第2章電力電子器件及其應(yīng)用講述

1、安徽省高等學(xué)校精品課程合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 張興12345晶閘管晶閘管（SCR）可關(guān)斷晶閘管（可關(guān)斷晶閘管（GTOGTO）電力晶體管電力晶體管（GTR） 6電力電子器件基礎(chǔ)電力電子器件基礎(chǔ)電力電子器件的特點(diǎn)與分類電力電子器件的特點(diǎn)與分類 功率二極管功率二極管 功率場效應(yīng)晶體管功率場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)7絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)8910其它新型電力電子器件其它新型電力電子器件電力電子器件的發(fā)展趨勢電力電子器件的發(fā)展趨勢電力電子器件應(yīng)用共性問題電力電子器件應(yīng)用共性問題11總結(jié)總結(jié) 12電力電子器件電力電子器件（Power Electronic Devic

2、e）可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。 主電路主電路（Main Power Circuit）電力電子 設(shè)備或系統(tǒng)中，直接完成電能變換或控制的電路。2.1.1 電力電子器件的特點(diǎn)2.1.1 電力電子器件的特點(diǎn) 廣義上電力電子器件可分為電真空器件電真空器件和半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件兩類。 自20世紀(jì)50年代以來，真空管（Vacuum Valve）僅在頻率很高（如微波，數(shù)GHz）的大功率高頻電源中還在使用，而在大多數(shù)電能變換領(lǐng)域，電力半導(dǎo)體器件已取代了汞弧整汞弧整流器流器、閘流管閘流管等電真空器件，成為絕對的主流器件。因此，通常所說的電力電子器件也往往專指電力半導(dǎo)體器件電力電

3、子器件也往往專指電力半導(dǎo)體器件。 電力半導(dǎo)體器件電力半導(dǎo)體器件所采用的主要材料仍然是硅硅(也可以是鍺、硒、金剛石等單元素材料，或者是砷化鎵、碳化硅等化合物材料）。2.1.1 電力電子器件的特點(diǎn)同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征：一般特征：1 1）具有較大的耗散功率）具有較大的耗散功率 處理功率較大，具有較高的導(dǎo)通電流和阻斷電壓處理功率較大，具有較高的導(dǎo)通電流和阻斷電壓 器件自身的非理想性（導(dǎo)通電阻、阻斷漏電流等器件自身的非理想性（導(dǎo)通電阻、阻斷漏電流等） 一般都需要安裝散熱器一般都需要安裝散熱器2.1.1 電力電子器件的特點(diǎn)2.1.1 電力

4、電子器件的特點(diǎn)電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)導(dǎo)通時(shí)（通態(tài)）（通態(tài)）阻抗很小，接近于短路，管壓降管壓降接近于零，而電流由外電路決定阻斷時(shí)（斷態(tài)斷態(tài)）阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決定電力電子器件的動(dòng)態(tài)特性（開關(guān)特性動(dòng)態(tài)特性（開關(guān)特性）和參數(shù)，也是電力電子器件特性很重要的方面，特別是在高性能的電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，甚至上升為最為關(guān)鍵的重要問題。作電路分析時(shí)，為簡單起見往往用理想開關(guān)理想開關(guān)來代替有時(shí)將其稱之為電力電子開關(guān)或電力半導(dǎo)體開關(guān)電力電子開關(guān)或電力半導(dǎo)體開關(guān)。2.1.1 電力電子器件的特點(diǎn) 電力電子器件一般需要專門的驅(qū)動(dòng)電路來控制電

5、力電子器件一般需要專門的驅(qū)動(dòng)電路來控制 在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對控制電路的信號進(jìn)行適當(dāng)功率放大功率放大，這就是電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路(Driving Circuit）2.1.1 電力電子器件的特點(diǎn)4 4）電力電子器件工作時(shí)常需配置緩沖和保護(hù)電路）電力電子器件工作時(shí)常需配置緩沖和保護(hù)電路 電力電子器件的過壓、過流能力較弱電力電子器件的過壓、過流能力較弱 開關(guān)過程中電壓、電流會(huì)發(fā)生急劇變化開關(guān)過程中電壓、電流會(huì)發(fā)生急劇變化 為了增強(qiáng)可靠性通常為了增強(qiáng)可靠性通常需要緩沖電路抑制電壓電流變化率需要緩沖電路抑制電壓電流變化率 保護(hù)電路用于防止電壓和電流超過器件極限值保護(hù)電路用

6、于防止電壓和電流超過器件極限值2.1.1 電力電子器件的特點(diǎn)電力電子系統(tǒng)電力電子系統(tǒng)：由控制電路控制電路、驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路保護(hù)電路 和以電力電子器件為核心的主電路主電路組成?？刂齐娐稲L主電路V1V2檢測電路驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個(gè)系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行電氣隔離控制電路電力電子器件有三個(gè)端子組成2.1.1 電力電子器件的特點(diǎn)2.1.2 電力電子器件的分類1 1、按照器件能夠被控制電路、按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度信號所控制的程度，分為以下三類：，分為以下三類：1 1）半半控型器件控型器件( (Semi-controlled Dev

7、iceSemi-controlled Device) ) 通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定晶閘管晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件2.1.2 電力電子器件的分類全控型器件全控型器件( (Full-controlled DeviceFull-controlled Device) )通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管（Power MOSFET，簡稱為電力MOSFET）門極

8、可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）GTR(GTR(大功率晶體管）、大功率晶體管）、SIT(SIT(靜電感應(yīng)晶體管）、靜電感應(yīng)晶體管）、 SITHSITH（靜電感應(yīng)晶（靜電感應(yīng)晶閘管）、閘管）、 IGCTIGCT（集成門極換向晶體管）等（集成門極換向晶體管）等2.1.2 電力電子器件的分類不可控器件不可控器件( (Uncontrolled DeviceUncontrolled Device) )不能用控制信號來控制其通斷，因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路電力二極管（Power Diode）只有兩個(gè)端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的2

9、.1.2 電力電子器件的分類電力電子器件電力電子器件可控器件可控器件非可控器件非可控器件整流二極管整流二極管自關(guān)斷器件自關(guān)斷器件非自關(guān)斷器件非自關(guān)斷器件普通晶閘管普通晶閘管(SCR)(SCR)快速晶閘管快速晶閘管(FST)(FST)雙向晶閘管雙向晶閘管(TRIAC)(TRIAC)逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管(RCT)(RCT)光控晶閘管光控晶閘管(LTT)(LTT)晶體管晶體管晶閘管晶閘管雙極型電力晶體管雙極型電力晶體管(GTR)(GTR)電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管(PMOSFET)(PMOSFET)絕緣柵雙極電力晶體管絕緣柵雙極電力晶體管(IGBT)(IGBT)靜電感應(yīng)型晶體管靜電感應(yīng)型晶體管

10、(SIT)(SIT)門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)(GTO)場控晶閘管場控晶閘管(MCT)(MCT)靜電感應(yīng)型晶閘管靜電感應(yīng)型晶閘管(SITH)(SITH)電力電子器件分類樹電力電子器件分類樹1 12.1.2 電力電子器件的分類2、按照驅(qū)動(dòng)電路加在器件控制端和公共端之間控制端和公共端之間信號信號的性質(zhì)，分為兩類：電流驅(qū)動(dòng)型電流驅(qū)動(dòng)型( (Current Driving TypeCurrent Driving Type) )通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。如GTO、GTR1)1)電壓驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型( (Voltage Driving TypeVoltage D

11、riving Type) )僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。又稱為場控器件場控器件，或場效應(yīng)器件。如MOSFET2.1.2 電力電子器件的分類3、按照器件內(nèi)部電子和空穴電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類：單極型器件單極型器件( (Unipolar DeviceUnipolar Device) )：由一種載流子參與導(dǎo)電的器件（MOSFET, SIT, 肖特基二極管）雙極型器件雙極型器件( (Bipolar DeviceBipolar Device) )：由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件（GTR, GTO, SITH，SR）1)1)復(fù)合型器件復(fù)合

12、型器件( (Complex DeviceComplex Device) )：由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件（IGBT,MCT,IGCT） 2.1.2 電力電子器件的分類 電力電子器件分類樹電力電子器件分類樹2 22.1.2 電力電子器件的分類2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理 半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。其導(dǎo)和絕緣體之間的物質(zhì)。其導(dǎo)電能力受到外部條件（如光、電能力受到外部條件（如光、熱等）影響。半導(dǎo)體是否純熱等）影響。半導(dǎo)體是否純凈也會(huì)影響其導(dǎo)電能力。凈也會(huì)影響其導(dǎo)電能力。 本征（本征（instinct）半導(dǎo)體：）半導(dǎo)體：是是一種完

13、全純凈的、結(jié)構(gòu)完整一種完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。的半導(dǎo)體晶體。 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 22 電力電子器件基礎(chǔ) +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 溫度溫度 光照光照自由電子自由電子空穴空穴本征激發(fā)本征激發(fā)空穴空穴共價(jià)鍵中的空位共價(jià)鍵中的空位空穴的移動(dòng)空穴的移動(dòng)空穴的運(yùn)動(dòng)空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)的。填空穴來實(shí)現(xiàn)的。由熱激發(fā)或光照而使電子脫離由熱激發(fā)或光照而使電子脫離共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生自由電子，共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生自由電子，同時(shí)在共價(jià)鍵中形成空穴，由同時(shí)在共價(jià)鍵中形成空穴，由此產(chǎn)生此產(chǎn)生自

14、由電子和空穴對自由電子和空穴對。溫度溫度 載流子載流子濃度濃度 2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理載流子：載流子：（源于金屬導(dǎo)體），電流是電子在導(dǎo)體中的定向流動(dòng)，而在金屬導(dǎo)體中能夠運(yùn)載電流的只有金屬導(dǎo)體中能夠運(yùn)載電流的只有其中的自由電子，其中的自由電子，他們是金屬原子結(jié)合成固體時(shí)釋放出來的供全體原子共有的最外層電子，即價(jià)電子最外層電子，即價(jià)電子，為了區(qū)別于被束縛的內(nèi)層電子，人們將其稱之為載載流子流子。2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理221 PN結(jié)原理幾個(gè)重要概念：幾個(gè)重要概念：1）原子最外層的電子稱為價(jià)電子；）原子最外層的電子稱為價(jià)電子；2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)

15、原理結(jié)原理2）價(jià)帶上的電子是不能導(dǎo)電的，只有當(dāng)價(jià)帶上的電子獲得足夠的能）價(jià)帶上的電子是不能導(dǎo)電的，只有當(dāng)價(jià)帶上的電子獲得足夠的能量跨越禁帶而躍遷到導(dǎo)帶上成為自由電子后，并在外電場的作用下量跨越禁帶而躍遷到導(dǎo)帶上成為自由電子后，并在外電場的作用下即可導(dǎo)電；即可導(dǎo)電；3）絕緣體的禁帶很寬，半導(dǎo)體的禁帶較窄，導(dǎo)體沒有禁帶；）絕緣體的禁帶很寬，半導(dǎo)體的禁帶較窄，導(dǎo)體沒有禁帶；4）本征半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶后，同時(shí)會(huì)在價(jià)帶上出現(xiàn)空穴）本征半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶后，同時(shí)會(huì)在價(jià)帶上出現(xiàn)空穴，導(dǎo)帶上的自由電子和價(jià)帶中的空穴都能在外電場的作用下產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)帶上的自由電子和價(jià)帶中的空穴都能在外

16、電場的作用下產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)而形成電流，因此而形成電流，因此半導(dǎo)體中的導(dǎo)帶電子與價(jià)帶空穴都是運(yùn)載電流的粒子，半導(dǎo)體中的導(dǎo)帶電子與價(jià)帶空穴都是運(yùn)載電流的粒子，因此稱為載流子；因此稱為載流子；5）價(jià)帶中空穴的移動(dòng)始終是價(jià)帶中束縛電子在共價(jià)鍵內(nèi)的移動(dòng)，它和已）價(jià)帶中空穴的移動(dòng)始終是價(jià)帶中束縛電子在共價(jià)鍵內(nèi)的移動(dòng)，它和已經(jīng)掙脫共價(jià)鍵而躍遷至導(dǎo)帶中的自由電子完全不同經(jīng)掙脫共價(jià)鍵而躍遷至導(dǎo)帶中的自由電子完全不同；6）在本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)的，即其導(dǎo)帶電子與價(jià)）在本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)的，即其導(dǎo)帶電子與價(jià)帶空穴數(shù)總是相等的。帶空穴數(shù)總是相等的。+4+4+4+4+4+4+4+4+

17、4+4+4+4N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體：多數(shù)載流子-電子；少數(shù)載流子-空穴）在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)的元素在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)的元素( (磷、砷、銻磷、砷、銻 ) )多余電子，多余電子，成為自由電子成為自由電子+5自由電子自由電子（多數(shù)載流子）（多數(shù)載流子）雜質(zhì)半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。+52.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 （空穴型半導(dǎo)體：多數(shù)載流子-空穴；少數(shù)載流子-電子） （空穴型半導(dǎo)體）在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)的

18、元素（硼）在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)的元素（硼）+3空穴空穴( (多數(shù)載流子）多數(shù)載流子）受主受主雜質(zhì)雜質(zhì)2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理PN結(jié)：結(jié)：是指半導(dǎo)體的P型導(dǎo)電區(qū)和N型導(dǎo)電區(qū)的結(jié)合部。 界面兩側(cè)分別留下了帶正、負(fù)界面兩側(cè)分別留下了帶正、負(fù)電荷但不能任意移動(dòng)的雜質(zhì)離子，電荷但不能任意移動(dòng)的雜質(zhì)離子，稱為稱為空間電荷空間電荷。N N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P P型半導(dǎo)體結(jié)合后，交界型半導(dǎo)體結(jié)合后，交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的區(qū)的多子向另一區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，到對，到對方區(qū)內(nèi)成為少子。方區(qū)內(nèi)成為少子。2.2.1 PN2.2.1

19、 PN結(jié)原理結(jié)原理 空間電荷建立的電場被稱為空間電荷建立的電場被稱為內(nèi)電場內(nèi)電場或或自建自建電場電場，其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的，另一方，其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的，另一方面又吸引對方區(qū)內(nèi)的少子（對本區(qū)而言則面又吸引對方區(qū)內(nèi)的少子（對本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運(yùn)動(dòng)，即為多子）向本區(qū)運(yùn)動(dòng)，即漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)。 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)既相互聯(lián)系又是矛盾擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)既相互聯(lián)系又是矛盾的的，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，按電荷構(gòu)成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，按所強(qiáng)調(diào)的角度

20、不同也被稱為所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋耗盡層、阻擋層層或或勢壘區(qū)（勢壘區(qū)（BarrierBarrier）。接觸電位差2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理 正向偏置正向偏置1)1)在正向偏置外電場作用下在正向偏置外電場作用下,P,P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)區(qū)多子的多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)得以加強(qiáng)，而少子的得以加強(qiáng)，而少子的飄移運(yùn)動(dòng)飄移運(yùn)動(dòng)則得以抑制則得以抑制2)P2)P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)多子穿過耗盡層，到達(dá)對方，區(qū)多子穿過耗盡層，到達(dá)對方，稱為稱為少子注入少子注入，這是正向偏置傳導(dǎo)電流的，這是正向偏置傳導(dǎo)電流的根本方式根本方式2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理 正向偏置正向偏置3

21、 3）P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)的注入少子將產(chǎn)生區(qū)的注入少子將產(chǎn)生積累和積累和復(fù)合復(fù)合，這是維持正向?qū)ǖ母驹?，這是維持正向?qū)ǖ母驹? 4）隨著正向偏置電壓的增加，）隨著正向偏置電壓的增加，內(nèi)電場內(nèi)電場將逐漸消弱直至消失將逐漸消弱直至消失（此時(shí)對應(yīng)的陽（此時(shí)對應(yīng)的陽極和陰極間的電壓成為極和陰極間的電壓成為門檻電壓門檻電壓），），PNPN結(jié)導(dǎo)通電流迅速增大，進(jìn)而完成結(jié)導(dǎo)通電流迅速增大，進(jìn)而完成PNPN結(jié)的正向?qū)ā＝Y(jié)的正向?qū)ā?.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理 正向偏置正向偏置5 5）起初）起初PNPN結(jié)流過的正向電流較小時(shí)，結(jié)流過的正向電流較小時(shí)，N N- -區(qū)歐姆電阻較大，

22、隨著電流的增大，區(qū)歐姆電阻較大，隨著電流的增大，P P區(qū)區(qū)向向N N- -區(qū)注入的空穴增多，為了維持半導(dǎo)區(qū)注入的空穴增多，為了維持半導(dǎo)體的電中性其多子（電子）濃度也將相體的電中性其多子（電子）濃度也將相應(yīng)增大，使其電阻率明顯下降應(yīng)增大，使其電阻率明顯下降，這就是，這就是電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)正向?qū)〞r(shí)體電阻減正向?qū)〞r(shí)體電阻減小的原因小的原因。2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理6 6）PNPN結(jié)正偏時(shí)少數(shù)載流子會(huì)在空間電荷區(qū)結(jié)正偏時(shí)少數(shù)載流子會(huì)在空間電荷區(qū) 兩側(cè)積累，從而影響了其開關(guān)特性兩側(cè)積累，從而影響了其開關(guān)特性 反向偏置反向偏置1 1）在反向偏置外電場作用下，）在反向偏置外電

23、場作用下，P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)少區(qū)少子的子的飄移運(yùn)動(dòng)飄移運(yùn)動(dòng)得以加強(qiáng)，而多子的得以加強(qiáng)，而多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)則得以抑制，反向偏置使空間電荷區(qū)電場增則得以抑制，反向偏置使空間電荷區(qū)電場增強(qiáng)，即強(qiáng)，即N N區(qū)邊界的空穴將被空間電荷的強(qiáng)電區(qū)邊界的空穴將被空間電荷的強(qiáng)電場移向場移向P P區(qū)，類似的情況也發(fā)生在區(qū)，類似的情況也發(fā)生在P P區(qū)邊界，區(qū)邊界，這就是這就是PNPN結(jié)反偏時(shí)的少子抽取過程，這一過結(jié)反偏時(shí)的少子抽取過程，這一過程是影響其開關(guān)快速性的重要因素。程是影響其開關(guān)快速性的重要因素。2 2）邊界載流子被抽走之后，中性區(qū)內(nèi)少子）邊界載流子被抽走之后，中性區(qū)內(nèi)少子由于反向外電場的作用而流向

24、邊界，從而形由于反向外電場的作用而流向邊界，從而形成了成了反向電流反向電流2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理 反向偏置反向偏置3 3） 這種形成反向漏電流的方式為這種形成反向漏電流的方式為少子抽少子抽取取，不同于正偏時(shí)的，不同于正偏時(shí)的少子注入少子注入，因本征半，因本征半導(dǎo)體的少子密度有限，使得反向漏電流大導(dǎo)體的少子密度有限，使得反向漏電流大小不取決于反偏電壓，而取決于少子來源小不取決于反偏電壓，而取決于少子來源的豐富程度。的豐富程度。4 4）在很大的電壓范圍內(nèi)，穩(wěn)態(tài)時(shí)反向漏）在很大的電壓范圍內(nèi)，穩(wěn)態(tài)時(shí)反向漏電流的大小不隨電壓變化，因此通常將電流的大小不隨電壓變化，因此通常將其稱之為

25、其稱之為反向飽和電流反向飽和電流。2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理 反向偏置反向偏置5 5） 隨著反偏電壓的增大，會(huì)出現(xiàn)隨著反偏電壓的增大，會(huì)出現(xiàn)穿通穿通和和擊穿擊穿現(xiàn)象，從而造成反向電流急劇上升?，F(xiàn)象，從而造成反向電流急劇上升。穿通穿通：空間電荷區(qū)隨著反偏電壓的升高而：空間電荷區(qū)隨著反偏電壓的升高而展開，直到與電極接通，從而直接從電極展開，直到與電極接通，從而直接從電極抽取載流子，于是反向電流急劇增大，形抽取載流子，于是反向電流急劇增大，形成短路現(xiàn)象。成短路現(xiàn)象。擊穿擊穿：雪崩擊穿、齊納擊穿、熱擊穿：雪崩擊穿、齊納擊穿、熱擊穿2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理 反向偏置

26、的反向偏置的擊穿擊穿雪崩擊穿：雪崩擊穿：隨著外加反向偏壓的增加，空間電荷區(qū)的場強(qiáng)增強(qiáng)，邊界飄移進(jìn)入空間電荷隨著外加反向偏壓的增加，空間電荷區(qū)的場強(qiáng)增強(qiáng)，邊界飄移進(jìn)入空間電荷區(qū)的載流子受電場加速而區(qū)的載流子受電場加速而獲得很高的動(dòng)能獲得很高的動(dòng)能，高能量載流子在空間電荷區(qū)與點(diǎn)陣，高能量載流子在空間電荷區(qū)與點(diǎn)陣原子碰撞原子碰撞使之產(chǎn)生碰撞電離使之產(chǎn)生碰撞電離，并形成新的高能載流子，進(jìn)而產(chǎn)生一增二、二增四的倍增效應(yīng)，反，并形成新的高能載流子，進(jìn)而產(chǎn)生一增二、二增四的倍增效應(yīng)，反向電流如同雪崩一樣迅速增大。向電流如同雪崩一樣迅速增大。2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理齊納擊穿：齊納擊穿： 齊

27、納擊穿也稱隧道擊穿，它是在較低的反向電壓下發(fā)生的擊穿。齊納擊穿也稱隧道擊穿，它是在較低的反向電壓下發(fā)生的擊穿。在高在高摻雜濃度的摻雜濃度的PNPN結(jié)中，結(jié)中，P P區(qū)與區(qū)與N N區(qū)之間的間距較窄區(qū)之間的間距較窄，因此一定的反偏電壓就能使電場強(qiáng)度，因此一定的反偏電壓就能使電場強(qiáng)度足夠大，從而能破壞共價(jià)鍵，并將束縛電子分離出來形成電子足夠大，從而能破壞共價(jià)鍵，并將束縛電子分離出來形成電子- -空穴對，從而使反向空穴對，從而使反向電流急劇增加，該現(xiàn)象稱為齊納擊穿。電流急劇增加，該現(xiàn)象稱為齊納擊穿。熱擊穿：熱擊穿：上述兩種型式的擊穿過程都是可逆的，若此時(shí)外電路能采取措施限制反向上述兩種型式的擊穿過程都

28、是可逆的，若此時(shí)外電路能采取措施限制反向電流，當(dāng)反向電壓降低后電流，當(dāng)反向電壓降低后PNPN結(jié)仍可恢復(fù)原來狀態(tài)。否則反向電壓和反向電流乘積過大結(jié)仍可恢復(fù)原來狀態(tài)。否則反向電壓和反向電流乘積過大，會(huì)超過，會(huì)超過PNPN結(jié)容許的耗散功率，導(dǎo)致熱量無法散發(fā)，結(jié)容許的耗散功率，導(dǎo)致熱量無法散發(fā)，PNPN結(jié)溫度上升直至過熱而燒毀。結(jié)溫度上升直至過熱而燒毀。這種現(xiàn)象稱為熱擊穿，必須盡可能避免熱擊穿這種現(xiàn)象稱為熱擊穿，必須盡可能避免熱擊穿。 結(jié)電容結(jié)電容（影響動(dòng)態(tài)特性）（影響動(dòng)態(tài)特性）PNPN結(jié)的電荷量隨外加電壓的變化而變化，呈現(xiàn)結(jié)的電荷量隨外加電壓的變化而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)電容效應(yīng)，稱，稱為結(jié)電容。為結(jié)電

29、容。JdQCdU因空間電荷區(qū)寬度的變化而呈現(xiàn)的電荷效應(yīng)因空間電荷區(qū)寬度的變化而呈現(xiàn)的電荷效應(yīng)，稱之為，稱之為勢壘電容勢壘電容（C CB B）。）。2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理 結(jié)電容結(jié)電容PNPN結(jié)的電荷量隨外加電壓的變化而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱結(jié)的電荷量隨外加電壓的變化而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容。為結(jié)電容。JdQCdU因載流子的擴(kuò)散、積累而形成的電容效應(yīng)，因載流子的擴(kuò)散、積累而形成的電容效應(yīng)，稱之為稱之為擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容（C CD D）。）。2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理 結(jié)電容結(jié)電容結(jié)電容結(jié)電容（C CJ J）又稱微分電容，包括）又稱微分電容，包括勢壘電

30、容勢壘電容（C CB B）和）和擴(kuò)散電擴(kuò)散電容容（C CD D）。）。勢壘電容勢壘電容（C CB B）只在外加電壓變化時(shí)才起作用，且外加電壓）只在外加電壓變化時(shí)才起作用，且外加電壓頻率越高，勢壘電容越明顯。其大小與頻率越高，勢壘電容越明顯。其大小與PNPN結(jié)截面積成正比，結(jié)截面積成正比，與與阻擋層厚度成反比阻擋層厚度成反比。擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容（C CB B）僅在正偏時(shí)才起作用。）僅在正偏時(shí)才起作用。正偏時(shí)，電壓較低時(shí)勢壘電容為主，電壓較高時(shí)擴(kuò)散容為主。正偏時(shí)，電壓較低時(shí)勢壘電容為主，電壓較高時(shí)擴(kuò)散容為主。2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理 結(jié)電容結(jié)電容PNPN結(jié)正向偏置時(shí)，結(jié)電阻非常小

31、，結(jié)電容結(jié)正向偏置時(shí)，結(jié)電阻非常小，結(jié)電容C CJ J主要是擴(kuò)散電主要是擴(kuò)散電容容C CD D，盡管結(jié)電容較大，但對其通態(tài)特性的影響相對較小，盡管結(jié)電容較大，但對其通態(tài)特性的影響相對較小。PNPN結(jié)反向偏置時(shí)，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，結(jié)電容主要是勢壘結(jié)反向偏置時(shí)，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，結(jié)電容主要是勢壘電容電容C CB B，盡管結(jié)電容較小，但對其斷態(tài)特性影響不可忽視，盡管結(jié)電容較小，但對其斷態(tài)特性影響不可忽視高頻工作時(shí)，結(jié)電容將對其工作產(chǎn)生較大影響。高頻工作時(shí)，結(jié)電容將對其工作產(chǎn)生較大影響。2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理222電力電子器件的封裝 下圖是電力電子器件幾種常見的封裝形式 以T

32、O-220為例：TO代表直插件，220代表封裝定型號23 功率二極管 二極管的基本結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體二極管的基本結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體PNPN結(jié)，具有單結(jié)，具有單向?qū)щ娦裕蚱脮r(shí)表現(xiàn)為低阻態(tài)，形成正向?qū)щ娦?，正向偏置時(shí)表現(xiàn)為低阻態(tài)，形成正向電流，稱為正向?qū)?；而反向偏置時(shí)表現(xiàn)為向電流，稱為正向?qū)?；而反向偏置時(shí)表現(xiàn)為高阻態(tài)，穩(wěn)態(tài)時(shí)幾乎沒有電流，只有很小的反高阻態(tài)，穩(wěn)態(tài)時(shí)幾乎沒有電流，只有很小的反向漏電流，稱為反向截止。向漏電流，稱為反向截止。 功率二極管（功率二極管（Power DiodePower Diode）屬于不可控電）屬于不可控電力電子器件，是力電子器件，是2020世紀(jì)最早獲得應(yīng)用的電力電世紀(jì)最早

33、獲得應(yīng)用的電力電子器件，它在整流、逆變等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要子器件，它在整流、逆變等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用?；趯?dǎo)電機(jī)理和結(jié)構(gòu)的不同，二極管的作用?；趯?dǎo)電機(jī)理和結(jié)構(gòu)的不同，二極管可分為可分為結(jié)型二極管和肖特基勢壘二極管結(jié)型二極管和肖特基勢壘二極管。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)外形外形電氣符號電氣符號2.3.1 2.3.1 結(jié)型電力二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)型電力二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理 電力二極管電力二極管（Power DiodePower Diode）基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二）基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣以極管一樣以PNPN結(jié)為基礎(chǔ)結(jié)為基礎(chǔ) 由一個(gè)面積較大的由一個(gè)面積較大的PNPN

34、結(jié)結(jié)（PNPNjunctionjunction）和兩端引線以及封裝組成的）和兩端引線以及封裝組成的N-區(qū) 為了提高為了提高PNPN結(jié)二極管承受反向電壓的阻斷能力，并用較薄的硅片得到一般結(jié)二極管承受反向電壓的阻斷能力，并用較薄的硅片得到一般PNPN結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)在硅片較厚時(shí)才能獲得的高反壓阻斷能力，工藝上結(jié)型功率二極管多采用硅片較厚時(shí)才能獲得的高反壓阻斷能力，工藝上結(jié)型功率二極管多采用PINPIN（I I是是 “本本征征”意義的英文略語）結(jié)構(gòu)意義的英文略語）結(jié)構(gòu)。 2.3.1 結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理 PINPIN功率二極管在功率二極管在P P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N N型半導(dǎo)體之間夾有一型半

35、導(dǎo)體之間夾有一層摻有輕微雜質(zhì)的高阻抗層摻有輕微雜質(zhì)的高阻抗N-N-區(qū)域，該區(qū)域由于摻雜濃度區(qū)域，該區(qū)域由于摻雜濃度低而接近于純半導(dǎo)體，即本征半導(dǎo)體。低而接近于純半導(dǎo)體，即本征半導(dǎo)體。 由于由于N-N-區(qū)域比區(qū)域比P P區(qū)域的摻雜濃度低的多，區(qū)域的摻雜濃度低的多，PN-PN-空間電空間電荷區(qū)主要在荷區(qū)主要在N-N-側(cè)展開，故側(cè)展開，故PNPN結(jié)的內(nèi)電場基本集中在結(jié)的內(nèi)電場基本集中在N-N-區(qū)區(qū)域中，域中，N-N-區(qū)域可以承受很高的外向擊穿電壓區(qū)域可以承受很高的外向擊穿電壓。 低摻雜低摻雜N-N-區(qū)域越厚，功率二極管能夠承受的反向電壓區(qū)域越厚，功率二極管能夠承受的反向電壓就越高。就越高。 在在PN

36、PN結(jié)反向偏置的狀態(tài)下，結(jié)反向偏置的狀態(tài)下，N-N-區(qū)域的空間電荷區(qū)寬度增加，其阻抗增大，足夠高的區(qū)域的空間電荷區(qū)寬度增加，其阻抗增大，足夠高的反向電壓還可以使整個(gè)反向電壓還可以使整個(gè)N-N-區(qū)域耗盡，甚至將空間電荷區(qū)擴(kuò)展到區(qū)域耗盡，甚至將空間電荷區(qū)擴(kuò)展到N N區(qū)域。如果區(qū)域。如果P P區(qū)域和區(qū)域和N N區(qū)區(qū)域的摻雜濃度足夠高，則域的摻雜濃度足夠高，則空間電荷區(qū)將被局限在空間電荷區(qū)將被局限在N-N-區(qū)域，從而避免電極的穿通區(qū)域，從而避免電極的穿通。 N-區(qū)的存在產(chǎn)生的影響：區(qū)的存在產(chǎn)生的影響： 1）提高器件的耐壓）提高器件的耐壓 2）造成器件通態(tài)壓降的升高）造成器件通態(tài)壓降的升高 3）能夠減小

37、結(jié)電容的作用）能夠減小結(jié)電容的作用（ N-區(qū)較寬的空間電荷區(qū)），提區(qū)較寬的空間電荷區(qū)），提高器件的工作頻率高器件的工作頻率2.3.1 2.3.1 結(jié)型電力二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)型電力二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理2.3.2 2.3.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性靜態(tài)特性（靜態(tài)特性（Static State CharacteristicStatic State Characteristic）主要指其伏安特性伏安特性( (Volt-Ampere CharacteristicVolt-Ampere Characteristic) )TS(e1)VVII 式中：式中：IS 為反向飽和電流為

38、反向飽和電流，V 為二極管兩端為二極管兩端的電壓降的電壓降，VT =kT/q 稱為溫度的電壓當(dāng)量稱為溫度的電壓當(dāng)量，k為玻耳茲曼常數(shù)（為玻耳茲曼常數(shù)（1.381023），），q 為電子電為電子電荷量（荷量（1.61019），）， ，T 為熱力學(xué)溫度。對為熱力學(xué)溫度。對于室溫（相當(dāng)于室溫（相當(dāng)T=300 K），則有），則有VT=26 mV。2.3.2 2.3.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性靜態(tài)特性（靜態(tài)特性（Static State CharacteristicStatic State Characteristic）主要指其伏安特性伏安特性( (Volt-Ampere Charac

39、teristicVolt-Ampere Characteristic) )門檻門檻電壓電壓反向飽和電反向飽和電流（少子抽流（少子抽取）?。┱?qū)娬驅(qū)娏鳎ㄉ僮幼⒘鳎ㄉ僮幼⑷耄┤耄┖谋M層變窄擊穿擊穿動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性(Dynamic Characteristic)動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性因結(jié)電容的存在，因結(jié)電容的存在，零偏置、正向偏置、反向偏置零偏置、正向偏置、反向偏置等狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個(gè)過渡過程，此過程中的等狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個(gè)過渡過程，此過程中的電壓電壓電電流特性是隨時(shí)間變化的流特性是隨時(shí)間變化的。動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性主要指主要指開關(guān)特性開關(guān)特性( (Switching Characte

40、risticSwitching Characteristic) )，開關(guān)，開關(guān)特性反映特性反映通態(tài)和斷態(tài)通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程。之間的轉(zhuǎn)換過程。2.3.2 2.3.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性2.3.2 2.3.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 開通過程開通過程( (Turn-on TransientTurn-on Transient) )： 電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過沖電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過沖U UFPFP，經(jīng)過一，經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如 2V2V）。）。 電壓過沖物理機(jī)制主要有兩個(gè)：電壓過

41、沖物理機(jī)制主要有兩個(gè)： a.a.阻性機(jī)制：阻性機(jī)制： 電導(dǎo)調(diào)制作用。電導(dǎo)調(diào)制作用。I I N-區(qū)區(qū)的有效電的有效電阻阻 管壓降也降低，形成峰值管壓降也降低，形成峰值U UFPFP。b.b.感性機(jī)制：感性機(jī)制：正向電流正向電流內(nèi)部電感上壓降，且電流變內(nèi)部電感上壓降，且電流變化率越高，電壓過沖越大?；试礁?，電壓過沖越大。正向恢復(fù)時(shí)間正向恢復(fù)時(shí)間（正向電壓從零開始經(jīng)峰值電壓（正向電壓從零開始經(jīng)峰值電壓U UFPFP再降再降至穩(wěn)態(tài)電壓至穩(wěn)態(tài)電壓UFUF所需要的時(shí)間所需要的時(shí)間t tfrfr) )正向恢復(fù)時(shí)間的影響因素正向恢復(fù)時(shí)間的影響因素：結(jié)溫結(jié)溫 、開通前偏置、開通前偏置2.3.2 2.3.2 電

42、力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 關(guān)斷過程關(guān)斷過程(Turn-off Transient)：DCFiVdidtLIFUFt圖圖1-51-5（a a） 電力二極管的關(guān)斷過程電力二極管的關(guān)斷過程電路電感作用復(fù)合存儲(chǔ)電荷反向偏置狀態(tài)建立體電阻壓降所致外部電感決定2.3.2 2.3.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 關(guān)斷過程關(guān)斷過程(Turn-off Transient)： 特征：特征：1 1）在關(guān)斷之前有）在關(guān)斷之前有較大的反向電流較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖反向電壓過沖2 2）須經(jīng)過）須經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力一段短暫的時(shí)間

43、才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)3 3）下降時(shí)間）下降時(shí)間t tf f與延遲時(shí)間與延遲時(shí)間t td d之比稱為反向恢復(fù)系數(shù)，即之比稱為反向恢復(fù)系數(shù)，即S S=t tf f/ /t td d ， S S越小其反向恢復(fù)速度越快！越小其反向恢復(fù)速度越快！233 快速功率二極管 普通結(jié)型功率二極管又稱整流管（Rectifier Diode），反向恢復(fù)時(shí)間在5s以上，多用于開關(guān)頻率在1kHz以下的整流電路中。若是高頻電路，應(yīng)采用快速功率二極管。 1提高結(jié)型功率二極管開關(guān)速度的措施 1）擴(kuò)散法：擴(kuò)散法：在硅材料摻入金或鉑等雜質(zhì)可有效提高少子復(fù)合率，促使存儲(chǔ)可有效提高少子復(fù)合率，促使存儲(chǔ)

44、在在N區(qū)的過剩載流子（少子區(qū)的過剩載流子（少子-空穴）減少，空穴）減少，從而縮短反向恢復(fù)時(shí)間trr。然而少子然而少子數(shù)量的減少會(huì)削弱電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，導(dǎo)致正向?qū)▔航瞪?。?shù)量的減少會(huì)削弱電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，導(dǎo)致正向?qū)▔航瞪摺?2）外延法外延法：采用在P和N摻雜區(qū)之間夾入一層高阻N-型材料以形成PN-N結(jié)構(gòu)，在在P區(qū)和區(qū)和N區(qū)外還各有一層金屬層。采用外延及用摻鉑的方法進(jìn)行少子壽命區(qū)外還各有一層金屬層。采用外延及用摻鉑的方法進(jìn)行少子壽命控制控制。在相同耐壓條件下，新結(jié)構(gòu)硅片厚度要薄得多，具有更好的恢復(fù)特性和在相同耐壓條件下，新結(jié)構(gòu)硅片厚度要薄得多，具有更好的恢復(fù)特性和較低的正向?qū)▔航递^低的正向?qū)▔?/p>

45、降，這種結(jié)構(gòu)是目前快速二極管普遍采用的結(jié)構(gòu)。233 快速功率二極管2快速型和超快速型 快速二極管分為快恢復(fù)（快速二極管分為快恢復(fù)（FRED）和超快恢復(fù)（）和超快恢復(fù)（Hiper FRED，Hiper Fast soft Recovery Epitaxial Diode）兩類。）兩類。 前者的關(guān)斷時(shí)間在微秒級，常應(yīng)用于開關(guān)頻率為前者的關(guān)斷時(shí)間在微秒級，常應(yīng)用于開關(guān)頻率為2050kHz的場合；的場合； 后者的關(guān)斷時(shí)間在百納秒級，常用于開關(guān)頻率在后者的關(guān)斷時(shí)間在百納秒級，常用于開關(guān)頻率在50kHz以以上的場合。上的場合。234 肖特基勢壘二極管 肖特基二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 肖特基勢壘二極管，簡稱為肖特基

46、勢壘二極管，簡稱為肖特基二極管（肖特基二極管（SBDSBD，Schottky Schottky Barrier DiodeBarrier Diode），是利用金屬與），是利用金屬與N N型半導(dǎo)體表面接觸形成勢壘的非型半導(dǎo)體表面接觸形成勢壘的非線形特性制成的功率二極管。線形特性制成的功率二極管。234 肖特基勢壘二極管 由于由于N N型半導(dǎo)體中存在著大量的電子，型半導(dǎo)體中存在著大量的電子，金屬中的電子濃度雖然金屬中的電子濃度雖然高于半導(dǎo)體中的電子濃度，但其高能級中的電子濃度相對較低高于半導(dǎo)體中的電子濃度，但其高能級中的電子濃度相對較低，當(dāng)當(dāng)金屬與金屬與N N型半導(dǎo)體接觸后，電子便從濃度高的型半導(dǎo)

47、體接觸后，電子便從濃度高的N N型半導(dǎo)體中向濃度低型半導(dǎo)體中向濃度低的金屬中擴(kuò)散。的金屬中擴(kuò)散。 隨著電子不斷從半導(dǎo)體擴(kuò)散到金屬，半導(dǎo)體表面電子濃度逐漸隨著電子不斷從半導(dǎo)體擴(kuò)散到金屬，半導(dǎo)體表面電子濃度逐漸降低，表面電中性被破壞，于是就形成勢壘，其電場方向?yàn)榘雽?dǎo)體降低，表面電中性被破壞，于是就形成勢壘，其電場方向?yàn)榘雽?dǎo)體金屬。但在該電場作用之下，金屬中的電子也會(huì)產(chǎn)生從金屬金屬。但在該電場作用之下，金屬中的電子也會(huì)產(chǎn)生從金屬半半導(dǎo)體的漂移運(yùn)動(dòng)，從而消弱了由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而形成的電場。導(dǎo)體的漂移運(yùn)動(dòng)，從而消弱了由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而形成的電場。 當(dāng)建立起一定寬度的空間電荷區(qū)后，電場引起的電子漂移運(yùn)動(dòng)當(dāng)建立起一

48、定寬度的空間電荷區(qū)后，電場引起的電子漂移運(yùn)動(dòng)和濃度不同引起的電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到相對的平衡，便形成了肖特基和濃度不同引起的電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到相對的平衡，便形成了肖特基勢壘。勢壘。 盡管肖特基二極管和結(jié)型二極管具有相仿的單向?qū)щ娦裕鋬?nèi)盡管肖特基二極管和結(jié)型二極管具有相仿的單向?qū)щ娦?，但其?nèi)部物理過程卻大不相同，部物理過程卻大不相同，由于金屬中無空穴，因此不存在從金屬流向半由于金屬中無空穴，因此不存在從金屬流向半導(dǎo)體材料的空穴流，即導(dǎo)體材料的空穴流，即SBDSBD的正向電流僅由多子形成，從而沒有結(jié)型二的正向電流僅由多子形成，從而沒有結(jié)型二極管的少子存儲(chǔ)現(xiàn)象，反向恢復(fù)時(shí)沒有抽取反向恢復(fù)電荷的過程，因此

49、極管的少子存儲(chǔ)現(xiàn)象，反向恢復(fù)時(shí)沒有抽取反向恢復(fù)電荷的過程，因此反向恢復(fù)時(shí)間很短，僅為反向恢復(fù)時(shí)間很短，僅為101040ns40ns。顯然，肖特基二極管是一種只有多顯然，肖特基二極管是一種只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電的單極性器件。數(shù)載流子參與導(dǎo)電的單極性器件。 肖特基二極管導(dǎo)通壓降一般為肖特基二極管導(dǎo)通壓降一般為0.40.41V1V（隨反向耐壓的提高，正向（隨反向耐壓的提高，正向?qū)▔航党试鲩L趨勢），比普通二極管和快恢復(fù)二極管低，導(dǎo)通壓降呈增長趨勢），比普通二極管和快恢復(fù)二極管低，快恢復(fù)二極快恢復(fù)二極管的正向?qū)▔航狄话阍诠艿恼驅(qū)▔航狄话阍?V1V以上，隨反向耐壓的提高，正向?qū)▔航瞪跻陨?，隨反向

50、耐壓的提高，正向?qū)▔航瞪踔習(xí)^至?xí)^2V2V，因此使用肖特基二極管有助于降低二極管的導(dǎo)通損耗，提，因此使用肖特基二極管有助于降低二極管的導(dǎo)通損耗，提高電路的效率。高電路的效率。但由于其反向勢壘較薄，故其反向耐壓在但由于其反向勢壘較薄，故其反向耐壓在200V200V以下，因以下，因此適用于低電壓輸出的場合。此適用于低電壓輸出的場合。234 肖特基勢壘二極管 正向平均電流正向平均電流 I IF(AV)F(AV)正向平均電流（額定電流）正向平均電流（額定電流）：在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用：在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用T TC C表表示）和散熱條件下，其允許流過的示）和散熱條件下，其允許流

51、過的最大工頻正弦半波電流的平均值最大工頻正弦半波電流的平均值，在此情況下因管子正向壓降損耗的結(jié)溫不會(huì)超過所容許的最高結(jié)溫。在此情況下因管子正向壓降損耗的結(jié)溫不會(huì)超過所容許的最高結(jié)溫。使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，即實(shí)際波形電流與正，即實(shí)際波形電流與正向平均電流有效值相等。并應(yīng)留有一定的裕量。向平均電流有效值相等。并應(yīng)留有一定的裕量。當(dāng)用在頻率較高的場合時(shí)，當(dāng)用在頻率較高的場合時(shí)，開關(guān)損耗開關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略造成的發(fā)熱往往不能忽略當(dāng)采用當(dāng)采用反向漏電流反向漏電流較大的電力二極管時(shí)，其較大的電力二極管時(shí)，其斷態(tài)損耗斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)

52、造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小也不小 235 功率二極管的主要參數(shù)正向平均電流正向平均電流 I IF(AV)F(AV)使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，即實(shí)際波形電流與正向平均電流有效值相等。并應(yīng)留有一定的裕量。2mm01(sin)()22aIIItdtmm01sin()2dIIItdt1.57afdIKI2mm01()()22aIIIdt根據(jù)實(shí)際波形計(jì)算出其對應(yīng)的有效值將有效值除以標(biāo)準(zhǔn)正弦半波的波形系數(shù)1.57，即得所需要的正向平均電流aI1.57adII /1.572mdII235 功率二極管的主要參數(shù)正向壓降正向壓降 UF指電力二極管在指電力二極管在指定溫度下指定溫度下，流過某，流過某一指

53、定的穩(wěn)態(tài)正向電流一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對應(yīng)的時(shí)對應(yīng)的正向壓降正向壓降有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過某一有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流瞬態(tài)正向大電流時(shí)器件的時(shí)器件的最大瞬時(shí)正向壓降最大瞬時(shí)正向壓降反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM額定電壓額定電壓指對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓指對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓通常是其雪崩擊穿電壓通常是其雪崩擊穿電壓U UB B的的2/32/3使用時(shí)，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向峰值電壓的使用時(shí)，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向峰值電壓的兩倍兩倍來選定來選定 235 功率二極管的主要參數(shù)最高工

54、作結(jié)溫最高工作結(jié)溫T TJMJM結(jié)溫結(jié)溫是指管芯是指管芯PNPN結(jié)的平均溫度結(jié)的平均溫度，用，用T TJ J表示，表示，注意結(jié)溫與管殼溫度不同注意結(jié)溫與管殼溫度不同最高工作結(jié)溫最高工作結(jié)溫是指在是指在PNPN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度T TJMJM通常在通常在125125175175 C C范圍之內(nèi)范圍之內(nèi)反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間t trrrrt trrrr= = t td d+ + t tf f （延遲時(shí)間（延遲時(shí)間+ +下降時(shí)間），關(guān)斷過程中，電流降到下降時(shí)間），關(guān)斷過程中，電流降到0 0起到恢起到恢復(fù)反向阻斷能力止的時(shí)間復(fù)反向阻斷能力

55、止的時(shí)間浪涌電流浪涌電流I IFSMFSM指電力二極管所能承受最大的指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。的過電流。一一般用額定正向平均電流倍數(shù)和浪涌周期（即工頻周波數(shù)）來規(guī)定。般用額定正向平均電流倍數(shù)和浪涌周期（即工頻周波數(shù)）來規(guī)定。 235 功率二極管的主要參數(shù) 電力二極管的電力二極管的主要應(yīng)用主要應(yīng)用： 整流：整流：利用單向?qū)щ娦浴Ｗ顝V泛的應(yīng)用利用單向?qū)щ娦?。最廣泛的應(yīng)用02tu2ud02tVD1單相交流udRu2236 功率二極管的應(yīng)用 電力二極管的電力二極管的主要應(yīng)用主要應(yīng)用：續(xù)流：續(xù)流：236 功率二極管的應(yīng)用 電力二極管的電力二極管的主要

56、應(yīng)用主要應(yīng)用： 限幅：限幅：限制輸入信號電壓在某個(gè)范圍內(nèi)限制輸入信號電壓在某個(gè)范圍內(nèi) 鉗位：鉗位：236 功率二極管的應(yīng)用 按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同，可分成恢復(fù)特性的不同，可分成普通二極管普通二極管、快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管、與、與肖肖特基二極管特基二極管。 在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場合的不同要求選擇不同類型的電力在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場合的不同要求選擇不同類型的電力二極管。二極管。 性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的。性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的。236 功率二極管的

57、應(yīng)用236 功率二極管的應(yīng)用特點(diǎn) 功率二極管的串聯(lián)和并聯(lián)功率二極管的串聯(lián)和并聯(lián) 在單個(gè)功率二極管不能滿足電路工作需求時(shí)，可考慮對二極管采用串、并聯(lián)的方在單個(gè)功率二極管不能滿足電路工作需求時(shí)，可考慮對二極管采用串、并聯(lián)的方法。法。采用多個(gè)功率二極管串聯(lián)時(shí)，應(yīng)考慮斷態(tài)時(shí)的均壓問題。采用多個(gè)功率二極管串聯(lián)時(shí)，應(yīng)考慮斷態(tài)時(shí)的均壓問題。圖中的圖中的R1R3可均衡靜可均衡靜態(tài)壓降，動(dòng)態(tài)壓降的平衡需要用到平衡電容，與平衡電容串聯(lián)的電阻態(tài)壓降，動(dòng)態(tài)壓降的平衡需要用到平衡電容，與平衡電容串聯(lián)的電阻R4R6是為了限是為了限制電容的反向沖擊電流。制電容的反向沖擊電流。 采用多個(gè)功率二極管并聯(lián)提高電路的通流能力時(shí)，要

58、克服工作電流在并聯(lián)二極管采用多個(gè)功率二極管并聯(lián)提高電路的通流能力時(shí)，要克服工作電流在并聯(lián)二極管中的不均勻分配。中的不均勻分配。由于功率二極管導(dǎo)通壓降具有負(fù)溫度特性，均流特性有可能因溫度由于功率二極管導(dǎo)通壓降具有負(fù)溫度特性，均流特性有可能因溫度變化而惡化。變化而惡化。在進(jìn)行并聯(lián)使用時(shí)，應(yīng)盡選擇同一型號且同一生產(chǎn)批次的產(chǎn)品，使其靜在進(jìn)行并聯(lián)使用時(shí)，應(yīng)盡選擇同一型號且同一生產(chǎn)批次的產(chǎn)品，使其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性均比較接近。態(tài)和動(dòng)態(tài)特性均比較接近。二極管串聯(lián)均壓措施 晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR） 1956年美國

59、貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Lab）發(fā)明了晶閘管 1957年美國通用電氣公司（GE）開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品 1958年商業(yè)化 開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代 20世紀(jì)80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代 能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位 晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型普通晶閘管。廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件 24 晶閘管 外形有：外形有：螺栓型螺栓型、平板型（大功率）平板型（大功率）和和模塊型（中小功率）模塊型（中小功率）等幾種等幾種 引出引出陽極陽極(Anode)A、陰極陰極(Kathode)K和和門極門極(Gate)（控制

60、端）（控制端）G三三個(gè)聯(lián)接端個(gè)聯(lián)接端241 基本結(jié)構(gòu)和工作原理模塊式模塊式 對于螺栓型封裝，對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，通常螺栓是其陽極，能與能與散熱器散熱器(Radiator)緊密聯(lián)緊密聯(lián)接且安裝方便接且安裝方便 平板型封裝的晶閘平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)管可由兩個(gè)散熱器散熱器(Radiator)將其夾將其夾在中間在中間大電流螺旋式大電流螺旋式大電流平板式大電流平板式241 基本結(jié)構(gòu)和工作原理241 基本結(jié)構(gòu)和工作原理 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a) a) 封裝封裝 b) b) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) c) c) 電氣圖形符號電氣圖形符號 晶閘管有三個(gè)電極，分別