第一章功率半导体器件.doc

1、第一章 功率半导体器件1.1 概述1.1.1 功率半导体器件的定义图 1-1 为电力电子装置的示意图，输入电功率经功率变换器变换后输出至负载。功率变换器即为通常所说的电力电子电路（也称主电路） ，它由电力电子器件构成。目前，除了在大功率高频微波电路中仍使用真空管（电真空器件）外，其余的电力电子电路均由功率半导体器件组成。图 1-1 电力电子装置示意图一个理想的功率半导体器件、应该具有好的静态和动态特性，在截止状态时能承受高电压且漏电流要小；在导通状态时，能流过大电流和很低的管压降；在开关转换时，具有短的开、关时间；通态损耗、断态损耗和开关损耗均要小。同时能承受高的 di/dt 和 du/dt以

2、及具有全控功能。1.1.2 功率半导体器件的发展功率半导体器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的“龙头” 。从 1958年美国通用电气公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由功率半导体器件构成的变流器时代。功率半导体器件的发展经历了以下阶段：大功率二极管产生于 20 世纪 40 年代，是功率半导体器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。目前已形成整流二极管（Rectifier Diode） 、快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）和肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD）等 3

3、 种主要类型。晶闸管（Thyristor, or Silicon Controlled RectifierSCR）可以算作是第一代电力电子器件，它的出现使电力电子技术发生了根本性的变化。但它是一种无自关断能力的半控器件，应用中必须考虑关断方式问题，电路结构上必须设置关断（换流）电路，大大复杂了电路结构、增加了成本、限制了在频率较高的电力电子电路中的应用。此外晶闸管的开关频率也不高，难于实现变流装置的高频化。晶闸管的派生器件有逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。20 世纪 70 年代出现了称之为第二代的自关断器件，如门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off ThyristorGTO） ，大

4、功率双极型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT, or Giant TransistorGTR） ，功率场效应管（Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect TransistorPower MOSFET）等。20 世纪 80 年代出现了以绝缘栅极双极型晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT, or IGT）为代表的第三代复合导电机构的场控半导体器件。20 世纪 80 年代后期，功率半导体器件的发展趋势为模块化、集成化，按照电力电子电路的各种拓朴结构，将多个相同的功率半导体器

5、件或不同的功率半导体器件封装在一个模块中，这样可缩小器件体积、降低成本、提高可靠性。值得指出的是新的一代器件的出现并不意味着老的器件被淘汰，世界上 SCR 产量仍占全部功率半导体器件总数的一半，是目前高压、大电流装置中不可替代的元件。1.1.3 功率半导体器件的分类功率半导体器件可按可控性、驱动信号类型来进行分类。1按可控性分类根据能被驱动（触发）电路输出控制信号所控制的程度，可将功率半导体器件分为不控型器件、半控型器件、全控型器件等 3 种。（1）不控型器件不能用控制信号来控制开通、关断的功率半导体器件。（2）半控型器件能利用控制信号控制其导通，但不能控制其关断的功率半导体器件称为半控型器件

6、。（3）全控型器件能利用控制信号控制其导通，也能控制其关断的功率半导体器件称为全控型器件，通常也称为自关断器件。2按驱动信号类型分类（1）电流驱动型通过在控制端注入或抽出电流来实现开通或关断的器件称为电流驱动型功率半导体器件。GTO 、GTR 为电流驱动型功率半导体器件。（2）电压驱动型通过在控制端和另一公共得端加入一定的电压信号来实现开通或关断的器件称为电压驱动型功率半导体器件。P-MOSFET、IGBT 为电压驱动型功率半导体器件。1.2 大功率二极管1.2.1 大功率二极管的结构大功率二极管的内部结构是一个具有型及型两层半导体、一个 PN 结和阳极 A、阴极 K 的两层两端半导体器件，其

7、符号表示如图 1-2a）所示。a） 符号 b） 螺旋式 c） 平板式图 1-2 大功率二极管从外部构成看，也分成管芯和散热器两部分。这是由于二极管工作时管芯中要通过强大的电流，而 PN 结又有一定的正向电阻，管芯要因损耗而发热。为了管芯的冷却，必须配备散热器。一般情况下，200A 以下的管芯采用螺旋式（图 1-2b） ） ，200A 以上则采用平板式（图 1-2c） ） 。1.2.2 大功率二极管的特性1大功率二极管的伏安特性二极管阳极和阴极间的电压 Uak 与阳极电流 ia 间的关系称为伏安特性，如图 1-3 所示。第象限为正向特性区，表现为正向导通状态。第象限为反向特性区，表现为反向阻断状

8、态。a）实际特性 b）理想特性图 1-3 大功率二极管的伏安特性 2大功率二极管的开通、关断特性大功率二极管具有延迟导通和延迟关断的特征，关断时会出现瞬时反向电流和瞬时反向过电压。（1）大功率二极管的开通过程大功率二极管的开通需一定的过程，初期出现较高的瞬态压降，过一段时间后才达到稳定，且导通压降很小。图 1-4 为大功率二极管开通过程中的管压降 uD 和正向电流 iD 的变化曲线。由图可见，在正向恢复时间 tfr 内，正在开通的大功率二极管上承受的峰值电压UDM 比稳态管压降高的多，在有些二极管中的峰值电压可达几十伏。图 1-4 大功率二极管的开通过程 图 1-5 大功率二极管的关断过程（2

9、）大功率二极管的关断过程图 1-5 为大功率二极管关断过程电压、电流波形。大功率二极管应用在低频整流电路时可不考虑其动态过程，但在高频逆变器、高频整流器、缓冲电路等频率较高的电力电子电路中就要考虑大功率二极管的开通、关断等动态过程。1.2.3 大功率二极管的主要参数1、额定正向平均电流（额定电流）I F指在规定40的环境温度和标准散热条件下，元件结温达额定且稳定时，容许长时间连续流过工频正弦半波电流的平均值。将此电流整化到等于或小于规定的电流等级，则为该二极管的额定电流。在选用大功率二极管时，应按元件允许通过的电流有效值来选取。对应额定电流 IF 的有效值为 1.57IF。2、反向重复峰值电压

10、（额定电压） RRM在额定结温条件下，元件反向伏安特性曲线（第象限）急剧拐弯处于所对应的反向峰值电压称为反向不重复峰值电压 URSM。反向不重复峰值电压值的 80称为反向重复峰值电压 URRM。再将 URRM 整化到等于或小于该值的电压等级，即为元件的额定电压。3、反向漏电流 IRR对应于反向重复峰值电压 URRM 下的平均漏电流称为反向重复平均电流 IRR。4、正向平均电压 UF在规定的40环境温度和标准的散热条件下，元件通以工频正弦半波额定正向平均电流时，元件阳、阴极间电压的平均值，有时亦称为管压降。元件发热与损耗与 UF 有关，一般应选用管压降小的元件以降低元件的导通损耗。5、大功率二极

11、管的型号普通型大功率二极管型号用 ZP 表示，其中 Z 代表整流特性，P 为普通型。普通型大功率二极管型号可表示如下ZP电流等级 电压等级/100通态平均电压组别如型号为 ZP5016 的大功率二极管表示：普通型大功率二极管，额定电流为 50A，额定电压为 1600V。1.3 晶闸管（SCR）1.3.1 晶闸管的结构晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，可区分为管芯及散热器两大部分，分别如图 1-6 及图 1-7 所示。a） 螺栓型 b）平板型 c）符号图 1-6 晶闸管管芯及电路符号表示 管芯是晶闸管的本体部分，由半导体材料构成，具有三个与外电路可以连接的电极：阳极，阴极和门极（或称控

12、制极），其电路图中符号表示如图 1-6c）所示。散热器则是为了将管芯在工作时由损耗产生的热量带走而设置的冷却器。按照晶闸管管芯与散热器间的安装方式，晶闸管可分为螺栓型与平板型两种。螺栓型（图 1-6a） ）依靠螺栓将管芯与散热器紧密连接在一起，并靠相互接触的一个面传递热量。a）自冷 b）风冷 c）水冷 图 1-7 晶闸管的散热器晶闸管管芯的内部结构如图 1-3 所示，是一个四层（P 1N1P2N2）三端（A、K、G）的功率半导体器件。它是在 N 型的硅基片（N 1）的两边扩散型半导体杂质层（P 1、P 2） ，形成了两个 PN 结 J1、J 2。再在 P2 层内扩散型半导体杂质层 N2 又形成

13、另一个 PN 结 J3。然后在相应位置放置钼片作电极，引出阳极 A，阴极 K 及门极 G，形成了一个四层三端的大功率电子元件。这个四层半导体器件由于有三个 PN 结的存在，决定了它的可控导通特性。图 1-8 晶闸管管芯结构原理图 1.3.2 晶闸管的工作原理通过理论分析和实验验证表明：1） 只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时晶闸管才能导通，两者不可缺一。2） 晶闸管一旦导通后门极将失去控制作用，门极电压对管子随后的导通或关断均不起作用，故使晶闸管导通的门极电压不必是一个持续的直流电压，只要是一个具有一定宽度的正向脉冲电压即可，脉冲的宽度与晶闸管的开通特性及负载性质有关。这个脉冲常

14、称之为触发脉冲。3） 要使已导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到某一数值之下（约几十毫安） 。这可以通过增大负载电阻，降低阳极电压至接近于零或施加反向阳极电压来实现。这个能保持晶闸管导通的最小电流称为维持电流，是晶闸管的一个重要参数。晶闸管为什么会有以上导通和关断的特性，这与晶闸管内部发生的物理过程有关。晶闸管是一个具有 P1N1P2N2 四层半导体的器件，内部形成有三个 PN 结 J1、J 2、J 3，晶闸管承受正向阳极电压时，其中 J1、J 3 承受反向阻断电压，J 2 承受正向阻断电压。这三个PN 结的功能可以看作是一个 PNP 型三极管 VT1（P 1N1P2）和一个 NPN 型三极

15、管VT2（N 1P2N2）构成的复合作用，如图 1-9 所示。图 1-9 晶闸管的等效复合三极管效应可以看出，两个晶体管连接的特点是一个晶体管的集电极电流就是另一个晶体管的基极电流，当有足够的门极电流 Ig 流入时，两个相互复合的晶体管电路就会形成强烈的正反馈，导致两个晶体管饱和导通，也即晶闸管的导通。如果晶闸管承受的是反向阳极电压，由于等效晶体管 VT1、VT 2 均处于反压状态，无论有无门极电流 Ig，晶闸管都不能导通。1.3.3 晶闸管的基本特性1静态特性静态特性又称伏安特性，指的是器件端电压与电流的关系。这里介绍阳极伏安特性和门极伏安特性。（1） 阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性表示晶

16、闸管阳极与阴极之间的电压 Uak 与阳极电流 ia 之间的关系曲线，如图 1-10 所示。图 1-10 晶闸管阳极伏安特性 正向阻断高阻区；负阻区；正向导通低阻区；反向阻断高阻区阳极伏安特性可以划分为两个区域：第象限为正向特性区，第象限为反向特性区。第象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。（2） 门极伏安特性晶闸管的门极与阴极间存在着一个 PN 结 J3，门极伏安特性就是指这个 PN 结上正向门极电压 Ug 与门极电流 Ig 间的关系。由于这个结的伏安特性很分散，无法找到一条典型的代表曲线，只能用一条极限高阻门极特性和一条极限低阻门极特性之间的一片区域来代表所有元件的门极伏安特性，

17、如图 1-11 阴影区域所示。图 1-11 晶闸管门极伏安特性2动态特性晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路时，有时也在高频电力电子电路中得到应用，如逆变器等。在高频电路应用时，需要严格地考虑晶闸管的开关特性，即开通特性和关断特性。（1）开通特性晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。图 1-12 给出了晶闸管的开关特性。在晶闸管处在正向阻断的条件下突加门极触发电流，由于晶闸管内部正反馈过程及外电路电感的影响，阳极电流的增长需要一定的时间。从突加门极电流时刻到阳极电流上升到稳定值 IT-的 10%所需的时间称为延迟时间 td，而阳极电流从 10%IT 上升到 90%IT 所需的时间称为上升时间

18、tr，延迟时间与上升时间之和为晶闸管的开通时间 tgt=td+tr，普通晶闸管的延迟时间为 0.51.5s，上升时间为 0.53s。延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随阳极电压上升而下降。图 1-12 晶闸管的开关特性（2）关断特性通常采用外加反压的方法将已导通的晶闸管关断。反压可利用电源、负载和辅助换流电路来提供。要关断已导通的晶闸管，通常给晶闸管加反向阳极电压。晶闸管的关断，就是要使各层区内载流子消失，使元件对正向阳极电压恢复阻断能力。突加反向阳极电压后，由于外电路电感的存在，晶闸管阳极电流的下降会有一个过程，当阳极电流过零，也会出现反向恢复电流，反向电流达最大值 IRM

19、后，再朝反方向快速衰减接近于零，此时晶闸管恢复对反向电压的阻断能力。1.3.4 晶闸管的主要参数要正确使用一个晶闸管，除了了解晶闸管的静态、动态特性外，还必须定量地掌握晶闸管的一些主要参数。现对经常使用的几个晶闸管的参数作一介绍。1电压参数（1） 断态重复峰值电压 UDRM 门极开路，元件额定结温时，从晶闸管阳极伏安特性正向阻断高阻区（图 1-10 中的曲线）漏电流急剧增长的拐弯处所决定的电压称断态不重复峰值电压 UDSM， “不重复”表明这个电压不可长期重复施加。取断态不重复峰值电压的 90定义为断态重复峰值电压UDRM， “重复”表示这个电压可以以每秒 50 次，每次持续时间不大于 10m

20、s 的重复方式施加于元件上。（2） 反向重复峰值电压 URRM 门极开路，元件额定结温时，从晶闸管阳极伏安特性反向阻断高阻区（图 1-10 中曲线）反向漏电流急剧增长的拐弯处所决定的的电压称为反向不重复峰值电压 URSM，这个电压是不能长期重复施加的。取反向不重复峰值电压的 90定义为反向重复峰值电压URRM，这个电压允许重复施加。（3） 晶闸管的额定电压 UR 取 UDRM 和 URRM 中较小的一个，并整化至等于或小于该值的规定电压等级上。电压等级不是任意决定的，额定电压在 1000以下是每 100一个电压等级，1000至 3000则是每 200一个电压等级。由于晶闸管工作中可能会遭受到一

21、些意想不到的瞬时过电压，为了确保管子安全运行，在选用晶闸管时应使其额定电压为正常工作电压峰值 UM 的 23 倍，以作安全余量。UR =（23）U M （1-4）（4） 通态平均电压 UT（AV）指在晶闸管通过单相工频正弦半波电流，额定结温、额定平均电流下，晶闸管阳极与阴极间电压的平均值，也称之为管压降。在晶闸管型号中，常按通态平均电压的数值进行分组，以大写英文字母 AI 表示。通态平均电压影响元件的损耗与发热，应该选用管压降小的元件来使用。2电流参数（1） 通态平均电流 IT（AV） 在环境温度为40、规定的冷却条件下，晶闸管元件在电阻性负载的单相、工频、正弦半波、导通角不小于 170的电路

22、中，当结温稳定在额定值 125时所允许的通态时的最大平均电流称为额定通态平均电流 IT（AV） 。选用晶闸管时应根据有效电流相等的原则来确定晶闸管的额定电流。由于晶闸管的过载能力小，为保证安全可靠工作，所选用晶闸管的额定电流 IT（ AV） 应使其对应有效值电流为实际流过电流有效值的 1.52 倍。按晶闸管额定电流的定义，一个额定电流为 100A 的晶闸管，其允许通过的电流有效值为 157A。晶闸管额定电流的选择可按下式计算。（1-5）（2） 维持电流 IH 维持电流是指晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。维持电流与结温有关，结温越高，维持电流越小，晶闸管越难关断。（3） 掣

23、住电流 IL 晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号，此时要维持元件导通所需的最小阳极电流称为掣住电流。一般掣住电流比维持电流大（24）倍。3晶闸管的型号普通型晶闸管型号可表示如下KP电流等级电压等级/100通态平均电压组别其中其中 K 代表闸流特性， P 为普通型。如 KP50015 型号的晶闸管表示其通态平均电流（额定电流）I T（AV） 为 500A，正反向重复峰值电压（额定电压）U R 为 1500V，通态平均电压组别以英文字母标出，小容量的元件可不标。1.4 大功率晶体管（GTR）1.4.1 结构从工作原理和基本特性上看，大功率晶体管与普通晶体管并无本质上的差别，但它们在

24、在工作特性的侧重面上有较大的差别。对于普通晶体管，所被注重的特性参数为电流放大倍数、线性度、频率响应、噪声、温漂等；而对于大功率晶体管，重要参数是击穿电压、最大允许功耗、开关速度等。为了承受高压大电流、大功率晶体管不仅尺寸要随容量的增加而加大，其内部结构、外形也需作相应的变化。a）普通晶体管结构 b）GTR 结构 c）符号图 1-19 GTR 的结构与符号普通晶体管的结构已在模拟电子技术中作过专门介绍，它是由两个 PN 结相间而成。图 1-19a）为 NPN 型普通晶体管的结构示意图。图 1-19b）为 GTR 的结构原理图，一个GTR 芯片包含大量的并联晶体管单元，这些晶体管单元共用一个大面

25、积集电极，而发射极和基极则被化整为零。这种结构可以有效解决所谓的发射极电流聚边现象。图 1-19c）为GTR 的标识符号，与普通晶体管完全相同。1.4.2 工作特性1静态特性GTR 的静态特性可分为输入特性和输出特性：（1）输入特性输入特性如图 1-20a）所示，它表示 UCE 一定时，基极电流 IB 与基极发射极 UBE 之间的函数关系，它与二极管 PN 结的正向伏安特性相似。当 UCE 增大时，输入特性右移。一般情况下，GTR 的正向偏压 UBE 大约为 1V。a） 输入特性 b） 输出特性图 1-20 GTR 的输入、输出特性（2）输出特性大功率晶体管运行时常采用共射极接法，共射极电路的

26、输出特性是指集电极电流 IC 和集电极发射极电压 UCE 的函数关系，如图 1-20b）所示。由图中可以看出，GTR 的工作状态可以分成四个区域：截止区（也称阻断区） 、线性放大区、准饱和区和饱和区（也称深饱和区） 。截止区对应于基极电流 IB 等于零的情况，在该区域中，GTR 承受高电压，仅有很小的漏电流存在，相当于开关处于断态的情况。该区的特点是发射结和集电结均为反向偏置。在线性放大区中，集电极电流与基极电流呈线性关系，特性曲线近似平直。该区的特点是集电结反向偏置、发射结正向偏置。对工作于开关状态的 GTR 来说，应当尽量避免工作于线性放大区，否则由于工作在高电压大电流下，功耗会很大。准饱

27、和区是指线性放大区和饱和区之间的区域，正是输出特性中明显弯曲的部分。在此区域中，随着基区电流的增加，开始出现基区宽调制效应，电流增益开始下降，集电极电流与基区电流之间不再呈线性关系，但仍保持着发射结正偏、集电极反偏。而在饱和区中，在基极电流变化时，集电极电流却不再随之变化。此时，该区域的电流增益与导通电压均很小，相当于处于通态的开关。此区的特点是发射结和集电结均处于 正向偏置状态。2动态特性GTR 主要工作在截止区及饱和区，切换过程中快速通过放大区，这个开关过程即反映了 GTR 的动态特性。当在 GTR 基极施以脉冲驱动信号时，GTR 将工作在开关状态，如图 1-21 所示。在 t0时刻加入正

28、向基极电流，GTR 经延迟和上升阶段后达到饱和区，故开通时间 ton 为延迟时间 td 与上升时间 tr 之和，其中 td 是由基极与发射极间结电容 Cbe 充电而引起，t r 是由基区电荷储存需要一定时间而造成的。当反向基极电流信号加到基极时，GTR 经存储和下降阶段才返回载止区，则关断时间 toff 为存储时间 ts 与下降时间 tf 之和，其中 ts 是除去基区超量储存电荷过程引起的，t f 是基极与发射极间结电容 Cbe 放电而产生的结果。在实际应用时，增大驱动电流，可使 td 和 tr 都减小，但电流也不能太大，否则将增大存储时间。在关断 GTR 时，加反向基极电压可加快电容上电荷的

29、释放，从而减少 ts 与 tf，但基极电压不能太大，以免使发射结击穿。为提高 GTR 的开关速度，可选用结电容比较小的快速开关晶体管，也可利用加速电容来改善 GTR 的开关特性。在 GTR 基极电路电阻 Rb 两端并联一电容 Cs，利用换流瞬间其上电压不能突变的特性可改善晶体管的开关特性。图 1-21 GTR 动态等值电路及开关特性1.4.3 主要参数1电压参数（1） 集电极额定电压 UCEM加在 GTR 上的电压如超过规定值时，会出现电压击穿现象。击穿电压与 GTR 本身特性及外电路的接法有关。各种不同接法时的击穿电压的关系如下BUCBOBU CEXBU CESBU CERBU CEO其中，

30、BU CBO 为发射极开路，集电极与基极间的反向击穿电压；BU CEX 为发射极反向偏置时集电极与发射极间的击穿电压；BU CES、BU CER 分别为发射极与基极间用电阻联接或短路连接时集电极和发射极间的击穿电压；BU CEO 为基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。GTR 的最高工作电压 UCEM 应比最小击穿 BUCEO 低，从而保证元件工作安全。（2） 饱和压降 UCES单个 GTR 的饱和压降一般不超过 11.5V ，U CES 随集电极电流 ICM 的增大而增大。2电流参数（1） 连续（直流）额定（集电极）电流 IC连续（直流）额定电流指只要保证结温不超过允许的最大结温、晶体管所允

31、许连续通过的直流电流值。（2） 集电极额定电流（最大允许电流）I CM 集电极额定电流是取决于最高允许结温下引线、硅片等的破坏电流，超过这一额定值必将导致晶体管内部结构件的烧毁。在实际使用中可以利用热容量效应，根据占空比来增大连续电流，但不能超过峰值额定电流。（3） 基极电流最大允许值 IBM基极电流最大允许值比集电极额定电流的数值要小得多，通常 IBM=（1/21/10 ）I CM，而基极发射极间的最大电压额定值通常只有几伏。（4） 集电极最大耗散功率 PCM集电极最大耗散功率是指最高工作温度下允许的耗散功率。它受结温的限制，由集电极工作电压和电流的乘积所决定。1.4.4 二次击穿现象与安全

32、工作区1二次击穿现象二次击穿是 GTR 突然损坏的主要原因之一，成为影响其安全可靠使用的一个重要因素。二次击穿现象可以用图 1-22 来说明。当集电极电压 UCE 增大到集射极间的击穿电压 UCEO时，集电极电流 iC 将急剧增大，出现击穿现象，如图 1-22a）的 AB 段所示。这是首次出现正常性质的雪崩现象，称为一次击穿，一般不会损坏 GTR 器件。一次击穿后如继续增大外加电压 UCE，电流 iC 将持续增长。当达到图示的 C 点时仍继续让 GTR 工作时，由于 UCE高，将产生相当大的能量，使集电结局部过热。当过热持续时间超过一定程度时，U CE 会急剧下降至某一低电压值，如果没有限流措

33、施，则将进入低电压、大电流的负阻区 CD 段，电流增长直至元件烧毁。这种向低电压大电流状态的跃变称为二次击穿，C 点为二次击穿的临界点。所以二次击穿是在极短的时间内（纳秒至微秒级） ，能量在半导体处局部集中，形成热斑点，导致热电击穿的过程。a） b）图 1-22 GTR 的二次击穿现象二次击穿在基极正偏（I B0） 、反偏（I B0）及基极开路的零偏状态下均成立，如图1-22b）所示。把不同基极偏置状态下开始发生二次击穿所对应的临界点连接起来，可形成二次击穿临界线。由于正偏时二次击穿所需功率往往小于元件的功率容量 PCM，故正偏对GTR 安全造成的威胁最大。反偏工作时尽管集电极电流很小，但在电

34、感负载下关断时将有感应电势迭加在电源电压上形成高压，也能使瞬时功率超过元件的功率容量而造成二次击穿。为了防止发生二次击穿，重要的是保证 GTR 开关过程中瞬时功率不要超过允许的功率容量 PCM，这可通过规定 GTR 的安全工作区及采用缓冲（吸收）电路来实现。2安全工作区二次击穿在基极正偏（I B0） 、反偏（I BUGS（th ） 时才会出现导电沟道，产生栅极电流 ID。图 1-25 漏极伏安特性 图 1-26 转移特性2开关特性P-MOSFET 是多数载流子器件，不存在少数载流子特有的存贮效应，因此开关时间很短，典型值为 20ns，而影响开关速度的主要是器件极间电容。图 1-27 为元件极间

35、电容的等效电路，从中可以求得器件输入电容为 CinC GSC GD。正是 Cin 在开关过程中需要进行充、放电，影响了开关速度。同时也可看出，静态时虽栅极电流很小，驱动功率小，但动态时由于电容充放电电流有一定强度，故动态驱动仍需一定的栅极功率。开关频率越高，栅极驱动功率也越大。P-MOSFET 的开关过程如图 1-28 所示，其中 UP 为驱动电源信号，U GS 为栅极电压，iD 为漏极电流。当 UP 信号到来时，输入电容 Cin 有一充电过程，使栅极电压 UGS 只能按指数规律上升。P-MOSFET 的开通时间为 tont d(on)t r。当 UP 信号下降为零后，栅极输入电容 in 上贮

36、存的电荷将通过信号源进行放电，使栅极电压 UGS 按指数下降，到 UP 结束后的td(off)时刻， iD 电流才开始减小，故 td(off)称为关断延迟时间。 P-MOSFET 的关断时间应为tofft d(off)t f。图 1-27 输入电容等效电路 图 1-28 开关特性1.5.3 主要参数与安全工作区1主要参数（1）漏极电压 UDS 漏极电压 UDS 为 P-MOSFET 的电压定额。（2） 电流定额 ID电流定额 ID 为漏极直流电流，I DM 为漏极脉冲电流幅值。（3） 栅源电压 UGS栅源间加的电压不能大于此电压，否则将击穿元件。2安全工作区P-MOSFET 是多数载流子工作的

37、器件，元件的通态电阻具有正的温度系数，即温度升高通态电阻增大，使漏极电流能随温度升高而下降，因而不存在电流集中和二次击穿的限制，有较宽的安全工作区。P-MOSFET 的正向偏置安全工作区由四条边界包围框成，如图1-29 所示。其中为漏源通态电阻限制线； 为最大漏极电流 IDM 限制线；为最大功耗限制线；为最大漏源电压限制线。图 1-29 P-MOSFET 正向偏置安全工作区1.6 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）1.6.1 结构与工作原理1结构IGBT 的基本结构如图 1-30a）所示，与 P-MOSFET 结构十分相似，相当于一个用MOSFET 驱动的厚基区 PNP 晶体管。仔细观察发现其内部

38、实际上包含了两个双极型晶体管P+NP 及 N+PN，它们又组合成了一个等效的晶闸管。这个等效晶闸管将在 IGBT 器件使用中引起一种“ 擎住效应 ”，会影响 IGBT 的安全使用。a） 结构示意图 b） 等效电路 c） 符号图 1-30 IGBT 示意图2工作原理IGBT 的等效电路如图 1-30b）所示，是以 PNP 型厚基区 GTR 为主导元件、N 沟道MOSFET 为驱动元件的达林顿电路结构器件， Rdr 为 GTR 基区内的调制电阻。图 1-30c）则是 IGBT 的电路符号。IGBT 的开通与关断由栅极电压控制。栅极上加正向电压时 MOSFET 内部形成沟道，使 IGBT 高阻断态转

39、入低阻通态。在栅极加上反向电压后，MOSFET 中的导电沟道消除，PNP 型晶体管的基极电流被切断， IGBT 关断。1.6.2 工作特性1静态特性IGBT 的静态特性主要有输出特性及转移特性，如图 1-31 所示。输出特性表达了集电极电流 IC 与集电极发射极间电压 UCE 之间的关系，分饱和区、放大区及击穿区。IGBT 的转移特性表示了栅极电压 UG 对集电极电流 IC 的控制关系。在大部分范围内，IC 与 UG 呈线性关系。a） 输出特性 b） 转移特性图 1-31 IGBT 的输出特性和转移特性2动态特性IGBT 的动态特性即开关特性，如图 1-32 所示，其开通过程主要由其 MOSF

40、ET 结构决定。当栅极电压 UG 达开启电压 UG（th ） 后，集电极电流 IC 迅速增长，其中栅极电压从负偏置值增大至开启电压所需时间 td（on） 为开通延迟时间；集电极电流由 10额定增长至 90额定所需时间为电流上升时间 tri，故总的开通时间为 ton td（on） t ri。IGBT 的关断过程较为复杂，其中 UG 由正常 15V 降至开启电压 UT 所需时间为关断延迟时间 td（off） ，自此 IC 开始衰减。集电极电流由 90额定值下降至 10额定所需时间为下降时间 tfit fi1t fi2，其中 tfi1 对应器件中 MOSFET 部分的关断过程，t fi2 对应器件中

41、 PNP 晶体管中存贮电荷的消失过程。由于经 tfi1 时间后 MOSFET 结构已关断，IGBT 又未承受反压，器件内存贮电荷难以被迅速消除，所以集电极电流需较长时间下降，形成电流拖尾现象。由于此时集射极电压 Uce 已建立，电流的过长拖尾将形成较大功耗使结温升高。总的关断时间则为 toff td（off ） t fi。图 1-32 IGBT 的开关特性1.6.3 擎住效应和安全工作区1擎住效应如前所述，在 IGBT 管内存在一个由两个晶体管构成的寄生晶闸管，同时 P 基区内存在一个体区电阻 Rbr，跨接在 N+PN 晶体管的基极与发射极之间，P 基区的横向空穴电流会在其上产生压降，在 J3

42、 结上形成一个正向偏置电压。若 IGBT 的集电极电流 IC 大到一定程度，这个 Rbr 上的电压足以使 N+PN 晶体管开通，经过连锁反应，可使寄生晶闸管导通，从而 IGBT 栅极对器件失去控制，这就是所谓的擎住效应。它将使 IGBT 集电极电流增大，产生过高功耗导致器件损坏。擎住现象有静态与动态之分。静态擎住指通态集电极电流大于某临界值 ICM 后产生的擎住现象，对此规定有 IGBT 最大集电极电流 ICM 的限制。动态擎住现象是指关断过程中产生的擎住现象。IGBT 关断时， MOSFET 结构部分关断速度很快，J 2 结的反压迅速建立，反压建立速度与 IGBT 所受重加 dUCE/dt

43、大小有关。dU CE/dt 越大，J 2 结反压建立越快，关断越迅速，但在 J2 结上引起的位移电流 CJ2（dU CE/dt）也越大。此位移电流流过体区电阻Rbr 时可产生足以使 N+PN 管导通的正向偏置电压，使寄生晶闸管开通，即发生动态擎住现象。由于动态擎住时所允许的集电极电流比静态擎住时小，故器件的 ICM 应按动态擎住所允许的数值来决定。为了避免发生擎住现象，使用中应保证集电极电流不超过 ICM，或者增大栅极电阻 RG 以减缓 IGBT 的关断速度，减小重加 dUCE/dt 值。总之，使用中必须避免发生擎住效应，以确保器件的安全。2安全工作区IGBT 开通与关断时，均具有较宽的安全工

44、作区。IGBT 开通时对应正向偏置安全工作区（FBSOA） ，如图 1-33a）所示。它是由避免动态擎住而确定的最大集电极电流 ICM、器件内 P+NP 晶体管击穿电压确定的最大允许集射电极电压 UCE0、以及最大允许功耗线所框成。值得指出的是，由于饱和导通后集电极电流 IC 与集射极间电压 UCE 无关，其大小由栅极电压 UG 决定（图 1-31a） ） ，故可通过控制 UG 来控制 IC，进而避免擎住效应发生，因此还可确定出与最大集电极电流 ICM 相应的最大栅极电压 UGM 这个参数。a） FBSOA b） RBSOA 图 1-33 IGBT 的安全工作区IGBT 关断时所对应的为反向偏

45、置安全工作区（RBSOA） ，如图 1-33b）所示。它是随着关断时的重加电压上升率 dUCE/dt 变化，dU CE/dt 越大，越易产生动态擎住效应，安全工作区越小。一般可以通过选择适当栅极电压 UG 和栅极驱动电阻 RG 来控制 dUCE/dt，避免擎住效应，扩大安全工作区。1.7 其他新型功率开关器件1.7.1 静电感应晶体管和静电感应晶闸管静电感应晶体管（SIT）和静电感应晶闸管（SITH ）是两种结构与原理有许多相似之处的新型高频大功率电力电子器件，是利用静电感应原理控制工作电流的功率开关器件。SIT 和 SITH 具有功耗低，开关速度高，输入阻抗高，可用栅压控制开关的优点，在感应

46、加热、超声波加工、广播发射等高频大功率装置以及逆变电源、开关电源、放电设备电源等新型电源的应用中具有很强的优势。1静电感应晶体管（SIT ）图 1-34a）为 SIT 的结构原理图，图 1-34b）和图 1-34c）分别为 SIT 和SITH 的符号。a） b） c ） 图 1-34 SIT 的结构和符号静电感应晶体管（SIT）是一种结型场效应晶体管，于 1970 年已开始研制。SIT 的结构如图 1-34a）所示。在一块掺杂浓度很高的 N 型半导体两侧有 P 型半导体薄层，分别引出漏极 D、源极 S 和栅极 G。当 G、S 之间电压 UGS=0 时，电源 US 可以经很宽的 N 区（有多数载

47、流子电子可导电）流过电流，N 区通道的等效电阻不大，SIT 处于通态。如果在 G、S 两端外加负电压，即 UGS0，即图中半导体 N 接正电压，半导体 P 接负电压，P 1N 与 P2N 这两个 PN 结都加了反向电压，则会形成两个耗尽层 A1 和 A2（耗尽层中无载流子，不导电），使原来可以导电的 N 区变窄，等效电阻加大。当 G、S 之间的反偏电压大到一定的临界值以后，两侧的耗尽层变宽到连在一起时，可使导电的 N 区消失，则漏极 D 和源极 S 之间的等效电阻变为无限大而使 SIT 转为断态。由于耗尽层是由外加反偏电压形成外静电场而产生的，通过外加电压形成静电场作用控制管子的通、断状态，故

48、称之为静电感应晶体管 SIT。SIT 在电路中的开关作用类似于一个继电器的常闭触点，G、S 两端无外加电压 UGS=0 时 SIT 处于通态（闭合）接通电路，有外加电压 UGS 作用后 SIT 由通态（闭合）转为断态（断开）。2静电感应晶闸管（SITH）静电感应晶闸管（SITH）又称为场控晶闸管 FCT（Field Controlled Thyristor），其通断控制机理与 SIT 类似。结构上的差别仅在于 SITH 是在SIT 结构基础上增加了一个 PN 结，而在内部多形成了一个三极管，两个三极管构成一个晶闸管而成为静电感应晶闸管。栅极不加电压时，SITH 与 SIT 一样也处于通态，外加栅极负电压时由通态转入断态。由于 SITH 比 SIT 多了一个具有少子注入功能的 PN