《功率半导体器》word版

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1、第一章功率半导体器件1.1概述1.1.1功率半导体器件的定义图1-1为电力电子装置的示意图，输入电功率经功率变换器变换后输出至负载。功率变换器即为通常所说的电力电子电路（也称主电路），它由电力电子器件构成。目前，除了在大功率高频微波电路中仍使用真空管（电真空器件）外，其余的电力电子电路均由功率半导体器件组成。图1-1电力电子装置示意图一个理想的功率半导体器件、应该具有好的静态和动态特性，在截止状态时能承受高电压且漏电流要小；在导通状态时，能流过大电流和很低的管压降；在开关转换时，具有短的开、关时间；通态损

2、耗、断态损耗和开关损耗均要小。同时能承受高的di/dt和du/dt以及具有全控功能。1.1.2功率半导体器件的发展功率半导体器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。从1958年美国通用电气公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由功率半导体器件构成的变流器时代。功率半导体器件的发展经历了以下阶段：大功率二极管产生于20世纪40年代，是功率半导体器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。目前已形成整流二极管（RectifierDiod

3、e）、快恢复二极管（FastRecoveryDiode—FRD）和肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode—SBD）等3种主要类型。晶闸管（Thyristor,orSiliconControlledRectifier—SCR）可以算作是第一代电力电子器件，它的出现使电力电子技术发生了根本性的变化。但它是一种无自关断能力的半控器件，应用中必须考虑关断方式问题，电路结构上必须设置关断（换流）电路，大大复杂了电路结构、增加了成本、限制了在频率较高的电力电子电路中的应用。此外晶闸管的开关频率也不高，

4、难于实现变流装置的高频化。晶闸管的派生器件有逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。20世纪70年代出现了称之为第二代的自关断器件，如门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO），大功率双极型晶体管（BipolarJunctionTransistor—BJT,orGiantTransistor—GTR），功率场效应管（PowerMetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor—PowerMOSFET）等。20世纪80年代出现了以绝缘栅极双极

5、型晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor—IGBT,orIGT）为代表的第三代复合导电机构的场控半导体器件。20世纪80年代后期，功率半导体器件的发展趋势为模块化、集成化，按照电力电子电路的各种拓朴结构，将多个相同的功率半导体器件或不同的功率半导体器件封装在一个模块中，这样可缩小器件体积、降低成本、提高可靠性。值得指出的是新的一代器件的出现并不意味着老的器件被淘汰，世界上SCR产量仍占全部功率半导体器件总数的一半，是目前高压、大电流装置中不可替代的元件。1.1.2功率半导体

6、器件的分类功率半导体器件可按可控性、驱动信号类型来进行分类。1．按可控性分类根据能被驱动（触发）电路输出控制信号所控制的程度，可将功率半导体器件分为不控型器件、半控型器件、全控型器件等3种。（1）不控型器件不能用控制信号来控制开通、关断的功率半导体器件。（2）半控型器件能利用控制信号控制其导通，但不能控制其关断的功率半导体器件称为半控型器件。（3）全控型器件能利用控制信号控制其导通，也能控制其关断的功率半导体器件称为全控型器件，通常也称为自关断器件。2．按驱动信号类型分类（1）电流驱动型通过在控制端注入或

7、抽出电流来实现开通或关断的器件称为电流驱动型功率半导体器件。GTO、GTR为电流驱动型功率半导体器件。（2）电压驱动型通过在控制端和另一公共得端加入一定的电压信号来实现开通或关断的器件称为电压驱动型功率半导体器件。P-MOSFET、IGBT为电压驱动型功率半导体器件。1.2大功率二极管1.2.1大功率二极管的结构大功率二极管的内部结构是一个具有Ｐ型及Ｎ型两层半导体、一个PN结和阳极A、阴极K的两层两端半导体器件，其符号表示如图1-2a）所示。           a）符号b）螺旋式c）平板式       

8、                       图1-2大功率二极管从外部构成看，也分成管芯和散热器两部分。这是由于二极管工作时管芯中要通过强大的电流，而PN结又有一定的正向电阻，管芯要因损耗而发热。为了管芯的冷却，必须配备散热器。一般情况下，200A以下的管芯采用螺旋式（图1-2b）），200A以上则采用平板式（图1-2c））。1.2.2大功率二极管的特性1．大功率二极管的伏安特性二极管阳极和阴极间的电压Uak与阳极电流ia间