电力电子与现代控制_电力电子器件_第一部分

本征半导体
半导体简介
N型半导体：在本征半导体材料硅中掺入少量5价杂质（如磷或砷），其 中存在大量可自由移动的电子为多数载流子，少量可以自由移动的空穴为少 数载流子；另外，还有大量的不能自由移动的正离子； P型半导体：在本征半导体材料硅中掺入少量3价杂质（如硼或铝），其 中存在大量可自由移动的空穴为多数载流子，少量可以自由移动的电子为少 数载流子；另外，还有大量的不能自由移动的负离子；
PN结
A P型 阳极 A K N型
K 阴极
二极管结构示意图和符号
PN结：将P型半导体与N型半导体通过物理化学方法有机地结合为一体后， 就形成了PN结，PN结具有非线性电阻的特性，可以制成二极管作整流器件， PN结是构成多种半导体器件的基础。
PN结工作原理
1、PN结为零偏置时 在PN结两端不外加电压时，P型半导体区大量可自由移动的空穴和N型半导体 区内的大量电子将因为浓度差向对方区间扩散，扩散电流的方向为由P流向N，其 幅值 与负浓度差成正比，之后在PN结附近P型区将出现由无法自由移动的负离子组 成的带负电的区域和N型区的正离子组成的带正电的区域，两个区域统称为空间电 荷 区，也称耗尽层。空间电荷区内将出现由N型区指向P型区的电场，称为内建电 场。内建电场对自由电子和空穴作用力形成漂移运动，漂移电流方向为由N流向P， 与扩散运动方向相反，其幅值与扩散电场的电场强度成正比。当空间电荷区达到一 定的宽度时，漂移电流等于扩散电流，流过PN结的电流为零。 PN结处于动态平衡， 空间电荷区宽度稳定，
小结
引言
实际电力电子器件的非理想因素 电力电子器件在电力电子变换器 中主要做开关使用。理想的开关 没有损耗，开关所需时间为零。 但实际器件存在多种限制。 1、实际器件的损耗： 1）通态损耗(Won）与导通压降成 正比。
2 ）断态损耗（一般可忽略）与断 态漏电流成正比。
3）开通损耗(Wc(on)) 4）关断损耗(Wc(off)) 2、实际器件的开通和关断时间: 1）开通时间Tc(on)； 2）关断时间Tc(off)。
PN结为正偏置时的少数载流子浓度沿长度方向的分布 P区的空穴扩散过PN结形成空穴电流IP，N区的电子电流扩散过PN结形成电子 电流IN，IP和IN的大小与注入少数载流子负浓度差成正比，二者之和为流过PN结的 电流。随着外加电压的增加，少数载流子浓度差增加，使流过PN结的电流按指数 V /V 规律增长，I I S (e T 1) ，其中Is为反向饱和漏电流。
电力电子器件的发展历史
电力电子器件的发展历史（三菱公司）
IGBT电力电子器件的发展历史（三菱公司）
电力电子器件的现状
高压大功率电力电子器件的现状与未来
电力电子器件的现状与未来
未来的电力电子器件
未来的电力电子器件
未来的电力电子器件
现代电力电子器件
1、功率二极管
半导体简介
自然界中的物质按其导电性能可分为三大类：导体、绝缘体和半导体； 半导体材料(硅、锗、硒、金刚石、砷化稼、碳化硅等)是指其导电能力明 显依赖于内外状态的一类特殊物质。当半导体受到外界光和热的激发时， 其导电能力发生显著的变化。 本征半导体：在纯净的结构完整的半导体（被称为本征半导体）中可 自由移动的电子被束缚在分子内部，其晶体结构主要由不带电无法自由移 动的分子组成，仅存在少量的电子和空穴对可以自由移动和少量的离子。
• 集 成 门 极 换 流 晶 闸 管 • 集成门极换流晶闸管IGCT IGCT • 功率三极管BJT 线性器件： 多子：
• 功 率 场 效 应 晶 体 管 • 功 率 场 效 应 晶 体 管 • 功率三极管BJT • 功 率 场 效 应 晶 体 管 MOSFET MOSFET 复合： • 绝缘栅门极双极型晶体管 MOSFET • 绝缘栅门极双极型晶体管 • 绝缘栅门极双极型晶体管 IGBT IGBT IGBT • 集成门极换流晶闸管IGCT 新型的电力电子器件和模块 • 智能功率模块（IPM） • SiC功率器件
二极管关断时（反向恢复过程）： 1）需要清除少数载流子。 2）空间电荷区存储电荷。
二极管正向恢复特性
正向恢复指二极管由关断到导通之 间的过渡过程， 1）当二极管两端电压上升时，二 极管将开始导通正向电流（由于空间电 荷区的电容效应）。 2）当二极管端电压由正变负时： 二极管开始积累少数载流子，在刚开始 导通时由于P和N型区内的注入少数载 流子数量较少，其等效电阻较大，因此 二极管管压降Vpp高于稳态时饱和管压 降VD。随着注入少数载流子数量的增加， 二极管管压降逐渐降低，最终达到稳态 饱和压降VD 。
N型半导体
P型半导体
二极管的简化结构和符号
二极管由P型半导体和N型半导体相互连 接构成，P型和N型半导体连接处形成PN 结结构。二极管是双端器件，其中，阳极 (Anode简称A) 连接在P型半导体，阴极 (Cathode简称K)连接到N型半导体。二极 管是利用PN结原理工作的器件，其导电 能力与阴极和阳极之间施加的电压极性相 关。
3、电力电子器件其他因素：
如单向可控性，安全工作区等。
引言
电力电子器件分类
现代电力电子器件包括： 按控制方式分： 不控器件： • 半导体功率二极管 Diode 半控器件： • 晶闸管 Thyristor 全控器件： • 功率三极管BJT • 可关断晶闸管GTO 按是否具有线性区分： 开关器件： • 半导体功率二极管 Diode • 晶闸管 Thyristor • 可关断晶闸管GTO 按多子还是少子导电分： 少子： • 半导体功率二极管 Diode • 晶闸管 Thyristor • 可关断晶闸管GTO
P
- + -+ -+
空间电荷区
N
P
--- + + + --- + + + --- + + +
空间电荷区
N
np(x) np0
pn(x) pn0
np0
少数载流子浓度曲线 x
pn0 np(x) 少数载流子浓度曲线 pn(x) x
正向导通
反向关断
二极管动态性能
因此，二极管开通时（正向恢复过程）： 1）需要将空间电荷区的反向电压放电； 2）积累少数载流子。
电力电子与现代控制
Power Electronic and Modern Control
中国科学院研究生院
第一章：现代电力电子器件
引言 现代电力电子器件
1、功率二极管
2、功率三极管 3、晶闸管和可关断晶闸管 4、集成门极换流晶闸管 5、功率场效应晶体管 6、绝缘栅双极晶体管 7、智能功率模块 8、SiC器件
U
Vpp VD
t
-VR IF
I t
ton
导通 过程
导通
二极管串联电感反向恢复过程
A +
ID VD
-
P N 反向恢复指二极管由导通到关断之间的 过渡过程，下面为考虑串联等效电感时二极 IF + + -管的反向恢复过程， R L VF 0时刻，二极管流过正向电流IF。 (a) 0≤t≤t1 t1时刻时二极管和串联电感电路端电压 由正变负，二极管电流（即电感电流）开始 下降； A t2时刻时二极管电流下降到零，二极管 P N 内由于P和N型区内存在较多的注入少数载 IF ++ - +流子，此时少数载流子与多数载流子的复合 VR R L 作用以及空间电荷区的漂移运动将导致二极 管开始流过负电流，该负电流称为反向恢复 (b) t1≤t≤t2 电流， t3时刻时注入少数载流子数量下降到无 法维持反向恢复电流，反向恢复电流幅值幅 A P N 值达到最大值，定义t2到t3时间段为ts。 t4时刻时注入少数载流子的完全消除， IR - + - ++ 反向恢复电流变为零，定义二极管反向恢复 L VR R 电流幅值最大时到变为零所需的时间为tf。 (c) t2≤t≤t3 ts和tf时间之和为二极管的反向恢复时间 trr，在trr期间二极管电流与时间的积分为反 向恢复电荷Qrr，代表了二极管在关断时需 要清除的少数载流子的电荷。
PN结为反偏置时的少数载流子浓度沿长度方向的分布
-
P
--- ----- ----- ---
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + N +
空间电荷区
np0 np(x) 少数载流子浓度曲线
pn0 pn(x) x
二极管伏安特性
I
正向区间：二极管加入正向电压时， 正向电流与所加电压之间按指数规律变化； 反向区间：加入一定范围的反向电压 时，二极管仅流过较小的反向漏电流， 击穿区间：当反向电压超过雪崩或齐 纳击穿电压时，反向电流大大增加。此时 二极管两端电压和电流都较大，其损耗大 大增加，可能会使器件结温过高造成损 坏。，击穿分为两种： 1）雪崩击穿：电子在高场强下获得 很强的能量，撞击分子时自由电子倍增造 成击穿。 2）齐纳击穿：高场强直接将电子由 分子内拉出。
击穿区间 反向区间 正向区间
击穿电压wenku.baidu.com
I I S (eV / VT 1)
U
IR I S
二极管伏-安特性
二极管动态性能
稳态导通时，P型区会积累 注入少数载流子电子，N型区会 积累空穴，空间电荷区空间电荷 很少。 稳态关断时，空间电荷区的正负 离子会存储电荷（承担反向电压）， 但P和N区的少数载流子浓度很小。
注入少数 载流子 双极性 电流IP和IN 注入少数 载流子
PN结
-
+
-
-
-
-
-
-
-
- - - - -
-
- + - + - + - +
-
+ + +
+ + + + + + + + +
+ + + + +
+ + + + +
+ + +
-
P型区
+ + + + + + + N型区 空间电荷区 内建电场 外电场
PN结工作原理
K IR
A VR ID
P + + R
N - L
K IR +
(d) t3≤t≤t4
K -
IF t3 0 t1 t2 -Irr ts VD tf trr t3 0 t1 t2 t4 -VR -Vrr t t4 Is t
(e)电流波形
K IR -
(f)电压波形
PiN结构功率二极管
功率二极管一般采用PiN结构，(i指本征半导体 intrinsic层，实际为 低掺杂N型半导体 ) 在半导体结构图中，一般用符号+表示重掺杂半导体，-表示轻掺杂 半导体，不加符号表示中度掺杂半导体。
多数载流子 少数载流子 PN结 少数载流子 多数载流子
-
-
-
-
-
-
-
-
- - - -
-
- + - + - +
+ + +
+ + + + + + + +
+ + + + +
+ + + + +
+ + +
- P型区
+ + + - - - + + + + + + N型区 空间电荷区 内建电场
PN结工作原理
2、PN结为正偏置时 当PN结施加正向电压时，外加电场将与内建电场方向相反，外加电场将使P型 区的空穴和N型区的电子向PN结移动，从而使空间电荷区宽度减少，削弱了内建电 场产生的漂移运动，此时扩散运动大于漂移运动，越过PN结的少数载流子在对应 区内一边扩散，一边与区内的多数载流子复合，越过空间电荷区后少数载流子平均 经过扩散长度的距离后被复合掉。超过几个扩散长度的P或N型区内将基本上不存 在注入少数载流子。
空穴流动方向
- + -+ -IN - +
空间电荷区
+
IP
N
电子流动方向
P
-
np(x) np0 pn0
pn(x)
x 少数载流子浓度曲线
PN结工作原理
3、PN结为反偏置时 当PN结施加反向电压时，外加电场将与内建电场方向相同，外加电场将使P 型区的空穴和N型区的电子远离PN结，从而使空间电荷区宽度增加，加强了内建电 场。此时，漂移作用远大于扩散作用，P区和N区的多数载流子难以越过增强的内 建电场，P区中仅有少数载流子电子、N区中仅有空穴能够流过PN结形成漂移电 流 IP和IN， 二者之和称为漏电流。由于常温下少数载流子数量很少，形成的反向漏电 流很小，而且在一定范围内与外加电压的幅值关系不大， I I S 。随着外加电压的 增加，空间电荷区 不断加宽，当空间电荷区内电场强度超过强度时，反向电流急剧 增加，此时二极管两端电压和电流都较大，其损耗大大增加，可能会使器件结温过 高造成损 坏。
少数载流子 PN结 双极性漏 电流IP和IN 少数载流子
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+ + +
+ + + + + + + + + + +
+ + + + + + +
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+ + +
+
P型区
空间电荷区
+ N型区 内建电场 外电场
PN结工作原理