电力电子器件介绍

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1、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 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

2、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 converteam作者 周宇 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

3、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 converteam作者 周宇 1 1 3PN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 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 c

4、onverteam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

5、三 PN结的伏安特性 PN结的电流方程为 其中 IS为反向饱和电流 UT 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 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Uth

6、 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Uth后 电流会迅速上升 当外加反向电压时 二极管的反向电流IS是很小的 但是当外加反向电压超过二极管反向击穿电压URO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 导通压降 硅管0 6 0 7V 锗管0 2 0 3V 反向击穿电压UBR 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2 2 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 co

7、nverteam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UZ UZ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IZ 额定功耗PZM IZ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 PZM等于稳定电压UZ与最大稳定电流IZM 或IZmax 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IZ和IZM之间 注意 converteam作者 周宇 特殊二极管 1 光电二极管是

8、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 PNP型 converteam作者 周宇 双极型功率晶

9、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UBC0 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UBC0 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IPE N区的多数载流子电子不断地向P区扩散形成电子电流INE 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10

10、00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IB1去驱动BJT导通 而用另一反向基极电流IB2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

11、 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IE 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IB 3 集电结加反向电压 漂移运动形成集电极电流IC IB IC IE 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 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 converteam作者 周宇 三 晶体管的共射特性曲线 converteam作者 周宇 1 输入特性 工作压降

12、硅管UBE 0 6 0 7V 锗管UBE 0 2 0 3V 死区电压 硅管0 5V 锗管0 2V converteam作者 周宇 2 输出特性 此区域满足IC IB称为线性区 放大区 IC只与IB有关 IC IB converteam作者 周宇 此区域中UCE UBE 集电结正偏 IB IC UCE 0 3V称为饱和区 2 输出特性 converteam作者 周宇 此区域中 IB 0 IC ICEO UBE 死区电压 称为截止区 2 输出特性 converteam作者 周宇 输出特性三个区域的特点 放大区 发射结正偏 集电结反偏 即 IC IB 且 IC IB 2 饱和区 发射结正偏 集电结正

13、偏 即 UCE UBE IB IC UCE 0 3V 3 截止区 UBE 死区电压 IB 0 IC ICEO 0 converteam作者 周宇 三极管工作状态判断方法 converteam作者 周宇 1 4晶闸管 晶闸管 Thyristor 就是硅晶体闸流管 普通晶闸管也称为可控硅SCR 普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件 目前 晶闸管的容量水平已达8kV 6kA converteam作者 周宇 1 4 1晶闸管的结构和工作原理 1 晶闸管的结构晶闸管是具有四层PNPN结构 三端引出线 A K G 的器件 常见晶闸管的外形有两种 螺栓型和平板型 converteam作者 周宇 晶

14、闸管的结构和等效电路如图1 4所示 晶闸管的管芯是P1N1P2N2四层半导体 形成3个PN结J1 J2和J3 converteam作者 周宇 2 晶闸管的工作原理IG Ib2 IC2 Ib1 IC1 converteam作者 周宇 欲使晶闸管导通需具备两个条件 应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压 应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流 2 晶闸管一旦导通 门极即失去控制作用 故晶闸管为半控型器件 3 为使晶闸管关断 必须使其阳极电流减小到一定数值以下 这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现 converteam作者 周宇 3晶闸管的门极驱动电路 1 晶闸管的门极驱动电路 1

15、晶闸管对触发电路的基本要求晶闸管对触发电路的基本要求是 触发信号可以是交流 直流或脉冲 为了减小门极的损耗 触发信号常采用脉冲形式 触发脉冲应有足够的功率 触发电压和触发电流应大于晶闸管的门极触发电压和门极触发电流 converteam作者 周宇 触发脉冲应有足够的宽度和陡度 触发脉冲的宽度一般应保证晶闸管阳极电流在脉冲消失前能达到擎住电流 使晶闸管导通 这是最小的允许宽度 一般触发脉冲前沿陡度大于10V s或800mA s 触发脉冲的移相范围应能满足变换器的要求 例如 三相半波整流电路 在电阻性负载时 要求移相范围为150 而三相桥式全控整流电路 电阻负载时移相范围为120 converte

16、am作者 周宇 1 5功率场效应晶体管 根据其结构不同分为结型场效应晶体管 金属 氧化物 半导体场效应晶体管 根据导电沟道的类型可分为N沟道和P沟道两大类 根据零栅压时器件的导电状态又可分为耗尽型和增强型两类 目前功率MOSFET的容量水平为50A 500V 频率为100kHz 场效应管 一 结构和电路符号 绝缘栅场效应管 P型衬底 两个N区 SiO2绝缘层 金属铝 N沟道增强型 MOS管的工作原理 以N沟道增强型为例 UGS 0时 对应截止区 2个耗尽层 UGS 0时 UGS排斥空穴 形成耗尽层 UGS 0时 UGS足够大时 UGS VGS th 出现以电子导电为主的N型导电沟道 吸引电子 VGS th 称为开启电压 当UDS不太大时 导电沟道在两个N区间是均匀的 当UDS较大时 靠近D区的导电沟道变窄 UDS增加 UGD VGS th 时 靠近D端的沟道被夹断 称为预夹断 converteam作者 周宇 2 功率场效应晶体管的工作原理当栅源极电压UGS 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