电力电子器件和变换电路

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发射结
集电极 C
N P N
基区:厚度最薄, 掺杂浓度最低
E 发射极
发射区:掺 杂浓度最高
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2.3.3.三极管内部载流子的运动规律
基极----发射极:
基极
发射极
32
2.3.3.三极管内部载流子的运动规律
基极----集电极:
集电极
基极
33
2.3.3.三极管内部载流子的运动规律
从基区扩散来的
进入P 区的电
(c) 平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大 可小,用于高频整流和开关电路中。
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2 .2 半导体二极管及电力二极管
二极管的结构示意图
金属触丝 N型锗片
阳极引线
阴极引线
( a ) 点接触型 外壳
铝合金小球 N 型硅
阳极引线
PN 结 金锑合金
底座
阳极引线 二氧化硅保护层
N型硅 阴极引线
IC IB
饱和区:当集电结电流IC增大到最大时,进入饱和区。 饱和时,集电极和发射之间的内阻最小,集电极和发射 之间的电流最大。
普通三极管:放大状态、开关状态 电力三极管:开关状态 (= 饱和状态+截止状态)
41
2.4 半控型器件—晶闸管
2.4.1 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。
电力电子与现代生活
Power Electronics Technology and Modern Life
1
电力电子与现代生活
第2章 电力电子器件与变换电路
第2章 电力电子器件与变换电路
第一部分 电子器件与电力电子器件
2.1 半导体基本知识 2.2 半导体二极管及电力二极管 2.3 半导体三极管及电力三极管 2.4 半控型器件——晶闸管 2.5 门极可关断晶闸管GTO 2.6 电力场效应管 (电力MOSFET ) 2.7 绝缘栅极晶体管 IGBT
(或锑)而形成,也称为 电子型半导体。
+5
自由电子
12
2.1 半导体的基本知识
掺入五价元素后自由电子数目大量增加,自由电子
导电成为这种半导体的主要导电方式,称为电子半 导体 或 N型半导体。
掺杂浓度越大,自由电子数目越多,导电能力越强。 在N型半导体中自由电子是多数载流子,空穴是少数
载流子。
2.4.2 晶闸管的结构
◆从外形上来看,晶闸管也主 要有螺栓型和平板型两种封装 结构 。 ◆引出阳极A、阴极K和门极 (控制端)G三个联接端。 ◆内部是PNPN四层半导体结构。
图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
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2.4.3 晶闸管的工作原理
2.4.3 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
半导体:有的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。
半导体的导电机理不同于其它物质,其特点为: • 当受外界热和光的作用时,它的导电能力明显变化。 • 往纯净半导体中掺入某些杂质,会使其导电能力明显改变。
10
2.1 半导体的基本知识
2.1.2 本征半导体:完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 用的最多的半导体是硅和锗,最外层电子(价电子)都是四个。
二极管是以半导体PN结和两端引线以及封装组成的。 二极管主要特点:单向导电性。 主要分为:电子学上的小功率半导体二极管;
电力电子学上的功率型电力二极管。
2.2.1 二极管的主要结构:
(a) 点接触型: 结面积小、结电容小、正向电流小。用于 检波等高频电路。
(b) 面接触型 结面积大、正向电流大、结电容大,用于 工频大电流整流电路。
将上述单元电路集成制作在同一硅片上,大大提高了器件的
集成度。
特点:小型轻量化、性能/价格比提高
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2.3.5 电力三极管(GTR)的常见结构
★实例:几
类 达 林 顿 GTR 及其辅助元器 件构成的模块。
39
2.3.5 电力三极管(GTR)的常见结构
GTR模块外形: 两个单元,四重达林顿
40
I 2. 伏安特性
_+
稳压管正常工作时 加反向电压
稳压管反向击穿后, 电流变化很大,但其两 端电压变化很小,利用 此特性,稳压管在电路 中可起稳压作用。
UZ
O
U
IZ
IZ
UZ
IZM
使用时要加限流电阻
2.2.4 特殊二极管——发光二极管
发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件, 它包含了可见光、不可见光、激光等类型。
晶闸管都不会导通 。----截止
☞当晶闸管承受正向电压时,仅在门极有触发电流的情
况下晶闸管才能开通 。----开通条件
☞晶闸管一旦导通,门极就失去控制作用,不论门极触
光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体 器件。也有可见光和不可见光(如远红外光)之分。 其外形与发光管类似。
光电二极管在反向电压作用下工作。当无光照时, 和普通二极管一样, 其反向电流很小, 称为暗电流。 当有光照时, 产生的反向电流称为光电流。照度E越 强,光电流也越大。光电流很小, 一般只有几十微安, 应用时必须放大。
外加电压大于死区电 压二极管才能导通。
2.2.3 二极管的单向导电性
1. 二极管加正向电压(正向偏置,阳极接正、阴极接负 ) 时, 处于正向导通状态,正向电阻较小,正向电流较大。
2. 二极管加反向电压(反向偏置,阳极接负、阴极接正 ) 时, 处于反向截止状态,反向电阻较大,反向电流很小。
3. 外加电压大于反向击穿电压,二极管被击穿,失去单向 导电性,二极管损坏。
应用场合:电路的接通或断开,或电能变换。 特点: 接通后,接通电阻不为零,有一定电压降落;
断开后,电阻不为无穷大,存在一定漏电流。
9
2.1 半导体的基本知识
2.1.1 导体、半导体和绝缘体 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,如铁、铜、铝等。
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。
C V1 B
V2
E
C V1 B
V2
E
C
B VD1 V1 V2
B2
E
达林顿GTR a)NPN型 b)PNP型 c)实用达林顿电路
37
2.3.5 电力三极管(GTR)的常见结构
2. GTR模块
GTR模块:它将GTR管芯、稳定电阻R1、R2,加速二极管
VD1以及续流二极管VD2等构成一个单元,根据不同用途 将几个单元电路组装在—个外壳之内构成模块。
C
电子作为集电结
子少部分与基区
的少子,漂移进
的空穴复合,形
成电流IBE ,多数
扩散到集电结。 B
N
入集电结而被收
ICE
集,形成ICE。
P
EC
RB IBE N
EB
E IE
最重要特性:电流放大 IC IB
发射结正偏, 发射区电子不断 向基区扩散,形
成发射极电流IE。
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2.3.4 三极管的外形——普通三极管
( c ) 平面型
P 型硅
阳极 D 阴极
阴极引线
(b) 面接触型
( d) 符号
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2 .2 半导体二极管及电力二极管
电力二极管的结构示意图
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
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2 .2 半导体二极管及电力二极管
2.3.6 三极管的三种工作状态
三极管有三种工作状态:截止状态、放大状态、饱和状态。
当三极管用于不同目的时,它的工作状态是不同的。
三种状态也叫三个工作区域 即:截止区、放大区和饱和区:
截止区:当 B 极无电流时,三极管截止,C到E之间阻 值无穷大,C到E之间无电流通过。
放大区:B极有电流,IC和IE都随IB改变而变化
13
2.1 半导体的基本知识
2.1.4 P 型半导体:在硅或锗晶体中掺入少量的三价元
素,如硼(或铟)而形成,也称为 空穴型半导体。
+3
空穴
14
2.1 半导体的基本知识
掺入三价元素后空穴数目大量增加,空穴导电成为这
种半导体的主要导电方式,称为空穴半导体或 P型半 导体。
在 P 型半导体中空穴是多数载流子,自由电子是少
A
G
P1 N1 P2 N2
J1
J2 J3
K
工作原理 : 1. uak<0; 2. uak>0, uG=0; 3. uak>0, uG>0; 4. 门极作用; 5. IA=0
关键词: 正反馈,饱和
44
2.4.3 晶闸管的工作原理
■ 正常工作时的特性 总结如下: ☞当晶闸管承受反向电压时,不论门极是否有触发电流,
■1956年美国贝尔实验室(Bell Lab)发明了晶闸管,1957年美国通用 电气公司开发出了世界上第一只晶闸管,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,因此在大容量的场合仍然具有比较重要的地位。
晶闸管及模块 42
2.4.2 晶闸管的结构
断开后,电阻为无穷大,没有漏电流。
4wenku.baidu.com
概述
电力开关类型:
5
概述
6
概述
7
概述
电磁接触器
8
概述
电力电子开关:
构成材料:半导体材料,有内阻,集成结构。 工作原理:借助控制电压或电流,使开关接通或断开。 工作频率:能频繁操作,不同的器件,工作频率不同,如:
晶闸管:50Hz ~ 几kHz IGBT: 5kHz ~ 50kHz MOSFET: 几kHz ~几MHz
按功率大
小分: 普通三极管 电力三极管
35
2.3.4 三极管的外形—电力三极管(GTR)
36
2.3.5 电力三极管(GTR)的常见结构
1.达林顿GTR
达林顿结构由两个或多个晶体管复合而成,可以 是PNP型也可以是NPN型,其性质由驱动管来决定。 如图4-2,图中:V1为驱动管、V2为输出管 。
状态 参数
电流 电压 阻态
正向导通
正向大 维持1V 低阻态
反向截止
几乎为零 反向大 高阻态
反向击穿
反向大 反向大 ——
24
2.2.3 二极管的单向导电性
二极管的应用举例1:二极管半波整流
ui
ui
RL
uo
t
uo
t
25
二极管的应用举例2:二极管桥式整流
26
2.2.4 特殊二极管—— 稳压二极管
1. 符号
数载流子。
15
2.1.5 PN结
1 . PN结的形成
内电场越强,漂移运动
漂移运动 越强,扩散运动越弱
内电场
扩散和漂移 这一对相反的 运动最终达到 动态平衡,空 间电荷区的厚 度固定不变。
形成空间电荷区 扩散运动
扩散的结果使 空间电荷区变宽。
16
2.1.5 PN结
17
2.1.5 PN结
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2 .2 半导体二极管及电力二极管
3
概述
概述:
由前一章我们知道,电力电子器件又称为电力电子开关、功
率开关、或开关器件,那么它与我们常见的电力开关有什么 不同呢?
电力开关:
构成材料:金属(铜等)、机械结构 工作原理:借助外力或电磁力,使触头接通或断开。 工作频率:不能频繁操作,无法用频率描述(<0.01Hz) 应用场合:用于电路的接通或断开,不能改变电能的性质。 特 点: 接通后,接通电阻为零,无电压降落;
二极管的外形:
22
2.2.2 二极管的伏安特性:
特点:非线性
I
正向特性
反向击穿 电压U(BR)
反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。
P– + N
反向特性
外加电压大于反向击穿 电压二极管被击穿,失去 单向导电性。
硅0.6~0.8V 导通压降 锗0.2~0.3V
U
硅管0.5V, 死区电压 锗管0.1V。
可见光发光二极管也称为LED,符号如 图所示。发光颜色目前有红色、绿色、橙 色、黄色、白色等。发光二极管的电特性 与普通二极管一样,伏安特性曲线也类似, 同样具有单向导电性。但正向导通电压比 普通二极管高,红色的导通电压在1.6~1.8V 间,绿色的为2V左右。
符号
28
2.2.4 特殊二极管——光电二极管
束缚电子
+4
+4
Ge
Si
+4
+4
共价键结构 形成共价键后,每个原子最外层电子是八个,构成稳定结构。 在绝对零度以下,本征半导体中无活跃载流子,不导电
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2.1 半导体的基本知识
半导体掺杂 在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就
会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂使半导 体的某种载流子浓度大大增加。 2.1.3 N型半导体:在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷
符号:
光耦合器
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2.3 半导体三极管及电力三极管
2.4. 1 基本结构
NPN型
集电极
C
NP N
基极
B
发射极
E
PNP型
集电极
PN P C
基极
B
发射极 E
符号:
C IC B IB
E IE
NPN型三极管
C IC B
IB E IE
PNP型三极管
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2.3.2 三极管的结构特点:
集电区: 面积最大
集电结 基极 B
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