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第二章电力半导体器件2

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第2章 电力电子器件的基本特性

第2章 电力电子器件的基本特性

逆导晶闸管 (RCT)
I
G
K O
IG=0 U
A
a)
b)
图2.3.7 逆导晶闸管的电气 图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安 特性
§2.3.2
门极可关断晶闸管（GTO）
• 可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor)简称GTO。 • 它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。 同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下 导通，在负脉冲电流触发下关断。
2. 晶闸管的伏安特性
晶闸管导通时的A-K间 的电压（导通压降） 是非常小的，其典型 的平均压降为1～2V， 因此，晶闸管导通后 相当于“低阻态”。 晶闸管门极特性偏差 很大，即使同一额定 值的晶闸管之间其特 性也有所不同，所以 在设计门极触发电路 时，必须考虑这种偏 差。
图2-4 晶闸管的伏安特性
2.1.2
电力电子器件的种类
二、电力电子器件按控制信号的性质不同又可分为 两种：
电流控制型器件： 此类器件采用电流信 号来实现导通或关断控 制。 如：晶闸管、门极可关 断晶闸管、功率晶体管、 IGCT等； 电压控制半导体器件： 这类器件采用电压控 制（场控原理控制）它 的通、断，输入控制端 基本上不流过控制电流 信号，用小功率信号就 可驱动它工作。 如：MOSFET管和IGBT管。
重点和难点
• • • •
电力电子器件的基本模型和分类 电力电子器件指标和特性 应用电力电子器件系统的组成 电力电子器件的驱动和保护类型及原理
§2.1
电力半导体器件的种类及应用
电力半导体器件是电力电子技术及其应用系统的基 础。电力电子技术的发展取决于电力电子器件的研制 与应用。 定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控制的 半导体电子器件称为电力电子器件（Power Electronic Device）。 广义上，电力电子器件可分为电真空器件和半导体 器件两类，本书涉及的器件都是指半导体电力电子器 件。

半导体器件2修改版

半导体器件2修改版

N＋埋层用于降低集 电极串连电阻
8.3 BJT的工作原理（NPN管）
BJT在工作时一定要加上适当的直 流偏置电压。若在放大工作状态： 发射结加正向电压，集电结加反 向电压。 发射结正偏，集电结反偏。
下面以NPN管为例介绍晶体 管的放大作用。基本共射放大电 路如右图。
C B
E
c
＋
UCB c区
－
b b区
(b) 共发射极
(c) 共集电极
NPN型BJT三极管的共发射极连接
结点电流：IE = IB + IC
制备工艺
(1) PN结隔离的纵向NPN管
(2)混合隔离的纵向NPN管
1.制备埋层（氧化(SiO2)-光刻-埋层扩散-去氧化层）
（N+ 提供集电极电流的低阻通路）
N+
N+
P
P
–进行大剂量As+注入并退火，形成n+埋层 –利用HF腐蚀掉硅片表面的氧化层
流增益。
I En I En
I E I Ep I En
(NPN型)
IEp IEp (PNP型)
IE IEp IEn
✓基区输运系数：成功进入集电区的少数载流子占注入到基区的少
数载流子的比例。 0≤ T≤1，在基区中复合的载流子越少， T越大，
其尽可能接近1时，BJT电流增益越大。
T
I Cn I En
边界条件-1
• 基区
0
DB
d 2pB dx2
pB
B
P+N
0
W
X
pB (0)
p (eqVEB / kT B0
1)
pB (W ) pB0 eqVCB / kT 1

陈坚--电力电子学

陈坚--电力电子学
aInCInE InCIE a(1a)
In B(1a)In E(1a)IE
IEICIB
IC IC 0 BIn C ICB a O IE IC a(1 a )IB IC 0( B 1 a )
ICIB(1)IC0B
ICIB
25
2.2.2 三极管的静态特性 三极管输入、输出特性
电力电子学
——电力电子变换和控制技术（第二版）
第2章
半导体电力开关器件
2 半导体电力开关器件
2.1 电力二极管 2.2 双极结型电力晶体管BJT 2.3 晶闸管及其派生器件 2.4 门极可关断晶闸管GTO 2.5 电力场效应晶体管P－MOSFET 2.6 绝缘门极双极型晶体管IGBT *2.7 *2.8 自学 2.9 半导体电力开关模块和功率集成电路 本章小结
IFRIFrms /1.57
15
半导体电力二极管的开关特性
开关过程，由导通状态转为阻断状态 并不是立即完成，它要经历一个短时 的过渡过程；
此过程的长短、过渡过程的波形对不 同性能的二极管有很大差异；
理解开关过程对今后选用电力电子器 件，理解电力电子电路的运行是很有 帮助的，因此应对二极管的开关特性 有较清晰的了解。
现今商品化的电力三极管的额定电压、电流大都 不超过1200V、800A; 已经淘汰
28

2.3 晶闸管及其派生器件
晶闸管实物图
29
2.3 晶闸管及其派生器件
2.3.1 逆阻型晶闸管SCR—两个三极管正反馈 2.3.2 逆导型晶闸管RCT 2.3.3 光控晶闸管LCT 2.3.4 双向晶闸管TRIACIGBT
状态： 导通、阻断
过程： 开通、关断
16
半导体电力二极管的开关特性（续） 二极管开通及反向恢复过程示意图

半导体物理器件Chapter2-

半导体物理器件Chapter2-

势垒高度增加至 q(y0 VR) ，增高的势垒阻挡载流子通过PN结扩散，通
过PN结的电流非常小，结的阻抗很高。耗尽层宽度（突变结）：
1
W

2k0

y0 VR
qNd
2

（2-23）
PN结
2.2加偏压的PN结
4)根据能带图和修正欧姆定律分析结的单向导电性
在电子扩散区和空穴扩散区，
区间电势差 y 0 。
未形成PN结之前的N区（P区）的电子（空穴）浓度为：
nN dnie(E F nE i)/K T
pNani(EiEFp)/KT
可以得到分别的费米能级为：
EFnEi
KTlnNd ni
EFp
Ei
KTln
Na ni
再由热电势
VT

KT q
，得： y01 q(EFnEFp)VTlnNn diN 2a
耗尽区
n 型电中性区
（c） 与（b）相对应的空间电荷分布
PN结
2.1热平衡PN结
3.几个概念
耗尽近似：在空间电荷区，与电离杂质浓度相比，自由
载流子浓度可以忽略，这种近似称为耗尽近似。因此空间电 荷区也称为耗尽区（又称为耗尽层）。在完全耗尽的区域， 自由载流子密度为零。
中性近似：假设耗尽区以外，在杂质饱和电离情况下，
单边突变结（一侧的杂质浓度远远大于另一侧的质浓度的突变结）
PN结
NaNd
引言
4.突变结与线性缓变结 2)线性缓变结： 两区之间杂质过渡是渐变的
adNDNA常数
dx
- ax
xj 0
x
ND NA
0
x
在线性区： N(x)a(xxj)

第2章__电力电子器件

第2章__电力电子器件

混 合 IGBT 型
（
MCT
双 极
SITH
功率MOSFET 单 功率SIT 极 肖特基势垒二极管 型
电力电子器件分类树
图1-42
（
复 合 型
GTR
T TO RC G 型 晶闸管 TR LT IA T 电力二极管 C
2.2 不可控器件—电力二极管
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数
在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对 应的正向压降。
3） 反向重复峰值电压URRM
对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用时，应当留有两倍的裕量。
4）反向恢复时间trr
trr= td+ tf
5）最高工作结温TJM
结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。
TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高 平均温度。 TJM通常在125~175C范围之内。
之后， 迅速增大。
IA
2 I G I CBO1 I CBO2
1 ( 1 2 )
（2.4）
在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来
1.阻断状态：IG=0， 1+2 很小。流过晶闸管的漏电流稍 大于两个晶体管漏电流之和。 2.开通状态：加正向阳极电压，且注入触发电流使晶体管
正向电流的上升会因器件自身的 电感而产生较大压降。电流上升 率越大，UFP越高
2.2.3 电力二极管的主要参数
1) 正向平均电流IF(AV)
额定电流——在指定的管壳温度和散热 条件下，其允许流过的最大工频正弦半 波电流的平均值。
若流过二极管的电流 不是正弦半波，如 何选取二极管？

《电力电子技术》第2章 电力电子器件

《电力电子技术》第2章 电力电子器件
电力电子器件是基础 电能进行变换和控制是核心
2/89
上节课内容回顾
• 二、电力电子器件
1、概念：是指可直接用于处理电能的主电路中，实现 电能的变换或控制的电子器件。
2、特性：大功率、开关特性、驱动电路、损耗大，加散热
3、组成：主电路、控制电路、检测电路。。。。
4、分类：
1）控制程度：不控器件、半控器件、全控器件
12/89
2.1.3 电力电子器件的分类
■按照载流子参与导电的情况 ◆单极型器件 ☞由一种载流子参与导电。 ◆双极型器件 ☞由电子和空穴两种载流子参与导电。 ◆复合型器件 ☞由单极型器件和双极型器件集成混合而成， 也称混合型器件。
13/89
2.1.4 本章内容和学习要点
■本章内容 ◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其 它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作 原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的 一些问题。
检测
控
电路
制
保护
电
电路
路
驱动ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电路
V1 LR
V2
主电路
电气隔离
图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
10/89
2.1.3 电力电子器件的分类
■按照能够被控制电路信号所控制的程度 ◆半控型器件 ☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。 ☞器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电 流决定的。 ◆全控型器件 ☞目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 ☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关 断。 ◆不可控器件 ☞电力二极管（Power Diode） ☞不能用控制信号来控制其通断。
■学习要点 ◆最重要的是掌握其基本特性。 ◆掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性 曲线的使用方法。 ◆了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。 ◆了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。

第二章 半导体器件基础

计算机电路基础第二章半导体器件基础上海第二工业大学冯涛编写上海第二工业大学冯涛编写第二章半导体器件基础2.1 半导体基础知识2.2 PN结与半导体二极管2.3 半导体三极管2.4 场效应管上海第二工业大学冯涛编写章节要求和学习任务PN结的形成和单向导电性二极管的伏安特性半导体三极管的基本结构、工作原理三极管的伏安特性MOS场效应管的结构、工作原理和伏安特性曲线结型场效应管的结构、工作原理和伏安特性曲线上海第二工业大学冯涛编写2.1 半导体基础知识半导体基础知识导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。

绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。

导电能力介于导体与绝缘体之间的物质，称为半导体。

半导体主要有硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等。

上海第二工业大学冯涛编写2.1 半导体基础知识硅、锗等半导体材料之所以得到广泛的应用，主要是因为它们的导电能力具有一些特殊的方面。

1、热敏性：半导体的电阻率随温度升高而显著减小。

常用于检测温度的变化。

对其他工作性能有不利的影响。

2、光敏性：在无光照时电阻率很高，但一有光照电阻率则显著下降。

利用这个特性可以制成光敏元件。

3、杂敏性：在纯净的半导体中加入杂质，导电能力猛增几万倍至百万倍。

利用这些特性可以制造出具有不同性能用途的半导体器件。

上海第二工业大学冯涛编写2.1 半导体基础知识本征半导体（完全纯净的、结构完整的半导体晶体。

） 点阵结构：每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键紧密结合在一起。

原子最外层的价电子不仅围绕…两个相邻原子共用一对电子。

（ａ）点阵结构（ｂ）共价键结构上海第二工业大学冯涛编写上海第二工业大学冯涛编写由于热激发而产生的自由电子自由电子移走后而留下的空穴共价键共有价电子所形成的束缚作用共价键结构、自由电子、空穴在电子技术中，将空穴看成带正电荷的载流子。

2.1 半导体基础知识共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。

半导体器件物理学习指导：第二章 PN结


型区扩散。由电子和空穴扩散留下的未被补偿的施主和
受主离子建立了一个电场。这一电场是沿着抵消载流子扩 散趋势的方向
在热平衡时，载流子的漂移运动正好和载流子的扩散运动
相平衡，电子和空穴的扩散与漂移在N型和P型各边分别留
下未被补偿的施主离子和受主离子N d和
N
a
。结果建立了
两个电荷层即空间电荷区。
i
反偏产生电流在 P N 结反向偏压的情况下，空间电荷区 中 np ni2 。于是会载流子的产生，相应的电流即为空间电 荷区产生电流。
隧道电流：当P侧和N侧均为重掺杂的情况时，有些载流子可 能穿透(代替越过)势垒而产生电流，这种电流叫做隧道电流
产生隧道电流的条件： （1）费米能级位于导带或价带的内部； （2）空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率； （3）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另
雪崩击穿：在N区（P区）的一个杂散空穴（电子）进入空 间电荷层，在它掠向P区（N区）的过程中，它从电场获得 动能。空穴（电子）带着高能和晶格碰撞，并从晶格中电 离出一个电子以产生一个电子空穴对。在第一次碰撞之后， 原始的和产生的载流子将继续它们的行程，并且可能发生 更多的碰撞，产生更多的载流子。结果，载流子的增加是 一个倍增过程，称为雪崩倍增或碰撞电离，由此造成的PN 结击穿叫做雪崩击穿。
Ae-wn Lp K2 = - 2sh wn - xn
Lp
（4）
Aewn Lp K1 = 2sh wn - xn
Lp
（5）
将（4）（5）代入（1）：
sh wn - x
pn
-
pn0
=
pn0 (eV
VT
- 1) sh
Lp wn - xn

半导体器件物理 第二章总结

21
其次，对于相同的势垒高度，肖特基二极 管的JsD或JsT要比P-N结的反向饱和电流Js大 得多。换言之，对于同样的使用电流，肖 特基二极管将有较低的正向导通电压，一 般为0.3V左右。
22
肖特基二极管的应用
因为有以上的特点，肖特基二极管在高速 集成电路，微波技术等许多领域都有很多 重要应用。 例如，由于肖特基势垒具有快速开关响应， 因而可以把它和N-P-N晶体管的集电极-基 极结并联连接，如图5 a所示，以减小晶体 管的存贮时间。
9
接触电阻定义为零偏压下的微分电阻，即
∂I Rc = ∂V V =0
4π * Rc ∝ exp mnε r ε 0 h
−1
（1）
运用量子力学的运算，最后得到
(
)
1/ 2
VD 1/ 2 N D
（2）
由式（2）看到，掺杂浓度越高，接触电阻 Rc越小。因而，半导体材料重掺杂时，可 得到欧姆接触。
16
图3
实用的肖特基二极管结构：采用金属搭接
17
为了得到理想的I-V特性，在图4所示的保 护环结构中采用了一种附加的p+扩散环来 降低边缘效应。由于搭接金属结构比较简 单，通常在集成电路中采用它更为合适。
18
图4
实用的肖特基二极管结构：采用保护环二极管
19
肖特基二极管的特点
肖特基势垒二极管和P-N结二极管具有类似 的电流-电压关系，即它们都有单向导电性； 但前者又有区别于后者的以下显著特点。 首先，就载流子的运动形式而言，P-N结正 向导通时，由P区注入N区的空穴或由N区 注入P区的电子，都是少数载流子，它们先 形成一定的积累，然后靠扩散运动形成电 流。
20

章电力半导体器件课件


T2 DF
R1
R2 E
图1-18 BJT模块的等效电路
BJT模块除了有上述达林顿BJT的特 点外，还有如；
2） 有电绝缘且传热好的固定底座， 安装使用很方便；
3） 内含续流二极管减少了线路电感， 降低了器件关断时电流变化率造成的过电 压。
零偏二次击穿触发功率 PSB0 I SB0U SB0
次击穿的时间延迟，称为触发时间。意味 着BJT工作点进入一次击穿区时，并不立
即产生二次击穿，而要有一个触发时间。
正偏二次击穿触发功率 PSBF I SBFU SBF 当加在BJT上的能量超过临界值（触发能
量）时，才产生二次击穿，也就是说二次
击穿需要能量。◢
1.1.3 电力半导体器件发展水平
整流管肖快 普特速 通基恢 整二复 流极二 管管极: 3管:K1V0:01,V.62KK, 3AVKA, 450A , 0.25μ s
•
电力半导体器件
晶闸管 换流关断型 快 普 双速 通 向晶 晶 晶闸 闸 闸管 管 管
: : :
5kV , 4kA , 12kV 2.5kV , 1kA , 30μ 1.2kV , 1kA
◤图1-22表示了MOSFET的输入电容
Ciss、输出电容Coss和反向传输电容
◢ Crss与结电容之间的关系。
10%
UGS
t t d(on)
r
t t d(off)
f
图1-23 开关特性测试电路与波形
➢td(on)：开通延迟时间 ➢tr：上升时间 ➢ td(off) ：关断延迟时间， ➢tf ：下降时间
• 二极管外加反向偏压（P区加 负、N区加正）时,所以反向 电流非常小.
• 二极管的伏安特性如图1-3所 示。
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功率二极管
功率二极管（Power Diode）也称为半导体整 流器（Semiconductor Rectifier，简称SR）， 属不可控电力电子器件，是20世纪最早获得应 用的电力电子器件。在中、高频整流和逆变以 及低压高频整流的场合发挥着积极的作用, 具有 不可替代的地位。
基本结构和工作、原理与信息电子电路中的二 极管一样。
常在125～175℃范围内。
功率二极管的主要类型
（1）普通二极管：普通二极管又称整流管（Rectifier D反io向d恢e）复，时多间用在于５开u关s以频上率，在额１定K电H流Z以达下数的千整安流，电额路定中电，压其达 数千伏以上。
（2）快恢复二极管：反向恢复时间在５us以下的称为快恢复 二极管（Fast Recovery Diode简称FDR）。快恢复二极管从 性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复 时间为数百纳秒以上，后者则在100ns以下，其容量可达 1200V/200A的水平, 多用于高频整流和逆变电路中。
晶闸管的外形、结构和符号
G K
A
K A G
(a)
A
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K (b)
(a) 外形； (b) 结构； (c) 图形符号
K G
A (c)
晶闸管的工作原理
A
IA=Ic1+Ic2+ICO= 1 IA + 2 IK +ICO
②半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关 断的电力电子器件称为半控型器件。 如：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件等；
③全控型器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断 的器件，称为全控型器件。 如：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor ）、 功率场效应管（Power MOSFET）和绝缘栅双极型 晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。
外电路来控制。 ✓ （3）在工作中器件的功率损耗（通态、断态、
开关损耗）很大。为保证不至因损耗散发的热 量导致器件温度过高而损坏，在其工作时一般 都要安装散热器。
✓注：很重要，一定记住。
电力电子器件的分类
✓ 按器件的开关控制特性可以分为以下三类：
① 不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需要 根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。 如：电力二极管（Power Diode）；
电力电子器件的分类
✓ 前面已经将电力电子器件分为不可控型、半控型和全控 型。按控制信号的性质不同又可分为两种：
✓ ① 电流控制型器件：
此类器件采用电流信号来实现导通或关断控制。如： 晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、IGCT等； ✓ ② 电压控制半导体器件：
这类器件采用电压控制（场控原理控制）它的通、 断，输入控制端基本上不流过控制电流信号，用小功率 信号就可驱动它工作。如：代表性器件为MOSFET管和 IGBT管。
在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象 成下图所示的理想开关模型，它有三个电极，其中A和 B代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。 它只工作在“通态”和“断态”两种情况，在通态时其 电阻为零，断态时其电阻无穷大。
电力电子器件的基本特性
✓ （1）电力电子器件一般都工作在开关状态。 ✓ （2）电力电子器件的开关状态由（驱动电路）
（2）开通特性： 电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。电力二极管的正向
压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值 （如 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。
功率二极管的主要参数
（1）额定正向平均电流IF(AV)：在指定的管壳温（简称壳温，用TC表示） 和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。
（2）反向重复峰值电压ＵRRM： 指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压），此电压通常为击
穿电压UＢ的2/3。 （3） 正向压降ＵF： 指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端 的正向平均电压(又称管压降)。 （4） 反向漏电流ＩRR： 指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。 最高工作结温ＴjM： 指器件中ＰＮ结不至于损坏的前提下所能承受的最高平均温度。ＴjM通
从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。
功率二极管
a）结构 b）外形 c）电气图形
伏安特性曲线
功率二极管的开关特性
（1）关断特性：电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。 须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。 在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。 反向恢复时间：trr= td+ tf
普通晶闸 管：也称可控硅整流管 (Silicon Controlled Rectifier), 简称SCR。
它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性(目前 生产水平：4500A/8000V)已被广泛应用于相控整流、逆 变、交流调压、直流变换等领域, 成为特大功率低频 (200Hz以下)装置中的主要器件。
第二章 电力半导体器件
本章要点： 1.功率二极管 2.晶闸管工作原理 3.晶闸管伏安特性 4.晶闸管主要技术参数 5.几种全控型器件的特点 6.新型器件介绍
电力电子器件的基本模型
定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导 体电子器件称为电力电子器件（Power Electronic Device）。
（3）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接 触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为 0.4～0.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但反 向耐压在200Ｖ以下。它常被用于高频低压开关电路或高频 低压整流电路中。
闸管
晶闸管(Thyristor)包括：普通晶闸管(SCR)、快速 晶 闸 管 (FST) 、 双 向 晶 闸 管 (TRIAC) 、 逆 导 晶 闸 管 (RCT) 、可关断晶闸管(GTO) 和光控晶闸管等。 普通 晶闸管面世早，应用极为广泛, 在无特别说明的情况下, 本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。