1、Copyright 2016.10C常用电力电子器件简介常用电力电子器件简介目录目录二、三极管二、三极管.三、可控硅三、可控硅.一、二极管一、二极管.四、四、IGBT.五、电容器五、电容器.六、电感器六、电感器.一、二极管一、二极管 自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体和绝缘体三大类。半导体的电阻率在体和绝缘体三大类。半导体的电阻率在1mcm1Gcm范范围。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而升高，这围。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而升高，这与金属导体恰好相反。与金属导体恰好相反。各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半
2、导体而引起各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，称为半导体材料的半导体性质。的物理效应和现象，称为半导体材料的半导体性质。半导体的基本知识半导体的基本知识一、二极管一、二极管 半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。化合物半导体和非晶态与液态半导体。工业上应用最多的是硅、锗
3、、碳化硅、砷化镓等。用于工业上应用最多的是硅、锗、碳化硅、砷化镓等。用于制作各种晶体管、整流器、集成电路、太阳能电池等方面。制作各种晶体管、整流器、集成电路、太阳能电池等方面。半导体的基本知识半导体的基本知识一、二极管一、二极管 1、本征半导体、本征半导体 没有杂质和缺陷的半导体单晶，叫做本征半导体。没有杂质和缺陷的半导体单晶，叫做本征半导体。2、本征激发、本征激发 当温度升高时，电子吸收能量摆脱共价键而形成一对电子和当温度升高时，电子吸收能量摆脱共价键而形成一对电子和空穴的过程，称为本征激发。空穴的过程，称为本征激发。半导体的基本知识半导体的基本知识一、二极管一、二极管 杂质半导体杂质半导体
4、 在本征半导体中掺入微量的杂质，在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导体的导电性就会使半导体的导电性能发生显著的变化。因掺入杂质不同，杂质半导体可分为空能发生显著的变化。因掺入杂质不同，杂质半导体可分为空穴（穴（P）型半导体和电子（）型半导体和电子（N）型半导体两大类。）型半导体两大类。半导体的基本知识半导体的基本知识一、二极管一、二极管 1、P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入少量的三价元素杂质就形成在本征半导体中掺入少量的三价元素杂质就形成P型半导体，型半导体，P型半导体的多数载流子是空穴，少数载流子是电子。型半导体的多数载流子是空穴，少数载流子是电子。半导体的基本知识半导体的基本知识
5、一、二极管一、二极管 2、N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入少量的五价元素杂质就形成在本征半导体中掺入少量的五价元素杂质就形成N型半导体。型半导体。N型半导体的多数载流子是电子，少数载流子是空穴。型半导体的多数载流子是电子，少数载流子是空穴。半导体的基本知识半导体的基本知识一、二极管一、二极管 在在P型半导体和型半导体和N型半导体结合后，在它们的交界处就出型半导体结合后，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差，电子和空穴带有相反的电荷，它现了电子和空穴的浓度差，电子和空穴带有相反的电荷，它们在扩散过程中要产生复合（中和），结果使们在扩散过程中要产生复合（中和），结果使P区和区和N区中原区
6、中原来的电中性被破坏。来的电中性被破坏。P区失去空穴留下带负电的离子，区失去空穴留下带负电的离子，N区失区失去电子留下带正电的离子，去电子留下带正电的离子，这些离子因物质结构的关系，它这些离子因物质结构的关系，它们不能移动，因此称为空间电荷，它们集中在们不能移动，因此称为空间电荷，它们集中在P区和区和N区的交区的交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是所谓的界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是所谓的PN结。结。半导体的基本知识半导体的基本知识一、二极管一、二极管 PN结中存在着两种载流子的运动。一种是多子克服电场结中存在着两种载流子的运动。一种是多子克服电场的阻力的扩散运动；另一
7、种是少子在内电场的作用下产生的的阻力的扩散运动；另一种是少子在内电场的作用下产生的漂移运动。因此，只有当扩散运动与漂移运动达到动态平衡漂移运动。因此，只有当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度和内建电场才能相对稳定。时，空间电荷区的宽度和内建电场才能相对稳定。由于两种由于两种运动产生的电流方向相反，因而在无外电场或其他因素激励运动产生的电流方向相反，因而在无外电场或其他因素激励时，时，PN结中无宏观电流。结中无宏观电流。半导体的基本知识半导体的基本知识一、二极管一、二极管 半导体的基本知识半导体的基本知识PN结在外加电压的作用下，平衡将被打破，并显示出其单向导电的特性。结在外加电
8、压的作用下，平衡将被打破，并显示出其单向导电的特性。一、二极管一、二极管 1、外加正向电压、外加正向电压 当当PN结外加正向电压时，外电场与内电场的方向相反，内电结外加正向电压时，外电场与内电场的方向相反，内电场变弱，结果使空间电荷区（场变弱，结果使空间电荷区（PN结）变窄。同时空间电荷区结）变窄。同时空间电荷区中载流子的浓度增加，电阻变小。中载流子的浓度增加，电阻变小。半导体的基本知识半导体的基本知识一、二极管一、二极管 2、外加反向电压、外加反向电压 当当PN结外加反向电压时，外电场与内电场的方向相同，内结外加反向电压时，外电场与内电场的方向相同，内电场变强，结果使空间电荷区（电场变强，结
9、果使空间电荷区（PN结）变宽结）变宽,同时空间电荷同时空间电荷区中载流子的浓度减小，电阻变大。区中载流子的浓度减小，电阻变大。半导体的基本知识半导体的基本知识一、二极管一、二极管 半导体二极管半导体二极管一、二极管一、二极管 一、半导体二极管的结构一、半导体二极管的结构 半导体二极管半导体二极管一、二极管一、二极管 一、二极管一、二极管 一、二极管一、二极管 半导体二极管半导体二极管一、二极管一、二极管 半导体二极管半导体二极管一、二极管一、二极管 半导体二极管半导体二极管一、二极管一、二极管 半导体二极管半导体二极管一、二极管一、二极管 半导体二极管半导体二极管一、二极管一、二极管 半导体二
10、极管半导体二极管一、二极管一、二极管 半导体二极管半导体二极管二、三极管二、三极管 BJT是通过一定的工艺，将两个是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件，结结合在一起的器件，由于由于PN结之间的相互影响，结之间的相互影响，使使BJT表现出不同于单个表现出不同于单个 PN结的结的特性而具有电流放大，从而使特性而具有电流放大，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。结的应用发生了质的飞跃。半导体三极管（半导体三极管（BJT）二、三极管二、三极管 按照频率分，有高频管、低频管；按照频率分，有高频管、低频管；按照功率分，有小、按照功率分，有小、中、大功率管；按照半导体材料分，有硅管、锗管；根据结中、
11、大功率管；按照半导体材料分，有硅管、锗管；根据结构不同，构不同，又可分成又可分成NPN型和型和PNP型等等。但从它们的外形来型等等。但从它们的外形来看，看，BJT都有三个电极。都有三个电极。半导体三极管半导体三极管二、三极管二、三极管 BJT内部载流子的传输过程内部载流子的传输过程BJT工作于放大状态的基本条件：发射结正偏、集电结反偏。工作于放大状态的基本条件：发射结正偏、集电结反偏。半导体三极管半导体三极管有电流放大作用，电压跟随作用，输入电阻很大，输出电阻很小，输出电压与输入电压同相位。在本征半导体中掺入少量的五价元素杂质就形成N型半导体。电子在基区中的扩散与复合半导体的电阻率在1mcm1
12、Gcm范围。1、外加正向电压BJT工作于放大状态的基本条件：发射结正偏、集电结反偏。常用于多级放大电路的输入级、输出级或缓冲级。半导体的电阻率在1mcm1Gcm范围。若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；杂质半导体同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极-发射极之间的耐压，流过IGBT集电极-发射极的电流超过集电极-发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。1、共发射极电路半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列
13、为一类。其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融合了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内。若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。二、三极管二、三极管 电子在基区中的扩散与复合电子在基区中的扩散与复合 由发射区来的电子注入基区后，由发射区来的电子注入基区后，就在基区靠近发射结的边界积累起来，就在基区靠近发射结的边界积累起来，右基区中形成右基区中形成了一定的浓度梯度，靠
14、近发射结附近浓度最高，离发射结越远浓度越小。因此，了一定的浓度梯度，靠近发射结附近浓度最高，离发射结越远浓度越小。因此，电子就要电子就要向集电结的方向扩散，在扩散过程中又会与基区中的空穴复合，同时接在基区的电源向集电结的方向扩散，在扩散过程中又会与基区中的空穴复合，同时接在基区的电源VEE的的正端则不断从基区拉走电子，正端则不断从基区拉走电子，好像不断供给基区空穴。电子复合的数目与电源从基区拉走好像不断供给基区空穴。电子复合的数目与电源从基区拉走的电子数目相等，的电子数目相等，使基区的空穴浓度基本维持不变。这样就形成了基极电流使基区的空穴浓度基本维持不变。这样就形成了基极电流IB，所以基极所以
15、基极电流就是电子在基区与空穴复合的电流。也就是说，电流就是电子在基区与空穴复合的电流。也就是说，注人基区的电子有一部分未到达集电注人基区的电子有一部分未到达集电结，结，如复合越多，如复合越多，则到达集电结的电子越少，则到达集电结的电子越少，对放大是不利的。对放大是不利的。所以为了减小复合，常所以为了减小复合，常把基区做得很薄把基区做得很薄(几微米几微米)，并使基区掺入杂质的浓度很低，因而电子在扩散过程中实际上，并使基区掺入杂质的浓度很低，因而电子在扩散过程中实际上与空穴复合的数量很少，与空穴复合的数量很少，大部分都能到达集电结。大部分都能到达集电结。半导体三极管半导体三极管二、三极管二、三极管
16、 集电区收集电子集电区收集电子 集电结外加反向电压，其集电结的内电场集电结外加反向电压，其集电结的内电场非常强，且电场方向从非常强，且电场方向从C区指向区指向B区。使集电区。使集电区的电子和基区的空穴很难通过集电结，但区的电子和基区的空穴很难通过集电结，但对基区扩散到集电结边缘的电子却有很强的对基区扩散到集电结边缘的电子却有很强的吸引力，吸引力，使电子很快地漂移过集电结为集电使电子很快地漂移过集电结为集电区所收集，形成集电极电流区所收集，形成集电极电流IC。与此同时，与此同时，集电区的空穴也会在该电场的作用下，漂移集电区的空穴也会在该电场的作用下，漂移到基区，到基区，形成很小的反向饱和电流形成
17、很小的反向饱和电流ICB0。半导体三极管半导体三极管二、三极管二、三极管 1、共发射极电路共发射极电路 有电压电流放大作用，输入电阻适中，有电压电流放大作用，输入电阻适中，输出电阻适中，输出电压与输入电压相输出电阻适中，输出电压与输入电压相位相反。高频性能差，适用于低频、和位相反。高频性能差，适用于低频、和多级放大电路的中间级。多级放大电路的中间级。半导体三极管半导体三极管二、三极管二、三极管 2、共集电极电路共集电极电路 有电流放大作用，电压跟随作用，输有电流放大作用，电压跟随作用，输入电阻很大，输出电阻很小，输出电压入电阻很大，输出电阻很小，输出电压与输入电压同相位。常用于多级放大电与输入
18、电压同相位。常用于多级放大电路的输入级、输出级或缓冲级。路的输入级、输出级或缓冲级。半导体三极管半导体三极管二、三极管二、三极管 3、共基极电路共基极电路 有电压放大作用，电流跟随作用，输有电压放大作用，电流跟随作用，输入电阻很小，输出电阻适中，输出电压入电阻很小，输出电阻适中，输出电压与输入电压同相位。高频特性较好，常与输入电压同相位。高频特性较好，常用于高频或宽频带电路。用于高频或宽频带电路。半导体三极管半导体三极管二、三极管二、三极管 半导体三极管半导体三极管三、可控硅三、可控硅 可控硅，是可控硅整流元件的简称，是一种可控硅，是可控硅整流元件的简称，是一种具有三个具有三个PN结的四层结构
19、的大功率半导体器件，结的四层结构的大功率半导体器件，亦称为晶闸管。不管可控硅的外形如何，它们亦称为晶闸管。不管可控硅的外形如何，它们的管芯都是由的管芯都是由P型硅和型硅和N型硅组成的四层型硅组成的四层P1N1P2N2结构结构.见图见图1.它有三个它有三个PN结（结（J1、J2、J3），从），从J1结构的结构的P1层引出阳极层引出阳极A，从，从N2层引出层引出阴级阴级K，从，从P2层引出控制极层引出控制极G，所以它是一种四，所以它是一种四层三端的半导体器件层三端的半导体器件.可控硅元件的结构可控硅元件的结构三、可控硅三、可控硅可控硅的外观和等效电路可控硅的外观和等效电路三、可控硅三、可控硅可控硅
20、元件的触发可控硅元件的触发四、四、IGBT IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝，绝缘栅双极型晶体管，是由缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管双极型三极管)和和MOS(绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件驱动式功率半导体器件,兼有兼有MOSFET的高输入的高输入阻抗和阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。的低导通压降两方面的优点。IGBT模块是由模块是由IGBT（绝缘栅双极型晶体管芯（绝缘栅双极型晶体管芯片）与片）与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电（续流二极管芯片）通过特定的电路桥
21、接封装而成的模块化半导体产品路桥接封装而成的模块化半导体产品IGBT的结构的结构三、可控硅三、可控硅 其输入极为其输入极为MOSFET，输出极为，输出极为PNP晶体管，晶体管，它融合了这两种器件的优点，既具有它融合了这两种器件的优点，既具有MOSFET器器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工与功率晶体管之间，可正常工作于几十作于几十kHz频率范围内。频率范围内。IGBT的特点的特点三、可控硅三、可控硅 若在若在IGBT
22、的栅极和发射极之间加上驱动正电的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则压，则MOSFET导通，这样导通，这样PNP晶体管的集电极晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为的栅极和发射极之间电压为0V，则，则MOSFET截止，切断截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。体管截止。IGBT的工作原理的工作原理三、可控硅三、可控硅 IGBT就是一个开关，非通即断，如何控制他就是一个开关，非通即断，如何控制他的通还是断，就是靠的是栅源极的电压，当栅的通还是断，就是靠的是栅源极的电压
23、，当栅源极加源极加+12V（大于（大于6V，一般取，一般取12V到到15V）时）时IGBT导通，栅源极不加电压或者是加负压时，导通，栅源极不加电压或者是加负压时，IGBT关断，加负压就是为了可靠关断。关断，加负压就是为了可靠关断。IGBT的工作原理的工作原理三、可控硅三、可控硅 IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：的安全可靠与否主要由以下因素决定：-IGBT栅极与发射极之间的电压；栅极与发射极之间的电压；-IGBT集电极与发射极之间的电压；集电极与发射极之间的电压；-流过流过IGBT集电极集电极-发射极的电流；发射极的电流；-IGBT的结温。的结温。如果如果IGBT栅极与发射极之间的电压
24、，即驱动电压过低，则栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极能稳定正常地工作，如果过高超过栅极-发射极之间的耐压则发射极之间的耐压则IGBT可能可能永久性损坏；同样，如果加在永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电集电极与发射极允许的电压超过集电极极-发射极之间的耐压，流过发射极之间的耐压，流过IGBT集电极集电极-发射极的电流超过集电极发射极的电流超过集电极-发射发射极允许的最大电流，极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永都可能会永久性损坏。久性损坏。IGBT的注意事项的注意事项
