1、1,2.1电力二极管 2.2双极型电力晶体管（BJT） 2.3电力场效应晶体管（P-MOSFET） 2.4绝缘门极双极型晶体管（IGBT） 2.5晶闸管及其派生器件 2.6门极可关断晶闸管GTO 2.7半导体电力开关模块和功率集成电路PIC,2 半导体电力开关器件,2,3,2.1 电力二极管,4,（1）PN结功率二极管 （2）肖特基（Schottky）功率二极管,2.1 电力二极管（续1）,1、根据器件的基本结构分类,5,2.1 电力二极管（续2）,（1）结构 具有P-N或P-i-N结构，通过扩散工艺制作； 利用PN结势垒制成的二极管。,2、PN结功率二极管,6,6,具有单向导电性 正偏时：降
2、低势垒，二极管导通，通态压降1伏左右。 反偏时：在达到击穿电压前，仅有很小的反向漏电流流过。在达到击穿电压后，反向电流急剧增加。,2.1 电力二极管（续3）,（2）静态特性,7,7,静态伏安特性,2.1 电力二极管（续4）,8,动态特性,开通特性：如右图 开通瞬间的电感效应，不能立刻响应正向电流的变换。 最大正向峰值电压：UVDM 电流的上升率愈大，最大正向峰值电压愈高。,2.1 电力二极管（续5）,9,关断特性 现象如图 ：正向导通的功率二极管，当突然施加一个反向电压时，需要经过一段时间才能恢复反向阻断能力。 在恢复过程中，功率二极管处于短路状态。 几个重要的参数：最大反向恢复电流 IRM反
3、向恢复电荷Qrr反向恢复时间trr,2.1 电力二极管（续6）,10,有关半导体电力二极管使用特性和准则 的几个重要参数： 最大允许反向重复峰值电压 额定电流 最大允许的全周期均方根正向电流 最大允许非重复浪涌电流 最大允许的PN结结温和管壳温度 结壳、壳散热器热阻 反向恢复时间,2.1 电力二极管（续7）,11,3、肖特基功率二极管 （1）结构 利用金属与半导体之间的势垒制成的二极管 （2）特性 低导通电压(0.3V)，短开关时间； 反向漏电流大，阻断电压低。 （3）应用 适合于高频低压应用,2.1 电力二极管（续8）,12,12,2.1 电力二极管（续9）,4、电力二极管的主要应用 整流
4、续流,13,2.2 双极型电力晶体管（BJT）,14,2.2 双极型电力晶体管（BJT）（续1）,简称功率晶体管，也称电力晶体管； BJT：Bipolar Junction Transistor ；GTR： Giant Transistor； 由三层半导体（组成两个PN结）构成； 一般为NPN结构，PNP结构耐压低。,15,2.2 双极型电力晶体管（BJT）（续2）,1、BJT静态特性 一般采用共发射极接法。 作电力开关用时，两种稳定工作状态：断态、通态。 稳定工作区：截止区、有源区、饱和区。,16,截止区,又称阻断区 iB0 开关处于断态 GTR承受高电压而仅有极小的漏电流存在 集电结反偏U
5、BC0，发射结反偏UBE0；或集电结反偏UBC0，发射结偏压为零UBE = 0,2.2 双极型电力晶体管（BJT）（续3）,17,有源区,又称放大区或线性区 UBC0 iC与iB之间呈线性关系，特性曲线近似平直 对于工作于开关状态的GTR来说，应当尽量避免工作于有源区，否则功耗很大，要快速通过有源区，实现截止与饱和之间的状态转换。,2.2 双极型电力晶体管（BJT）（续4）,18,饱和区,开关处于通态 iB变化时，iV不再随之变化 导通电压和电流增益均很小 UBC0，UBE0,2.2 双极型电力晶体管（BJT）（续5）,19,准饱和区,指有源区与饱和区之间的一段区域，即特性曲线明显弯曲的部分
6、随iB增加，开始出现基区宽度调制效应，电流增益开始下降 iC与iB之间不再呈线性关系 UBC0,2.2 双极型电力晶体管（BJT）（续6）,20,失控区,几种击穿电压 基极开路:UCEO BE短路:UCES BE加反压:UCEX 当UCE超过一定值时，iC会急剧上升，出现非线性，晶体管进入失控区，UCE再进一步增加，会导致雪崩击穿。,2.2 双极型电力晶体管（BJT）（续7）,21,21,2.2 双极型电力晶体管（BJT）（续8）,2、BJT动态特性及波形 (1)结构Lc电流源； td：延迟时间：Ube=00.5v； tr：上升时间，ic=0Ic，Id；tfv：T由放饱；Ton=td + tr
7、 + tfv； ts：存储时间；trv T处于放大区的时间T由放截；tfI：2，ic = Ic0。,22,2.2 双极型电力晶体管（BJT）（续9）,3、BJT的特点 开关频率低,最高开关频率约为5KHZ。GTR的电流是少子的扩散形成的电流，在高注入下产生剩余载流子，在关断时，需要通过抽出和复合来消除，因此，关断时间长。 输入电阻少：流控元件，驱动功率大； 开关容量大； 导通压降低。,23,二次击穿,一次击穿：Uce=Buceo, IC ,雪崩击穿； 特点：IC ， Uce = Buceo Constant 二次击穿：IC A点，P=USBISB临界（触发）能量T失控出现负阻区，局部过热，烧坏
8、。 IB(IC)，A点左移。 图1.14，二次击穿的临界线。,2.2 双极型电力晶体管（BJT）（续10）,24,安全工作区,FBSOA/RBSOA 正向脉冲宽度Ton=10ms1ms，50us 壳温，Pcm 和二次击穿的临界线,2.2 双极型电力晶体管（BJT）（续11）,25,2.3 电力场效应晶体管P-MOSFET,P-MOSFET基本结构、符号,结构,符号,26,2.3 电力场效应晶体管P-MOSFET（1）,一个器件由许多元胞并联而成；栅极与基片之间隔着SiO2薄层，因此它同其它两个极之间是绝缘的，只要SiO2层不被击穿，栅极对源极之间的阻抗是非常高的，因此驱动电流较小。,1、VVM
9、OS结构,27,2.3 电力场效应晶体管P-MOSFET（2）,VGS0，并达到一定正电压 形成反型层 导电沟道 形成电子流。,2、工作原理,28,关断,导通,2.3 电力场效应晶体管P-MOSFET（3）,29,VDMOS不存在电导调制效应，其导通电阻RDS(on)取决于导电通路上等效总电阻； RDS(on) 漂移区电阻沟道电阻电极接触电阻引线电阻； 对于高压器件，漂移区电阻占主要成分（当导电沟道充分强化之后）； RDS(on) 8.3107 BUDS 2.5/A； A：芯片面积；BUDS：击穿电压； 耐压越高的器件，其导通电阻越大。,2.3 电力场效应晶体管P-MOSFET（4）,3、MO
10、SFET的导通电阻,30,欧姆电阻区（充分导通后）：输出电流iD随电压uDS线性改变； uGSUT时，截止； 阈值电压UT典型值24V； uGS足够大，以保证器件导通进入欧姆工作区；,2.3 电力场效应晶体管P-MOSFET（5）,P-MOSFET特性曲线,转移特性,PMOSFET的工况可用其转移特性和输出特性表述：,4、MOSFET的转移特性和输出静态特性,31,2.3 电力场效应晶体管P-MOSFET（6）,4、MOSFET的安全工作区,IDM,32,电压型驱动 驱动功率小 开关速度快 导通时呈阻性 安全工作区大,2.3 电力场效应晶体管P-MOSFET（7）,5、电力MOSFET的特点,
11、33,33,2.4 绝缘门极双极型晶体管（IGBT）,IGBT的结构图和等效电路,IGBT的结构图,等效电路,34,双极型功率器件：如晶闸管、GTR等通流能力很高：由于有少数载流子注入对漂移区电导率的调制，即便是高压器件，电流密度亦可达到200300A/cm2开关速度较低，开关过程中功率消耗较大 功率MOSFET：开关速度较高，开关过程中功率消耗较小由于没有少数载流子的电导调制作用，使通态电阻较大，通流能力较小。一个600V功率MOSFET的最大电流密度一般只有10A/cm2左右。,2.4 绝缘门极双极型晶体管（IGBT）（续1）,IGBT是集MOSFET和GTR的优点的功率器件,35,采用双
12、极MOS复合器件技术（简称BiMOS技术）将二者结合起来，取各方之长构成一种新的器件。 在其中：双极器件的作用：输运主电流MOS器件的作用：作控制开关,2.4 绝缘门极双极型晶体管（IGBT）（续2）,双极MOS复合器件技术,36,36,1、结构,2.4 绝缘门极双极型晶体管（IGBT）（续3）,37,2、静态特性,IC受uGE控制； 有饱和区、有源区、截止区、失控区； uGE UGE（th）时，处于关断状态。 作业：1-1，1-2，1-6,2.4 绝缘门极双极型晶体管（IGBT）（续3）,38,38,2.4 绝缘门极双极型晶体管（IGBT）（续4）,什么是擎住效应：,集电极电流iC过大（静态
13、擎住效应）；集电极电压过高（静态擎住效应） ；关断速度过快，即duCE/dt过大（动态擎住效应）；,Rbr上的电压过大，可使T2导通，使IGBT失去关断能力。,引发擎住效应的原因：,39,2.5 晶闸管及其派生器件,40,晶闸管是晶体闸流管的简称，是具有PNPN四层结构的各种开关器件的总称。 普通晶闸管，也称可控硅整流管（SCR）。 派生器件：快速晶闸管、逆导晶闸管、门极可关断晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。,2.5 晶闸管及其派生器件（续1）,41,41,晶闸管具有一个三端PNPN结构，由扩散工艺制作。,2.5 晶闸管及其派生器件（续2）,42,2.5 晶闸管及其派生器件（续3）,1、双晶
14、体管理论 一个晶闸管可以用正反馈下的PNP和NPN晶体管表示。 IG IC2 (IB1) IC1 IB2 = IG + IC1 IC2 IC1 正反馈 T1、T2 饱和晶闸管导通。 晶闸管导通后，即使去掉门极电流，仍能维持导通。 普通晶闸管即使加负的门极电流也不能使其关断。,43,2.5 晶闸管及其派生器件（续4）,2、SCR静态伏安特性,44,（1）正向阻断状态,UAK0，门极电流0时：j2结反偏，不导通； UAK达到转折电压时：j2结击穿，导通； 门极电流 正向转折电压 在IG处，器件相当于一个二极管导通特性。,2.5 晶闸管及其派生器件（续5）,45,（2）反向阻断状态,UAK反向击穿电
15、压时：晶闸管反向击穿。,2.5 晶闸管及其派生器件（续6）,46,（3）触发导通,如果晶闸管阳极电压UAK为正值，且注入足够的门极电流，从而使器件进入饱和导通，称为晶闸管的触发导通； 触发导通条件： UAK0，UGK0，并有足够的触发功率； 一旦器件导通，门极电流就不再具有控制作用。因此，门极触发电流可用脉冲电流，无需用直流。,2.5 晶闸管及其派生器件（续7）,47,（4）关断,维持电流IH：是指晶闸管稳定导通以后，逐渐减小通过器件的阳极电流IA，仍能维持住导通状态不变的最小阳极电流。 当IA IH时，晶闸管就维持不住导通，而进入阻断状态。 维持电流一般很小，几十mA，接近于零。,2.5 晶
16、闸管及其派生器件（续8）,48,（5）关断的方式,自然关断：在导通期间，如果要求器件返回到正向阻断状态，必须令门极电流为零，且将阳极电流降低到一个称为维持电流的临界极限值以下，并保持一段时间。 强迫关断：通过加一反向电压UAK0，并保持一段时间使其关断。 在实际电路中是采用阳极电压反向、减小阳极电压、增大回路阻抗等方式，使阳极电流小于维持电流，使晶闸管关断。,2.5 晶闸管及其派生器件（续9）,49,关断时间tq：恢复晶闸管电压阻断能力所需的最小电路换流反压时间。 电路换流反压时间t：正向电流过零点与重新施加电压的起点之间的时间间隔。 关断条件：UAK tq。 由于在触发导通时积累的非平衡载流
17、子需要恢复时间，使其可靠关断，因此需要在 t tq之后再施加正向电压而不会导通。,2.5 晶闸管及其派生器件（续10）,50,（6）开通条件与关断条件举例1.1,2.5 晶闸管及其派生器件（续11）,51,（7）开通条件与关断条件举例1.2,2.5 晶闸管及其派生器件（续12）,52,（8）开通条件与关断条件举例2.1,2.5 晶闸管及其派生器件（续13）,53,（9）开通条件与关断条件举例2.2,2.5 晶闸管及其派生器件（续14）,54,5. 硬开通、du/dt 误导通 （自学） 三、开关特性 （自学）,2.5 晶闸管及其派生器件（续15）,55,55,2.5 晶闸管及其派生器件（续16）
18、,3、逆导型晶闸管RCT,56,56,2.5 晶闸管及其派生器件（续17）,光控晶闸管符号及等值电路,4、光控晶闸管LCT,57,57,双向晶闸管符号、等效电路和伏安特性,2.5 晶闸管及其派生器件（续18）,5、双向晶闸管TRIAC,58,58,2.6 门极可关断晶闸管GTO,GTO符号及关断原理图,GTO （Gate Turn-Off Thyristor）,当门极加反向电流是GTO关断的原因,1、T2的集电极N1电流分配系数2较大； 2、T1、T2饱和深度较浅,59,59,2.7 半导体电力开关模块和功率集成电路,二极管和晶闸管模块,60,2.7 半导体电力开关模块和功率集成电路（续1）,
19、达林顿三极管功率模块,(a)双开关模块,(b)单相桥模块,(c)三相桥模块,61,61,MOSFET功率模块,2.7 半导体电力开关模块和功率集成电路（续2）,62,62,AC-DC-AC变频功率模块,2.7 半导体电力开关模块和功率集成电路（续3）,63,小 结,根据开关器件开通、关断可控性的不同，开关器件可以分为三类： 不可控器件：仅二极管D是不可控开关器件。 半控器件： 仅普通晶闸管SCR属于半控器件。可以控制其导通起始时刻，一旦SCR导通后，SCR仍继续处于通态。 全控型器件：三极管BJT、可关断晶闸管GTO、电力场效应晶体管P-MOSFET、绝缘门极晶体管IGBT都是全控型器件，即通
20、过门极（或基极或栅极）是否施加驱动信号既能控制其开通又能控制其关断,64,根据开通和关断所需门极（栅极）驱动信号的不同要求，开关器件又可分为电流控制型开关器件和电压控制型开关器件两大类： SCR、BJT和GTO为电流驱动控制型器件 PMOSFET、IGBT均为电压驱动控制型器件三极管BJT要求有正的、持续的基极电流开通并保持为通态，当基极电流为零后BJT关断。为了加速其关断，最好能提供负的脉冲电流。P-MOSFET和IGBT要求有正的持续的驱动电压使其开通并保持为通态，要求有负的、持续的电压使其关断并保持为可靠的断态。电压型驱动器件的驱动功率都远小于电流型开关器件，驱动电路也比较简单可靠。,65,总结GTR、MOSFET、IGBT的特性比较,66,课件播放完毕,
