电力二极管(PPT52页)

2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
■电力二极管是以半导体PN结 为基础的,实际上是由一个面 积较大的PN结和两端引线以 及封装组成的。从外形上看， 可以有螺栓型、平板型等多 种封装。
A
K A
a)
K
A
K
PN
I
J
b)
A
K
c)
图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 基本结构 c) 电气图形符号
耗尽层 空间电荷区
__
++
N区
++
____ ____
+ + ++ + + ++
内电场
注意：结电容影响PN结的工作频率， 特别是在高速开关的状态下，可使 其单向导电性变差，甚至不能工作 ，应用时要注意。
造成电力二极管与普通二极管的区别的一些因素：
虽然电力二极管与普通二极管的结构、工作原理基本一样，但使用 是不一样的，造成这种区别的因素是：
____
+ + ++
____
+ + ++
____
+ + ++
IS
内电场
——PN结的反向截止状态：
外电场
当PN结外加反向电压（P负N正）时， 外电场与内电场方向相同，使内电场增
强，空间电荷区变宽，使得少子的漂移 运动强于多子的扩散运动，形成从N区 流向P区的反向电流，由于少子的浓度 很小，只有极小的反向漏电流流过PN结， PN结表现为高电阻。所以PN结具有单向 导电性。二极管的基本原理就在于PN结 的单向导电性。
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PN结与电力二极管工作原理
PN结 PN结是由N型半导体和P型半导体结合后构成的，如下图所示。
在4族元素本征半导体硅中掺 入5族元素(砷、磷)。
5个价电子中的4个与相邻 的硅原子组成共价键后，还 多余一个。
在4族元素本征半导体硅中掺 入3族元素(硼、铝)。
3个价电子与相邻的硅原子 组成共价键，因缺少一个价 电子，在晶体中产生一个空 穴。
多开车道，反正保证通行花的时间是0.7V。 即使考虑电导调制，半导体的导电能力也远不及导体，半导体是
牺牲了导流性能换来了可控性！
①电流控制型器件：采用电流信号来实现其导通或关断控制。 如：晶闸管、门极可关断晶闸管、电力晶体管GTR、IGCT（集成门极换流
晶闸管）等。 电流控制型器件的特点是： a在器件体内有电子和空穴两种载流子导电，由导通转向阻断时，两种载流
什么是PN结的电导调制效应？
导体电阻率很小（电导率很大）好比1万条车道的高速公路。 电流好比是车辆，电压好比是通行时间。 车流越大，必然通行时间越长。 由于车道数太多，导体不可控！！
半导体好比是受交通管制的1-100车道高速公路，先天牺牲了车道
数，但是换来了可控。 当车流很小，只开1条车道，通行所花时间为0.7V。车流很大时，
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
■电力电子器件的特征 ◆处理电功率的大小（承受电压和电流的能力）一般都远大于处理信息的 电子器件，是其最重要的参数，如晶闸管：12000V/1000A ◆为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。 ◆由信息电子电路来控制 ,而且需要驱动电路。 ◆自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要 安装散热器。
第2章 电力电子器件
2.1 电力电子器件概述 2.2 不可控器件——电力二极管 2.3 半控型器件——晶闸管 2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块
本章小结
引言
■模拟和数字电子电路的基础 ——晶体管和集成电路等电子器件
电力电子电路的基础 ——电力电子器件
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
☞电力电子器件的功率损耗 通态损耗
断态损耗 开关损耗
开通损耗 关断损耗
☞ 通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。 ☞ 当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可
能成为器件功率损耗的主要因素。
2.1.2 应用电力电子器件的系统组成
■电力电子器件实际应用：由控制电路、驱动电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。
■按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ） ◆脉冲触发型 ☞在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或 者关断的控制。 ◆电平控制型 ☞通过持续在控制端施加一定电平的电压或电流信号使器件开通 并维持导通状态或者关断并维持阻断状态。
2.1.3 电力电子器件的分类
■按照载流子参与导电的情况
◆单极型器件
☞由一种载流子参与导电。如功率场效应管MOSFET、 静电感应晶体管SIT等。
◆双极型器件
☞由电子和空穴两种载流子参与导电。如PN结整流管、 普通晶闸管、电力晶体管等。
◆复合型器件
☞由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合 型器件。 如IGBT、MCT（MOS控制晶闸管）等
主要电力电子器件的特性及其具有代表性的应用领域
A—势垒电容CB： 它只在外加电压变化时才起作
用，外加电压频率越高，其作用越 明显。 它的大小与PN结的截面积 成正比，与阻挡层厚度成反比。
B—扩散电容CD： 它仅在正向偏置时起作用。
在正向偏置时，当正向电压较低 时，势垒电容为结电容的主要成份 ，正向电压较高时，扩散电容为结 电容的主要成份。
P区
__
600V/70A 100KHZ 开关电源、小功率 UPS、小功率逆变器
1200V/1200A 20KHZ
4.5KV/1.2KA 2KHZ
各种整流/逆变器 （UPS、变频器、家 电）、电力机车用逆 变器、中压变频器
2.1.4 本章内容和学习要点
■本章内容 ◆介绍不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其 它新型器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择 和使用中应注意的一些问题。
P区
__
__
__
耗尽层 空间电荷区
__
++
__
++
__
++
N区
++ ++ ++
IF
内电场
外电场
V
R
< 漂移运动
扩散运动
PN结的三种工作状态（即二极管的工作 原理）
耗尽层
空间电荷区
P区
N区
——PN结的正向导通状态：
当给PN结外加正向电压（P正N负） 时，外电场方向与内电场方向相反， 外电场削弱内电场，空间电荷区变窄， 使多子的扩散运动大于少子的漂移运 动，形成从P区流向N区的正向电流， 此时PN结表现为低电阻，电力二极管 电压降只有1V左右。
应管（Power MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。 目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 ◆不可控器件
☞电力二极管（Power Diode） ☞不能用控制信号来控制其通断。
2.1.3 电力电子器件的分类
■按照驱动信号的性质 ◆电流驱动型 ☞从控制端注入或者抽出电流来实现器件导通、关断。 ◆电压驱动型 ☞在控制端和公共端之间施加一定的电压信号实现器件导通或者 关断的控制。
2.2 不可控器件——电力二极管·引言
■电力二极管（Power Diode） ☞自1950s初期就获得应用，其结构和原理简单，工作可靠，直到 现在仍然大量应用于许多电气设备当中。 ☞在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别 是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基二极管。
整流二极管及模块
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
■电力电子器件的概念
◆电力电子器件（Power Electronic Device）是指可直接用于处理 电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。
☞主电路：在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控 制任务的电路。
☞广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目 前往往专指电力半导体器件。
■本章主要内容： ◆概述电力电子器件的概念、特点和分类。 ◆分别介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数 以及选择和使用中应注意的一些问题。
2.1 电力电子器件概述
2.1.1 电力电子器件的概念和特征 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类 2.1.4 本章内容和学习要点
V
R
少子漂移运动产生反向电流
——PN结的反向击穿：当反向电压增大到
某一值（反向击穿电压）时，反向电流 急剧增大，PN结内部产生雪崩击穿，导 致二极管损坏。
☞按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形 式。 ☞反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制
在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。
☞否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。
子在复合过程中产生热量，使器件结温升高。过高的结温限制了工作频 率的提高，因此，电流控制型器件比电压控制型器件的工作频率低。 b电流控制型器件具有电导调制效应，使其导通压降很低，导通损耗较小。 c电流控制型器件的控制极输入阻抗低，控制电流和控制功率较大，电路也 比较复杂。
电导调制效应
当PN结上流过的正向电流较大时，注入并积累在低掺杂N区的 少子（空穴）浓度将很大，为了维持半导体的中性条件，其多子浓度 也相应大幅度增加，使得其电阻率明显下降，也就是电导率大大增加 ，这就是电导调制效应。
+
_
N型半导体
P型半导体
PN结的形成
PN结
PN结
P区
____
N区
+ + ++
____
+ + ++
__
P区
__
__
++
耗尽层 空间电荷区
__
++
++
N区
++
____
+ + ++
____
+ + ++
扩散运动
阻挡层 势垒层 漂移运动 扩散运动
内电场
N型半导体中有大量的电子（多子），P型半导体中有大量的空穴（多子），在两种半导体的交界处由于电子和空
PN结的电容效应
A(P)
PN结高频等效电路 R
K(N) C
当PN结处于正偏时 R为正向电阻，其值很小，结电容C很大；
当PN结处于反偏时 R为反向电阻，其值很大，结电容C很小。
PN结的电容效应 PN结的电荷量随外加电压的变化而变化，呈现电容效应，称为结电容
CJ，又称为微分电容。
结电容按其产生的机制和作用的差别 分为以下两类：
②电压控制型器件：采用电压控制（场控原理控制）其导通或关断。 其输入端基本上不流过控制电流信号，用小功率信号就可驱动其工作。
如：MOSFET管、IGBT管等。
电压控制型器件的特点是： a输入阻抗高，控制功率小，控制线路简单。 b工作频率高。 c工作温度高，抗辐射能力强。
2.1.3 电力电子器件的分类
穴的浓度差别，形成了各区的多子向另一区的扩散运动，其结果是在N型半导体和P型半导体的分界面两侧分别留 下了带正、负电荷的离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷，这个区域称为空间电荷区。 空间电荷建 立的电场称为内电场，其方向是阻止扩散运动的。另一方面，内电场又吸引对方区域中的少子向本区运动，即形 成漂移运动。 扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾，最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定 值，形成了一个稳定的空间电荷区，这就是PN结。
检测
控
电路
制wk.baidu.com
保护
电
电路
路
驱动
电路
V1 LR
V2
主电路
电气隔离
图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
2.1.3 电力电子器件的分类
■按照能够被控制电路信号所控制的程度
◆半控型器件 ☞器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定 ☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。
◆全控型器件 ☞通过控制信号既可以控制其导通、关断。 ☞门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor ）、 功率场效
PN结的三种工作状态（即二极管的工作原理）
——PN结的正向导通状态：
当给PN结外加正向电压（P正N负）时， 外电场方向与内电场方向相反，外电场 削弱内电场，空间电荷区变窄，使多子 的扩散运动大于少子的漂移运动，形成 从P区流向N区的正向电流，此时PN结表 现为低电阻，电力二极管电压降只有1V 左右。
■学习要点 ◆掌握其基本特性（重点）。 ◆掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性 曲线的使用方法。 ◆了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。 ◆了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。
2.2 不可控器件——电力二极管
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数 2.2.4 电力二极管的主要类型
器件种类 电力二极管
晶闸管
可关断 晶闸管 MOSFET
IGBT
开关功能 不可控 可控 导通
自 关 断 型
器件特性概略
应用领域
5KV/3KA 400HZ
6KV/6KA 400HZ 8KX/3.5KA 光控SCR
各种整流装置
炼钢厂、轧钢厂机、 直流输电、电解用整 流器
6KV/6KA 500HZ
工业逆变器、电力机 车用逆变器、无功补 偿器