电力电子1-1电力电子器件解读课件.ppt

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1、第一章电力电子器件1.功率二极管2.普通晶闸管的结构及工作原理3.晶闸管派生器件4.门极可关断晶闸管5.功率晶体管6.功率MOSFET7.绝缘栅双极晶体管IGBT第一章电力电子器件在绪论中我们已经了解到，电力电子技术是生产的需要发展起来的。电力电子技术是依赖电力电子器件的发展而起发展来的。可以说没有电子器件，就没有电力电子技术的今天。电力电子学是以电子器件为基础，掌握器件的物理特性，工作状态，对电子器件的正确应用是非常重要的。电力电子开关器件是一切电力电子变流装置的基本元素。它可以按设计者规定的方式把输入到负载的

2、电能周期性地接通和关断，使负载获得所需的能量形式。我们学习电力电子技术，则器件是基础，变流是核心。电力电子器件划分第一代器件：（40~70年代）。不可控器件：功率二极管（包括水银整流器、硅整流块）；半可控器件：晶闸管及其派生器件；第二代器件：（80年代）全控型器件：可关断晶闸管、功率晶体管、功率场效应管；第三代器件：（90年代）功率IC、绝缘栅双极晶体管IGBT、MCT(MOSFET晶闸管)、HVIC(功率高压集成电路)、SMARTPOWERIC(功率智能集成电路)、S-IC(功率专用集成电路)。这些器件中，晶闸

3、管的应用最为广泛，可以说，晶闸管是近代变流技术的核心。电力电子器件具有功耗小、效率高、控制能力强等特点，随着新型器件的广泛应用，其工作频率也在不断提高，这样必然使电力电子装置的体积减小，重量变轻，应用场合进一步扩宽。本章将从应用的角度出发来介绍常用的电力电子器件，分析时要明白器件的导通和关断形式及其控制方法，了解电力电子器件的工作机理、特性、基本参数、驱动方法和保护方法。本章主要介绍功率二极管、晶闸管及其派生器件、可关断器件的GTO、GTR、IGBT、MCT。而且这些器件正向着高频化、全控化、集成化、多功能化的方

4、向发展，给我们的使用带来了极大的方便。二极管的电路符号与我们在晶体管电路中的阐述一样。第一节功率二极管1.1功率二极管结构功率二极管是在一个园形硅片上用扩散工艺制作一个PN接结。工作原理类似信号二极管，但它必须承受更大的电压和电流，不像信号二极管那样用点接触（高频二极管），管芯面积和厚度远大于信号二极管，且开关速度低。PN结与功率二极管的工作原理交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为

5、空间电荷。PN结与功率二极管的工作原理空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。PN结与功率二极管的工作原理扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。1.2功率二极管的静态特性①理想特性：与普通二极管的工作电流和工作电压相比，漏电流和通态压降很小很小，可以忽略，认为是二极管的理想特性。②实际

6、特性：二极管的开通时间很短，可以认为是瞬时完成的。实际上二极管要导通，阳极电压必须高于门坎电压V0。一旦输入电压超过门坎电压，阳极电流迅速增大，其电流受外部负载的限制。且有一个正向压降Vp。③反向击穿特性：反偏时，反向漏电流为μA级---mA级。且随反向电压增大而缓慢增加，直到转折电压时，产生雪崩击穿。若电流过大，则元件将永久损坏。1.3功率二极管的开关特性二极管的导通时间很短，可以认为是瞬时完成的，但关断时需要反向恢复时间toff，如图1-1-2所示。在感性负载电路中，这反向恢复电荷可能导致电路中的过电压。但一

7、般不影响转换器的特性。因此关断瞬间可认为二极管为理想特性。①开通过程（Turn-on-time）我们从反向阻断出发，在外加反向电压下，PN结两侧建立的势垒可等效为一个充了电的电容。电压就等于外加反向电压。此时只有很小的反向漏电流。当外施电压极性改变时，在正偏电压作用下等效的势垒电容放电，随着电压的降低，正向电流逐步建立。这一过程所需的时间称为开通时间。如果在一时段内阳极电流增长过快，器件内部的载流子沿截面不均匀扩散，将会造成局部过热而击穿，使元件永久性损坏。因此必须限制阳极电流上升率。②关断时间正向导通状态下的二

8、极管PN结两侧无电荷积累，等效的势垒电容可近似为一低电阻（二极管通态平均电阻）旁路。一旦从正向偏置改为反向偏置，势垒电容将要反向充电，在PN结两侧重新建立势垒电压，这一过程称为关断时间。电容从零电压开始反向充电，器件中正向电流迅速下降到零，并有较大的反向电流即反向恢复电流通过。如图1-1-2所示。随着势垒电容充电电压升高，反向恢复电流下降，直到势垒电容电压等于外施反向电压