的是反向阳极电压，由于等效晶体管VT1、VT2均处于反压状态，无论有无门极电流Ig，晶闸管都不能导通。1.3.3晶闸管的基本特性1．静态特性静态特性又称伏安特性，指的是器件端电压与电流的关系。这里介绍阳极伏安特性和门极伏安特性。（1）阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与阴极之间的电压Uak与阳极电流ia之间的关系曲线，如图1-10所示。图1-10晶闸管阳极伏安特性①正向阻断高阻区；②负阻区；③正向导通低阻区；④反向阻断高阻区阳极伏安特性可以划分为两个区域：第Ⅰ象限为正向特性区，第Ⅲ象限为反向特性区。第Ⅰ象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。（2）门极伏安特性晶闸管的门极与阴极间存在着一个PN结J3，门极伏安特性就是指这个PN结上正向门极电压Ug与门极电流Ig间的关系。由于这个结的伏安特性很分散，无法找到一条典型的代表曲线，只能用一条极限高阻门极特性和一条极限低阻门极特性之间的一片区域来代表所有元件的门极伏安特性，如图1-11阴影区域所示。图1-11晶闸管门极伏安特性2．动态特性晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路时，有时也在高频电力电子电路中得到应用，如逆变器等。在高频电路应用时，需要严格地考虑晶闸管的开关特性，即开通特性和关断特性。（1）开通特性晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。图1-12给出了晶闸管的开关特性。在晶闸管处在正向阻断的条件下突加门极触发电流，由于晶闸管内部正反馈过程及外电路电感的影响，阳极电流的增长需要一定的时间。从突加门极电流时刻到阳极电流上升到稳定值IT的10%所需的时间称为延迟时间td，而阳极电流从10%IT上升到90%IT所需的时间称为上升时间tr，延迟时间与上升时间之和为晶闸管的开通时间tgt=td+tr，普通晶闸管的延迟时间为0.5～1.5μs，上升时间为0.5～3μs。延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随阳极电压上升而下降。图1-12晶闸