1、電力電子技術(shù)、Power Electronics、第2章電力電子器件及應用、1、2、3、4、5、晶閘管、可截止晶閘管(GTO )、電力晶體管及其他新型電力電子器件、電力電子器件的發(fā)展趨勢、電力電子器件的應用通用性問題第2章電力電子器件和應用、2.1電力電子器件的特征和分類、1電力電子器件的特征電力電子器件(Power Electronic Device )。 與信息系統(tǒng)中的電子器件相比，具有以下特征：目錄21電力電子器件的特征和分類22電力電子器件基礎(chǔ)23電力二極管24晶閘管25可關(guān)斷晶閘管(GTO) 26電力晶體管27電力場效應晶體管28絕緣柵雙極晶體管29其他新型電力電子器件210電力電子

2、器件的發(fā)展趨勢211電力電子器件應用共性問題的總結(jié)1 )具有較大的消耗功率；2 )在開關(guān)狀態(tài)下工作；3 )需要專用的驅(qū)動電路；4 )由于具有較高的導通電流、截止電壓和截止時的漏電流，需要緩沖器和保護電路電路中的主要發(fā)熱源。 因為體積大(散熱)，使用時一般安裝散熱器，抑制損失引起的溫度上升。 為了減少工作損失。 斷開時接受一定的電壓，但幾乎沒有電流流過。導通時有一定的電流流過，但導通電壓降很小。 電力電子器件工作時切換導通和斷開，其動態(tài)特性(即開關(guān)特性)是器件的重要特性。 而且，功率電子設(shè)備進行處理的功率很大，信息電子電路無法直接控制設(shè)備的操作狀態(tài)，因而中間電路需要放大控制信號，而放大電路是驅(qū)動

3、電路。在電力電子器件開關(guān)過程中，為了使電壓和電流急劇變化，提高器件的工作可靠性，通常采用緩沖電路來抑制電壓和電流的變化率，采用降低器件電應力的保護電路，使電壓和電流不超過器件的極限值、電隔離、圖2的電力電子器件的實用系統(tǒng)構(gòu)成、2 .電力電子器件的分類、目錄21電力電子器件的特征和分類22電力電子器件基礎(chǔ)23電力二極管24晶閘管25可關(guān)斷晶閘管(GTO ) 26功率晶體管27功率場效應晶體管28絕緣柵雙極晶體管*29其他新型功率電子器件210功率電子器件的發(fā)展趨勢211功率電子器件應用共性問題的總結(jié)無法控制到能夠由控制信號控制的程度的器件功率二極管(Power Diode ) 半控制型設(shè)備主要是

4、指晶閘管及其大部分派生設(shè)備。 可以通過控制信號控制其on，off由施加在主電路上的電壓和電流決定。 全控制器件目前最常用的是可關(guān)門晶體管(GTO )、功率晶體管(GTR )、功率場效應晶體管(Power MOSFET )、絕緣柵雙極晶體管(IGBT )等。 可以通過控制信號控制其導通和截止兩者。2.1電力電子器件的特征和分類、2.1電力電子器件的特征和分類、221 PN結(jié)原理、2 .電力電子器件的分類、目錄21電力電子器件的特征和分類22電力電子器件基礎(chǔ)23電力二極管24晶閘管25可關(guān)斷晶閘管(GTO ) 26電力晶體管27電力場效應晶體管28絕緣柵雙極晶體管*29其他新型電力電子器件210電

5、力電子器件的發(fā)展趨勢211電力電子器件應用共性問題總結(jié)。電壓驅(qū)動型只需在控制端子和公共端子之間施加一定的電壓信號即可控制通斷。根據(jù)驅(qū)動信號的波形(功率二極管除外)脈沖觸發(fā)型電平控制型，向控制端子施加電壓或電流的脈沖信號，實現(xiàn)設(shè)備的導通或截止控制。 通過繼續(xù)在控制端子與共用端子之間施加一定電平的電壓或電流信號，必須將裝置維持為導通狀態(tài)或斷開狀態(tài)。 2.1電力電子器件的特征和分類、221 PN結(jié)原理、2 .電力電子器件的分類、目錄21電力電子器件的特征和分類22電力電子器件基礎(chǔ)23電力二極管24晶閘管25可關(guān)斷晶閘管(GTO) 26電力晶體管27電力場效應晶體管28絕緣柵極雙極器件有電子和空穴兩種

6、載流子參與導電。 復合型設(shè)備是單極型設(shè)備和雙極型設(shè)備集成混合而成的，也稱為混合型設(shè)備。 2.2電力電子器件的基礎(chǔ)、目錄21電力電子器件的特征和分類22電力電子器件基礎(chǔ)23電力二極管24晶閘管25可關(guān)斷晶閘管(GTO) 26電力晶體管27電力場效應晶體管28絕緣柵雙極晶體管* 29其他新型電力電子器件210電力電子器件的發(fā)展趨勢211電力電子器件應用共性問題的總結(jié)2.2.1 PN結(jié)的原理、對PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)施加正向電壓(正向偏置)時，在外部電路中形成從p區(qū)域流入并從n區(qū)域流出的電流，稱為正向電流IF 向PN結(jié)施加逆電壓時(逆偏壓)，逆偏壓的PN結(jié)顯示高電阻狀態(tài)，幾乎不流過電流，稱為逆截止

7、狀態(tài)。 PN結(jié)具有一定的逆耐壓能力，但施加的逆電壓過大時，逆電流急劇增大，破壞PN結(jié)的逆偏壓斷開的動作狀態(tài)，這被稱為逆破壞。 機制有雪崩破壞和齊納破壞兩種形式。 發(fā)生反向破壞時，采取了將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，使PN結(jié)恢復到原來的狀態(tài)的措施。 否則PN結(jié)會因過熱而燒毀，這就是熱破壞。PN結(jié)的電容效應也稱為結(jié)電容CJ，根據(jù)其發(fā)生機理和作用的不同，勢壘電容CB和擴散電容CD的勢壘電容僅在施加電壓變化時發(fā)生作用，施加電壓頻率越高，勢壘電容的作用越顯著。 正向偏置時正向電壓低時，勢壘容量為主。 擴散電容器僅在正向偏置時發(fā)揮作用。 正向電壓高時，擴散電容成為結(jié)電容的主要成分。 結(jié)電容會影響PN結(jié)的工作

8、頻率，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能會導致單向?qū)щ娦宰儾罨驘o法工作。、222電力電子設(shè)備的封裝，圖2-2是電力電子設(shè)備的一些通用的封裝形式，目錄21電力電子設(shè)備的特征和分類22電力電子設(shè)備基礎(chǔ)23電力二極管24晶閘管25可關(guān)斷晶閘管(GTO ) 26功率晶體管27功率場效應晶體管28絕緣柵雙極晶體管*29其他新型功率電子器件210功率電子器件的發(fā)展趨勢211功率電子器件應用共性問題總結(jié)23功率二極管、功率二極管(Power Diode )是不可控制的功率電子器件目錄21電力電子器件的特征和分類22電力電子器件基礎(chǔ)23電力二極管24晶閘管25可關(guān)斷晶閘管(GTO) 26電力晶體管27電力場效應晶

9、體管28絕緣柵雙極晶體管* 29總結(jié)其他新型電力電子器件210電力電子器件的發(fā)展趨勢211電力電子器件應用共性問題，23功率二極管、功率二極管基于半導體PN結(jié)，實際上由大面積PN結(jié)、兩端引線和封裝構(gòu)成。 外形上有螺栓型、平板型等各種封裝。圖電力二極管的外形、構(gòu)造和電氣圖形符號a )外形b )基本構(gòu)造c )電氣圖形符號、23電力二極管、目錄21電力電子器件的特征和分類22電力電子器件基礎(chǔ)23電力二極管24晶閘管25可關(guān)斷晶閘管(GTO ) 26功率晶體管27功率場效應晶體管28絕緣柵雙極晶體管*29其他新型功率電子器件210功率電子器件的發(fā)展趨勢211功率電子器件應用共性問題總結(jié)常用功率二極管。

10、 普通結(jié)型功率二極管(General Purpose Diode )也稱為整流二極管(Rectifier Diode )，多用于開關(guān)頻率不高(1kHz以下)的整流電路。 快速功率二極管也稱為快速恢復二極管肖特基二極管(Schottky Barrier DiodeSBD )、2.3.1結(jié)型功率二極管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理由于PIN結(jié)構(gòu)為薄硅片的厚度，PN結(jié)構(gòu)在硅片較厚時能夠得到較高的逆壓阻斷能力，因此結(jié)型功率二極管多采用PIN結(jié)構(gòu)。 目錄21電力電子器件的特征和分類22電力電子器件基礎(chǔ)23電力二極管24晶閘管25可關(guān)斷晶閘管(GTO) 26電力晶體管27電力場效應晶體管28絕緣柵雙極晶體管*29其

11、他新型電力電子器件210電力電子器件的發(fā)展趨勢210 PIN功率二極管在p型半導體與n型半導體之間夾著摻雜有輕微雜質(zhì)的高阻抗N-區(qū)域，該區(qū)域由于摻雜濃度低而接近純粹的半導體，即本征半導體。232結(jié)型功率二極管的基本特性、圖2-4結(jié)型功率二極管的伏安特性、目錄21電力電子器件的特征和分類22電力電子器件基礎(chǔ)23電力二極管24晶閘管25可關(guān)斷晶閘管(GTO ) 26功率晶體管27功率場效應晶體管28絕緣柵雙極晶體管*29其他新型功率電子器件210功率電子器件的發(fā)展趨勢211功率電子器件應用共性問題的總結(jié)1穩(wěn)態(tài)特性主要是指伏安特性的正向電壓達到一定值(閾值電壓UTO ) 與IF對應的功率二極管的兩端

12、的電壓為其正向電壓降UF。 接受反電動勢后，由于少子產(chǎn)生的微小的數(shù)值只有一定的反漏電流。 由于電導調(diào)制效應，即使在正向電流大的情況下，PN結(jié)的導通電壓降也低，根據(jù)電流的大小而變化。232結(jié)功率二極管的基本特性、2動態(tài)特性由于結(jié)電容的存在，電壓電流特性隨時間變化，這是功率二極管的動態(tài)特性，常指反映導通狀態(tài)和截止狀態(tài)之間的變換過程的開關(guān)特性。、圖2-5結(jié)型功率二極管的開關(guān)過程、目錄21電力電子器件的特征和分類22電力電子器件基礎(chǔ)23電力二極管24晶閘管25可關(guān)斷晶閘管(GTO) 26電力晶體管27電力場效應晶體管28絕緣柵雙極晶體管* 29其他新型電力電子器件210電力電子器件的發(fā)展趨勢211電力

13、電子器件應用共性問題的總結(jié)232結(jié)型功率二極管的基本特性、u、圖2-6功率二極管的動態(tài)過程波形的從正偏壓向反偏壓零偏壓的變換是正偏壓的變換是正偏壓的變換此外，在t 03360的正向電流變?yōu)榱銜r，在t 13360的反向電流達到最大值時，在t 23360的電流改變率接近零時，在關(guān)斷之前出現(xiàn)較大的反向電流，并且伴隨有明顯的反向電壓過沖。 被稱為延遲時間： td=t1-t0電流下降時間： tf=t2- t1反向恢復時間： trr=td tf恢復特性的軟度： tf /td，或恢復系數(shù)，并且由Sr表示。232結(jié)型功率二極管的基本特性在從零偏壓變換為正偏壓之前出現(xiàn)過沖UFP，在經(jīng)過時間后才接近穩(wěn)定電壓降的值

14、(例如，2V )。 正向恢復時間tfr、圖2-6的功率二極管的動態(tài)過程波形b )零偏壓變換為正向偏壓，電壓過沖的原因：功率電導調(diào)制效果工作所需的大量少子需要一定的時間，在達到穩(wěn)定導通之前管電壓降大電流上升率越大，UFP越高。 233高速功率二極管、普通結(jié)型功率二極管也稱為整流管(Rectifier Diode )，多用于反向恢復時間為5s以上、開關(guān)頻率為1kHz以下的整流電路。 高頻電路時，請采用高速功率二極管。 提高單結(jié)型功率二極管開關(guān)速度的措施目錄21電力電子器件的特征和分類22電力電子器件基礎(chǔ)23電力二極管24晶閘管25可關(guān)斷晶閘管(GTO) 26電力晶體管27電力場效應晶體管28絕緣柵雙極晶體管* 29其他新型電力電子器件210電力電子器件的發(fā)展趨勢211電力電子器件應用共性問題的總結(jié)缺點：少子數(shù)的減少會削弱電導調(diào)制效應，導致正向?qū)妷航档纳仙? )在硅材料中混入金、鉑等雜質(zhì)會提高少子復合率，提高n區(qū)積累的過剩ki 2 )在p和n雜質(zhì)區(qū)之間夾入高電阻的n型材料形成PN-N結(jié)構(gòu)，在相同耐壓條件下，新結(jié)構(gòu)的硅片厚度相當薄，具有較好的恢復特性和較低的正向?qū)妷航担摻Y(jié)構(gòu)是目前急速二極管普遍采用的結(jié)構(gòu)。233快速功率二極管、2快速型和超快速型快速功率二極管分為2種，目錄21電力電子設(shè)備的特征和分類22電力電子設(shè)備基礎(chǔ)23電力二極管24晶閘管25可關(guān)斷