电力电子技术第2章201309

1、安徽省高等学校精品课程合肥工业大学电气与自动化工程学院 马铭遥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电力电子器件电力电子器件（Power Electronic Devi

2、ce）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弧整汞弧整流器流器、闸流管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

3、电子器件也往往专指电力半导体器件。 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，电力电子器件的同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：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 电力电子器件的特点2.1.1 电

4、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（通态）（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降管压降接近于零，而电流由外电路决定阻断时（断态断态）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) 电力电子器件一般需要专门的驱

5、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率放大功率放大，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通常需要缓

6、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 Device)Uncontrolled Device)2 2）半控型器件）半控型器件( (Semi-controll

7、ed 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）不可控器件）不可控器件( (Uncontrolled DeviceUncontrolled 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

8、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 2）半控型器件）半控型器件( (Semi-controlled DeviceSemi-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）全控型器件）全控型器件( (Full-controlled DeviceFull-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：绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管（Insulate

9、d-Gate Bipolar TransistorIGBT）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(大功率晶体管）、大功率晶体管）、SIT(SIT(静电感应晶体管）、静电感应晶体管）、 SITHSITH（静电感应晶（静电感应晶闸管）、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 电力电子器件电力电子器件可控器件可控器件非可控器件非可控器件整流二极管整流二极管 自关断器件自关断器件非自关断

10、器件非自关断器件 普通晶闸管普通晶闸管(SCR)(SCR)快速晶闸管快速晶闸管(FST)(FST)双向晶闸管双向晶闸管(TRIAC)(TRIAC)逆导晶闸管逆导晶闸管(RCT)(RCT)光控晶闸管光控晶闸管(LTT)(LTT)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)静电感应型晶闸管静

11、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制端和公共端之间控制端和公共端之间信号信号的性质，分为两类：1)1)电流驱动型电流驱动型( (Current Driving TypeCurrent 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、GTR2)2)电压驱动型电压驱动型( (Voltage Driving TypeVoltage 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。又称为场控器件场控器件

12、，或场效应器件。如MOSFET2.1.2 电力电子器件的分类3、按照器件内部电子和空穴电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：1)1)单极型器件单极型器件( (Unipolar DeviceUnipolar Device) )：由一种载流子参与导电的器件（MOSFET, SIT, 肖特基二极管）2)2)双极型器件双极型器件( (Bipolar DeviceBipolar Device) )：由电子和空穴两种载流子参与导电的器件（GTR, GTO, SITH，SR）3)3)复合型器件复合型器件( (Complex DeviceComplex Device) )：由单极型器件和双极型器件集成混

13、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（

14、充满电子）时，其价带满带（充满电子），而其导带则无电子。，而其导带则无电子。+4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 22 电力电子器件基础+4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 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

15、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；2.2.1 PN2.2.1 PN结

16、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

17、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：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。

18、+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

19、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。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，

20、称为不能任意移动的杂质离子，称为空间电空间电荷。荷。 空间电荷建立的电场被称为空间电荷建立的电场被称为内电场内电场或或自建自建电场电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方，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，即为多子）向本区运动，即漂移运动漂移运动。 扩散运动和漂移运动既相互联系又是矛盾扩散运动和漂移运动既相互联系又是矛盾的的，最终达到动态平衡，正、负空间电荷，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量达到稳定值，形成了一个稳定的由空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

21、触电位差2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理 空间电荷区按所强调的角度不同也被空间电荷区按所强调的角度不同也被称为称为耗尽层、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，而少子的漂移运动漂移运动则得以抑制。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

22、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积累和复合复合，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。 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

23、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

24、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 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

25、.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流向）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，从而形成了边界，从而形成了反向电流。反

26、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，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

27、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

28、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 PN2.2.1 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

29、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，从而使反向电流急空穴对，从而使反向电流急剧增加，该现象称为齐纳击穿。剧增加，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 PN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

30、，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，

31、呈现电容效应电容效应，称，称为结电容。为结电容。JdQCdU因空间电荷区宽度的变化而呈现的电容效应称之为因空间电荷区宽度的变化而呈现的电容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JdQCdU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 B）和）和扩散电容扩散电容（C CD D）。）。势垒电容势垒电容（

32、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C CB B，扩散电容扩散电容C CD D）。）。PNPN结正向偏置时，结电阻非常小，结电容结正向偏置

33、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，尽管结电容较大，但对其通态特性的影响相对较小。结电容较大，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，尽管结电容较小，但对其断态特性影响不可忽视尽管结电容较小，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。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电力电子器件的封装 下图是电力电子器件几种常见的封装形式 以TO-220为例：T

34、O代表直插件，220代表封装定型号23 功率二极管 二极管的基本结构是半导体二极管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。 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

35、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 电力二极管电力二极管（Power DiodePower Diode）基本结构和工作原理与信息电子电路中的二）基本结构和工作原理与信息电子电路中的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（PNPNju

36、nctionjunction）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 PIN PIN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

37、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 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-区域中，区域中，N-N-区域可以承受很高的区域可以承受很高的外向击穿电压外向击穿电压

38、。 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大，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区域耗尽，甚至将空间电荷区扩展到到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

39、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 Characteristic）主要指其伏安特性伏安特性( (Volt-Ampere C

40、haracteristicVolt-Ampere Characteristic) )TS(e1)VVII 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。对于为热力学温度。对于室温（室温（ 25相当相当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（静态特性（Static State

41、CharacteristicStatic State Characteristic）主要指其伏安特性伏安特性( (Volt-Ampere CharacteristicVolt-Ampere Characteristic) )正压为门槛正压为门槛电压时，耗电压时，耗尽层消失尽层消失加反压：反向加反压：反向饱和电流（少饱和电流（少子抽取）子抽取）正压大于门槛正压大于门槛电压时，形成电压时，形成正向导通电流正向导通电流（少子注入）（少子注入）正压较小时：耗正压较小时：耗尽层变窄尽层变窄反压足够反压足够大：击穿大：击穿2.2. 动态特性动态特性(Dynamic Characteristic)动态特性动

42、态特性因结电容的存在，因结电容的存在，零偏置、正向偏置、反向偏置零偏置、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，此过程中的电压电压电电流特性是随时间变化的流特性是随时间变化的。动态特性动态特性主要指主要指开关特性开关特性( (Switching CharacteristicSwitching Characteristic) )，开关，开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

43、通过程开通过程( (Turn-on TransientTurn-on Transient) )： 电力二极管的正向压降先出现一个过冲电力二极管的正向压降先出现一个过冲U UFPFP，经过一，经过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.阻性机制：阻性机制： 电导调制作用。电导调制作用。I I N-区区的有效电的有效电阻阻 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，且电流变内部电感上压降，且电流变化率越

44、高，电压过冲越大。化率越高，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-off Transient)：DCFiVdidtLIFUFt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电路电感作用复合存储电荷复合存储电荷反向偏置状态建立反向偏置状态建

45、立体电阻压降所致体电阻压降所致外部电感决定外部电感决定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-off Transient)： 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，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

46、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（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：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

47、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。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（快速二极管分为快恢复（FRED）和超快恢复（）和超快恢复（Hiper FRED，Hiper

48、Fast soft Recovery Epitaxial Diode）两类。）两类。 FRED的关断时间在微秒级，常应用于开关频率为的关断时间在微秒级，常应用于开关频率为2050kHz的场合；的场合； Hiper FRED的关断时间在百纳秒级，常用于开关频率在的关断时间在百纳秒级，常用于开关频率在50kHz以上的场合。以上的场合。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，简称为肖特基势垒二极管，简称为肖特基二极管（肖特基二极管（SBDSBD，Schottky Schottky Barrier DiodeBarrier Diode），是利用金属与），是利用金属与N N型

49、半导体表面接触形成势垒的非型半导体表面接触形成势垒的非线性特性制成的功率二极管。线性特性制成的功率二极管。234 肖特基势垒二极管 由于由于N N型半导体中存在着大量的电子，型半导体中存在着大量的电子，金属中的电子浓度虽然高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，当金当金属与属与N N型半导体接触后，电子便从浓度高的型半导体接触后，电子便从浓度高的N N型半导体中向浓度低的型半导体中向浓度低的金属中扩散。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随着电子不断从半导体扩散到金属，半

50、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。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。垒。 尽管肖特基二极

51、管和结型二极管具有相仿的单向导电性，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；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，即空穴流，即SBDSBD的正向电流仅由多子形成，从而没有结型二极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；管的少子存储现象； 由于没有少子存储现象，反向恢复时没有抽取反向恢复电由于没有少子存储现象，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，仅为荷的过程，因此反向恢复时间很短，仅为101040ns40ns； 显然，

52、肖特基二极管是一种只有多数载流子参与导电的单显然，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。极性器件。 234 肖特基势垒二极管 肖特基二极管导通压降一般为肖特基二极管导通压降一般为0.40.41V1V（随反向耐压的提（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；极管低； 快恢复二极管的正向导通压降一般在快恢复二极管的正向导通压降一般在1V1V以上，随反向耐以上，随反向耐压的提高，正向导通压降甚至会超过压的提高，正向导通压降甚至会超过2V2V； 使用肖特基二极管有助于降低二极管的导通损耗，提高使用肖特

53、基二极管有助于降低二极管的导通损耗，提高电路的效率；电路的效率； 但由于其反向势垒较薄，故其反向耐压在但由于其反向势垒较薄，故其反向耐压在200V200V以下，因以下，因此适用于低电压输出的场合，并且肖特基二极管的反向漏电此适用于低电压输出的场合，并且肖特基二极管的反向漏电流相对较大且对温度敏感。流相对较大且对温度敏感。234 肖特基势垒二极管1.1.正向平均电流正向平均电流 I IF(AV)F(AV)正向平均电流（额定电流）正向平均电流（额定电流）：在指定的管壳温度（简称壳温，用：在指定的管壳温度（简称壳温，用T TC C表示表示）和散热条件下，其允许流过的）和散热条件下，其允许流过的最大工

54、频正弦半波电流的平均值最大工频正弦半波电流的平均值，在，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。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使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量，并应留有一定的裕量。当用在频率较高的场合时，当用在频率较高的场合时，开关损耗开关损耗造成的发热往往不能忽略。造成的发热往往不能忽略。当采用当采用反向漏电流反向漏电流较大的电力二极管（如肖特基二极管）时，其较大的电力二极管（如肖特基二极管）时，其断态断态损耗损耗造成的发热效应也不小。造成的发热效应也不小。 235 功率二极管

55、的主要参数1.1.正向平均电流正向平均电流 I IF(AV)F(AV)使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，即实际波形电流的有效值与正向平均电流所换算的有效值相等，并应留有一定的裕量。2mm01(sin)()22aIIItdtmm01sin()2dIIItdt1.57afdIKI2mm01()()22aIIIdt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aI1.57adII /1.572mdII235 功率二极管的主要参数2.2.正向压降正向压降 UF指电力二极管在指电力二极管在指定温度下指定温度下，流过某，流过某一指定的稳态正向电

56、流一指定的稳态正向电流时对应的时对应的正向压降正向压降有时参数表中也给出在指定温度下流过某一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瞬态正向大电流时器件的时器件的最大瞬时正向压降最大瞬时正向压降3.3.反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM额定电压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通常是其雪崩击穿电压U UB B的的2/32/3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两倍来选定来选定 235 功率二极管的主要参数4.4.最高

57、工作结温最高工作结温T TJMJM结温结温是指管芯是指管芯PNPN结的平均温度结的平均温度，用，用T TJ J表示，表示，注意结温与管壳温度不同注意结温与管壳温度不同最高工作结温最高工作结温是指在是指在PNPN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度T TJMJM通常在通常在125125175175 C C范围之内范围之内5.5.反向恢复时间反向恢复时间t trrrrt trrrr= = t td d+ + t tf f （延迟时间（延迟时间+ +下降时间），关断过程中，电流降到下降时间），关断过程中，电流降到0 0起到恢起到恢复反向阻断能力止的时间复反

58、向阻断能力止的时间6.6.浪涌电流浪涌电流I IFSMFSM指电力二极管所能承受最大的指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期连续一个或几个工频周期的过电流。的过电流。一一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。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 电力二极管的电力二极管的主要应用主要应用： 整流：整流：利用单向导电性。最广泛的应用利用单向导电性。最广泛的应用02tu2ud02tVD1单相交流udRu2236 功率二极管的应用 电力二极管的电力二极管的主要应用主要应用：续流：续流：236 功率二极管的应用 电力二极管

59、的电力二极管的主要应用主要应用： 限幅：限幅：限制输入信号电压在某个范围内限制输入信号电压在某个范围内 钳位：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，可分成恢复特性的不同，可分成普通二极管普通二极管、快恢复二极管快恢复二极管、与、与肖肖特基二极管特基二极管。 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。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。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。2

60、36 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。法。采用多个功率二极管串联时，应考虑断态时的均压问题。采用多个功率二极管串联时，应考虑断态时的均压问题。图中的图中的R1R3可均衡静可均衡静态压降，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是为了限是为了限制电容的反向冲击电流。制电容的反向冲击电流。 采用多个功率二极管并联提高电