电力电子技术第二章

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2．2 电力电子器件基础
1．PN结的形成
完全纯净的、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。在常温下，本征 半导体可以激发出少量的自由电子，并出现相应数量的空穴，这两种不同极 性的带电粒子统称为载流子。 用适当的方法在本征半导体内掺入微量的杂质，会使半导体的导电能力 发生显著的变化，这种半导体称为杂质半导体。因掺入杂质化合价的不同， 杂质半导体分为电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体两类。 N型半导体的杂质为五价元素，在半导体晶体中能给出一个多余的电子， 故N型半导体内自由电子数远大于空穴数，则自由电子称为多数载流子（简 称多子），空穴称为少数载流子（简称少子）。而P型半导体中的杂质为三 价元素，能在半导体晶体中接受电子，使晶体中产生空穴，即P型半导体中 的空穴数远大于自由电子数，则空穴称为多数载流子，自由电子称为少数载 流子。
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2．2．2电力电子器件的封装
图2-2是电力电子器件几种常见的封装形式
TO-220
TO-247
SOT-227
TO-64
TO-209
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2．3 功率二极管
功率二极管（Power Diode） 属于不可控电力电子器件，是20世 纪最早获得应用的电力电子器件， 它在整流、逆变等领域都发挥着重 要的作用。基于导电机理和结构的 不同，二极管可分为结型二极管和 肖特基势垒二极管。 二极管的基本结构是半导体 PN结，具有单向导电性，正向偏 臵时表现为低阻态，形成正向电流， 称为正向导通；而反向偏臵时表现 为高阻态，几乎没有电流流过，称 为反向截止。
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2．2 电力电子器件基础
2.电力电子器件的分类 根据器件内部带电粒子参与导电的种类不同，电力电子器 件又可分为单极型、双极型和复合型三类。器件内部只有一种 带电粒子参与导电的称为单极型器件，如Power MOSFET；器 2．2．1 PN结原理 件内有电子和空穴两种带电粒子参于导电的称为双极型器件， 如GTR和GTO；由双极型器件与单极型器件复合而成的新器件 称为复合型器件，如IGBT等。
空间电荷区
将N型半导体和P型半导体结合，由于P型半 导体内空穴浓度高、电子密度小，而N型半导体 空穴浓度低、电子密度高，则空穴必然要从高浓 度的P区流向低浓度的N区，同样电子要从N区流 向P区，这种载流子从高浓度区向低浓度区的运动 称为扩散运动。扩散首先在界面两侧附近进行， 当电子离开N区后，留下了不能移动的带正电荷 的杂质离子，形成一层带正电荷的区域；同理， 空穴离开P区后，留下不能移动的带负电荷的杂质 离子，形成一层带负电荷的区域。因此P区和N区 交界面附近形成空间电荷区，即PN结。 由于正负电荷的相互作用，在空间电荷区形 成从带正电的N区指向带负电的P区的内电场。内 电场对多数载流子的扩散运动有阻挡作用，同时 也会吸引对方区内的少数载流子向本区运动，形 成漂移运动。当扩散运动和漂移运动达到动态平 衡时，正、负空间电荷量就达到稳定值。
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2．2．1 PN结原理
4．PN结的电容效应 PN结的单向导电性使其对交流电有整流作用，但这种作 用只在交变电压频率不太高时才能发挥作用，而在电压频率增 高时不能很好发挥作用，其原因就是PN结有电容效应。PN结 电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容和扩散电容。 1）势垒电容 由于PN结的空间电荷区无可动电荷，犹如一层绝缘介质， 与将其夹在中间的P区和N区一起，构成为一个电容器。由于 空间电荷区是载流子的势垒区，所以该电容称为势垒电容。
内电场
- 。 。 。 - - 。 。 。 - 。 。 。 - - 。 。 。 - - 。 。 。
P型区
-
+ + + + +
+ + + · · · + + + · · · + + + · · · + + + · · · + + + · · ·
N型区
空间电荷区
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2．2．1 PN结原理
3．PN结的反向击穿 PN结具有一定的反向耐压能力，但如果反向电压过大， 达到反向击穿电压时，反向电流会急剧增加，破坏PN结反向 偏臵为截止的工作状态，这种状态称为反向击穿，反向击穿 有可能造成PN结损坏。 PN结反向击穿有三种形式：雪崩击穿、齐纳击穿和热击穿。 1）雪崩击穿 当反向电压增大到某一数值后，载流子增加得快而多， 使反向电流急剧增大，这种情况称为雪崩击穿。 2）齐纳击穿 齐纳击穿也称隧道击穿，它是在较低的反向电压下发生 的击穿。在高掺杂浓度的PN结中，P区与N区之间的间距较 窄，再加上反偏电压使电场强度增加，进一步减少了该间距， 则P区中的某些电子通过空间电荷区进入N区，反向电流急剧 增加，该现象称为齐纳击穿。
电力电子技术
Power Electronics
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第2章 电力电子器件及应用
1 电力电子器件的特点与分类 2 电力电子器件基础 3 功率二极管 4 5 6 7 8
晶闸管 可关断晶闸管（GTO） 电力晶体管 功率场效应晶体管 绝缘栅双极型晶体管
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第2章 电力电子器件及应用
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其它新型电力电子器件
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2．2．1 PN结原理
2．偏臵下的PN结 在PN结上外加电压称为对PN结的 偏臵，P区加正、N区加负为正偏臵， 反之为反偏臵。当PN结正向偏臵时， 外加电场与PN结的内电场方向相反， 内电场被削弱，载流子的漂移运动受 到抑制，而扩散运动增强，在外电路 上则形成自P区流入而从N区流出的电 流，称为正向电流。当PN结反向偏臵 时，外加电场与PN结内电场方向相同， 使得载流子的漂移运动大于扩散运动， 形成反向电流，但由于受少数载流子 浓度低的限制，反向电流很小。
2．2．1 PN结原理
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2．2 电力电子器件基础
2.电力电子器件的分类 按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，可对 电力电子器件进行如下分类： 1）不可控器件，它不能用控制信号控制其通断，器件的导通与 2．2．1 PN结原理 截止完全由自身在电路中承受的电压和电流来决定。这类器件主 要指功率二极管。 2）半控型器件，指通过控制信号能控制其导通而不能控制其关 断的电力电子器件。这类器件主要是指晶闸管，它由普通晶闸管 及其派生器件组成。 3）全控型器件，指通过控制信号既可以控制其导通，又可以控 制其关断的电力电子器件。这类器件的品种很多，目前常用的有 门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、功率场效应 管（Power MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。
A P N J b) K c)
-
N
K
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2．3．2 结型功率二极管的基本特性
1．稳态特性（静态特性） 电导调制效应使得PN结 在正向电流较大时导通压降 仍然很低，且不随电流的大 小而变化。
I IF
O UTO
UF
U
图2-4 结型功率二极管的伏安特性
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2．3．2 结型功率二极管的基本特性
K A A K K Aa)电力电子技
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2.3.1 结型功率二极管基本结构和工作原理
为了提高PN结二极管承受反向电压的阻断能 I 力，可以用很薄的硅片厚度得到PN结构在硅片很 厚时才能获得的高反压阻断能力，故结型功率二极 管多采用PIN结构。PIN功率二极管在P型半导体和 N型半导体之间夹有一层掺有轻微杂质的高阻抗N区域，该区域由于掺杂浓度低而接近于纯半导体， 即本征半导体。由于N-区域比P区域的掺杂浓度低 A 的多，PN-空间电荷区主要在N-侧展开，故PN结的 内电场基本集中在N-区域中，N-区域可以承受很 高的外向击穿电压。低掺杂N-区域越厚，功率二 极管能够承受的反向电压就越高。 在PN结反向偏臵的状态下，N-区域的空间电荷 区宽度增加，其阻抗增大，足够高的反向电压还可 以使整个N-区域耗尽，甚至将空间电荷区扩展到N 区域。如果P区域和N区域的掺杂浓度足够高，则 空间电荷区将被局限在N-区域，从而避免电极的 穿通。
2．2．1 PN结原理
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2．2．1 PN结原理
内电场
- 。 。 。 - - 。 。 。 - 。 。 。 - - 。 。 。 - - 。 。 。
P型区
-
+ + + + +
+ + + · · · + + + · · · + + + · · · + + + · · · + + + · · ·
N型区
2．2．1 PN结原理
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2．2 电力电子器件基础
3）需要专门的驱动电路来控制 电力电子器件的工作状态通常由信息电子电路来控制，由于电力电子器 件处理的电功率较大，信息电子电路不能直接控制，需要中间电路将控制信 号放大，该放大电路就是电力电子器件的驱动电路。 4）需要缓冲和保护电路 电力电子器件的主要用途是高速开关，与普通电气开关、熔断器和接触 器等电气元件相比，其过载能力不强，电力电子器件导通时的电流要严格控 制在一定范围内。过电流不仅会使器件特性恶化，还会破坏器件结构，导致 器件永久失效。与过电流相比，电力电子器件的过电压能力更弱，为降低器 件导通压降，器件的芯片总是做得尽可能薄，仅有少量的裕量，即使是微秒 级的过电压脉冲都可能造成器件永久性的损坏。 在电力电子器件开关过程中，电压和电流会发生急剧变化，为了增强器 件工作的可靠性，通常要采用缓冲电路来抑制电压和电流的变化率，降低器 件的电应力；采用保护电路来防止电压和电流超过器件的极限值。
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2．2 电力电子器件基础
2.电力电子器件的分类 按照驱动信号的不同，又可将可控器件分为电流驱动型和 电压驱动型。电流驱动型器件通过从控制极注入和抽出电流来 实现器件的通断，其典型代表是GTR。大容量的GTR的开通电 2．2．1 PN结原理 流增益较低，即基极平均控制功率较大；与此相反，电压驱动 型器件通过在控制极上施加正向控制电压实现器件导通，通过 撤除控制电压或施加反向控制电压使器件关断；当器件处于稳 定工作状态时，其控制极无电流，因此平均控制功率较小。由 于电压驱动型器件是通过控制极电压在主电极间建立电场来控 制器件导通，故也称场控或场效应器件，其典型代表是Power MOSFET和IGBT。
10 电力电子器件的发展趋势 11 电力电子器件应用共性问题
12 总结
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2．1 电力电子器件的特点和分类
1．电力电子器件的特点
电力电子器件（Power Electronic Device）是指能实现电能的变换或控 制的电子器件。和信息系统中的电子器件相比，具有以下特点： 1）具有较大的耗散功率 与信息系统中的电子器件主要承担信号传输任务不同，电力电子器件 处理的功率较大，具有较高的导通电流和阻断电压。由于自身的导通电阻 和阻断时的漏电流，电力电子器件要产生较大的耗散功率，往往是电路中 主要的发热源。为便于散热，电力电子器件往往具有较大的体积，在使用 时一般都要安装散热器，以限制因损耗造成的温升。 2）工作在开关状态 为了降低工作损耗，电力电子器件往往工作在开关状态。关断时承受 一定的电压，但基本无电流流过；导通时流过一定的电流，但器件只有很 小的导通压降。电力电子器件工作时在开通和关断之间不断切换，其动态 特性（即开关特性）是器件的重要特性。
2．动态特性
导致电压过冲的原因有两 个：阻性机制和感性机制。阻 性机制：少数载流子注入的电 导调制作用。感性机制：电流 随时间上升在器件内部电感上 产生压降，di/dt越大，峰值电 压UFP越高。正向恢复时间tfr： 正向电压从零开始经峰值电压 UFP，再降至稳态电压UF所需 要的时间。
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2．2．1 PN结原理
3）热击穿 上述两种型式的击穿过程都是可逆的，若此时外电路能 采取措施限制反向电流，当反向电压降低后PN结仍可恢复原 来状态。否则反向电压和反向电流乘积过大，会超过PN结容 许的耗散功率，导致热量无法散发，PN结温度上升直至过热 而烧毁。这种现象称为热击穿，必须尽可能避免热击穿。
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2．2．1 PN结原理
2）扩散电容 发生在空间电荷区外并与注入载流子的扩散运动有关的 电容效应称为扩散电容。扩散电容是由正偏压造成的，只 在正向偏臵时存在。 在正向偏臵时，当电压较低时，势垒电容占主要成分； 正向电压较高时，扩散运动加剧，使扩散电容按指数规律 上升，成为PN结电容的主要成分。