特种半导体器件及其应用_1

2020/1/241特种半导体器件及其应用电力、敏感、光子、微波器件特种半导体器件及其应用2020/1/242第一章电力半导体器件概述1.1电力电子学与电力半导体电力电子学是介于电力、电子、控制三者的边缘学科。电力半导体器件的发展历史。特种半导体器件及其应用2020/1/2431.2电力半导体器件的分类不可控器件普通型普通二极管快速型快恢复二极管,肖特基二极管可控制器件换流关断型双极晶闸管相控晶闸管(P.C.T)逆变晶闸管(I.T)非对称晶闸管(ASDR)逆导晶闸管(RCT)门级辅助关断晶闸管(GATT)光控晶闸管(LTT)双向晶闸管(BCT)自关断型双极GTO门级可关断晶闸管GTR单一型,达林顿型MOSMOS型MOS_FETMOS双极混合场控晶闸管(FCT)MOS双极功能集成绝缘栅晶体管(IGT)MOS栅晶闸管(MGT)高压集成电路(HVIC)组合型器件功率模块(PowerModules)组件(Stacks)特种半导体器件及其应用2020/1/2441.3电力器件的基本应用开关电路整流电路逆变电路直流斩波电路与交流调压电路特种半导体器件及其应用2020/1/245第二章特种可控硅可控硅元件是一种大功率半导体器件，它是用硅半导体材料做成的硅晶体闸流管，因而又称为晶闸管。它的特点是容量大、电压高、损耗小、控制灵便，可用于大功率的电能转换与控制。随着生产的发展，对可控硅的使用提出了一些特殊的要求，另一方面，由于半导体技术对PN结作用的研究不断深入发展，从而在普通可控硅的基础上，又逐步研制出许多不同性能的其他类型的可控硅。这些可控硅在某些特定场合使用有明显的优越性，为了与普通型可控硅有所区别，对其它类型的可控硅常称为特种可控硅。下表中概括了各种类型可控硅的主要内容。随着科学技术和生产的不断发展，具有新性能的其它类型可控硅元件也在研制中．如光控可控硅、热敏可控硅。特种半导体器件及其应用2020/1/2462.1高频可控硅特种半导体器件及其应用2020/1/2472.1高频可控硅普通可控硅对开、关时间等瞬态参数没有特殊要求，并主要用于工频的反向阻断型。快速可控硅能在400HZ以上频率下工作。高频可控硅能在10KHZ或以上频率下工作。特种半导体器件及其应用2020/1/2482.1高频可控硅一、高频可控硅的理想特性元件具有两种工作状态，即断态和通态。处于断态的元件均无输出电流；对于任何输出电流，通态下的元件端电压均为零。即元件是无损耗的。元件导通的条件是同时满足两个条件：必须有正向阳极电压；必须有正向门极电压；否则元件处于断态，它表示元件具有单向导电性质。对于任意频率的输入端电流，元件具有相同的载流能力；即元件的频带为无限宽。元件的工作状态的转换是瞬时完成的，即元件是无惯性的。特种半导体器件及其应用2020/1/2492.1高频可控硅实际性能接近理想特性，但存在的问题虽然元件具有导通和阻断两个状态，但在断态下存在漏电流，通态下存在饱和压降，即元件是有损耗的。由于半导体中发生的电流属于传导电流，因而产生和控制这些载流子的运动都需要时间，因此电路工作状态的转换不可能瞬时完成，即电路是有惯性的。虽然电路具有正向和反向阻断能力，但这种能力是有限的。电路的开通增益很大，而关断增益很小，以至在大功率条件下失去控制价值。特种半导体器件及其应用2020/1/24102.1高频可控硅1．可控硅中的损耗与频率的关系可控硅在工作过程中通常总是从断态即正向阻断状态经过开通过程和扩展过程进入导通状态，即通态；然后转入反向电流恢复时期，即从正向电流过零至反向电流恢复到反向电压所对应的漏电流值所经历的时间，进而过渡到反向阻断状；接着又工作到断态，如此反复地进行下去。可控硅在以上工作过程的每一阶段都有电流通过并且在器件阳、阴极两端出现电压降落，这些电压和电流的乘积就构成了各个阶段的功率损耗，这些阶段功率损耗的总和，再加上门极损耗，就是可控硅在工作中总的功率损耗。特种半导体器件及其应用2020/1/24112.1高频可控硅按平均功率损耗定义，各部分功率损耗可表示为式中f—工作频率；i—通过可控硅的电流瞬时值；u—可控硅阳、阴极两端的电压瞬时值；ts—某一阶段的起始时刻；te—某一阶段的终了时刻；esttiudtfP特种半导体器件及其应用2020/1/24122.1高频可控硅由上式可知，各部分功率损耗都与工作频率有关，随着工作频率的提高，(te-ts)的数值也发生变化，因此可控硅中各部分的损耗也随着频率而发生变化。在可控硅中，主要的损耗有通态损耗、开通损耗、扩展损耗与反向恢复损耗，而正、反向阻断损耗和门极损耗是比较小的可以忽略。表2给出1000V／400A、20μs(关断时间)、3kHz用的快速可控硅在不同频率下工作时各部分损耗占总损耗的百分比。从表中可看出：开通损耗和反向恢复损耗所占总损耗的比例随着频率的增高而加大；而通态损耗占总损耗的比例随着频率增高而减少，当达到某一频率(表中5kHz)时降到零。因此，可控硅在低频工作时，通态损耗占主要部分；当频率增高到某一数值时，开关损耗(开通损耗和反向恢复损耗)和扩展损耗开始占主导地位；进一步增加工作频率，只出现开关损耗和扩展损耗。特别是开通损耗随着频率提高而单调地增加，频率越高，开通损耗越大。大的开通损耗将使平均结温升高，这一开通损耗并不是分散在整个阴极结面上，而是集中在局部的初始导通区内，引起初始导通区的瞬时温升增高，从而导致器件在短期内出现热疲劳损坏，缩短元件的工作寿命，严重时可能立即烧毁。特种半导体器件及其应用2020/1/24132.1高频可控硅由上看出，随着工作频率的提高，可控硅中的开关损耗和扩展损耗越来越突出，特别是开通损耗随着频率的提高，损耗值越大。为了使可控硅在高频下可靠地工作，必须提高器件的di/dt耐量。特种半导体器件及其应用2020/1/24142.1高频可控硅不同频率下主要损耗的百分比特种半导体器件及其应用2020/1/24152.1高频可控硅2.高频可控硅的特点及特性参数降低可控硅损耗采取的方法措施特种半导体器件及其应用2020/1/24162.1高频可控硅高频可控硅与快速可控硅相比较具有以下性能特点:高频特性好，在高频条件下具有比一般快速可控硅高得多的di/dt耐量，并可通过比较大的高频电流。高频可控硅的关断时间比一般快速可控硅短。在最高允许结温下约10μs。在短时间内（3μs以内），高频可控硅可以承受比工频阻断电压还要高的反向尖峰电压，这时器件并不遭遇过压而击穿。重复阻断电压比快速可控硅低，为800~1000V高频可控硅承受逆变失败后的直通电能力差，因此必须设置快速过流保护环节。特种半导体器件及其应用2020/1/24172.1高频可控硅国产三种高频可控硅的主要参数典型值高频可控硅主要技术参数典型值高频可控硅di/dt耐量典型值高频可控硅的动态参数比一般快速可控硅高，特别是高频di/dt耐量高，并具有良好的高频特性，因而比一般快速可控硅更适合高频电路。特种半导体器件及其应用2020/1/24182.1高频可控硅二、选用高频可控硅应注意事项：（1）可控硅di/dt值直接关系到器件的高频性能和工作寿命。选择时对di/dt要留有余量。（2）因高频可控硅的重复阻断电压比快速可控硅低，尽量采用重复阻断电压稍低（700~800V）的器件，以便安全使用。（3）在逆变电路中使用高频可控硅时，只要du/dt耐量满足线路要求且有一定裕量，就可以考虑不在可控硅上并接阻容保护电路。（4）在设计触发源时，要注意提高触发源的抗干扰能力。（5）目前生产的高频可控硅的额定结温下的关断时间通常为室温下关断时间为2~3倍，如只给出室温关断时间，可按此倍数换算。（6）在选用高频可控硅时，要注意室温下和高温下的du/dt值。随温度上升du/dt有上升和下降两种，选用时请注意。（7）在设计高频逆变电路时，为防止发生逆变失败产生直通现象，为了提高器件承受直通电流的次数，应该设置快速过流保护环节。特种半导体器件及其应用2020/1/24192.1高频可控硅三、高频可控硅应用举例1.超声波电源超声电源主电路通过T1、T2的电流波形特种半导体器件及其应用2020/1/24202.1高频可控硅左图是由两只高频可控硅组成的串联逆变超声电源电路，该逆变电路可以驱动宽频带压电晶体换能器，把直流配置转换成超声波，驱动清洗槽中的清洗液波动进行清洗工作。当高频可控硅采用20A／20kHz型号时，输给换能器的电功率超过1kw。电源整机效率可达0.7左右。触发脉冲源采用正弦波振荡器，并加有过流保护环节，防止损坏高频可控硅。它完全可以代替大功率电子管超声电源，且具有体积小、重量轻、工作可靠、效率高和寿命长等优点。特种半导体器件及其应用2020/1/24212.1高频可控硅2.电脉冲加工电源电火花加工机床在进行粗加工时，要求脉冲电源输出低频大电流，在进行精加工时，又要求脉冲电源输出高频小电流。因此时电火花加工机床所用的脉冲电源要求有很宽的频率可调范围(约500Hz一60kHz)和足够的输出功率，以满足各种不同的加工要求。普通可控硅和一般快速可控硅均很难满足上述要求，而利用高频可控硅具有在低频下可以输出大电流的特点，在高频下也能可靠地工作。左图为采用高频可控硅组成的电脉冲加工电源主电路。改变触发脉冲频率，就可以改变加工频率。电脉冲加工电源主电路特种半导体器件及其应用2020/1/24222.1高频可控硅电脉冲加工电源输出脉冲左图所示为输出波形。当同时触发T1、T4时，电容C充电为上正下负，其充电电流通过负载，得到一个尖脉冲电压波，T1、T4自然关断，如左图(a)所示。随后同时触发T2、T3，也得到一个尖脉冲波，这时电容充电电压极性相反。如在触发T1、T4之后接着触发T1、T2，这时电源电压就直接通过T1、T2输出，负载上得到一个方波电压，此时电容C上电压保持不变，经过一段时间后再触发T2、T3，这时电容通过T1逆向放电，迫使T1关断，此时负载上方波电压叠加上一个尖脉冲波而自然关断，如左图(b)所示。同理在触发T2、T3之后再触发T3、T4，又得到一个方波。改变触发T1、T2和T3、T4的延时时间(t0)，即可改变方波的持续时间。电火花加工都要求这种出波形，从输出波形的特点看出，无论高频还是低频波形，通过高频可控硅的电流波形都具有前沿陡峭的特点，要求可控硅具有高的di／dt值，而高频可控硅正好满足这一点。特种半导体器件及其应用2020/1/24232.2可关断可控硅（GTO）普通可控硅在门极加正信号可使其从关断转为导通状态，可控硅一旦导通，门极就失去控制作用，在门极加上负信号也不能使它关断。要想关断可控硅通常有两种方法，如图所示。图(a)为电流过零关断，常用于交流电路中，当阴极电流下降至维持电流以下时，阳极电流关断。在图(a)中，合上开关K，把正向导通的可控硅加以旁路，使流经可控硅的电流变为零，可控硅随之关断。图(b)为电流反向关断。在直流电路中，必须改变阳极电压极性，使阳极电流反向，可控硅才能关断。图(b)中，合上开关K，阴极和阳按之间加一反向电压E，由于可控硅阳极电压反向，使阳极电流关断。因此，要想关断可控硅必须设置比较复杂的控制电路。这样，就增加了整机的体积、重量，提高成本，降低效率。特种半导体器件及其应用2020/1/24242.2可关断可控硅（GTO）可控硅的关断方法可控硅的关断方法特种半导体器件及其应用2020/1/24252.2可关断可控硅（GTO）根据生产需要，人们希望既可用门极正信号控制可控硅导通；又可用门极负信号控制其关断。根据这一设想，研制成门极可关断可控硅，简称可关断可控硅。所用名称有GTO（门极关断晶闸管），GCT（门极控制晶闸管），GCS（门极控制开关），GTS（门极关断开关），GTO（门极关断可控硅）。常用名称为GTO。可关断可控硅具备可控硅的全部特点，又有自己独特的优点。就其控制方式来说，可关断可控硅与功率晶体管非常相似，所