第2章 常用电力半导体器件讲解

第2章常用电力半导体器件学习目的与要求：1．掌握晶闸管的结构、导通与关断条件；2.了解各种电力半导体器件的应用特点；3．熟悉智能功率模块的结构与应用；电力电子器件的特点用于电能变换和电能控制电路的大功率（通常指电流为数十安至数千安、电压为数百伏以上）半导体器件，称为电力电子器件，或称功率电子器件。20世纪50年代，电力电子器件主要是汞弧闸流管和大功率电子管。60年代发展起来的晶闸管，因其工作可靠、寿命长、体积小、开关速度快等优点，在电力电子电路中得到广泛应用。到70年代初期，已逐步取代了汞弧闸流管。到了80年代，普通晶闸管的开关电流已达数千安，能承受的正、反向工作电压达数千伏。在此基础上，为适应电力电子技术发展的需要，又开发出门极可关断晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件。以及单极型MOS功率场效应晶体管、双极型功率晶体管、静电感应晶闸管、功能组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。变频器的核心元件就是电力半导体开关器件。自1948年美国贝尔实验室发明第一只晶体管以来，到现代的电力电子器件“智能化开关模块（IPM）应用，使得变频器性能产生了质的飞跃。下面介绍几种常用电力半导体开关器件。晶闸管（SCR）晶闸管是晶体闸流管(Thyristor)的简称，晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制。被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等大功率电子电路中。晶闸管是三端大功率半导体器件，它由P、N、P、N四层半导体构成,其外形有平板形和螺栓形，三个引出管脚分别是“阳极”用A表示，“阴极”用K表示，“控制极(门极)”用G表示。晶闸管的外形及符号如图2-1所示。由于晶闸管是四层（P1、N1、P2、N2）三端器件，具有三个PN结J1、J2、J3，如图2-2（a）所示。若把中间的N1和P2分成两部分，如图2-2（b）所示，就构成了一个NPN型晶体管和一个PNP型晶体管的复合管。每一个三极管的基极与另一个三极管的集电极相联，在联接回路中形成正反馈，如图2-2晶闸管工作原理当晶闸管反向联接，阳极A接电源负极，阴极K接电源正极时，无论门极G所加电压是什么极性，晶闸管均处于阻断状态。当晶闸管正向联接，阳极A接电源正极，阴极K接电源负极时，若门极G所加触发电压为负时，则晶闸管不导通。因此，晶闸管具有单向导电性和正向导通的可控性。晶闸管的导通条件为：1.阳极A与阴极K之间加正向电压。2.控制极G与阴极K之间加正向触发电压，且有足够的控制极电流。晶闸管关断条件为：晶闸管阳极A电流等于小于导通维持电流。由此可见，晶闸管为可控的开关器件晶闸管主要参数1．通态平均电流IT在规定的环境温度和散热条件下，允许通过晶闸管阳极和阴极之间的电流平均值。2．维持电流IH在规定的环境温度、控制极断开的条件下，保持晶闸管导通状态所需的最小正向电流。3．控制极触发电压UG与电流IG在规定的环境温度及一定的正向电压条件下，使晶闸管从关断到导通，控制极所需的最小电压和电流。4．断态重复峰值电压UDRM当控制极开路，器件处于额定结温状态，允许重复加在晶闸管阳极与阴极间的正向峰值电压，要求重复频率50Hz，每次时间不大于10ms。5．反向重复峰值电压URRM当控制极开路时，器件处于额定结温状态，允许重复加在晶闸管阳极与阴极间的反向峰值电压，要求重复频率50Hz，每次时间不大于10ms。一般将UDRM和URRM两值中的较小者定义为晶闸管额定电压UN。功率晶体管BJT（GTR）功率晶体管GTR也称双极型晶体管（BJT）或电力晶体管是一种大功率高反压开关晶体管。应用于高电压大电流场合。具有自关断，开关时间短，饱和压降低和安全工作区宽等优点，被广泛应用于交直流电机调速，中频电源等电力变流装置。功率晶体管（BJT）的结构特点功率晶体管通常采用模块化。也称模块型晶体管，其内部结构既有单管型，也有达林顿（复合）型，容量范围从450V/30A~1400V/800A不等，（BJT）的结构特点高耐压、大电流且电流分配均匀。具有开头速度快，驱动电路简单。放大倍数高，功耗低。主要应该在中小功率的变频器中，以及不间断电源中。为使用方便，使器件集成度更高、体积更小，模块型功率晶体管内部有1单元结构、2单元结构、4单元结构和6单元结构。如图2-3所示。所谓1单元结构是指在一个模块内有一个功率晶体管（也可能是达林顿型或单管型）和一个续流二极管反向并联。1、电流分配均匀2、电流增益高，饱和压降低、驱动电流小、功率损耗小。3、结构合理，基极端子与主湍子分开，抗干扰性好。功率晶体管BJT的主要参数静态特性（1）输入特性：图2-4a所示：当UCE一定时基极电流IB与射极电压UBE之间的函数关系，UCE的正向饱和压降为1V（2）输出特性：图2-4b所示：BJT工作时采用共射极接法1．开路阻断电压（1）基极开路，集电极—发射极间能承受的电压UCEO。（2）发射极开路，集电极—基极间所承受的电压UCBO。开路阻断电压体现了GTR（BJT)的耐压能力。2．集电极最大允许电流ICM集电极最大工作电流是当基极正向偏置时，集电极所能流入的最大电流。3．电流放大倍数hfe，电流放大倍数定义为，晶体管工作在放大状态时集电极电流IC与基极电流IB的比值BCfeIIh4．集电极最大耗散功率PCM集电极最大耗散功率是指GTR消耗的最大允许平均功率，超过此值GTR会因过热而损坏。（2.2）5．开关频率BJT主要工作在截止区和饱和区，要在切换过程中快速通过放大区，这个过程反映了BJT的动态特性。GTR产品使用说明书中，并不直接给出开关频率这个参数，而是给出开通时间、存储时间和下降时间，通过这几个时间值，可估算出GTR的最高工作频率。CEcCMUIP功率晶体管（BJT）的驱动电路1．对驱动电路的要求（BJT）是电流控制型器件，正向基极电流控制其导通，反向基极电流控制其关断。由于GTR并不是理想的开关器件，因此对驱动电路有以下要求。（1）（BJT）在开通时，驱动电流的前沿要足够陡峭，并有一定的过冲，以加速开通过程，减小损耗。（2）（BJT）在导通期间，无论在任何负载下，基极电流都应保证（BJT）GTR饱和导通，为降低饱和压降，应使GTR（BJT）过饱和。（3）GTR（BJT）关断时，应提供幅值足够大的基极反偏电流，并加反向截止电压，以加快关断速度，减小关断损耗。（4）GTR（BJT）驱动电路应具有较强的抗干扰能力，并具有一定的保护功能。（5）（BJT）控制信号的极性是相对发射极而言的2．驱动电路的隔离GTR（BJT）位于主电路，工作电压较高，控制电路的电压较低。因此，驱动电路和主电路之间应进行电气隔离。通常采用光电隔离或磁隔离的方法。光电隔离有普通、高速和高传输比等几种类型。由于驱动电路对GTR的使用至关重要，所以，有专门的集成模块用于（BJT）GTR的驱动，常用的驱动模块型号有富士EXB35N系列。（BJT）的缺点：（1）控制电流很大(2）二次击穿SOA，在基极正偏IB0、反偏IB0时，BJT在工作时不能超过电高工作电压UCEM、和峰值脉冲额定电流（集电极电流ICE）、最大耗散功率PCM，否则将发生二次击穿功率（电力）场效应晶体管（MOSFET）功率场效应管MOSFET是电压控制器件，它具有输入阻抗高、驱动功率小，控制电路简单，工作频率高，无二次击穿现象等优点功率场效应管的结构特点MOSFET的栅极G、源极S和漏极D位于同一芯片上，因工艺结构不同可分为P沟道和N沟道两种。其符号如图2-4所示，MOSFET主要有以下特点：1．开关频率高MOSFET的最高频率可达500KHz.2．输入阻抗高MOSFET具有很高的输入阻抗，可直接用CMOS电路驱动。因为高阻抗，容易造成电荷积累而引起静电击穿。3．驱动电路简单MOSFET在稳定状态下工作时，栅极无电流流过，只有在动态开关过程中才有电流，所以驱动功率小功率场效应管主要参数1．漏源击穿电压BUDS漏源击穿电压BUDS决定了MOSFET的最高工作电压。2．栅源击穿电压BUGS能造成栅源间绝缘层击穿的电压称为栅源击穿电压BUGS，栅源间的绝缘层是很薄的，当栅源电压大于20V将击穿绝缘层。3．漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM在器件内部温度不超过最高工作温度时，MOSFET允许通过的最大漏极连续电流,称为漏极连续电流ID，在同样条件下，允许通过的最大脉冲电流，称为漏极峰值电流IDM使用功率场效应管的注意事项1．MOSFET器件的存放和运输需要有防静电装置.2．MOSFET的栅极绝对不能开路工作.3．对于电感性负载，在起动和停止时，由于产生感生电压，会发生过电压或过电流而损坏MOSFET，因此要有防护措施。绝缘栅双极晶体管（IGBT）绝缘栅双极晶体管称IGBT，它综合了MOS场效应晶体管（MOSFET）和双极晶体管（GTR）的优点。因此，逐步取代了MOSFET和GTR的单独使用。IGBT具有输入阻抗高，开关速度快，工作电压高，承受电流大，驱动电路简单，功率大等优点。绝缘栅双极晶体管基本结构图2-5为绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistorIGBT）的基本结构示意图。它是由一个栅极为MOS结构的（绝缘栅）晶体管并联一个其基极同PNP晶体管互补连接的NPN晶体管。这种连接方式恰好是PNPN四层的晶闸管等效电路。其等效电路如图2-6所示。由图2-6可以看出，IGBT是以GTR为主导件、MOSFET为驱动件的复合结构，不同的是，从基区引出栅极。如图2-7所示，为IBGT的符号。G为栅极，C为集电极，E为发射极。静态特性：IGBT的静态特性主要有输出特性和转移特性。输出特性表达了集电极电流ICE与输出电压UCE之间的关系。饱和区、放大区和击穿区。饱和导通时管压降为2V---5V，其特点是，集电极电流IC由栅极电压UG控制，UG越高IC越大。在反向集射极电压-UCE,的控制下,IGBT呈反向阻断状态。其反向漏电流很小。动态特性：IGBT的转移特性表示了栅极电压UG对集电极电流ICE的控制关系，大部分范围内两者呈线性关系，只有当UG接近开启电压时才呈非线性关系，电流ICE很小。关断状态。由于UG对IC的控制作用，所以最大栅极电压要受到最大集电极电流的限制。绝缘栅双极晶体管IGBT主要参数1．集电极—发射极额定电压UCES:UCES是栅极—发射极短路时IGBT能承受的耐压值。这个参数说明了UCES小于崩击穿电压。2．栅极—发射极额定电压UGES:IGBT是电压控制器件，靠加到栅极的电压来控制IGBT的导通与关断，UGES是栅极控制信号的额定电压值。这个电压值为+20V,使用时应在+15V~+20V。3．额定集电极电流IC:IGBT在导通时能流过管子的持续最大电流。富士公司生产的IGBT模块为8~400A。4．集电极—发射极饱和压降UCE:UCE是IGBT正常饱和导通时，集电极与发射极之间的电压降。这个参数越小说明管子功耗越低，富士公司生产的IGBT模块为2.5~3.5V。5．开关频率:IGBT的开关频率是以手册中给出的导通时间ton、下降时间tf和关断时间toff估算的。通常IGBT的实际工作频率都在100KHz以下。绝缘栅双极晶体管的驱动由于IGBT是电压控制型器件，因此，控制功率大为减少。其驱动电路通常采用模块化，模块内部装有高隔离电压的光电耦合器，有过流保护和过流保护输出端子，具有体积小，可靠性高等特点。目前市场上最多的是富士公司生产的IGBT驱动模块EXB系列，内部装有2500V高隔离电压的光电耦合器，具有过电流保护和过电流保护输出信号端子。单电源供电，EXB系列的参数性能和管脚排列见书P47，IGBT驱动模块EXB信号最大延迟时间为4微秒.,常用EXB驱动模块有标准型和高速型使用IGBT的注意事项：1、UGES使用IGBT时应在+15V~+20V。2、为可靠地关断IGBT，栅极驱动负电压UGE应该在（绝对值）等于或略大于5V3、使用IGBT时在在栅极和驱动信号之间加一个驱动电阻RG。这