电力电子器件介绍(ppt 72页).ppt

1、1.1半导体的基础知识、导体：自然界中容易导电的物质叫导体，金属一般是导体。 绝缘体：有些物质几乎不导电，被称为橡子、陶瓷、塑料、石英等绝缘体。 半导体：另一种物质的导电特性在导体和绝缘体之间，称为锗、硅、砷化镓、硫化物、氧化物等半导体。 1.1.1本征半导体，纯结晶结构的半导体叫本征半导体。 另一方面，半导体、导电特性介于导体(廉价的元素构成)和绝缘体(高价的元素构成)之间，被称为半导体，例如锗、硅等，都是4价的元素。 价电子共有化，形成共价键的晶格结构、1.1.1本征半导体、具有纯粹晶体结构的半导体称为本征半导体。 一、半导体、二、本征半导体的导电状况、金属导电在其内部有自由电子存在(载流

2、子)，由于外部电场，自由电子取向移动而形成电流2 .电子和空穴成对出现，浓度相等3 .热激发产生电子和空穴，因此半导体的导电性和温度相关，对温度敏感。 总而言之，1.1.2杂质半导体、1、n型半导体通过向纯粹的硅结晶中导入5价元素(例如磷)，并调换晶格中的硅原子的位置，形成了n型半导体。 电子-多子； 空穴-少子.converteam作者：周宇，1.1.2杂质半导体，二、p型半导体是通过在纯粹的硅结晶中导入三价元素(例如硼)，置换晶格中的硅原子的位置而形成的空穴-多子； 电子-少子.converteam作者：周宇，1.1.3 PN结采用不同的掺杂工艺，在同一硅片上制作p型半导体和n型半导体，并

3、在它们的界面形成PN结。 PN结具有单向导电性。 一、PN结的形成、p区、n区、converteam作者：周宇、一、PN结的形成、界面上，由于两载流子的浓度差，出现扩散运动。 converteam作者：周宇，一，PN结的形成，在界面上，由于扩散运动，经过复合，出现空间电荷区域，converteam作者：周宇，一，PN结的形成，扩散电流等于漂移电流时，PN结，converteam作者：周宇， 1 .通过扩散运动形成空间电荷区域和内部电场2 .内部电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移3 .当扩散电流等于漂移电流时，取得动平衡，形成PN结。 总之，converteam作者：周宇，二，PN结的单向导电性，

4、1 .对PN结施加正向电压时处于导通状态，所谓施加正向电压是在p端施加正电压，在n端施加负电压，也称为正向接合法或者正向偏置。 converteam作者：周宇、内电场、外电场、外电场抵消了内电场的作用，使耗尽层变窄，形成大的扩散电流。 对周宇、2. PN结施加反向电压后变为截止状态，由于外部电场和内部电场的共同作用耗尽层扩大，形成小的漂移电流。converteam作者：周宇，三，PN结的伏安特性，PN结的电流方程式，其中，IS是反饱和电流，UT26mV，converteam作者：周宇，从作为1.2半导体二极管的p区引出的电极从阳极(a )，n区引出二极管的符号：converteam作者：周宇，

5、converteam作者：周宇，功率二极管的工作原理是由于PN结具有单向导电性，所以二极管是正向单向导电、反向截断的电力电子器件。converteam作者：周宇，1 .功率二极管的特性(1)功率二极管的伏安特性二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必须克服一定的栅极导通电压Uth (也称为死区电压)，施加电压为栅极硅二极管的栅极电压约为0.5V，施加电压大于Uth时，电流急速上升。 如果施加反向电压，则二极管的反向电流IS小，但如果反向电压超过二极管的反向耐压URO，则二极管被电击破，反向电流急速增加。 伏安特性、导通电压降：硅管0.60.7V、锗管0.20.3V。 逆耐压UBR、conve

6、rteam作者：周宇、环境温度上升时，二极管的正向特性曲线向左移动，逆向特性曲线向下移动。 在室温附近，温度每上升1C，正向电压降减少22.5mV。 温度每上升10C，反向电流约增加1倍。 二极管的特性对温度很敏感。 converteam作者：周宇，齐纳二极管及应用，1 .稳定器的工作原理，稳定器的符号，converteam作者：周宇，2 .稳定器的主要残奥仪表，稳定器电压UZ，UZ在破坏后电流达到规定值时，定电如果工作电流小于该值，齐纳二极管将失去齐纳调节作用。 PZM等于稳定电压UZ与最大稳定电流IZM (或IZmax )的乘积。 converteam作者：周宇，3 .稳压管的稳定化条件，

7、稳压管正向工作时和二极管的特性完全相同。 必须在逆破坏状态下工作，稳定的管道中流动的电流在IZ和IZM之间。 小心！ converteam作者：周宇、特殊二极管、1 .光电二极管是将光能转换为电能的半导体器件，其结构与普通二极管相似，但封装中留有可入射光的窗口。 converteam作者：周宇，2 .发光二极管是将电能转换为光能的半导体器件。 由PN结构，当发光二极管被正偏压时，注入到n区域和p区域的载流子重新结合，发出可见光和不可见光。 converteam作者：周宇，1.3双极晶体管，converteam作者：周宇，1.3双极晶体管，一、晶体管的结构和类型，NPN型，基极区域，发射极区域，

8、集电极区域PNP型，converteam作者：周宇converteam作者：周宇，双极功率晶体管的工作原理以NPN型双极功率晶体管为例，外部电路电源为UBC0时，发射极结的PN结处于正偏置状态。 此时的晶体管内部的电流分布如下： (通过UBC0，发射结处于正偏置状态，p区的多数载流子空穴依次向n区扩散形成空穴电流IPE，n区的多数载流子电子依次向p区扩散形成电子电流INE。 converteam作者：周宇，单个BJT的电流增益低，驱动时需要大的驱动电流，单级高压晶体管的电流增益为10左右，因此为了提高电流增益，经常采用达林顿结构，如果每级有10倍的增益，则为3级达林顿converteam作者：

9、周宇、BJT的开关特性在开关动作方式中，以一定的正向基值电流IB1导通驱动BJT，以另一个反向基值电流IB2截止BJT，由于BJT不是理想的开关，所以在开关中总是有一定的延迟和蓄积时间converteam作者：周宇，BJT的开关响应特性，二、晶体管的电流放大作用，放大是对模拟信号的最基本的处理。 晶体管是放大电路的核心元件，该晶体管控制能量的转换，无失真地放大输出输入的微小变化，并且放大对象是变化量。 晶体管在放大状态下工作的外部条件是发射极结正向偏置，总线结反向偏置。 晶体管的放大作用表明，小的基极电流可以控制大的集电极电流。共射放大电路、converteam作者：周宇，1 .对发射极结施加

10、正向电压，扩散运动形成发射极电流IE，2 .扩散到基极区域的自由电子和空穴的复合运动形成基极电流IB，3 .对总线结施加反向电压， 漂移运动是形成集电极电流IC的converteam作者：周宇，晶体管的电流分配关系，共射直流电流放大率，converteam作者：周宇，晶体管的电流分配关系，共射直流电流放大率，共射交流电流放大率，通常，converteam作者三，晶体管的转换am作者：周宇，1 .输入特性，工作电压降：硅管UBE0.60.7V，锗管UBE0.20.3V。 死区电压、硅管0.5V、锗管0.2V。 converteam作者：周宇，2 .输出特性，该区域将满足IC=IB称为线性区域(放

11、大区域)。 IC仅涉及IB，IC=IB。 converteam作者：周宇，在此区域中将UCEUBE、集电结正偏、IBIC、UCE0.3V称为饱和区。 2 .输出特性、converteam作者：周宇，在该区域中将： IB=0、IC=ICEO、UBE死区电压称为截止区域。 2、输出特性、转换am作者：周宇、输出特性三个区域的特征：放大区：发射结正偏压、集电结反偏压。 即，IC=IB且IC=IB、(2)饱和区域：发射极结正偏压、集电极结正偏压。 即，UCEUBE、IBIC、UCE0.3V、(3)截止区域： UBE死区电压、IB=0、IC=ICEO 0、converteam作者：周宇、三极管工作状态判

12、定方法：现在，晶闸管的容量电平达到了8kV6kA。 converteam作者：周宇，1.4.1晶闸管的结构和工作原理，1 .晶闸管的结构晶闸管是具有4层PNPN结构、三端子引线(a，k，g )的器件。 一般的晶闸管外形有螺栓型和平板型两种。 converteam作者：周宇、晶闸管的结构和等效电路如图1-4所示，晶闸管的核心是P1N1P2N2的4层半导体，形成3个PN结J1、J2和J3。 converteam作者：周宇，2 .晶闸管的工作原理IGIb2IC2(Ib1)IC1，converteam作者：使周宇、晶闸管导通需要2个条件：晶闸管的阳极和阴极之间应该施加正向电压。 晶闸管的栅极和阴极之间

13、也应施加正向电压和电流。 (2)晶闸管导通时，栅极失去控制作用，因此晶闸管是半控制型器件。 (3)为了关断晶闸管，需要将其阳极电流减小到一定值以下，只能通过使阳极电压为零或者相反地减小的方法来实现。converteam作者：周宇，3晶闸管栅极驱动电路，1 .晶闸管栅极驱动电路(1)晶闸管触发电路的基本要求是，触发信号可以是交流、直流或脉冲，为了降低栅极损耗，触发信号采用脉冲形式。 触发脉冲需要足够的电力。 触发电压和触发电流应大于晶闸管的栅极触发电压和栅极触发电流。 converteam作者：周宇，触发脉冲需要足够的宽度和陡峭度。 触发脉冲的宽度通常使得晶闸管的阳极电流在脉冲耗尽之前达到引擎电

14、流，以接通晶闸管，这是最小的容许宽度。 一般的触发脉冲的上升梯度大于10V/s或800mA/s。 触发脉冲的移相范围应满足变换器的要求。 例如，三相半波整流电路在电阻负载时要求相移范围为150，而三相桥式全控制整流电路在电阻负载时的相移范围为120。 converteam作者：周宇，1.5功率场效应晶体管，按其结构分为结型场效应晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管。 根据导电沟道的类型可分为n沟道和p沟道两种，根据零栅极电压时的器件的导电状态可分为耗尽型和增强型，当前的功率MOSFET的电容电平为50A500 V，频率为100kHz。、场效应晶体管：一、结构和电路符号(绝缘栅场效应晶体管)、p

15、型衬底、两个n区域、SiO2绝缘层、金属铝、n沟道增强、MOS晶体管的工作原理、以n沟道增强为例吸引电子的VGS(th )被称为导通电压，当UDS不太大时，导电信道在两个n区间是均匀的。 另外，当UDS大时，接近d区域的导电沟道变窄。UDS增加，UGD=VGS(th )时，接近d端的通道被夹断，称为预夹断。 converteam作者：周宇，2 .功率场效应晶体管的工作原理栅极源极电压UGS0时，漏极下的p型区域表面不出现反转层，漏极源极不能联系。 此时，即使向漏极源极间施加电压，p区域内的载流子的移动即VMOS管理也保持截止的状态。 如果栅极源极电压UGS0不充分，则栅极下的p型区域表面会成为耗尽状态，或者不能与漏极源极通信，VMOS管保持截止状态。 当超过栅极源极电压UGS或强反转条件时，栅极下的硅的表面从p型反转为n型，形成n型表面层，通过连接源极区域和漏极区域，使漏极源极连接，使VMOS管成为导通状态。 输出特性曲线、UGS0、可变电阻区域、夹断区域、恒流区域、n沟道增强型场效应晶体管、NPN型晶体管、g-b、d-。 converteam作者：周宇，1.6绝缘栅双极型晶体管，绝缘栅双极型晶体管IGBT是80年代中期诞生的新型复合电力电子器件，兼具MOSFET的高速响应、高输入阻抗和BJT的导通电压降、高电流密度特性当前，IGBT的电容电平(120016