电力二极管（PPT52页)

第2章电力电子器件2.1电力电子器件概述2.2不可控器件——电力二极管2.3半控型器件——晶闸管2.4典型全控型器件2.5其他新型电力电子器件2.6功率集成电路与集成电力电子模块本章小结引言■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■本章主要内容：◆概述电力电子器件的概念、特点和分类。◆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使用中应注意的一些问题。2.1电力电子器件概述2.1.1电力电子器件的概念和特征2.1.2应用电力电子器件的系统组成2.1.3电力电子器件的分类2.1.4本章内容和学习要点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（PowerElectronicDevice）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，目前往往专指电力半导体器件。2.1.1电力电子器件的概念和特征■电力电子器件的特征◆处理电功率的大小（承受电压和电流的能力）一般都远大于处理信息的电子器件，是其最重要的参数，如晶闸管：12000V/1000A◆为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。◆由信息电子电路来控制,而且需要驱动电路。◆自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。2.1.1电力电子器件的概念和特征☞通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。☞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。通态损耗断态损耗开关损耗开通损耗关断损耗☞电力电子器件的功率损耗2.1.2应用电力电子器件的系统组成■电力电子器件实际应用：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。电气隔离控制电路检测电路保护电路驱动电路RLV1V2主电路图2-1电力电子器件在实际应用中的系统组成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☞器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。◆全控型器件☞通过控制信号既可以控制其导通、关断。☞门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor）、功率场效应管（PowerMOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor）等。目前最常用的是IGBT和PowerMOSFET。◆不可控器件☞电力二极管（PowerDiode）☞不能用控制信号来控制其通断。2.1.3电力电子器件的分类■按照驱动信号的性质◆电流驱动型☞从控制端注入或者抽出电流来实现器件导通、关断。◆电压驱动型☞在控制端和公共端之间施加一定的电压信号实现器件导通或者关断的控制。什么是PN结的电导调制效应？导体电阻率很小（电导率很大）好比1万条车道的高速公路。电流好比是车辆，电压好比是通行时间。车流越大，必然通行时间越长。由于车道数太多，导体不可控！！半导体好比是受交通管制的1-100车道高速公路，先天牺牲了车道数，但是换来了可控。当车流很小，只开1条车道，通行所花时间为0.7V。车流很大时，多开车道，反正保证通行花的时间是0.7V。即使考虑电导调制，半导体的导电能力也远不及导体，半导体是牺牲了导流性能换来了可控性！①电流控制型器件：采用电流信号来实现其导通或关断控制。如：晶闸管、门极可关断晶闸管、电力晶体管GTR、IGCT（集成门极换流晶闸管）等。电流控制型器件的特点是：a在器件体内有电子和空穴两种载流子导电，由导通转向阻断时，两种载流子在复合过程中产生热量，使器件结温升高。过高的结温限制了工作频率的提高，因此，电流控制型器件比电压控制型器件的工作频率低。b电流控制型器件具有电导调制效应，使其导通压降很低，导通损耗较小。c电流控制型器件的控制极输入阻抗低，控制电流和控制功率较大，电路也比较复杂。当PN结上流过的正向电流较大时，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②电压控制型器件：采用电压控制（场控原理控制）其导通或关断。其输入端基本上不流过控制电流信号，用小功率信号就可驱动其工作。如：MOSFET管、IGBT管等。电压控制型器件的特点是：a输入阻抗高，控制功率小，控制线路简单。b工作频率高。c工作温度高，抗辐射能力强。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☞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。◆电平控制型☞通过持续在控制端施加一定电平的电压或电流信号使器件开通并维持导通状态或者关断并维持阻断状态。2.1.3电力电子器件的分类■按照载流子参与导电的情况◆单极型器件☞由一种载流子参与导电。如功率场效应管MOSFET、静电感应晶体管SIT等。◆双极型器件☞由电子和空穴两种载流子参与导电。如PN结整流管、普通晶闸管、电力晶体管等。◆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。如IGBT、MCT（MOS控制晶闸管）等主要电力电子器件的特性及其具有代表性的应用领域器件种类开关功能器件特性概略应用领域电力二极管不可控5KV/3KA400HZ各种整流装置晶闸管可控导通6KV/6KA400HZ8KX/3.5KA光控SCR炼钢厂、轧钢厂机、直流输电、电解用整流器可关断晶闸管自关断型6KV/6KA500HZ工业逆变器、电力机车用逆变器、无功补偿器MOSFET600V/70A100KHZ开关电源、小功率UPS、小功率逆变器IGBT1200V/1200A20KHZ4.5KV/1.2KA2KHZ各种整流/逆变器（UPS、变频器、家电）、电力机车用逆变器、中压变频器2.1.4本章内容和学习要点■本章内容◆介绍不可控器件、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。■学习要点◆掌握其基本特性（重点）。◆掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法。◆了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。◆了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。2.2不可控器件——电力二极管2.2.1PN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2.2不可控器件——电力二极管·引言■电力二极管（PowerDiode）☞自1950s初期就获得应用，其结构和原理简单，工作可靠，直到现在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。整流二极管及模块19/89AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1PN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。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PN结PN结是由N型半导体和P型半导体结合后构成的，如下图所示。PN结的形成PN结与电力二极管工作原理在4族元素本征半导体硅中掺入5族元素(砷、磷)。在4族元素本征半导体硅中掺入3族元素(硼、铝)。+N型半导体_P型半导体5个价电子中的4个与相邻的硅原子组成共价键后，还多余一个。3个价电子与相邻的硅原子组成共价键，因缺少一个价电子，在晶体中产生一个空穴。N型半导体中有大量的电子（多子），P型半导体中有大量的空穴（多子），在两种半导体的交界处由于电子和空穴的浓度差别，形成了各区的多子向另一区的扩散运动，其结果是在N型半导体和P型半导体的分界面两侧分别留下了带正、负电荷的离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷，这个区域称为空间电荷区。空间电荷建立的电场称为内电场，其方向是阻止扩散运动的。另一方面，内电场又吸引对方区域中的少子向本区运动，即形成漂移运动。扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾，最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的空间电荷区，这就是PN结。_++++++++++++___________P区N区_++++++++++++___________耗尽层空间电荷区内电场P区N区扩散运动漂移运动扩散运动阻挡层势垒层PN结PN结PN结的三种工作状态（即二极管的工作原理）——PN结的正向导通状态：当给PN结外加正向电压（P正N负）时，外电场方向与内电场方向相反，外电场削弱内电场，空间电荷区变窄，使多子的扩散运动大于少子的漂移运动，形成从P区流向N区的正向电流，此时PN结表现为低电阻，电力二极管电压降只有1V左右。RVIF外电场漂移运动扩散运动_++++++++++++___________耗尽层空间电荷区内电场P区N区——PN结的反向截止状态：当PN结外加反向电压（P负N正）时，外电场与内电场方向相同，使内电场增强，空间电荷区变宽，使得少子的漂移运动强于多子的扩散运动，形成从N区流向P区的反向电流，由于少子的浓度很小，只有极小的反向漏电流流过PN结，PN结表现为高电阻。所以PN结具有单向导电性。二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性。——PN结的反向击穿：当反向电压增大到某一值（反向击穿电压）时，反向电流急剧增大，PN结内部产生雪崩击穿，导致二极管损坏。外电场RV少子漂移运动产生反向电流IS_++++++++++++___________耗尽层空间电荷区内电场P区N区PN结的三种工作状态（即二极管的工作原理）——PN结的正向导通状态：当给PN结外加正向电压（P正N负）时，外电场方向与内电场方向相反，外电场削弱内电场，空间电荷区变窄，使多子的扩散运动大于少子的漂移运动，形成从P区流向N区的正向电流，此时PN结表现为低电阻，电力二极管电压降只有1V左右。☞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PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。RCK(N)A(P)PN结高频等效电路当PN结处于正偏时R为正向电阻，其值很小，结电容C很大；当PN结处于反偏时R为反向电阻，其值很大，结电容C很小。PN结的电容效应结电容按其产生的机制和作用的差别分为以下两类：A—势垒电容CB：它只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，其作用越明显。它的大小与PN结的截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。B—扩散电容CD：它仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为结电容的主要成份，正向电压较高时，扩散电容为结电容的主要成份。注意：结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时要注意。_++++++++++++___________耗尽层空间电荷区内电场P区N区PN结的电容效应PN结的电荷量随外加电压的变化而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。造成电力二极管与普通二极管的区别的一些因素：虽然电力二极管与普通二极管的结构、工作原理基本一样，但使用是不一样的，造成这种区别的因素是：①正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略。②引线和焊接电阻的压降等都不能忽略。③承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响。④为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。2.3.2电力二极管的基本特性1.静态特性（StaticStateCharacteristic）主要指其伏安特性(Volt-AmpereCharacteristic)IOIFUTOUFUIOIFUTOUFUUTHTS(e1)VVII