电力电子技术基础 教学课件 作者邢岩 第1章 电力半导体器件.ppt

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1、第1章电力半导体器件主要内容：1.1概述1.2二极管1.3晶闸管1.4可关断器件1.1概述1.1.1电力半导体器件1.1.2电力半导体器件的发展历程与趋势1.1.3电力半导体器件的分类1.1.1电力电子器件电力电子器件基本特征所处理的电功率的一般都远大于处理信息的电子器件，小至毫瓦级，大至兆瓦级。一般工作在开关状态，因此，其开关特性（即动态特性）和参数，是电力电子器件特性很重要的方面。功率损耗较大，因而为了保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上比较讲究散热设计，而且且在其工作时一般都还需要安装散热器。在实际应

2、用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制，两者之间应采取一定的隔离措施。1.1.2电力电子器件的发展历程与趋势电力电子器件的发展历程图1.1.3电力电子器件的分类按照电力电子器件能够被门极（有时称为基极）所控制的程度，可以将电力电子器件分为三类：不可控型：不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。这类器件主要就是电力二极管，它只有两个端字，不需要驱动电路，器件的导通和关断完全由其承受的电压和电流决定。半控型：通过门极控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。主要是指晶闸管及其大部分派生器件，器件的关断完全是由其承受的电压和电流来决定

3、。全控型：通过门极控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断，有时也被称为自关断器件。目前常用的是IGBT、PowerMOSFET、GTO。按照门极控制信号的性质又可以将电力电子器件（电力二极管除外）分为两类：电流控制型：通过门极注入或者抽出电流来控制其导通或者关断的器件，如普通晶闸管、GTO、GTR电压控制型：通过在门极施加一定的电压信号就可以控制其导通与关断的器件，静态时几乎没有门极电流。由于电压控制型器件实际上是通过门极电压在器件内部产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态的，所以电压控制型器件又被称为场控器件或者场效应器

4、件，如MOSFET、IGBT等。1.2二极管1.2.1电力整流器件1.2.2快恢复二极管1.2.3肖特基二极管1.2.1电力整流器件1.基本结构和工作原理P-N结：N型半导体和P型半导体紧密结合时，N型半导体中多出的电子向缺少电子的P型半导体中扩散。在结合面附近，每个结构元的价和电子数正好达到平衡，每个原子周围的价和电子平稳，不能任意移动，这就是不导电时的P-N结。这个区域按所强调的角度不同被称为耗尽层、阻挡层、空间电荷区或势垒区。1.基本结构和工作原理扩散运动和漂移运动：N型区和P型区半导体原本呈现电中性，而在耗尽层的P区部分因为吸收

5、了N区扩散来的电子（负电荷）而呈现阴性，而耗尽层的N区部分因为吸收了P区扩散来的空穴（正电荷）则呈现阳性，从而建立电场，方向由N区指向P区，这个电场被称为内电场或自建电场。自建电场的方向是阻止扩散运动，另一方面又吸引对方区内的少子向本区运动，这就是所谓的漂移运动。扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡。1.基本结构和工作原理当整流二极管外加反向偏置电压时，外加电场与内电场方向相同，内部耗尽层变宽，P-N结反偏，阻值很大，二极管处于反向截止状态。外部电压几乎全部降落在耗尽层。当外加正向电压时，外加电场与内电场方向相反，内部耗尽层变窄，当外加电

6、压逐步升高时，内电场将逐步削弱，直到内电场消失（此时阳极与阴极间的电压对应为门槛电压UTO），P-N结导通，电流迅速增大。这就是二极管的单向导电性。电导调制效应：当二极管导通，正向电流较大时，空穴穿过P-N结进入N－区，并在N－区得到积累，浓度将很大，为了维持半导体电中性条件，其多子（电子）浓度也相应大幅度增加，使得其电阻率明显下降，这就是电导调制效应。2.二极管工作特性二极管阻断----呈现出较高的电阻特性。二极管导通----呈现为低阻状态。（由于电导调制效应，电阻率显著下降）工作特性-----静态特性电力二极管的静态特性主要是指其伏

7、安特性。在允许的电压范围内：当电力二极管的正向电压大于门槛电压UTO时，正向电流才开始明显增加，并逐渐进入导通状态；当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小的反向漏电流。工作特性----动态特性第（1）时段，二极管承受反向电压，处于反向截止状态。第（2）时段开始，二极管外加电压突然由反向变为正向，二极管电流开始上升，并最终稳定在某一正值。由于等效结电容的存在，二极管电压并不会立即变为正值，而是首先释放完毕储存的负电荷，然后进行正向充电，此时电压变为正，并慢慢上升，二极管结开始正向偏置。正向偏置的P-N结继续向区注入少子（空穴）。随

8、着域中少子的不断增加，电导调制效应使得区的等效电阻下降，从而正向压降下降。最终二极管达到平衡，即少子注入率和结合率相等。第（3）时段，二极管正向导通，正向压降由二极管的静态伏安特性决定。第（4）时段，二极管