第3章 现代电力电子器件
现代电力电子技术导论
现代电力电子技术导论绪论电力电子技术在现代社会中扮演着至关重要的角色。
随着电子技术的迅速发展，电力电子技术的应用范围不断扩大，涉及到能源转换、能源管理、电动车辆、可再生能源等领域。
本文将介绍现代电力电子技术的基本原理、应用和未来发展方向。
第一章：电力电子器件1.1 电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的定义和分类1.1.2 电力电子器件的特点和性能指标1.2 二极管和整流器1.2.1 二极管的基本原理和特性1.2.2 整流器的基本原理和分类1.3 可控硅器件1.3.1 可控硅的基本原理和特性1.3.2 可控硅的应用和发展趋势1.4 晶闸管和弱级别器件1.4.1 晶闸管的基本原理和特性1.4.2 弱级别器件的基本原理和应用第二章：电力电子转换器2.1 电力电子转换器的概述2.1.1 电力电子转换器的基本结构和工作原理 2.1.2 电力电子转换器的应用领域2.2 直流-直流变换器2.2.1 升压转换器的原理和应用2.2.2 降压转换器的原理和应用2.3 直流-交流变换器2.3.1 单相桥式可控整流器的原理和应用2.3.2 三相桥式可控整流器的原理和应用2.4 交流-交流变换器2.4.1 交流-交流变换器的基本原理和分类2.4.2 交流-交流变换器的应用和发展趋势第三章：现代电力电子应用3.1 电力电子在电能质量控制中的应用3.1.1 电能质量的定义和评价指标3.1.2 电力电子器件在电能质量控制中的应用 3.2 电力电子在电动车辆中的应用3.2.1 电动车辆的概述和分类3.2.2 电力电子技术在电动车辆中的应用3.3 电力电子在可再生能源中的应用3.3.1 可再生能源的定义和分类3.3.2 电力电子技术在可再生能源中的应用案例第四章：现代电力电子技术的发展趋势4.1 多电平和多能源的电力电子系统4.1.1 多电平变换技术的原理和应用4.1.2 多能源系统的概念和特点4.2 高频和高效率的电力电子转换技术4.2.1 高频电力电子转换技术的优势和挑战4.2.2 高效率电力电子转换技术的研究方向4.3 智能和可靠的电力电子系统4.3.1 智能电力电子系统的特点和应用4.3.2 可靠性设计在电力电子系统中的重要性结语现代电力电子技术在电力转换和能源管理方面具有重要的意义。
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2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
■二极管的基本原理——PN结的单向导电性 ◆当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则 形这成就自是PPN区结流的入正而向从导N区通流状出态的。电流，称为正向电流IF， ◆当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的 PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截 止状态。
☞电力二极管并不能立即关断，而是须经 过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力， 进入截止状态。
☞在关断之前有较大的反向电流出现，并 伴随有明显的反向电压过冲。
☞延迟时间：td=t1-t0 电流下降时间：tf =t2- t1 反向恢复时间：trr=td+ tf 恢复特性的软度： tf /td，或称恢复系 数，
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2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 2.3.2 晶闸管的基本特性 2.3.3 晶闸管的主要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件
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2.3 半控器件—晶闸管·引言
■晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器 （Silicon Controlled Rectifier——SCR），以前被简称为可控硅。 ■1956年 贝尔实验室（Bell Laboratories）发明了晶闸管，到 1957年 通用电气公司（General Electric）开发出了世界上第一只 晶闸管产品，并于1958年使其商业化。 ■由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高 的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地 位。
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2.3.1 晶闸管的结构与工作原理
■晶闸管的工作原理 ◆按照晶体管工作原理，
电子行业电力电子器件综合概述
电子行业电力电子器件综合概述1. 引言电力电子器件是电子行业中的重要组成部分，用于控制和转换电能。
随着电力需求的不断增长，电力电子器件的应用范围也在不断扩大。
本文将对电力电子器件进行综合概述，包括其定义、分类、应用以及未来发展趋势等内容。
2. 电力电子器件的定义电力电子器件是指用于控制和转换电能的电子元件。
它可以将交流电转换为直流电，也可以将电能转换成其他形式，如机械能、光能等。
电力电子器件具有变流、变压、变频等功能，广泛应用于电力系统、工业控制、交通运输等领域。
3. 电力电子器件的分类电力电子器件根据其功能和工作原理的不同，可以分为以下几类：3.1 整流器整流器是一种将交流电转换为直流电的电力电子器件。
它使用半导体器件（如二极管、晶闸管等）将交流电的负半周或正半周去除，使输出电流呈现单向流动的特点。
整流器广泛应用于电力系统、工业设备以及电子产品中。
3.2 逆变器逆变器是一种将直流电转换为交流电的电力电子器件。
它通过控制半导体开关器件（如晶闸管、IGBT等）的开关状态，使直流电通过电路产生交流电输出。
逆变器广泛应用于可再生能源发电系统、电动车充电桩、家用电器等领域。
3.3 变频器变频器是一种可控制交流电频率的电力电子器件。
它通过调节半导体开关器件的开关频率，可以实现对交流电输出频率的调节。
变频器广泛应用于交通运输、工业生产等领域，如交流电机调速控制、电动车驱动系统等。
3.4 开关电源开关电源是一种通过开关器件在输入端和输出端之间进行快速切换来实现电能转换的电力电子器件。
开关电源具有高效率、小体积、稳定性好的特点，广泛应用于电子产品、通信设备等领域。
4. 电力电子器件的应用电力电子器件在电力系统、工业生产、交通运输、家用电器等领域都有广泛的应用。
在电力系统中，电力电子器件被用作电网稳定器、无功补偿装置、电力质量调节器等，提高电力系统的稳定性和效率。
在工业生产中，电力电子器件被用于电机调速、电力负荷控制、短路电流限制等，提高生产效率和质量。
现代电力电子器件及其应用
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2.1 电力电子器件分类
■ 电力电子器件分类：
4） 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。 MOSFET ◆ 双极型器件 ☞ 由电子和空穴两种载流子参 与导电。BJT ◆ 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。IGBT
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2.2 传统全控电力电子器件
门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor — GTO）
晶闸管的一种派生器件。 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。 GTO 的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大 功率场合仍有的应用。 IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门 极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了IGBT的稳定关断能力和晶闸管 低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现IGBT的 特性。IGCT具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、 低导通损耗等特点（相对于高压、大功率器件而言）。
t on td tr
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ts
t off
tf
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2.2 传统全控电力电子器件
金属-氧化层半导体场效晶体管（ MOSFET） 1. 场效应晶体管分类
Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor： MOSFET
场效应晶体管
结型
绝缘栅型
耗尽型
耗尽型
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2.2 传统全控电力电子器件
门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor — GTO） 1. GTO的结构和工作原理
结构： 与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、 阴极和门极。
电子行业电力电子器件相关资料
电子行业电力电子器件相关资料1. 介绍电力电子器件是电子行业中的重要组成部分，主要用于控制和转换电力。
它们在电力传输、变换和分配中发挥着关键的作用。
本文档将介绍电力电子器件的主要类型、工作原理、应用领域以及相关的技术资料。
2. 电力电子器件的类型电力电子器件广泛应用于各个领域，包括能源转换、电力传输、电机控制等。
以下是一些常见的电力电子器件类型：2.1 变流器变流器是将交流电转换为直流电或将直流电转换为交流电的装置。
主要包括整流器和逆变器两种类型。
整流器将交流电转换为直流电，逆变器将直流电转换为交流电。
2.2 逆变器逆变器是将直流电转换为交流电的装置。
它通常用于交流电到直流电的转换，例如太阳能电池板和风力发电机输出的直流电转换为交流电以供家庭和工业使用。
2.3 储能器储能器是一种能够存储电能并在需要时释放的装置。
它通常用于平衡电力的供应和需求之间的不匹配，以及在电力系统中储存和释放能量。
2.4 整流器整流器是将交流电转换为直流电的装置。
它常用于将交流电转换为直流电以供稳定的电力需求。
2.5 逆变器逆变器是将直流电转换为交流电的装置。
它常用于将直流电转换为交流电以供各种电力设备使用。
3. 电力电子器件的工作原理电力电子器件的工作原理基于不同的电力转换和控制原理。
以下是一些常见的电力电子器件及其工作原理：3.1 变流器的工作原理变流器将交流电转换为直流电或将直流电转换为交流电，其工作原理基于开关器件的使用。
开关器件在不同的状态下打开和关闭，从而控制电流的流动。
逆变器将直流电转换为交流电，其工作原理也基于开关器件的使用。
开关器件通过调整开关频率和占空比来实现对输出波形的控制。
3.3 储能器的工作原理储能器通过将电能存储在电容或电感器中，并在需要时释放，实现对电力系统的能量平衡。
其工作原理基于能量的存储和释放。
整流器将交流电转换为直流电，其工作原理基于半导体器件的整流特性。
半导体器件只允许电流在一个方向上流动，从而实现对交流电的整流。
电力系统中的电力电子器件及其应用
电力系统中的电力电子器件及其应用电力系统是现代社会不可或缺的基础设施之一，而电力电子器件则是电力系统中的重要组成部分。
电力电子器件通过控制电能的流动和转换，实现了电力系统的高效、稳定和可靠运行。
本文将介绍电力系统中常见的几种电力电子器件及其应用。
一、整流器整流器是一种将交流电转换为直流电的电力电子器件。
在电力系统中，交流电是主要的电能形式，而许多电力设备和电子设备需要直流电才能正常工作。
整流器可以将交流电转换为稳定的直流电，提供给各种负载使用。
整流器的应用非常广泛，例如在电动机驱动系统中，整流器将交流电转换为直流电供电给电动机，实现电动机的控制和调速。
此外，在可再生能源发电系统中，如风力发电和光伏发电系统中，整流器也扮演着重要的角色，将可再生能源转换为直流电注入电力系统。
二、逆变器逆变器是一种将直流电转换为交流电的电力电子器件。
逆变器在电力系统中的应用也非常广泛。
例如，在交流电驱动系统中，逆变器将直流电转换为交流电供电给电动机，实现电动机的控制和调速。
此外，在太阳能发电系统中，逆变器将光伏电池板产生的直流电转换为交流电注入电力系统。
逆变器的另一个重要应用是电力系统中的电压和频率调节。
通过控制逆变器的输出电压和频率，可以实现电力系统的电压和频率的稳定和可控。
三、直流输电技术直流输电技术是一种将交流电转换为直流电进行长距离输送的电力传输技术。
在传统的交流输电系统中，由于电压损耗和电流损耗的存在，长距离输电效率较低。
而直流输电技术通过使用高压直流电进行输电，可以减小输电损耗，提高输电效率。
直流输电技术中的关键设备是高压直流变流器，它将交流电转换为高压直流电进行输送。
高压直流变流器具有高效、可靠和灵活控制等优点，广泛应用于长距离输电和特殊场合的电力传输。
四、电力质量调节器电力质量调节器是一种能够改善电力系统质量的电力电子器件。
在电力系统中，存在诸如电压波动、电压暂降、电压闪变等电力质量问题，会对电力设备和电子设备的正常运行造成影响。
现代电力电子技术概述
现代电力电子技术学习汇报姓名：csu学号：专业：电气工程班级：目录第一章现代电力电子技术旳形成与发展 (1)1.1 电力电子技术旳定义 (1)1.2 电力电子技术旳历史 (1)1.3 电力电子技术旳发展 (2)1.3.1 整流器时代 (2)1.3.2 逆变器时代 (3)1.3.3 变频器时代 (3)1.3.4 现代电力时代 (3)第二章现代电力电子计时研究旳重要类容和控制技术 (5)2.1 直流输电技术 (5)2.2 灵活交流输电技术（FACTS） (5)2.3 定制电力技术（DFACTS） (6)2.4 高压变频技术 (6)2.5 仿真分析与试验手段 (6)第三章目前电力电子旳应用领域 (7)3.1 工业领域 (7)3.2 交通运送 (7)3.3 老式产业 (8)3.4 家用电器 (8)3.5 电力系统 (8)第四章现代电力电子技术旳发展趋势及其目前研究旳热点问题 (10)4.1 国内发展趋势 (10)4.2 国外发展趋势 (10)4.3 热点问题 (11)第一章现代电力电子技术旳形成与发展1.1 电力电子技术旳定义电力电子技术，又称“功率电子学”（英文：Power Electronics），简称PE，是应用于电力领域，使用电力电子元件对电能进行变换和控制旳电子技术。
电力电子技术分为电力电子元件制造技术和变流技术。
一般认为，1957年美国美国通用电气企业研制出第一种晶体管是电力电子技术诞生旳标志。
1974年，美国旳W. Newell提出：电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而行成。
这一观点被全世界普遍接受。
1.2 电力电子技术旳历史伴随1923年第一种整流器旳问世,进而引入了功率电子学这个概念。
原始整流器是一种内含液态汞旳阴极放电管。
这个汞蒸气型旳整流器,可以将数千安培旳交流电转换为直流电,其容忍电压也高达一万伏特以上。
从1930年开始,这种原始旳整流器开始匹配一种类似于通管技术旳点阵式(或晶格构造)类比控制器,从而实现了直流电流旳可控制性(引燃管,闸流管)。
浅谈现代电力电子器件的发展及前景
浅谈现代电力电子器件的发展及前景前言电力电子器件又称作开关器件，相当于信号电路中的A／D采样，称之为功率采样。
在直接用于处理电能的主电路中,实现电能变换和控制的电子器件称为电力电子器件。
目前的电力电子器件主要指的是电力半导体器件。
1．电力电子器件的一般特征（1）处理电功率的能力大;（2)工作在开关状态;(3）需要由信息电子电路来控制：（4）需要安装散热器；2．电力电子器件的分类2．1按器件被控程度分类（1)不可控器件。
这类器件一般为两端器件，一端是阳极，另一端是阴极j与电子电路中的二极管一样，具有单向导电性.这类器件就是功率二极管.(2）半控型器件。
这类器件是三端器件，除阳极和阴极外，还增加了一个控制门极.这类半控型器件是指晶闸管及其大部分派生器件.目前，国内生产的电力电子器件仍以晶阐管为主。
(3）全控型器件.这类器件也是带有控制端的三端器件，其控制端不仅可以控制其开通，还能控制其关断。
目前常用的是功率MOSFET 和IGBT.2．2按控制信号的性质分类（1）电流驱动型器件。
驱动信号加在器件控制端和公共端之间，通过从控制端注入或抽出电流来实现器件的导通或者关断的控制,这类电力电子器件称为电流驱动型器件或称为电流控制型器件。
（2）电压驱动型器件。
通过施加在控制端和公共端之间的电压信号来实现器件的导通或者关断的控制，这类电力电子器件称为电压驱动型器件或称为电压控制型器件。
3．电力电子器件的发展历程第一阶段是以整流管、晶闸管为代表的发展阶段。
这一阶段的电力电子器件在低频、大功率变流领域中的应用占有优势,取代了早先的汞弧整流器.代表者便是美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，功率二极管开始应用于电力领域.第二阶段是20世纪70年代后期以GTO、GTR和功率MOSFET等全控型器件为代表的发展阶段。
这一阶段的电力电子器件开关速度高于晶闸管，它们的应用使变流器的高频化得以实现。
第三阶段是20世纪80年代后期以IGBT复合型器件为代表的发展阶段。
电力电子器件概述(ppt 78页)
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3.2.3 GTR的基本特性
(1) 静态特性
• 共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱 和区
• 在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止 区或饱和区
• 在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经 过放大区
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3.1.4 GTO的主要参数
3) 最大可关断阳极电流IATO : GTO的额定电流
4) 电流关断增益off 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大
值IGM之比称为电流关断增益
off
I ATO I GM
（1-8）
off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO
关断时门极负脉冲电流峰值要200A
GK
G
K
G
A
N2
P2 N1
P1 A
N2
G K
a)
b)
c)
图1-13
图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号
a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号
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3.1.2 GTO的结构和工作原理
➢ 工作原理：
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3.2.4 GTR的主要参数
1) 最高工作电压
– GTR上电压超过规定值时会发生击穿 – 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外
电路接法有关 – BUcbo> BUcex> BUces> BUcer> Buceo – 实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比
电力系统中的电力电子器件及其应用
电力系统中的电力电子器件及其应用在当今高度依赖电力的社会中，电力系统的稳定运行和高效发展至关重要。
而电力电子器件的出现和应用，为电力系统带来了革命性的变化。
电力电子器件，简单来说，就是能够对电能进行有效控制和转换的半导体器件。
它们在电力系统中的应用范围十分广泛，从发电、输电、配电到用电的各个环节，都能看到其身影。
在发电环节，风力发电和太阳能光伏发电是目前发展迅速的清洁能源。
然而，这些能源的输出功率往往具有不稳定性和间歇性。
电力电子器件在此发挥了关键作用。
例如，在风力发电系统中，通过使用电力电子变流器，可以将风机产生的变化频率和电压的电能，转换为稳定的、符合电网要求的电能并输送入网。
同样，在太阳能光伏发电系统中，电力电子逆变器能够将光伏电池板产生的直流电转换为交流电，实现与电网的连接和电能的有效传输。
输电领域，高压直流输电（HVDC）是电力电子器件的重要应用场景之一。
传统的交流输电存在着线路损耗大、输电距离受限等问题。
而高压直流输电则能够有效地解决这些难题。
通过使用晶闸管等电力电子器件组成的换流器，将交流电转换为直流电进行远距离传输，到达目的地后再转换回交流电。
这样不仅减少了输电过程中的能量损耗，还提高了输电容量和稳定性。
来到配电环节，电力电子器件在电能质量控制方面表现出色。
随着各种非线性负载在电力系统中的广泛应用，如变频调速设备、电弧炉等，电网中的电压波动、谐波污染等问题日益严重。
此时，有源电力滤波器（APF）、静止无功补偿器（SVC）和静止无功发生器（SVG）等基于电力电子技术的设备应运而生。
它们能够快速、精准地补偿无功功率、滤除谐波，从而提高电能质量，保障电力设备的正常运行。
在用电环节，电力电子器件也有着广泛的应用。
电动汽车的快速充电器，就是依靠高效的电力电子变换技术，实现对电池的快速、安全充电。
家庭和工业中的变频调速设备，通过改变电机的供电频率和电压，实现对电机转速的精确控制，达到节能和提高运行效率的目的。
电子行业电力电子器件介绍
电子行业电力电子器件介绍1. 概述电力电子器件是电子行业中一类重要的器件，在能源转换、控制和调节等方面发挥着关键作用。
随着能源需求的增长和环境保护的要求，对电力电子器件的要求也越来越高。
2. 电力电子器件的分类电力电子器件根据其功能和特点可以分为多个类别，以下是一些常见的电力电子器件分类：2.1 可控硅（SCR）可控硅是一种常见的电力电子器件，在交流电控制方面具有重要作用。
可控硅具有整流和可控开关的功能，因此广泛应用于电能转换、变频调速、功率因数校正等领域。
2.2 可控晶闸管（GTO）可控晶闸管是一种高压高功率的半导体开关器件，广泛应用于高压直流输电和直流变频调速等场合。
可控晶闸管具有较好的控制能力和可靠性，被认为是电力电子领域的关键器件之一。
2.3 电力二极管电力二极管是一种用于整流和逆变的无控制半导体器件。
具有较大的导通电流和较高的工作温度，广泛用于交流电转换、电源等方面。
常见的电力二极管有快恢复二极管、整流二极管等。
2.4 电力MOSFET电力MOSFET是电力电子器件中的一种关键元件，广泛应用于交流-直流转换、逆变和变频调速等领域。
它具有快速开关速度、低开关损耗和高温工作能力等优点。
电力IGBT是一种高压、高功率的开关器件，结合了MOSFET的高速性和可控晶闸管的大电流承受能力。
电力IGBT被广泛应用于交流电变频调速、直流电逆变等电力电子系统中。
3. 电力电子器件的应用电力电子器件在电力变换、电能控制和调节等方面具有广泛的应用。
电力电子器件可以将一种电能形式转换为另一种电能形式，例如将交流电转换为直流电、将直流电转换为交流电。
这种电力转换广泛应用于工业生产、交通运输等领域。
3.2 电能控制和调节电力电子器件可以控制和调节电能的大小、频率和波形，实现对电力系统的稳定运行和优化控制。
例如，调整电源的输出电压、调整电机的转速等。
3.3 新能源应用随着新能源的快速发展，电力电子器件在太阳能、风能等新能源设备中的应用越来越广泛。
电力电子器件概述共120页
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
电力电子器件概述
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
电力电子器件(32)
目 录
• 电力电子器件概述 • 电力电子器件的基本原理 • 常见电力电子器件介绍 • 电力电子器件的特性分析 • 电力电子器件的应用实例
01 电力电子器件概述
定义与分类
定义
电力电子器件是用于转换、控制和利 用电能的电子器件，主要用于电力系 统的发电、输电、配电和用电环节。
分类
按照工作频率可分为低频电子器件和 高频电子器件；按照控制功能可分为 电力控制电子器件和电力主控电子器 件。
用于分布式发电和微电网的 支持
电力电子器件可以实现分布式发电和微电网的并网 和离网运行，提高电网的可靠性和稳定性。
用于智能电表的通信和控 制
电力电子器件可以实现智能电表的无线通信 和控制功能，提供实时、准确的用电数据和 远程控制功能。
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集成化
将多个电力电子器件集成在一 个芯片上，实现高密度集成和
模块化。
智能化
引入人工智能和物联网技术， 实现电力电子系统的智能化控
制和监测。
高效化和绿色化
提高电力电子系统的效率和可 靠性，降低能耗和排放，实现
可持续发展。
02 电力电子器件的基本原理
工作原理
电力电子器件是一种能够控制大功率电能的电子器件，通过控制电流和电压来实现 对电能的转换和优化。
应用
绝缘栅双极晶体管广泛应用于各种高频率、大功率的电机 控制和电源供应等领域，如风电变流器、电动汽车驱动系 统和轨道交通牵引系统等。
04 电力电子器件的特性分析
伏安特性
正向伏安特性
描述电力电子器件在正向 偏置下的电压-电流关系， 通常呈线性或非线性关系。
反向伏安特性
描述电力电子器件在反向 偏置下的电压-电流关系， 通常表现为高阻抗。
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2.电力电子器件的分类及其特点 电力电子器件按功能分为整流和开关两大类，按基本工作 原理分为单极器件、双极器件和复合型器件三大类。单极 器件指仅由一种载流子(N型半导体中的电子或P型半导体中 的空穴，即多数载流子)导电的器件，双极器件指额外载流 子(热平衡统计数之外的载流子)也参与导电，而且对器件 特性产生重要影响的器件。双极器件完全以PN结作为基本 构成元素，其电导调制效应即归功于PN结正向导通时的额 外载流子注入。
3.2.2 开关原理与频率特性 1. MOS栅原理
2. PN结与MES栅原理
3.电流控制型器件的开关原理 4. PN结的反向恢复过程与双极器件的开关特性
1. MOS栅原理 规定表面的电势比内部高时，VS取正值，反之取负值。表面势
及空间电荷区内电荷的极性随加在金属-半导体间电压(栅压)UG
的变化而变化，表现为载流子堆积、耗尽和反型三种不同特征。 (1) 多数载流子累积 (2) 多数载流子耗尽 (3) 少子变多子的反型状态
3.1.2 发展沿革与趋势
图3-7 功率集成电路的基本功能与构成
3.2 电力电子器件原理与特性 3.2.1 整流原理与阻断特性
3.2.2 开关原理与频率特性
3.2.3 电导调制原理与通态特性 3.2.4 功率损耗原理与高温特性
3.2.1 整流原理与阻断特性 1. PN结
2.肖特基势垒接触
1. PN结 当同一种半导体的N型薄层和P型薄层紧密结合成PN结时，二
2.电力电子器件的分类及其特点
1.电力电子器件的基本构成 1) PN结：P型(以带正电的空穴作为主要载流子)和N型(以电子
为主要载流子)半导体薄层或微区在原子尺度上的紧密结合体；
P层和N层为同种材料者叫同质结，为不同材料者叫异质结。 2) 金属-半导体肖特基势垒接触(MES)：有选择的金属薄层与半 导体表面的紧密接触，具有类似于PN结的单向导电性。 3) 金属-氧化物-半导体系统(MOS)：半导体硅表面经氧化处理 后再淀积一层金属薄膜构成的3层系统，例如Al-SiO2-Si系统。
1. JBS(Junction Barrier SBD)
图3-24
JBS结构剖面图
2. MPS(Merged PN Junction SBD) PIN二极管一般需要在通态损耗和开关损耗之间进行折衷。PIN 二极管反向恢复电流较大的主要原因是正向导通时I区(N-漂移 区)存储的额外载流子密度较大。MPS正向电流密度较高时虽然 也有明显的额外载流子注入，但这些载流子相对于PIN二极管 中的注入载流子而言多一条360°的横向扩展路径，这既提高
正偏置PN结和反偏置PN结的能带结构示意图
1. PN结
1. PN结 PN结有三种不同的击穿机制，分别是雪崩击穿、隧道击穿和热
电击穿。
(1) 雪崩击穿 (2) 隧道击穿 (3) 热电击穿(二次击穿)
1. PN结
图3-10
一个理想硅PN结的伏安特性曲线
(1) 雪崩击穿
(1) 雪崩击穿
(2) 隧道击穿
1. MOS栅原理
图3-15 P型MOS结构在各种下的空间电荷分布和能带图 a) 多数载流子累积 b) 多数载流子耗尽 c) 反型
(1) 多数载流子累积 当UG<0(即金属接负)时，表面势VS为负值，半导体表面层能 带向上翘，但费米能级在热平衡条件下保持不变，如图3-15a 所示。这时，越靠近表面，价带顶距费米能级越近，空穴密 度越高。单就表面而言，只要表面势随栅压绝对值的升高有 一点下降，表面这个地方的空穴密度就会相对于体内有明显 的升高，形成空穴的累积层，电导率比零栅压时高。由于电 离杂质的分布并不因UG而改变，因而此时表面层因负栅压引 起的空穴累积而带正电。 这种用外加电压累积多数载流子而提高表层导电能力的方法 对改善器件性能十分有效，在场效应器件中常有应用。
2.结温与热阻
3.高温特性 (1) 高温通态特性
(2) 高温阻断特性
(1) 高温通态特性
(2) 高温阻断特性
(2) 高温阻断特性
3.3 现代整流二极管 3.3.1 普通肖特基势垒二极管
3.3.2 PN结-肖特基势垒复合二极管
3.3.3 MOS-肖特基势垒复合二极管 3.3.4 改进的PIN二极管
3.电流控制型器件的开关原理 (1) BJT开关原理
(2) 普通晶闸管和GTO的开关原理
(1) BJT开关原理
图3-17 共射极连接NPN 晶体管示意图
(2) 普通晶闸管和GTO的开关原理
图3-18 晶闸管门极触 发机构示意图
(2) 普通晶闸管和GTO的开关原理
图3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ19
PN结二极管关断过程示意图
3.3.3 MOS-肖特基势垒复合二极管
图3-25
TMBS结构示意图
3.3.4 改进的PIN二极管 不借助于其他器件元素，也不必缩短额外载流子寿命(这会影响 其他特性)，功率PIN二极管的反向恢复特性可以通过PN结自身 的结构变化得到明显改善。这就是图3-26所示的SSD(Static Scre ened Diode)。这种结构与常规PIN二极管的不同之处仅在于其P 层不具有均匀的厚度和杂质浓度，而是在较低浓度的浅结P型
3.1.2 发展沿革与趋势 20世纪50年代中后期之前，在电力系统中起整流和开关作用的
有源电子器件主要是真空管和离子管等电真空器件。
自20世纪70年代中后期起，各种通、断两态双可控的大功率开 关器件逐渐开始推广应用。
3.1.2 发展沿革与趋势
图3-6 50V功率MOSFET的比电阻同结构 单元的重复距离及工艺水平的关系
的改善程度依赖于电压的大小。这就是电导调制，是PN结的基
本效应之一，是双极器件通流能力强的根本原因。对P区接负、 N区接正的反偏置状态，偏压-U在空间电荷区中产生的电场与 自建电场方向一致，因而使空间电荷区展宽，电场升高，势垒 高度由qVD增高至q(VD+U)，如图3-9b所示。
1. PN结
图3-9
图3-11 重掺杂PN结的隧道击穿
(3) 热电击穿(二次击穿)
(3) 热电击穿(二次击穿)
图3-12 PN结热电击穿时的 反向伏安特性
2.肖特基势垒接触
2.肖特基势垒接触
图3-13
＞的金属-N型半导体 接触前后的能带图
2.肖特基势垒接触
图3-14 N型半导体肖特基势垒接触在不同偏置状态下的电子势垒
(3) 少子变多子的反型状态
(3) 少子变多子的反型状态
(3) 少子变多子的反型状态
(3) 少子变多子的反型状态
图3-16 临界强反型条件下 的能带图
(3) 少子变多子的反型状态
(3) 少子变多子的反型状态
2. PN结与MES栅原理 空间电荷区中的自由载流子密度极低，利用PN结或MES结构在
现代电力电子学
第3章 现代电力电子器件 3.1 概述
3.2 电力电子器件原理与特性
3.3 现代整流二极管 3.4 功率MOS 3.5 绝缘栅双极晶体管(IGBT) 3.6 宽禁带半导体电力电子器件 3.7 本章小结
3.1 概述 3.1.1 电力电子器件概述
3.1.2 发展沿革与趋势
3.1.1 电力电子器件概述 1.电力电子器件的基本构成
了注入比，也提高了复合率，因而其存储载流子的密度不高，
反向恢复电流较小。计算机模拟表明MPS正向导通时的存储电 荷密度只是相同规格PIN二极管的1/4左右。由于MPS反向恢复
电流的减小不是通过缩短额外载流子寿命来实现的，因而其正
向压降不会升高。
3.3.3 MOS-肖特基势垒复合二极管 将MOS结构结合到SBD之中，利用MOS结构在适当偏压下的载 流子耗尽作用(见图3-15b)，也可像JBS那样在肖特基势垒区之 下再形成一个空间电荷区，使低势垒SBD的反向漏电流大幅度 极低。这种器件名叫TMBS(Trench MOS-Barrier SBD)，其结构 如图3-25所示。
3.3.1 普通肖特基势垒二极管
图3-22
不同整流二极管正向 特性的比较
3.3.1 普通肖特基势垒二极管
图3-23
硅SBD功耗随温度和 势垒高度的变化
3.3.1 普通肖特基势垒二极管
3.3.2 PN结-肖特基势垒复合二极管 1. JBS(Junction Barrier SBD)
JBS是一种利用反偏PN结的空间电荷区为SBD承受较高反向偏
者之间同种载流子密度的悬殊差异引起空穴从P区向N区、电子
从N区向P区扩散。对P区，空穴离开后留下了不可动的带负电 的电离受主，形成负空间电荷区。同样，电子的扩散在PN结附 近的N型侧形成一个由不可动的电离施主构成的正空间电荷区。 这些空间电荷产生从N区指向P区的电场，称之为自建电场。 P N结空间电荷区及其自建电场的建立，反映在载流子的能量关 系上就是如图3-8所示的能带弯曲。
2. PN结与MES栅原理 利用反偏PN结做栅制成的常开型开关器件，除图3-5所示的SIT
H和SIT之外，最典型的还有JFET(结型场效应晶体管)。这种器
件因其开关速度高而广泛应用于微波功率控制。 利用反偏MES结构做栅，可以弥补砷化镓等高电子迁移率材料 和氮化镓等宽禁带材料因不能生长天然氧化物而难以制造高迁 移率MOSFET的不足，由此制成的开关器件MESFET(肖特基栅 场效应晶体管)，是重要的微波功率器件，尤其对微波单片集成 电路(MMIC)的开发具有举足轻重的作用。
2.结温与热阻
3.高温特性
1.功率损耗 (1) 通态损耗