电力电子器件介绍

1.1半导体基础知识导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。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。半导体：另有一类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。8:36:571.1.1本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。一、半导体导电特性处于导体（低价元素构成）和绝缘体（高价元素构成）之间，称为半导体，如锗、硅等，均为四价元素。8:36:57共价键价电子共有化，形成共价键的晶格结构8:36:571.1.1本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。一、半导体二、本征半导体的导电情况金属导电是由于其内部有自由电子存在(载流子),在外电场的作用下,自由电子定向移动,形成电流.8:36:57半导体中有两种载流子:自由电子和空穴自由电子空穴8:36:57在外电场作用下，电子的定向移动形成电流++++++++--------8:36:57在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流++++++++--------8:36:571.本征半导体中载流子为电子和空穴;2.电子和空穴成对出现,浓度相等;3.由于热激发可产生电子和空穴,因此半导体的导电性和温度有关,对温度很敏感。8:36:571.1.2杂质半导体一、N型半导体在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。电子----多子;空穴----少子.converteam作者：周宇8:36:571.1.2杂质半导体二、P型半导体在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半导体。空穴----多子;电子----少子.注意杂质半导体中，多子的浓度决定于掺杂原子的浓度；少子的浓度决定于温度。converteam作者：周宇8:36:571.1.3PN结采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成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8:36:57一、PN结的形成在交界面，由于两种载流子的浓度差，出现扩散运动。converteam作者：周宇8:36:57一、PN结的形成在交界面，由于扩散运动,经过复合,出现空间电荷区空间电荷区耗尽层converteam作者：周宇8:36:57一、PN结的形成当扩散电流等于漂移电流时，达到动态平衡，形成PN结。PN结converteam作者：周宇8:36:571.由于扩散运动形成空间电荷区和内电场;2.内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移;3.当扩散电流等于漂移电流时，达到动态平衡，形成PN结。converteam作者：周宇8:36:57二、PN结的单向导电性1.PN结外加正向电压时处于导通状态加正向电压是指P端加正电压，N端加负电压，也称正向接法或正向偏置。converteam作者：周宇8:36:57内电场外电场外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变窄，形成较大的扩散电流。converteam作者：周宇8:36:572.PN结外加反向电压时处于截止状态外电场和内电场的共同作用，使耗尽层变宽，形成很小的漂移电流。converteam作者：周宇8:36:57三、PN结的伏安特性正向特性反向特性反向击穿PN结的电流方程为)1(TUuSeIi其中，IS为反向饱和电流，UT≈26mV，converteam作者：周宇8:36:571.2半导体二极管converteam作者：周宇8:36:571.2半导体二极管将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管。由P区引出的电极为阳极（A），由N区引出的电极为阴极（K）。二极管的符号：PN阳极阴极converteam作者：周宇8:36:57converteam作者：周宇功率二极管的工作原理•由于PN结具有单向导电性，所以二极管是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。8:36:57converteam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门坎电压Uth(又称死区电压)，当外加电压小于门坎电压时，正向电流几乎为零。硅二极管的门坎电压约为0.5V，当外加电压大于Uth后，电流会迅速上升。当外加反向电压时，二极管的反向电流IS是很小的，但是当外加反向电压超过二极管反向击穿电压URO后二极管被电击穿，反向电流迅速增加。8:36:57伏安特性UI导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。converteam作者：周宇8:36:57环境温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线下移。在室温附近,温度每升高1°C,正向压降减小2~2.5mV;温度每升高10°C，反向电流约增大1倍。二极管的特性对温度很敏感。converteam作者：周宇8:36:57稳压二极管及应用1.稳压管的工作原理稳压管的符号converteam作者：周宇8:36:572.稳压管的主要参数①稳定电压UZUZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。②稳压电流IZ③额定功耗PZMIZ是稳压二极管正常工作时的参考电流。工作电流小于此值时，稳压二极管将失去稳压作用。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8:36:573.稳压管的稳压条件稳压管正向工作时和二极管的特性完全相同。必须工作在反向击穿状态；流过稳压管的电流在IZ和IZM之间。注意！converteam作者：周宇8:36:57特殊二极管1.光电二极管是一种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，只是管壳上留有一个能入射光线的窗口。converteam作者：周宇8:36:572.发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件。它由一个PN结构成,当发光二极管正偏时，注入到N区和P区的载流子被复合时，会发出可见光和不可见光。converteam作者：周宇8:36:57§1.3双极型晶体管converteam作者：周宇8:36:57§1.3双极型晶体管一、晶体管的结构和类型NPN型基区发射区集电区发射结集电结发射极基极集电极bec发射极箭头的方向为电流的方向converteam作者：周宇8:36:57bPNP集电极基极发射极cePNP型converteam作者：周宇8:36:57converteam作者：周宇•双极型功率晶体管BJT的容量水平已达1.8kV／lkA，频率为20kHz。8:36:57converteam作者：周宇•双极型功率晶体管的工作原理•以NPN型双极型功率晶体管为例，若外电路电源使UBC0,则集电结的PN结处于反偏状态；UBE0,则发射结的PN结处于正偏状态。此时晶体管内部的电流分布为：•(1)由于UBC0,集电结处于反偏状态，形成反向饱和电流ICBO从N区流向P区。•(2)由于UBE0,发射结处于正偏状态，P区的多数载流子空穴不断地向N区扩散形成空穴电流IPE,N区的多数载流子电子不断地向P区扩散形成电子电流INE。8:36:57converteam作者：周宇•单个BJT电流增益较低，驱动时需要较大的驱动电流，由于单级高压晶体管的电流增益仅为10左右，为了提高电流增益，常采用达林顿结构，如每级有10倍的增益，则3级达林顿结构的电流增益可达1000左右。8:36:57converteam作者：周宇BJT的开关特性•在开关工作方式下，用一定的正向基极电流IB1去驱动BJT导通，而用另一反向基极电流IB2迫使BJT关断，由于BJT不是理想开关，故在开关过程中总存在着一定的延时和存储时间。8:36:57converteam作者：周宇•BJT的开关响应特性8:36:57二、晶体管的电流放大作用放大是对模拟信号最基本的处理。晶体管是放大电路的核心元件，它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真的放大输出，放大的对象是变化量。晶体管工作在放大状态的外部条件是发射结正向偏置且集电结反向偏置。晶体管的放大作用表现为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8:36:571.发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流IE2.扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流IB3.集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流ICIBICIE晶体管内部载流子的运动converteam作者：周宇8:36:57BCEIII晶体管的电流分配关系IBICIEBCII共射直流电流放大系数1)1(BEBCIIIIconverteam作者：周宇8:36:57BCEIII晶体管的电流分配关系BCII共射直流电流放大系数1)1(BEBCIIIIBCiiΔΔ共射交流电流放大系数通常认为：converteam作者：周宇8:36:57晶体管的电流分配关系IBICIEIBICIEconverteam作者：周宇8:36:57三、晶体管的共射特性曲线UCEIC+-UBEIB+-实验线路mAAVVRBECEBRCconverteam作者：周宇8:36:571.输入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V。死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。converteam作者：周宇8:36:572.输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。IC只与IB有关，IC=IB。converteam作者：周宇8:36:57IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。2.输出特性converteam作者：周宇8:36:57IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE死区电压，称为截止区。2.输出特性converteam作者：周宇8:36:57输出特性三个区域的特点:(1)放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且IC=IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE，IBIC，UCE0.3V(3)截止区：UBE死区电压，IB=0，IC=ICEO0converteam作者：周宇8:36:57iCiBRBRCVCCvOvi++--三极管工作状态判断方法：①当vBE＜0.7V时，截止≥0.7V时，放大或饱和converteam作者：周宇8:36:57converteam作者：周宇1.4晶闸管•晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅SCR,普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。目前，晶闸管的容量水平已达8kV／6kA。8:36:57converteam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•晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。常见晶闸管的外形有两种：螺栓型和平板型。8:36:57converteam作者：周宇•晶闸管的结构和等效电路如图1-4所示，晶闸管的管芯是P1N1P2N2四层半导体，形成3个PN结J1、J2和J3。8:36:57converteam作者：周宇2.晶闸管的工作原理•IG↑→Ib2↑→IC2(Ib1)↑→IC1↑RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)8:36:57converteam作者：周宇(1)欲使晶闸管导通需具备两个条件：①应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。②应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。(2)晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。(