2019最新第2章电力电子器件与变换电路1物理

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
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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。
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。
(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
( 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ห้องสมุดไป่ตู้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
断开后，电阻为无穷大，没有漏电流。
4
概述
电力开关类型：
5
概述
6
概述
7
概述
电磁接触器
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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
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。
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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
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二极管的外形：
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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。
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
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
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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，
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 ——
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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
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2.2.4 特殊二极管—— 稳压二极管
1. 符号
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。
■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
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
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
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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
按功率大
小分： 普通三极管 电力三极管
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2.3.4 三极管的外形—电力三极管（GTR）
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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 。
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。
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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。
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。
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）
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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。
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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；
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
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
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
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。
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
（或锑）而形成，也称为 电子型半导体。
+5
自由电子
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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。
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。
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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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
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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
电力电子与现代生活
Power Electronics Technology and Modern Life
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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
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