电力电子器件介绍.pptx

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1、1.1 半导体基础知识导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属 一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。1.1.1 本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。一、半导体 导电特性处于导体（低价元素构成）和绝缘体（高价元素构成）之间，称为半导体，如锗、硅等，均为四价元素。共价键价电子共有化，形成共价键的晶格结构1.1.1 本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。一、半导体二、本征半导体的导电情况金属导电是由于其内部有自由电

2、子存在(载流子),在外电场的作用下,自由电子定向移动,形成电流.半导体中有两种载流子:自由电子和空穴自由电子空穴在外电场作用下，电子的定向移动形成电流+-在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流+-1.本征半导体中载流子为电子和空穴;2.电子和空穴成对出现,浓度相等;3.由于热激发可产生电子和空穴,因此半导体的导电性和温度有关,对温度很敏感。1.1.2 杂质半导体一、N型半导体 在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。电子-多子;空穴-少子.converteam 作者：周宇1.1.2 杂质半导体二、P型半导体 在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使

3、之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半导体。空穴-多子;电子-少子.注意杂质半导体中，多子的浓度决定于掺杂原子的浓度；少子的浓度决定于温度。converteam 作者：周宇1.1.3 PN结采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。PN结具有单向导电性。一、PN结的形成P区N区converteam 作者：周宇一、PN结的形成在交界面，由于两种载流子的浓度差，出现扩散运动。converteam 作者：周宇一、PN结的形成在交界面，由于扩散运动,经过复合,出现空间电荷区 空间电荷区耗尽层converteam 作者：周宇一、PN结的形成当扩散电流等

4、于漂移电流时，达到动态平衡，形成PN结。PN结converteam 作者：周宇1.由于扩散运动形成空间电荷区和内电场;2.内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移;3.当扩散电流等于漂移电流时，达到动态平衡，形成PN结。converteam 作者：周宇二、PN结的单向导电性 1.PN结外加正向电压时处于导通状态加正向电压是指P端加正电压，N端加负电压，也称正向接法或正向偏置。converteam 作者：周宇 内电场外电场外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变窄，形成较大的扩散电流。converteam 作者：周宇2.PN结外加反向电压时处于截止状态外电场和内电场的共同作用，使耗尽层变宽，形成很小的漂移电

5、流。converteam 作者：周宇三、PN结的伏安特性 正向特性反向特性反向击穿PN结的电流方程为其中，IS 为反向饱和电流，UT26mV，converteam 作者：周宇1.2 半导体二极管converteam 作者：周宇1.2 半导体二极管 将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管。由P区引出的电极为阳极（A），由N区引出的电极为阴极（K）。二极管的符号：P N阳极 阴极 converteam 作者：周宇converteam 作者：周宇 功率二极管的工作原理 由于PN 结具有单向导电性，所以二极管是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。converteam 作者

6、：周宇1.功率二极管的特性(1)功率二极管的伏安特性 二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必须克服一定的门坎电压 Uth(又称死区电压)，当外加电压小于门坎电压时，正向电流几乎为零。硅二极管的门坎电压约为0.5V，当外加电压大于 Uth后，电流会迅速上升。当外加反向电压时，二极管的反向电流IS是很小的，但是当外加反向电压超过二极管反向击穿电压 URO后二极管被电击穿，反向电流迅速增加。伏安特性UI导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。反向击穿电压UBR死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。converteam 作者：周宇 环境温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线

7、下移。在室温附近,温度每升高1C,正向压降减小22.5mV;温度每升高10C，反向电流约增大1倍。二极管的特性对温度很敏感。converteam 作者：周宇稳压二极管及应用1.稳压管的工作原理稳压管的符号converteam 作者：周宇2.稳压管的主要参数稳定电压UZUZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。稳压电流IZ额定功耗PZM IZ是稳压二极管正常工作时的参考电流。工作电流小于此值时，稳压二极管将失去稳压作用。PZM 等于稳定电压UZ与最大稳定电流IZM（或 IZmax）的乘积。converteam 作者：周宇3.稳压管的稳压条件稳压管正向工作时和二极管的特性完全相同。必须工作

8、在反向击穿状态；流过稳压管的电流在IZ和IZM之间。注意！converteam 作者：周宇特殊二极管1.光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件，其结构与普通二极管相似，只是管壳上留有一个能入射光线的窗口。converteam 作者：周宇2.发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件。它由一个PN 结构成,当发光二极管正偏时，注入到N 区和P 区的载流子被复合时，会发出可见光和不可见光。converteam 作者：周宇1.3 双极型晶体管converteam 作者：周宇1.3 双极型晶体管 一、晶体管的结构和类型NPN型基区发射区集电区发射结集电结发射极基极集电极bec发射极箭头的方向为

9、电流的方向converteam 作者：周宇bPNP集电极基极发射极cePNP型converteam 作者：周宇converteam 作者：周宇 双极型功率晶体管BJT 的容量水平已达1.8kV lkA，频率为20kHz。converteam 作者：周宇 双极型功率晶体管的工作原理 以NPN 型双极型功率晶体管为例，若外电路电源使 UBC0,则发射结的PN 结处于正偏状态。此时晶体管内部的电流分布为：(1)由于 UBC0,发射结处于正偏状态，P 区的多数载流子空穴不断地向N 区扩散形成空穴电流 IPE,N 区的多数载流子电子不断地向P 区扩散形成电子电流 INE。converteam 作者：周宇

10、 单个BJT 电流增益较低，驱动时需要较大的驱动电流，由于单级高压晶体管的电流增益仅为10 左右，为了提高电流增益，常采用达林顿结构，如每级有10 倍的增益，则3级达林顿结构的电流增益可达1000 左右。converteam 作者：周宇BJT 的开关特性 在开关工作方式下，用一定的正向基极电流 IB1去驱动BJT 导通，而用另一反向基极电流 IB2迫使BJT 关断，由于BJT 不是理想开关，故在开关过程中总存在着一定的延时和存储时间。converteam 作者：周宇 BJT 的开关响应特性二、晶体管的电流放大作用 放大是对模拟信号最基本的处理。晶体管是放大电路的核心元件，它能够控制能量的转换，

11、将输入的任何微小变化不失真的放大输出，放大的对象是变化量。晶体管工作在放大状态的外部条件是发射结正向偏置且集电结反向偏置。晶体管的放大作用表现为小的基极电流可以控制大的集电极电流。共射放大电路converteam 作者：周宇1.发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流IE2.扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流IB3.集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流ICIBICIE晶体管内部载流子的运动converteam 作者：周宇晶体管的电流分配关系IBICIE共射直流电流放大系数converteam 作者：周宇晶体管的电流分配关系共射直流电流放大系数 共射交流电流放大系数通常认为：c

12、onverteam 作者：周宇晶体管的电流分配关系IBICIEIBICIEconverteam 作者：周宇三、晶体管的共射特性曲线UCEIC+-UBEIB+-实验线路mAAVVRBECEBRCconverteam 作者：周宇1.输入特性IB(A)UBE(V)204060800.4 0.8工作压降：硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。converteam 作者：周宇2.输出特性IC(mA)1234UCE(V)36 912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。IC只与IB有关，IC=IB。c

13、onverteam 作者：周宇IC(mA)1234UCE(V)36 912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。2.输出特性converteam 作者：周宇IC(mA)1234UCE(V)36 912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。2.输出特性converteam 作者：周宇输出特性三个区域的特点:(1)放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且 IC=IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE，IBIC，

14、UCE0.3V(3)截止区：UBE 死区电压，IB=0，IC=ICEO 0 converteam 作者：周宇iCiBRBRCVCCvOvi+-三极管工作状态判断方法：当vBE0.7V时，截止0.7V时，放大或饱和converteam 作者：周宇converteam 作者：周宇1.4 晶闸管 晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅SCR,普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。目前，晶闸管的容量水平已达8kV 6kA。converteam 作者：周宇1.4.1 晶闸管的结构和工作原理1.晶闸管的结构 晶闸管是具有四层PNPN 结构、三端引出线(A、K、G)的

15、器件。常见晶闸管的外形有两种：螺栓型和平板型。converteam 作者：周宇 晶闸管的结构和等效电路如图1-4 所示，晶闸管的管芯是P1N1P2N2 四层半导体，形成3 个PN 结J1、J2 和J3。converteam 作者：周宇2.晶闸管的工作原理 IG Ib2IC2(Ib1)IC1converteam 作者：周宇(1)欲使晶闸管导通需具备两个条件：应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。(2)晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。(3)为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向

16、的方法来实现。converteam 作者：周宇3 晶闸管的门极驱动电路1.晶闸管的门极驱动电路(1)晶闸管对触发电路的基本要求 晶闸管对触发电路的基本要求是：触发信号可以是交流、直流或脉冲，为了减小门极的损耗，触发信号常采用脉冲形式。触发脉冲应有足够的功率。触发电压和触发电流应大于晶闸管的门极触发电压和门极触发电流。converteam 作者：周宇 触发脉冲应有足够的宽度和陡度。触发脉冲的宽度一般应保证晶闸管阳极电流在脉冲消失前能达到擎住电流，使晶闸管导通，这是最小的允许宽度。一般触发脉冲前沿陡度大于10V/s 或800mA/s。触发脉冲的移相范围应能满足变换器的要求。例如，三相半波整流电路，

17、在电阻性负载时，要求移相范围为150；而三相桥式全控整流电路，电阻负载时移相范围为120。converteam 作者：周宇1.5 功率场效应晶体管 根据其结构不同分为结型场效应晶体管，金属-氧化物-半导体场效应晶体管。根据导电沟道的类型可分为N 沟道和P 沟道两大类；根据零栅压时器件的导电状态又可分为耗尽型和增强型两类，目前功率MOSFET 的容量水平为50A 500 V，频率为100kHz。场效应管:一、结构和电路符号(绝缘栅场效应管)PN Ngs dP型衬底两个N区SiO2绝缘层金属铝N沟道增强型gsdBMOS管的工作原理以N 沟道增强型为例PN NGS DUDSUGSUGS=0时D-S

18、间相当于两个反接的PN结ID=0对应截止区2个耗尽层PN NGS DUDSUGSUGS0时UGS排斥空穴，形成耗尽层。PN NGS DUDSUGSUGS0时UGS足够大时（UGSVGS(th)），出现以电子导电为主的N型导电沟道。吸引电子VGS(th)称为开启电压PN NGS DUDSUGS当UDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。当UDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。PN NGS DUDSUGS夹断后，即使UDS 继续增加，ID仍呈恒流特性。IDUDS增加，UGD=VGS(th)时，靠近D端的沟道被夹断，称为预夹断。converteam 作者：周宇 2.功率场效应晶体管的工作原理 当

19、栅源极电压 UGS0 时，漏极下的P 型区表面不出现反型层，无法沟通漏源。此时即使在漏源之间施加电压也不会形成P 区内载流子的移动，即VMOS 管保持关断状态。当栅源极电压 UGS0 且不够充分时，栅极下面的P 型区表面呈现耗尽状态，还是无法沟通漏源，此时VMOS 管仍保持关断状态。当栅源极电压 UGS或超过强反型条件时，栅极下面的硅的表面从P 型反型成N 型，形成N 型表面层并把源区和漏区联系起来,从而把漏源沟通，使VMOS 管进入导通状态。输出特性曲线IDU DS0UGS0可变电阻区夹断区恒流区DSBGN 沟道增强型场效应管NPN 型三极管ecbG-b D-c S-e与 NPN 三极管相似

20、，NMOS管为电压控制器件，当 vGSVGS(th)N,MOS 管导通（正电压控制）。converteam 作者：周宇1.6 绝缘栅双极型晶体管 绝缘栅双极型晶体管IGBT 是80 年代中期问世的一种新型复合电力电子器件，由于它兼有MOSFET 的快速响应、高输入阻抗和BJT 的低通态压降、高电流密度的特性，这几年发展十分迅速。目前，IGBT 的容量水平达(1200 1600A)/(18003330V),工作频率达40kHz 以上。converteam 作者：周宇1.6.1 结构和工作原理1.绝缘栅双极型晶体管的结构 IGBT 相当于一个由MOSFET 驱动的厚基区BJT。从图中我们还可以看到在集电极和发射极之间存在着一个寄生晶闸管，寄生晶闸管有擎住作用。采用空穴旁路结构并使发射区宽度微细化后可基本上克服寄生晶闸管的擎住作用。IGBT 的低掺杂N 漂移区较宽，因此可以阻断很高的反向电压。converteam 作者：周宇 IGBT 的结构、符号及等效电路converteam 作者：周宇2.绝缘栅双极型晶体管的工作原理 当 UDS0 时，J3PN 结处于反偏状态，IGBT呈反向阻断状态。当 UDS0 时，分两种情况：若门极电压 UG开启电压 UT，IGBT 呈正向阻断状态。若门极电压 UG开启电压 UT，IGBT 正向导通。