电力电子技术第二章.ppt

电 力 电 子 技 术,第2章 电力电子器件及应用,1,2,3,4,5,晶闸管（SCR）,可关断晶闸管（GTO）,电力晶体管（GTR）,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(MOSFET),7,绝缘栅双极型晶体管(IGBT),8,9,10,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,电力电子器件（Power Electronic Device）可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。,主电路（Main Power Circuit）电力电子 设备或系统中，直接完成电能变换或控制的电路。,2.1.1 电力电子器件的特点,2.1.1 电力电子器件的特点,广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。自20世纪50年代以来，真空管（Vacuum Valve）仅在频率很高（如微波，数GHz）的大功率高频电源中还在使用，而在大多数电能变换领域，电力半导体器件已取代了汞弧整流器、闸流管等电真空器件，成为绝对的主流器件。因此，通常所说的电力电子器件也往往专指电力半导体器件。电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅(也可以是锗、硒、金刚石等单元素材料，或者是砷化镓、碳化硅等化合物材料）。,2.1.1 电力电子器件的特点,同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：1）具有较大的耗散功率,处理功率较大，具有较高的导通电流和阻断电压,器件自身的非理想性（导通电阻、阻断漏电流等）,一般都需要安装散热器,2.1.1 电力电子器件的特点,2.1.1 电力电子器件的特点,电力电子器件一般都工作在开关状态导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定电力电子器件的动态特性（开关特性）和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，特别是在高性能的电力电子系统设计时，甚至上升为最为关键的重要问题。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替有时将其称之为电力电子开关或电力半导体开关。,2.1.1 电力电子器件的特点,电力电子器件一般需要专门的驱动电路来控制在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行适当功率放大，这就是电力电子器件的驱动电路(Driving Circuit）,2.1.1 电力电子器件的特点,4）电力电子器件工作时常需配置缓冲和保护电路,电力电子器件的过压、过流能力较弱,开关过程中电压、电流会发生急剧变化,保护电路用于防止电压和电流超过器件极限值,2.1.1 电力电子器件的特点,为了增强可靠性通常需要缓冲电路抑制电压电流变化率,电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。,控,制,电,路,在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行,电气隔离,控制电路,电力电子器件有三个端子组成,2.1.1 电力电子器件的特点,2.1.2 电力电子器件的分类,1）不可控器件(Uncontrolled Device2）半控型器件(Semi-controlled Device)3）全控型器件(Full-controlled Device),2.1.2 电力电子器件的分类,1、按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：,1）不可控器件(Uncontrolled Device)不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路。电力二极管（Power Diode）电力二极管只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的,2.1.2 电力电子器件的分类,2）半控型器件(Semi-controlled Device)通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断，器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件,2.1.2 电力电子器件的分类,3）全控型器件(Full-controlled Device)通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件：绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称为电力MOSFET）门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）GTR(大功率晶体管）、SIT(静电感应晶体管）、SITH（静电感应晶闸管）、IGCT（集成门极换向晶体管）等,2.1.2 电力电子器件的分类,电力电子器件件,可控器件,非可控器件,整流二极管,自关断器件,非自关断器件,普通晶闸管(SCR),快速晶闸管(FST),双向晶闸管(TRIAC),逆导晶闸管(RCT),光控晶闸管(LTT),晶体管,晶闸管,双极型电力晶体管(GTR),电力场效应晶体管(PMOSFET),绝缘栅双极电力晶体管(IGBT),静电感应型晶体管(SIT),门极可关断晶闸管(GTO),场控晶闸管(MCT),静电感应型晶闸管(SITH),电力电子器件分类树1,2.1.2 电力电子器件的分类,2、按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：电流驱动型(Current Driving Type)通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。如GTO、GTR电压驱动型(Voltage Driving Type)仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。又称为场控器件，或场效应器件。如MOSFET,2.1.2 电力电子器件的分类,3、按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：单极型器件(Unipolar Device)：由一种载流子参与导电的器件（MOSFET,SIT,肖特基二极管）双极型器件(Bipolar Device)：由电子和空穴两种载流子参与导电的器件（GTR,GTO,SITH，SR）复合型器件(Complex Device)：由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件（IGBT,MCT,IGCT）,2.1.2 电力电子器件的分类,电力电子器件分类树2,2.1.2 电力电子器件的分类,2.2.1 PN结原理,半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。其导电能力受到外部条件（如光、热等）影响。半导体是否纯净也会影响其导电能力。本征（instinct）半导体：是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在绝对零度时，其价带满带（充满电子），而其导带则无电子。,22 电力电子器件基础,温度,光照,自由电子,空穴,本征激发,空穴共价键中的空位,空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。,由热激发或光照而使电子脱离共价键，从而产生自由电子，同时在共价键中形成空穴，由此产生自由电子和空穴对（载流子）。,温度 载流子浓度,2.2.1 PN结原理,载流子：（源于金属导体），电流是电子在导体中的定向流动，而在金属导体中能够运载电流的只有其中的自由电子，他们是金属原子结合成固体时释放出来的供全体原子共有的最外层电子，即价电子，为了区别于被束缚的内层电子，人们将其称之为载流子。,2.2.1 PN结原理,几个重要概念：原子最外层的电子称为价电子；,目录21 电力电子器件的特点与分类22 电力电子器件基础 23 功率二极管 24 晶闸管 25 可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管 27 功率场效应晶体管28 绝缘栅双极型晶体管*29 其它新型电力电子器件210 电力电子器件的发展趋势211 电力电子器件应用共性问题小结,2.2.1 PN结原理,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；,绝缘体的禁带很宽，半导体的禁带较窄，导体没有禁带；,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；,几个重要概念：,目录21 电力电子器件的特点与分类22 电力电子器件基础 23 功率二极管 24 晶闸管 25 可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管 27 功率场效应晶体管28 绝缘栅双极型晶体管*29 其它新型电力电子器件210 电力电子器件的发展趋势211 电力电子器件应用共性问题小结,2.2.1 PN结原理,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；,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；,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。,N型半导体（电子型半导体：多数载流子-电子；少数载流子-空穴）,在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑),多余电子，成为自由电子,自由电子（多数载流子）,杂质半导体：在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。,2.2.1 PN结原理,施主杂质,P型半导体（空穴型半导体：多数载流子-空穴；少数载流子-电子）（空穴型半导体）,在本征半导体中掺入三价的元素（硼）,空穴(多数载流子）,受主杂质,2.2.1 PN结原理,PN结：是指半导体的P型导电区和N型导电区的结合部。,N型半导体和P型半导体结合后，交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子。,2.2.1 PN结原理,界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子，称为空间电荷。,空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。扩散运动和漂移运动既相互联系又是矛盾的，最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围空间电荷区,接触电位差,2.2.1 PN结原理,空间电荷区按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区（Barrier）。,正向偏置,1)在正向偏置外电场作用下,P区和N区多子的扩散运动得以加强，而少子的飘移运动则得以抑制。,2)P区和N区多子穿过耗尽层，到达对方，并成为了对方少子的一部分，这一过程称为少子注入，这是正向偏置传导电流的根本方式。,2.2.1 PN结原理,正向偏置,3）P区和N区的注入少子将产生积累和复合，这是维持正向导通的根本原因。,2.2.1 PN结原理,4）少子的积累和复合，在空间电荷区附件会出现的少子浓度差，这会影响其反偏时的开关特性。,正向偏置,5）随着正向偏置电压的增加，内电场将逐渐消弱直至消失（此时对应的阳极和阴极间的电压成为门槛电压），,2.2.1 PN结原理,6）当正向偏置电压超过门槛电压后，PN结导通电流迅速增大，进而完成PN结的正向导通。,正向偏置,6）起初PN结流过的正向电流较小时，N-区（为增加耐压）欧姆电阻较大，随着电流的增大，P区向N-区注入的空穴增多，为了维持半导体的电中性其多子（电子）浓度也将相应增大，使其电阻率明显下降，这就是电导调制效应正向导电时导通压降基本不变。,2.2.1 PN结原理,7）PN结正偏时少数载流子会在空间电荷区的两侧积累，从而影响了其开关特性。,反向偏置,1）在反向偏置外电场作用下，P区和N区少子的飘移运动得以加强，而多子的扩散运动则得以抑制。,2.2.1 PN结原理,2)反向偏置使空间电荷区电场增强，即N区边界的空穴将被空间电荷的强电场移向P区，类似的情况也发生在P区边界，这就是PN结反偏时的少子抽取过程，这一过程是影响其开关快速性的重要因素。,反向偏置,3）边界载流子被抽走之后，中性区内少子由于反向外电场的作用而流向边界，从而形成了反向电流。,2.2.1 PN结原理,4）这种形成反向漏电流的方式为少子抽取，不同于正偏时的少子注入，因本征半导体的少子密度有限，使得反向漏电流大小不取决于反偏电压，而取决于少子来源的丰富程度。,5）在很大的电压范围内，稳态时反向漏电流的大小不随电压变化，因此通常将其称之为反向饱和电流。,反向偏置,6）随着反偏电压的增大，会出现穿通和击穿现象，从而造成反向电流急剧上升。,穿通：空间电荷区随着反偏电压的升高而展开，直到与电极接通，从而直接从电极抽取载流子，于是反向电流急剧增大，形成短路现象。,击穿：雪崩击穿、齐纳击穿、热击穿。,2.2.1 PN结原理,反向偏置的击穿,雪崩击穿：随着外加反向偏压的增加，空间电荷区的场强增强，边界飘移进入空间电荷区的载流子受电场加速而获得很高的动能，高能量载流子在空间电荷区与点阵原子碰撞使之产生碰撞电离，并形成新的高能载流子，进而产生一增二、二增四的倍增效应，反向电流如同雪崩一样迅速增大。,2.2.1 PN结原理,反向偏置的击穿,2.2.1 PN结原理,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，从而使反向电流急剧增加，该现象称为齐纳击穿。,反向偏置的击穿,2.2.1 PN结原理,热击穿：上述雪崩击穿、齐纳击穿的击穿过程都是可逆的，若此时外电路能采取措施限制反向电流，当反向电压降低后PN结仍可恢复原来状态。否则反向电压和反向电流乘积过大，会超过PN结容许的耗散功率，导致热量无法散发，PN结温度上升直至过热而烧毁。这种现象称为热击穿，必须尽可能避免热击穿。,结电容（影响动态特性）,PN结的电荷量随外加电压的变化而变化，呈现电容效应，称为结电容。,因空间电荷区宽度的变化而呈现的电荷效应称之为势垒电容（CB）。,2.2.1 PN结原理,结电容,因载流子的扩散、积累而形成的电容效应称之为扩散电容（CD）。,2.2.1 PN结原理,结电容,结电容（CJ）又称微分电容，包括：势垒电容（CB）和扩散电容（CD）。,势垒电容（CB）只在外加电压变化时才起作用，且外加电压频率越高，势垒电容越明显。其大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。,扩散电容（CD）仅在正偏时才起作用。,正偏时，电压较低时势垒电容为主，电压较高时扩散容为主。,2.2.1 PN结原理,结电容（势垒电容CB，扩散电容CD）。,PN结正向偏置时，结电阻非常小，结电容CJ主要是扩散电容CD，尽管结电容较大，但对其通态特性的影响相对较小。,PN结反向偏置时，二极管处于截止状态，结电容主要是势垒电容CB，尽管结电容较小，但对其断态特性影响不可忽视,高频工作时，结电容将对其工作产生较大影响。,2.2.1 PN结原理,222电力电子器件的封装,下图是电力电子器件几种常见的封装形式,以TO-220为例：TO代表直插件，220代表封装定型号,目录21 电力电子器件的特点与分类22 电力电子器件基础 23 功率二极管 24 晶闸管 25 可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管 27 功率场效应晶体管28 绝缘栅双极型晶体管*29 其它新型电力电子器件210 电力电子器件的发展趋势211 电力电子器件应用共性问题小结,23 功率二极管,二极管的基本结构是半导体PN结，具有单向导电性，正向偏置时表现为低阻态，形成正向电流，称为正向导通；而反向偏置时表现为高阻态，稳态时几乎没有电流，只有很小的反向漏电流，称为反向截止。,目录21 电力电子器件的特点与分类22 电力电子器件基础 23 功率二极管 24 晶闸管 25 可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管 27 功率场效应晶体管28 绝缘栅双极型晶体管*29 其它新型电力电子器件210 电力电子器件的发展趋势211 电力电子器件应用共性问题小结,功率二极管（Power Diode）属于不可控电力电子器件，是20世纪最早获得应用的电力电子器件，它在整流、逆变等领域都发挥着重要的作用。基于导电机理和结构的不同，二极管可分为结型二极管和肖特基势垒二极管。,结构,外形,电气符号,2.3.1 结型电力二极管基本结构和工作原理,电力二极管（Power Diode）基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样以PN结为基础由一个面积较大的PN结（PNjunction）和两端引线以及封装组成的,为了提高PN结二极管承受反向电压的阻断能力，并用较薄的硅片得到一般PN结构在硅片较厚时才能获得的高反压阻断能力，工艺上结型功率二极管多采用PIN（I是“本征”意义的英文略语）结构。,2.3.1 结型功率二极管基本结构和工作原理,目录21 电力电子器件的特点与分类22 电力电子器件基础 23 功率二极管 24 晶闸管 25 可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管 27 功率场效应晶体管28 绝缘栅双极型晶体管*29 其它新型电力电子器件210 电力电子器件的发展趋势211 电力电子器件应用共性问题小结,PIN功率二极管在P型半导体和N型半导体之间夹有一层掺有轻微杂质的高阻抗N-区域，该区域由于掺杂浓度低而接近于纯半导体，即本征半导体（intrinsic semiconductor）。,N-区,2.3.1 结型功率二极管基本结构和工作原理,目录21 电力电子器件的特点与分类22 电力电子器件基础 23 功率二极管 24 晶闸管 25 可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管 27 功率场效应晶体管28 绝缘栅双极型晶体管*29 其它新型电力电子器件210 电力电子器件的发展趋势211 电力电子器件应用共性问题小结,由于N-区域比P区域的掺杂浓度低的多，PN-空间电荷区主要在N-侧展开，故PN结的内电场基本集中在N-区域中，N-区域可以承受很高的外向击穿电压。,低掺杂N-区域越厚，功率二极管能够承受的反向电压就越高。,在PN结反向偏置的状态下，N-区域的空间电荷区宽度增加，其阻抗增大，足够高的反向电压还可以使整个N-区域耗尽，甚至将空间电荷区扩展到N区域。,如果P区域和N区域的掺杂浓度足够高，则空间电荷区将被局限在N-区域，从而避免电极的穿通。,N-区的存在产生的影响：1）提高器件的耐压2）造成器件通态压降的升高3）N-区较宽的空间电荷区，能够减小结电容的作用，提高器件的工作频率,2.3.1 结型电力二极管基本结构和工作原理,N-区,2.3.2 电力二极管的基本特性,静态特性（Static State Characteristic）主要指其伏安特性(Volt-Ampere Characteristic),式中：IS 为反向饱和电流，V 为二极管两端的电压降，VT=kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数（1.381023），q 为电子电荷量（1.61019），T 为热力学温度。对于25室温（相当T=300 K），则有VT=26 mV。,2.3.2 电力二极管的基本特性,静态特性（Static State Characteristic）主要指其伏安特性(Volt-Ampere Characteristic),门槛电压,反向饱和电流（少子抽取）,正向导通电流（少子注入）,耗尽层变窄,击穿,动态特性(Dynamic Characteristic)动态特性因结电容的存在，零偏置、正向偏置、反向偏置等状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流特性是随时间变化的。动态特性主要指开关特性(Switching Characteristic)，开关特性反映通态和断态之间的转换过程。,2.3.2 电力二极管的基本特性,2.3.2 电力二极管的基本特性,开通过程(Turn-on Transient)：电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。电压过冲物理机制主要有两个：a.阻性机制：电导调制作用。I N-区的有效电阻 管压降也降低，形成峰值UFP。,b.感性机制：正向电流内部电感上压降，且电流变化率越高，电压过冲越大。正向恢复时间（正向电压从零开始经峰值电压UFP再降至稳态电压UF所需要的时间tfr)正向恢复时间的影响因素：结温、开通前偏置,2.3.2 电力二极管的基本特性,关断过程(Turn-off Transient)：,IF,UF,t,图1-5（a）电力二极管的关断过程,电路电感作用,复合存储电荷,反向偏置状态建立,体电阻压降所致,外部电感决定,2.3.2 电力二极管的基本特性,关断过程(Turn-off Transient)：,特征：1）在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲2）须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态3）下降时间tf与延迟时间td之比称为反向恢复系数，即S=tf/td，S越小其反向恢复速度越快！,233 快速功率二极管,普通结型功率二极管又称整流管（Rectifier Diode），反向恢复时间在5s以上，多用于开关频率在1kHz以下的整流电路中。若是高频电路，应采用快速功率二极管。1提高结型功率二极管开关速度的措施 1）扩散法：在硅材料掺入金或铂等杂质可有效提高少子复合率，促使存储在N区的过剩载流子（少子-空穴）减少，从而缩短反向恢复时间trr。然而少子数量的减少会削弱电导调制效应，导致正向导通压降升高。2）外延法：采用在P和N掺杂区之间夹入一层高阻N-型材料以形成PN-N结构，在P区和N区外还各有一层金属层。采用外延及用掺铂的方法进行少子寿命控制。在相同耐压条件下，新结构硅片厚度要薄得多，具有更好的恢复特性和较低的正向导通压降，这种结构是目前快速二极管普遍采用的结构。,目录21 电力电子器件的特点与分类22 电力电子器件基础 23 功率二极管 24 晶闸管 25 可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管 27 功率场效应晶体管28 绝缘栅双极型晶体管*29 其它新型电力电子器件210 电力电子器件的发展趋势211 电力电子器件应用共性问题小结,233 快速功率二极管,2快速型和超快速型 快速二极管分为快恢复（FRED）和超快恢复（Hiper FRED，Hiper Fast soft Recovery Epitaxial Diode）两类。前者的关断时间在微秒级，常应用于开关频率为2050kHz的场合；后者的关断时间在百纳秒级，常用于开关频率在50kHz以上的场合。,目录21 电力电子器件的特点与分类22 电力电子器件基础 23 功率二极管 24 晶闸管 25 可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管 27 功率场效应晶体管28 绝缘栅双极型晶体管*29 其它新型电力电子器件210 电力电子器件的发展趋势211 电力电子器件应用共性问题小结,234 肖特基势垒二极管,肖特基二极管内部结构图,肖特基势垒二极管，简称为肖特基二极管（SBD，Schottky Barrier Diode），是利用金属与N型半导体表面接触形成势垒的非线形特性制成的功率二极管。,目录21 电力电子器件的特点与分类22 电力电子器件基础 23 功率二极管 24 晶闸管 25 可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管 27 功率场效应晶体管28 绝缘栅双极型晶体管*29 其它新型电力电子器件210 电力电子器件的发展趋势211 电力电子器件应用共性问题小结,234 肖特基势垒二极管,由于N型半导体中存在着大量的电子，金属中的电子浓度虽然高于半导体中的电子浓度，但其高能级中的电子浓度相对较低，当金属与N型半导体接触后，电子便从浓度高的N型半导体中向浓度低的金属中扩散。随着电子不断从半导体扩散到金属，半导体表面电子浓度逐渐降低，表面电中性被破坏，于是就形成势垒，其电场方向为半导体金属。但在该电场作用之下，金属中的电子也会产生从金属半导体的漂移运动，从而消弱了由于扩散运动而形成的电场。当建立起一定宽度的空间电荷区后，电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡，便形成了肖特基势垒。,目录21 电力电子器件的特点与分类22 电力电子器件基础 23 功率二极管 24 晶闸管 25 可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管 27 功率场效应晶体管28 绝缘栅双极型晶体管*29 其它新型电力电子器件210 电力电子器件的发展趋势211 电力电子器件应用共性问题小结,尽管肖特基二极管和结型二极管具有相仿的单向导电性，但其内部物理过程却大不相同，由于金属中无空穴，因此不存在从金属流向半导体材料的空穴流，即SBD的正向电流仅由多子形成，从而没有结型二极管的少子存储现象，反向恢复时没有抽取反向恢复电荷的过程，因此反向恢复时间很短，仅为1040ns。显然，肖特基二极管是一种只有多数载流子参与导电的单极性器件。肖特基二极管导通压降一般为0.41V（随反向耐压的提高，正向导通压降呈增长趋势），比普通二极管和快恢复二极管低，快恢复二极管的正向导通压降一般在1V以上，随反向耐压的提高，正向导通压降甚至会超过2V，因此使用肖特基二极管有助于降低二极管的导通损耗，提高电路的效率。但由于其反向势垒较薄，故其反向耐压在200V以下，因此适用于低电压输出的场合。,234 肖特基势垒二极管,目录21 电力电子器件的特点与分类22 电力电子器件基础 23 功率二极管 24 晶闸管 25 可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管 27 功率场效应晶体管28 绝缘栅双极型晶体管*29 其它新型电力电子器件210 电力电子器件的发展趋势211 电力电子器件应用共性问题小结,正向平均电流 IF(AV)正向平均电流（额定电流）：在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值，在此情况下因管子正向压降损耗的结温不会超过所容许的最高结温。使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，即实际波形电流与正向平均电流有效值相等。并应留有一定的裕量。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小,235 功率二极管的主要参数,正向平均电流 IF(AV)使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，即实际波形电流与正向平均电流有效值相等。并应留有一定的裕量。,根据实际波形计算出其对应的有效值,将有效值除以标准正弦半波的波形系数1.57，即得所需要的正向平均电流,235 功率二极管的主要参数,正向压降 UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降反向重复峰值电压URRM额定电压指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压通常是其雪崩击穿电压UB的2/3使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向峰值电压的两倍来选定,235 功率二极管的主要参数,最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示，注意结温与管壳温度不同最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度TJM通常在125175C范围之内反向恢复时间trrtrr=td+tf（延迟时间+下降时间），关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻断能力止的时间浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。一般用额定正向平均电流倍数和浪涌周期（即工频周波数）来规定。,235 功率二极管的主要参数,电力二极管的主要应用：整流：利用单向导电性。最广泛的应用,236 功率二极管的应用,电力二极管的主要应用：续流：,236 功率二极管的应用,电力二极管的主要应用：限幅：限制输入信号电压在某个范围内钳位：,236 功率二极管的应用,按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同，可分成普通二极管、快恢复二极管、与肖特基二极管。在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管。性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。,236 功率二极管的应用,236 功率二极管的应用特点,功率二极管的串联和并联 在单个功率二极管不能满足电路工作需求时，可考虑对二极管采用串、并联的方法。采用多个功率二极管串联时，应考虑断态时的均压问题。图中的R1R3可均衡静态压降，动态压降的平衡需要用到平衡电容，与平衡电容串联的电阻R4R6是为了限制电容的反向冲击电流。采用多个功率二极管并联提高电路的通流能力时，要克服工作电流在并联二极管中的不均匀分配。由于功率二极管导通压降具有负温度特性，均流特性有可能因温度变化而恶化。在进行并联使用时，应尽选择同一型号且同一生产批次的产品，使其静态和动态特性均比较接近。,二极管串联均压措施,目录21 电力电子器件的特点与分类22 电力电子器件基础 23 功率二极管 24 晶闸管 25 可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管 27 功率场效应晶体管28 绝缘栅双极型晶体管*29 其它新型电力电子器件210 电力电子器件的发展趋势211 电力电子器件应用共性问题小结,晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品1958年商业化开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管。广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件,24 晶闸管,目录21 电力电子器件的特点与分类22 电力电子器件基础 23 功率二极管 24 晶闸管 25 可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管 27 功率场效应晶体管28 绝缘栅双极型晶体管*29 其它新型电力电子器件210 电力电子器件的发展趋势211 电力电子器件应用共性问题小结,外形有：螺栓型、平板型（大功率）和模块型（中小功率）等几种引出阳极(Anode)A、阴极(Kathode)K和门极(Gate)（控制端）G三个联接端,螺旋式,平板式,241 基本结构和工作原理,目录21 电力电子器件的特点与分类22 电力电子器件基础 23 功率二极管 24 晶闸管 25 可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管 27 功率场效应晶体管28 绝缘栅双极型晶体管*29 其它新型电力电子器件210 电力电子器件的发展趋势211 电力电子器件应用共性问题小结,模块式,对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器(Radiator)紧密联接且安装方便平板型封装的晶闸管可由两个散热器(Radiator)将其夹在中间,大电流螺旋式,大电流平板式,241 基本结构和工作原理,目录21 电力电子器件的特点与分类22 电力电子器件基础 23 功率二极管 24 晶闸管 25 可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管 27 功率场效应晶体管28 绝缘栅双极型晶体管*29 其它新型电力电子器件210 电力电子器件的发展趋势211 电力电子器件应用共性问题小结,241 基本结构和工作原理,晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)封装 b)结构 c)电气图形符号,晶闸管有三个电极，分别是阳极A、阴极K和门极（或称栅极）G。晶闸管内部是PNPN四层半导体结构，四个区形成J1、J2、J3三个PN结。若不施加控制信号，将正向电压（阳极电位高于阴极电位）加到晶闸管两端，J2处于反向偏置状态，A、K之间处于阻断状态；若反向电压加到晶闸管两端，则J1、J3反偏，该晶闸管也处于阻断状态。,目录21 电力电子器件的特点与分类22 电力电子器件基础 23 功率二极管 24 晶闸管 25 可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管 27 功率场效应晶体管28 绝缘栅双极型晶体管*29 其它新型电力电子器件210 电力电子器件的发展趋势211 电力电子器件应用共性问题小结,P2,N2,G,K,P2,N1,晶闸管的双晶体管模型,等效原理电路模型,241 基本结构和工作原理,目录21 电力电子器件的特点与分类22 电力电子器件基础 23 功率二极管 24 晶闸管 25 可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管 27 功率场效应晶体管28 绝缘栅双极型晶体管*29 其它新型电力电子器件210 电力电子器件的发展趋势211 电力电子器件应用共性问题小结,241 基本结构和工作原理,将晶闸管等效为一个PNP晶体管V1和一个NPN晶体管V2的复合双晶体管模型。如果在V2基极注入IG（门极电流），则由V2的放大作用，产生Ic2（2IG）。由于Ic2为V1提供了基极电流，因此由V1的放大作用使得Ic1=1Ic2，这时V2的基极电流由IG和Ic1共同提供，从而使V2的基极电流增加，并通过晶体管的放大作用形成强烈的正反馈，使V1和V2很快进入饱和导通。此时即使将IG调整为0也不能解除正反馈，晶闸管会继续导通，即G极失去控制作用。,晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,目录21 电力电子器件的特点与分类22 电力电子器件基础 23 功率二极管 24 晶闸管 25 可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管 27 功率场效应晶体管28 绝缘栅双极型晶体管*29 其它新型电力电子器件210 电力电子器件的发展趋势211 电力电子器件应用共性问题小结,241 基本结构和工作原理,晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,按照晶体管工作原理，忽略两个晶体管的共基极漏电流，可列出如下方程：IK=IA+IG IA=Ic1+Ic2=1IA+2IK 其中：1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益。则可推导出：,目录21 电力电子器件的特点与分类22 电力电子器件基础 23 功率二极管 24 晶闸管 25 可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管 27 功率场效应晶体管28 绝缘栅双极型晶体管*29 其它新型电力电子器件210 电力电子器件的发展趋势211 电力电子器件应用共性问题小结,241 基本结构和工作原理,晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,根据晶体管的特性，在低发射极电流下其共基极电流增益很小，而当发射极电流建立起来后，迅速增大。在晶体管阻断状态下，1+2很小。若IG使两个发射极电流增大以致1+2大于1（通常晶闸管的1+21.15），流过晶闸管的电流IA将迅速增大，从而使晶闸管饱和导通。当1+21时，晶闸管的正反馈才可能形成，其中1+2=1是临界导通条件，1+21为饱和导通条件，1+21则器件退出饱和而关断。,目录21 电力电子器件的特点与分类22 电力电子器件基础 23 功率二极管 24 晶闸管 25 可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管 27 功率场效应晶体管28 绝缘栅双极型晶体管*29 其它新型电力电子器件210 电力电子器件的发展趋势211 电力电子器件应用共性问题小结,241 基本结构和工作原理,晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,以上分析表明，晶闸管的导通条件可归纳为阳极正偏和门极正偏，即uAK0且uGK0。晶闸管导通后，即使撤除门极触发信号IG，也不能使晶闸管关断，只有设法使阳极电流IA减小到维持电流IH（约十几mA）以下，导致内部已建立的正反馈无法维持，晶闸管才能恢复阻断状态。很明显，如果给晶闸管施加反向电压，无论有无门极触发信号IG，晶闸管都不能导通。,目录21 电力电子器件的特点与分类22 电力电子器件基础 23 功率二极管 24 晶闸管 25 可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管 27 功率场效应晶体管28 绝缘栅双极型晶体管*29 其它新型电力电子器件210 电力电子器件的发展趋势211 电力电子器件应用共性问题小结,2.4.1 晶闸管的结构与工作原理,1）外加正向电压下J1、J3正偏J2反偏；,2）在GK间正向电压作用下，N2区有电子注入到P2区；,3）注入到P2区的电子除了形成门极电流外，将被J2空间场捕获，扫向N1区；,4）N1区电子的增加，将进一步增加J1结的正偏电压，进而增加了P1区向N1区的空穴注入，并由J2电场将其扫向P2区，进而形成了再生反馈效应；,5）随着J1、J3注入的优势越来越大，结构J2结两侧有足够的载流子积累，J2结极性正偏，晶闸管导通。,开通的物理过程,241 基本结构和工作原理,目录21 电力电子器件的特点