电力电子技术－功率晶体管和二极管

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电力电子技术

PowerElectronics第八章功率晶体管和二极管2正向特性第一节功率二极管导通压降为负温度特性正向偏置的PN结表现为低阻态压降在0.7~1.5V左右耐压高的器件正向压降大二极管的伏安特性反向特性PN结反向截止漏电流的大小与反向电压、温度有关：温度越高，漏电流越大反向电压越高，漏电流越大PN结的反向击穿3二极管的开关特性第一节功率二极管PN结的电容效应PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比扩散电容仅在正向偏置时起作用，出现在电流变化时正向偏置时，当正向电压较低时势垒电容为主，正向电压较高时扩散电容为结电容主要成分4Cj=Cb+Cd二极管的电容效应使得开关过程不能瞬间完成尤其在外加反压时，二极管的结电容必须先放电，经过一段恢复时间后，二极管才能恢复阻断Cj

的存在导致二极管开关损耗增加PN结的电容效应第一节功率二极管5反向恢复特性第一节功率二极管二极管的开关特性二极管加正向电压流过正向电流时，结电容已有存储电荷当外加电压反向时，正向电流下降到零，二极管并不能马上截止二极管结电容有一定的存储电荷需要一定时间被复合当完全被复合后，二极管才恢复阻断6反向恢复的影响引起较大的损耗di/dt造成较大的电磁干扰,以及尖峰电压限制了二极管的开关速度二极管的开关特性第一节功率二极管7普通二极管（GeneralPurposeDiode）

二极管的类型第一节功率二极管

快恢复二极管（FastRecoveryDiode—FRD）

快速恢复和超快速恢复肖特基二极管8功率二极管的主要参数正向平均电流IF(AV)

第一节功率二极管正向压降UF反向重复峰值电压URRM最高工作结温TJM

反向恢复时间trr浪涌电流IFSM9第二节功率晶体管

典型全控型器件：

门极可关断晶闸管（GTO）--开关频率低，功率大

高频化的电力电子器件代表——功率晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。

10功率晶体管分类双极性功率晶体管:电流控制型器件

BJT:bipolarjunctiontransistor

GTR:GiantTransistor

场控晶体管:电压型控制器件

MOSFET：场效应功率晶体管

IGBT：绝缘栅双极性功率晶体管

IGCT：集成门极换向晶闸管

第二节功率晶体管11

一.双极型功率晶体管第二节功率晶体管80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管

但目前又大多被IGBT和功率MOSFET取代功率晶体管（GTR---巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极型晶体管12结构:三层半导体,二个PN结符号,NPN,PNP（很少）结构特点垂直导电、

集成第二节功率晶体管

一.双极型功率晶体管131BJT的稳态特性晶体管电路分类:共射,共基,共集伏安特性:三区,截止/放大/饱和第二节功率晶体管14一般采用共发射极接法，集电极电流ic与基极电流ib之比为GTR的电流放大系数=Ic/Ib

反映了基极电流对集电极电流的控制能力

第二节功率晶体管1BJT的稳态特性15

共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区

在电力电子电路中GTR工作在开关状态即工作在截止区或饱和区

第二节功率晶体管1BJT的稳态特性16临界饱和电流Ics临界饱和基极电流Ibs过驱动系数ODF强制电流增益：Ics与实际驱动电流Ib之比1BJT的稳态特性应用时的主要参数设计第二节功率晶体管172BJT的开关特性PN结有势垒电容和扩散电容影响PN结的电容同样也影响GTR的开关特性第二节功率晶体管18开通过程:延迟时间td+上升时间tr=开通时间tontd--由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生增大ib的幅值并增大dib/dt，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程

第二节功率晶体管2BJT的开关特性如何减小ton?19第二节功率晶体管2BJT的开关特性关断过程关断时间toff=存储时间ts+下降时间tfts对应于除去饱和导通时储存在基区的少数载流子的时间，是关断时间的主要部分如何减小toff?20减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加，从而增大通态损耗

第二节功率晶体管2BJT的开关特性GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管短很多213双极型功率晶体管参数电流放大倍数（集电极电流与基极电流之比）与集电极电流大小和温度相关Ic越大，放大倍数越小温度升高，放大倍数上升（正温度系数）是设计驱动电路的重要依据Uces或导通电阻饱和电压降：与Ic、饱和深度及结温有关或用导通电阻定义导通压降（饱和压降与集电极电流近似成正比）耐压越高的器件导通电阻越大第二节功率晶体管223双极型功率晶体管参数第二节功率晶体管额定电压

GTR有两个PN结，不同外部条件下所能承受的电压值不一样。有多种电压定额定义

U(BR)cbo发射极开路时Ucbm

U(BR)cex基射极反偏时Ucem

U(BR)ces基射极短路时Ucem

U(BR)cer基射极有电阻时Ucem

U(BR)ceo基射极开路时UcemBUceo<BUcer1<BUcer2<BUces<BUcex<BUcbo

(R1>R2)

233双极型功率晶体管参数第二节功率晶体管额定电流

集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE下降到规定值的1/2--1/3时所对应的Ic实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点电流Ibm,Iem243双极型功率晶体管参数第二节功率晶体管集电极最大耗散功率PcM指定工作温度下允许的最高耗散功率.PcM与温度相关254BJT的二次击穿现象与安全工作区第二节功率晶体管一次击穿（电击穿）

集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿

只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变二次击穿（热击穿）

一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降

常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变26正偏击穿问题定义：基极－发射极正偏，工作于放大区的二次击穿（P149）b极e极同一平面－＞正偏程度不一致边缘正偏程度＞中心正偏程度横向电场方向由边缘指向中心边缘出现电流热点负温度系数的电阻率热循环－＞正偏二次击穿4BJT的二次击穿现象与安全工作区第二节功率晶体管27正偏二次击穿特性器件的基区宽度越高，越不易发生击穿器件的频率高,Is/b下降，容易发生器件的外加电压高，Is/b下降，容易发生选择低频器件，外加电压尽量低4BJT的二次击穿现象与安全工作区第二节功率晶体管28反偏二次击穿问题定义：基极－发射极反偏，工作于截止区的二次击穿b极e极同一平面－＞反偏程度不一致边缘反偏程度＞中心反偏程度横向电场方向由中心指向边缘中心出现电流热点负温度系数的电阻率热循环－＞反偏二次击穿4

BJT的二次击穿现象与安全工作区第二节功率晶体管29反偏二次击穿特性4BJT的二次击穿现象与安全工作区第二节功率晶体管与芯片结构有关与Ube和Rb相关Ube一定时，Rb越大，Es/b越大，不易发生Rb一定时，Ube越小，Es/b越大，不易发生防反偏击穿要求与关断动态指标存在矛盾，需要均衡考虑30安全工作区SOA:（界定器件安全工作的最大范围）

P151页考虑电压／电流／功率／二次击穿多个因素由四条曲线所围成的范围第二节功率晶体管4BJT的二次击穿现象与安全工作区31第二节功率晶体管5达林顿（Darlington）连接大电流BJT的β小，Ibs过大为获得较大β，可将两晶体管组成复合管，即进行达林顿连接β为两级之乘积，起到放大作用但Uces会有一定程度的增加=1+2+12R1R2:提供反向漏电流通路，提高复合管的温度稳定性D2提供反向Ib1通路，加快主管的关段D1寄生二极管，trr大Uces=Uces2+Ube1GTR32复习功率晶体管的稳态特性功率晶体管的开关特性功率晶体管的参数注意几个电压定额定义和相互大小比较正偏二次击穿问题反偏二次击穿问题功率晶体管的安全工作区定义达林顿连接第二节功率晶体管33作业大功率三极管的"SOA"区由哪些曲线组成?第二节功率晶体管34双极性功率晶体管功率场效应晶体管(MOSFET)绝缘栅晶体管（IGBT）第二节功率晶体管351.MOSFET的结构和工作原理

MOSFET的种类

第二节功率晶体管36

结型MOSFET

外加电场控制场效应晶体管栅－源之间PN结耗尽层宽度变化来控制沟道电导1.MOSFET的结构和工作原理

第二节功率晶体管栅漏源37第二节功率晶体管1.MOSFET的结构和工作原理

绝缘栅型MOSFET

栅极G与其余两个电极之间是绝缘的，外加电场控制半导体中感应电荷量的变化控制沟道电导

单极型：导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电大功率MOSFET一般不用P沟道，空穴的迁移率比电子低，导通电阻大按导电沟道可分为P沟道和N沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型38

截止：栅源极间电压为零，漏源极间加正电源P基区与N漂移区之间形成的PN结反偏，漏源极之间无电流流过

第二节功率晶体管1.MOSFET的结构和工作原理

绝缘栅型MOSFET的导电机理39导电：在栅源极间加正电压栅极的正电压会排斥P区中的空穴，而将P区中的少子——电子吸引到栅极下面的P区表面

第二节功率晶体管1.MOSFET的结构和工作原理

绝缘栅型MOSFET的导电机理当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结消失，漏极和源极导电耗尽40VDS＝0，VGS<VT,工作在截止区当VGS>VT,VDS>0,导通，VGD＝VGS-VDS

当VGD＝VGS-VDS<VT时，靠近漏极的沟道夹断第二节功率晶体管1.MO