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1、电 力 电 子 技 术,Power Electronics,第2章 电力电子器件及应用,1,2,3,4,5,晶闸管,可关断晶闸管（GTO）,电力晶体管,6,电力电子器件基础,电力电子器件的特点与分类,功率二极管,功率场效应晶体管,7,绝缘栅双极型晶体管,8,9,10,其它新型电力电子器件,电力电子器件的发展趋势,电力电子器件应用共性问题,11,总结,12,第2章 电力电子器件及应用,21 电力电子器件的特点和分类,221 PN结原理,1电力电子器件的特点电力电子器件（Power Electronic Device）是指能实现电能的变换或控制的电子器件。和信息系统中的电子器件相比，具有以下特点：
2、 1）具有较大的耗散功率与信息系统中的电子器件主要承担信号传输任务不同，电力电子器件处理的功率较大，具有较高的导通电流和阻断电压。由于自身的导通电阻和阻断时的漏电流，电力电子器件要产生较大的耗散功率，往往是电路中主要的发热源。为便于散热，电力电子器件往往具有较大的体积，在使用时一般都要安装散热器，以限制因损耗造成的温升。 2）工作在开关状态为了降低工作损耗，电力电子器件往往工作在开关状态。关断时承受一定的电压，但基本无电流流过；导通时流过一定的电流，但器件只有很小的导通压降。电力电子器件工作时在开通和关断之间不断切换，其动态特性（即开关特性）是器件的重要特性。,目录 21 电力电子器件的特点与
3、分类 22 电力电子器件基础23 功率二极管24 晶闸管25 可关断晶闸管（GTO） 26 电力晶体管27 功率场效应晶体管 28 绝缘栅双极型晶体管 *29 其它新型电力电子器件 210 电力电子器件的发展趋势 211 电力电子器件应用共性问题 小结,22 电力电子器件基础,221 PN结原理,3）需要专门的驱动电路来控制电力电子器件的工作状态通常由信息电子电路来控制，由于电力电子器件处理的电功率较大，信息电子电路不能直接控制，需要中间电路将控制信号放大，该放大电路就是电力电子器件的驱动电路。 4）需要缓冲和保护电路电力电子器件的主要用途是高速开关，与普通电气开关、熔断器和接触器等电气元件相
4、比，其过载能力不强，电力电子器件导通时的电流要严格控制在一定范围内。过电流不仅会使器件特性恶化，还会破坏器件结构，导致器件永久失效。与过电流相比，电力电子器件的过电压能力更弱，为降低器件导通压降，器件的芯片总是做得尽可能薄，仅有少量的裕量，即使是微秒级的过电压脉冲都可能造成器件永久性的损坏。在电力电子器件开关过程中，电压和电流会发生急剧变化，为了增强器件工作的可靠性，通常要采用缓冲电路来抑制电压和电流的变化率，降低器件的电应力；采用保护电路来防止电压和电流超过器件的极限值。,目录 21 电力电子器件的特点与分类 22 电力电子器件基础23 功率二极管24 晶闸管25 可关断晶闸管（GTO） 2
5、6 电力晶体管27 功率场效应晶体管 28 绝缘栅双极型晶体管 *29 其它新型电力电子器件 210 电力电子器件的发展趋势 211 电力电子器件应用共性问题 小结,22 电力电子器件基础,221 PN结原理,2.电力电子器件的分类按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，可对电力电子器件进行如下分类： 1）不可控器件，它不能用控制信号控制其通断，器件的导通与截止完全由自身在电路中承受的电压和电流来决定。这类器件主要指功率二极管。 2）半控型器件，指通过控制信号能控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。这类器件主要是指晶闸管，它由普通晶闸管及其派生器件组成。 3）全控型器件，指通过控制
6、信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件。这类器件的品种很多，目前常用的有门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、功率场效应管（Power MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。,目录 21 电力电子器件的特点与分类 22 电力电子器件基础23 功率二极管24 晶闸管25 可关断晶闸管（GTO） 26 电力晶体管27 功率场效应晶体管 28 绝缘栅双极型晶体管 *29 其它新型电力电子器件 210 电力电子器件的发展趋势 211 电力电子器件应用共性问题 小结,22 电力电子器件基础,221 PN结原理,2.电力电子器件的分类按照驱动信号的不同，又可将可控器件
7、分为电流驱动型和电压驱动型。电流驱动型器件通过从控制极注入和抽出电流来实现器件的通断，其典型代表是GTR。大容量的GTR的开通电流增益较低，即基极平均控制功率较大；与此相反，电压驱动型器件通过在控制极上施加正向控制电压实现器件导通，通过撤除控制电压或施加反向控制电压使器件关断；当器件处于稳定工作状态时，其控制极无电流，因此平均控制功率较小。由于电压驱动型器件是通过控制极电压在主电极间建立电场来控制器件导通，故也称场控或场效应器件，其典型代表是Power MOSFET和IGBT。,目录 21 电力电子器件的特点与分类 22 电力电子器件基础23 功率二极管24 晶闸管25 可关断晶闸管（GTO）
8、 26 电力晶体管27 功率场效应晶体管 28 绝缘栅双极型晶体管 *29 其它新型电力电子器件 210 电力电子器件的发展趋势 211 电力电子器件应用共性问题 小结,22 电力电子器件基础,221 PN结原理,2.电力电子器件的分类根据器件内部带电粒子参与导电的种类不同，电力电子器件又可分为单极型、双极型和复合型三类。器件内部只有一种带电粒子参与导电的称为单极型器件，如Power MOSFET；器件内有电子和空穴两种带电粒子参于导电的称为双极型器件，如GTR和GTO；由双极型器件与单极型器件复合而成的新器件称为复合型器件，如IGBT等。,目录 21 电力电子器件的特点与分类 22 电力电子
9、器件基础23 功率二极管24 晶闸管25 可关断晶闸管（GTO） 26 电力晶体管27 功率场效应晶体管 28 绝缘栅双极型晶体管 *29 其它新型电力电子器件 210 电力电子器件的发展趋势 211 电力电子器件应用共性问题 小结,22 电力电子器件基础,221 PN结原理,1PN结的形成完全纯净的、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。在常温下，本征半导体可以激发出少量的自由电子，并出现相应数量的空穴，这两种不同极性的带电粒子统称为载流子。,用适当的方法在本征半导体内掺入微量的杂质，会使半导体的导电能力发生显著的变化，这种半导体称为杂质半导体。因掺入杂质化合价的不同，杂质半导体分为电子型（N
10、型）半导体和空穴型（P型）半导体两类。N型半导体的杂质为五价元素，在半导体晶体中能给出一个多余的电子，故N型半导体内自由电子数远大于空穴数，则自由电子称为多数载流子（简称多子），空穴称为少数载流子（简称少子）。而P型半导体中的杂质为三价元素，能在半导体晶体中接受电子，使晶体中产生空穴，即P型半导体中的空穴数远大于自由电子数，则空穴称为多数载流子，自由电子称为少数载流子。,目录 21 电力电子器件的特点与分类 22 电力电子器件基础23 功率二极管24 晶闸管25 可关断晶闸管（GTO） 26 电力晶体管27 功率场效应晶体管 28 绝缘栅双极型晶体管 *29 其它新型电力电子器件 210 电力
11、电子器件的发展趋势 211 电力电子器件应用共性问题 小结,221 PN结原理,将N型半导体和P型半导体结合，由于P型半导体内空穴浓度高、电子密度小，而N型半导体空穴浓度低、电子密度高，则空穴必然要从高浓度的P区流向低浓度的N区，同样电子要从N区流向P区，这种载流子从高浓度区向低浓度区的运动称为扩散运动。扩散首先在界面两侧附近进行，当电子离开N区后，留下了不能移动的带正电荷的杂质离子，形成一层带正电荷的区域；同理，空穴离开P区后，留下不能移动的带负电荷的杂质离子，形成一层带负电荷的区域。因此P区和N区交界面附近形成空间电荷区，即PN结。由于正负电荷的相互作用，在空间电荷区形成从带正电的N区指向
12、带负电的P区的内电场。内电场对多数载流子的扩散运动有阻挡作用，同时也会吸引对方区内的少数载流子向本区运动，形成漂移运动。当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，正、负空间电荷量就达到稳定值。,目录 21 电力电子器件的特点与分类 22 电力电子器件基础23 功率二极管24 晶闸管25 可关断晶闸管（GTO） 26 电力晶体管27 功率场效应晶体管 28 绝缘栅双极型晶体管 *29 其它新型电力电子器件 210 电力电子器件的发展趋势 211 电力电子器件应用共性问题 小结,221 PN结原理,2偏置下的PN结在PN结上外加电压称为对PN结的偏置，P区加正、N区加负为正偏置，反之为反偏置。当PN结正
13、向偏置时，外加电场与PN结的内电场方向相反，内电场被削弱，载流子的漂移运动受到抑制，而扩散运动增强，在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流。当PN结反向偏置时，外加电场与PN结内电场方向相同，使得载流子的漂移运动大于扩散运动，形成反向电流，但由于受少数载流子浓度低的限制，反向电流很小。,目录 21 电力电子器件的特点与分类 22 电力电子器件基础23 功率二极管24 晶闸管25 可关断晶闸管（GTO） 26 电力晶体管27 功率场效应晶体管 28 绝缘栅双极型晶体管 *29 其它新型电力电子器件 210 电力电子器件的发展趋势 211 电力电子器件应用共性问题 小结,221
14、 PN结原理,3PN结的反向击穿PN结具有一定的反向耐压能力，但如果反向电压过大，达到反向击穿电压时，反向电流会急剧增加，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这种状态称为反向击穿，反向击穿有可能造成PN结损坏。PN结反向击穿有三种形式：雪崩击穿、齐纳击穿和热击穿。1）雪崩击穿当反向电压增大到某一数值后，载流子增加得快而多，使反向电流急剧增大，这种情况称为雪崩击穿。2）齐纳击穿齐纳击穿也称隧道击穿，它是在较低的反向电压下发生的击穿。在高掺杂浓度的PN结中，P区与N区之间的间距较窄，再加上反偏电压使电场强度增加，进一步减少了该间距，则P区中的某些电子通过空间电荷区进入N区，反向电流急剧增加，该现象
15、称为齐纳击穿。,目录 21 电力电子器件的特点与分类 22 电力电子器件基础23 功率二极管24 晶闸管25 可关断晶闸管（GTO） 26 电力晶体管27 功率场效应晶体管 28 绝缘栅双极型晶体管 *29 其它新型电力电子器件 210 电力电子器件的发展趋势 211 电力电子器件应用共性问题 小结,221 PN结原理,3）热击穿上述两种型式的击穿过程都是可逆的，若此时外电路能采取措施限制反向电流，当反向电压降低后PN结仍可恢复原来状态。否则反向电压和反向电流乘积过大，会超过PN结容许的耗散功率，导致热量无法散发，PN结温度上升直至过热而烧毁。这种现象称为热击穿，必须尽可能避免热击穿。,目录
16、21 电力电子器件的特点与分类 22 电力电子器件基础23 功率二极管24 晶闸管25 可关断晶闸管（GTO） 26 电力晶体管27 功率场效应晶体管 28 绝缘栅双极型晶体管 *29 其它新型电力电子器件 210 电力电子器件的发展趋势 211 电力电子器件应用共性问题 小结,221 PN结原理,4PN结的电容效应PN结的单向导电性使其对交流电有整流作用，但这种作用只在交变电压频率不太高时才能发挥作用，而在电压频率增高时不能很好发挥作用，其原因就是PN结有电容效应。PN结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容和扩散电容。1）势垒电容由于PN结的空间电荷区无可动电荷，犹如一层绝缘介质，与将其夹在中间的P区和N区一起，构成为一个电容器。由于空间电荷区是载流子的势垒区，所以该电容称为势垒电容。,
