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电力电子技术第四章——半导体功率器件

news 2025/10/22 16:15:04

参考教程：https://www.bilibili.com/video/BV1pS4y1g7D9?spm_id_from=333.788.videopod.episodes&vd_source=8f8a7bd7765d52551c498d7eaed8acd5

一、开关的运行象限

1、单级单掷开关（SPST）

（1）在前三章的介绍中，几乎所有的电路都采用了单刀双掷开关，但在设计电路时，往往需要将其转换为单级单掷开关，然后分析开关的运行象限，以选取对应的半导体功率器件进行替代。下图所示的是Buck电路使用单级单掷开关替换单刀双掷开关的结果。

（2）对于一个单级开关，其电压和电流的极性是已定义的，其导通状态可能取决于施加的电压或电流，不过需要说明的是，这里的开关指的是理想开关，也就是说，当开关存在非零电压或非零电流时，相应地其电流或电压为零，一般认为开关接合时（可能）有电流且无电压，开关断开时无电流且（可能）有电压。

（3）单刀双掷开关有两种不同的状态（也可认为有三种，第三种即为悬空，不连接位置1和位置2，但一般不讨论），而将其转换为两个单级单掷开关后，它们经过排列组合可以有四种不同的状态。

2、SPST的运行象限及分类

（1）开关运行象限根据电流和电压的极性划分，根据运行象限的不同，可以将SPST分为如下四类：

①单象限开关：只工作在某一个象限，电流为某一极性时导通，电压为某一极性时关断。

②双象限开关（电流双向）：只工作在两个相邻的象限，其中开关导通时电流可为任意极性，开关关断时电压为某一极性。

③双象限开关（电压双向）：只工作在两个相邻的象限，电流为某一极性时导通，反之关断，开关关断时电压为任意极性。

④四象限开关：可在所有象限下工作。

（2）根据控制方式，可以将SPST分为如下三类：

①有源开关：开关状态完全由第三个端子（控制端）控制。

②被动开关：开关状态由端子0和1处施加施加的电流和/或电压控制。

③SCR：一种特殊的开关，开关导通的过程是主动的，开关关断的过程是被动的。

（3）通过不同类型的开关组合，可以实现开关运行象限的扩展。

3、功率器件的运行象限

（1）二极管的运行象限：

①二极管属于单象限被动开关，可以导通正向导通电流，可以阻断负向的关断状态电压，如果预期的开关导通和关断工作点位于二极管的伏安特性上，那么开关可以用二极管实现。

②对二极管电流和电压方向的定义不同，那么二极管的运行象限也随之不同，如下图所示。

（2）BJT和IGBT的运行象限：

①BJT和IGBT都是由终端（设为G）控制的单象限有源开关，可以导通正向导通电流，可以阻断正向的关断状态电压，如果预期的开关导通和关断工作点位于晶体管的伏安特性上，那么开关可以用BJT或IGBT实现。

②对BJT/IGBT电流和电压方向的定义不同，那么BJT/IGBT的运行象限也随之不同。

（3）MOSFET的运行象限：

①MOSFET是由终端（设为G）控制的有源开关，可以导通正向导通电流，在某些情况下也可以导通负向电流，可以阻断正向的关断状态电压，如果预期的开关导通和关断工作点位于MOSFET的伏安特性上，那么开关可以用MOSFET实现。

②对MOSFET电流和电压方向的定义不同，那么MOSFET的运行象限也随之不同。

4、开关实现使用的元件选择

（1）为了确定电路中的开关使用何种元件进行实现，首先需要将所有开关拆解为单级单掷开关，明确定义开关电流和电压的方向，分析其运行象限，选择合适的功率器件进行替代即可。

（2）下图以Buck电路为例进行分析，当然，实际应用中往往不需要按照此流程分析，只需要记住哪种情况对应应使用哪种元件，然后进行验证即可。

5、双/四象限开关的构建

（1）前面提过，通过不同类型的开关组合，可以实现开关运行象限的扩展，也就是说，两个单象限开关组合在一起，可以实现一个双象限开关。

（2）电流双向的双象限开关构建：

①二极管与BJT组合，当电流为正向时，BJT导通、二极管截止，当电流为负向时，BJT截止、二极管导通，将两个元件按照这样的方向并联，即可形成一个电流双向的双象限开关。

②如果预期的开关导通和关断工作点位于本例的开关的伏安特性上，那么开关可以用本例的开关实现。下图所示的是双向电池充电器/放电器的电路图。

（3）电压双向的双象限开关构建：

①二极管与BJT组合，当电流为正向时，BJT、二极管导通，此时电压为零，当电压为非零时，BJT和二极管至少一个截止，将两个元件按照这样的方向串联，即可形成一个电压双向的双象限开关。

②如果预期的开关导通和关断工作点位于本例的开关的伏安特性上，那么开关可以用本例的开关实现。下图所示的是直流三相升压/降压逆变器的电路图。

（4）通过以上两个例子，可以简单概括一下，开关并联可以增加电流通过的可能，开关串联可以使开关关断时的电压受限程度更小。

（5）基于阶段性的概括，可以继续构建四象限开关：

①四象限开关通常由一个端子C控制导通和关断，有如下几种构建方式，可以看出四象限开关使用的功率器件肉眼可见得多，这也意味着成本高、损耗高，相比于其它开关，四象限开关在实际中应用较少。

②下图所示的是三相转换矩阵的电路图，因为是交流电到交流电的变换，所以必须使用四象限开关，图中的单级单掷开关需要用若干四象限功率器件组合进行替代。

二、半导体功率器件介绍

1、Diode（二极管）

（1）常见的二极管封装：

（2）P型半导体和N型半导体：

①在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化，掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。

②N型半导体：

因五价杂质原子（如磷）中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子

在N型半导体中，自由电子是多数载流子，主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子，由热激发形成

提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质

③P型半导体：

因三价杂质原子（如硼）在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴

在P型半导体中，空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成

空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子，因此三价杂质也称为受主杂质

（3）PN结功率二极管：

①PN结的形成：

[1]载流子的漂移和扩散：

漂移：由于热能的激发，半导体内的载流子将作随机的无定向移动，载流子在任意方向的平均速度为零，若有电场加到晶体上，则内部载流子将受力做定向移动，对于空穴而言，其移动方向与电场方向相同，而电子则是逆着电场的方向移动

扩散：在半导体内，由于制造工艺和运行机制等原因，致使某一特定的区域内，其空穴或电子的浓度高于正常值，基于载流子的浓度差异和随机热运动速度，载流子由高浓度区域向低浓度的区域扩散，从而形成扩散电流；如果没有外来的超量载流子的注入或电场作用，晶体内的载流子浓度趋向于均匀直至扩散电流为零

[2]PN结的形成过程：

在半导体两个不同的区域分别掺入三价和五价杂质元素，便形成P型区和N型区，这样，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差异，N型区内电子浓度很高，而P型区内空穴浓度很高

电子和空穴都要从浓度高的区域向浓度低的区域扩散，即有一些电子要从N型区向P型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散，它们扩散的结果就使P区和N区的交界处原来呈现的电中性被破坏了。

P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子；N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子

半导体中的离子虽然也带电，但由于物质结构的关系，它们不能任意移动，因此并不参与导电，这些不能移动的带电粒子集中在P区和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是所谓的PN结

在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因此空间电荷区有时又称为耗尽区（或者势垒区），它的电阻率很高（扩散越强，空间电荷区越宽）

在出现了空间电荷区以后，由于正负离子之间的相互作用，在空间电荷区中就形成了一个电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区

由于这个电场是在 PN结区内部形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场，显然，这个内电场的方向是阻止载流子扩散运动的

另一方面，根据电场的方向和电子、空穴的带电极性还可以看出，这个内电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反

从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区失去的空穴，而从P区漂移到区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少，因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄，其作用正好与扩散运动相反

由此可见，扩散运动和漂移运动是互相联系又互相对立的，扩散使空间电荷区加宽，电场增强，对多数载流子扩散的阻力增大，但使少数载流子的漂移增强；而漂移使空间电荷区变窄，电场减弱，又使扩散容易进行

当漂移运动和扩散运动相等时，空间电荷区便处于动态平衡状态

②PN结的单向导电性：

[1]当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。

[2]PN结加正向电压 $V_{F}$ 时：

[3]PN结加反向电压 $V_{R}$ 时：

[4]PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，由此可以得出结论——PN结具有单向导电性。

[5]PN结伏安特性如下所示，其中 $I_{S}$ 为反向饱和电流， $V_{T}$ 为温度的电压常量。

③PN结的反向击穿：

[1]当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。

[2]PN结的反向击穿又分为雪崩击穿、齐纳击穿和热击穿，其中雪崩击穿、齐纳击穿统称为电击穿，是可逆的，而热击穿是不可逆的。

④总结单向导电性和反向击穿的伏安特性，可以得到PN结功率二极管的伏安特性，如下图所示，其中 $V_{br}$ 为反向击穿电压， $V_{d}$ 为正向导通电压。

（4）典型二极管开关波形：

①理想情况下，一般希望二极管导通时能保持恒定的电流 $I_{0}$ ，两端的电压为零，而二极管关断时能保持电流为0，两端的电压为一个绝对值小于反向击穿电压的电压 $-V_{in}$ ，然而在实际应用中，二极管开关状态的切换过程往往具有损耗。

②实际的PN结功率二极管开关波形如下图所示。

当二极管状态稳定时，电流和电压的表现是趋于理想的，只有导通压降没法消除

当二极管由关断切换为导通时，存在“电导调制效应”，为了使二极管能够承受更大的正向电流，P区的空穴将向N区扩散，这个过程会导致二极管的电压产生尖峰，突出的电压与二极管电路做积分，就是二极管开通时的损耗

当二极管由导通切换为关断时，存在“结电容充电效应”，为了降低二极管的电导率，P区的空穴从N区中注回，多数载流子被拉出而远离PN结，“势垒区”将增宽，这个过程相当于给二极管的结电容充电，充电的能量就是二极管关断时的损耗；“势垒区”的变化意味着区内存储的正、负离子电荷数的增减，类似于平行板电容器两极板上电荷的变化，此时PN结呈现出的电容效应称为势垒电容

二极管的开关损耗主要集中在导通切换为关断的时间段，当开关周期较长时，这个损耗可以忽略不计，但开关周期较短时，关断损耗引起的电流波动和电压缓动耗时较长，这可能会严重影响开关特性

（5）肖基特二极管：

①肖特基二极管是利用金属（如金属铝、金、钼、镍和钛等）与N型半导体接触在交界面形成势垒的二极管，因此肖特基二极管也称为金属-半导体结二极管或表面势垒二极管。

②肖特基二极管的伏安特性和普通PN结非常类似，但与一般二极管相比，肖特基二极管有两个重要差别：

[1]由于制作原理不同，肖特基二极管是一种多数载流子导电器件，不存在少数载流子在PN结附近积累和消散的过程，所以电容效应非常小，工作速度非常快，特别适合于高频或开关状态应用。

[2]由于肖特基二极管的耗尽区只存在于N型半导体一侧（金属是良好导体，势垒区全部落在半导体一侧），相对较薄，故其正向导通门坎电压和正向压降都比PN结二极管低（约低0.2 V）。

③肖基特二极管与PN结功率二极管的的伏安特性对比如下图所示，很显然，肖基特二极管更倾向于使用在低电压场景。

（6）二极管的损耗建模分析：

2、MOSFET（金属–氧化物–半导体晶体管）

（1）常见的MOSFET管封装：

（2）功率MOSFET管的结构如下图所示，N沟道和P沟道的结构不同但类似，下图所示的是N沟道的MOSFET管，其中Source为源极，Drain为漏极，Gate为门极（栅极）。

（3）功率MOSFET管的关断与导通（以N沟道管为例）：

①关断状态：

在漏极电压高于源极时，电流无法通过MOSFET管的PN结（如下图所示的等效二极管），电压将加注在耗尽层（ $n^{-}$ 层）中，耗尽层的厚度越大，MOSFET管承受反向偏压的能力越强

②导通状态：

在门极施加正向电压，由于门极与P区之间间隔一个绝缘层，则在P区将产生电子导电沟道（原本P区中空穴居多），耗尽层中的电子将通过沟道流向N区再流向源极，从而实现电流从源极流向漏极，当然，这里没有强调源极和漏极的电压方向，也就是说电子的流向其实是双向的，电流也能从漏极流向源极

导通电阻等于N区等效电阻、导电通道等效电阻、源极和漏极接触点等效电阻及其它非理想环节等效电阻之和

（4）功率MOSFET管的体二极管（以N沟道管为例）：

在N沟道管的结构中，P区和 $n^{-}$ 层之间构成一个PN结，也就是存在一个等效的体二极管，这个二极管与电子导电沟道是并联的，当源极被施加负向电压（或者说源极的电势低于漏极）时，如果门极未及时施加正向电压，电流也能从体二极管中流过

（5）功率MOSFET管的伏安特性（以N沟道管为例）如下图所示，当MOSFET管工作在贴合电流轴的阴影区中时状态为导通，当MOSFET管工作在贴合电压轴的阴影区中时状态为关断。

（6）功率MOSFET管的损耗建模分析（以N沟道管为例）：

①实际功率MOSFET管的等效电路如下图所示，其中

②损耗计算（以功率表征）：

（7）功率MOSFET管的门极驱动举例：

下图所示的是一个很常见的半桥电路，上下两个MOSFET管的开通和关断是交叉互补且不重叠的，也即始终一个管开通、一个管关断，以使电路产生一个脉冲信号

3、BJT（三极管）

（1）常见的BJT封装：

（2）BJT的结构简介：

①半导体三极管（Bipolar Junction Transistor: BJT）是指通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件。

②两种类型BJT的结构示意图如下所示。BJT结构上的特点是基区很薄、掺杂浓度很低，发射区比集电区的掺杂浓度高，集电区的面积比发射区大。

③更多关于BJT的介绍，可以在《模拟电路》课程中获取，此处不再过多赘述，但需要说明的是，《模拟电路》课程更倾向于介绍BJT的放大功能。

（3）BJT的开关时间改善：

①BJT由两个PN结构成，其开关状态的切换时间非常不理想，究其原因，它涉及载流子的抽离和注入，需要对此进行改进。

②为了改善开关时间，可以在希望开通时注入较大的基极正向电流，以使BJT快速开通，稳定后基极电流保证能够控制BJT开通即可，接着在希望关断时注入较大的基极反向电流，以使BJT快速关断，稳定后基极电流置零即可，不过这也仅仅是理想方案，在实际中若要产生这种电流波形，控制电路会相当复杂。

（4）BJT的伏安特性（以NPN型为例）如下图所示，当BJT工作在饱和区（贴合电流轴部分）中时状态为导通，当BJT工作在截止区（贴合电压轴部分）中时状态为关断。

（5）达林顿管：

①达林顿管由两个三极管和一个二极管构成。

②Q2管的基极电流大小决定了Q2管具有的电流通断能力，当Q2管需要负担大电流时，Q2管的基极电流，对此可以在Q2管前增加Q1管，Q1管负责对控制信号进行一次放大。

③有了Q1管放大控制信号，Q2管的开通会变得顺利，然而，Q2管关断时，Q2管的存储电荷需要抽离，若只有Q1管负担这个抽离过程，那么关断时间会很长（因为Q1的发射极也是一个PN结，显然正向导通能力强的同时，反向的导通能力就会非常弱），对此再引入了二极管D1，在Q2关断时，抽离所产生的电流可通过D1回流，从而加速Q2的关断。