1、电力电子器件介绍电力电子器件介绍1.1.1 1.1.1 本征半导体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、半导体一、半导体 导电特性处于导体（低价元素构成）和绝导电特性处于导体（低价元素构成）和绝缘体（高价元素构成）之间，称为缘体（高价元素构成）之间，称为半导体半导体，如，如锗、硅等，均为四价元素。锗、硅等，均为四价元素。共价键共价键价电子共有化，形成共价键的晶格结构价电子共有化，形成共价键的晶格结构1.1.1 1.1.1 本征半导体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、半导体一、半导体二、本征半导体的导电情况二、本征半导体的导电情况金属导电是由于其内部有自由
2、电子存在金属导电是由于其内部有自由电子存在( (载流子载流子),),在外电场的作用下在外电场的作用下, ,自由电子定向移动自由电子定向移动, ,形成电流形成电流. .半导体中有两种载流子半导体中有两种载流子: :自由电子和空穴自由电子和空穴自由电子自由电子空穴空穴在外电场作用下，电子的定向移动形成电流在外电场作用下，电子的定向移动形成电流+ + + + + + + + +- - - - - - - - -在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流+ + + + + + + + +- - - - - - - - -1.1.本征半导体中载流子为电子和空穴本征半导体
3、中载流子为电子和空穴; ;2.2.电子和空穴成对出现电子和空穴成对出现, ,浓度相等浓度相等; ;3.3.由于热激发可产生电子和空穴由于热激发可产生电子和空穴, ,因此半导因此半导体的导电性和温度有关体的导电性和温度有关, ,对温度很敏感。对温度很敏感。1.1.2 杂质半导体杂质半导体一、一、N型半导体型半导体 在纯净的硅晶体在纯净的硅晶体中掺入五价元素中掺入五价元素（如磷），使之取（如磷），使之取代晶格中硅原子的代晶格中硅原子的位置，就形成了位置，就形成了N N型半导体。型半导体。电子电子-多子多子; ;空穴空穴-少子少子. .converteam 作者：周宇1.1.2 杂质半导体杂质半导体
4、二、二、P型半导体型半导体 在纯净的硅晶体在纯净的硅晶体中掺入三价元素中掺入三价元素（如硼），使之取（如硼），使之取代晶格中硅原子的代晶格中硅原子的位置，就形成了位置，就形成了P P型半导体。型半导体。空穴空穴-多子多子; ;电子电子-少子少子. .注意注意杂质半导体中，多子的浓度决定于掺杂原子的浓度；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。少子的浓度决定于温度。converteam 作者：周宇1.1.3 PN结结采用不同的掺杂工艺，将采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与型半导体与N型半导体制作型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成在同一块硅片上，在它们的交
5、界面就形成PN结。结。PN结结具有单向导电性具有单向导电性。一、一、PN结的形成结的形成P区区N区区converteam 作者：周宇一、一、PN结的形成结的形成在交界面，由于两种载流子的浓度差，出在交界面，由于两种载流子的浓度差，出现扩散运动。现扩散运动。converteam 作者：周宇一、一、PN结的形成结的形成在交界面，由于扩散运动在交界面，由于扩散运动, ,经过复合经过复合, ,出现空出现空间电荷区间电荷区 空间电荷区空间电荷区耗尽层耗尽层converteam 作者：周宇一、一、PN结的形成结的形成当扩散电流等于漂移电流时，达到动态当扩散电流等于漂移电流时，达到动态平衡，形成平衡，形成P
6、NPN结。结。PN结结converteam 作者：周宇1.1.由于扩散运动形成空间电荷区和内电场由于扩散运动形成空间电荷区和内电场; ;2.2.内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移; ;3.3.当扩散电流等于漂移电流时，达到动态当扩散电流等于漂移电流时，达到动态平衡，形成平衡，形成PNPN结。结。converteam 作者：周宇二、二、PN结的单向导电性结的单向导电性 1. PN结外加正向电压时处于导通状态结外加正向电压时处于导通状态加正向电压是指加正向电压是指P端加正电压，端加正电压，N端加负电压，端加负电压，也称正向接法或正向偏置。也称正向接法或正向偏置。c
7、onverteam 作者：周宇 内电场内电场外电场外电场外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变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。窄，形成较大的扩散电流。converteam 作者：周宇2. PN结外加反向电压时处于截止状态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。宽，形成很小的漂移电流。converteam 作者：周宇三、三、PN结的伏安特性结的伏安特性 正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿反向击穿PN结的电流方程为结的电流方程为其中，其中， IS 为反向饱和电流，为反向饱和电流， UT2
8、6mV，converteam 作者：周宇1.2 半导体二极管半导体二极管converteam 作者：周宇1.2 半导体二极管半导体二极管 将将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管。由半导体二极管。由P区引出的电极为阳极（区引出的电极为阳极（A） ，由，由N区区引出的电极为阴极（引出的电极为阴极（ K ）。）。二极管的符号：二极管的符号：PN阳极阴极 converteam 作者：周宇converteam 作者：周宇 功率二极管的工作原理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
9、件。converteam 作者：周宇1. 功率二极管的特性功率二极管的特性(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。 伏安特性伏安特性UI导通压降导通压降: : 硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿反向击穿电压电压UBR死区电压死区电压 硅管硅管0.6V,锗管
10、锗管0.2V。converteam 作者：周宇 环境温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，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。在室温附近反向特性曲线下移。在室温附近,温度每升高温度每升高1C,正向正向压降减小压降减小22.5mV;温度每升高温度每升高10C，反向电流约增大，反向电流约增大1倍。二极管的特性对温度很敏感。倍。二极管的特性对温度很敏感。converteam 作者：周宇稳压二极管及应用稳压二极管及应用1. 稳压管的工作原理稳压管的工作原理稳压管的符号稳压管的符号converteam 作者：周宇2. 稳压管的主要参数稳压管的主要参数稳定电压稳定电压UZUZ是
11、指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。稳压电流稳压电流IZ额定功耗额定功耗PZM IZ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3. 稳压管的稳压条件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。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；必须工作在反向击穿状态；流过稳压管的电流在流过稳压管的电流在IZ和和IZM之间之间 。注意！注意！converteam 作者：周宇特殊二极管特殊二极管1. 光电二极管是一种将光能转
12、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2. 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1.3 双极型晶体管双极型晶体管converteam 作者：周宇1.3 双极型晶体管双极型晶体管 一、晶体管的结构和类型一、晶体管的结构和类型NPN型型基区发射区集电区发射结集电结发射极基极集电极bec发射极箭头的方向发射极箭头的方向为电流的方向为电流的方向converteam 作者：周宇bPNP集电极
13、集电极基极基极发射极发射极cePNP型型converteam 作者：周宇converteam 作者：周宇 双极型功率晶体管BJT的容量水平已达1.8kVlkA，频率为20kHz。converteam 作者：周宇 双极型功率晶体管的工作原理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,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。converteam 作者：周宇 单个BJT电流增益较低，驱动时
14、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。converteam 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。converteam 作者：周宇 BJT的开关响应特性二、二、 晶体管的电流放大作用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，
15、它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失心元件，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。真的放大输出，放大的对象是变化量。 晶体管工作在放大状晶体管工作在放大状态的外部条件是发射结正态的外部条件是发射结正向偏置且集电结反向偏置。向偏置且集电结反向偏置。晶体管的放大作用表现为晶体管的放大作用表现为小的基极电流可以控制大小的基极电流可以控制大的集电极电流。的集电极电流。共射放大电路共射放大电路converteam 作者：周宇1. 发射结加正向电压，扩散运发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流动形成发射极电流IE2. 扩散到基区的自由电子与扩散到基区的
16、自由电子与空穴的复合运动形成基极电空穴的复合运动形成基极电流流IB3.集电结加反向电压，漂集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流移运动形成集电极电流ICIBICIE晶体管内部载流子的运动晶体管内部载流子的运动converteam 作者：周宇晶体管的电流分配关系晶体管的电流分配关系IBICIE共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数converteam 作者：周宇晶体管的电流分配关系晶体管的电流分配关系共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数共射交流电流放大系数共射交流电流放大系数通常认为：通常认为：converteam 作者：周宇晶体管的电流分配关系晶体管的电流分配关系IBICIEIBICI
17、Econverteam 作者：周宇三、晶体管的共射特性曲线三、晶体管的共射特性曲线UCEIC+-UBEIB+- 实验线路实验线路mA AVVRBECEBRCconverteam 作者：周宇1. 输入特性输入特性IB( A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：工作压降： 硅管硅管UBE 0.60.7V,锗管锗管UBE 0.20.3V。 死区电死区电压，硅管压，硅管0.5V，锗，锗管管0.2V。converteam 作者：周宇2. 2. 输出特性输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域满此区域满足足IC= IB称为线
18、性称为线性区（放大区（放大区）。区）。IC只与只与IB有关，有关，IC= IB。converteam 作者：周宇IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中UCE UBE,集电结正偏，集电结正偏， IBIC，UCE 0.3V称为饱和区。称为饱和区。2. 2. 输出特性输出特性converteam 作者：周宇IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE 0.3V (3) 截止区：截止区： UBE0时时UGS排斥空排斥
19、空穴，形成耗穴，形成耗尽层。尽层。PNNGSDUDSUGSUGS0时时UGS足够大时足够大时（UGSVGS(th)），），出现以电子导电出现以电子导电为主的为主的N型导电型导电沟道。沟道。吸引电子吸引电子VGS(th)称为开启电压称为开启电压PNNGSDUDSUGS当当UDS不太大不太大时，导电沟时，导电沟道在两个道在两个N区区间是均匀的。间是均匀的。当当UDS较大较大时，靠近时，靠近D区的导电沟区的导电沟道变窄。道变窄。PNNGSDUDSUGS夹断后，即使夹断后，即使UDS 继续增加，继续增加，ID仍呈恒流特仍呈恒流特性性。IDUDS增加，增加，UGD= VGS(th)时，靠近时，靠近D端的
20、沟道被端的沟道被夹断，称为预夹断。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功率场效应晶体管的工作原理 当栅源极电压UGS0时，漏极下的P型区表面不出现反型层，无法沟通漏源。此时即使在漏源之间施加电压也不会形成P区内载流子的移动，即VMOS管保持关断状态。 当栅源极电压UGS0且不够充分时，栅极下面的P型区表面呈现耗尽状态，还是无法沟通漏源，此时VMOS管仍保持关断状态。 当栅源极电压UGS或超过强反型条件时，栅极下面的硅的表面从P型反型成N型，形成N型表面层并把源区和漏区联系起来,从而把漏源沟通，使VMOS管进入导通状态。输出特性曲线输出特性曲线ID
21、U DS0UGS0可变电阻区可变电阻区夹断区夹断区恒流区恒流区DSBGN 沟道增强沟道增强型场效应管型场效应管NPN 型型三极管三极管ecbG- bD- cS- e与与 NPN 三极管相似，三极管相似， NMOS管为电压控制管为电压控制器件，当器件，当 vGSVGS(th) N,MOS 管导通（正电压管导通（正电压控制）。控制）。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年代中期问世的一种新型复合电力电子器件，由于它兼有MOSFET的快速响应、高输入阻抗和BJT的低通态压降、高电流密度的特性，这几年发展十分迅速。目前，IGBT的容量水平达(12001600A)/(18003330V),工作频率达40kHz以上。converteam 作者：周宇1.6.1 结构和工作原理1. 绝缘栅双极型晶体管的结构绝缘栅双极型晶体管的结构 IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区BJT。从图中我们还可以看到在集电极和发射极之间存在着一个寄生晶闸管，寄生晶闸管有擎住作用。采用空穴旁路结构并使发射区宽度微细化后可基本上克服寄生晶闸管的擎住作用。IGBT的低掺杂N漂移区较宽，因此可以阻断很高的反向电压。converteam 作者：周宇 IGBT的结构、符号及等效电路
