电力电子器件及其驱动电路

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1、第二讲第二讲 电力电子器件及其驱动电路电力电子器件及其驱动电路2.1 2.1 电力二极管电力二极管2.2 2.2 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管2.3 2.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管2.4 2.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2.5 MOS2.5 MOS控制晶闸管控制晶闸管2.6 2.6 其它新型功率器件其它新型功率器件http:/ 2.1 电力二极管电力二极管2.1.1 PN2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理2.1.2 2.1.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性2.1.3 2.1.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2.1.4

2、2.1.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型2.1.1 PN2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理电力二极管结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用快恢复二极管和肖特基二极管，分别 在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位2.1.1 PN2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 电力二极管基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样以半导体PN结为基础 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装2.1.1 PN2.1.1 PN结与电力二极管的工作原

3、理结与电力二极管的工作原理图21 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号AKAKa)IKAPNJb)c)2.1.1 PN2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。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，在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。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷）。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

4、漂移运动既相互联系又是一对矛盾，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，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。2.1.1 PN2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 PN结的正向导通状态结的正向导通状态 电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态图22 PN结的形成-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场2.1.1 PN2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极

5、管的工作原理PN结的反向截止状态结的反向截止状态 PN结的单向导电性 二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征PN结的反向击穿结的反向击穿 有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿PN结的电容效应：结的电容效应： PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD2.1.1 PN2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比 扩散电容仅在正向偏置

6、时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分 结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。2.1.1 PN2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素：区别的一些因素： 正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略 引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响 承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感

7、效应也会有较大影响 为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大2.1.2 2.1.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 静态特性静态特性 主要指其伏安特性伏安特性 当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流2.1.2 2.1.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性图23 电力二极管的伏安特性IOIFUTOUFU2.1.2 2.1.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性动态特性动态特性动

8、态特性动态特性因结电容的存在，三种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。动态特性动态特性主要指开关特性，开关特性反映通态和断态之间的转换过程关断过程关断过程v 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v 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2.1.2 2.1.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1反向恢复时间：trr= td+ tf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示b)UFPuiiFuFtfrt02Va)

9、IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图24 电力二极管的动态过程波形a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置2.1.2 2.1.2 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 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）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。 电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大 正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高 2.1.3 2.1.3 电

10、力二极管的主要参数电力二极管的主要参数正向平均电流正向平均电流 IF(AV) 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正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此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。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 2.1.3 2.1.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数正向压降正向压降 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

11、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反向重复峰值电压URRM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最高峰值电压的两倍来选定 2.1.3 2.1.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数最高工作结温最高工作结温TJM结温结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示最高工作结温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反向恢复时间trrtrr= td+ tf ，关断过程中，电流降到0起到恢复反响阻断能力止的时间浪涌电流浪涌电流I