电力半导体紧件 11电力半导体器件种类与特点 1.1.1平号体器件分类 半导体器件分类方法很多,如按功率等级来分类,有微功率器件、小功率器件、大功 率器件等等;按制造材料分类有锗管、硅管等;按导电机理分类有双极型器件、单极型器 件、混合型器件等;按控制方式来分类,可分为不可控器件、半可控器件和全可控器件三 类器件。 不可控器件包括整流二极管、快速恢复二极管、肖特基二极管等 半可控器件包括普通晶闸管、高频晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。 全可控器件包括功率晶体管(BT)、功率场效应管( Power mosfet),绝缘栅双极型 晶体管(GB)、静电感应晶体管(Sr)、可关断晶闸管(GTO)、静电感应晶闸管 (SrH)等。 1.1.2电力半导体器件愎用号点 电力半导体器件主要用于高电压、大电流的装置中,为避免过大的功率损耗,电力半 导体器件稳态时通常工作在饱和导通与截止两种工作状态。饱和导通时,器件压降很小, 而截止时它的漏电流小得可以忽略,这样在饱和导通与截止两种工作状态下的损耗都很 小,器件近似于理想的开关。因此,饱和导通与截止两种工作状态有时称通、断状态或 开、关状态。例如,图1-1所示电路中Uc=50V, R1=5Q,当V1工作在饱和导通状态时,管压降 Ua≈0.3V,V的管耗Pv=lcxU≈(Uo/R1) xUd=10×0.3=3W,Vl截止的漏电流l=0, 即截止时v的管耗Py≈0。如果v1工作在线性 放大状态时,设l=5A,则Ⅵ1的管耗lxUa= lc×(Uo-fcxR1)=5×(50-5×5)=75W。这样 图1-1简单的B电路
大的管耗将使得ⅥI严重发热,甚至可能超出其安全工作区造成器件损坏。但需要指出的 是,电力半导体器件在开关状态转换过程时并不是瞬时完成的(所需时间称开关时间) 而是要经过一个转换过程(称开关过程),在这个转换过程中开关元件会进人放大区工作, 使开关过程的功率损耗(称开关损耗)剧增,因此应尽量减少器件开关过程的时间或采用 软开关技木降低器件开关损耗。 从使用角度出发,主要可从以下五个方面考查电力半导体器件的性能特点 (1)导通压降。从上面的计算实例可知,半导体器件工作在饱和导通时仍产生一定的 管耗,管耗与器件导通压降成正比,所以应尽量选择低导通压降的电力半导体器件 (2)运行频率。电力半导体器件运行频率除了与器件的最小开、关时间有关外,还受 到开关损耗和系统控制分辨率的限制,器件的开、关时间越短,器件可运行的频率越 高 (3)器件容量:器件容量包括输出功率、电压及电流等级、功率损耗等参数。高电压 等级的功率 MOSFET,导通电阻大,通态功率损耗大,一般应用在中、小功率的高频装置 中。近年来G发展很快,lBT取代BrT已成为现实,甚至有取代GTO的趋势。 (4)耐冲击能力。主要是指器件短时间内承受过电流的能力。半可控器件的耐冲击能 力远高于全可控器件。例如普通晶闸管在工频半个周期内(10ms)可承受20倍以上的额 定电流冲击而不损坏。 (5)可靠性,主要是指器件防止误导通的能力。半可控器件一旦受到干扰信号产生了 误导通,则无法通过控制信号将其关断,因此在主要承受正向阻断电压的有源逆变系统 中,容易造成系统的颠覆。而全可控器件可以通过控制信号迅速关断误导通的器件,因此 系统工作可靠性高。 此外,诸如控制功率、可串并联运行的难易程度、价格等也是选择电力半导体器件应 考虑的因素 1.1.3电力平忌体器件发展水平 电力半导体器件的主要品种及目前可达到水平如下所示 普通整流管:3kA,6kA 整流管{快速恢复二极管:1.2V,40A,0.251 肖特基二极管:100V,3kA 普通晶闸管:5kV,4kA,12kV,1kA 换流关断型快速品闸管:2.V,kA,30s 电力半导体器件{晶闸管 双向晶闸管:1.2kV,lkA 自关断型{04sy,Aky,A SITH: 2kV. 600A BT:1200V,600A 功率: MOSFET:500V,100A 功率晶体管 srT:800v,60A;1.2kV,28A IGBT:4500V,2800A
对上述器件,可以预测的发展趋势是 (1)在整流管类中,快速恢复二极管将有较大的发展。由于逆变器和斩波器中,都需 要快速恢复二极管(功率模块中已集成了这个二极管)续流,以维持电流的连续和通过无 功电流,因此超快速软恢复二极管的性能和数量都会有较大幅度的提高。 (2)晶闸管类中,光控晶闸管主要用于高压直流输电、无功补偿、高压开关等领域 主要向高电压方向发展;晶闸管快速关断与高电压、快速关断与低的通态压降之间的矛盾 是目前研究的重点,世界各国都在从不同的侧面努力攻关,欧美各国主要是发展快速晶闸 管,日本主要是发展Gm0。在高频大功率领域中,上述两种器件正处于竞争的势态。在高 压直流输电中,晶闸管(光控晶闸管)将有很好的发展机遇。 (3)在功率晶体管类中,以GBT发展最为迅速。IB不仅在容量方面而且在控制性 能方面都有令人瞩目的发展,目前ICB最高电压可达450V,相应最大电流可达2800A, 在许多大功率应用场合已有取代GO的趋势。IBT的控制性能也有了很大改善,第三代 KGB已成功地消除了第一代GBT关断拖尾效应。而智能化KGBT,将驱动保护电路与主电 路融为一体,大大简化了控制GBT的外围硬件电路,为人们更安全可靠使用电力电子器 件铺平了道路。目前GBT已成为电力半导体器件的发展平台,其优良的控制性能无疑会 使它获得更快的应用与发展。 1.2功率二极管 1.2.1二极管工作原理与伏安特性 二极管工作原理基于用P型半导体及N型半导体组成的NN结,它具有单向导电性 当外加正向电压(P区加正、N区加负)时,外加电压与内部电场方向相反,削弱了内电 场,空间电荷区变窄,P区多数载流子(空穴)以及N区多数载流子(电子)容易越过势 垒区(耗尽层),使N结导通,形成电流。电流大小由外加电压和外串电阻大小所决 定 二极管外加反向偏压(P区加负、N区加正)时,外加电压与内部电场方向相同,P 区空穴向电源负极方向移动,N区电子向电源正极方向移动,结果使空间电荷区变宽,则 多数载流子的扩散更加困难。虽然P区少数载流子(电子)和N区少数载流子(空穴) 少最载就子耗夕学于 Pun 图1-2二极管耗尽层与少数载流子浓度分布 图」-3二极管伏安特性
凶电场的增大而增强(见图1-2),但少数载流子浓度很低,所以反向电流非常小,在反向 击穿电压U范围以内,反向电流基本上不随反向偏压而变。由此可得二极管的伏安特性 如图1-3所示。 1.2.2功率二极酋亓特性 功率二极管开通时间很短,一般可以忽略不计,但二极管的关断过程较复杂,对电路 的影响不能忽视。 研究二极管关断过程的电路及关断波形如图4所示。示波器用来观察二极管电流i 在取样电阻R上的压降。在t时刻之前,二极管Ⅴ中流过的电流i等于恒流源电流l 二极管承受正向导通压降△U。在t1时刻,脉冲发生器发出的脉冲波反接到二极管V上, 面分三个时间段分析二极管V的关断过程。 恒流源 图14二极管开关 (a)电路图;(b)波形图 t1~h2时段:在反向脉冲波的作用下,二极管V的电流i迅速下降,l2时刻i=0 2~时段:电流丶反向并向负值方向增加,此时段二极管仍承受正向偏压△U 3~t时段:t3时刻丶达负的电流峰值in,然后iy的绝对值迅速减少,i的突变在 电感L中产生一个很高的感应电势加在二极管上,使二极管承受一个较高的反向电压,t4 时刻,二极管反向恢复电流由i下降为零。4以后二极管承受的反向电压恒等于脉冲波 的幅值 图14(b)中,tn=t4-b2,是二极管的反向恢复时间,in是二极管的反向恢复电流, Q是反向恢复电荷。 图14(b)中的波形是由二极管势垒区的电荷分布变化而引起的。在稳态情况下,这 些电荷分布只取决于二极管中的电流,但电流的突然变化并不能立即改变电荷的重新分 布,电荷分布的改变是由电流的变化及电子的复合作用所引起的。当二极管正向偏置时, 尽管通过它的电流反向,但它的结间存贮电荷仍然是一个正的电荷分布。从正的电荷分布 到承受反向偏置时,电荷分布的改变是需要一定时间的。电荷变化的大小,就决定了反向 恢复电流的峰值,如果正向电流很大,那么总的电荷变化就很大,导致in也大。随着 电荷的消失,二极管的电阻增大到一定程度时,就斩断了反向恢复电流。通常二极管参数表
中所给定的数据,是在一定的电路参数条件下测得的。一般情况下,反向恢复时间tn是 个近似的常数。所谓快速恢复二极管,是指它的结构具有存贮电荷少和迅速复合的能力。 普通二极管的反向恢复时间tn>2ps,快速恢复二极管的tn=30 800ns,IN4148小型二极管的反向恢复时间为4ns。在工程计算中, 反向恢复电流一般用1/3的负载电流来估计。由实际测试发现,在高 电压的应用中,反向恢复电流i一般都超过12负载电流值。 如果二极管反向恢复电流很快降到零,那么可以说它是“突然 截止”的,电流的突然下降可能在电路电感中产生一个很高的电压 [参见图14(b)],有可能造成电力电子元件的损坏。为此,有时需 在二极管Ⅴ上跨接一个阻容吸收电路来保护二极管(见图15),当 二极管Ⅴ反向恢复电流“突然截止”时,电路电感中的电流可以经图1二极管阻容 ⅤS、Cs构成通路,防止电路电感中电流突变产生的过电压 吸收电路 超快速软恢复二极管,t小,in也很小,同时i降到零的速率din/dt较慢,所以关 断时所引起的过电压就不严重了。 13功率晶体管 1.3.1概 自从1941年美国巴丁、肖克莱发明晶体管以来,特别是功率晶体管BT( Bipolar Junction Transistor)的诞生与发展,大大促进了电力电子技术的进步及应用范围。功率晶 体管B一般是指壳温为25℃时功耗大于1W的晶体管,或管芯与外壳间热阻小于15℃1 W的晶体管,这两种定义的内含是一致的。 BT是一种双极型半导体器件,即其内部电流由电子和空穴两种载流子形成。基本结 构有NPN和PNP两种。而在电力电子电路中主要采用NPN结构。为了提高BT的耐压 般采用NPN三重扩散结构(图1-6)。 基极发射极 焊料 集电极(C) 集电极桌穿电压lEe(V 图1-6BT内部结构与元件符号 图1-7集电极耐压与单位发射面积 (a)Br内部结构;(b)元件符号 电流密度关系