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电力电子技术PowerElectronics安徽省高等学校精品课程合肥工业大学电气与自动化工程学院张兴电力电子技术第2章电力电子器件及应用12345晶闸管可关断晶闸管（GTO）电力晶体管6电力电子器件基础电力电子器件的特点与分类功率二极管功率场效应晶体管7绝缘栅双极型晶体管8电力电子技术910其它新型电力电子器件电力电子器件的发展趋势电力电子器件应用共性问题11总结12第2章电力电子器件及应用电力电子技术2．1电力电子器件的特点和分类2．2．1PN结原理1．电力电子器件的特点电力电子器件（PowerElectronicDevice）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，因此，电力电子器件工作时要产生较大的耗散功率。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。目录2．1电力电子器件的特点与分类2．2电力电子器件基础2．3功率二极管2．4晶闸管2．5可关断晶闸管（GTO）2．6电力晶体管2．7功率场效应晶体管2．8绝缘栅双极型晶体管*2．9其它新型电力电子器件2．10电力电子器件的发展趋势2．11电力电子器件应用共性问题小结电力电子技术2．2．1PN结原理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；并且采用保护电路来防止电压和电流超过器件的极限值。目录2．1电力电子器件的特点与分类2．2电力电子器件基础2．3功率二极管2．4晶闸管2．5可关断晶闸管（GTO）2．6电力晶体管2．7功率场效应晶体管2．8绝缘栅双极型晶体管*2．9其它新型电力电子器件2．10电力电子器件的发展趋势2．11电力电子器件应用共性问题小结2．1电力电子器件的特点和分类电力电子技术2．2．1PN结原理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）不可控器件不能用控制信号控制其通断，器件的导通与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（PowerMOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。目录2．1电力电子器件的特点与分类2．2电力电子器件基础2．3功率二极管2．4晶闸管2．5可关断晶闸管（GTO）2．6电力晶体管2．7功率场效应晶体管2．8绝缘栅双极型晶体管*2．9其它新型电力电子器件2．10电力电子器件的发展趋势2．11电力电子器件应用共性问题小结2．1电力电子器件的特点和分类电力电子技术2．2．1PN结原理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的开通电流增益较低，即基极平均控制功率较大；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PowerMOSFET和IGBT。目录2．1电力电子器件的特点与分类2．2电力电子器件基础2．3功率二极管2．4晶闸管2．5可关断晶闸管（GTO）2．6电力晶体管2．7功率场效应晶体管2．8绝缘栅双极型晶体管*2．9其它新型电力电子器件2．10电力电子器件的发展趋势2．11电力电子器件应用共性问题小结2．1电力电子器件的特点和分类电力电子技术2．2．1PN结原理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PowerMOSFET；器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。目录2．1电力电子器件的特点与分类2．2电力电子器件基础2．3功率二极管2．4晶闸管2．5可关断晶闸管（GTO）2．6电力晶体管2．7功率场效应晶体管2．8绝缘栅双极型晶体管*2．9其它新型电力电子器件2．10电力电子器件的发展趋势2．11电力电子器件应用共性问题小结2．1电力电子器件的特点和分类电力电子技术2．2电力电子器件基础2．2．1PN结原理1．PN结的形成几个重要概念：1）原子最外层的电子称为价电子；2）价带上的电子是不能导电的，只有当价带上的电子获得足够的能量跨越禁带而跃迁到导带上成为自由电子后，并在外电场的作用下即可导电；3）绝缘体的禁带很宽，半导体的禁带较窄，导体没有禁带；4）本征半导体价带中的电子被激发到导带后，同时会在价带上出现空穴，导带上的自由电子和价带中的空穴都能在外电场的作用下产生定向运动而形成电流，因此半导体中的导带电子与价带空穴都是运载电流的粒子，因此称为载流子；5）价带中空穴的移动始终是价带中束缚电子在共价键内的移动，它和已经挣脱共价键而跃迁至导带中的自由电子完全不同；6）在本征半导体中自由电子和空穴总是成对出现的，即其导带电子与价带空穴数总是相等的。目录2．1电力电子器件的特点与分类2．2电力电子器件基础2．3功率二极管2．4晶闸管2．5可关断晶闸管（GTO）2．6电力晶体管2．7功率场效应晶体管2．8绝缘栅双极型晶体管*2．9其它新型电力电子器件2．10电力电子器件的发展趋势2．11电力电子器件应用共性问题小结电力电子技术2．2电力电子器件基础2．2．1PN结原理1．PN结的形成完全纯净的、结构完整的半导体晶体（如硅单晶）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型半导体的杂质元素为五价元素（如磷、锑），则在半导体晶体中形成一个多余的电子，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），而空穴则称为少数载流子（简称少子）。P型半导体中的杂质元素为三价元素，则能在半导体晶体中接受一个电子，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。目录2．1电力电子器件的特点与分类2．2电力电子器件基础2．3功率二极管2．4晶闸管2．5可关断晶闸管（GTO）2．6电力晶体管2．7功率场效应晶体管2．8绝缘栅双极型晶体管*2．9其它新型电力电子器件2．10电力电子器件的发展趋势2．11电力电子器件应用共性问题小结电力电子技术2．2．1PN结原理将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。目录2．1电力电子器件的特点与分类2．2电力电子器件基础2．3功率二极管2．4晶闸管2．5可关断晶闸管（GTO）2．6电力晶体管2．7功率场效应晶体管2．8绝缘栅双极型晶体管*2．9其它新型电力电子器件2．10电力电子器件的发展趋势2．11电力电子器件应用共性问题小结-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场电力电子技术2．2．1PN结原理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。目录2．1电力电子器件的特点与分类2．2电力电子器件基础2．3功率二极管2．4晶闸管2．5可关断晶闸管（GTO）2．6电力晶体管2．7功率场效应晶体管2．8绝缘栅双极型晶体管*2．9其它新型电力电子器件2．10电力电子器件的发展趋势2．11电力电子器件应用共性问题小结-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场电力电子技术2．2．1PN结原理2．偏置下的PN结在PN结上外加电压称为对PN结的偏置，P区加正、N区加负为正偏置，反之为反偏置。当PN结正向偏置时，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结反向偏置时，外加电场与PN结内电场方向相同，内电场被加强，载流子的扩散运动受到抑制，而漂移运动增强，从而形成反向电流，但由于受少数载流子浓度低的限制，因此反向电流一般很小。目录2．1电力电子器件的特点与分类2．2电力电子器件基础2．3功率二极管2．4晶闸管2．5可关断晶闸管（GTO）2．6电力晶体管2．7功率场效应晶体管2．8绝缘栅双极型晶体管*2．9其它新型电力电子器件2．10电力电子器件的发展趋势2．11电力电子器件应用共性问题小结-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场电力电子技术2．2．1PN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结反向偏置为截止的工作状态，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，空间电荷区的电场强度增加，从而产生载流子与晶体原子的碰撞电离，并形成如雪崩一样的倍增效应，从而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，因此一定的反偏电压就能使电场强度足够大，从而能破坏共价键，并将束缚电子分离出来形成电子-空穴对，从而使