电力电子技术第2章 电力电子器件

34/89
☞PN结的空间电荷是随外加电压的变化而 变化的，例如当外加正向电压升高时，N 区的电子P区的空穴便进入耗尽层区而中 和一部分带正电荷的施主离子和带负电荷 的受主离子，这就好像有一部分电子和空 穴“存入”PN结，相当于电子和空穴分别 向势垒电容“充电”。
31/89
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
◆ PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反 向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN 结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。 ☞按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种 形式 。 ☞反向击穿发生时，采取了措施将反向电流 限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。 ☞否则就会使得反向电流和反向电压的乘积 超过了PN结允许的耗散功率，PN结就会因热量 散不出去而过热烧毁，这就是热击穿。
正向接法时内电场被削弱，扩散运动强于漂移运
动，掺杂形成的多数载流子导电，等效电阻较小。
27/89
◆当PN结外加反向电压时（反向偏置） 时，反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎 没有电流流过，被称为反向截止状态。
反向接法时内电场被增强，漂移运动强于扩散运
动，光热激发形成的少数载流子导电，等效电阻 很大。
16/89
2.1.3 电力电子器件的分类
■按照驱动信号的性质 ◆电流驱动（控制）型 ☞通过从控制端注入或者抽出电流来实 现导通或者关断的控制。 ◆电压驱动（控制）型 ☞仅通过在控制端和公共端之间施加一 定的电压信号就可实现导通或者关断的控 制。
17/89
2.1.3 电力电子器件的分类
■按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ） ◆脉冲触发型 ☞通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实 现器件的开通或者关断的控制。一旦已进入导通或阻断 状态且主电路条件不变的情况下，器件就能够维持其导 通或阻断状态，而不必通过继续施加控制端信号来维持 其状态。 ◆电平控制型 ☞必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平 的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态或者 关断并维持在阻断状态。
c)
K
图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 基本结构 c) 电气图形符号
25/89
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
■二极管的基本原理——PN结的单向导电性
26/89
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
◆当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形 成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF，这 就是PN结的正向导通状态。
21/89
2.2 不可控器件——电力二极管
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数 2.2.4 电力二极管的主要类型
22/89
2.2 不可控器件——电力二极管·引言
■电力二极管（Power Diode）自20世纪50年代初期就获得 应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二 极管仍然大量应用于许多电气设备当中。 ■在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少 的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基 二极管，具有不可替代的地位。
18/89
2.1.3 电力电子器件的分类
■按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的 情况（与信息电子电路的电子器件类似） ◆单极型器件 （多子器件） ☞由一种载流子参与导电。 ◆双极型器件（少子器件） ☞由电子和空穴两种载流子参与导电。 ◆复合型器件 ☞由单极型器件和双极型器件集成混合而成， 也称混合型器件。
20/89
2.1.4 本章内容和学习要点
■学习要点 ◆最重要的是掌握其基本特性。 ◆掌握电力电子器件的型号命名法，以及其主要 参数和特性曲线的意义和使用方法，是实际中正 确应用电力电子器件的两个基本要求。 ◆了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工 作原理。从半导体物理结构和基本工作原理来讲， 电力电子器件与其在信息电子器件中的对应者基 本是相同的。但是为了能承受高电压和大电流， 电力电子器件又具有与其对应的信息电子器件的 不同之处。 ◆了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。
19/89
2.1.4 本章内容和学习要点
■本章内容 ◆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顺序，分别介 绍各种电力电子器件的工作原理、基本特 性、主要参数以及选择和使用中应注意的 一些问题。而电力电子器件的驱动、保护 和串并联使用时的具体问题将在介绍完各 种电力电子电路之后在第9章介绍。
7/89
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
◆尽管工作在开关状态，但电力电子器件 自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器 件，为了保证不至于因损耗散发的热量导 致器件温度过高，不仅在其封装上比较讲 究散热设计，在其工作时一般都需要安装 散热器。
8/89
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
☞电力电子器件的功率损耗 通态损耗
整流二极管及模块 23/89
电力二极管实物图
24/89
24
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
■电力二极管是以半 导体PN结为基础的, 实际上是由一个面积 较大的PN结和两端引 线以及封装组成的。 从外形上看，可以有 螺栓型、平板型等多 种封装。
A
K A I P N J b) K
K
A a)
A
10/89
☞在电力电子器件由断态转为通态（开通过 程）或者由通态转为断态（关断过程）的 转换过程中产生的损耗，分别称为开通损 耗和关断损耗，总称开关损耗。
当器件的开关频率较低时开关损耗 可以忽略 ， 当器件的开关频率较高 时，开关损耗会随之增大而可能成 为器件功率损耗的主要因素。
11/89
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
第2章 电力电子器件
引言
模拟和数字电子电路的基础 ——晶体管和集成电路等电子器件 电力电子电路的基础 ——电力电子器件 掌握各种常用电力电子器件的特性和正确使用方法 是我们学好电力电子技术的基础
1/89
本章主要内容：
◆对电力电子器件的概念、特点和分类 等问题作了简要概述 。 ◆分别介绍各种常用电力电子器件的工 作原理、基本特性、主要参数以及选 择和用中应注意的一些问题。
断态损耗 开通损耗 开关损耗 关断损耗
9/89
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
☞ 电力电子器件在导通或者阻断状态下，并不 是理想的短路或者断路。导通时器件上有一 定的通态压降，阻断时器件上有微小的漏电 流流过。尽管其数值都很小，但分别与数值 较大的通态电流和断态电压相作用，就形成 了电力电子器件的通态损耗和断态损耗，数 值 比较可观。电力电子器件的断态漏电流都 极其微小，因而通态损耗是电力电子器件功 率损耗的主要成因。
4/89
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
■电力电子器件的概念 ◆电力电子器件（Power Electronic Device）是 指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的 变换或控制的电子器件。 ☞主电路：在电气设备或电力系统中，直接 承担电能的变换或控制任务的电路。 ☞广义上电力电子器件可分为电真空器件和 半导体器件两类，现在往往专指电力半导体器件， 目前电力半导体器件所采用得主要材料仍然是硅。
☞ 对有些器件来讲，驱动电路向其注入的 功率也是造成器件发热的原因之一
12/89
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
☞ 电力电子器件在导通或者阻断状态下，并不 是理想的短路或者断路。导通时器件上有一 定的通态压降，阻断时器件上有微小的漏电 流流过。尽管其数值都很小，但分别与数值 较大的通态电流和断态电压相作用，就形成 了电力电子器件的通态损耗和断态损耗，数 值 比较可观。电力电子器件的断态漏电流都 极其微小，因而通态损耗是电力电子器件功 率损耗的主要成因。 ☞
15/89
2.1.3 电力电子器件的分类
■按照能够被控制电路信号所控制的程度 ◆半控型器件 ☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。 ☞器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流 决定的。 ◆全控型器件（自关断器件） ☞目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 ☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。 ◆不可控器件 ☞电力二极管（Power Diode） ☞不能用控制信号来控制其通断，器件的导通和关断完 全是其在主电路中承受的电压和电流决定的。
28/89
◆电力二极管不同于信息电子电路之处： ☞电力二极管大都是垂直导电机构，使得 硅片中通过电流的有效面积增大，可以显著 提高二极管的通流能力。 ☞电力二极管在P区和N区之间多了一层低 掺杂N区（N ）（P-i-N结构），使其可以承受 很高的电压而不至被击穿。
29/89
30/89
☞电导调制效应。 低掺杂N区具有高电阻率而不利于正向导通，这 个矛盾是通过电导调制效应来解决的。当PN结上流 的正向电流较小时，二极管的电阻主要是低掺杂N区 的欧姆电阻，其阻值较高且为常量，因而管压降随 正向电流增加而增加；当PN结上流过较大正向电流 时，由P区注入并积累在低掺杂N区的少子空穴浓度 将很大，为了维持半导体的电中性条件，其多子浓 度也相应大幅度增加，使得其电阻率明显下降，也 就是电导率大大增加，这就是电导调制效应。电导 调制效应使得电力二极管在正向电流较大时压降仍 然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的电力二极 管表现为低阻态。
在模拟电子电路中，电子器件一般都工作在线性放大状态， 数字电子电路中的电子器件虽然一般也工作在开关状态， 但其目的是利用开关状态表示不同的信息。
6/89
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
◆由信息电子电路来控制 。由于电力电子 器件所处理的功率较大，因此普通信息电 子电路信号一般不能直接控制电力电子器 件的导通和关断，需要一定的中间电路即 驱动电路对这些信号进行适当的放大。