控西門康半導體功率模塊應用手冊2015中文版

電氣之家-BibliographicinformationpublishedbytheDeutscheNationalbibliothekThe電氣之家-BibliographicinformationpublishedbytheDeutscheNationalbibliothekTheDeutscheNationalbibliothekliststhispublicationintheDeutscheNationalbibliografie;detailedbibliographicdataisavailableontheInternetunderTheuseofregisterednames,tradenames,hispublicationdoesnotimply,evenintheabsenceofaspecificstatement,thatsuchnamesareexemptfromtherelevantprotectivelawsandregulationsandthereforefreeforgeneraluse.Thismanualhasbeendevelopedanddrawnuptothebestofourknowledge.However,allinformationanddataprovidedisconsiderednon-bindingandshallnotcreateliabilityforus.Publicationofthismanualisdonewithoutconsiderationofotherpatentsorprintedpublicationsandpatentrightsofanythirdparty.Allcomponentdatareferredtointhismanualissubjecttofurtherresearchanddevelopmentand,therefore,istobeconsideredexemplaryonly.Bindingspecificationsareprovidedexclusivelyintheactualproduct-relateddatasheets.Thepublisherreservestherightnottoberesponsiblefortheaccuracy,completenessortopicalityofanydirectorindirectreferencestoorcitationsfromlaws,regulationsordirectives(e.g.DIN,VDI,VDE)inthispublication.Werecommendobtainingtherespectivelyvalidversionsofthecompleteregulationsordirec-tivesforyourownwork.ISLEVerlag2015?SEMIKRONInternational2015Thismanualisprotectedbycopyright.sincludingtherightofreprinting,reproduc-tion,distribution,microfilming,storageindataprocessingequipmentandtranslationinwholeorinpartinanyform.Publishedby:ISLEVerlag,acommercialunitoftheISLEAssociationWerner-von-Siemens-Strasse16,D-98693Ilmenau,GermanyEditedby:SEMIKRONInternationalGmbHSigmundstrasse200,D-90431Nuremberg,Germany電氣之家-前言自從和MOSFET功率模塊應用手冊首次以來，功率模塊的應用發(fā)生了巨大的變化。這種變化，源于人類更有效利用石油，減少污染，廣泛使用再生新能源的愿望。從一般的發(fā)展更新(比如在體積，成本和轉(zhuǎn)換效率上的發(fā)展)到應用領域的擴展(例如在惡劣環(huán)境條件下分散使用)對功率半導體器件生產(chǎn)提出更高的要求。為了使讀者有一個更全面的了解，本書增加了賽米控公司三十多年前在應用手冊中對功率二極管和晶閘管(可控硅)的描述和實際的應用。本書主要的是半導體使用客戶，并把以前各種單獨的解釋進行了歸納總結(jié)。為了讓讀者更好的理解，我們對一些基礎理論作了簡單的闡述。如果讀者想進一步加深理論了解，我們在書后列出的參考資料中給出了多種高等學校的教科書目錄，可供大家參考。建立在德國賽米控公司專業(yè)知識的基礎和經(jīng)驗上，我們向您推薦這本技術先進的應用手冊。它站在、MOSFET功率模塊以及零散或集成的二極管和晶閘管(可控硅電氣之家-前言自從和MOSFET功率模塊應用手冊首次以來，功率模塊的應用發(fā)生了巨大的變化。這種變化，源于人類更有效利用石油，減少污染，廣泛使用再生新能源的愿望。從一般的發(fā)展更新(比如在體積，成本和轉(zhuǎn)換效率上的發(fā)展)到應用領域的擴展(例如在惡劣環(huán)境條件下分散使用)對功率半導體器件生產(chǎn)提出更高的要求。為了使讀者有一個更全面的了解，本書增加了賽米控公司三十多年前在應用手冊中對功率二極管和晶閘管(可控硅)的描述和實際的應用。本書主要的是半導體使用客戶，并把以前各種單獨的解釋進行了歸納總結(jié)。為了讓讀者更好的理解，我們對一些基礎理論作了簡單的闡述。如果讀者想進一步加深理論了解，我們在書后列出的參考資料中給出了多種高等學校的教科書目錄，可供大家參考。建立在德國賽米控公司專業(yè)知識的基礎和經(jīng)驗上，我們向您推薦這本技術先進的應用手冊。它站在、MOSFET功率模塊以及零散或集成的二極管和晶閘管(可控硅)。詳細用戶的角度上，去了解介紹了它們的基本數(shù)據(jù)，參數(shù)性能和實際應用，比如冷卻，布線，使用拓撲技術的晶體管模塊作為軟開關的應用。，保護，并聯(lián)和串聯(lián)連接和本書使用了1998年的，由尤瑟夫.路茨博士教授和約根.培卓特合著的“和MOSFET功率模塊”以及由漢斯比特.漢培博士著的“賽米控功率半導體手冊”的部分內(nèi)容。我們在此向著者表示感謝。我們在此還要感謝萊納.威斯和烏威.紹也曼博士無私的專業(yè)幫助和支持。同樣我們還要感謝托馬斯.斯托克馬亞博士，比特.貝克達，托馬斯.格拉斯霍夫和艾克.遜那以及格林娣.斯達克在編輯校正所做的貢獻。我們的期望這本書對您是有趣的和有用的，如果本書能對您從元件選用到實際設計起到幫助作用，深感安慰。歡迎批評指正。2010年11月紐倫堡，德累斯頓，意曼瑙著者：阿倫特.文特里希博士烏里希.尼古萊博士托比亞斯.萊曼博士教授文納.圖斯基博士電氣之家-電氣之家-電氣之家-目錄內(nèi)容1功率半導體的工作原理 1功率半導體的基礎知識 1電力電子開關 5基本理論 13功率半導體的應用及目前的局限 13電源整流器 17二極管 17一般定義 17基本原理 18靜態(tài)特性 20動態(tài)特性 20電氣之家-目錄內(nèi)容1功率半導體的工作原理 1功率半導體的基礎知識 1電力電子開關 5基本理論 13功率半導體的應用及目前的局限 13電源整流器 17二極管 17一般定義 17基本原理 18靜態(tài)特性 20動態(tài)特性 202.2.2 晶閘管 一般定義 22基本原理 23靜態(tài)特性 25動態(tài)特性 26續(xù)流二極管和緩沖二極管 28結(jié)構和原理 28肖特基二極管 29PIN二極管 30靜態(tài)特性 32導通特性 32關斷特性 33動態(tài)特性 34開通特性 34關斷特性 35動態(tài)堅固性 432.4功率MOSFET和................................................................................................432.4.1 結(jié)構和原理 4..模塊 46靜態(tài)特性 48開關特性 49發(fā)展................................................................................................54MOSFET功率模塊 61靜態(tài)特性 63開關特性 66MOSFET現(xiàn)狀和發(fā)展 69連接和封裝技術(AVT) 72封裝技術 7焊接 73擴散燒結(jié)(NTV，低溫連接技術) 73焊線 75連接 75安裝和端術 76有底板和無底板模塊 782.5.2 任務和特性 80絕緣性 80散熱傳導和熱阻 82抗負載變化能力 91主要接口的電流 91低電感內(nèi)部結(jié)構 92耦合電容 93電路的復雜性 94I電氣之家-在模塊發(fā)生故障時安全行為的定義 96環(huán)境無害的再循環(huán) 96分立元件 9小型整流元件 97螺絲狀二極管和晶閘管 98插片元件（單元） 98SEMiSTART? 992.5.4 功率模塊 100基礎知識 100與二極管和晶閘管模塊系列 101和續(xù)流二極管模塊系列 104傳感器、安全裝置和驅(qū)動器的集成 110集成電流測量模塊 110集成了溫度測量模塊 111IPM(智能功率模塊) 1142.7可靠性 MTBF(平均故障間隔)電氣之家-在模塊發(fā)生故障時安全行為的定義 96環(huán)境無害的再循環(huán) 96分立元件 9小型整流元件 97螺絲狀二極管和晶閘管 98插片元件（單元） 98SEMiSTART? 992.5.4 功率模塊 100基礎知識 100與二極管和晶閘管模塊系列 101和續(xù)流二極管模塊系列 104傳感器、安全裝置和驅(qū)動器的集成 110集成電流測量模塊 110集成了溫度測量模塊 111IPM(智能功率模塊) 1142.7可靠性 MTBF(平均故障間隔)，MTTF(平均工作時間)和FIT(故障率) 115按Arrhenius方法的測試 116標準 117測試熱鎖定時間測試(HTRB)，柵極疲勞測試(HTGB)，濕熱測試(THB) 118高低溫溫度循環(huán)變化試驗(TC) 118負載循環(huán)變化試驗(PC) 119振動試驗 1202.7.4 彈簧連接的附加試驗 1微振動(顫動) 120腐蝕性氣體(氣體實驗) 121熱變化中的電路板連接 121負荷變化時的失效機理 122溫度變化對 的影響 1263MOSFET,,二極管和晶閘管的數(shù)據(jù)文件 1313.1標準，符號和術語 13..4標準 131符號和概念 131極限值，額定值 133元器件(類型)標號 1333.2電力二極管和晶閘管 13..4溫度 134熱阻抗和熱阻 136機械數(shù)據(jù) 138功率二極管 13極限值 138額定值 141曲線圖 143.2.5 晶閘管 14極限值 146額定值 148曲線圖 156二極管和晶閘管模塊 157極限值，額定值 15曲線圖 1573.3模塊 1583.3.1 極限值 160的極限值 160集成反向二極管(續(xù)流二極管)的極限值 162II電氣之家-模塊結(jié)構的極限值 1633.3.2 額定值 16的額定值 164混合集成反向二極管(續(xù)流二極管)額定值 170模塊結(jié)構的額定值 1723.3.3 曲線圖 1733.3.4 開關的區(qū) 18單脈沖式和周期開通的最大區(qū)(SOA) 181區(qū)(RBSOA) 182區(qū) 183周期關斷的最大短路時的最大3.4MOSFET功率模塊 1843.4.1 極限值 電氣之家-模塊結(jié)構的極限值 1633.3.2 額定值 16的額定值 164混合集成反向二極管(續(xù)流二極管)額定值 170模塊結(jié)構的額定值 1723.3.3 曲線圖 1733.3.4 開關的區(qū) 18單脈沖式和周期開通的最大區(qū)(SOA) 181區(qū)(RBSOA) 182區(qū) 183周期關斷的最大短路時的最大3.4MOSFET功率模塊 1843.4.1 極限值 18功率模塊MOSFET的正向極限值 184反向二極管的極限值(MOSFET功率模塊在反向工作狀態(tài)) 185模塊結(jié)構的極限值 1853.4.2 額定值 18MOSFET功率模塊的額定值 186反向二極管額定值(反向功率MOSFET) 189模塊的機械額定值 1903.4.3 曲線圖 1903.5功率模塊的CI，CB和CIB 1963.6智能集率模塊的額外的數(shù)據(jù)文件 1983.6.1 SKiiP 19功率的極限值 201SKiiP驅(qū)動的極限值 201SKiiP的額定值 203SKiiP驅(qū)動的額定值 2054晶閘管和功率二極管的應用 209晶閘管和整流二極管的設計選擇 209反向截止電壓 209整流二極管 210連續(xù)運行的熱負荷 210短期和間歇性負載 211在更高頻率時的負載 212在10毫秒左右的沖擊(浪涌)電流的極限值 24.1.3 晶閘管 2連續(xù)運行負載 213短期和間歇性負載 215在10毫秒左右的沖擊(浪涌)電流的極限值 216臨界的電流和電壓變化梯度 216激發(fā)特性 晶閘管-二極管模塊 217橋式整流器 219SemiSel軟件 2194.2整流元件的散熱 2..44.2.5小功率器件的散熱 222散熱片 222散熱器 225強制空氣冷卻 227插件元件的水冷卻 2304.3晶閘管 裝置 230..4驅(qū)動脈沖的形式 230六脈沖橋電路的器 233轉(zhuǎn)換器 233脈沖生成 234III電氣之家-二極管和晶閘管的錯誤處理和保護 234過載電壓的一般保護 234電阻和電容器組成的過電壓保護電路 23對單一整流管保護電路 235交流一側(cè)的保護電路 240直流一側(cè)的保護電路 244利用壓敏電阻的過電壓保護 245利用硅雪崩二極管的過電壓保護電路 24帶自我保護的雪崩整流二極管 246雪崩二極管保護其他元件電氣之家-二極管和晶閘管的錯誤處理和保護 234過載電壓的一般保護 234電阻和電容器組成的過電壓保護電路 23對單一整流管保護電路 235交流一側(cè)的保護電路 240直流一側(cè)的保護電路 244利用壓敏電阻的過電壓保護 245利用硅雪崩二極管的過電壓保護電路 24帶自我保護的雪崩整流二極管 246雪崩二極管保護其他元件 247應用范圍的限制 247外殼 2484.4.5 二極管和晶閘管的過電流保 24用于過電流保護的前置裝置 248對冷卻裝置故障的保護裝置 249同時對過電流以及冷卻裝置故障提供保護的前置裝置 249短路時二極管和晶閘管的保護 250半導體熔斷器定義和解釋 251半導體熔斷器設計 254二極管和晶閘管并聯(lián)的串聯(lián)和并聯(lián)電路 260..4晶閘管并聯(lián)電路 260晶閘管串聯(lián)電路 260整流二極管并聯(lián)電路 260整流二極管串聯(lián)電路 2605和MOSFET模塊的應用 261和MOSFET模塊的選擇 2615.1工作電壓 261截止電壓(耐壓) 261絕緣配置 正向電流 268對在整流器和逆變器中續(xù)流二極管的要求 269開關頻率 271功率晶體管的熱力學分析 273單獨損耗和總損耗 274直流電壓調(diào)節(jié)器 275PWM電壓逆變器 277結(jié)層溫度的計算 27熱等效電路 279在穩(wěn)定運行時的結(jié)層溫度(平均值分析) 282短時間工作的結(jié)層溫度 283基頻時的結(jié)層溫度 2855.2.3 利用SemiSel計算功耗和溫度 28溫度和功耗的計算的應用公式 287選擇電路 288電氣條件 288元件選擇 289熱力條件 290結(jié)果 292功率模塊的冷卻 294熱模型的冷卻裝置 294影響熱阻的因素 29熱源數(shù) 295熱擴散 296熱源在冷卻器的位置 297確定Rth的測量點 297IV電氣之家-自然空氣冷卻(自由對流) 298強制空氣冷卻 29冷卻概況 299壓降和風量 300風機(風扇，鼓風機) 301高原應用 3025.3.5 水冷卻 30和水量，試驗.................................................................................305冷卻液,冷卻系統(tǒng)和化學要求 306安裝和放氣 308其他的液體冷卻方法 3095.3.6 熱管 3125.3.7 熱串聯(lián)(熱堆) 3確定額外的熱阻抗電氣之家-自然空氣冷卻(自由對流) 298強制空氣冷卻 29冷卻概況 299壓降和風量 300風機(風扇，鼓風機) 301高原應用 3025.3.5 水冷卻 30和水量，試驗.................................................................................305冷卻液,冷卻系統(tǒng)和化學要求 306安裝和放氣 308其他的液體冷卻方法 3095.3.6 熱管 3125.3.7 熱串聯(lián)(熱堆) 3確定額外的熱阻抗 313空氣冷卻預熱的計算 314冷卻水預熱的計算 315布線，寄生元件，電磁感應 316寄生電感和電容 316電磁干擾和對電網(wǎng)的反饋 3轉(zhuǎn)換器的能量轉(zhuǎn)換過程 318干擾的...................................................................................................319途徑 321電磁干擾的其他.....................................................................................323保護措施 3235.5組件 325組件的定義 325平板式組件 3帶標準模塊的平板組件 326SKiiPSTACK平板 327絡電路 的平板組件例子 330用晶閘管，二極...6SKAI:車輛使用的元件組件系統(tǒng) 332驅(qū)動器 333柵級電流和柵極電壓 333參數(shù)和開關特性 337驅(qū)動電路的結(jié)構 340保護和監(jiān)視功能 342時間常數(shù)和互鎖功能 343信號和驅(qū)動能量的傳輸 34數(shù)據(jù)及其反饋 346驅(qū)動功率 34單片和混合集成電路的驅(qū)動電路 348SEMIDRIVER 349故障處理和防護 故障類型 352過載及短路特性 355故障檢測與防護 35故障電流的檢測和降低 360過電壓的限制 362過熱檢測 3705.8并聯(lián)和串聯(lián) 3705.8.1 并聯(lián) 370均流問題 370對稱性的措施 378減額 380V電氣之家-SKiiP并聯(lián)特點 3815.8.2 串聯(lián) 38電壓均衡問題 383電壓均衡性的措施 384結(jié)論 3895.9ZVS或ZCS軟開關與開關緩沖網(wǎng)絡 電氣之家-SKiiP并聯(lián)特點 3815.8.2 串聯(lián) 38電壓均衡問題 383電壓均衡性的措施 384結(jié)論 3895.9ZVS或ZCS軟開關與開關緩沖網(wǎng)絡 目標和應用 389開關緩沖網(wǎng)絡 389軟性開關(軟開關) 39功率半導體要求 391對半導體開關和驅(qū)動器的要求 395開關特性 397結(jié)論 406注意事項和環(huán)境條件 4036.16.2靜電敏感度和保護措施 403存貯、 和工作的環(huán)境條件 40..4氣候環(huán)境條件 405機械環(huán)境條件 405生物環(huán)境條件 407化學活腐蝕性物質(zhì)的對環(huán)境的影響 407物理活性物質(zhì)對環(huán)境的影響 407高海拔地區(qū)工作的特殊性 408對濕度的限制和避免出現(xiàn)冷凝 410結(jié)構設計總結(jié) 4..86.3電源模塊的安裝 4..4散熱器安裝表面 413熱耦合模塊-使用導熱介質(zhì)的散熱器 414把模塊安裝到散熱器表面 419電氣連接 4206.4安裝插件模塊 421輔助軟件 425SemiSel軟件 425程序的組合 4267.1.2 操作 426半導體模型 4靜態(tài)模型 427狀態(tài)模型 428物理基礎和工作模型 429參考文獻 431賽米控公司數(shù)據(jù)文件縮寫表 436VI電氣之家-2基本理論2基本論2.1體及前隨著大功率半導體的發(fā)展和完善，已經(jīng)使它在電子工程的各項領域得到廣泛的應用。在日益增長的對 保護需求(例如能源節(jié)約問題)，在新生能源(如風力和光伏發(fā)電)和在潔凈的化石在純電動和混合動力汽車中所使用的)，這種發(fā)展表現(xiàn)出強勁增長的活力。方面(如這種發(fā)展也明顯了系統(tǒng)成本和使用范圍，提高了能源生產(chǎn)和降低了能耗。“低材料消耗/低成本”和“高效率”的部件對未來來十分重要的意義。圖2.1.1顯示目前市場上提供的可控的功率半導體最高電壓和電流值。通過對功率半導體和半導體器件并聯(lián)和串聯(lián)的連接，現(xiàn)在可以轉(zhuǎn)換幾乎所有的電能源的形式，通過這種方式不但使我們能把電能轉(zhuǎn)換成其他能源形式，而且可以從別的能源形式獲得電能。10000ThyristorGTO1000MOSFET1001010010003600600010000Current[A]DiscretedevicesModulesDiscs2.1.1目前可功率半導體電流電壓和電流局限在圖2.1.2a)顯示了傳統(tǒng)不同功率半導體開關頻率范圍。圖2.1.2b)顯示了其最重要的用途和局限性。13Votage[V]電氣之家-2基本理論2基本論2.1體及前隨著大功率半導體的發(fā)展和完善，已經(jīng)使它在電子工程的各項領域得到廣泛的應用。在日益增長的對 保護需求(例如能源節(jié)約問題)，在新生能源(如風力和光伏發(fā)電)和在潔凈的化石在純電動和混合動力汽車中所使用的)，這種發(fā)展表現(xiàn)出強勁增長的活力。方面(如這種發(fā)展也明顯了系統(tǒng)成本和使用范圍，提高了能源生產(chǎn)和降低了能耗。“低材料消耗/低成本”和“高效率”的部件對未來來十分重要的意義。圖2.1.1顯示目前市場上提供的可控的功率半導體最高電壓和電流值。通過對功率半導體和半導體器件并聯(lián)和串聯(lián)的連接，現(xiàn)在可以轉(zhuǎn)換幾乎所有的電能源的形式，通過這種方式不但使我們能把電能轉(zhuǎn)換成其他能源形式，而且可以從別的能源形式獲得電能。10000ThyristorGTO1000MOSFET1001010010003600600010000Current[A]DiscretedevicesModulesDiscs2.1.1目前可功率半導體電流電壓和電流局限在圖2.1.2a)顯示了傳統(tǒng)不同功率半導體開關頻率范圍。圖2.1.2b)顯示了其最重要的用途和局限性。13Votage[V]電氣之家-2基本理論(絕緣柵雙極晶體管)作為無源模塊在從幾千瓦的要的意義，特別是對“大眾市場”。率到幾兆瓦的大功率網(wǎng)絡設備制造有很重2.1.1不同功率半導體開關頻率;[1]從80年代中期開始，這些和其他一些有主動開關功能的大功率半導體器件，如大功率MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)，GTO晶閘管(開關效應)和集成模塊IGCT(集成晶閘管)，在實際應用和MOSFET電氣之家-2基本理論(絕緣柵雙極晶體管)作為無源模塊在從幾千瓦的要的意義，特別是對“大眾市場”。率到幾兆瓦的大功率網(wǎng)絡設備制造有很重2.1.1不同功率半導體開關頻率;[1]從80年代中期開始，這些和其他一些有主動開關功能的大功率半導體器件，如大功率MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)，GTO晶閘管(開關效應)和集成模塊IGCT(集成晶閘管)，在實際應用和MOSFET相對于其他大功率開關半導體，如傳統(tǒng)的IGCT中已完全取代了傳統(tǒng)的晶閘管。而和GTO晶閘管，顯示出其一系列的優(yōu)勢，比如可應用于從主動的開關到的短路關閉的任何情況，無須關閉整個網(wǎng)絡，同時它還具有操作簡單，開關時間短和相對較低的開關損耗。微電子技術使生產(chǎn)這些大功率半導體器件變得相對更容易和成本更低廉。1975年賽米控公司首先在市場推出了采用硅制造的無源模塊，現(xiàn)在這些模塊被廣泛地應用在電流超過幾十安培的網(wǎng)絡中。這些模塊通常包含了一定數(shù)量相同或不同的元器件(如，二極管，晶體管和功率二極管)和配件(如溫度或電流傳感器)及開關和保護部件(智能功率半導體/IPM)。大功率無源模塊在使用時需要表面冷卻來解決散熱問題，但它對比傳統(tǒng)的插片模塊有很多優(yōu)勢：傳統(tǒng)的插片模塊比無源模塊多產(chǎn)生大約30%的熱損失，而且必須雙面冷卻。并且無源模塊比傳統(tǒng)的插片模塊更適合串聯(lián)連接。除了安裝便捷以外，無源模塊的“集成化”也是一大優(yōu)勢，根據(jù)不同要求可隨意把不同的元器件組合到一個模塊集成中并在模塊表面貼上經(jīng)過絕緣檢驗的散熱片。這樣在大批量的生產(chǎn)時可降低生產(chǎn)成本?，F(xiàn)在大功率MOSFET被廣泛的應用到供電系統(tǒng)(開關部件)、汽車電器的低壓開關設備和在非常高開關頻率(50到500千赫)的實際應用中，因為在這種高頻率的場合，標準的電源模塊無法使用。下面的章節(jié)將詳細介紹功率二極管、晶閘管、大功率MOSFET和的結(jié)構、功能、特性和應用以及發(fā)展趨勢。作為章節(jié)的結(jié)束我們把大功率半導體發(fā)展總體目標和方向做如下簡單歸納:14電氣之家-2基本理論半導體發(fā)展總體目標:-提高功率(電流，電壓)-降低半導體和開關時損耗擴展工作溫度的范圍提高使用 ，穩(wěn)定性和可靠性在降低 率的同時簡化降低成本發(fā)展的方向大致可分為:半導體材料和保護電路-(如寬帶材料)技術-提高可靠工作的溫度和電流密度(減少面積)更精細結(jié)構(減少面積)新型的結(jié)構(性能改進)-上集能(例如，柵極電阻，溫度測量，單片系統(tǒng)集成)-根據(jù)功能組合新的單片器件（RC-，ESBT)-提高在氣候影響下的性能穩(wěn)定性組合裝配和連接技術(AVT)-提高抗溫度和負載變化的可靠性-散熱效果(絕緣基板，基板，散熱器)-電氣之家-2基本理論半導體發(fā)展總體目標:-提高功率(電流，電壓)-降低半導體和開關時損耗擴展工作溫度的范圍提高使用 ，穩(wěn)定性和可靠性在降低 率的同時簡化降低成本發(fā)展的方向大致可分為:半導體材料和保護電路-(如寬帶材料)技術-提高可靠工作的溫度和電流密度(減少面積)更精細結(jié)構(減少面積)新型的結(jié)構(性能改進)-上集能(例如，柵極電阻，溫度測量，單片系統(tǒng)集成)-根據(jù)功能組合新的單片器件（RC-，ESBT)-提高在氣候影響下的性能穩(wěn)定性組合裝配和連接技術(AVT)-提高抗溫度和負載變化的可靠性-散熱效果(絕緣基板，基板，散熱器)-通過外殼和灌注材料和配方來提高抗氣候變化的適應性優(yōu)化內(nèi)部連接和外部配件布線優(yōu)化外形使安裝更簡便降低成型成本，提高環(huán)保意識，提高回收再利用的可能性集成化程度提高功率模塊的集成規(guī)模以降低系統(tǒng)成本-提高、監(jiān)測和保護功能的集成-提高整個系統(tǒng)的集成2.1.3顯示了功率模塊的不同集成層次2.1.1功率模塊的不同集成層次通過增加集成度，縮小結(jié)構和更精確使現(xiàn)在功率半導體的特性逐步接近半導體硅材料的物理極限值。因此，從50年代已經(jīng)開始尋找新的替代材料，現(xiàn)在已有一大批新材料被使用。15Sub- IPM+Controller+systems businterfacesModules+IPM Driver+ProtectionStandard Switches,modules InsulationBondwireModuleconcept: Chip SolderPowersemiconductorsolderedandbonded電氣之家-2基本理論其中發(fā)展的重點是“寬能隙材料”，碳化硅(SiC)以及氮化鎵(GaN)，這些材料比硅材料有更好的性能，比如更低的傳導和開關損耗，更高耐熱溫度和更好的導熱性。表2.1.1提供了主要材料的參數(shù)[文獻2]，圖2.1.4顯示了材料性質(zhì)。提供了主要材料同硅材料的對比參數(shù)Bandgap100.010.0BreakdownElectricFieldThermalConductivity1.04H-SiCSi0.1GaNSaturationVelocityDielectricConstant2.1.1不同的半導體材料物理參數(shù)[文獻3]影響碳化硅推廣的關鍵因素是生產(chǎn)成本，還有單晶片的質(zhì)量和穩(wěn)定性以及為半導體生產(chǎn)所要求的最佳硅片的。質(zhì)量上乘的直徑8“硅晶片生產(chǎn)成本只有0.10€/平方厘米，而4“碳化硅晶片在存在很高的質(zhì)量缺陷，并在大量訂貨時的價格是硅晶片的數(shù)倍。氮化鎵在性能方面比碳化硅略差，它主要是在光電設備中被使用。作為載體氮化鎵(石英，藍寶石材料)不是導電體，它的元器件必須是一種平面結(jié)構?，F(xiàn)在碳化硅在肖基二極管中被廣泛使用。在電壓<1000V范圍MOSFET和由于硅高功率半導體的發(fā)展水平不需要引進其他半導體材料。寬能隙半導體材料在此電壓范圍相比結(jié)型半導體材料，如JFET(結(jié)型場效應晶體管)、雙極晶體管和晶閘管缺少競爭力，而在更高電壓時MOS晶體管等硅晶元器件顯然更勝一籌。使用寬能隙半導體材料主要是由于材料成本過高。只有在要求特別高的功率和極小的損耗以及在特定溫度、電壓和頻率等要求下，這時硅晶半導體材料不能滿足要求，才考慮使用寬能隙半導體材料的元器件。SiC和GaN半導體相比傳統(tǒng)的組件有下面主要優(yōu)點，如16Relatestodevice′scarriertransported電氣之家-2基本理論其中發(fā)展的重點是“寬能隙材料”，碳化硅(SiC)以及氮化鎵(GaN)，這些材料比硅材料有更好的性能，比如更低的傳導和開關損耗，更高耐熱溫度和更好的導熱性。表2.1.1提供了主要材料的參數(shù)[文獻2]，圖2.1.4顯示了材料性質(zhì)。提供了主要材料同硅材料的對比參數(shù)Bandgap100.010.0BreakdownElectricFieldThermalConductivity1.04H-SiCSi0.1GaNSaturationVelocityDielectricConstant2.1.1不同的半導體材料物理參數(shù)[文獻3]影響碳化硅推廣的關鍵因素是生產(chǎn)成本，還有單晶片的質(zhì)量和穩(wěn)定性以及為半導體生產(chǎn)所要求的最佳硅片的。質(zhì)量上乘的直徑8“硅晶片生產(chǎn)成本只有0.10€/平方厘米，而4“碳化硅晶片在存在很高的質(zhì)量缺陷，并在大量訂貨時的價格是硅晶片的數(shù)倍。氮化鎵在性能方面比碳化硅略差，它主要是在光電設備中被使用。作為載體氮化鎵(石英，藍寶石材料)不是導電體，它的元器件必須是一種平面結(jié)構。現(xiàn)在碳化硅在肖基二極管中被廣泛使用。在電壓<1000V范圍MOSFET和由于硅高功率半導體的發(fā)展水平不需要引進其他半導體材料。寬能隙半導體材料在此電壓范圍相比結(jié)型半導體材料，如JFET(結(jié)型場效應晶體管)、雙極晶體管和晶閘管缺少競爭力，而在更高電壓時MOS晶體管等硅晶元器件顯然更勝一籌。使用寬能隙半導體材料主要是由于材料成本過高。只有在要求特別高的功率和極小的損耗以及在特定溫度、電壓和頻率等要求下，這時硅晶半導體材料不能滿足要求，才考慮使用寬能隙半導體材料的元器件。SiC和GaN半導體相比傳統(tǒng)的組件有下面主要優(yōu)點，如16Relatestodevice′scarriertransportedswitchingspeedDeterminesBVvs.SpecificRontrade-offfordevicesdesignDeterminesheatdissipationcharacteristicinpowerdesignDeterminestemperaturelimitfordeviceoperation參數(shù)Si4H-SiCGaN帶隙能量EgeV1.123.263.39內(nèi)在密度nicm-31.4*10-108.2*10-91.9*10-10擊穿場強EcMV/cm電子遷移率ncm2/Vs1,4009501,500漂移速度satcm/s1072.7*1072.5*107介電常數(shù)r-熱傳導率W/cmK電氣之家-2基本理論-很低的和開關損耗更高的阻斷電壓更高的功率密度更高的可靠工作溫度更短的響應時間，更高的開關頻率為了達到這樣的效果，在組裝和連接技術必須將有相應的改進。2.2電源整流器2.2.1二極管CathodeCircuitsymbolAnode一般定義正向?qū)ǎㄕ颍┊旊娏鞯姆较驗檎驎r，整流二極管具有較低的電阻。反向截止（反向）當電流的方向為反向時，整流二極管具有較高的電阻。陽極（正極）正向電流的流入的端口。陰極（負極）正向電流的流出的端口。導通電流（正向電流）正向流過的電流。正向通態(tài)壓降（正向電壓）電氣之家-2基本理論-很低的和開關損耗更高的阻斷電壓更高的功率密度更高的可靠工作溫度更短的響應時間，更高的開關頻率為了達到這樣的效果，在組裝和連接技術必須將有相應的改進。2.2電源整流器2.2.1二極管CathodeCircuitsymbolAnode一般定義正向?qū)ǎㄕ颍┊旊娏鞯姆较驗檎驎r，整流二極管具有較低的電阻。反向截止（反向）當電流的方向為反向時，整流二極管具有較高的電阻。陽極（正極）正向電流的流入的端口。陰極（負極）正向電流的流出的端口。導通電流（正向電流）正向流過的電流。正向通態(tài)壓降（正向電壓）二極管在正向?qū)〞r的電壓差。17電氣之家-2基本理論截止電流（反向電流，漏電流）二極管在截止電壓下反向的電流。當用示波器或者其他屏幕顯示的測試儀器來測量截止電流時，在外加反向直流電壓時，它表示為一個曲線。但在外加交流電壓時，因為PN結(jié)的電容效應會對曲線產(chǎn)生影響，隨著電壓的上升或下降，會產(chǎn)生一個正向的或者反向的延遲電流，特性曲線就表現(xiàn)出 的兩支。但其最大值是受影響。見圖2.2.1。reverseicapacitivehysteresisreversecurrentiratvrmeasuredvoltagevvr2.2.1在交流的反向電壓測量的截止曲線截止電壓(反向電壓)在二極管兩極反向連接的電壓。整流二極管是一種兩極元件，一般作為交流變直流的整流器件。它有不對稱的電壓電流曲線，見圖2.2.2。IForward電氣之家-2基本理論截止電流（反向電流，漏電流）二極管在截止電壓下反向的電流。當用示波器或者其他屏幕顯示的測試儀器來測量截止電流時，在外加反向直流電壓時，它表示為一個曲線。但在外加交流電壓時，因為PN結(jié)的電容效應會對曲線產(chǎn)生影響，隨著電壓的上升或下降，會產(chǎn)生一個正向的或者反向的延遲電流，特性曲線就表現(xiàn)出 的兩支。但其最大值是受影響。見圖2.2.1。reverseicapacitivehysteresisreversecurrentiratvrmeasuredvoltagevvr2.2.1在交流的反向電壓測量的截止曲線截止電壓(反向電壓)在二極管兩極反向連接的電壓。整流二極管是一種兩極元件，一般作為交流變直流的整流器件。它有不對稱的電壓電流曲線，見圖2.2.2。IForwarddirectionEquivalentslopeBreakthroughBlockingareaThresholdvoltageVReversedirectionConductingarea2.2.2二極管的電壓電流曲線現(xiàn)在電力網(wǎng)絡整流使用的半導體二極管絕大部分是用單晶硅制造。整流二極管可分為PN結(jié)二極管和肖特基二極管。通過摻雜可在半導體形成n型半導體和p型半導體，它們的結(jié)合部就形成pn結(jié)。pn結(jié)具有單向?qū)ㄐ裕@時的二極管就是PN結(jié)二極管。由金屬和半導體形成結(jié)而具有單向?qū)щ娦缘亩O管是肖特基二極管。18電氣之家-2基本理論GuardringAnode(mlised)OxidGlasspassivationAnode(mlised)p+-Sipn-junctionSchottky-ContactCathode(mlised)Cathode(mlised)a)2.2.1PN結(jié)二極管b)pn結(jié)二極管(a)和肖特基二極管(b)示意圖電氣之家-2基本理論GuardringAnode(mlised)OxidGlasspassivationAnode(mlised)p+-Sipn-junctionSchottky-ContactCathode(mlised)Cathode(mlised)a)2.2.1PN結(jié)二極管b)pn結(jié)二極管(a)和肖特基二極管(b)示意圖一個PN結(jié)二極管是由擁有很多自由空穴載子的高摻雜p型半導體(p+層)，同擁有很多自由電子的高摻雜n型半導體(n+層)及低摻雜n型半導體(n-層)(也本征半導體層i)組成的，其寬度wp和摻雜度決定了最大截止電壓。在PN結(jié)兩邊因為電子和空穴的再結(jié)合而形成不帶電的離子，這樣就會在PN移動的帶電離子。這些離子會在p-和n-半結(jié)附近形成一個很薄的層，就是層，在其中導體之間在沒有任何外加電壓時就形成一個電位差。我們稱這個區(qū)間為空間電荷區(qū)。當在p-硅半導體接負電壓和在n-硅半導體上接正電壓時，在n-硅半導體中自由電子就會被吸到負極，而p-硅半導體中空穴載子流到正極?？臻g電荷區(qū)就會被加寬，pn結(jié)的電場被增強。二極管被反向連接，這時幾乎沒有電流流過二極管。當二極管被反向連接時二極管會有一個很小的反向截止電流。它是因為在空間電荷區(qū)的帶電離子，通過溫度和輻射得到能量，掙脫了空間電荷區(qū)，流到兩極而形成的電流。當在p-硅半導體接正電壓和在n-硅半導體上接負電壓時，在n-硅半導體中自由電子就會被壓到空間電荷區(qū)，而p-硅半導體的空穴載子同樣被壓到空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)就會壓縮最后消失。外接的電流源會不斷提供帶電離子，這時就有電流流過二極管。二極管在導通時被正向連接。(見圖2.2.2)肖特基二極管在肖特基二極管中，金屬半導體結(jié)合層接替PN結(jié)二極管中PN結(jié)的作用。二者的重要區(qū)別就是PN結(jié)二極管中的導電離子是帶負電的自由電子和帶正電的空穴載子，我們稱之為雙極器件。在肖特基二極管中只有帶負電的自由電子，我們稱之為單極器件。這種區(qū)別會對他們在動態(tài)特性帶來很大不同。（見第章節(jié)和第章節(jié)）19n--Si wpn+-SipSi n--Si pSin+-Si電氣之家-2基本理論導通特性當電壓超過門限電壓(硅材料是0,7伏)時，隨著正向電壓增加，電流很陡上升(見圖2.2.2)。當電流很大，其值遠遠超過容許的正向電流值時，才變得平坦。在中小電流時正向?qū)妷和瑴囟认禂?shù)成反比，即在電流為常數(shù)時，溫度越高正向?qū)妷壕驮降汀Ｔ诖箅娏鲿r情況正相反。電流流過二極管會產(chǎn)生損耗(等于電流乘以電壓)電氣之家-2基本理論導通特性當電壓超過門限電壓(硅材料是0,7伏)時，隨著正向電壓增加，電流很陡上升(見圖2.2.2)。當電流很大，其值遠遠超過容許的正向電流值時，才變得平坦。在中小電流時正向?qū)妷和瑴囟认禂?shù)成反比，即在電流為常數(shù)時，溫度越高正向?qū)妷壕驮降汀Ｔ诖箅娏鲿r情況正相反。電流流過二極管會產(chǎn)生損耗(等于電流乘以電壓)，會使二極管變熱，這個熱量就限制二極管的為過大會燒壞二極管。截止特性當二極管被電壓源反向連接時，在開始的幾伏的范圍內(nèi)，截止電流緩慢上升然后基本不變。截止電流受溫度影響很大并隨著溫度的升高而提高，特別是肖特基二極管。這時出現(xiàn)的損耗(等于截止電流乘以截止電壓)在實際應用中很小，以致可以忽略(肖特基二極管列外)。當提高外接電壓就會進入穿透區(qū)，(見圖2.2.2)，截止電流上升很陡。這時就會出現(xiàn)齊納效應和雪崩效應。齊納效應正向電流值，因在二極管中摻雜度很高的n-半導體空間電荷區(qū)中，當其電場很高時，以致是能把硅原子的電子拽掉，成為自由帶電離子，這時電流上升很陡，這就是齊納效應。這時的電壓被稱為齊納電壓，它同溫度成反比。只有當空間電荷區(qū)的電場很高時才出現(xiàn)齊納效應。它反映在二極管上就是相對較低的反向擊穿電壓。一般為5,7V。對再高的反向擊穿電壓就會出現(xiàn)雪崩效應。雪崩效應通過加溫和輻射可在空間電荷區(qū)產(chǎn)生帶電離子(電子和空穴)。當它們在空間電荷區(qū)被很強大的電場，并同其他原子碰撞而產(chǎn)生新的帶電離子。這時帶電離子的數(shù)量如同雪崩一樣增加，同樣反向截止電流也快速上升。這就是雪崩效應。這時的電壓同溫度成正比，既隨著溫度的升高而升高。當反向擊穿電壓大于5,7V時，都應看成是雪崩效應。但在實際中常常把雪崩二極管錯看成是齊納二極管。它一定要按照給出的參數(shù)數(shù)據(jù)，并在規(guī)定的條件范圍內(nèi)使用。開通特性在二極管進入開通狀態(tài)時，兩端的電壓會上升到開啟峰值VFRM。當n-型半導體內(nèi)被帶電離子充滿時，電壓開始回降到靜態(tài)導通電壓VF(見圖2.2.4)。開啟時間(正向恢復時間)一般在100ns。當電流上升的越陡和n-型半導體的寬度越寬，開啟峰值VFRM就越高，它有時會超過300V。20電氣之家-2基本理論0.1IFvVumturn-onvoltagestaticvalueofforwardvoltageV0.1VFttfr二極管的開通特性2.2.1關斷特性PN結(jié)二極管電氣之家-2基本理論0.1IFvVumturn-onvoltagestaticvalueofforwardvoltageV0.1VFttfr二極管的開通特性2.2.1關斷特性PN結(jié)二極管在導通狀態(tài)下，二極管內(nèi)充滿了電子和帶電空穴。當電源反接時，在沒有達到反向截止電壓前，二極管反向?qū)?。通過反向電流和電子與空穴的再結(jié)合，帶電離子不斷減少。當所有的在pn結(jié)的自由帶電離子全部消失，二極管就進入截止狀態(tài)和承受反向截止電壓，反向電流達到反向峰值IRRM，并隨后開始降低。見圖2.2.5。2.2.5pn結(jié)二極管的關斷特性紅色的三角面積Qrr就是存貯的電荷量。經(jīng)過反向電流的峰值IRRM在二極管上就有一個電壓并有電流，這時就會產(chǎn)生損耗。在高的開關頻率時這種損耗會很高，在計算功耗時必須加以考慮。開關關斷時間trr，存貯的電荷Qrr和反向電流的峰值IRRM都會隨著溫度的升高而增加。當二極管有短的開關關斷時間trr，小的存貯的電荷Qrr和低的反向電流的峰值IRRM時，我們稱之為快速二極管(參考第2.3章)，快速二極管可以通過降低帶電離子的來制造。21F1.1VFFRMIF電氣之家-2基本理論肖特基二極管肖特基二極管是一種單極元器件，它只有電子作為導電離子。在導通時在結(jié)面滯留電子，當關斷時(電源反接)時，就會出現(xiàn)電荷。肖特基二極管沒有反向電流，當然截止層的感應電容放電會產(chǎn)生一個很小的電流。關斷時間是不確定的。肖特基二極管因為很小的損耗所以常常用于較高的開關頻率中。因為截止電流隨著溫度會很快的增加和單極導通特性限制了其反向截止電壓。在市場上用硅做成的肖特基二極管其反向截止電壓一般到200V，而用鍺(GaAs)可到300V，碳化硅(SiC)則可達1200V。用碳化硅制成的肖特基二極管其擊穿場強是一般的硅二極管的九倍。2.2.2閘（）CathodeGateCircuitsymbolAnode電氣之家-2基本理論肖特基二極管肖特基二極管是一種單極元器件，它只有電子作為導電離子。在導通時在結(jié)面滯留電子，當關斷時(電源反接)時，就會出現(xiàn)電荷。肖特基二極管沒有反向電流，當然截止層的感應電容放電會產(chǎn)生一個很小的電流。關斷時間是不確定的。肖特基二極管因為很小的損耗所以常常用于較高的開關頻率中。因為截止電流隨著溫度會很快的增加和單極導通特性限制了其反向截止電壓。在市場上用硅做成的肖特基二極管其反向截止電壓一般到200V，而用鍺(GaAs)可到300V，碳化硅(SiC)則可達1200V。用碳化硅制成的肖特基二極管其擊穿場強是一般的硅二極管的九倍。2.2.2閘（）CathodeGateCircuitsymbolAnode正向，開關方向義當晶閘管在兩個穩(wěn)定的狀態(tài)，既截止和導通狀態(tài)時，電流流入的方向。反向與正向相反的方向。導通狀態(tài)是晶閘管的一個工作狀態(tài)，這時直流阻抗在一個工作點或工作點范圍內(nèi)最小。截止狀態(tài)是晶閘管的一個工作狀態(tài)，這時直流阻抗在一個工作點或工作點范圍內(nèi)最大。陽極（正極）正向電流的流入的主要端口。陰極（負極）正向電流的流出的主要端口。極，柵極電流流入的端口。外部設備一般連接柵極和陰極，所以一些較大的晶閘管有兩個陰極接口。正向電流通過主要端口正向流過的電流22電氣之家-2基本理論反向電流通過主要端口反向流過的電流。導通電流在導通工作狀態(tài)下在主要端口間流通的電流。截止電流在截止工作狀態(tài)下在主要端口間流通的電流。當用示波器或者其他屏幕顯示的測試儀器來測量截止電流時，在接反向直流電壓時，它表示為一個曲線。但在交流電壓條件下，因為PN結(jié)的電容效應會對曲線產(chǎn)生影響，隨著電壓的上升或下降，會產(chǎn)生一個正向的或者反向的延遲電流，特性曲線就表現(xiàn)出 的兩支。但其最大值是正向電壓在主要端口間的正向電壓差。反向電壓在主要端口間的反向電壓差。導通電壓受到影響。見圖2.2.1。在導通的工作狀態(tài)下，在主要端口間的正向電壓差截止電壓在截止的工作狀態(tài)下，在主要端口間的正向電壓差。激發(fā)電壓在沒有 電流時，加在主要端口間的正向電壓能使晶閘管進入導通工作狀態(tài)的電壓值。電流從 柵極流入的電流。流入時電流為正值。電壓柵極和陰極的電壓差。當柵極電位高于陰極時，電壓為正值?；驹黼姎庵?2基本理論反向電流通過主要端口反向流過的電流。導通電流在導通工作狀態(tài)下在主要端口間流通的電流。截止電流在截止工作狀態(tài)下在主要端口間流通的電流。當用示波器或者其他屏幕顯示的測試儀器來測量截止電流時，在接反向直流電壓時，它表示為一個曲線。但在交流電壓條件下，因為PN結(jié)的電容效應會對曲線產(chǎn)生影響，隨著電壓的上升或下降，會產(chǎn)生一個正向的或者反向的延遲電流，特性曲線就表現(xiàn)出 的兩支。但其最大值是正向電壓在主要端口間的正向電壓差。反向電壓在主要端口間的反向電壓差。導通電壓受到影響。見圖2.2.1。在導通的工作狀態(tài)下，在主要端口間的正向電壓差截止電壓在截止的工作狀態(tài)下，在主要端口間的正向電壓差。激發(fā)電壓在沒有 電流時，加在主要端口間的正向電壓能使晶閘管進入導通工作狀態(tài)的電壓值。電流從 柵極流入的電流。流入時電流為正值。電壓柵極和陰極的電壓差。當柵極電位高于陰極時，電壓為正值。基本原理晶閘管是一個至少含有三個PN結(jié)，并能從截止工作狀態(tài)到導通工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的半導體元器件。有時它也會被稱為反向截止晶閘管，它反向是不能被開通而只是在截止狀態(tài)下。相對二極管晶閘管還多一個可使晶閘管進入導通狀態(tài)的柵極(柵極)(見圖2.2.6)。23電氣之家-2基本理論IConductingForwarddirectionForwardblockingBreakthroughvoltageHoldingcurrentVForwardbreakoverReverseblocking2.2.6晶閘管電流電壓曲線Gate(mlised)Cathode(mlised) n+Si p-Sin--Sip+-SiGlasspassivationAnode(mlised)Highblockingpn-junction圖2.2.7晶閘管內(nèi)部示意圖晶閘管是由四個交替n-型和p-型半導體組成的(見圖2.2.7)。中間的n-型和p-型半導體正向和反向的高截止PN結(jié)。鈍化環(huán)(在這里是石英鈍化環(huán))必須固定兩個PN結(jié)。我們可以把晶閘管分解成一個NPN晶體管和一個PNP晶體管來理解，如圖2.2.8。CathodeCathodeCathodenGateGateppGatennpAnode電氣之家-2基本理論IConductingForwarddirectionForwardblockingBreakthroughvoltageHoldingcurrentVForwardbreakoverReverseblocking2.2.6晶閘管電流電壓曲線Gate(mlised)Cathode(mlised) n+Si p-Sin--Sip+-SiGlasspassivationAnode(mlised)Highblockingpn-junction圖2.2.7晶閘管內(nèi)部示意圖晶閘管是由四個交替n-型和p-型半導體組成的(見圖2.2.7)。中間的n-型和p-型半導體正向和反向的高截止PN結(jié)。鈍化環(huán)(在這里是石英鈍化環(huán))必須固定兩個PN結(jié)。我們可以把晶閘管分解成一個NPN晶體管和一個PNP晶體管來理解，如圖2.2.8。CathodeCathodeCathodenGateGateppGatennpAnodeAnodeAnode圖2.2.8把晶閘管分解成兩個連接的NPN和PNP晶體管當陰極接負電壓，陽極接正電壓，并有一個電流從柵極流向陰極時，電子就注入陰極，也就是NPN晶體管的發(fā)射極。柵極電流被NPN晶體管放大。一部分電子會流到低摻雜度的n-區(qū)，它同樣是NPN晶體管的收集極和PNP晶體管的基極。這個電流在PNP晶體管中再次被放大并傳送到NPN晶體管的基極。這種內(nèi)部的緊密耦合決定了晶閘管的功能特性。24npnp電氣之家-2基本理論晶體管的電流放大倍數(shù)是流有關系。當基極電流正好是使放大倍數(shù)大于1時，即αnpn+αpnp≥1，晶閘管被激發(fā)，也就是說晶閘管進入導通工作狀態(tài)。在基極的一個很小的電流脈沖（比如10 μs的脈沖）就能使晶閘管激發(fā)導通。當脈沖結(jié)束時，流過晶閘管的電流大于閉鎖電流IL時，晶閘管保持導通狀態(tài)。當電流低于保持電流IH時，晶閘管進入正向截止狀態(tài)(見章)。下面的所有通過PN結(jié)，從柵極流到陰極的電流形式，當它足夠大時，都-電氣之家-2基本理論晶體管的電流放大倍數(shù)是流有關系。當基極電流正好是使放大倍數(shù)大于1時，即αnpn+αpnp≥1，晶閘管被激發(fā)，也就是說晶閘管進入導通工作狀態(tài)。在基極的一個很小的電流脈沖（比如10 μs的脈沖）就能使晶閘管激發(fā)導通。當脈沖結(jié)束時，流過晶閘管的電流大于閉鎖電流IL時，晶閘管保持導通狀態(tài)。當電流低于保持電流IH時，晶閘管進入正向截止狀態(tài)(見章)。下面的所有通過PN結(jié)，從柵極流到陰極的電流形式，當它足夠大時，都-外部的電流源激發(fā)電流:-當截至電生的電壓超過翻轉(zhuǎn)電壓時(翻轉(zhuǎn))通過光照射時，空間電荷區(qū)產(chǎn)生的電流(光激發(fā))過高的溫度(熱效應產(chǎn)生的截止電流造成)因快速上升的陽極電壓所產(chǎn)生的存貯電荷延遲放電電流(dv/dt)導通特性晶閘管的導通特性相似二極管。當正向電壓超過門限電壓時，導通電流隨著正向電壓的升高而增加(見圖2.2.6)。當電流很大，遠遠超過的導通電流時，才變得比較平坦。在中小電流區(qū)域，導通電壓同溫度成反比，既在一定的導通電流時，導通電壓隨著溫度的升高而降低。在較大的電流區(qū)域正相反。導通時的電生損耗(導通電流乘以導通電壓)，這種損耗使晶閘管發(fā)熱。這個發(fā)熱會限制正向電流，當它過大時會損壞晶閘管。截止特性當晶閘管的電壓源反向連接時，在開始的幾伏的范圍內(nèi)，截止電流緩慢上升然后基本不變。截止電流受溫度影響很大，并隨著溫度的升高而提高。當提高外接電壓就會進入穿透區(qū)，(見圖2.2.6)，截止電流上升很陡。這時就會出現(xiàn)雪崩效應(見第章節(jié))。當在晶閘管上加一個正向的電壓時，在開始階段晶閘管不導通，如同截止狀態(tài)。當電壓上升到超過開啟電壓，晶閘管就進入導通狀態(tài)，晶閘管會保持這種狀態(tài)，直到流過晶閘管的電流小于保持電流時。截止電流在正向的外接電壓時，隨著溫度而變化，不同的晶閘管有完全不同的溫度變化。大多數(shù)的晶閘管在較高溫度時的截止電流大于反向截止電流?；镜氖撬鳛榛鶚O電流被npn晶體管所放大。較大的正向截止電流影響晶閘管的性能和可靠性，它不是一種質(zhì)量缺陷。這時產(chǎn)生的功耗很小，在計算整體損耗時可以忽略不計。25電氣之家-2基本理論開通特性基極電流導致開通導通基極電流首先導致晶閘管導通，它發(fā)生在基極電流密度最高的截面上，然后再以相對較慢的速度的向外擴展(每微秒導通。30到100微米)。既當晶閘管的直徑在100mm時，需要大概1千微秒才能全部2.2.1a）基極開通電流分布b)開通后導通電流的分布在導通后正向電壓會緩慢回落到靜態(tài)電壓VF。圖2.2.10展示了電壓電流和損耗功率的圖形。V,IVAI電氣之家-2基本理論開通特性基極電流導致開通導通基極電流首先導致晶閘管導通，它發(fā)生在基極電流密度最高的截面上，然后再以相對較慢的速度的向外擴展(每微秒導通。30到100微米)。既當晶閘管的直徑在100mm時，需要大概1千微秒才能全部2.2.1a）基極開通電流分布b)開通后導通電流的分布在導通后正向電壓會緩慢回落到靜態(tài)電壓VF。圖2.2.10展示了電壓電流和損耗功率的圖形。V,IVAIFiva)VFPtb) PFt圖2.2.10晶閘管開通電壓電流和損耗功率曲線當晶閘管剛被激發(fā)導通時，導通面積很小，電壓在全部導通時在才會回落到靜態(tài)值VF，所以在剛開通時，開通損耗集中在很小的面積內(nèi)，這就會使硅片發(fā)熱。為了保護晶閘管不被燒壞，必須把電流上升的速度限制在的規(guī)定范圍(di/dt)cr內(nèi)。在對一些大型的晶閘管，的電流上升速度(di/dt)cr可以通過輔助晶閘管(導向晶閘管)來提高。利用一個較小的晶閘管，其陰極同主要晶閘管的柵極相連，所以主要晶閘管的激發(fā)電流就會被放大(見圖2.2.11)。主要晶閘管的激發(fā)的能量是從主要電流環(huán)路中得到，我們稱之為內(nèi)部放大晶閘管。26電氣之家-2基本理論AuxiliarythyristorMainthyristorGateHybridauxiliarythyristorIntegratedauxiliarythyristorFingerlikeauxiliarythyristor通過輔助晶閘管放大激發(fā)能量另一種提高 上升速度(di/dt)cr的方法是把柵極設計成指狀，這樣可以加長輔助晶閘管和主要晶閘管的接觸邊長。但這樣將損失發(fā)射極的有效面積，減少抗負載性。晶閘管被的延遲電流激發(fā)每個PN結(jié)都會有感應電容，它們壓值有關，沒加電壓時它們是最大值，隨著電壓的升高而降低。當電壓變化時(在大的dv/dt)，電容放電會使PN結(jié)流過一個延遲電流。當這個電流達到一定數(shù)量值時，如同任何一個基極-發(fā)射極電流一樣，就會激發(fā)晶閘管。外加電壓超過翻轉(zhuǎn)電壓時晶閘管被激發(fā)（從頭部激發(fā)）當外加電壓超過一定值時，晶閘管被激發(fā)并導通（見圖2.2.12）。因為截止電流隨著溫度的升高而電氣之家-2基本理論AuxiliarythyristorMainthyristorGateHybridauxiliarythyristorIntegratedauxiliarythyristorFingerlikeauxiliarythyristor通過輔助晶閘管放大激發(fā)能量另一種提高 上升速度(di/dt)cr的方法是把柵極設計成指狀，這樣可以加長輔助晶閘管和主要晶閘管的接觸邊長。但這樣將損失發(fā)射極的有效面積，減少抗負載性。晶閘管被的延遲電流激發(fā)每個PN結(jié)都會有感應電容，它們壓值有關，沒加電壓時它們是最大值，隨著電壓的升高而降低。當電壓變化時(在大的dv/dt)，電容放電會使PN結(jié)流過一個延遲電流。當這個電流達到一定數(shù)量值時，如同任何一個基極-發(fā)射極電流一樣，就會激發(fā)晶閘管。外加電壓超過翻轉(zhuǎn)電壓時晶閘管被激發(fā)（從頭部激發(fā)）當外加電壓超過一定值時，晶閘管被激發(fā)并導通（見圖2.2.12）。因為截止電流隨著溫度的升高而增加，所以所需的激發(fā)電流就會隨著溫度升高而變小。這樣翻轉(zhuǎn)電壓的門限就隨著溫度的升高而降低。IForwardbreakthroughConductingHoldingcurrentVAKForwardblockingReverseblockingForwardbreakovervoltage圖2.2.12晶閘管通過電流電壓曲線27電氣之家-2基本理論晶閘管通過光輻射和加熱激發(fā)光輻射可以是空間電荷區(qū)的帶電載子離開空間電荷區(qū)，流向陰極。這就形成了激發(fā)電流。當晶閘管被加熱時也會出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。關斷特性同功率二極管相似(第章節(jié))，當晶閘管導通時，半導體充滿了帶電離子。當外接電源反接時，這些帶電離子必須被掉才能使晶閘管承受反向電壓。所以當晶閘管接一個正向電壓時，在半導體內(nèi)的剩余帶電離子就能形成激發(fā)電流，而激發(fā)晶閘管。自由轉(zhuǎn)換時間是指當晶閘管沒有被激發(fā)時，從電流到零時到電壓上升通過零時的時間段(見圖2.2.13)。晶閘管典型的自由轉(zhuǎn)換時間是100到500μs。快速晶閘管(高頻晶閘管)是指通過降低載子壽命，而使自由轉(zhuǎn)換時間降到10到100μs的晶閘管。作為數(shù)據(jù)文件介紹。的討論將在第章節(jié)進行。第三章將i,voltage電氣之家-2基本理論晶閘管通過光輻射和加熱激發(fā)光輻射可以是空間電荷區(qū)的帶電載子離開空間電荷區(qū)，流向陰極。這就形成了激發(fā)電流。當晶閘管被加熱時也會出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。關斷特性同功率二極管相似(第章節(jié))，當晶閘管導通時，半導體充滿了帶電離子。當外接電源反接時，這些帶電離子必須被掉才能使晶閘管承受反向電壓。所以當晶閘管接一個正向電壓時，在半導體內(nèi)的剩余帶電離子就能形成激發(fā)電流，而激發(fā)晶閘管。自由轉(zhuǎn)換時間是指當晶閘管沒有被激發(fā)時，從電流到零時到電壓上升通過零時的時間段(見圖2.2.13)。晶閘管典型的自由轉(zhuǎn)換時間是100到500μs。快速晶閘管(高頻晶閘管)是指通過降低載子壽命，而使自由轉(zhuǎn)換時間降到10到100μs的晶閘管。作為數(shù)據(jù)文件介紹。的討論將在第章節(jié)進行。第三章將i,voltagevTCurrentiTqt圖2.2.13 關斷時的電流電壓曲線和自由轉(zhuǎn)換時間的定義現(xiàn)代的快速半導體開關需要續(xù)流二極管。在許多有電感負載的實際應用中，在每次關斷時，續(xù)流極沖極能量就通過續(xù)流二極管換流掉。為了不產(chǎn)生感應的電壓上升峰值和高頻率的震蕩，這種放電應該是平滑和柔軟的。我們把這種二極管稱為軟性恢復二極管。續(xù)流二極管會影響到半導體開關的性能。在設計開關時必須要統(tǒng)籌考慮?？焖俟β识O管一般分為兩種：肖特基二極管和pin二極管，其中pin二極管有分為外延生長型或擴散型。28電氣之家-2基本理論wwa)Schottky-DiodeEpitaxial-DiodeDiffusedDiode,Nb)www2.3.1肖特基二極管和pin外延生長型二極管和pin擴散型二極管a）結(jié))摻雜度肖特基二極管有一層金屬－半導體過渡截止層。在導通時只要一個很小的電位差(硅材料大約0,3V）就能。它相對pin二極管中因為擴散而出現(xiàn)在pn結(jié)的電壓(硅材料大約0,7V)要小，所以對薄的n-型半導體層，肖特基二極管的通態(tài)壓降要低于pin二極管。在n型摻雜的半導體中只有電子形成電流(單極性)。在實際中當接近這個截止電壓時，電流耗，否則就談不上熱穩(wěn)定性。當開關從導通到關斷的過程中，最理想的是在空間電荷區(qū)只有一個很小增加很快。這就必須考慮它的瞬間功能量。肖特基二極管的電荷能量只有pin二極管的大約百分之十，所以產(chǎn)生很小的功耗。它很接近理想的二極管，所以常常作為開關二極管被用于較高的開關頻率和作為緩沖二極管用于較低的通態(tài)壓降的實際應用中。對于硅材料這種優(yōu)勢僅限于在電壓低于100V時。對于更高的電壓必須增加電氣之家-2基本理論wwa)Schottky-DiodeEpitaxial-DiodeDiffusedDiode,Nb)www2.3.1肖特基二極管和pin外延生長型二極管和pin擴散型二極管a）結(jié))摻雜度肖特基二極管有一層金屬－半導體過渡截止層。在導通時只要一個很小的電位差(硅材料大約0,3V）就能。它相對pin二極管中因為擴散而出現(xiàn)在pn結(jié)的電壓(硅材料大約0,7V)要小，所以對薄的n-型半導體層，肖特基二極管的通態(tài)壓降要低于pin二極管。在n型摻雜的半導體中只有電子形成電流(單極性)。在實際中當接近這個截止電壓時，電流耗，否則就談不上熱穩(wěn)定性。當開關從導通到關斷的過程中，最理想的是在空間電荷區(qū)只有一個很小增加很快。這就必須考慮它的瞬間功能量。肖特基二極管的電荷能量只有pin二極管的大約百分之十，所以產(chǎn)生很小的功耗。它很接近理想的二極管，所以常常作為開關二極管被用于較高的開關頻率和作為緩沖二極管用于較低的通態(tài)壓降的實際應用中。對于硅材料這種優(yōu)勢僅限于在電壓低于100V時。對于更高的電壓必須增加n-型半導體的厚度，同時就會使通態(tài)壓降增高很多。在這種電壓范圍內(nèi)將采用一些能耐高場強的材料，比如砷化鎵(GaAs，<=600V)和碳化硅(SiC，<=1700V)。它們有同pin二極管相似的導通特性，所以保持了半導體開關的優(yōu)勢。但它們的基本材料和制造費用相當高昂，往往被用在一些特殊的場合，比如要求很高的效率，很高的開關頻率和很高的溫度的場合。29n+nn+nnn+pn-n+pn-n+n-SchottkyBarriern+電氣之家-2基本理論Pin外延結(jié)晶型在電壓超過100V時，pin二極管就有明顯優(yōu)勢。在現(xiàn)在的二極造技術中，中間的半導體層不再是本征半導體，而是相對外部半導體摻雜度很低的n-型半導體。二極管的外延技術是在高摻雜的n+型半導體基板上外延結(jié)晶一層n半導體(見圖2.3.1)，然后再擴散到p型半導體區(qū)。用這種方法可以獲得很薄的厚度wB，大約在幾微米的數(shù)量級。通過引進再結(jié)合(中心)層(大部分采用金屬金)能制造出很快的二極管。因為厚度wB很薄，雖然增加了再結(jié)合層，但通態(tài)壓降仍然很低。當然，通態(tài)壓降總是大于pn結(jié)的擴散勢壘(0,6到0.8V)。外延型二極管主要應用在電壓范圍在100V到600V之間。有些制造商造出了耐壓在1200V的外延型二極管。軸向方案當耐壓超過1000V時，n-區(qū)的寬度就很大，它只能用擴散性PIN二極管(圖2.3.1,右)來實現(xiàn)。它是在n-性材料的基板上(晶片)，擴散形成p-區(qū)和n+區(qū)。同樣引進再結(jié)合(中心)層，通過移植質(zhì)子或He++離子會形成同圖2.3.2相類似的再結(jié)合曲線。在移植時需要使用在10MeV范圍的粒子電氣之家-2基本理論Pin外延結(jié)晶型在電壓超過100V時，pin二極管就有明顯優(yōu)勢。在現(xiàn)在的二極造技術中，中間的半導體層不再是本征半導體，而是相對外部半導體摻雜度很低的n-型半導體。二極管的外延技術是在高摻雜的n+型半導體基板上外延結(jié)晶一層n半導體(見圖2.3.1)，然后再擴散到p型半導體區(qū)。用這種方法可以獲得很薄的厚度wB，大約在幾微米的數(shù)量級。通過引進再結(jié)合(中心)層(大部分采用金屬金)能制造出很快的二極管。因為厚度wB很薄，雖然增加了再結(jié)合層，但通態(tài)壓降仍然很低。當然，通態(tài)壓降總是大于pn結(jié)的擴散勢壘(0,6到0.8V)。外延型二極管主要應用在電壓范圍在100V到600V之間。有些制造商造出了耐壓在1200V的外延型二極管。軸向方案當耐壓超過1000V時，n-區(qū)的寬度就很大，它只能用擴散性PIN二極管(圖2.3.1,右)來實現(xiàn)。它是在n-性材料的基板上(晶片)，擴散形成p-區(qū)和n+區(qū)。同樣引進再結(jié)合(中心)層，通過移植質(zhì)子或He++離子會形成同圖2.3.2相類似的再結(jié)合曲線。在移植時需要使用在10MeV范圍的粒子。NA,NDNrec2.3.2通過照射形成再結(jié)合層的密度曲線[文獻4][文獻5]給出了，當再結(jié)合層的密度峰值在pn結(jié)上是最佳選擇。[文獻6]中指出了，當再結(jié)合層越靠近pn結(jié)，反向電流的峰值和通態(tài)壓降的關系越好。在導通時的n--n+-過渡層，我們可以得到一個反向的高密度的電荷分布圖。在圖2.3.3表示了再結(jié)合層的峰值是在p區(qū)靠近pn結(jié)的一側(cè)，這樣可以降低截止電流。He++離子的移植可以與基本電荷載子的現(xiàn)。調(diào)節(jié)相結(jié)合，通過電子輻射來實1E+RecombinationCentersPeak1E+15BasicRecombinationCenterDensity1E+14npn1E+13200x[μm]圖2.3.3CAL二極管的再結(jié)合層的分布30N[cm-3]Nrecp+ n+n-電氣之家-2基本理論可以通過改變移植He++離子的濃度再結(jié)合層的峰值，再結(jié)合層的峰值越高反向電流的峰值就越低。CAL二極管的主要電荷出現(xiàn)在拖尾電流中，而拖尾電流本身可以通過再結(jié)合層的基本密度來調(diào)節(jié)?？s短載流離子的可以使拖尾電流變短，但卻增加了二極管的通態(tài)壓降。通過載流離子的和He++離子的注入濃度這兩個參數(shù)，可以大幅度的調(diào)節(jié)恢復特性。我們可以實現(xiàn)一種在所有條件下，特別是在小電流時，具備軟恢復特性的二極管。這樣的CAL二極管具有很好的動態(tài)堅固性。在的條件下，設計耐壓為1200V和1700V的CAL二極管承受住了15kA/cm2μs沖擊，二極管沒有被損壞。在CAL二極管中，基極的寬度wB可以設計的相對較小，接近在第章節(jié)所描述的穿透方案。因此，得到相對較低的通態(tài)壓降，并達到在通態(tài)壓降和開關特性之間較好折衷結(jié)果。wB還對二極管的開通特性有重要影響，開通過電壓VFR隨著wB的增加而增加。同傳統(tǒng)的二極管相比較，耐壓電氣之家-2基本理論可以通過改變移植He++離子的濃度再結(jié)合層的峰值，再結(jié)合層的峰值越高反向電流的峰值就越低。CAL二極管的主要電荷出現(xiàn)在拖尾電流中，而拖尾電流本身可以通過再結(jié)合層的基本密度來調(diào)節(jié)?？s短載流離子的可以使拖尾電流變短，但卻增加了二極管的通態(tài)壓降。通過載流離子的和He++離子的注入濃度這兩個參數(shù)，可以大幅度的調(diào)節(jié)恢復特性。我們可以實現(xiàn)一種在所有條件下，特別是在小電流時，具備軟恢復特性的二極管。這樣的CAL二極管具有很好的動態(tài)堅固性。在的條件下，設計耐壓為1200V和1700V的CAL二極管承受住了15kA/cm2μs沖擊，二極管沒有被損壞