1、功率電子學(xué)的發(fā)展特征是器件的發(fā)展 慢速 SCR-高速開關(guān)器件 應(yīng)用場(chǎng)合更為廣闊 二極管/晶體管/GTR/MOS/IGBT,第八章 功率晶體管和二極管,常用高頻功率開關(guān)器件,二極管 三極管,GTR MOSFET IGBT,南京航空航天大學(xué)航空電源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,第八章 功率晶體管和二極管,基本要求： 了解各種常用功率晶體管和二極管的基本特性及定額參數(shù)，為設(shè)計(jì)功率電路正確選用功率器件打下基礎(chǔ)。 學(xué)習(xí)內(nèi)容：,一、二極管靜特性 PN節(jié)特性（電壓-電流關(guān)系）,The practical realization of the power diode: n+ substrate.基區(qū). cathode n- e

2、pitaxial.外延層. thickness dependent upon breakdown voltage p+ anode,Basic Structure but adding significant ohmic resistance when the junction forward biased,i-v characteristics,Voltage drop : Vd=Vj+RonIF Vj the voltage across pn junction RonIF the drift region voltage, ohmic-like.,一、二極管靜特性 溫度特性：負(fù)溫度系數(shù),

3、正向?qū)胺聪蚪刂?PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài) PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低，維持在0.51.7V左右，所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài) PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài) PN結(jié)的單向?qū)щ娦?二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征 PN結(jié)的反向擊穿 有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導(dǎo)致熱擊穿,二、二極管的開關(guān)特性 1. 電容效應(yīng)： 節(jié)電容CJ=勢(shì)壘電容CB+擴(kuò)散電容CD 開/關(guān)-充/放電 墊壘電容CB-兩端電壓變化，內(nèi)電場(chǎng)重新建立,等效為CB, 大小與 PN 結(jié)截面積成正比,這與電容基本定義一致 擴(kuò)散電容CD -二極管的電流變化,內(nèi)部存儲(chǔ)電荷變化；空穴從 P 區(qū)到 N 區(qū)，電子從 N 區(qū)到

4、 P 區(qū)電荷不完全復(fù)合,多余部份即為存儲(chǔ)電荷。當(dāng)電流大,存儲(chǔ)電荷增加；當(dāng)電流小,放出電荷；表現(xiàn)出電容特性 勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。勢(shì)壘電容的大小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層厚度成反比；而擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)勢(shì)壘電容為主，正向電壓較高時(shí)擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分 結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作，?yīng)用時(shí)應(yīng)加以注意。,2. 開關(guān)特性 開通過程：正向恢復(fù) 關(guān)斷過程：反向恢復(fù)，反向峰值電流IRR，反向恢復(fù)時(shí)間trr，柔度系數(shù)SF,反向恢復(fù)問題的影響,引起較

5、大的損耗 di/dt造成較大的電磁干擾, 以及尖峰電壓(Lsdi/dt) 限制了二極管的開關(guān)速度,三、二極管的類型（ 重要! ：名稱、分類及應(yīng)用場(chǎng)合） 按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性有不同的分類 應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)合的不同要求，選擇不同類型的功率二極管； 性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的。 分類： 普通二極管 trr 大，適用于低頻,如 1 kHz整流電路 快恢復(fù)二極管 trr5 us，開關(guān)二極管，用于高頻整流/斬波和逆變,其中超快恢復(fù) trr50 ns 肖特基二極管,1. 普通二極管（General Purpose Diode） 又稱整流二極

6、管（Rectifier Diode） 多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中； 其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5s以上，這在開關(guān)頻率不高時(shí)并不重要； 正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。,2. 快恢復(fù)二極管（Fast Recovery DiodeFRD） 恢復(fù)過程很短特別是反向恢復(fù)過程很短（5s以下）的二極管，也簡(jiǎn)稱快速二極管 從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。,超快恢復(fù)二極管Ultra Fast Recovery Diode,3. 肖特基二極管 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成

7、的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管（Schottky Barrier DiodeSBD），簡(jiǎn)稱為肖特基二極管 結(jié)構(gòu)特殊: 金屬層+N,利用接觸勢(shì)壘的單向?qū)щ娮饔?結(jié)構(gòu)/符號(hào),不是完整的 PN 結(jié),肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn) *反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns） * 正向恢復(fù)過程中也不會(huì)有明顯的電壓過沖 *在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管 *其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高 肖特基二極管的弱點(diǎn)： 當(dāng)反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于200V以下； * 反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作

8、溫度。,肖特基伏安特性的比較,肖特基應(yīng)用場(chǎng)合,應(yīng)用于高頻/低壓場(chǎng)合 高頻:因?yàn)槠?trr 小 低壓: 壓降小,器件損耗小 耐壓等級(jí)低限制其在高輸出電壓的應(yīng)用場(chǎng)合,四、二極管的性能參數(shù) 1.最高允許結(jié)溫TjM 2.額定正向平均電流IF 3. 浪涌電流 4.平方電流秒定額 5.反向重復(fù)峰值電壓 6.反向恢復(fù)時(shí)間,正向平均電流IF(AV) 額定電流 在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱殼溫，用TC表示）和散熱條件其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值（與SCR相同） 正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，因此使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。 2. 正向壓降UF 功率二極管在指定

9、溫度下，流過某一特定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降； 3. 反向重復(fù)峰值電壓URRM 對(duì)二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓，通常是其雪崩擊穿電壓的2/3 使用時(shí)常按照電路中功率二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來(lái)選定。 4. 最高工作結(jié)溫TJM 結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示 最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度 TJM通常在125175C范圍之內(nèi) 5. 反向恢復(fù)時(shí)間trr trr= td+ tf ，關(guān)斷過程中，電流降到0起到恢復(fù)反向阻斷能力止的時(shí)間 6. 浪涌電流IFSM 二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。,一、概述 雙極型功率晶體

10、管(電流控制型器件)：GTR BJT: bipolar junction transistorGTR: Giant Transistor power BJT 場(chǎng)控晶體管(電壓型控制器件)：MOSFET，IGBT，等 二、雙極型功率晶體管 1.穩(wěn)態(tài)特性 飽和,截止,放大,臨界飽和基極電流： 式8-21 過驅(qū)動(dòng)系數(shù)： ODF 式8-22 強(qiáng)制電流增益： 式8-23 總導(dǎo)通損耗：,2.開關(guān)特性,圖 8-6 等效電路,開關(guān)時(shí)間定義: 延遲時(shí)間 上升時(shí)間 存儲(chǔ)時(shí)間 下降時(shí)間,開通過程： ib先給結(jié)電容Cbe充電; ic在經(jīng)過td(開通延時(shí))后開始上升 關(guān)斷過程： ib首先將基區(qū)過剩電荷抽走, Cbe仍然

11、正偏,Q仍然導(dǎo)通 經(jīng)過存儲(chǔ)時(shí)間ts后,Q電流方開始下降 再經(jīng)過下降時(shí)間Tf后,才能關(guān)斷,3.晶體管的參數(shù) （1）共射極直流電流放大倍數(shù) （2）集-射飽和壓降 （3） 額定值和二次擊穿 電壓定額: 最大允許電流: 功耗定額: 計(jì)算(P146) 二次擊穿 (4)安全工作區(qū)safe operation area,靜態(tài)參數(shù),極限參數(shù),4. GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū) 一次擊穿（電擊穿） 集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，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(huì)損壞，工作特性也不變 二次擊穿（熱擊穿） 一次擊穿發(fā)生時(shí)Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降 常常立

12、即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變,安全工作區(qū) SOA: 概念見P151頁(yè) 考慮電壓電流功率二次擊穿多個(gè)因素 由四條曲線所圍成的范圍,4. 達(dá)林頓連接,方法:,優(yōu)點(diǎn):放大倍數(shù)變大 缺點(diǎn):飽和壓降變大,大電流GTR的小，Ibs過大 為獲得較大，可將兩晶體管組成復(fù)合管，即進(jìn)行達(dá)林頓連接 為兩級(jí)之乘積，起到放大作用 但Uces會(huì)有一定程度的增加,三、場(chǎng)控半導(dǎo)體器件 MOSFET，IGBT 1.功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （1）分類,B. 寄生電容和體二極管,彌勒電容和彌勒效應(yīng),C Characteristics of the Gate Charge 開關(guān)特性，以開通為例(測(cè)試條件：？),As iG c

13、harges Cgs and Cgd, VGS increases from 0 up to VGS(th). The graph of increasing VGS(t) seems to be increasing linearly, but it is in fact an exponential curve having a time constant of 1 = RG(Cgs + Cgd1). As shown in Figure (a), VDS is still equal to VDD, and iD is zero. The MOSFET is still in the t

14、urn off state.,t0 t1:,VGS increases exponentially passing VGS(th), and as VGS continues to increase, iD begins to increase and reaches full load current (IO). So (Va) varies to IO condition in t2. When iD is smaller than IO, and when it is in a state where the DF is being conducted, VDS maintains th

15、e VDD, but the graph shows the voltage which is a little less than VDD. This is caused by the voltage drop due to the existing inductance in the line of the circuit.,t1 t2:,t2 t3:,VGS is a constant value in accordance with the transfer characteristics as it is in an active region where iD is the ful

16、l load current (IO). So, iG can only flow through Cgd, and is obtained by the following equation.,米勒效應(yīng),It is the period where it operates in an ohmic region. The VGS increases up to VGG with a time constant of 2 = RG(Cgs + Cgd2),t3 t4:,（3）功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的參數(shù)（教材P153） A。靜態(tài)參數(shù) 通態(tài)電阻RDS 及其影響因素 開啟電壓UT B。極限參數(shù) 漏源擊穿電

17、壓U(BR)DS 柵源擊穿電壓 最大允許漏極電流IDM 最大允許功耗 C。安全工作區(qū),D. 動(dòng)態(tài)參數(shù)開關(guān)特性 開通時(shí)間: tON =開通延遲td（on）+上升tr 關(guān)斷時(shí)間: tOF =關(guān)斷延遲ts（off）+下降tf du/dt,2.絕緣柵晶體管IGBT,(1) 符號(hào)和特點(diǎn),掣住效應(yīng) 拖尾電流,三種全控開關(guān)器件的應(yīng)用特點(diǎn)：,思考： 1. 二極管的種類有哪些? 各自的應(yīng)用場(chǎng)合? 2. 二極管的反向恢復(fù)帶來(lái)哪些問題? 3. GTR、MOSFET和IGBT的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合？,本章要點(diǎn)： 名稱、電氣符號(hào)、圖形符號(hào) 特性和適用場(chǎng)合，類型選擇 最基本參數(shù)：1）定額，2）電氣參數(shù)（靜態(tài)，開關(guān)特性） 術(shù)語(yǔ)

18、和定義 其它. 如：安全工作區(qū)，米勒效應(yīng),常用高頻功率開關(guān)器件,二極管 三極管,GTR MOSFET IGBT,1.靜特性 PN結(jié)特性 2.開關(guān)特性 電容效應(yīng)引起: 關(guān)斷過程-反向峰值電流IRR，反向恢復(fù)時(shí)間trr 開通過程-正向恢復(fù) 3. 分類和適用場(chǎng)合 普通二極管:1kHz以下 快/超快恢復(fù)二極管:高頻 肖特基二極管:高頻低壓（=200V） 4. 參數(shù) 額定正向平均電流IF 反向重復(fù)峰值電壓 反向恢復(fù)時(shí)間 正向?qū)▔航?1.靜特性 電流控制型開關(guān)器件 輸入和輸出特性-P141圖8-5 飽和,截止,放大 飽和深度影響:總導(dǎo)通損耗，關(guān)斷速度 2.開關(guān)特性 電容效應(yīng)造成: 開通時(shí)間: tON=延遲時(shí)間td+上升時(shí)間tr 關(guān)斷時(shí)間: tOF=存儲(chǔ)時(shí)間ts+下降時(shí)間tf 3.參數(shù) 電流放大倍數(shù)和飽和壓降(特性) 額定值(極限值):電壓定額BUceo ,BUebo; 最大允許電流ICM 安全工作區(qū): 電流,功耗,電壓,二次擊穿,1. 靜特性:電壓控制型開關(guān)器件 輸出特性和轉(zhuǎn)移特性P156圖8-29 體二極管 2. 開關(guān)特性:寄生電容引起 開通時(shí)間: tON=開通延遲td(on)+上升tr 關(guān)斷時(shí)間: tOF=關(guān)斷延遲ts(off)+下降tf du/dt 3. 參數(shù) 靜態(tài): 通態(tài)電阻RDS（正溫