1、第1章 电力电子器件主要内容：n常用电力电子器件的基本结构、工作原理、外特性、主要参数、开关特性、安全工作区。n这些器件的驱动电路和缓冲电路。1.1 功率二极管1.1.1 功率二极管的结构和工作原理1.功率二极管的结构功率二极管的结构2.功率二极管的工作原理功率二极管的工作原理n由于PN结具有单向导电性，所以二极管是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。1.1.2 功率二极管的特性和主要参数1.功率二极管的特性功率二极管的特性(1)功率二极管的伏安特性n二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必须克服一定的门坎电压Uth(又称死区电压)，当外加电压小于门坎电压时，正向电流几乎为零。硅二
2、极管的门坎电压约为0.5V，当外加电压大于Uth后，电流会迅速上升。当外加反向电压时，二极管的反向电流IS是很小的，但是当外加反向电压超过二极管反向击穿电压URO后二极管被电击穿，反向电流迅速增加。n功率二极管的伏安特性(2)功率二极管的开关特性n由于PN结电容的存在，二极管从导通到截止的过渡过程与反向恢复时间trr、最大反向电流值IRM，与二极管PN结结电容的大小、导通时正向电流IFR所对应的存储电荷Q、电路参数以及反向电流di/dt等都有关。普通二极管的trr=210s，快速恢复二极管的trr为几十至几百ns,超快恢复二极管的trr仅几个ns。n功率二极管的开关特性n2.功率二极管的主要参
3、数功率二极管的主要参数(1)反向重复峰值电压URRM 取反向不重复峰值电压URSM的80称为反向重复峰值电压URRM，也被定义为二极管的额定电压URR。显然，URRM小于二极管的反向击穿电压URO。(2)额定电流IFR 二极管的额定电流IFR被定义为其额定发热所允许的正弦半波电流平均值。其正向导通流过额定电流时的电压降UFR一般为12V。当二极管在规定的环境温度为+40和散热条件下工作时，通过正弦半波电流平均值IFR时，其管芯PN结温升不超过允许值。若正弦电流的最大值为Im，则额定电流为 (1-1)mIttdII1)(sin210mFR(3)最大允许的全周期均方根正向电流IFrmsn二极管流过
4、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为 (1-2)由式(1-1)和(1-2)可得 (1-3)m02mFrms21)()sin(21ItdtIIFRFRFrms57.12III(4)最大允许非重复浪涌电流IFSMn这是二极管所允许的半周期峰值浪涌电流。该值比二极管的额定电流要大得多。实际上它体现了二极管抗短路冲击电流的能力。功率二极管属于功率最大的半导体器件，现在其最大额定电压、电流在6kV、6kA以上。二极管的参数是正确选用二极管的依据。1.2 晶闸管n晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅SCR,普通晶闸管是一种具有开关作
5、用的大功率半导体器件。目前，晶闸管的容量水平已达8kV6kA。1.2.1 晶闸管的结构和工作原理1.晶闸管的结构晶闸管的结构n晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。常见晶闸管的外形有两种：螺栓型和平板型。n晶闸管的结构和等效电路如图1-4 所示，晶闸管的管芯是P1N1P2N2四层半导体，形成3个PN结J1、J2和J3。2.晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理nIGIb2IC2(Ib1)IC1RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)(1)欲使晶闸管导通需具备两个条件：应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。应在晶闸管
6、的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。(2)晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。(3)为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。1.2.2 晶闸管的特性和主要参数1.晶闸管的特性晶闸管的特性(1)晶闸管的伏安特性n晶闸管的伏安特性是晶闸管阳极与阴极间电压UAK和晶闸管阳极电流IA之间的关系特性。n晶闸管的伏安特性(2)晶闸管的门极伏安特性n由于实际产品的门极伏安特性分散性很大，常以一条典型的极限高阻门极伏安特性和一条极限低阻门极伏安特性之间的区域来代表所有器件的伏安特性，由门极正向峰值电流IFGM允许的瞬时最大功率P
7、GM和正向峰值电压UFGM划定的区域称为门极伏安特性区域。PG为门极允许的最大平均功率。其中,0ABC0为不可靠触发区,ADEFGCBA为可靠触发区,n晶闸管的门极伏安特性(3)晶闸管的开关特性n第一段延迟时间td，阳极电流上升到10所需时间，也对应着从(1+2)170)，在稳定的额定结温时所允许的最大通态平均电流。n晶闸管流过正弦半波电流波形如图所示 它的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系表示为：(1-6)正弦半波电流的有效值为：(1-7)(1-8)式中 Kf为波形系数 m0mT(AV)1)(sin21IttdIIm02mT21)()sin(21ItdtII57.1)T(
8、AVTfIIKn流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取(1.52)倍的安全裕量。(3)维持电流IH n在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳极电流。(4)擎住电流IL n晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后，要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住电流IL约为维持电流IH的(24)倍。(5)门极触发电流IGTn在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。(6)门极触发电压UGT n对应于门极触发电
9、流时的门极触发电压。触发电路给门极的电压和电流应适当地大于所规定的UGT和IGT上限，但不应超过其峰值IGFM 和 UGFM。(7)断态电压临界上升率du/dt n在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断态转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压上升率会使晶闸管误导通。(8)通态电流临界上升率di/dt n在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率。在晶闸管开通时，如果电流上升过快，会使门极电流密度过大，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。例1-1 两个不同的电流波形(阴影斜线部分)如图所示，分别流经晶闸管，若各波形的最大值Im=100A,试计算各
10、波形下晶闸管的电流平均值IT(AV)1、IT(AV)2，电流有效值I1、I2n解解：如图所示的平均值和有效值可计算如下：A2.27272.0)(sin21m4/md1ItdtIIA3.3331md2IIA4.47477.0)()sin(21m42m1ItdtIIA7.5531m2II1.2.3 晶闸管的门极驱动电路和缓冲电路1.晶闸管的门极驱动电路晶闸管的门极驱动电路(1)晶闸管对触发电路的基本要求n晶闸管对触发电路的基本要求是：触发信号可以是交流、直流或脉冲，为了减小门极的损耗，触发信号常采用脉冲形式。触发脉冲应有足够的功率。触发电压和触发电流应大于晶闸管的门极触发电压和门极触发电流。触发脉
11、冲应有足够的宽度和陡度。触发脉冲的宽度一般应保证晶闸管阳极电流在脉冲消失前能达到擎住电流，使晶闸管导通，这是最小的允许宽度。一般触发脉冲前沿陡度大于10V/s或800mA/s。触发脉冲的移相范围应能满足变换器的要求。例如，三相半波整流电路，在电阻性负载时，要求移相范围为150；而三相桥式全控整流电路，电阻负载时移相范围为120。(2)触发电路的型式n触发电路可分为模拟式和数字式两种，阻容移相桥、单结晶体管触发电路、锯齿波移相电路和正弦波移相电路均属于模拟式触发电路；而用数字逻辑电路乃至于微处理器控制的移相电路则属于数字式触发电路。(1)晶闸管的缓冲电路n常采用在晶闸管的阴阳极并联RC缓冲器，用
12、来防止晶闸管两端过大的du/dt造成晶闸管的误触发，其中电阻R也能减小晶闸管开通时电容C的放电电流。(2)晶闸管的保护n晶闸管在使用时，因电路中电感的存在而导致换相过程产生Ldi/dt,又因容性的存在或设备自身运行中出现短路、过载等故障，所以其过电压、过电流保护显得尤为重要。1.2.4 晶闸管的派生器件1.快速晶闸管快速晶闸管n快速晶闸管的关断时间50s，常在较高频率(400HZ)的整流、逆变和变频等电路中使用，它的基本结构和伏安特性与普通晶闸管相同。目前国内已能提供最大平均电流1200A、最高断态电压1500 V的快速晶闸管系列，关断时间与电压有关，约为25s50s。2.双向晶闸管双向晶闸管
13、n双向晶闸管不论从结构还是从特性方面来说，都可以看成是一对反向并联的普通晶闸管。在主电极的正、反两个方向均可用交流或直流电流触发导通。n双向晶闸管在第和第象限有对称的伏安特性。3.逆导晶闸管逆导晶闸管n逆导晶闸管是将晶闸管和整流管制作在同一管芯上的集成元件。n由于逆导晶闸管等效于反并联的普通晶闸管和整流管，因此在使用时，使器件的数目减少、装置体积缩小、重量减轻、价格降低和配线简单，特别是消除了整流管的配线电感，使晶闸管承受的反向偏置时间增加。4.光控晶闸管光控晶闸管n光控晶闸管(Light Activated Thyristor)是利用一定波长的光照信号控制的开关器件。其结构也是由P1N1P2
14、N2四层构成。n光控晶闸管的伏安特性光控晶闸管的参数与普通晶闸管类同，只是触发参数特殊，与光功率和光谱范围有关。1.3 可关断晶闸管n可关断晶闸管GTO(Gate Turn-Off Thyristor)，可用门极信号控制其关断。n目前，GTO的容量水平达6000A/6000V，频率为1kHZ。1.3.1 可关断晶闸管的结构和工作原理 1.可关断晶闸管的结构可关断晶闸管的结构nGTO的内部包含着数百个共阳极的小GTO元，它们的门极和阴极分别并联在一起，这是为了便于实现门极控制关断所采取的特殊设计。n可关断晶闸管的结构、等效电路和符号2.可关断晶闸管的工作原理可关断晶闸管的工作原理(1)开通过程n
15、GTO也可等效成两个晶体管P1N1P2和N1P2N2互连，GTO与晶闸管最大区别就是导通后回路增益1+2数值不同。晶闸管的回路增益1+2常为1.15左右，而GTO的1+2非常接近1。因而GTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳极电流提供有利条件。(2)关断过程n当GTO已处于导通状态时，对门极加负的关断脉冲，形成IG，相当于将IC1的电流抽出，使晶体管N1P2N2的基极电流减小，使IC2和IK随之减小，IC2减小又使IA和IC1减小，这是一个正反馈过程。当IC2和IC1的减小使1+21时，等效晶体管N1P2N2和P1N1P2退出饱和，GTO不满足维持导通条件，阳极电流下降到零而关断。nGT
16、O关断时，随着阳极电流的下降，阳极电压逐步上升，因而关断时的瞬时功耗较大，在电感负载条件下，阳极电流与阳极电压有可能同时出现最大值，此时的瞬时关断功耗尤为突出。n由于GTO处于临界饱和状态，用抽走阳极电流的方法破坏临界饱和状态，能使器件关断。而晶闸管导通之后，处于深度饱和状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断。1.3.2 可关断晶闸管的特性和主要参数(1)GTO的阳极伏安特性 n(2)GTO的开通特性 n开通时间ton由延迟时间td和上升时间tr组成,(3)GTO的关断特性 nGTO的关断过程有三个不同的时间，即存储时间ts、下降时间tf及尾部时间tt。n存储时间ts：对应着从关断过程开始，到
17、阳极电流开始下降到90%IA为止的一段时间间隔。n下降时间tf：对应着阳极电流迅速下降，阳极电压不断上升和门极反电压开始建立的过程。n尾部时间tt：则是指从阳极电流降到极小值时开始，直到最终达到维持电流为止的时间。nGTO的关断特性nGTO关断时间的大部分功率损耗出现在尾部时间，在相同的关断条件下，不同型号GTO相应的尾部电流起始值和尾部电流的持续时间均不同。在存储时间内，过大的门极反向关断电流上升率会使尾部时间加长。此外，过高的du/dt会使GTO因瞬时功耗过大而在尾部时间内损坏管子。因此必须设计适当的缓冲电路。2.可关断晶闸管的主要参数可关断晶闸管的主要参数nGTO有许多参数与晶闸管相同，
18、这里只介绍一些与晶闸管不同的参数。(1)最大可关断阳极电流IATOn电流过大时1+2稍大于1的条件可能被破坏，使器件饱和程度加深，导致门极关断失败。(2)关断增益offnGTO的关断增益off为最大可关断阳极电流IATO与门极负电流最大值IgM之比off通常只有5左右。1.3.3 可关断晶闸管的安全工作区nGTO安全工作区是指在门极加负脉冲关断信号时，GTO能够可靠关断的阳极电流与阳极电压的轨迹。既然是在一定条件下确定的安全运行范围，如条件改变，比如门极驱动电路或缓冲电路参数改变之后，安全工作区也随之改变，实际实用中应加以注意。nGTO的安全工作区1.3.4 门极驱动电路和缓冲电路1.可关断晶
19、闸管的门极驱动电路可关断晶闸管的门极驱动电路n影响GTO导通的主要因素有：阳极电压、阳极电流、温度和门极触发信号等。阳极电压高，GTO导通容易，阳极电流较大时易于维持大面积饱和导通，温度低时，要加大门极驱动信号才能得到与室温时相同的导通效果。(1)对门极触发信号的要求n因为GTO工作在临界饱和状态，所以门极触发信号要足够大，n脉冲前沿(正、负脉冲)越陡越有利，而后沿平缓些好。正脉冲后沿太陡会产生负尖峰脉冲；负脉冲后沿太陡会产生正尖峰脉冲，会使刚刚关断的GTO的耐压和阳极承受的du/dt降低。n为了实现强触发，门极正脉冲电流一般为额定触发电流(直流)的(35)倍。(2)门极触发方式nGTO门极触
20、发方式通常有下面三种：直流触发n在GTO被触发导通期间，门极一直加有直流触发信号。连续脉冲触发n在GTO被触发导通期间，门极上仍加有连续触发脉冲，所以也称脉冲列触发。单脉冲触发n即常用的脉冲触发，GTO导通之后，门极触发脉冲即结束。n采用直流触发或脉冲列触发方式GTO的正向管压降较小。采用单脉冲触发时，如果阳极电流较小，则管压降较大，用单脉冲触发，应提高脉冲的前沿陡度，增大脉冲幅度和宽度，才能使GTO的大部分或全部达饱和导通状态。(3)门极关断控制 恒压源关断控制n恒压源关断控制电路如图1-23所示，晶体管V1控制GTO触发导通；V2控制GTO关断。关断电源E2须小于GTO的门极反向电压UGR
21、M之值，否则会引起GTO产生雪崩电流。变压源关断控制n变压源关断控制如图1-24所示，晶体管V通过电容C供给GTO触发脉冲信号，GTO导通时，电容C充电。当关断信号加到可控硅SCR使其导通，电容C经SCR放电，为GTO门阴极提供一个负脉冲电压，从而关断GTO。脉冲变压器关断控制电路n当需要把门极控制电路与主回路隔离时，可采用脉冲变压器提供控制信号。脉冲变压器关断控制电路如图1-25所示。2.可关断晶闸管的缓冲电路可关断晶闸管的缓冲电路n电力电子器件开通时流过很大的电流，阻断时承受很高的电压；尤其在开关转换的瞬间，电路中各种储能元件的能量释放会导致器件经受很大的冲击，有可能超过器件的安全工作区而
22、导致损坏。附加各种缓冲电路，目的不仅是降低浪涌电压、du/dt和di/dt,还希望能减少器件的开关损耗、避免器件损坏和抑制电磁干扰，提高电路的可靠性。(1)缓冲电路n吸收过电压的有效方法是在器件两端并联一个吸收过电压的阻容电路。n如果吸收电路元器件的参数选择不当，或连线过长造成分布电感LS过大等，也可能产生严重的过电压。(2)缓冲电路元件的选择n应选取较小的RS，RS的阻值一般应选取1020。RS不应选用线绕式的，而应是涂膜工艺制作的无感电阻。n要求二极管VDS能快速开通、反向恢复时间trr短和反向恢复电荷Qr尽量小。n吸收电路中的CS也应当是无感元件，以尽可能减小吸收电路的杂散分布电感LS。
23、1.4 双极型功率晶体管 n双极型功率晶体管BJT的容量水平已达1.8kVlkA，频率为20kHz。1.4.1 双极型功率晶体管的结构和工作原理n1.双极型功率晶体管的结构双极型功率晶体管的结构n2.双极型功率晶体管的工作原理双极型功率晶体管的工作原理n以NPN型双极型功率晶体管为例，若外电路电源使UBC0,则发射结的PN结处于正偏状态。此时晶体管内部的电流分布为：n(1)由于UBC0,发射结处于正偏状态，P区的多数载流子空穴不断地向N区扩散形成空穴电流IPE,N区的多数载流子电子不断地向P区扩散形成电子电流INE。n单个BJT电流增益较低，驱动时需要较大的驱动电流，由于单级高压晶体管的电流增
24、益仅为10左右，为了提高电流增益，常采用达林顿结构，如每级有10倍的增益，则3级达林顿结构的电流增益可达1000左右。1.4.2 双极型功率晶体管的特性和主要参数1.双极型功率晶体管的特性双极型功率晶体管的特性(1)BJT的输出特性nBJT的输出特性是指在一定的基极电流IB下，管子的集射极之间的电压UCE同集电极电流IC的关系特性。晶体管有放大、饱和与截止三种工作状态。nBJT的输出特性(2)BJT的开关特性n晶体管有线性和开关两种工作方式。当只需要导通和关断作用时采用开关工作方式。BJT主要应用于开关工作方式。开关响应特性n在开关工作方式下，用一定的正向基极电流IB1去驱动BJT导通，而用另
25、一反向基极电流IB2迫使BJT关断，由于BJT不是理想开关，故在开关过程中总存在着一定的延时和存储时间。nBJT的开关响应特性n延迟时间td：加入IB1以后一段时间里，iC仍保持为截止状态时的很小电流直到iC上升到0.1I CS。n上升时间tr：iC不断上升，直到iC=ICS，BJT进入饱和状态。tr指iC从0.1ICS上升到0.9ICS所需要的时间。nBJT的开通时间ton：延迟时间td和上升时间tr之和。即 ton=td+tr (1-9)n当基极电流突然从正向IB1变为反向IB2时，BJT的集电极电流iC并不立即减小，仍保持ICS，而要经过一段时间才下降。n存储时间ts：把基极电流从正向I
26、B1变为反向IB2时到iC下降到0.9ICS所需的时间。n下降时间tf：iC继续下降，iC从0.9ICS下降到0.1ICS所需的时间。n此后，iC继续下降，一直到接近反向饱和电流为止，这时BJT完全恢复到截止状态。nBJT的关断时间toff：存储时间ts和下降时间tf之和，即 toff=ts+tf (1-10)td存在原因n基极驱动信号到来之前，发射结和集电结都处于反偏状态，它们的空间电荷区较宽。当Ui到来时，虽然基极电流立即上升到IB1，但发射结仍然处于反偏状态。IB1提供空穴，填充发射结空间电荷区，抵消部分静电荷，使空间电荷区变窄，发射结反偏变小。只有发射结接近正向偏置时，iC才开始上升，
27、在这段时间内有IB1而几乎无iC，由于发射结和集电结势垒电容效应，只有势垒电容充电到一定程度，BJT才开始导通，所以存在延迟时间td。tr存在原因n发射结进入正偏，此后，正偏不断增大，iC不断上升，BJT接近或进入饱和区。IB1一方面继续给发射结和集电结势垒电容充电，另一方面使基区的电荷积累增加，并且还补充基区复合所消耗的载流子，这就存在着上升时间tr。tf存在原因n当Ui变为负值，基极电流变为IB2，但iC不立即变小，而是当基区的电荷减少一定程度，IC才开始下降，所以存在存储时间ts。当发射结由正偏变为反偏，集电结和发射结电荷区变宽，iC下降较快，这就有下降时间tf。nBJT的开关时间对它的
28、应用有较大的影响，选用BJT时，应注意其开关频率。应使输入脉冲持续时间大于BJT开关时间。n改善措施 为了使BJT快速导通，缩短开通时间ton，驱动电流必须具有一定幅值，前沿较陡的正向驱动电流，可加速BJT的导通；为加速BJT关断，缩短关断时间toff，驱动电流必须具有一定幅值的反向驱动电流，过冲的负向驱动电流，可缩短关断时间。n驱动电流的理想波形2.双极型功率晶体管的主要参数双极型功率晶体管的主要参数(1)BJT的电流放大倍数值：定义为晶体管的集电极电流变化率和基极电流变化率之比。(2)BJT的反向电流：BJT的反向电流会消耗一部分电源能量，会影响管子的稳定性。常希望反向电流尽可能小。有IC
29、BO、ICEO和IEBO。(3)BJT的反向击穿电压：BJT的反向击穿电压决定管子承受外加电压的上限。有U(BR)EBO、U(BR)CBO、U(BR)CEO(4)BJT的极限参数：集电极允许流过的最大电流ICM，集电极最大允许耗散功率PCM,最大允许结温TJM和击穿电压。1.4.3 双极型功率晶体管的安全工作区1.正向偏置安全工作正向偏置安全工作区区nBJT的正向偏置安全工作区是由最大集电极电流ICM、集电极最大允许耗散功率PCM、二次击穿耐量有关的PSB和集射极最大电压U(BR)CEO所组成的区域。2.反向偏置安全工作区反向偏置安全工作区n为了使晶体管截止而不被击穿，电压与电流的工作点必须选
30、在反向安全工作区之内。反向偏置基极电流不同时，反向安全工作区宽窄也不同，若反向偏置基极电流增加时，反向安全工作区变窄。3.双极型功率晶体管的二次击穿双极型功率晶体管的二次击穿(1)PN结的反向击穿nPN结的反向击穿，可分为三种类型：热电击穿、隧道击穿和雪崩击穿。热电击穿n当外加反向电压升高时，较大的反向电流引起热损耗，导致器件的结温升高，促使本征载流子浓度明显增加，使反向电流增长更快。形成强烈的正反馈，最后导致PN结击穿。隧道击穿(齐纳击穿)n如果PN结势垒区的电场很强，穿过禁带的电子很多，反向电流增长很快，从而引起了PN结击穿。雪崩击穿n在反向高电压下，PN结势垒区的电场很强，载流子在强电场
31、中得到大的动能，从而成为“热”载流子，“热”载流子与晶格原子相碰撞，使晶格原子价带内的电子被激发到导带，形成电子-空穴对。不断地发生碰撞，不断地产生第二、三、四代电子-空穴对，使载流子成倍增加，从而引起了PN结击穿。大功率电力电子器件中，雪崩击穿是常见击穿现象。(2)二次击穿的过程和特点n晶体管二次击穿特性如图所示，分别代表BJT发射极为正偏压、零偏压和负偏压时的二次击穿特性，现在以零偏压为例分析二次击穿现象的发生过程，当电压UCE增大到达D点时，集电极发生雪崩效应，晶体管的电流上升到B点，经过一短暂的时间后，电压将会突然减小到E点。同时电流急骤增大。如果没有适当的保护措施，电流将继续增大到
32、F点，从而会造成晶体管永久性损坏。这种从高电压小电流向低电压大电流跃变并伴随着电流急骤增大的现象，称为晶体管的二次击穿。n晶体管二次击穿特性n晶体管二次击穿的特点：在二次击穿点停留的时间 称为二次击穿的延迟时间，对于不同类型的二次击穿，这一时间的长短相差很大。从B点到E 点的过渡几乎是瞬时的，晶体管的状态不可能稳定在BE这一区域内，而且到E点是不可逆的。即使使晶体管回到触发前的状态，但重复几次仍然会使晶体管变成永久性失效。在E点的电压称为二次击穿的维持电压。维持电压都在10V15V左右。(3)产生二次击穿的原因n二次击穿主要是由于器件芯片局部过热引起。n在正向偏置时，温度升高是由热不均衡性引起
33、的。由于晶体管的结面上有缺陷和参数分布不均匀，导致电流分布不均匀，从而引起温度分布不均匀。温度高的局部区域载流子浓度将增加，使电流更加密集，这种恶性循环形成热不稳定性。如果局部区域所产生的热量不能及时散发，将使电流上升失去控制。一旦温度达到材料熔点，便造成永久性破坏。n反向偏置时，温度升高是由雪崩击穿引起的。由于发生一次雪崩击穿之后，在某些点上因电流密度过大，改变了结电场分布，产生负阻效应，从而使局部温度过高的一种现象。n二次击穿最终是由于局部过热而引起，而热点的形成需要能量的积累，即需要一定的电压、电流和一定的时间。因此，集电极电压、电流、负载性质、导通脉冲宽度、基极电路的配置以及材料、工艺
34、等因素都对二次击穿有一定的影响。1.4.4 驱动电路和缓冲电路1.双极型功率晶体管的驱动电路双极型功率晶体管的驱动电路(1)BJT的驱动电路的重要性n驱动电路性能不好，轻则使BJT不能正常工作，重则导致BJT损坏。其特性是决定电流上升率和动态饱和压降大小的重要因素之一。n增加基极驱动电流使电流上升率增大，使BJT饱和压降降低，从而减小开通损耗。n过大的驱动电流，使BJT饱和过深，退出饱和时间越长，对开关过程和减小关断损耗越不利。n驱动电路是否具有快速保护功能，是决定BJT在过电压或过电流后是否损坏的关键因素之一。nBJT对基极驱动电路的基本要求：BJT导通时，基极电流值在最大负载下应维护BJT
35、饱和导通，电流的上升率应充分大，以减小开通时间。BJT关断时，反向注入的基极电流峰值及下降率应充分大，以缩短关断时间。为防止关断时的尾部效应而导致BJT的损坏，驱动电路应提供给基射结合适的反偏电压，促使BJT快速关断，防止二次击穿。BJT瞬时过载时，驱动电路应能相应地提供足够大的驱动电流，保证BJT不因退出饱和区而损坏。BJT导通过程中，如果BJT集射结承受电压或流过它的电流超过了设定的极限值，应能自动切除BJT的基极驱动信号。n为了提高工作速度，降低开关损耗，多采用抗饱和措施；为了确保器件使用安全，尽可能采用多种保护措施，为了使电路简化，功能齐全，应尽可能采用集成器件。(2)BJT驱动电路的
36、设计方法 开通与通态n基极电流应尽可能大，以便开通或关断大的集电极电流。但基极电流过大会造成电路过饱和，增大了关断时间，反而降低了承受破坏的能力。因此，基极电流按下式取值：IB1=(1.52)ICmax/(1-11)关断与断态n反向基极电流IB2较大，BJT的关断时间缩短，但是IB2增大，浪涌电压增大，反向偏置安全工作区变窄，确定IB2必须考滤到使用频率、反向偏置安全工作区、存储时间和下降时间。所以在实际应用中，IB2最大峰值为IB1的(23)倍。(3)基极驱动电路的基本型式 恒流驱动电路n“恒流驱动”是指BJT的基极电流保持恒定，不随集电极电流变化而变化。为了保证BJT在任何负载情况下都能处
37、于饱和导通，所需的基极电流IB应按BJT最大可能通过的集电极电流ICmax来设计，即 IBICmax/(1-12)n恒流驱动使空载时饱和深度加剧，存储时间大。为了克服上述弊端常需采用其他辅助措施。抗饱和贝克箝位电路如图所示，将多余的基极电流从集电极引出，使BJT在不同集电极电流情况下都处于饱和状态。n箝位二极管VD2必须是快速恢复二极管且其耐压必须和BJT的耐压相当。由于电路工作于准饱和状态，其正向压降增加，增大了导通损耗。截止反偏驱动电路 n当ui为高电平时，晶体管V1及V2导通，正电源+VCC经过电阻R3及V2向BJT提供正向基极电流，使BJT导通。当ui为低电平时，V1及V2截止而V3导
38、通，负电源-VCC加于BJT的发射结上，BJT基区中的过剩载流子被迅速抽出，BJT迅速关断。n固定反偏互补驱动电路 2.双极型功率晶体管的缓冲电路双极型功率晶体管的缓冲电路nBJT的缓冲器常采用阻容二极管RCD的吸收网络n此处电阻R应选用电感量较小的电阻，电容C应选用低串联电阻、电感小且频率特性好的电容。n未加缓冲电路时，在开通和关断过程中的某一时刻，会出现集电极电压uC和集电极电流iC同时达到最大值的情况。这时瞬时开关损耗也最大。n采用开通和关断缓冲电路，其负载线轨迹如图(c)的实线所示。n缓冲电路所以能够减小开关器件的开关损耗，是因为把开关损耗由器件本身转移至缓冲电路内，根据这些被转移的能
39、量如何处理，引出了两类缓冲电路：n一类是耗能式缓冲电路，即转移至缓冲器的开关损耗能量消耗在电阻上，这种电路简单，但效率低；n另一类是馈能式缓冲电路，即将转移至缓冲器的开关损耗能量以适当的方式再提供给负载或回馈给供电电源，这种电路效率高但电路复杂。1)耗能式缓冲电路 关断缓冲电路n电容越大du/dt越小。BJT集电极电压被电容电压牵制，所以不再会出现瞬时尖峰功耗。开通缓冲电路n如果缓冲电感LS采用饱和电抗器则效果会更好。因为只要设计得当，使得缓冲电感在集电极电压下降到零后处于饱和状态，而在饱和之前呈现高阻抗，因而开通损耗亦较小。复合缓冲电路(2)馈能式缓冲电路n将储能元件中的储能通过适当的方式回
40、馈给负载或电源，可以提高装置的效率。在馈能过程中，由于采用的元件不同，又可分为无源和有源两种方式。馈能式关断缓冲电路 馈能式开通缓冲电路 馈能式复合缓冲电路3.BJT的保护电路的保护电路(1)过电流、短路保护n由于BJT存在二次击穿等问题，由于二次击穿很快，远远小于快速熔断器的熔断时间，因此诸如快速熔断器之类的过电流保护方法对BJT类电力电子设备来说是无用的。nBJT的过电流保护要依赖于驱动和特殊的保护电路。电压状态识别保护n当BJT处于过载或短路故障状态时,随着集电极电流的急剧增加,其基射极电压和集射极电压均发生相应变化,可利用这一特点对BJT进行过载和短路保护。桥臂互锁保护n 逆变器运行时
41、，可能发生桥臂短路故障，造成器件损坏。只有确认同一桥臂的一个BJT关断后，另一个BJT才能导通。这样能防止两管同时导通，避免桥臂短路。nBJT的热容量极小，过电流能力很低，要求故障检测、信号传送及保护动作能瞬间完成，要在微秒级的时间内将电流限制在过载能力的限度以内。(2)欠饱和及过饱和保护nBJT的二次击穿多由于BJT工作于过饱和状态引起的，而过基极驱动引起的过饱和又使BJT的存储时间不必要地加长，直接影响着BJT的开关频率，所以BJT的过饱和及欠饱和保护对它的安全可靠工作有着极其重要的作用。通常欠饱和保护可根据被驱动BJT的基射极电压降的高低来自动调节基极驱动电流的大小，构成准饱和基极驱动器
42、来完成。(3)基极驱动电路电源电压监控保护nBJT是电流控制器件，基极驱动电路自身电源影响着被驱动BJT的可靠工作，这就要求一个较理想的基极驱动电路，应有自身工作电源电压监控保护。当电源电压低于一定值时，则通过自动电路保证BJT不能被驱动，以免BJT在关断时损坏BJT。4.BJT应用时应注意事项应用时应注意事项(1)BJT的工作点是随所选电压和电流的不同而变化的，特性表中的参数是在特定条件下的参数值，而且是指环境温度为+25下的数值。(2)当环境温度高于+25时，BJT功率应适当降低，一般可按下述公式计算 PCM=(T1-T0)/RT (1-13)n提高BJT可靠性的具体措施是：增大电压和电流
43、裕量，同时改善散热条件。(3)BJT电流、功率增益随工作频率而改变。当BJT工作于开关状态时，只工作于饱和状态和截止状态，放大区参数是没有意义的。(4)BJT应尽量避免靠近发热元件，以保证管壳散热良好。当BJT的耗散功率5W时，应加散热器。(5)焊接BJT时，应采用熔点不超过150的低熔点焊锡；电烙铁以60W以下为宜，时间不超过5s。(6)为了减少值对温度的依赖性，应尽可能采用与值变化关系不大的电路设计方案。(7)对于功放管，为避免其过热，最有效的方法是采用热敏电阻器保护。(8)为防止BJT二次击穿，尽量避免采用电抗成分过大的负载，并合理选择工作点及工作状态，使之不超过功率管的安全工作区。1.
44、5 功率场效应晶体管n根据其结构不同分为结型场效应晶体管，金属-氧化物-半导体场效应晶体管。n根据导电沟道的类型可分为N沟道和P沟道两大类；n根据零栅压时器件的导电状态又可分为耗尽型和增强型两类，n目前功率MOSFET的容量水平为50A500 V，频率为100kHz。1.5.1 结构和工作原理1.功率场效应晶体管的结构功率场效应晶体管的结构nVDMOS结构采用垂直导电的双扩散MOS结构，利用两次扩散形成的P型和N+型区，在硅片表面处的结深之差形成沟道，电流在沟道内沿表面流动，然后垂直被漏极接收。nVDMOS管的衬底是重掺杂(超低阻)N+单晶硅片，其上延生长一高阻N层(最终成为漂移区，该层电阻率
45、及外延厚度决定器件的耐压水平),在N上经过P型和N型的两次扩散，形成N+NPN+结构。n栅极为零偏压时，iD被P型体区阻隔，漏源之间的电压UDS加在反向PN结上，整个器件处于阻断状态。当栅极正偏压超过阈值电压UT时 沟通道由P型变成N+型，这个反型的沟道成为iD电流的通道，整个器件又处于导通状态。它靠N+型沟道来导电故称之为N沟道VDMOS管。在MOSFET中只有一种载流子(N沟道时是电子，P沟道时是空穴)。由于电子的迁移率比空穴高3倍左右，从减小导通电阻增大导通电流计，一般常用N沟道器件。n功率MOSFET在特性上的优越之处在于没有热电反馈引起的二次击穿、输入阻抗高、跨导的线性度好和工作频率
46、高。n2.功率场效应晶体管的工作原理功率场效应晶体管的工作原理n当栅源极电压UGS0时，漏极下的P型区表面不出现反型层，无法沟通漏源。此时即使在漏源之间施加电压也不会形成P区内载流子的移动，即VMOS管保持关断状态。n当栅源极电压UGS0且不够充分时，栅极下面的P型区表面呈现耗尽状态，还是无法沟通漏源，此时VMOS管仍保持关断状态。n当栅源极电压UGS或超过强反型条件时，栅极下面的硅的表面从P型反型成N型，形成N型表面层并把源区和漏区联系起来,从而把漏源沟通，使VMOS管进入导通状态。1.5.2 特性和主要参数1.功率场效应晶体管的特性功率场效应晶体管的特性(1)功率MOSFET的转移特性n转
47、移特性表示功率MOSFET的输入栅源电压UGS与输出漏极电流ID之间的关系。转移特性表示功率MOSFET的放大能力，与BJT中的电流增益相仿，由于功率MOSFET是电压控制器件，因此用跨导这一参数来表示。n（a）功率MOSFET的转移特性(2)功率MOSFET的输出特性n当栅源电压UGS一定时，漏极电流ID与漏源电压UDS间关系曲线称为VMOSFET的输出特性。只有当栅源电压UGS达到或超过强反型条件时，使MOSFET进入导通状态。栅源电压UGS越大，漏极电流越大，可见漏极电流ID受栅源电压 UGS的控制。输出特性分为三个区域，可调电阻区、饱和区和雪崩区。n在可调电阻区内，器件的电阻值是变化的
48、。当栅源电压UGS一定时，器件内的沟道已经形成，若漏源电压UDS很小时，对沟道的影响可忽略，此时沟道的宽度和电子的迁移率几乎不变，所以ID与UDS几乎呈线性关系。n在饱和区中，当UGS不变时，ID趋于不变。当UDS增大至使漏极PN结反偏电压过高，发生雪崩击穿，ID突然增加，此时进入雪崩区，直至器件损坏。使用时应避免出现这种情况。(3)功率MOSFET的开关特性n因为MOSFET存在输入电容Ci，Ci有充电过程，栅极电压UGS呈指数曲线上升,当UGS上升到开启电压UT时，开始出现漏极电流iD，从脉冲电压的前沿到iD出现，这段时间称为开通延迟时间td。n随着UGS增加，iD上升，从有iD到iD达到
49、稳态值所用时间称为上升时间tr。开通时间ton可表示为 tontdtr (1-14)n当脉冲电压下降到零时，栅极输入电容Ci通过信号源内阻RS和栅极电阻RG开始放电，栅极电压UGS按指数曲线下降，当下降到UGSP时，漏极电流才开始减小，这段时间称为关断延迟时间ts。n之后，Ci 继续放电，从iD减小，到UGSUT沟道关断，iD下降到零。这段时间称为下降时间tf。关断时间toff可表示为 tofftstf (1-15)n由上分析可知，改变信号源内阻RS，可改变Ci 充、放电时间常数，影响开关速度。n功率MOSFET开关特性(4)安全工作区(SOA)n功率MOSFET没有二次击穿问题，具有非常宽的
50、安全工作区，特别是在高电压范围内，但是功率MOSFET的通态电阻比较大，所以在低压部分不仅受最大电流的限制，还要受到自身功耗的限制。正向偏置安全工作区 正向偏置安全工作区(FBSOA)n正向偏置安全工作区由四条边界极限所包围的区域。漏源通态电阻线，最大漏极电流线，最大功耗限制线和最大漏源电压线，开关安全工作区(SSOA)n开关安全工作区(SSOA)表示器件工作的极限范围。在功率MOSFET换流过程中，当器件体内反并联二级管从导通状态进入反向恢复期时，如果漏极电压上升过大，则很容易造成器件损坏。二极管反向恢复期内漏源极的电压上升率称为二极管恢复耐量，二极管恢复耐量是功率MOSFET可靠性的一个重
