功率半导体应用手册

【实例简介】功率半导体应用手册

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目录内容
1 功率半导体的工作原理 ......................................................................................................... 1
1.1 功率半导体的基础知識 ................................................................................................. 1
1.2 電力电子开关 ................................................................................................................ 5
2 基本理论 ............................................................................................................................ 13
2.1 功率半导体的应用及目前的局限 .................................................................................. 13
2.2 电源整流器 ................................................................................................................. 17
2.2.1 二极管 .................................................................................................................. 17
2.2.1.1 一般定义. ....................................................................................................... 17
2.2.1.2 基本原理 ........................................................................................................ 18
2.2.1.3 静态特性 ........................................................................................................ 20
2.2.1.4 动态特性 ........................................................................................................ 20
2.2.2 晶闸管 .................................................................................................................. 22
2.2.2.1 一般定义 ........................................................................................................ 22
2.2.2.2 基本原理 ........................................................................................................ 23
2.2.2.3 静态特性 ........................................................................................................ 25
2.2.2.4 动态特性 ........................................................................................................ 26
2.3 续流二极管和缓冲二极管 ............................................................................................ 28
2.3.1 结构和原理 ........................................................................................................... 28
2.3.1.1 肖特基二极管 ................................................................................................. 29
2.3.1.2 PIN二极管 ...................................................................................................... 30
2.3.2 静态特性 .............................................................................................................. 32
2.3.2.1 导通特性 ........................................................................................................ 32
2.3.2.2 关断特性 ........................................................................................................ 33
2.3.3 动态特性 .............................................................................................................. 34
2.3.3.1 开通特性 ....................................................................................................... 34
2.3.3.2 关断特性 ........................................................................................................ 35
2.3.3.3 动态坚固性 ..................................................................................................... 43
2.4 功率MOSFET和IGBT ................................................................................................ 43
2.4.1 结构和原理 ........................................................................................................... 43
2.4.2 IGBT模块 ............................................................................................................. 46
2.4.2.1 静态特性 ........................................................................................................ 48
2.4.2.2 开关特性 ........................................................................................................ 49
2.4.2.3 IGBT发展动向 ................................................................................................ 54
2.4.3 MOSFET 功率模块 .............................................................................................. 61
2.4.3.1 静态特性 ........................................................................................................ 63
2.4.3.2 开关特性 ........................................................................................................ 66
2.4.3.3 MOSFET现状和发展 ...................................................................................... 69
2.5 连接和封装技术 (AVT) ................................................................................................ 72
2.5.1 封装技术 .............................................................................................................. 73
2.5.1.1 焊接 ............................................................................................................... 73
2.5.1.2 扩散烧结 (NTV，低温连接技术) ..................................................................... 73
2.5.1.3 焊线 ............................................................................................................... 75
2.5.1.4 压力连接 ........................................................................................................ 75
2.5.1.5 安装和端口技术 .............................................................................................. 76
2.5.1.6 有底板和无底板模块 ....................................................................................... 78
2.5.2 任务和特性 ........................................................................................................... 80
2.5.2.1 绝缘性 ............................................................................................................ 80
2.5.2.2 散热传导和热阻 .............................................................................................. 82
2.5.2.3 抗负载变化能力 .............................................................................................. 91
2.5.2.4 主要接口的电流 .............................................................................................. 91
2.5.2.5 低电感内部结构 .............................................................................................. 92
2.5.2.6 耦合电容 ........................................................................................................ 93
2.5.2.7 电路的复杂性 ................................................................................................. 94
II
2.5.2.8 在模块发生故障时安全行为的定义 .................................................................. 96
2.5.2.9 环境无害的再循环 .......................................................................................... 96
2.5.3 分立元件 .............................................................................................................. 97
2.5.3.1 小型整流元件 ................................................................................................. 97
2.5.3.2 螺丝状二极管和晶闸管 ................................................................................... 98
2.5.3.3 插片元件（单元） .......................................................................................... 98
2.5.3.4 SEMiSTART® ................................................................................................ 99
2.5.4 功率模块 ............................................................................................................ 100
2.5.4.1 基础知识 ...................................................................................................... 100
2.5.4.2 与二极管和晶闸管模块系列 .......................................................................... 101
2.5.4.3 IGBT和续流二极管模块系列 ......................................................................... 104
2.6 传感器、安全装置和驱动器的集成 .............................................................................110
2.6.1 集成电流测量模块 ...............................................................................................110
2.6.2 集成了温度测量模块 ............................................................................................111
2.6.3 IPM (智能功率模块) ............................................................................................114
2.7 可靠性 .......................................................................................................................115
2.7.1 MTBF(平均故障间隔)，MTTF(平均工作时间)和FIT(故障率) .................................115
2.7.2 按Arrhenius方法的加速测试 ................................................................................116
2.7.3 测试产品合格标准 ...............................................................................................117
2.7.3.1 热锁定时间测试(HTRB)，栅极疲劳测试(HTGB)，湿热测试(THB) .................118
2.7.3.2 高低温存储试验 (HTS, LTS) ..........................................................................118
2.7.3.3 温度循环变化试验 (TC) .................................................................................118
2.7.3.4 负载循环变化试验 (PC) .................................................................................119
2.7.3.5 振动试验 ...................................................................................................... 120
2.7.4 弹簧连接的附加试验 ........................................................................................... 120
2.7.4.1 微振动 (颤动) .............................................................................................. 120
2.7.4.2 腐蚀性气体 (有毒气体实验) ......................................................................... 121
2.7.4.3 热变化中的电路板连接 ................................................................................. 121
2.7.5 负荷变化时的失效机理 ....................................................................................... 122
2.7.6 温度变化对寿命的影响 ....................................................................................... 126
3 MOSFET, IGBT, 二极管和晶闸管的数据文件 .................................................................... 131
3.1 标准，符号和术语 ..................................................................................................... 131
3.1.1 标准 ................................................................................................................... 131
3.1.2 符号和概念 ......................................................................................................... 131
3.1.3 极限值，额定值 ................................................................................................. 133
3.1.4 元器件 (类型) 标号 ............................................................................................. 133
3.2 电力二极管和晶闸管 ................................................................................................. 134
3.2.1 温度 ................................................................................................................... 134
3.2.2 热阻抗和热阻 ..................................................................................................... 136
3.2.3 机械数据 ............................................................................................................ 138
3.2.4 功率二极管 ......................................................................................................... 138
3.2.4.1 极限值 .......................................................................................................... 138
3.2.4.2 额定值 .......................................................................................................... 141
3.2.4.3 曲线图 .......................................................................................................... 145
3.2.5 晶闸管 ................................................................................................................ 146
3.2.5.1 极限值 .......................................................................................................... 146
3.2.5.2 额定值 .......................................................................................................... 148
3.2.5.3 曲线图 .......................................................................................................... 156
3.2.6 二极管和晶闸管模块 ........................................................................................... 157
3.2.6.1 极限值，额定值 ............................................................................................ 157
3.2.6.2 曲线图 .......................................................................................................... 157
3.3 IGBT 模块 ................................................................................................................. 158
3.3.1 极限值 ................................................................................................................ 160
3.3.1.1 IGBT 的极限值 ............................................................................................. 160
3.3.1.2 集成反向二极管 (续流二极管) 的极限值 ........................................................ 162
III
3.3.1.3 模块结构的极限值 ........................................................................................ 163
3.3.2 额定值 ................................................................................................................ 163
3.3.2.1 IGBT的额定值 .............................................................................................. 164
3.3.2.2 混合集成反向二极管 (续流二极管) 额定值 .................................................... 170
3.3.2.3 模块结构的额定值 ....................................................................................... 172
3.3.3 曲线图 ................................................................................................................ 173
3.3.4 开关的安全工作区 .............................................................................................. 181
3.3.4.1 单脉冲式和周期开通的最大安全工作区 (SOA) .............................................. 181
3.3.4.2 周期关断的最大安全工作区 (RBSOA)........................................................... 182
3.3.4.3 短路时的最大安全工作区 .............................................................................. 183
3.4 MOSFET 功率模块 .................................................................................................. 184
3.4.1 极限值 ................................................................................................................ 184
3.4.1.1 功率模块MOSFET 的正向极限值 ................................................................. 184
3.4.1.2 反向二极管的极限值 (MOSFET功率模块在反向工作状态) ............................ 185
3.4.1.3 模块结构的极限值 ........................................................................................ 185
3.4.2 额定值 ................................................................................................................ 186
3.4.2.1 MOSFET 功率模块的额定值 ......................................................................... 186
3.4.2.2 反向二极管额定值 (反向功率MOSFET) ........................................................ 189
3.4.2.3 模块的机械额定值 ........................................................................................ 190
3.4.3 曲线图 ................................................................................................................ 190
3.5 功率模块的CI，CB和CIB .......................................................................................... 196
3.6 智能集成功率模块的额外的数据文件 ......................................................................... 198
3.6.1 SKiiP ................................................................................................................. 198
3.6.1.1 功率的极限值 ............................................................................................... 201
3.6.1.2 SKiiP驱动的极限值 ....................................................................................... 201
3.6.1.3 SKiiP的额定值 .............................................................................................. 203
3.6.1.4 SKiiP控制驱动的额定值 ............................................................................... 205
4 晶闸管和功率二极管的应用 .............................................................................................. 209
4.1 晶闸管和整流二极管的设计选择 ................................................................................ 209
4.1.1 反向截止电压 ..................................................................................................... 209
4.1.2 整流二极管 ......................................................................................................... 210
4.1.2.1 连续运行的热负荷 ........................................................................................ 210
4.1.2.2 短期和间歇性负载 .........................................................................................211
4.1.2.3 在更高频率时的负载 ..................................................................................... 212
4.1.2.4 在10毫秒左右的冲击(浪涌)电流的极限值 ...................................................... 212
4.1.3 晶闸管 ................................................................................................................ 213
4.1.3.1 连续运行负载 ............................................................................................... 213
4.1.3.2 短期和间歇性负载 ........................................................................................ 215
4.1.3.3 在10毫秒左右的冲击(浪涌)电流的极限值 ...................................................... 216
4.1.3.4 临界的电流和电压变化梯度 .......................................................................... 216
4.1.3.5 激发特性 ...................................................................................................... 217
4.1.4 晶闸管-二极管模块 ............................................................................................. 217
4.1.5 桥式整流器 ......................................................................................................... 219
4.1.6 SemiSel软件 ...................................................................................................... 219
4.2 整流元件的散热 ........................................................................................................ 222
4.2.1 小功率器件的散热 .............................................................................................. 222
4.2.2 散热片 ................................................................................................................ 222
4.2.3 散热器 ................................................................................................................ 225
4.2.4 强制空气冷却 ..................................................................................................... 227
4.2.5 插件元件的水冷却 .............................................................................................. 230
4.3 晶闸管控制装置 ........................................................................................................ 230
4.3.1 驱动脉冲的形式 .................................................................................................. 230
4.3.2 六脉冲桥电路的控制器 ....................................................................................... 233
4.3.3 控制转换器 ......................................................................................................... 233
4.3.4 脉冲生成 ............................................................................................................ 234
IV
4.4 二极管和晶闸管的错误处理和保护 ............................................................................ 234
4.4.1 过载电压的一般保护 ........................................................................................... 234
4.4.2 电阻和电容器组成的过电压保护电路 .................................................................. 235
4.4.2.1 对单一整流管保护电路 ................................................................................. 235
4.4.2.2 交流一侧的保护电路 ..................................................................................... 240
4.4.2.3 直流一侧的保护电路 ..................................................................................... 244
4.4.3 利用压敏电阻的过电压保护 ................................................................................ 245
4.4.4 利用硅雪崩二极管的过电压保护电路 .................................................................. 246
4.4.4.1 带自我保护的雪崩整流二极管 ....................................................................... 246
4.4.4.2 雪崩二极管保护其他元件 .............................................................................. 247
4.4.4.3 应用范围的限制 ............................................................................................ 247
4.4.4.4 外壳 ............................................................................................................. 248
4.4.5 二极管和晶闸管的过电流保 ................................................................................ 248
4.4.5.1 用于过电流保护的前置装置 .......................................................................... 248
4.4.5.2 对冷却装置故障的保护装置 .......................................................................... 249
4.4.5.3 同时对过电流以及冷却装置故障提供保护的前置装置 .................................... 249
4.4.6 短路时二极管和晶闸管的保护 ............................................................................. 250
4.4.6.1 半导体熔断器定义和解释 .............................................................................. 251
4.4.6.2 半导体熔断器设计 ........................................................................................ 254
4.5 二极管和晶闸管并联的串联和并联电路 ..................................................................... 260
4.5.1 晶闸管并联电路 .................................................................................................. 260
4.5.2 晶闸管串联电路 .................................................................................................. 260
4.5.3 整流二极管并联电路 ........................................................................................... 260
4.5.4 整流二极管串联电路 ........................................................................................... 260
5 IGBT和MOSFET模块的应用 ............................................................................................ 261
5.1 IGBT和MOSFET模块的选择 .................................................................................... 261
5.1.1 工作电压 ............................................................................................................ 261
5.1.1.1 截止电压(耐压) ............................................................................................. 261
5.1.1.2 绝缘配置 ...................................................................................................... 265
5.1.2 正向电流 ........................................................................................................... 268
5.1.3 对在整流器和逆变器中续流二极管的要求 ........................................................... 269
5.1.4 开关频率 ............................................................................................................ 271
5.2 功率晶体管的热力学分析 .......................................................................................... 273
5.2.1 单独损耗和总损耗 .............................................................................................. 274
5.2.1.1 直流电压调节器 ............................................................................................ 275
5.2.1.2 PWM电压逆变器 .......................................................................................... 277
5.2.2 结层温度的计算 .................................................................................................. 279
5.2.2.1 热等效电路 ................................................................................................... 279
5.2.2.2 在稳定运行时的结层温度 (平均值分析) ......................................................... 282
5.2.2.3 短时间工作的结层温度 ................................................................................. 283
5.2.2.4 基频时的结层温度 ........................................................................................ 285
5.2.3 利用SemiSel计算功耗和温度 ............................................................................. 287
5.2.3.1 温度和功耗的计算的应用公式 ....................................................................... 287
5.2.3.2 选择电路 ...................................................................................................... 288
5.2.3.3 电气条件 ...................................................................................................... 288
5.2.3.4 元件选择 ...................................................................................................... 289
5.2.3.5 热力条件 ...................................................................................................... 290
5.2.3.6 结果 ............................................................................................................. 292
5.3 功率模块的冷却 ........................................................................................................ 294
5.3.1 热模型的冷却装置 .............................................................................................. 294
5.3.2 影响热阻的因素 .................................................................................................. 295
5.3.2.1 热源数 .......................................................................................................... 295
5.3.2.2 热扩散 .......................................................................................................... 296
5.3.2.3 热源在冷却器的位置 ..................................................................................... 297
5.3.2.4 确定 Rth 的测量点 ........................................................................................ 297
V
5.3.3 自然空气冷却 (自由对流) .................................................................................... 298
5.3.4 强制空气冷却 .................................................................................................... 298
5.3.4.1 冷却概况 ...................................................................................................... 299
5.3.4.2 压降和风量 ................................................................................................... 300
5.3.4.3 风机 (风扇，鼓风机) ..................................................................................... 301
5.3.4.4 高原应用 ...................................................................................................... 302
5.3.5 水冷却 ............................................................................................................... 303
5.3.5.1 压力和水量，试验压力 ................................................................................. 305
5.3.5.2 冷却液,冷却系统和化学要求 ......................................................................... 306
5.3.5.3 安装和放气 ................................................................................................... 308
5.3.5.4 其他的液体冷却方法 ..................................................................................... 309
5.3.6 热管 ................................................................................................................... 312
5.3.7 热串联 (热堆) ..................................................................................................... 313
5.3.7.1 确定额外的热阻抗 ........................................................................................ 313
5.3.7.2 空气冷却预热的计算 ..................................................................................... 314
5.3.7.3 冷却水预热的计算 ........................................................................................ 315
5.4 布线，寄生元件，电磁感应 ....................................................................................... 316
5.4.1 寄生电感和电容 .................................................................................................. 316
5.4.2 电磁干扰和对电网的反馈 .................................................................................... 318
5.4.2.1 转换器的能量转换过程 ................................................................................. 318
5.4.2.2 干扰的原因 ................................................................................................... 319
5.4.2.3 传播途径 ...................................................................................................... 321
5.4.2.4 电磁干扰的其他原因 ..................................................................................... 323
5.4.2.5 保护措施 ...................................................................................................... 323
5.5 组件 .......................................................................................................................... 325
5.5.1 组件的定义 ......................................................................................................... 325
5.5.2 平板式组件 ......................................................................................................... 325
5.5.2.1 带标准IGBT模块的平板组件 ......................................................................... 326
5.5.2.2 SKiiP STACK平板 ........................................................................................ 327
5.5.2.3 用晶闸管，二极管网络电路构成的平板组件例子 ........................................... 330
5.5.3 SKAI: 车辆使用的元件组件系统.......................................................................... 332
5.6 控制驱动器 ............................................................................................................... 333
5.6.1 栅级电流和栅极电压 ........................................................................................... 333
5.6.2 访问参数和开关特性 ........................................................................................... 337
5.6.3 驱动电路的结构 .................................................................................................. 340
5.6.4 保护和监视功能 .................................................................................................. 342
5.6.5 时间常数和互锁功能 ........................................................................................... 343
5.6.6 控制信号和驱动能量的传输 ................................................................................ 345
5.6.6.1 控制数据及其反馈 ........................................................................................ 346
5.6.6.2 驱动功率 ...................................................................................................... 347
5.6.7 单片和混合集成电路的驱动电路 ......................................................................... 348
5.6.8 SEMIDRIVER .................................................................................................... 349
5.7 故障处理和防护 ........................................................................................................ 352
5.7.1 故障类型 ............................................................................................................ 352
5.7.2 过载及短路特性 .................................................................................................. 355
5.7.3 故障检测与防护 .................................................................................................. 359
5.7.3.1 故障电流的检测和降低 ................................................................................. 360
5.7.3.2 过电压的限制 ............................................................................................... 362
5.7.3.3 过热检测 ...................................................................................................... 370
5.8 并联和串联 ............................................................................................................... 370
5.8.1 并联 ................................................................................................................... 370
5.8.1.1 均流问题 ...................................................................................................... 370
5.8.1.2 改善对称性的措施 ........................................................................................ 378
5.8.1.3 减额 ............................................................................................................. 380
VI
5.8.1.4 SKiiP并联特点 .............................................................................................. 381
5.8.2 串联 ................................................................................................................... 382
5.8.2.1 电压均衡问题 ............................................................................................... 383
5.8.2.2 改善电压均衡性的措施 ................................................................................. 384
5.8.2.3 结论 ............................................................................................................. 389
5.9 ZVS或ZCS软开关与开关缓冲网络 ............................................................................ 389
5.9.1 目标和应用 ......................................................................................................... 389
5.9.2 开关缓冲网络 ..................................................................................................... 389
5.9.3 软性开关 (软开关) .............................................................................................. 391
5.9.3.1 功率半导体要求 ............................................................................................ 391
5.9.3.2 对半导体开关和驱动器的要求 ....................................................................... 395
5.9.3.3 开关特性 ...................................................................................................... 397
5.9.3.4 结论 ............................................................................................................. 402
6 注意事项和环境条件 ........................................................................................................ 403
6.1 静电敏感度和保护措施 .............................................................................................. 403
6.2 存贮、运输和工作的环境条件 ................................................................................... 403
6.2.1 气候环境条件 ..................................................................................................... 405
6.2.2 机械环境条件 ..................................................................................................... 405
6.2.3 生物环境条件 ..................................................................................................... 407
6.2.4 化学活腐蚀性物质的对环境的影响 ...................................................................... 407
6.2.5 物理活性物质对环境的影响 ................................................................................ 407
6.2.6 高海拔地区工作的特殊性 .................................................................................... 408
6.2.7 对湿度的限制和避免出现冷凝 ............................................................................. 410
6.2.8 结构设计总结 ......................................................................................................411
6.3 电源模块的安装 ........................................................................................................ 413
6.3.1 散热器安装表面 .................................................................................................. 413
6.3.2 热耦合模块-使用导热介质的散热器 .................................................................... 414
6.3.3 把模块安装到散热器表面 .................................................................................... 419
6.3.4 电气连接 ............................................................................................................ 420
6.4 安装插件模块 ............................................................................................................ 421
7 辅助软件 .......................................................................................................................... 425
7.1 SemiSel 软件 ............................................................................................................ 425
7.1.1 程序的组合 ......................................................................................................... 426
7.1.2 操作 ................................................................................................................... 426
7.2 半导体模型 ............................................................................................................... 427
7.2.1 静态模型 ............................................................................................................ 427
7.2.2 状态模型 ............................................................................................................ 428
7.2.3 物理基础和工作模型 ........................................................................................... 429
参考文献 .............................................................................................................................. 431
赛米控公司数据文件缩写表 .................................................................................................. 436