电力电子器件介绍

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,converteam,作者：周宇,*,1.1,半导体基础知识,导体：,自然界中很容易导电的物质称为,导体,，金属,一般都是导体。,绝缘体：,有的物质几乎不导电，称为,绝缘体,，如橡,皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：,另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘,体之间，称为,半导体,，如锗、硅、砷化镓,和一些硫化物、氧化物等。,1.1.1,本征半导体,纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。,一、半导体,导电特性处于导体（低价元素构成）和绝缘体（高价元素构成）之间，称为,半导体,，如锗、硅等，均为四价元素。,共价键,价电子共有化，形成共价键的晶格结构,1.1.1,本征半导体,纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。,一、半导体,二、本征半导体的导电情况,金属导电是由于其内部有自由电子存在,(,载流子,),在外电场的作用下,自由电子定向移动,形成电流,.,半导体中有两种载流子,:,自由电子和空穴,自由电子,空穴,在外电场作用下，电子的定向移动形成电流,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,1.,本征半导体中载流子为电子和空穴,;,2.,电子和空穴成对出现,浓度相等,;,3.,由于热激发可产生电子和空穴,因此半导,体的导电性和温度有关,对温度很敏感。,总结,1.1.2,杂质半导体,一、,N,型半导体,在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了,N,型半导体。,电子,-,多子,;,空穴,-,少子,.,converteam 作者：周宇,1.1.2,杂质半导体,二、,P,型半导体,在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了,P,型半导体。,空穴,-,多子,;,电子,-,少子,.,注意,杂质半导体中，多子的浓度决定于掺杂原子的浓度；,少子的浓度决定于温度。,converteam 作者：周宇,1.1.3 PN,结,采用不同的掺杂工艺，将,P,型半导体与,N,型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成,PN,结。,PN,结具有单向导电性,。,一、,PN,结的形成,P,区,N,区,converteam 作者：周宇,一、,PN,结的形成,在交界面，由于两种载流子的浓度差，出,现扩散运动。,converteam 作者：周宇,一、,PN,结的形成,在交界面，由于扩散运动,经过复合,出现空,间电荷区,空间电荷区,耗尽层,converteam 作者：周宇,一、,PN,结的形成,当扩散电流等于漂移电流时，达到动态,平衡，形成,PN,结。,PN,结,converteam 作者：周宇,1.,由于扩散运动形成空间电荷区和内电场,;,2.,内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移,;,3.,当扩散电流等于漂移电流时，达到动态,平衡，形成,PN,结。,总结,converteam 作者：周宇,二、,PN,结的单向导电性,1. PN,结外加正向电压时处于导通状态,加正向电压是指,P,端加正电压，,N,端加负电压，也称正向接法或正向偏置。,converteam 作者：周宇,内电场,外电场,外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变,窄，形成较大的扩散电流。,converteam 作者：周宇,2. PN,结外加反向电压时处于截止状态,外电场和内电场的共同作用，使耗尽层变,宽，形成很小的漂移电流。,converteam 作者：周宇,三、,PN,结的伏安特性,正向特性,反向特性,反向击穿,PN,结的电流方程为,其中，,I,S,为反向饱和电流，,U,T,26mV,，,converteam 作者：周宇,1.2,半导体二极管,converteam 作者：周宇,1.2,半导体二极管,将,PN,结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管。由,P,区引出的电极为阳极（,A,） ，由,N,区引出的电极为阴极（,K,）。,二极管的符号：,P,N,阳极,阴极,converteam 作者：周宇,功率二极管的工作原理,由于,PN,结具有单向导电性，所以二极管是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。,converteam 作者：周宇,1.,功率二极管的特性,(1),功率二极管的伏安特性,二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必须克服一定的门坎电压,U,th,(,又称死区电压,),，当外加电压小于门坎电压时，正向电流几乎为零。硅二极管的门坎电压约为,0.5V,，当外加电压大于,U,th,后，电流会迅速上升。当外加反向电压时，二极管的反向电流,I,S,是很小的，但是当外加反向电压超过二极管反向击穿电压,U,RO,后二极管被电击穿，反向电流迅速增加。,converteam 作者：周宇,伏安特性,U,I,导通压降,:,硅管,0.60.7V,锗管,0.2,0.3V,。,反向击穿电压,U,BR,死区电压 硅管,0.6V,锗管0,.2V,。,converteam 作者：周宇,环境温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线下移。在室温附近,温度每升高,1,C,正向压降减小,22.5mV;,温度每升高,10,C,，反向电流约增大,1,倍。二极管的特性对温度很敏感。,converteam 作者：周宇,稳压二极管及应用,1.,稳压管的工作原理,稳压管的符号,converteam 作者：周宇,2.,稳压管的主要参数,稳定电压,U,Z,U,Z,是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。,稳压电流,I,Z,额定功耗,P,ZM,I,Z,是稳压二极管正常工作时的参考电流。工作电流小,于此值时，稳压二极管将失去稳压作用。,P,ZM,等于稳定电压,U,Z,与最大稳定电流,I,ZM,（或,I,Zmax,）,的乘积。,converteam 作者：周宇,3.,稳压管的稳压条件,稳压管正向工作时和二极管的特性完全相同。,必须工作在反向击穿状态；,流过稳压管的电流在,I,Z,和,I,ZM,之间 。,注意！,converteam 作者：周宇,特殊二极管,1.,光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件，其结构与普通二极管相似，只是管壳上留有一个能入射光线的窗口。,converteam 作者：周宇,2.,发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件。它由一个,PN,结构成,当发光二极管正偏时，注入到,N,区和,P,区的载流子被复合时，会发出可见光和不可见光。,converteam 作者：周宇,1.3,双极型晶体管,converteam 作者：周宇,1.3,双极型晶体管,一、晶体管的结构和类型,NPN,型,基区,发射区,集电区,发射结,集电结,发射极,基极,集电极,b,e,c,发射极箭头的方向,为电流的方向,converteam 作者：周宇,b,P,N,P,集电极,基极,发射极,c,e,PNP,型,converteam 作者：周宇,双极型功率晶体管,BJT,的容量水平已达,1.8kV,lkA,，频率为,20kHz,。,converteam 作者：周宇,双极型功率晶体管的工作原理,以,NPN,型双极型功率晶体管为例，若外电路电源使,U,BC,0,则发射结的,PN,结处于正偏状态。此时晶体管内部的电流分布为：,(1),由于,U,BC,0,发射结处于正偏状态，,P,区的多数载流子空穴不断地向,N,区扩散形成空穴电流,I,PE,N,区的多数载流子电子不断地向,P,区扩散形成电子电流,I,NE,。,converteam 作者：周宇,单个,BJT,电流增益较低，驱动时需要较大的驱动电流，由于单级高压晶体管的电流增益仅为,10,左右，为了提高电流增益，常采用达林顿结构，如每级有,10,倍的增益，则,3,级达林顿结构的电流增益可达,1000,左右。,converteam 作者：周宇,BJT,的开关特性,在开关工作方式下，用一定的正向基极电流,I,B1,去驱动,BJT,导通，而用另一反向基极电流,I,B2,迫使,BJT,关断，由于,BJT,不是理想开关，故在开关过程中总存在着一定的延时和存储时间。,converteam 作者：周宇,BJT,的开关响应特性,converteam 作者：周宇,二、 晶体管的电流放大作用,放大是对模拟信号最基本的处理。晶体管是放大电路的核心元件，它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真的放大输出，放大的对象是变化量。,晶体管工作在放大状态的外部条件是发射结正向偏置且集电结反向偏置。晶体管的放大作用表现为小的基极电流可以控制大的集电极电流。,共射放大电路,converteam 作者：周宇,1.,发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流,I,E,2.,扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流,I,B,3.,集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流,I,C,I,B,I,C,I,E,晶体管内部载流子的运动,converteam 作者：周宇,晶体管的电流分配关系,I,B,I,C,I,E,共射直流电流放大系数,converteam 作者：周宇,晶体管的电流分配关系,共射直流电流放大系数,共射交流电流放大系数,通常认为：,converteam 作者：周宇,晶体管的电流分配关系,I,B,I,C,I,E,I,B,I,C,I,E,converteam 作者：周宇,三、晶体管的共射特性曲线,U,CE,I,C,+,-,U,BE,I,B,+,-,实验线路,m,A,A,V,V,R,B,E,C,E,B,R,C,converteam 作者：周宇,1.,输入特性,I,B,(,A),U,BE,(V),20,40,60,80,0.4,0.8,工作压降： 硅管,U,BE,0.60.7V,锗管,U,BE,0.20.3V,。,死区电压，硅管,0.5V,，锗管,0.2V,。,converteam 作者：周宇,2.,输出特性,I,C,(,m,A ),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,此区域满足,I,C,=,I,B,称为线性区（放大区）。,I,C,只与,I,B,有关，,I,C,=,I,B,。,converteam 作者：周宇,I,C,(,m,A ),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,此区域中,U,CE,U,BE,集电结正偏，,I,B,I,C,，,U,CE,0.3V,称为饱和区。,2.,输出特性,converteam 作者：周宇,I,C,(,m,A ),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,此区域中,:,I,B,=0,I,C,=,I,CEO,U,BE,I,C,，,U,CE,0.3V,(3),截止区：,U,BE,0,时,U,GS,排斥空穴，形成耗尽层。,P,N,N,G,S,D,U,DS,U,GS,U,GS,0,时,U,GS,足够大时（,U,GS,V,GS(th),），出现以电子导电为主的,N,型导电沟道。,吸引电子,V,GS(th),称为开启电压,P,N,N,G,S,D,U,DS,U,GS,当,U,DS,不太大时，导电沟道在两个,N,区间是均匀的。,当,U,DS,较大时，靠近,D,区的导电沟道变窄。,P,N,N,G,S,D,U,DS,U,GS,夹断后，即使,U,DS,继续增加，,I,D,仍呈恒流特性,。,I,D,U,DS,增加，,U,GD,=,V,GS(th),时，靠近,D,端的沟道被夹断，称为预夹断。,2.,功率场效应晶体管的工作原理,当栅源极电压,U,GS,0,时，漏极下的,P,型区表面不出现反型层，无法沟通漏源。此时即使在漏源之间施加电压也不会形成,P,区内载流子的移动，即,VMOS,管保持关断状态。,当栅源极电压,U,GS,0,且不够充分时，栅极下面的,P,型区表面呈现耗尽状态，还是无法沟通漏源，此时,VMOS,管仍保持关断状态。,当栅源极电压,U,GS,或超过强反型条件时，栅极下面的硅的表面从,P,型反型成,N,型，形成,N,型表面层并把源区和漏区联系起来,从而把漏源沟通，使,VMOS,管进入导通状态。,converteam 作者：周宇,输出特性曲线,I,D,U,DS,0,U,GS,0,可变电阻区,夹断区,恒流区,D,S,B,G,N,沟道增强型场效应管,NPN,型三极管,e,c,b,G- b,D- c,S- e,与,NPN,三极管相似，,NMOS,管为电压控制器件，当,v,GS,V,GS(th) N,MOS,管导通（正电压控制）。,1.6,绝缘栅双极型晶体管,绝缘栅双极型晶体管,IGBT,是,80,年代中期问世的一种新型复合电力电子器件，由于它兼有,MOSFET,的快速响应、高输入阻抗和,BJT,的低通态压降、高电流密度的特性，这几年发展十分迅速。目前，,IGBT,的容量水平达,(1200,1600A)/(1800,3330V),工作频率达,40kHz,以上。,converteam 作者：周宇,1.6.1,结构和工作原理,1.,绝缘栅双极型晶体管的结构,IGBT,相当于一个由,MOSFET,驱动的厚基区,BJT,。从图中我们还可以看到在集电极和发射极之间存在着一个寄生晶闸管，寄生晶闸管有擎住作用。采用空穴旁路结构并使发射区宽度微细化后可基本上克服寄生晶闸管的擎住作用。,IGBT,的低掺杂,N,漂移区较宽，因此可以阻断很高的反向电压。,converteam 作者：周宇,IGBT,的结构、符号及等效电路,converteam 作者：周宇,2.,绝缘栅双极型晶体管的工作原理,当,U,DS,0,时，,J,3,PN,结处于反偏状态，,IGBT,呈反向阻断状态。,当,U,DS,0,时，分两种情况：, 若门极电压,U,G,开启电压,U,T,，,IGBT,呈正向阻断状态。, 若门极电压,U,G,开启电压,U,T,，,IGBT,正向导通。,converteam 作者：周宇,