第一講 功率器件工作原理

1、電力電子器件基礎(chǔ)電力電子器件基礎(chǔ)第1章第2頁電力電子器件概述電力電子器件概述第一講第一講 功率二極管功率二極管第二講第二講 功率晶體管功率晶體管第三講第三講 晶閘管晶閘管第四講第四講 功率功率MOSMOS器件器件/IGBT/IGBT第五講第五講 半導(dǎo)體器件的塑料封裝半導(dǎo)體器件的塑料封裝第1章第3頁電力電子器件概述電力電子器件概述主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：簡要概述電力電子器件的概念、特點和分類等問題簡要概述電力電子器件的概念、特點和分類等問題介紹各種常用電力電子器件的工作原理、基本特性介紹各種常用電力電子器件的工作原理、基本特性, 主主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意

2、的一些問題第1章第4頁1 1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征2 2 電力電子器件的分類電力電子器件的分類 第1章第5頁1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征主電路主電路（main power circuit）電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路電力電子器件電力電子器件（power electronic device）可直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件第1章第6頁廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類。 自20世紀(jì)50年代以來，真空管僅在頻率很高（如微波）的大功率高頻電源中還在使用，而電力半導(dǎo)體器件已取代了

3、汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、閘流管（Thyratron）等電真空器件，成為絕對主力。因此，電力電子器件目前也往往專指電力半導(dǎo)體器件。電力半導(dǎo)體器件所采用的主要材料仍然是硅。第1章第7頁同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征： (1) 能處理電功率的大小，即承受電壓和電流 的能力，是最重要的參數(shù)其處理電功率的能力小至毫瓦級，大至兆瓦級, 大多都遠大于處理信息的電子器件。第1章第8頁 (2) 電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài) 導(dǎo)通時（通態(tài)）阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，而電流由外電路決定 阻斷時（斷態(tài)）阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，而管子兩端電

4、壓由外電路決定 電力電子器件的動態(tài)特性（也就是開關(guān)特性）和參數(shù)，也是電力電子器件特性很重要的方面，有些時候甚至上升為第一位的重要問題。 作電路分析時，為簡單起見往往用理想開關(guān)來代替第1章第9頁 (3) 實用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對控制電路的信號進行放大，這就是電力電子器件的驅(qū)動電路驅(qū)動電路。(4)為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計，在其工作時一般都要安裝散熱器。導(dǎo)通時器件上有一定的通態(tài)壓降，形成通態(tài)損耗 第1章第10頁 阻斷時器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過，形成斷態(tài)損耗 在器件開通或關(guān)

5、斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生開通損耗和關(guān)斷損耗，總稱開關(guān)損耗 對某些器件來講，驅(qū)動電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一 通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小，因而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因 器件開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素 第1章第11頁2 2 電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度，分為以下三類： (1)不可控器件不可控器件不能用控制信號來控制其通斷不能用控制信號來控制其通斷, 因此也因此也 就不需要驅(qū)動電路就不需要驅(qū)動電路功率二極管（Power Diode）只有兩個端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決

6、定的(2)半控型器件半控型器件通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷制其關(guān)斷晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件,器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定第1章第12頁 (3)全控型器件全控型器件通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件功率晶體管(Giant Transistor)絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）電力場效應(yīng)晶體管（Power MOSFET，簡稱為電力MOSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Tu

7、rn-Off Thyristor GTO）第1章第13頁 按照驅(qū)動電路加在器件控制端和公共端之間信號的按照驅(qū)動電路加在器件控制端和公共端之間信號的 性質(zhì)，性質(zhì)，分為兩類：分為兩類：(1) 電流驅(qū)動型通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制(2) 電壓驅(qū)動型僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動型器件實際上是通過加在控制端上的電壓在器件的兩個主電路端子之間產(chǎn)生可控的電場來改變流過器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱為場控器件，或場效應(yīng)器件。第1章第14頁 按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分

8、為三類：情況分為三類：單極型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件， MOS， 肖特基二極管雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件，晶體管，晶閘管， IGBT復(fù)合型器件由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件， MOS控制晶閘管等 第1章第15頁第一講第一講 功率二極管功率二極管1.1 PN1.1 PN結(jié)與功率二極管的工作原理結(jié)與功率二極管的工作原理1.2 1.2 功率二極管的基本特性功率二極管的基本特性1.3 1.3 功率二極管的主要參數(shù)功率二極管的主要參數(shù)1.4 1.4 功率二極管的主要類型功率二極管的主要類型第1章第16頁功率二極管(Power Diode)結(jié)構(gòu)主要就是PN結(jié),肖特基二

9、極管的主要結(jié)構(gòu)是金屬-半導(dǎo)體結(jié)。原理簡單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位第1章第17頁1.1 PN1.1 PN結(jié)與功率二極管的工作原理結(jié)與功率二極管的工作原理功率二極管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)。由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成。從外形上看，主要有螺栓型和平板型封裝。近些年來， 塑料封裝發(fā)展很快。圖1-1 功率二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號AKAKa)IKAPNJb)c)第1章第18頁 N

10、型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié)。交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴散擴散運動運動，到對方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負電荷但不能任意移動的雜質(zhì)離子。這些不能移動的正、負電荷稱為空間電荷空間電荷?？臻g電荷建立的電場被稱為內(nèi)電場內(nèi)電場或自建電場自建電場，其方向是阻止擴散運動的，另一方面又吸引對方區(qū)內(nèi)的少子（對本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運動，即漂移運動漂移運動。擴散運動和漂移運動既相互聯(lián)系又是一對矛盾，最終達到動態(tài)平衡，正、負空間電荷量達到穩(wěn)定值，形成了一個穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，又被稱為耗盡層耗盡層。第1章第19頁PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)結(jié)的

11、正向?qū)顟B(tài) 正向偏置時， 外電路起到減小內(nèi)電場的作用， 載流子移動更容易。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN結(jié)在正向電流較大時壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)圖1-2PN結(jié)的形成-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空間電荷區(qū)P型區(qū)N型區(qū)內(nèi)電場第1章第20頁PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)反向偏置時, 多數(shù)載流子向電極移動, 耗盡層增加, 只有極少的電流流過, 呈現(xiàn)阻斷狀態(tài) PN結(jié)的單向?qū)щ娦?二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征PN結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿 有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導(dǎo)致熱擊穿第1章第21

12、頁PN結(jié)的電容效應(yīng)：結(jié)的電容效應(yīng)： PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容結(jié)電容CJ，又稱為微分電容微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為勢壘電容勢壘電容CB和擴散擴散電容電容CD勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。勢壘電容的大小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層厚度成反比而擴散電容僅在正向偏置時起作用。在正向偏置時，當(dāng)正向電壓較低時，勢壘電容為主；正向電壓較高時，擴散電容為結(jié)電容主要成分結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作，?yīng)用時應(yīng)加以注意。第1章第22頁造成功率二極管和信

13、息電子電路中的普通二極管區(qū)別造成功率二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素：的一些因素： 正向?qū)〞r要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注入水平較高，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略 引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響 承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應(yīng)也會有較大影響 為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大第1章第23頁 1.2 1.2 功率二極管的基本特性功率二極管的基本特性圖1-3 功率二極管的伏安特性IOIFUTOUFUVBmAVRPR(a)mAVRPR(b)EE二極管伏安特性測試電路圖1-3A 功率二極管的伏安特性測試電路第1章第25

14、頁1. 靜態(tài)特性靜態(tài)特性主要指其伏安特性 當(dāng)功率二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流IF對應(yīng)的功率二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當(dāng)功率二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。2. 動態(tài)特性動態(tài)特性 因結(jié)電容的存在，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個過渡過程，此過程中的電壓電流特性是隨時間變化的。第1章第26頁開關(guān)特性開關(guān)特性反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程關(guān)斷過程關(guān)斷過程：須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止?fàn)顟B(tài) 在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖 圖1-4功率二極管的

15、動態(tài)過程波形 a) 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt第1章第27頁b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt延遲時間：td= t1-t0,電流下降時間：tf= t2- t1反向恢復(fù)時間：trr= td+ tf恢復(fù)特性的軟度：下降時間與延遲時間的比值tf/td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置第1章第28頁開通過程開通過程： 功率二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時

16、間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值。這一動態(tài)過程時間被稱為正向恢復(fù)時間tfr。 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時間來儲存大量少子，達到穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)通前管壓降較大 正向電流的上升會因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高 b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置第1章第29頁1.3 1.3 功率二極管的主要參數(shù)功率二極管的主要參數(shù)1. 正向平均電流正向平均電流IF(AV) 額定電流在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值正向平均電流是按照電流的

17、發(fā)熱效應(yīng)來定義的，因此使用時應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。當(dāng)用在頻率較高的場合時，開關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略當(dāng)采用反向漏電流較大的功率二極管時，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小 第1章第30頁2. 正向壓降正向壓降UF指功率二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降有時參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流時器件的最大瞬時正向壓降3. 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM指對功率二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓使用時，往往按照電路中功率二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定 第1章第31頁4. 最高工作結(jié)溫最高工作結(jié)溫TJ

18、M結(jié)溫結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示最高工作結(jié)溫最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度，功率硅二極管的TJ M通常在125175C范圍之內(nèi)5. 反向恢復(fù)時間反向恢復(fù)時間trrtrr= td+ tf ，關(guān)斷過程中，電流降到0起到恢復(fù)反向阻斷能力止的時間6. 浪涌電流浪涌電流IFSM指功率二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。該值比二極管的額定電流要大得多。實際上它體現(xiàn)了二極管抗短路沖擊電流的能力。第1章第32頁1.4 1.4 功率二極管的主要類型功率二極管的主要類型1. 普通二極管普通二極管（General Diode）又稱整流二極管（Rectif

19、ier Diode）多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中其反向恢復(fù)時間較長，一般在5 s以上，這在開關(guān)頻率不高時并不重要正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高，分別可達數(shù)千安和數(shù)千伏以上第1章第33頁2. 快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode FRD）恢復(fù)過程很短特別是反向恢復(fù)過程很短（5 s以下）的二極管，也簡稱快速二極管工藝上多采用了摻金或輻射技術(shù)有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)有的采用改進的PIN結(jié)構(gòu) 第1章第34頁采用外延型PIN結(jié)構(gòu)的的快恢復(fù)外延二極管快恢復(fù)外延二極管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢復(fù)時間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在400V以下從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個等級。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到2030ns。 第1章第35頁二極管雜質(zhì)分布第1章第36頁3. 肖特基二極管肖特基二極管以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier DiodeSBD），簡稱為肖特基二極管20世紀(jì)80年代以來，由于工藝的發(fā)展得以在電力電