第2章器件.

第2章半导体电力开关器件1电力电子学—电力电子变换和控制技术（第三版）第2章半导体电力开关器件2电力二极管实物图第2章半导体电力开关器件3在4族元素本征半导体硅中掺入5族元素(砷、磷)。在4族元素本征半导体硅中掺入3族元素(硼、铝)。+N型半导体_P型半导体5个价电子中的4个与相邻的硅原子组成共价键后，还多余一个。3个价电子与相邻的硅原子组成共价键，因缺少一个价电子，在晶体中产生一个空穴。2.1.1半导体PN结第2章半导体电力开关器件4____________P区++++++++++++N区半导体PN结的形成第2章半导体电力开关器件5_++++++++++++___________P区N区_++++++++++++___________耗尽层空间电荷区内电场P区N区扩散运动漂移运动扩散运动阻挡层势垒层PN结半导体PN结第2章半导体电力开关器件6外电场RVRVIF外电场漂移运动扩散运动少子漂移运动产生反向电流ISPN结是单向导电的！_++++++++++++___________耗尽层空间电荷区内电场P区N区_++++++++++++___________耗尽层空间电荷区内电场P区N区半导体PN结和二极管单向导电性第2章半导体电力开关器件7)1(/TVVSeII一般表达式：SRII反向时的表达式：TVVSFeII/正向时的表达式：Is：反向饱和电流2.1.2半导体二极管基本特性第2章半导体电力开关器件82.1.3半导体电力二极管重要参数半导体电力二极管的重要参数主要用来衡量二极管使用过程中：是否被过压击穿是否会过热烧毁开关特性第2章半导体电力开关器件9额定电流的定义额定电流IFR：其额定发热所允许的正弦半波电流的平均值。002/01)()sin(21)()sin(1)sin(1mmmTmFRItdtItdtITtdtITI当正弦半波电流的峰值为Im时，它可用下式计算：第2章半导体电力开关器件10/22202201sin()1sin()()212TFrmsmmmIItdtTItdtI当正弦半波电流的峰值为Im时，它可用下式计算：最大允许全周期均方根正向电流的定义当二极管流过半波正弦电流的平均值为IFR时，与其发热等效的全周期均方根正向电流IFrms称为最大允许全周期均方根正向电流。第2章半导体电力开关器件11二极管电流定额的含义如手册上某电力二极管的额定电流为100A，说明：允许通过平均值为100A的正弦半波电流；允许通过正弦半波电流的幅值为314A；允许通过任意波形的有效值为157A的电流；在以上所有情况下其功耗发热不超过允许值。mFrmsII21mFRII1FRFRFrmsIII57.12由额定电流和最大允许全周期均方根正向电流的公式，得：第2章半导体电力开关器件12选择二极管电流定额的过程求出电路中二极管电流的有效值IFrms；求二极管电流定额IFR，等于有效值IFrms除以1.57；将选定的定额放大1.5到2倍以保证安全。/1.57FRFrmsII第2章半导体电力开关器件13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。状态：过程：导通、阻断开通、关断第2章半导体电力开关器件14半导体电力二极管的开关特性二极管开通及反向恢复过程示意图第2章半导体电力开关器件152.2.1晶体管基极电流对集电极电流的控制作用2.2.2静态特性2.2.3电力三极管使用参数和特性BJT(BipolarJunctionTransistor)或GTR(GiantTransistor)2.2双极结型电力晶体管BJT第2章半导体电力开关器件162.2.1晶体管基极电流对集电极电流的控制作用2.2.2静态特性2.2.3电力三极管使用参数和特性第2章半导体电力开关器件17三极管的结构和符号第2章半导体电力开关器件18基极电流控制集电极电流BCEIIIBCII第2章半导体电力开关器件192.2.1晶体管基极电流对集电极电流的控制作用2.2.2静态特性2.2.3电力三极管使用参数和特性第2章半导体电力开关器件20CIcRcVCCVCE=0BIBVBBIBEVCE=1VVBE(b)输入特性(a)电路RBN1J1PN2J2三极管输入、输出特性第2章半导体电力开关器件21电力三极管的主要特点是电流驱动器件，控制基极电流就可控制电力三极管的开通和关断；开关速度较快；饱和压降较低；有二次击穿现象；能控制较大的电流和较高的电压；电力三极管由于结构所限其耐压难于超过1500V，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;已经淘汰第2章半导体电力开关器件22晶闸管实物图第2章半导体电力开关器件232.3.1逆阻型晶闸管SCR晶闸管的结构、符号和结构模型第2章半导体电力开关器件24KGASCR是三端器件A：阳极(anode);K：阴极(cathode);G：门极(gate)，也称控制极符号跟二极管很像，多了一个门极晶闸管的符号第2章半导体电力开关器件25晶闸管的外形螺栓型平板型KAG固定在散热器上KAG用两个散热器将其夹住，散热效果好。第2章半导体电力开关器件26晶闸管的结构N2P1N1P2N2KGAAGKP1N1P2N2J1J2J3钼片钼片硅片AGKSCR—P1N1P2N2四层三端器件。没有控制极，AK间始终截止。控制极作用？第2章半导体电力开关器件27无触发—保持阻断状态AGKN2P2N1P1J1J2J3P1AGKN1P2P2N1N2GKN1P2N2b2c2e2AP1N1P2e1c1b1双晶体管等效电路模型★晶闸管的等值电路第2章半导体电力开关器件28REAAGKe1c1b1b2c2e2IAIc1Ic2Ib1IgIb2IKIgIb2Ic2(Ib1)Ic1正向触发（VAK0，VGK0，Ig0），形成正反馈，晶闸管迅速断通。晶闸管的工作原理（1）第2章半导体电力开关器件2902121()cgAIII阻断：Ig=0，1、2很小。流过SCR的电流约等于漏电流；开通：足够的Ig使发射极电流增大，使1+2→1，IA↑↑，饱和导通。IA实际由外电路决定；半控：从关断到导通后,1+2趋近于1，Ig=0，仍有正反馈，维持导通；当IAIH，1、2很小，正反馈无法维持，SCR恢复阻断。10-510-410-310-210-11101021.00.80.60.40.20.012Ie1Ie2晶闸管的工作原理（3）第2章半导体电力开关器件30静态伏安特性及dv/dt防护第2章半导体电力开关器件31晶闸管的导通和关断条件正向折转导通高温导通高电压变化率导通门极触发导通光注入导通晶闸管在什么时候关断？强迫其电流IA(IC)减小到维持电流以下第2章半导体电力开关器件32晶闸管的主要特性参数(1)额定电压。(2)晶闸管的额定电流。(3)通态峰值电压降。(4)浪涌电流。(5)额定门极触发电流和触发电压。(6)维持电流。(7)掣住电流。(8)开通时间和关断时间。(9)断态电压临界上升率。(10)开通电流临界上升率。第2章半导体电力开关器件331)通态平均电流ITav(SCR额定电流的选取)晶闸管的主要参数－电流参数(1)晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，电阻性负载电路中，额定结温时，所允许流过的工频正弦半波电流的平均值。影响SCR发热的是电流有效值，有效值相等、发热相同。2t0iTImITav01sin()2TavmIItdtmI201sin()2TmIItdt2mITfTavIKI平均电流有效值电流波形系数21.57mmII(1.5~2)1.57fdTavKII第2章半导体电力开关器件34图中画斜线部分为一个2周期中晶闸管的电流波形。若各波形的最大值为Im=100A，试计算各波形电流的平均值Id1、Id2、Id3和电流有效值I1、I2、I3。若考虑二倍的电流安全裕量，选择额定电流为100A的晶闸管能否满足要求？例2-1第2章半导体电力开关器件352)维持电流IH(ON-OFF)晶闸管被触发导通后，在室温和门极开路条件下，减小阳极电流，使晶闸管维持导通所必需的最小电流。一般为十几到几十毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小。3)擎住电流IL(OFF-ON-ON)晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小阳极电流。（要求正反馈进行到一定深度。）通常IL约为IH的2～4倍。4)断态重复平均电流IDR和反向重复平均电流IRR门极开路、额定结温时，对应断态重复峰值电压和反向重复峰值电压时的平均漏电流。5)浪涌电流ITSM工频正弦半周期内所允许的最大过载峰值电流。持续时间更短则用I2t表示允许通过浪涌电流的能力。晶闸管的主要参数－电流参数(2)第2章半导体电力开关器件361)断态电压临界上升率du/dt(V/us)在额定结温和门极开路条件下，使晶闸管保持断态所能承受的最大电压上升率。晶闸管的主要参数－动态参数AGKN2P2N1P1J1J2J3GKA2)通态电流临界上升率di/dt(A/us)在规定条件下，晶闸管用门极触发导通时，晶闸管能够承受而不致损坏的通态电流最大上升率。di/dt过大会局部过热而使SCR损坏du/dt过大会使SCR误导通第2章半导体电力开关器件37一、晶闸管的结构SCR的符号、半导体结构、P1N1P2N2四层三端器件二、晶闸管导通关断条件导通条件、半控特性、关断方法三、晶闸管的工作原理半导体结构：双晶体管等效电路模型★用双晶体管等效电路模型解释正反馈过程★恢复阻断的方法晶闸管的主要特性小结第2章半导体电力开关器件382.3.2逆导型晶闸管RCTGKAGKA逆导晶闸管等值电路和符号第2章半导体电力开关器件392.3.3光控晶闸管LCTGKAAGKJ2光控晶闸管符号及等值电路第2章半导体电力开关器件40T2T2T1T1GGG(a)符号(b)双向开关IVT1T2T2T1Ig+-T2T1GIg+-(c)伏安特性G双向晶闸管符号、等效电路和伏安特性2.3.4双向晶闸管TRIAC第2章半导体电力开关器件41GTO符号及关断原理图GGKKAAIAIC-IgP1P2P2N1N1N2T2T1(a)符号(b)关断原理1ci2ci2biGTO（GateTurn-OffThyristor）为什么能靠反向触发电流关断？T2的电流分配系数较大；T1、T2饱和深度较浅2.4门极可关断晶闸管GTO第2章半导体电力开关器件422.5电力场效应晶体管P－MOSFETP-MOSFET基本结构、符号和外接电路第2章半导体电力开关器件432.5电力场效应晶体管P－MOSFET（续1）目前流行的结构具有垂直导电双扩散MOS结构的N沟增强型VDMOS第2章半导体电力开关器件44图2.17P-MOSFET特性曲线IDVGSVGSth(d)转移特性IDVDSVGS=0VGS1=4VGS2=8VGS3=10(e)输出特性ⅠⅡⅢVBRP－MOSFET的工况可用其转移特性和输出特性表述：2.5电力场效应晶体管P－MOSFET（续2）•UGSUGSth,工作在截止区•当UGD＝UGS-UDSUGSth时，可变电阻区（导通状态）--区域Ⅰ•当UGD＝UGS-UDSUT时，饱和区（恒流区，等效于晶体管的放大区！）--区域Ⅱ•击穿区：UDS增加到一定量，漏极PN击穿，漏电流迅速增大--区域Ⅲ第2章半导体电力开关器件45N+衬底PN+N-外延层N+SSGDDSGCGSCGDCDS2.5P－MOSFET的寄生二极管第2章半导体电力开关器件46P-MOSFET与BJT的性能对比是否可控驱动信号额定电压额定电流工