電力電子器件介紹課件

1、電力電子器件介紹電力電子器件介紹1.1.1 1.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。一、半導(dǎo)體一、半導(dǎo)體 導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體（低價元素構(gòu)成）和絕導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體（低價元素構(gòu)成）和絕緣體（高價元素構(gòu)成）之間，稱為緣體（高價元素構(gòu)成）之間，稱為半導(dǎo)體半導(dǎo)體，如，如鍺、硅等，均為四價元素。鍺、硅等，均為四價元素。共價鍵共價鍵價電子共有化，形成共價鍵的晶格結(jié)構(gòu)價電子共有化，形成共價鍵的晶格結(jié)構(gòu)1.1.1 1.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。一、半導(dǎo)體一、半導(dǎo)體二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電情況二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電情況金屬導(dǎo)電是由于其內(nèi)部有自由

2、電子存在金屬導(dǎo)電是由于其內(nèi)部有自由電子存在( (載流子載流子),),在外電場的作用下在外電場的作用下, ,自由電子定向移動自由電子定向移動, ,形成電流形成電流. .半導(dǎo)體中有兩種載流子半導(dǎo)體中有兩種載流子: :自由電子和空穴自由電子和空穴自由電子自由電子空穴空穴在外電場作用下，電子的定向移動形成電流在外電場作用下，電子的定向移動形成電流+ + + + + + + + +- - - - - - - - -在外電場作用下，空穴的定向移動形成電流在外電場作用下，空穴的定向移動形成電流+ + + + + + + + +- - - - - - - - -1.1.本征半導(dǎo)體中載流子為電子和空穴本征半導(dǎo)體

3、中載流子為電子和空穴; ;2.2.電子和空穴成對出現(xiàn)電子和空穴成對出現(xiàn), ,濃度相等濃度相等; ;3.3.由于熱激發(fā)可產(chǎn)生電子和空穴由于熱激發(fā)可產(chǎn)生電子和空穴, ,因此半導(dǎo)因此半導(dǎo)體的導(dǎo)電性和溫度有關(guān)體的導(dǎo)電性和溫度有關(guān), ,對溫度很敏感。對溫度很敏感。1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體一、一、N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在純凈的硅晶體在純凈的硅晶體中摻入五價元素中摻入五價元素（如磷），使之取（如磷），使之取代晶格中硅原子的代晶格中硅原子的位置，就形成了位置，就形成了N N型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。電子電子-多子多子; ;空穴空穴-少子少子. .converteam 作者：周宇1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體

4、二、二、P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在純凈的硅晶體在純凈的硅晶體中摻入三價元素中摻入三價元素（如硼），使之?。ㄈ缗穑怪〈Ц裰泄柙拥拇Ц裰泄柙拥奈恢?，就形成了位置，就形成了P P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體?？昭昭?多子多子; ;電子電子-少子少子. .注意注意雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多子的濃度決定于摻雜原子的濃度；雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多子的濃度決定于摻雜原子的濃度；少子的濃度決定于溫度。少子的濃度決定于溫度。converteam 作者：周宇1.1.3 PN結(jié)結(jié)采用不同的摻雜工藝，將采用不同的摻雜工藝，將P型半導(dǎo)體與型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成在同一塊硅片上，在它們的交

5、界面就形成PN結(jié)。結(jié)。PN結(jié)結(jié)具有單向?qū)щ娦跃哂袉蜗驅(qū)щ娦浴Ｒ?、一、PN結(jié)的形成結(jié)的形成P區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)converteam 作者：周宇一、一、PN結(jié)的形成結(jié)的形成在交界面，由于兩種載流子的濃度差，出在交界面，由于兩種載流子的濃度差，出現(xiàn)擴散運動。現(xiàn)擴散運動。converteam 作者：周宇一、一、PN結(jié)的形成結(jié)的形成在交界面，由于擴散運動在交界面，由于擴散運動, ,經(jīng)過復(fù)合經(jīng)過復(fù)合, ,出現(xiàn)空出現(xiàn)空間電荷區(qū)間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)耗盡層耗盡層converteam 作者：周宇一、一、PN結(jié)的形成結(jié)的形成當(dāng)擴散電流等于漂移電流時，達(dá)到動態(tài)當(dāng)擴散電流等于漂移電流時，達(dá)到動態(tài)平衡，形成平衡，形成P

6、NPN結(jié)。結(jié)。PN結(jié)結(jié)converteam 作者：周宇1.1.由于擴散運動形成空間電荷區(qū)和內(nèi)電場由于擴散運動形成空間電荷區(qū)和內(nèi)電場; ;2.2.內(nèi)電場阻礙多子擴散，有利于少子漂移內(nèi)電場阻礙多子擴散，有利于少子漂移; ;3.3.當(dāng)擴散電流等于漂移電流時，達(dá)到動態(tài)當(dāng)擴散電流等于漂移電流時，達(dá)到動態(tài)平衡，形成平衡，形成PNPN結(jié)。結(jié)。converteam 作者：周宇二、二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?1. PN結(jié)外加正向電壓時處于導(dǎo)通狀態(tài)結(jié)外加正向電壓時處于導(dǎo)通狀態(tài)加正向電壓是指加正向電壓是指P端加正電壓，端加正電壓，N端加負(fù)電壓，端加負(fù)電壓，也稱正向接法或正向偏置。也稱正向接法或正向偏置。c

7、onverteam 作者：周宇 內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場外電場抵消內(nèi)電場的作用，使耗盡層變外電場抵消內(nèi)電場的作用，使耗盡層變窄，形成較大的擴散電流。窄，形成較大的擴散電流。converteam 作者：周宇2. PN結(jié)外加反向電壓時處于截止?fàn)顟B(tài)結(jié)外加反向電壓時處于截止?fàn)顟B(tài)外電場和內(nèi)電場的共同作用，使耗盡層變外電場和內(nèi)電場的共同作用，使耗盡層變寬，形成很小的漂移電流。寬，形成很小的漂移電流。converteam 作者：周宇三、三、PN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性 正向特性正向特性反向特性反向特性反向擊穿反向擊穿PN結(jié)的電流方程為結(jié)的電流方程為其中，其中， IS 為反向飽和電流，為反向飽和電流， UT2

8、6mV，converteam 作者：周宇1.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管converteam 作者：周宇1.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 將將PN結(jié)用外殼封裝起來，并加上電極引線就構(gòu)成了結(jié)用外殼封裝起來，并加上電極引線就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管。由半導(dǎo)體二極管。由P區(qū)引出的電極為陽極（區(qū)引出的電極為陽極（A） ，由，由N區(qū)區(qū)引出的電極為陰極（引出的電極為陰極（ K ）。）。二極管的符號：二極管的符號：PN陽極陰極 converteam 作者：周宇converteam 作者：周宇 功率二極管的工作原理功率二極管的工作原理 由于PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，所以二極管是一個正方向單向?qū)щ?、反方向阻斷的電力電子?/p>

9、件。converteam 作者：周宇1. 功率二極管的特性功率二極管的特性(1) 功率二極管的伏安特性 二極管具有單向?qū)щ娔芰?，二極管正向?qū)щ姇r必須克服一定的門坎電壓Uth(又稱死區(qū)電壓)，當(dāng)外加電壓小于門坎電壓時，正向電流幾乎為零。硅二極管的門坎電壓約為0.5V，當(dāng)外加電壓大于Uth后，電流會迅速上升。當(dāng)外加反向電壓時，二極管的反向電流IS是很小的，但是當(dāng)外加反向電壓超過二極管反向擊穿電壓URO后二極管被電擊穿，反向電流迅速增加。 伏安特性伏安特性UI導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降: : 硅硅管管0.60.7V,鍺鍺管管0.20.3V。反向擊穿反向擊穿電壓電壓UBR死區(qū)電壓死區(qū)電壓 硅管硅管0.6V,鍺管

10、鍺管0.2V。converteam 作者：周宇 環(huán)境溫度升高時，二極管的正向特性曲線將左移，環(huán)境溫度升高時，二極管的正向特性曲線將左移，反向特性曲線下移。在室溫附近反向特性曲線下移。在室溫附近,溫度每升高溫度每升高1C,正向正向壓降減小壓降減小22.5mV;溫度每升高溫度每升高10C，反向電流約增大，反向電流約增大1倍。二極管的特性對溫度很敏感。倍。二極管的特性對溫度很敏感。converteam 作者：周宇穩(wěn)壓二極管及應(yīng)用穩(wěn)壓二極管及應(yīng)用1. 穩(wěn)壓管的工作原理穩(wěn)壓管的工作原理穩(wěn)壓管的符號穩(wěn)壓管的符號converteam 作者：周宇2. 穩(wěn)壓管的主要參數(shù)穩(wěn)壓管的主要參數(shù)穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓UZUZ是

11、指擊穿后在電流為規(guī)定值時，管子兩端的電壓值。穩(wěn)壓電流穩(wěn)壓電流IZ額定功耗額定功耗PZM IZ是穩(wěn)壓二極管正常工作時的參考電流。工作電流小于此值時，穩(wěn)壓二極管將失去穩(wěn)壓作用。PZM 等于穩(wěn)定電壓UZ與最大穩(wěn)定電流IZM （或 IZmax ）的乘積。converteam 作者：周宇3. 穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓條件穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓條件穩(wěn)壓管正向工作時和二極管的特性完全相同。穩(wěn)壓管正向工作時和二極管的特性完全相同。必須工作在反向擊穿狀態(tài)；必須工作在反向擊穿狀態(tài)；流過穩(wěn)壓管的電流在流過穩(wěn)壓管的電流在IZ和和IZM之間之間 。注意！注意！converteam 作者：周宇特殊二極管特殊二極管1. 光電二極管是一種將光能轉(zhuǎn)

12、換為電能的半導(dǎo)體器件，其結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，只是管殼上留有一個能入射光線的窗口。converteam 作者：周宇2. 發(fā)光二極管是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體器件。它由一個PN結(jié)構(gòu)成,當(dāng)發(fā)光二極管正偏時，注入到N區(qū)和P區(qū)的載流子被復(fù)合時，會發(fā)出可見光和不可見光。converteam 作者：周宇1.3 雙極型晶體管雙極型晶體管converteam 作者：周宇1.3 雙極型晶體管雙極型晶體管 一、晶體管的結(jié)構(gòu)和類型一、晶體管的結(jié)構(gòu)和類型NPN型型基區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)發(fā)射極基極集電極bec發(fā)射極箭頭的方向發(fā)射極箭頭的方向為電流的方向為電流的方向converteam 作者：周宇bPNP集電極

13、集電極基極基極發(fā)射極發(fā)射極cePNP型型converteam 作者：周宇converteam 作者：周宇 雙極型功率晶體管BJT的容量水平已達(dá)1.8kVlkA，頻率為20kHz。converteam 作者：周宇 雙極型功率晶體管的工作原理雙極型功率晶體管的工作原理 以NPN型雙極型功率晶體管為例，若外電路電源使UBC0,則發(fā)射結(jié)的PN結(jié)處于正偏狀態(tài)。此時晶體管內(nèi)部的電流分布為： (1) 由于UBC0,發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，P區(qū)的多數(shù)載流子空穴不斷地向N區(qū)擴散形成空穴電流IPE,N區(qū)的多數(shù)載流子電子不斷地向P區(qū)擴散形成電子電流INE。converteam 作者：周宇 單個BJT電流增益較低，驅(qū)動時

14、需要較大的驅(qū)動電流，由于單級高壓晶體管的電流增益僅為10左右，為了提高電流增益，常采用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，如每級有10倍的增益，則3級達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的電流增益可達(dá)1000左右。converteam 作者：周宇BJT的開關(guān)特性 在開關(guān)工作方式下，用一定的正向基極電流IB1去驅(qū)動BJT導(dǎo)通，而用另一反向基極電流IB2迫使BJT關(guān)斷，由于BJT不是理想開關(guān)，故在開關(guān)過程中總存在著一定的延時和存儲時間。converteam 作者：周宇 BJT的開關(guān)響應(yīng)特性二、二、 晶體管的電流放大作用晶體管的電流放大作用 放大是對模擬信號最基本的處理。晶體管是放大電路的核放大是對模擬信號最基本的處理。晶體管是放大電路的核心元件，

15、它能夠控制能量的轉(zhuǎn)換，將輸入的任何微小變化不失心元件，它能夠控制能量的轉(zhuǎn)換，將輸入的任何微小變化不失真的放大輸出，放大的對象是變化量。真的放大輸出，放大的對象是變化量。 晶體管工作在放大狀晶體管工作在放大狀態(tài)的外部條件是發(fā)射結(jié)正態(tài)的外部條件是發(fā)射結(jié)正向偏置且集電結(jié)反向偏置。向偏置且集電結(jié)反向偏置。晶體管的放大作用表現(xiàn)為晶體管的放大作用表現(xiàn)為小的基極電流可以控制大小的基極電流可以控制大的集電極電流。的集電極電流。共射放大電路共射放大電路converteam 作者：周宇1. 發(fā)射結(jié)加正向電壓，擴散運發(fā)射結(jié)加正向電壓，擴散運動形成發(fā)射極電流動形成發(fā)射極電流IE2. 擴散到基區(qū)的自由電子與擴散到基區(qū)的

16、自由電子與空穴的復(fù)合運動形成基極電空穴的復(fù)合運動形成基極電流流IB3.集電結(jié)加反向電壓，漂集電結(jié)加反向電壓，漂移運動形成集電極電流移運動形成集電極電流ICIBICIE晶體管內(nèi)部載流子的運動晶體管內(nèi)部載流子的運動converteam 作者：周宇晶體管的電流分配關(guān)系晶體管的電流分配關(guān)系IBICIE共射直流電流放大系數(shù)共射直流電流放大系數(shù)converteam 作者：周宇晶體管的電流分配關(guān)系晶體管的電流分配關(guān)系共射直流電流放大系數(shù)共射直流電流放大系數(shù)共射交流電流放大系數(shù)共射交流電流放大系數(shù)通常認(rèn)為：通常認(rèn)為：converteam 作者：周宇晶體管的電流分配關(guān)系晶體管的電流分配關(guān)系IBICIEIBICI

17、Econverteam 作者：周宇三、晶體管的共射特性曲線三、晶體管的共射特性曲線UCEIC+-UBEIB+- 實驗線路實驗線路mA AVVRBECEBRCconverteam 作者：周宇1. 輸入特性輸入特性IB( A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降：工作壓降： 硅管硅管UBE 0.60.7V,鍺管鍺管UBE 0.20.3V。 死區(qū)電死區(qū)電壓，硅管壓，硅管0.5V，鍺，鍺管管0.2V。converteam 作者：周宇2. 2. 輸出特性輸出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此區(qū)域滿此區(qū)域滿足足IC= IB稱為線

18、性稱為線性區(qū)（放大區(qū)（放大區(qū)）。區(qū)）。IC只與只與IB有關(guān)，有關(guān)，IC= IB。converteam 作者：周宇I(lǐng)C(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此區(qū)域中此區(qū)域中UCE UBE,集電結(jié)正偏，集電結(jié)正偏， IBIC，UCE 0.3V稱為飽和區(qū)。稱為飽和區(qū)。2. 2. 輸出特性輸出特性converteam 作者：周宇I(lǐng)C(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此區(qū)域中此區(qū)域中 : IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE 0.3V (3) 截止區(qū)：截止區(qū)： UBE0時時UGS排斥空排斥

19、空穴，形成耗穴，形成耗盡層。盡層。PNNGSDUDSUGSUGS0時時UGS足夠大時足夠大時（UGSVGS(th)），），出現(xiàn)以電子導(dǎo)電出現(xiàn)以電子導(dǎo)電為主的為主的N型導(dǎo)電型導(dǎo)電溝道。溝道。吸引電子吸引電子VGS(th)稱為開啟電壓稱為開啟電壓PNNGSDUDSUGS當(dāng)當(dāng)UDS不太大不太大時，導(dǎo)電溝時，導(dǎo)電溝道在兩個道在兩個N區(qū)區(qū)間是均勻的。間是均勻的。當(dāng)當(dāng)UDS較大較大時，靠近時，靠近D區(qū)的導(dǎo)電溝區(qū)的導(dǎo)電溝道變窄。道變窄。PNNGSDUDSUGS夾斷后，即使夾斷后，即使UDS 繼續(xù)增加，繼續(xù)增加，ID仍呈恒流特仍呈恒流特性性。IDUDS增加，增加，UGD= VGS(th)時，靠近時，靠近D端的溝道被端的溝道被夾斷，稱為預(yù)夾斷。夾斷，稱為預(yù)夾斷。converteam 作者：周宇 2. 功率場效應(yīng)晶體管的工作原理功率場效應(yīng)晶體管的工作原理 當(dāng)柵源極電壓UGS0時，漏極下的P型區(qū)表面不出現(xiàn)反型層，無法溝通漏源。此時即使在漏源之間施加電壓也不會形成P區(qū)內(nèi)載流子的移動，即VMOS管保持關(guān)斷狀態(tài)。 當(dāng)柵源極電壓UGS0且不夠充分時，柵極下面的P型區(qū)表面呈現(xiàn)耗盡狀態(tài)，還是無法溝通漏源，此時VMOS管仍