第3章功率开关器件瞬态特性
功率开关器件是电力电子变换的基础，功率开关器件只有在电力电子系统应用中才能真正体现其特性。从系统解析的角度看，功率开关器件是电力电子系统构成的主要要素之一，并与变换系统中的其他要素(如主电路拓扑和控制等)交叉耦合在一起，共同决定了电力电子系统的电磁瞬态过程。从系统综合的角度看，功率开关器件是从软件到硬件的关键执行元件，是信息能量互动的重要集结地，也是系统中非线性现象最突出的地方。所以，功率开关器件瞬态特性是电力电子系统瞬态过程中的关键环节，从功率开关器件本身来看，其内部物理机制和外部影响因素共同决定了它的电磁瞬态特性。
3.1功率开关器件的物理机制和器件特性关系
3.1功率开关器件的物理机制和器件特性关系
功率开关器件(power semiconductor devices)也称电力半导体器件。根据IEEE的一般定义，电力电子技术是有效地使用电力半导体器件，应用电路和设计理论以及分析方法工具，实现对电能的高效变换和控制的一门技术。
在大容量电力电子技术应用中，功率半导体的地位更加突出，它对装置的可靠性、成本和性能起着十分重要的作用，目前功率开关器件的水平还远不能满足实际的需求。所以，如何掌握好功率开关器件的电磁瞬态特性、充分发挥器件的应用潜力，一直是研究热点。图3.1给出了几种典型的高压大容量功率开关器件的电压电流容量图。由图可见，功率开关器件的电量额定值是有限值的。
图3.1几种典型的高压大容量功率开关器件额定电压和电流
功率开关器件特性并无准确的定义，一般指的是功率开关器件在变换器应用中所表现出来的各种电气、热工和机械特性，包括器件的通态、阻态、开通、关断、恢复、驱动、机械、热特性等，体现为器件外在的、可测量的特性，而实际上这些特性是由器件内部的物理机制与器件外部因素之间的相互影响共同决定的。功率开关器件具体型号繁多，可以按照物理机制分成几大类，每类器件的特性具有一定的相似性。
3.1.1物理机制与典型器件特性的关系
从器件的物理本质上讲，功率开关器件与集成电路(IC)芯片非常类似，它们都由PN结、双极型晶体管、MOS(金属氧化物半导体)等结构构成，因此基本的半导体器件物理学理论可以适用于这两个不同领域的器件。但是从器件的制作和应用角度讲，两类器件存在明显的差异，功率开关器件应用中需要考虑大功率电路特性，如绝缘、大电流能力等。在实际应用中，以开关模式为运行特征，一般不运行在放大状态。功率开关器件应用在电力电子变换器中，实施的是电磁能量变换，而不是单纯的数字信号逻辑，或者简单的开/关状态。因此，功率开关器件所固有的非理想特性在电力电子变换器中显得非常重要。
1. 物理机制分类
对于功率开关器件来说，其物理机制与器件内部载流子性质和内部构造有密切关系。按照半导体器件中载流子的性质可以分为双极型、单极型和混合型，按照半导体器件中内部的简化构造可以分成两层一结的二极管、三层两结的晶体管、四层三结的晶闸管等。
1) 双极型器件
双极型器件是指在器件内部电子和空穴两种载流子都参与导电过程的半导体器件，都是基于PN结原理的结型半导体器件，也称结型器件。但是结型场效应晶体管(JFET)等器件，其工作时器件内仅有多数载流子参与导电，属于单极型器件。双极型器件的通态压降低、阻断电压高、电流容量大，开关频率一般不高，适用于中大容量的变流装置。常见的有BJT、GTO、GCT(IGCT中的门极换流晶闸管，不包括集成门极电路)等。
BJT是三层结构的双极型器件，它具有控制方便、开关时间短、通态压降低、高频特性好等优点。由于存在二次击穿的问题和耐压难以提高的缺点，阻碍了它的进一步发展，因而在大容量电力电子系统使用较少。
GTO是四层结构的双极型器件，是目前耐压较高、电流容量较大的一种全控型器件。其派生形式较多，如逆阻型、逆导型、无反压型、掩埋门极型、放大门极型以及MOS型等。这种器件的缺点是关断增益较小，门极反向关断时容量要求大； 为了限制dv/dt及关断损耗，需设置专门的缓冲电路而会消耗一定的能量。但与传统的晶闸管相比，GTO在体积、质量、效率、可靠性诸方面有较明显的优势。GTO通过寿命控制技术折中了导通电压和关断损耗之间的矛盾，它一方面在许多高电压大电流应用领域中取代了传统的晶闸管，另一方面又在一些稍低容量等级应用中逐渐被IGCT等器件取代。
2) 单极型器件
单极型器件是指器件内只有一种载流子(即多数载流子)参与导电过程的功率开关器件。这类器件的开关频率一般较高，耐压为几百伏的器件最高开关频率可以达到几十到几百千赫。典型器件代表有功率MOSFET。
功率MOSFET为电压控制器件，具有驱动功率小、开关速度高、无二次击穿问题、安全工作区宽等显著特点。这种器件还具有电流负温度系数、良好的电流自动调节能力、良好的热稳定性和较高的抗干扰能力等优点。另外，由于导电机理和结构的特点，其电流容量和耐压提高难度较大，通常用于中小功率、开关频率较高的变流装置中。
肖特基二极管和JEFT等器件工作时，其器件内部只有多数载流子参与导电行为，属于单极型器件。这类器件的开关频率甚至可以达到兆赫，但是器件的容量非常有限，当宽禁带材料用于该类材料时，器件的容量水平才得到明显提高。
3) 混合型器件
混合型器件也称复合型器件，由双极型器件和单极型器件集成混合而成。它们利用耐压高、电流密度大、导通压降低的双极型器件(如SCR、GTO、BJT等)作为功率输入输出通道，而利用输入阻抗高、响应速度快的单极型器件MOS结构作为控制通道，因而兼备了两者的优点。这类器件的典型代表有IGBT和IEGT等，而IGCT等为通过芯片外部实现两类器件混合的器件。
IGBT由于其突出的优良性能而得到越来越广泛的应用。它具有大功率晶体管的导通压降低、通流密度大等优点，又同时兼具MOSFET的开关频率高、开关损耗低、控制方便等优点。因此，IGBT开关器件发热少，驱动功率小，体积趋于更小。同时，IGBT的安全工作区宽，噪声低，驱动保护十分容易，具有正电阻温度系数的IGBT可以并联运行。
IEGT是一种电子注入增强型绝缘栅极晶体管，其栅极具有改进构造，再加上精密设计的阴极结构，使它既能保持IGBT的优良关断特性，又能在大电流情况下降低通态电压。
IGCT是集成门极驱动电路和门极换流晶闸管(GCT)的总称。其特性介于GTO与IGBT之间，具有功率大、耐压高、开关频率较高、驱动功率小等特点，适合作为中高压变换器开关器件。
随着功率开关器件的不断发展，新的材料、工艺和技术的采用，一些分类标准并不能很好体现电力半导体器件的区别，因此也产生其他一些分类方法。比如，随着宽禁带材料的使用，基于SiC和GaN材料的器件正成为器件领域研究的热点问题，此时可以按照材料特性对器件进行分类，如Si器件、SiC器件和GaN器件等。同样，随着器件在变换器中的安装形式不同，根据器件的封装进行分类，如压接式器件、模块器件等，一般的压接器件的电流容量都较大。
在此选取几种典型特性，如极限结温、耐压、过流等，来分析器件内部的物理机制。
2. 器件的极限结温与半导体本征温度
功率开关器件的应用特性几乎全都与温度有关，在所有的器件手册中都规定了极限工作结温，这实际上与构成器件的半导体材料密切相关。在功率半导体分析中，控制掺杂半导体的载流子浓度非常关键。一般假设掺杂杂质都被电离，同时杂质载流子浓度远大于本征载流子浓度，这是控制半导体器件特性的基础。实际上这些假设都与温度存在一定的关系。
在器件机制分析中，经常假设半导体中的纯载流子浓度|ND-NA|(ND一般为五价杂质浓度，也称为施主杂质浓度； NA一般为三价杂质浓度，也称为受主杂质浓度)比本征载流子浓度ni大得多。而实际上，随着半导体材料温度的不断升高，材料中硅的价电子能获得的热能不断增加。本征载流子浓度也在不断增加。当增加到一定程度，上述假设不再满足，此时硅半导体中的电子浓度不再近似等于|ND-NA|。图3.2中，给出了N型半导体中不同|ND-NA|值下，自由电子浓度随温度变化而变化的情况。
图3.2电子浓度随温度变化而变化的情况
在很低的温度条件下，电子被施主原子或空穴被受主原子所约束而没有被电离，称作载流子被冻结。杂质原子不能完全被电离，会很明显地影响半导体中的载流子浓度。在图3.3中完整地给出了一个N型半导体从低温到高温时电子浓度的变化。在很宽的温度范围内，电子浓度与掺杂原子浓度相等，这个范围被称为工作区。在高温条件下，本征载流子浓度很快增加，最后超过掺杂原子浓度，该温度点一般称为本征温度。
当半导体温度高于本征温度时，掺杂原子对载流子浓度不再有影响，该温度对于半导体材料构成的器件非常重要，所以本征温度与半导体器件最高工作温度有密切关系。另一方两者又存在差异，这与功率开关器件的设计关系十分密切。比如功率开关器件为了提高耐压，总是需要一个有很低掺杂浓度的区域，通常该区域对应的本征温度不等于器件最高工作温度。一般来说，保证器件额定运行的最高温度即为额定最高结温。通过图3.3看出，硅器件的额定最高结温一般为125~150℃，该温度是由硅材料特性决定的。在宽禁带材料构成的器件中，该温度可以大大提高，这是宽禁带器件优于硅基器件的特性之一。
图3.3N型半导体电子浓度随温度变化示意图
3. PN结的击穿与穿通
几乎所有功率开关器件的耐压主要是由PN结承担，器件在正、反向承压时参与承压的PN结可能不同。
由PN结的伏安特性可知： 在施加反向偏压时，反向电流与反向偏压无关而保持一很小的数值，即反向饱和电流(也称为漏电流)。然而，在实际的反偏置PN结中，反向电流随着反向电压的增大而略有增长。当反向偏压增大到某一数值时，反向电流骤然变大，如图3.4的第三象限所示。
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