电力电子器件培训(1)

Copyright2016.10C常用电力电子器件简介目录二、三极管.三、可控硅.一、二极管.四、IGBT.五、电容器.六、电感器.一、二极管自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体和绝缘体三大类。半导体的电阻率在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而升高，这与金属导体恰好相反。各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，称为半导体材料的半导体性质。半导体的基本知识一、二极管半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。工业上应用最多的是硅、锗、碳化硅、砷化镓等。用于制作各种晶体管、整流器、集成电路、太阳能电池等方面。半导体的基本知识一、二极管1、本征半导体没有杂质和缺陷的半导体单晶，叫做本征半导体。2、本征激发当温度升高时，电子吸收能量摆脱共价键而形成一对电子和空穴的过程，称为本征激发。半导体的基本知识一、二极管杂质半导体在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著的变化。因掺入杂质不同，杂质半导体可分为空穴（P）型半导体和电子（N）型半导体两大类。半导体的基本知识一、二极管1、P型半导体在本征半导体中掺入少量的三价元素杂质就形成P型半导体，P型半导体的多数载流子是空穴，少数载流子是电子。半导体的基本知识一、二极管2、N型半导体在本征半导体中掺入少量的五价元素杂质就形成N型半导体。N型半导体的多数载流子是电子，少数载流子是空穴。半导体的基本知识一、二极管在P型半导体和N型半导体结合后，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差，电子和空穴带有相反的电荷，它们在扩散过程中要产生复合（中和），结果使P区和N区中原来的电中性被破坏。P区失去空穴留下带负电的离子，N区失去电子留下带正电的离子，这些离子因物质结构的关系，它们不能移动，因此称为空间电荷，它们集中在P区和N区的交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是所谓的PN结。半导体的基本知识一、二极管PN结中存在着两种载流子的运动。一种是多子克服电场的阻力的扩散运动；另一种是少子在内电场的作用下产生的漂移运动。因此，只有当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度和内建电场才能相对稳定。由于两种运动产生的电流方向相反，因而在无外电场或其他因素激励时，PN结中无宏观电流。半导体的基本知识一、二极管半导体的基本知识PN结在外加电压的作用下，平衡将被打破，并显示出其单向导电的特性。一、二极管1、外加正向电压当PN结外加正向电压时，外电场与内电场的方向相反，内电场变弱，结果使空间电荷区（PN结）变窄。同时空间电荷区中载流子的浓度增加，电阻变小。半导体的基本知识一、二极管2、外加反向电压当PN结外加反向电压时，外电场与内电场的方向相同，内电场变强，结果使空间电荷区（PN结）变宽,同时空间电荷区中载流子的浓度减小，电阻变大。半导体的基本知识一、二极管半导体二极管一、二极管一、半导体二极管的结构半导体二极管一、二极管一、二极管一、二极管半导体二极管一、二极管半导体二极管一、二极管半导体二极管一、二极管半导体二极管一、二极管半导体二极管一、二极管半导体二极管一、二极管半导体二极管二、三极管BJT是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件，由于PN结之间的相互影响，使BJT表现出不同于单个PN结的特性而具有电流放大，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。半导体三极管（BJT）二、三极管按照频率分，有高频管、低频管；按照功率分，有小、中、大功率管；按照半导体材料分，有硅管、锗管；根据结构不同，又可分成NPN型和PNP型等等。但从它们的外形来看，BJT都有三个电极。半导体三极管二、三极管BJT内部载流子的传输过程BJT工作于放大状态的基本条件：发射结正偏、集电结反偏。半导体三极管二、三极管电子在基区中的扩散与复合由发射区来的电子注入基区后，就在基区靠近发射结的边界积累起来，右基区中形成了一定的浓度梯度，靠近发射结附近浓度最高，离发射结越远浓度越小。因此，电子就要向集电结的方向扩散，在扩散过程中又会与基区中的空穴复合，同时接在基区的电源VEE的正端则不断从基区拉走电子，好像不断供给基区空穴。电子复合的数目与电源从基区拉走的电子数目相等，使基区的空穴浓度基本维持不变。这样就形成了基极电流IB，所以基极电流就是电子在基区与空穴复合的电流。也就是说，注人基区的电子有一部分未到达集电结，如复合越多，则到达集电结的电子越少，对放大是不利的。所以为了减小复合，常把基区做得很薄(几微米)，并使基区掺入杂质的浓度很低，因而电子在扩散过程中实际上与空穴复合的数量很少，大部分都能到达集电结。半导体三极管二、三极管集电区收集电子集电结外加反向电压，其集电结的内电场非常强，且电场方向从C区指向B区。使集电区的电子和基区的空穴很难通过集电结，但对基区扩散到集电结边缘的电子却有很强的吸引力，使电子很快地漂移过集电结为集电区所收集，形成集电极电流IC。与此同时，集电区的空穴也会在该电场的作用下，漂移到基区，形成很小的反向饱和电流ICB0。半导体三极管二、三极管1、共发射极电路有电压电流放大作用，输入电阻适中，输出电阻适中，输出电压与输入电压相位相反。高频性能差，适用于低频、和多级放大电路的中间级。半导体三极管二、三极管2、共集电极电路有电流放大作用，电压跟随作用，输入电阻很大，输出电阻很小，输出电压与输入电压同相位。常用于多级放大电路的输入级、输出级或缓冲级。半导体三极管二、三极管3、共基极电路有电压放大作用，电流跟随作用，输入电阻很小，输出电阻适中，输出电压与输入电压同相位。高频特性较好，常用于高频或宽频带电路。半导体三极管二、三极管半导体三极管三、可控硅可控硅，是可控硅整流元件的简称，是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件，亦称为晶闸管。不管可控硅的外形如何，它们的管芯都是由P型硅和N型硅组成的四层P1N1P2N2结构.见图1.它有三个PN结（J1、J2、J3），从J1结构的P1层引出阳极A，从N2层引出阴级K，从P2层引出控制极G，所以它是一种四层三端的半导体器件.可控硅元件的结构三、可控硅可控硅的外观和等效电路三、可控硅可控硅元件的触发四、IGBTIGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极型晶体管芯片）与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品IGBT的结构三、可控硅其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融合了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内。IGBT的特点三、可控硅若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT的工作原理三、可控硅IGBT就是一个开关，非通即断，如何控制他的通还是断，就是靠的是栅源极的电压，当栅源极加+12V（大于6V，一般取12V到15V）时IGBT导通，栅源极不加电压或者是加负压时，IGBT关断，加负压就是为了可靠关断。IGBT的工作原理三、可控硅IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：--IGBT栅极与发射极之间的电压；--IGBT集电极与发射极之间的电压；--流过IGBT集电极-发射极的电流；--IGBT的结温。如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极-发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极-发射极之间的耐压，流过IGBT集电极-发射极的电流超过集电极-发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。IGBT的注意事项