第1章 电力半导体器件概要

PowerElectronics第1章电力半导体器件主要内容：1.1概述1.2二极管1.3晶闸管1.4可关断器件PowerElectronics1.1概述1.1.1电力半导体器件1.1.2电力半导体器件的发展历程与趋势1.1.3电力半导体器件的分类PowerElectronics1.1.1电力电子器件电力电子器件基本特征①所处理的电功率的一般都远大于处理信息的电子器件，小至毫瓦级，大至兆瓦级。②一般工作在开关状态，因此，其开关特性（即动态特性）和参数，是电力电子器件特性很重要的方面。③功率损耗较大，因而为了保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上比较讲究散热设计，而且且在其工作时一般都还需要安装散热器。④在实际应用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制，两者之间应采取一定的隔离措施。PowerElectronics1.1.2电力电子器件的发展历程与趋势电力电子器件的发展历程图电力电子器件第一代分立换流开关器件第二代功率集成电路PID（全控型器件）第三代功率集成电路PIC（全控型器件）SR（硅整流管）SCR（晶闸管）双极器件单极器件复合器件GTO（门极可关断晶闸管）GTR（电力晶体管）VDMOSFET（功率场效应晶体管）SIT（静电感应晶体管）IGBT（绝缘栅极晶体管）SITH（静电感应晶闸管）MCT（MOS控制晶闸管）SPIC（斯玛特功率集成电路）HVIC（高压集成电路）PowerElectronics1.1.3电力电子器件的分类按照电力电子器件能够被门极（有时称为基极）所控制的程度，可以将电力电子器件分为三类：a)不可控型：不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。这类器件主要就是电力二极管，它只有两个端字，不需要驱动电路，器件的导通和关断完全由其承受的电压和电流决定。b)半控型：通过门极控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。主要是指晶闸管及其大部分派生器件，器件的关断完全是由其承受的电压和电流来决定。c)全控型：通过门极控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断，有时也被称为自关断器件。目前常用的是IGBT、PowerMOSFET、GTO。PowerElectronics按照门极控制信号的性质又可以将电力电子器件（电力二极管除外）分为两类：①电流控制型：通过门极注入或者抽出电流来控制其导通或者关断的器件，如普通晶闸管、GTO、GTR②电压控制型：通过在门极施加一定的电压信号就可以控制其导通与关断的器件，静态时几乎没有门极电流。由于电压控制型器件实际上是通过门极电压在器件内部产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态的，所以电压控制型器件又被称为场控器件或者场效应器件，如MOSFET、IGBT等。PowerElectronics1.2二极管1.2.1电力整流器件1.2.2快恢复二极管1.2.3肖特基二极管PowerElectronics1.2.1电力整流器件1.基本结构和工作原理P-N结：N型半导体和P型半导体紧密结合时，N型半导体中多出的电子向缺少电子的P型半导体中扩散。在结合面附近，每个结构元的价和电子数正好达到平衡，每个原子周围的价和电子平稳，不能任意移动，这就是不导电时的P-N结。这个区域按所强调的角度不同被称为耗尽层、阻挡层、空间电荷区或势垒区。PowerElectronics1.基本结构和工作原理扩散运动和漂移运动：N型区和P型区半导体原本呈现电中性，而在耗尽层的P区部分因为吸收了N区扩散来的电子（负电荷）而呈现阴性，而耗尽层的N区部分因为吸收了P区扩散来的空穴（正电荷）则呈现阳性，从而建立电场，方向由N区指向P区，这个电场被称为内电场或自建电场。自建电场的方向是阻止扩散运动，另一方面又吸引对方区内的少子向本区运动，这就是所谓的漂移运动。扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡。PowerElectronics1.基本结构和工作原理当整流二极管外加反向偏置电压时，外加电场与内电场方向相同，内部耗尽层变宽，P-N结反偏，阻值很大，二极管处于反向截止状态。外部电压几乎全部降落在耗尽层。当外加正向电压时，外加电场与内电场方向相反，内部耗尽层变窄，当外加电压逐步升高时，内电场将逐步削弱，直到内电场消失（此时阳极与阴极间的电压对应为门槛电压UTO），P-N结导通，电流迅速增大。这就是二极管的单向导电性。PowerElectronics电导调制效应：当二极管导通，正向电流较大时，空穴穿过P-N结进入N－区，并在N－区得到积累，浓度将很大，为了维持半导体电中性条件，其多子（电子）浓度也相应大幅度增加，使得其电阻率明显下降，这就是电导调制效应。2.二极管工作特性二极管阻断----呈现出较高的电阻特性。二极管导通----呈现为低阻状态。（由于电导调制效应，电阻率显著下降）PowerElectronics工作特性-----静态特性电力二极管的静态特性主要是指其伏安特性。在允许的电压范围内：当电力二极管的正向电压大于门槛电压UTO时，正向电流才开始明显增加，并逐渐进入导通状态；当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小的反向漏电流。PowerElectronics工作特性----动态特性第（1）时段，二极管承受反向电压，处于反向截止状态。第（2）时段开始，二极管外加电压突然由反向变为正向，二极管电流开始上升，并最终稳定在某一正值。由于等效结电容的存在，二极管电压并不会立即变为正值，而是首先释放完毕储存的负电荷，然后进行正向充电，此时电压变为正，并慢慢上升，二极管结开始正向偏置。正向偏置的P-N结继续向区注入少子（空穴）。随着域中少子的不断增加，电导调制效应使得区的等效电阻下降，从而正向压降下降。最终二极管达到平衡，即少子注入率和结合率相等。PowerElectronics第（3）时段，二极管正向导通，正向压降由二极管的静态伏安特性决定。第（4）时段，二极管外加电压由反向变为正向，二极管电流开始下降，并渐变为负。管压降基本没有变化。此时，二极管并没有恢复反向阻断能力，有较大的反向电流。第（5）时段，耗尽层的等效电容被充电至负阻断电压值。此过程中，二极管电流快速下降，受线路寄生电感的影响，二极管端电压可能会出现负尖峰。本时段的末尾，二极管完全进入反向阻断状态，阻断外部所加的反向电压。PowerElectronics时段（4）的时间称为延迟时间td时段（5）的时间称为下降时间tf，td+tf称为反向恢复时间tr。在时段（6），二极管工作在截止状态。PowerElectronics反向击穿P-N结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流就会突然增大，此时P-N结处于反向击穿状态。反向击穿分为电击穿和热击穿，电击穿包括雪崩击穿和齐纳击穿。雪崩击穿：当反向电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况就像在陡峻的积雪山坡上发生雪崩一样，载流子增加得多而快，这样，反向电流剧增，P-N结就发生雪崩击穿。PowerElectronics齐纳击穿：在加有较高的反向电压下，P-N结空间电荷区中存一个强电场，它能够破坏共价键，将束缚电子分离出来产生电子–空穴对，形成较大的反向电流。发生齐纳击穿需要的电场强度约为2×105V/cm，这只有在杂质浓度特别大的P-N结中才能达到。因为杂质浓度大，空间电荷区内电荷密度（即杂质离子）也大，因而空间电荷区很窄，电场强度可能很高。PowerElectronics3.整流二极管的主要参数反向重复峰值电压URRM：指二极管能重复施加的反向最高峰值电压，通常是其雪崩击穿电压UB的2/3。应用时，应按二极管实际可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定此项参数。正向压降UF：在指定温度下，二极管流过一定稳态正向电流时对应的二极管导通压降。这个参数对二极管的通态损耗影响很大。正向平均电流IF(AV）：在环境温度为＋40℃和规定冷却条件下，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。浪涌电流IFSM：指二极管能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。反向恢复时间tr：普通整流二极管的tr为25μs，斩波和逆变电路中使用的快速恢复二极管必须选用在5μs以下。PowerElectronics1.2.2快恢复二极管二极管的正向特性或反向特性取决于内部载流子的分布，为了获得具有快速恢复特性的二极管，在开通时，需要尽快增加二极管内部的载流子浓度，这个过程中，N－区的高阻性是一阻碍素；在关断时，需要尽快衰减载流子的浓度。快速恢复二极管要求恢复时间小于5us。快速恢复二极管一般为数百纳秒或者更长；超快速恢复二极管则在100ns以下，有的甚至达到20~30ns。PowerElectronics1.2.3肖特基二极管肖特基二极管是利用金属与半导体直接接触形成的势垒而制成的二极管。肖特基二极管的正向导电主要是“热”电子由半导体注入到金属中，而少子（空穴）注入电流相比之下非常小，可以忽略。偏压反向后，这些热电子在极短的时间内返回到半导体内，其反向恢复时间主要由外电路决定，而不是由与导电机理有关的内在电子过程决定的。因此肖特基二极管的反向恢复时间比普通电力二极管或快恢复二极管短得多，适用于很高的频率。肖特基二极管也具有电容效应，对反向恢复时间有一定的影响，减小其有效面积，可减小电容效应。PowerElectronics1.3晶闸管(SCR)1.3.1普通晶闸管1.3.2双向晶闸管1.3.3光控晶闸管PowerElectronics1.3.1普通晶闸管(SCR)1.基本结构与工作原理基本结构：晶闸管内部是PNPN四层半导体结构，形成J1、J2、J3三个PN结，外部引出3个电极，即阳极、阴极和门极，阳极A与P1相连，阴极K与N2相连，门极G与P2相连.PowerElectronics晶闸管导通的工作原理:如果外电路向门极注入电流IG,则IG流入晶体管VT2的基极，即产生集电极电流IC2，IC2又构成晶体管VT1的基极电流，即产生集电极电流，更进一步增大了V2的基极电流，放大成集电极电流IC1，更进一步增大VT1的基极电流，如此形成强烈的正反馈，最后VT1和VT2进入完全饱和状态，晶闸管的四层半导体中均充满了少数载流子，电导调制效应使得晶闸管的导通压降很低，而导通电流的大小由外电路参数决定。PowerElectronics晶闸管的双晶体管等效电路IK=IA+IGIA=1IA+2IK+IC0式中1和2分别是晶体管VT1和VT2的共基极电流增益；IC0为流过J2的反向漏电流。其中1=IC1/IA,2=IC2/IK。IA=[IC0+2IG]/[1-(1+2)]PowerElectronicsIA=[IC0+2IG]/[1-(1+2)]晶体管的特性是电流增益随发射极电流的增大而迅速增大。因此，在晶体管阻断状态下，1和2都很小，流过晶体管的电流稍大于J2结漏电流。如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致1+2≈1时，将大大提高流过晶闸管的电流，其值完全由主回路的电源电压和回路电阻决定，晶闸管进入饱和导通状态。PowerElectronics2.基本特性（1）反向静态特性（2）正向静态特性UDSM：正向不重复峰值电压URSM:反向不重复峰值电压IH：维持电流Ubo:转折电压PowerElectronics（3）动态特性----开通过程延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。开通时间tgt：tgt=td+tr普通晶闸管延迟时为0.5~1.5s上升时间为0.5~3sPowerElectronics（3）动态特性----关断过程反向阻断恢复时间trr：从正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间。正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间。关断时间tq：tq=trr+tgr普通晶闸