電力電子技術－功率晶體管和二極管

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電力電子技術

PowerElectronics第八章功率晶體管和二極管2正向特性第一節(jié)功率二極管導通壓降為負溫度特性正向偏置的PN結表現(xiàn)為低阻態(tài)壓降在0.7~1.5V左右耐壓高的器件正向壓降大二極管的伏安特性反向特性PN結反向截止漏電流的大小與反向電壓、溫度有關：溫度越高，漏電流越大反向電壓越高，漏電流越大PN結的反向擊穿3二極管的開關特性第一節(jié)功率二極管PN結的電容效應PN結的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應，稱為結電容CJ，又稱為微分電容結電容按其產生機制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴散電容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結截面積成正比，與阻擋層厚度成反比擴散電容僅在正向偏置時起作用，出現(xiàn)在電流變化時正向偏置時，當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電容主要成分4Cj=Cb+Cd二極管的電容效應使得開關過程不能瞬間完成尤其在外加反壓時，二極管的結電容必須先放電，經過一段恢復時間后，二極管才能恢復阻斷Cj

的存在導致二極管開關損耗增加PN結的電容效應第一節(jié)功率二極管5反向恢復特性第一節(jié)功率二極管二極管的開關特性二極管加正向電壓流過正向電流時，結電容已有存儲電荷當外加電壓反向時，正向電流下降到零，二極管并不能馬上截止二極管結電容有一定的存儲電荷需要一定時間被復合當完全被復合后，二極管才恢復阻斷6反向恢復的影響引起較大的損耗di/dt造成較大的電磁干擾,以及尖峰電壓限制了二極管的開關速度二極管的開關特性第一節(jié)功率二極管7普通二極管（GeneralPurposeDiode）

二極管的類型第一節(jié)功率二極管

快恢復二極管（FastRecoveryDiode—FRD）

快速恢復和超快速恢復肖特基二極管8功率二極管的主要參數(shù)正向平均電流IF(AV)

第一節(jié)功率二極管正向壓降UF反向重復峰值電壓URRM最高工作結溫TJM

反向恢復時間trr浪涌電流IFSM9第二節(jié)功率晶體管

典型全控型器件：

門極可關斷晶閘管（GTO）--開關頻率低，功率大

高頻化的電力電子器件代表——功率晶體管、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。

10功率晶體管分類雙極性功率晶體管:電流控制型器件

BJT:bipolarjunctiontransistor

GTR:GiantTransistor

場控晶體管:電壓型控制器件

MOSFET：場效應功率晶體管

IGBT：絕緣柵雙極性功率晶體管

IGCT：集成門極換向晶閘管

第二節(jié)功率晶體管11

一.雙極型功率晶體管第二節(jié)功率晶體管80年代以來，在中、小功率范圍內取代晶閘管

但目前又大多被IGBT和功率MOSFET取代功率晶體管（GTR---巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極型晶體管12結構:三層半導體,二個PN結符號,NPN,PNP（很少）結構特點垂直導電、

集成第二節(jié)功率晶體管

一.雙極型功率晶體管131BJT的穩(wěn)態(tài)特性晶體管電路分類:共射,共基,共集伏安特性:三區(qū),截止/放大/飽和第二節(jié)功率晶體管14一般采用共發(fā)射極接法，集電極電流ic與基極電流ib之比為GTR的電流放大系數(shù)=Ic/Ib

反映了基極電流對集電極電流的控制能力

第二節(jié)功率晶體管1BJT的穩(wěn)態(tài)特性15

共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)

在電力電子電路中GTR工作在開關狀態(tài)即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)

第二節(jié)功率晶體管1BJT的穩(wěn)態(tài)特性16臨界飽和電流Ics臨界飽和基極電流Ibs過驅動系數(shù)ODF強制電流增益：Ics與實際驅動電流Ib之比1BJT的穩(wěn)態(tài)特性應用時的主要參數(shù)設計第二節(jié)功率晶體管172BJT的開關特性PN結有勢壘電容和擴散電容影響PN結的電容同樣也影響GTR的開關特性第二節(jié)功率晶體管18開通過程:延遲時間td+上升時間tr=開通時間tontd--由發(fā)射結勢壘電容和集電結勢壘電容充電產生增大ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時間，同時可縮短上升時間，從而加快開通過程

第二節(jié)功率晶體管2BJT的開關特性如何減小ton?19第二節(jié)功率晶體管2BJT的開關特性關斷過程關斷時間toff=存儲時間ts+下降時間tfts對應于除去飽和導通時儲存在基區(qū)的少數(shù)載流子的時間，是關斷時間的主要部分如何減小toff?20減小導通時的飽和深度以減小儲存的載流子，或者增大基極抽取負電流Ib2的幅值和負偏壓，可縮短儲存時間，從而加快關斷速度負面作用是會使集電極和發(fā)射極間的飽和導通壓降Uces增加，從而增大通態(tài)損耗

第二節(jié)功率晶體管2BJT的開關特性GTR的開關時間在幾微秒以內，比晶閘管短很多213雙極型功率晶體管參數(shù)電流放大倍數(shù)（集電極電流與基極電流之比）與集電極電流大小和溫度相關Ic越大，放大倍數(shù)越小溫度升高，放大倍數(shù)上升（正溫度系數(shù)）是設計驅動電路的重要依據Uces或導通電阻飽和電壓降：與Ic、飽和深度及結溫有關或用導通電阻定義導通壓降（飽和壓降與集電極電流近似成正比）耐壓越高的器件導通電阻越大第二節(jié)功率晶體管223雙極型功率晶體管參數(shù)第二節(jié)功率晶體管額定電壓

GTR有兩個PN結，不同外部條件下所能承受的電壓值不一樣。有多種電壓定額定義

U(BR)cbo發(fā)射極開路時Ucbm

U(BR)cex基射極反偏時Ucem

U(BR)ces基射極短路時Ucem

U(BR)cer基射極有電阻時Ucem

U(BR)ceo基射極開路時UcemBUceo<BUcer1<BUcer2<BUces<BUcex<BUcbo

(R1>R2)

233雙極型功率晶體管參數(shù)第二節(jié)功率晶體管額定電流

集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2--1/3時所對應的Ic實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點電流Ibm,Iem243雙極型功率晶體管參數(shù)第二節(jié)功率晶體管集電極最大耗散功率PcM指定工作溫度下允許的最高耗散功率.PcM與溫度相關254BJT的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)第二節(jié)功率晶體管一次擊穿（電擊穿）

集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿

只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變二次擊穿（熱擊穿）

一次擊穿發(fā)生時Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降

常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變26正偏擊穿問題定義：基極－發(fā)射極正偏，工作于放大區(qū)的二次擊穿（P149）b極e極同一平面－＞正偏程度不一致邊緣正偏程度＞中心正偏程度橫向電場方向由邊緣指向中心邊緣出現(xiàn)電流熱點負溫度系數(shù)的電阻率熱循環(huán)－＞正偏二次擊穿4BJT的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)第二節(jié)功率晶體管27正偏二次擊穿特性器件的基區(qū)寬度越高，越不易發(fā)生擊穿器件的頻率高,Is/b下降，容易發(fā)生器件的外加電壓高，Is/b下降，容易發(fā)生選擇低頻器件，外加電壓盡量低4BJT的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)第二節(jié)功率晶體管28反偏二次擊穿問題定義：基極－發(fā)射極反偏，工作于截止區(qū)的二次擊穿b極e極同一平面－＞反偏程度不一致邊緣反偏程度＞中心反偏程度橫向電場方向由中心指向邊緣中心出現(xiàn)電流熱點負溫度系數(shù)的電阻率熱循環(huán)－＞反偏二次擊穿4

BJT的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)第二節(jié)功率晶體管29反偏二次擊穿特性4BJT的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)第二節(jié)功率晶體管與芯片結構有關與Ube和Rb相關Ube一定時，Rb越大，Es/b越大，不易發(fā)生Rb一定時，Ube越小，Es/b越大，不易發(fā)生防反偏擊穿要求與關斷動態(tài)指標存在矛盾，需要均衡考慮30安全工作區(qū)SOA:（界定器件安全工作的最大范圍）

P151頁考慮電壓／電流／功率／二次擊穿多個因素由四條曲線所圍成的范圍第二節(jié)功率晶體管4BJT的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)31第二節(jié)功率晶體管5達林頓（Darlington）連接大電流BJT的β小，Ibs過大為獲得較大β，可將兩晶體管組成復合管，即進行達林頓連接β為兩級之乘積，起到放大作用但Uces會有一定程度的增加=1+2+12R1R2:提供反向漏電流通路，提高復合管的溫度穩(wěn)定性D2提供反向Ib1通路，加快主管的關段D1寄生二極管，trr大Uces=Uces2+Ube1GTR32復習功率晶體管的穩(wěn)態(tài)特性功率晶體管的開關特性功率晶體管的參數(shù)注意幾個電壓定額定義和相互大小比較正偏二次擊穿問題反偏二次擊穿問題功率晶體管的安全工作區(qū)定義達林頓連接第二節(jié)功率晶體管33作業(yè)大功率三極管的"SOA"區(qū)由哪些曲線組成?第二節(jié)功率晶體管34雙極性功率晶體管功率場效應晶體管(MOSFET)絕緣柵晶體管（IGBT）第二節(jié)功率晶體管351.MOSFET的結構和工作原理

MOSFET的種類

第二節(jié)功率晶體管36

結型MOSFET

外加電場控制場效應晶體管柵－源之間PN結耗盡層寬度變化來控制溝道電導1.MOSFET的結構和工作原理

第二節(jié)功率晶體管柵漏源37第二節(jié)功率晶體管1.MOSFET的結構和工作原理

絕緣柵型MOSFET

柵極G與其余兩個電極之間是絕緣的，外加電場控制半導體中感應電荷量的變化控制溝道電導

單極型：導通時只有一種極性的載流子（多子）參與導電大功率MOSFET一般不用P溝道，空穴的遷移率比電子低，導通電阻大按導電溝道可分為P溝道和N溝道，功率MOSFET主要是N溝道增強型38

截止：柵源極間電壓為零，漏源極間加正電源P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結反偏，漏源極之間無電流流過

第二節(jié)功率晶體管1.MOSFET的結構和工作原理

絕緣柵型MOSFET的導電機理39導電：在柵源極間加正電壓柵極的正電壓會排斥P區(qū)中的空穴，而將P區(qū)中的少子——電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面

第二節(jié)功率晶體管1.MOSFET的結構和工作原理

絕緣柵型MOSFET的導電機理當UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結消失，漏極和源極導電耗盡40VDS＝0，VGS<VT,工作在截止區(qū)當VGS>VT,VDS>0,導通，VGD＝VGS-VDS

當VGD＝VGS-VDS<VT時，靠近漏極的溝道夾斷第二節(jié)功率晶體管1.MO