第2章電力電子器件

2.1電力電子器件概述

2.2不可控器件——電力二極管

2.3半控型器件——晶閘管

2.4典型全控型器件

2.5其他新型電力電子器件

2.6功率集成電路與集成電力電子模塊

2/89引言■模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ)

——晶體管和集成電路等電子器件

電力電子電路的基礎(chǔ)

——電力電子器件■本章主要內(nèi)容：◆對電力電子器件的概念、特點和分類等問題作了簡要概述。◆分別介紹各種常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。

3/892.1電力電子器件概述

2.1.1電力電子器件的概念和特征

2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成

2.1.3電力電子器件的分類

2.1.4本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點4/892.1.1電力電子器件的概念和特征■電力電子器件的概念

◆電力電子器件（PowerElectronicDevice）是指可直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。

?主電路：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。

?廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類，目前往往專指電力半導(dǎo)體器件。

5/892.1.1電力電子器件的概念和特征■電力電子器件的特征

◆所能處理電功率的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)，一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件?！魹榱藴p小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開關(guān)狀態(tài)?！粲尚畔㈦娮与娐穪砜刂?/p>

,而且需要驅(qū)動電路。◆自身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工作時一般都需要安裝散熱器。

6/892.1.1電力電子器件的概念和特征?通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。?當(dāng)器件的開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。

通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗開通損耗關(guān)斷損耗?電力電子器件的功率損耗7/89

2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成

■電力電子器件在實際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。

電氣隔離圖2-1電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成8/892.1.3電力電子器件的分類■按照能夠被控制電路信號所控制的程度◆半控型器件

?主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。?器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。

◆全控型器件?目前最常用的是

IGBT和PowerMOSFET。

?通過控制信號既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。

◆不可控器件

?電力二極管（PowerDiode）?不能用控制信號來控制其通斷。9/892.1.3電力電子器件的分類■按照驅(qū)動信號的性質(zhì)

◆電流驅(qū)動型

?通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。

◆電壓驅(qū)動型

?僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制?！霭凑镇?qū)動信號的波形（電力二極管除外

）

◆脈沖觸發(fā)型

?通過在控制端施加一個電壓或電流的脈沖信號來實現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制。

◆電平控制型

?必須通過持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號來使器件開通并維持在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。

10/892.1.3電力電子器件的分類11/892.1.3電力電子器件的分類■按照載流子參與導(dǎo)電的情況◆單極型器件

?由一種載流子參與導(dǎo)電?！綦p極型器件

?由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。

◆復(fù)合型器件

?由單極型器件和雙極型器件集成混合而成，也稱混合型器件。

12/892.1.4本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點■本章內(nèi)容◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的順序，分別介紹各種電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題?！鰧W(xué)習(xí)要點

◆最重要的是掌握其基本特性?！粽莆针娏﹄娮悠骷男吞柮?，以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法。

◆了解電力電子器件的半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和基本工作原理。

◆了解某些主電路中對其它電路元件的特殊要求。13/892.2不可控器件——電力二極管

2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理

2.2.2電力二極管的基本特性

2.2.3電力二極管的主要參數(shù)

2.2.4電力二極管的主要類型14/892.2不可控器件——電力二極管·引言■電力二極管（PowerDiode）自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二極管仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中?！鲈诓捎萌匦推骷碾娐分须娏ΧO管往往是不可缺少的，特別是開通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，具有不可替代的地位。

整流二極管及模塊15/89AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理■電力二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的,實際上是由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，可以有螺栓型、平板型等多種封裝。圖2-2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號

a)外形b)基本結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號PN結(jié)形成原理雜質(zhì)半導(dǎo)體◆N型半導(dǎo)體（N為Negative的字頭，由于電子帶負(fù)電荷而得此名）：含電子濃度較高的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電性主要是因為自由電子導(dǎo)電?！鬚型半導(dǎo)體（P為Positive的字頭，由于空穴帶正電而得此名）：含有較高濃度的“空穴”（“相當(dāng)于”正電荷），成為能夠?qū)щ姷奈镔|(zhì)。16/89PN結(jié)的形成在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體，我們稱兩種半導(dǎo)體的交界面附近的區(qū)域為PN結(jié)。17/89PN結(jié)形成原理PN結(jié)的形成◆在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，由于N型區(qū)內(nèi)自由電子為多子空穴幾乎為零稱為少子，而P型區(qū)內(nèi)空穴為多子自由電子為少子，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差?！粲捎谧杂呻娮雍涂昭舛炔畹脑?，有一些電子從N型區(qū)向P型區(qū)擴散，也有一些空穴從P型區(qū)向N型區(qū)擴散。它們擴散的結(jié)果就使P區(qū)一邊失去空穴，留下了帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，N區(qū)一邊失去電子，留下了帶正電的雜質(zhì)離子。18/89PN結(jié)形成原理◆開路中半導(dǎo)體中的離子不能任意移動，因此不參與導(dǎo)電。這些不能移動的帶電粒子在P和N區(qū)交界面附近，形成了一個空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)的薄厚和摻雜物濃度有關(guān)。19/89PN結(jié)形成原理◆在空間電荷區(qū)形成后，由于正負(fù)電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)形成了內(nèi)電場，其方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)。顯然，這個電場的方向與載流子擴散運動的方向相反，阻止擴散。20/89PN結(jié)形成原理◆另一方面，這個電場將使N區(qū)的少數(shù)載流子空穴向P區(qū)漂移，使P區(qū)的少數(shù)載流子電子向N區(qū)漂移，漂移運動的方向與擴散運動的方向相反。從N區(qū)漂移到P區(qū)的空穴補充了原來交界面上P區(qū)所失去的空穴，從P區(qū)漂移到N區(qū)的電子補充了原來交界面上N區(qū)所失去的電子，使空間電荷減少，內(nèi)電場減弱?！粢虼?，漂移運動的結(jié)果是空間電荷區(qū)變窄，擴散運動加強。21/89PN結(jié)形成原理◆最后，多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面兩側(cè)，留下離子薄層，這個離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)?！鬚N結(jié)的內(nèi)電場方向由N區(qū)指向P區(qū)。◆空間電荷區(qū)，也稱耗盡層、阻擋層或勢壘區(qū)。22/89PN結(jié)特性概述◆從PN結(jié)的形成原理可以看出，要讓PN結(jié)導(dǎo)通形成電流，必須消除空間電荷區(qū)的內(nèi)部電場的阻力?！艏矗航o它加一個反方向的更大的電場，即P區(qū)接外加電源的正極，N區(qū)結(jié)負(fù)極，就可以抵消其內(nèi)部自建電場，使載流子可以繼續(xù)運動，從而形成線性的正向電流。23/89PN結(jié)特性概述◆而外加反向電壓則相當(dāng)于內(nèi)建電場的阻力更大，PN結(jié)不能導(dǎo)通，僅有極微弱的反向電流（由少數(shù)載流子的漂移運動形成，因少子數(shù)量有限，電流飽和）?！舢?dāng)反向電壓增大至某一數(shù)值時，因少子的數(shù)量和能量都增大，會碰撞破壞內(nèi)部的共價鍵，使原來被束縛的電子和空穴被釋放出來，不斷增大電流，最終PN結(jié)將被擊穿（變?yōu)閷?dǎo)體）損壞，反向電流急劇增大。24/8925/892.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理■二極管的基本原理——PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴舢?dāng)PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時導(dǎo)通-----在外電路上則形成自P區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF，這就是PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。

◆外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，PN結(jié)處于正向偏置。電流便從P型一邊流向N型一邊，空穴和電子都向界面運動，使空間電荷區(qū)變窄，電流可以順利通過，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場?！魞?nèi)電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。26/89

◆當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時（反向偏置）時截止----反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止?fàn)顟B(tài)。27/89◆外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，PN結(jié)處于反向偏置。則空穴和電子都向遠(yuǎn)離界面的方向運動，使空間電荷區(qū)變寬，電流不能流過，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小?！鬚N結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。28/89◆在外電路上則形成自N區(qū)流入而從P區(qū)流出的電流，稱為反向電流IR?！粼谝欢ǖ臏囟葪l件下，少子濃度很小，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流IS。

29/89PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?0/89電力二極管的半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)電力二極管大都是垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)；?增大通過硅片電流的有效面積，顯著提高二極管的通流能力；電力二極管在P區(qū)和N區(qū)之間多了一層低摻雜N區(qū)，即漂移區(qū)；

?可以承受很高的電壓而不被擊穿；

?低摻雜區(qū)越厚，可承受的反向電壓就越高；?電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)----使電力二極管在正向電流較大時壓降仍然很低，1V左右，低阻態(tài)。31/89◆PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿。

?按照機理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式。

?反向擊穿發(fā)生時，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來的狀態(tài)。?否則PN結(jié)因過熱而燒毀，這就是熱擊穿。32/892.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理33/89■PN結(jié)的電容效應(yīng)◆稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容；◆結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾睿踔敛荒芄ぷ?。◆按其產(chǎn)生機制和作用的差別可以分為勢壘電容CB和擴散電容CD

?勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。在正向偏置時，當(dāng)正向電壓較低時，勢壘電容為主。

?擴散電容僅在正向偏置時起作用。正向電壓較高時，擴散電容為結(jié)電容主要成分。34/89IIFUTOUFU35/892.2.2電力二極管的基本特性■靜態(tài)特性◆主要是指其伏安特性。

◆正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與IF對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF。

◆承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。圖2-5電力二極管的伏安特性O(shè)2.2.2電力二極管的基本特性■動態(tài)特性

◆因為結(jié)電容的存在，電壓-電流特性是隨時間變化的，這就是電力二極管的動態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的開關(guān)特性。36/8937/892.2.2電力二極管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt

圖2-6電力二極管的動態(tài)過程波形正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置

t0:正向電流降為零的時刻t1:反向電流達最大值的時刻t2:電流變化率接近于零的時刻2.2.2電力二極管的基本特性◆由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置

?電力二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止?fàn)顟B(tài)。?在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。?延遲時間：td=t1-t0

電流下降時間：tf=t2-t1反向恢復(fù)時間：trr=td+tf恢復(fù)特性的軟度：

tf

/td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示----越大則恢復(fù)特性越軟。38/8939/892.2.2電力二極管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V◆由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置

?先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如2V）。

?正向恢復(fù)時間tfr

?出現(xiàn)電壓過沖的原因:電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量少子需要一定的時間來儲存，在達到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較大；正向電流的上升會因器自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高。

圖2-6電力二極管的動態(tài)過程波形

b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置

40/892.2.3電力二極管的主要參數(shù)■正向平均電流IF(AV)◆指電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。

◆IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。■正向壓降UF◆指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降?！龇聪蛑貜?fù)峰值電壓URRM

◆指對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓?！羰褂脮r，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。

41/89■最高工作結(jié)溫TJM

◆結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。

◆最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。

◆TJM通常在125～175C范圍之內(nèi)。■反向恢復(fù)時間trr■浪涌電流IFSM

◆指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。42/892.2.4電力二極管的主要類型■按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同，介紹幾種常用的電力二極管。

◆普通二極管（GeneralPurposeDiode）