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(yè)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(yè)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(jiǎn)要概述電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類等問(wèn)題簡(jiǎn)要概述電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類等問(wèn)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(wèn)題要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意

2、的一些問(wèn)題第1章第4頁(yè)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(yè)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(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件第1章第6頁(yè)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(lái)，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(duì)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(yè)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(jí)，大至兆瓦級(jí), 大多都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。第1章第8頁(yè) (2) 電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài) 導(dǎo)通時(shí)（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(shí)（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(dòng)態(tài)特性（也就是開(kāi)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(shí)候甚至上升為第一位的重要問(wèn)題。 作電路分析時(shí)，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)往往用理想開(kāi)關(guān)來(lái)代替第1章第9頁(yè) (3) 實(shí)用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制。在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對(duì)控制電路的信號(hào)進(jìn)行放大，這就是電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)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(guò)高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計(jì)，在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器。導(dǎo)通時(shí)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(yè) 阻斷時(shí)器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過(guò)，形成斷態(tài)損耗 在器件開(kāi)通或關(guān)

5、斷的轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗，總稱開(kāi)關(guān)損耗 對(duì)某些器件來(lái)講，驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)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(yè)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(hào)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(hào)來(lái)控制其通斷不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷, 因此也因此也 就不需要驅(qū)動(dòng)電路就不需要驅(qū)動(dòng)電路功率二極管（Power Diode）只有兩個(gè)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(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控通過(guò)控制信號(hào)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(yè) (3)全控型器件全控型器件通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其通過(guò)控制信號(hào)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(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power MOSFET，簡(jiǎn)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(yè) 按照驅(qū)動(dòng)電路加在器件控制端和公共端之間信號(hào)的按照驅(qū)動(dòng)電路加在器件控制端和公共端之間信號(hào)的 性質(zhì)，性質(zhì)，分為兩類：分為兩類：(1) 電流驅(qū)動(dòng)型通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制(2) 電壓驅(qū)動(dòng)型僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動(dòng)型器件實(shí)際上是通過(guò)加在控制端上的電壓在器件的兩個(gè)主電路端子之間產(chǎn)生可控的電場(chǎng)來(lái)改變流過(guò)器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱為場(chǎng)控器件，或場(chǎng)效應(yīng)器件。第1章第14頁(yè) 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：?jiǎn)螛O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(yè)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(yè)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(jiǎn)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(chǎng)合，具有不可替代的地位第1章第17頁(yè)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(gè)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(lái)， 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(hào) a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)AKAKa)IKAPNJb)c)第1章第18頁(yè) 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(kuò)散擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，到對(duì)方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負(fù)電荷但不能任意移動(dòng)的雜質(zhì)離子。這些不能移動(dòng)的正、負(fù)電荷稱為空間電荷空間電荷?？臻g電荷建立的電場(chǎng)被稱為內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)或自建電場(chǎng)自建電場(chǎng)，其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的，另一方面又吸引對(duì)方區(qū)內(nèi)的少子（對(duì)本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運(yùn)動(dòng)，即漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)既相互聯(lián)系又是一對(duì)矛盾，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)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(yè)P(yáng)N結(jié)的正向?qū)顟B(tài)結(jié)的

11、正向?qū)顟B(tài) 正向偏置時(shí)， 外電路起到減小內(nèi)電場(chǎng)的作用， 載流子移動(dòng)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(shí)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(chǎng)第1章第20頁(yè)P(yáng)N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(shí), 多數(shù)載流子向電極移動(dòng), 耗盡層增加, 只有極少的電流流過(guò), 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(yè)P(yáng)N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(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散擴(kuò)散電容電容CD勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。勢(shì)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(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主；正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)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(kāi)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(shí)應(yīng)加以注意。第1章第22頁(yè)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(shí)要流過(guò)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(huì)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(yè) 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(cè)試電路圖1-3A 功率二極管的伏安特性測(cè)試電路第1章第25

14、頁(yè)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(kāi)始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流IF對(duì)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(shí)，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。2. 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)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(gè)過(guò)渡過(guò)程，此過(guò)程中的電壓電流特性是隨時(shí)間變化的。第1章第26頁(yè)開(kāi)關(guān)特性開(kāi)關(guān)特性反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程：須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)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(guò)沖 圖1-4功率二極管的

15、動(dòng)態(tài)過(guò)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(yè)b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt延遲時(shí)間：td= t1-t0,電流下降時(shí)間：tf= t2- t1反向恢復(fù)時(shí)間：trr= td+ tf恢復(fù)特性的軟度：下降時(shí)間與延遲時(shí)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(yè)開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程： 功率二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)

16、間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值。這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間被稱為正向恢復(fù)時(shí)間tfr。 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存大量少子，達(dá)到穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)通前管壓降較大 正向電流的上升會(huì)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(yè)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(jiǎn)稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過(guò)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(lái)定義的，因此使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)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(chǎng)合時(shí)，開(kāi)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(shí)，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小 第1章第30頁(yè)2. 正向壓降正向壓降UF指功率二極管在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過(guò)某一瞬態(tài)正向大電流時(shí)器件的最大瞬時(shí)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(duì)功率二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓使用時(shí)，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(lái)選定 第1章第31頁(yè)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(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr= td+ tf ，關(guān)斷過(guò)程中，電流降到0起到恢復(fù)反向阻斷能力止的時(shí)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(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。該值比二極管的額定電流要大得多。實(shí)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(yè)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(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5 s以上，這在開(kāi)關(guān)頻率不高時(shí)并不重要正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上第1章第33頁(yè)2. 快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode FRD）恢復(fù)過(guò)程很短特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短（5 s以下）的二極管，也簡(jiǎn)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(jìn)的PIN結(jié)構(gòu) 第1章第34頁(yè)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(shí)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(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。 第1章第35頁(yè)二極管雜質(zhì)分布第1章第36頁(yè)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(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管（Schottky Barrier DiodeSBD），簡(jiǎn)稱為肖特基二極管20世紀(jì)80年代以來(lái)，由于工藝的發(fā)展得以在電力電