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1、电电 力力 电电 子子 技技 术术第第2章章 电力电子器件及应用12345晶闸管晶闸管（SCR）可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTOGTO）电力晶体管电力晶体管（GTR）6电力电子器件基础电力电子器件基础电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类 功率二极管功率二极管 功率场效应晶体管功率场效应晶体管(MOSFET)7绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管(IGBT)8910其它新型电力电子器件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的发展趋势电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题11总结总结 12第第2 2章章 电力电子器件及应用电电力力电电子子器器件件（Power
2、 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电真空器件和半导体器件半导体器件两类。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汞弧弧整整流流器器、闸闸流流管管等电真空器件，成为绝对的主流器件。因此，通常所说的电力电子器件也
3、往往专指电力半导体器件电力电子器件也往往专指电力半导体器件。电电力力半半导导体体器器件件所采用的主要材料仍然是硅硅(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同处处理理信信息息的的电电子子器器件件相相比比，电电力力电电子子器器件件的的一般特征：一般特征：1 1）具有较大的耗散功率）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一般都需要安装散热器2.1.1 电力电子器件
4、的特点2.1.1 电力电子器件的特点2)电力电子器件一般都工作在开关状态电力电子器件一般都工作在开关状态导通时（通通态态）阻抗很小，接近于短路，管管压压降降接近于零，而电流由外电路决定阻断时（断断态态）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动态态特特性性（开开关关特特性性）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3)3)电力电子器件一般
5、需要专门的驱动电路来控制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功率率放放大大，这就是电力电子器件的驱动电路驱动电路(Driving Circuit）2.1.1 电力电子器件的特点4 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
6、通常需要缓冲电路抑制电压电流变化率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电力电子系统：由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路、保护电路保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成。控制电路RL主电路V1V2检测电路驱动电路保护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 1）不可控器件）不可控器件(Uncontrolled DeviceUncontrolled Device2 2）半控型器件）半控型器件(Semi-controlle
7、d DeviceSemi-controlled Device)3 3）全控型器件）全控型器件(Full-controlled DeviceFull-controlled Device)2.1.2 电力电子器件的分类1 1、按照器件能够被控制电路、按照器件能够被控制电路信号所控制的程度信号所控制的程度，分为以下三类：，分为以下三类：1 1）不不可可控控器器件件(Uncontrolled Uncontrolled DeviceDevice)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
8、的2.1.2 电力电子器件的分类2 2）半半控控型型器器件件(Semi-controlled Semi-controlled DeviceDevice)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 3）全全控控型型器器件件(Full-controlled Full-controlled DeviceDevice)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：绝绝 缘缘 栅栅 双双 极极 晶晶 体体 管管（Insulated-Gate Bipolar Tra
9、nsistorIGBT）电力场效应晶体管电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称为电力MOSFET）门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）GTR(GTR(大大功功率率晶晶体体管管）、SIT(SIT(静静电电感感应应晶晶体体管管）、SITHSITH（静静电电感感应应晶晶闸管）、闸管）、IGCTIGCT（集成门极换向晶体管）等（集成门极换向晶体管）等2.1.2 电力电子器件的分类 电电力力电电子子器器件件件件可可控控器器件件非非可可控控器器件件整整流流二二极极管管 自自关关断断器器件件非非自自关关断断器器件件 普普 通通 晶晶 闸闸 管管
10、(S SC C R R)快快 速速 晶晶 闸闸 管管(F F S ST T)双双向向晶晶闸闸管管(T TR RI IA AC C)逆逆 导导 晶晶 闸闸 管管(R R C C T T)光光 控控 晶晶 闸闸 管管(L L T T T T)晶体管晶体管 晶闸管晶闸管 双极型电力晶体管双极型电力晶体管(GTR)(GTR)电力场效应晶体管电力场效应晶体管(PMOSFET)(PMOSFET)绝缘栅双极电力晶体管绝缘栅双极电力晶体管(IGBT)(IGBT)静电感应型晶体管静电感应型晶体管(SIT)(SIT)门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管(GTO)(GTO)场控晶闸管场控晶闸管(MCT)(MCT)静电感
11、应型晶闸管静电感应型晶闸管(SITH)(SITH)电力电子器件分类树电力电子器件分类树1 12.1.2 电力电子器件的分类2、按照驱动电路加在器件控控制制端端和和公公共共端端之之间间信信号号的性质，分为两类：1)1)电电流流驱驱动动型型(Current Current Driving Driving TypeType)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、GTR2)2)电电压压驱驱动动型型(Voltage Voltage Driving Driving TypeType)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。又称为场场控控器器件件，或
12、场效应器件。如MOSFET2.1.2 电力电子器件的分类3、按照器件内部电电子子和和空空穴穴两种载流子参与导电的情况分为三类：1)1)单单极极型型器器件件(UnipolarUnipolar DeviceDevice)：由一种载流子参与导电的器件（MOSFET,SIT,肖特基二极管）2)2)双双极极型型器器件件(Bipolar Bipolar DeviceDevice)：由电子和空穴两种载流子参与导电的器件（GTR,GTO,SITH，SR）3)3)复复合合型型器器件件(Complex Complex DeviceDevice)：由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件（IGBT,MCT,IGC
13、T）2.1.2 电力电子器件的分类电力电子器件分类树电力电子器件分类树2 22.1.2 电力电子器件的分类2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理半导体：半导体：导电性能介于导体导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。其导和绝缘体之间的物质。其导电能力受到外部条件（如光、电能力受到外部条件（如光、热等）影响。半导体是否纯热等）影响。半导体是否纯净也会影响其导电能力。净也会影响其导电能力。本征（本征（instinct）半导体：）半导体：是是一种完全纯净的、结构完整一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在绝对零度的半导体晶体。在绝对零度时，其价带满带（充满电子）时，其价带满带（充满电子），而其导带
14、则无电子。，而其导带则无电子。22 电力电子器件基础温度温度 光照光照自由电子自由电子空穴空穴本征激发本征激发空穴空穴共价键中的空位共价键中的空位空穴的移动空穴的移动空穴的运动是靠空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。穴来实现的。由热激发或光照而使电子脱离共由热激发或光照而使电子脱离共价键，从而产生价键，从而产生自由电子自由电子，同时，同时在共价键中形成空穴，由此产生在共价键中形成空穴，由此产生自由电子和空穴对（载流子）自由电子和空穴对（载流子）。温度温度 载流子载流子浓度浓度 2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理载流子：载流子：（源于金
15、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，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载流子。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理几个重要概念：几个重要概念：原子最外层的电子称为价电子；原子最外层的电子称为价电子；目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）2
16、6 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结2.2.1 PN2.2.1 PN结原理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；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
17、体没有禁带；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；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；而形成电流；几个重要概念：几个重要概念：目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率
18、场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结2.2.1 PN2.2.1 PN结原理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；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挣脱共价键而跃迁至导带中的自由电子完全不
19、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。空穴数总是相等的。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4N N型半导体型半导体（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在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑磷、砷、锑 )多余电子，多余电子，成为自由电子成为自由电子+5自由电子自由电子（多数载流子）（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。+52.2.1 PN结原
20、理结原理施主杂质施主杂质+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3P型半导体型半导体 （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）在本征半导体中掺入三价的元素（硼）+3空穴空穴(多数载流子）多数载流子）受主受主杂质杂质2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理PN结：结：是指半导体的P型导电区和N型导电区的结合部。N N型半导体和型半导体和P P型半导体结合后，交型半导体结合后，交界处电子和空穴的浓度差别，造成了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各区的多子向另一区的扩散运动扩散运动，到，到对方区内成为少子。
21、对方区内成为少子。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理界面两侧分别留下了带正、负电荷但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，称为不能任意移动的杂质离子，称为空间电空间电荷。荷。空空间间电电荷荷建建立立的的电电场场被被称称为为内内电电场场或或自自建建电电场场，其其方方向向是是阻阻止止扩扩散散运运动动的的，另另一一方方面面又又吸吸引引对对方方区区内内的的少少子子（对对本本区区而而言言则则为多子）向本区运动，即为多子）向本区运动，即漂移运动漂移运动。扩扩散散运运动动和和漂漂移移运运动动既既相相互互联联系系又又是是矛矛盾盾的的，最最终终达达到到动动态态平平衡衡，正正、负负空空
22、间间电电荷荷量量达达到到稳稳定定值值，形形成成了了一一个个稳稳定定的的由由空空间间电荷构成的范围电荷构成的范围空间电荷区空间电荷区接触电位差2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理 空空间间电电荷荷区区按按所所强强调调的的角角度度不不同同也也被被称为称为耗尽层、阻挡层耗尽层、阻挡层或或势垒区（势垒区（BarrierBarrier）。正向偏置正向偏置1)1)在正向偏置外电场作用下在正向偏置外电场作用下,P,P区和区和N N区区多子的多子的扩散运动扩散运动得以加强，而少子的得以加强，而少子的飘移运动飘移运动则得以抑制。则得以抑制。2)P2)P区和区和N N区多子穿过耗尽层，到达对方，区多子穿过
23、耗尽层，到达对方，并成为了对方少子的一部分，这一过程称并成为了对方少子的一部分，这一过程称为为少子注入少子注入，这是正向偏置传导电流的根，这是正向偏置传导电流的根本方式。本方式。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理 正向偏置正向偏置3 3）P P区和区和N N区的注入少子将产生区的注入少子将产生积累和复积累和复合合，这是维持正向导通的根本原因。，这是维持正向导通的根本原因。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理4 4）少子的积累和复合，在空间电荷区附件）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，这会影响其反偏时会出现的少子浓度差，这会影响其反偏时的开关特性。的开关特性
24、。正向偏置正向偏置5 5）随着正向偏置电压的增加，）随着正向偏置电压的增加，内电场将逐渐消弱直至消失内电场将逐渐消弱直至消失（此时对应的阳极（此时对应的阳极和阴极间的电压成为和阴极间的电压成为门槛电压门槛电压），），2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理6 6）当正向偏置电压超过门槛电压后，）当正向偏置电压超过门槛电压后，PNPN结导通电流迅速增大，进而完成结导通电流迅速增大，进而完成PNPN结结的正向导通。的正向导通。正向偏置正向偏置6 6）起初起初PNPN结流过的正向电流较小时，结流过的正向电流较小时，N N-区（为增加耐压）欧姆电阻较大，随区（为增加耐压）欧姆电阻较大，随着电流的增
25、大，着电流的增大，P P区向区向N N-区注入的空穴增多，为了维持半导体的电中性其多子区注入的空穴增多，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电导调制效应正向导电时导通压降基本不变正向导电时导通压降基本不变。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理 7 7）PNPN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。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。反向偏置反向偏置1 1）在反向偏置外电场作用下，）在反向偏置外电场作用下，P P区和区和N
26、N区少子的区少子的飘移运动飘移运动得以加强，而多得以加强，而多子的子的扩散运动扩散运动则得以抑制。则得以抑制。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理2)2)反向偏置使空间电荷区电场增强，即反向偏置使空间电荷区电场增强，即N N区边界的空穴将被空间电荷的强区边界的空穴将被空间电荷的强电场移向电场移向P P区，类似的情况也发生在区，类似的情况也发生在P P区边界，这就是区边界，这就是PNPN结反偏时的少子抽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。取过程，这一过程是影响其开关快速性的重要因素。反向偏置反向偏置3 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
27、流向边）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，从而形成了界，从而形成了反向电流。反向电流。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理4 4）这种形成反向漏电流的方式为这种形成反向漏电流的方式为少子抽取少子抽取，不同于正偏时的，不同于正偏时的少子注入少子注入，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，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。而取决于少子来源的丰富程度。5 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）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，
28、因此通常将其称之为常将其称之为反向饱和电流反向饱和电流。反向偏置反向偏置6 6）随着反偏电压的增大，会出现随着反偏电压的增大，会出现穿通穿通和和击穿击穿现象，从而造成反向电流急剧上现象，从而造成反向电流急剧上升。升。穿通穿通：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：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。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。击穿击穿：雪崩击穿、齐纳击穿、热击穿。：雪崩击穿、齐纳击穿、热击穿。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理 反向偏置的反向偏置的击穿击穿雪
29、崩击穿：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获得很高的动能，高，高能量载流子在空间电荷区与点阵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原子碰撞使之产生碰撞电离，并，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。向电流如同雪崩一样迅速增大。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理 反向偏置的反向偏置的击穿击穿2.2.1 PN
30、2.2.1 PN结原理结原理齐纳击穿：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。击穿。在高掺杂浓度的在高掺杂浓度的PNPN结中，结中，P P区与区与N N区之间的间距较窄区之间的间距较窄，因，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，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空穴对，从而使反向电流急剧增加，该现象称为齐纳击穿。增加，该现象称为齐纳击穿。反向偏置的反向偏置的击穿击穿2.2.1 PN2.2.1 P
31、N结原理结原理热击穿：热击穿：上述上述雪崩击穿雪崩击穿、齐纳击穿齐纳击穿的击穿过程都是可逆的，若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，当反向电压降低后此时外电路能采取措施限制反向电流，当反向电压降低后PNPN结仍可恢复原来状态。否则反向电压和反向电流乘积过结仍可恢复原来状态。否则反向电压和反向电流乘积过大，会超过大，会超过PNPN结容许的耗散功率，导致热量无法散发，结容许的耗散功率，导致热量无法散发，PNPN结温度上升直至过热而烧毁。这种现象称为热击穿，必须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尽可能避免热击穿。结电容结电容（影响动态特性）（影响
32、动态特性）PNPN结的电荷量随外加电压的变化而变化，呈现结的电荷量随外加电压的变化而变化，呈现电容效应电容效应，称，称为结电容。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势垒电容（C CB B）。）。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理 结电容结电容因载流子的扩散、积累而形成的电容效应称之为因载流子的扩散、积累而形成的电容效应称之为扩散电容扩散电容（C CD D）。）。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理 结电容结电容结电容结电容（C CJ J）又称微分电容，包括：）又称微分电容，包括：势垒电容势垒电容（C CB
33、B）和）和扩散电容扩散电容（C CD D）。）。势垒电容势垒电容（C CB B）只在外加电压变化时才起作用，且外加电压频率越高，）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。其大小与势垒电容越明显。其大小与PNPN结截面积成正比，与结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比阻挡层厚度成反比。扩散电容扩散电容（C CD D）仅在正偏时才起作用。）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。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 PN2.2.1 PN结原理结原理 结电容（结电容（势垒电容势垒电容CCB B，扩散电容扩散电容CCD
34、D）。）。PNPN结正向偏置时，结电阻非常小，结电容结正向偏置时，结电阻非常小，结电容C CJ J主要是扩散电容主要是扩散电容C CD D，尽管结，尽管结电容较大，但对其通态特性的影响相对较小。电容较大，但对其通态特性的影响相对较小。PNPN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C CB B，尽，尽管结电容较小，但对其断态特性影响不可忽视管结电容较小，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。高频工作时，结电容将对其工作产生较大影响。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理222电力电子器件的封
35、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目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结23 功率二极管二极管的基本结构是半导体二极管
36、的基本结构是半导体PNPN结，具有单结，具有单向导电性，正向偏置时表现为低阻态，形成正向导电性，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。向漏电流，称为反向截止。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅
37、双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结 功率二极管（功率二极管（Power DiodePower Diode）属于不可控电）属于不可控电力电子器件，是力电子器件，是2020世纪最早获得应用的电力电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，二极管的作用。基于导电机理和结构的不同，二极管可分为可分为结型二极管和肖特基势垒二极管结型二极管和肖特基势垒二
38、极管。结构结构外形外形电气符号电气符号2.3.1 2.3.1 结型电力二极管基本结构和工作原理结型电力二极管基本结构和工作原理电电力力二二极极管管（Power Power DiodeDiode）基基本本结结构构和和工工作作原原理理与与信信息息电电子子电电路路中中的的二二极管一样以极管一样以PNPN结为基础结为基础由一个面积较大的由一个面积较大的PNPN结结（PNPNjunctionjunction）和两端引线以及封装组成的）和两端引线以及封装组成的为了提高为了提高PNPN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PNPN结构结构
39、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PINPIN（I I是是 “本征本征”意义的英文略语）结构意义的英文略语）结构。2.3.1 结型功率二极管基本结构和工作原理目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件21
40、0 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结 PINPIN功率二极管在功率二极管在P P型半导体和型半导体和N N型半导体之间夹有一层掺有轻微杂质的高阻抗型半导体之间夹有一层掺有轻微杂质的高阻抗N-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（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 intrinsic semiconductorsemiconductor）。N-区2.3.1 结型功率二极管基本结构和工作原理目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电
41、力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结 由于由于N-N-区域比区域比P P区域的掺杂浓度低的多，区域的掺杂浓度低的多，PN-PN-空间电荷区主要在空间电荷区主要在N-N-侧侧展开，故展开，故PNPN结的内电场基本集中在结的内电场基本集中在N-N-
42、区域中，区域中，N-N-区域可以承受很高的外区域可以承受很高的外向击穿电压向击穿电压。低掺杂低掺杂N-N-区域越厚，功率二极管能够承受的反向电压就越高。区域越厚，功率二极管能够承受的反向电压就越高。在在PNPN结反向偏置的状态下，结反向偏置的状态下，N-N-区域的空间电荷区宽度增加，其阻抗增大，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足够高的反向电压还可以使整个N-N-区域耗尽，甚至将空间电荷区扩展到区域耗尽，甚至将空间电荷区扩展到N N区域。区域。如果如果P P区域和区域和N N区域的掺杂浓度足够高，则空间电荷区将被局限在区域的掺杂浓度足够高，则空间电荷区将被局限在
43、N-N-区域，区域，从而避免电极的穿通。从而避免电极的穿通。N-区的存在产生的影响：区的存在产生的影响：1）提高器件的耐压）提高器件的耐压2）造成器件通态压降的升高）造成器件通态压降的升高3）N-区较宽的空间电荷区，区较宽的空间电荷区，能够减小结电容的作用，提高能够减小结电容的作用，提高器件的工作频率器件的工作频率2.3.1 2.3.1 结型电力二极管基本结构和工作原理结型电力二极管基本结构和工作原理N-区2.3.2 2.3.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1.1.静态特性（静态特性（Static State CharacteristicStatic State Character
44、istic）主要指其伏安特性伏安特性(Volt-Ampere CharacteristicVolt-Ampere Characteristic)式中：式中：IS 为反向饱和电流为反向饱和电流，V 为二极管两端为二极管两端的电压降的电压降，VT=kT/q 称为温度的电压当量称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数（为玻耳兹曼常数（1.381023），），q 为电子电为电子电荷量（荷量（1.61019），），T 为热力学温度。对为热力学温度。对于于25室温（相当室温（相当T=300 K），则有），则有VT=26 mV。2.3.2 2.3.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1.1.静态特性（静
45、态特性（Static State CharacteristicStatic State Characteristic）主要指其伏安特性伏安特性(Volt-Ampere CharacteristicVolt-Ampere Characteristic)门槛门槛电压电压反向饱和电反向饱和电流（少子抽流（少子抽取）取）正向导通电正向导通电流（少子注流（少子注入）入）耗尽层变窄耗尽层变窄击穿击穿2.2.动态特性动态特性(DynamicCharacteristic)动动态态特特性性因因结结电电容容的的存存在在，零零偏偏置置、正正向向偏偏置置、反反向向偏偏置置等等状状态态之之间间的的转转换换必必然然有有一
46、一个个过过渡渡过过程程，此此过过程程中中的的电电压压电电流特性是随时间变化的流特性是随时间变化的。动动态态特特性性主主要要指指开开关关特特性性(Switching Switching CharacteristicCharacteristic)，开开关关特性反映特性反映通态和断态通态和断态之间的转换过程。之间的转换过程。2.3.2 2.3.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性2.3.2 2.3.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性开通过程开通过程(Turn-on TransientTurn-on Transient)：电电力力二二极极管管的的正正向向压压降降先先出出现现一一个个过
47、过冲冲U UFPFP，经经过过一一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V2V）。）。电压过冲物理机制主要有两个：电压过冲物理机制主要有两个：a.a.阻阻性性机机制制：电电导导调调制制作作用用。I IN-区区的的有有效效电电阻阻管压降也降低，形成峰值管压降也降低，形成峰值U UFPFP。b.b.感性机制：感性机制：正向电流正向电流内部电感上压降，且电流变化内部电感上压降，且电流变化率越高，电压过冲越大。率越高，电压过冲越大。正向恢复时间正向恢复时间（正向电压从零开始经峰值电压（正向电压从零开始经峰值电压U UFPFP再降再降至稳态电压至稳态电压U UF F
48、所需要的时间所需要的时间t tfrfr)正向恢复时间的影响因素正向恢复时间的影响因素：结温结温 、开通前偏置、开通前偏置2.3.2 2.3.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性关断过程关断过程(Turn-offTransient)：IFUFt图图1-51-5（a a）电力二极管的关断过程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 2.3.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性关断过程关断过程(Turn-offTransient)：特征：特征：1 1）在关断之前有）在关断之前有较大的反向电流较大的反向电流出现，并伴随有明显的出现
49、，并伴随有明显的反向电压过冲反向电压过冲2 2）须经过）须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力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，进入截止状态3 3）下降时间）下降时间t tf f与延迟时间与延迟时间t td d之比称为反向恢复系数，即之比称为反向恢复系数，即S S=t tf f/t td d，S S越小其反向恢复速度越快！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（RectifierDiode），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
50、散法：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，促使存储可有效提高少子复合率，促使存储在在N区的过剩载流子（少子区的过剩载流子（少子-空穴）减少，空穴）减少，从而缩短反向恢复时间trr。然而少子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。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，在在P区和区和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