第二章電力電子器件1

1、合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院電 力 電 子 技 術(shù)Power Electronic Technology第第2 2章章 電力電子器件電力電子器件本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容1、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3、電力二極管（、電力二極管（SR）4、晶閘管（、晶閘管（SCR）5、門極可關(guān)斷晶閘管（、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）6、電力晶體管（、電力晶體管（GTR）7、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）8、絕緣柵雙極晶體管、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）9、其他新型電力電子器件、其他新型電力電子器件10、電力電子器件的的發(fā)展趨勢(shì)、電力電子器件的的發(fā)展趨勢(shì)11、電力電子

2、器件應(yīng)用共性問題、電力電子器件應(yīng)用共性問題2、電力電子器件基礎(chǔ)、電力電子器件基礎(chǔ)2.1 電力電子器件的特點(diǎn)與分類 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電力電子器件電力電子器件（Power Electronic Device）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。2.1.1 2.1.1 電力電子器件的特點(diǎn)電力電子器件的特點(diǎn) 主電路（Main Power Circuit）電氣 設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。2.1.1 2.1.1 電力電子器件的特點(diǎn)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和半導(dǎo)體器件兩類。 兩類

3、中，自20世紀(jì)50年代以來，真空管（Vacuum Valve）僅在頻率很高（如微波）的大功率高頻電源中還在使用，而電力半導(dǎo)體器件已取代了汞弧整流器、閘流管等電真空器件，成為絕對(duì)主力。因此，電力電子器件目前也往往專電力電子器件目前也往往專指電力半導(dǎo)體器件指電力半導(dǎo)體器件。 電力半導(dǎo)體器件所采用的主要材料仍然是硅(鍺、硒、灰錫、金剛石等單元素材料；砷化鎵、碳化硅等化合物）。2.1.1 2.1.1 電力電子器件的特點(diǎn)電力電子器件的特點(diǎn)2.1.1 2.1.1 電力電子器件的特點(diǎn)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）

4、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 2.1.1 電力電子器件的特點(diǎn)電力電子器件的特點(diǎn)2) 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)）阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，而電流由外電路決定阻斷時(shí)（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）和參數(shù)，也是電力電子器件特性很重要

5、的方面，有些時(shí)候甚至上升為第一位的重要問題。作電路分析時(shí)，為簡單起見往往用理想開關(guān)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)。2.1.1 2.1.1 電力電子器件的特點(diǎn)電力電子器件的特點(diǎn)3)3) 電力電子器件往往需要專門的驅(qū)動(dòng)電路來控制電力電子器件往往需要專門的驅(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(duì)控制電路的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大，這就是電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路(Driving Circuit）2.1.1 2.1.1 電力電子器件的特點(diǎn)電力電子器件的特點(diǎn)4 4）電力電子器件往往需要緩沖和保護(hù)電路）電力電子器件往往需要緩沖和保護(hù)電路2.1.1 2.1.1 電力電子器件的特點(diǎn)電力

6、電子器件的特點(diǎn) 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，為了增強(qiáng)可靠性開關(guān)過程中電壓、電流會(huì)發(fā)生急劇變化，為了增強(qiáng)可靠性通常需要緩沖電路抑制電壓電流變化率通常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)電路用于防止電壓和電流超過器件極限值電力電子系統(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(cè)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

7、電子器件有三個(gè)端子組成2.1.1 2.1.1 電力電子器件的特點(diǎn)電力電子器件的特點(diǎn)2.1.2 2.1.2 電力電子器件的分類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(hào)所控制的程度信號(hào)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 DeviceSemi-controlled Device) ) 通過控制信號(hào)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（Thyristor）及其大部分派生器件2.1.2 2.1.2 電力電子器件的分類電力電子器件的分類2)2)全控型器件

8、全控型器件( (Full-controlled DeviceFull-controlled Device) )通過控制信號(hào)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（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power MOSFET，簡稱為電力MOSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）GTR、SIT、 SITH、 IGCT等2.1.2 2.1.2 電力電子器件的分類電力電子器件的分類3)3)不可控器件不可控器件( (Uncontrolled DeviceUncontrolled

9、Device) )不能用控制信號(hào)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2.1.2 2.1.2 電力電子器件的分類電力電子器件的分類2.1.2 2.1.2 電力電子器件的分類電力電子器件的分類電力電子器件可控器件非可控器件整流二極管自關(guān)斷器件非自關(guān)斷器件普通晶閘管(GTR)快速晶閘管(FST)雙向晶閘管(TRIAC)逆導(dǎo)晶閘管(RCT)光控晶閘管(LTT)晶體管晶閘管雙極型電力晶體管(GTR)電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(PMOSFET)絕緣柵雙極電力晶體管(IGBT)靜電感應(yīng)型晶體管(SIT)門極可關(guān)斷晶閘管

10、(GTO)場(chǎng)控晶閘管(MCT)靜電感應(yīng)型晶閘管(SITH)電力電子器件分類樹電力電子器件分類樹1 12、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(hào)信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：1)1)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、GTR2)2)電壓驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型( (Voltage Driving TypeVoltage Driving Type) )僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。又稱為場(chǎng)控器件，或場(chǎng)效應(yīng)器件。如

11、MOSFET2.1.2 2.1.2 電力電子器件的分類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：1)1)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）2)2)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）3)3)復(fù)合型器件復(fù)合型器件( (Complex DeviceComplex Device) )：由單極型器件和雙極

12、型器件集成混合而成的器件（IGBT,MCT,IGCT） 2.1.2 2.1.2 電力電子器件的分類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 2.1.2 電力電子器件的分類電力電子器件的分類2.2 2.2 電力電子器件基礎(chǔ)電力電子器件基礎(chǔ) PN結(jié)原理 電力電子器件的封裝2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理 半導(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)電能力受到外部條件（如光、熱等）影響。半導(dǎo)體是否純凈也會(huì)影響其導(dǎo)電能力。 本征（instinct）半導(dǎo)體：是一種完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。+4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4

13、+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)空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電動(dòng)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。子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)的。由熱激發(fā)或光照而產(chǎn)生由熱激發(fā)或光照而產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)自由電子和空穴對(duì)。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)載電流的只有其中的自由電子，他們是金屬原子結(jié)合

14、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，為了區(qū)別于被束縛的內(nèi)層電子，人們將其稱之為載流子載流子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體）在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)的元素(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）在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)的元素（硼）+3空穴空穴2

15、.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理受主受主雜質(zhì)雜質(zhì)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)電荷但不能任意移動(dòng)的雜質(zhì)離子，稱為空間電荷。2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后，交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，到對(duì)方區(qū)內(nèi)成為少子。2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理 空間電荷建立的電場(chǎng)被稱為空間電荷建立的電場(chǎng)被稱為內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)或或自建電場(chǎng)自建電場(chǎng)，其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的，其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的，另一方面又吸引對(duì)方區(qū)內(nèi)的少子（對(duì)另一方面又吸引對(duì)方區(qū)內(nèi)的少子（對(duì)本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運(yùn)動(dòng)，即本區(qū)而言則為多子

16、）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)系又是矛盾的矛盾的，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)，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)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同為空間電荷區(qū)，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱為也被稱為耗盡層、阻擋層耗盡層、阻擋層或或勢(shì)壘區(qū)勢(shì)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2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理 正向偏置正向偏置1）P區(qū)和N區(qū)多

17、子在外電場(chǎng)作用下發(fā)生飄逸運(yùn)動(dòng)2）P區(qū)和N區(qū)多子穿過耗盡層，到達(dá)對(duì)方，稱為少子注入，這是正向偏置傳導(dǎo)電流的根本方式2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理 正向偏置正向偏置3）P區(qū)和N區(qū)的注入少子將產(chǎn)生積累和復(fù)合，這是維持正向?qū)ǖ母驹?）隨著正向偏置電壓的增加，內(nèi)電場(chǎng)將逐漸消弱直至消失（此時(shí)對(duì)應(yīng)的陽極和陰極間的電壓成為門檻電壓），PN結(jié)導(dǎo)通電流迅速增大，進(jìn)而完成PN結(jié)的正向?qū)ā?.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理 反向偏置反向偏置1） 空間電荷區(qū)電場(chǎng)增強(qiáng)，強(qiáng)化了載流子的飄逸運(yùn)動(dòng)，即N區(qū)邊界的空穴將被空間電荷的強(qiáng)電場(chǎng)掃向P區(qū)，類似的情況也發(fā)生在P區(qū)邊界2）邊界載流子被掃走之后，

18、中性區(qū)內(nèi)少子通過擴(kuò)散流向邊界，從而形成了反向電流2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理 反向偏置反向偏置3） 這種形成反向漏電流的方式為少子抽取，不同于正偏時(shí)的少子注入，因本體少子密度有限，使得反向漏電流大小不取決于反偏電壓，而取決于少子來源的豐富程度。4）在很大的電壓范圍內(nèi)，它大小不隨電壓變化，因此通常將其稱之為反向飽和電流。2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理 反向偏置反向偏置5） 隨著反偏電壓的增大，會(huì)出現(xiàn)穿通和擊穿現(xiàn)象，從而造成反向電流急劇上升。穿通：空間電荷區(qū)隨著反偏電壓的升高而展開，指到與電極接通，從而直接從電極抽取載流子，于是反向電流急劇增大，形成短路現(xiàn)象。擊穿：雪

19、崩擊穿、齊納擊穿2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理 反向偏置反向偏置5） 隨著反偏電壓的增大，會(huì)出現(xiàn)穿通和擊穿現(xiàn)象，從而造成反向電流急劇上升。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(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)，邊界飄逸進(jìn)入空間電荷區(qū)的載流子受電場(chǎng)加速獲得很高的動(dòng)能，高能量載流子與在空間電荷區(qū)與點(diǎn)陣原子碰撞使之電離，并形成新的高能載流子，進(jìn)而一而二、二而四的倍增下去，反向電流如同雪崩一樣增大。2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理 反向偏置反向偏置5） 隨著反偏電壓的增大，會(huì)出現(xiàn)穿通和擊穿現(xiàn)象，從而造成反向電流急劇上升。齊納擊穿：齊納擊穿：隨著外加反向偏壓的增加使得空間電荷區(qū)的電場(chǎng)

20、超過某一臨界值時(shí)，無需被電場(chǎng)加速的高速載流子，空間電荷區(qū)的原子直接被電離形成載流子源，使得反向電流迅速增加。反向擊穿時(shí)（雪崩、齊納）是可恢反向擊穿時(shí)（雪崩、齊納）是可恢復(fù)性的。復(fù)性的。2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理 反向偏置反向偏置反向擊穿時(shí)（雪崩、齊納）是可恢反向擊穿時(shí)（雪崩、齊納）是可恢復(fù)性的。復(fù)性的。若此時(shí)外部電路采取措施限制反向若此時(shí)外部電路采取措施限制反向電流，當(dāng)反向電流降低后，電流，當(dāng)反向電流降低后，PN結(jié)仍結(jié)仍可恢復(fù)原來狀態(tài)?？苫謴?fù)原來狀態(tài)。反之，如果反向電壓和反向電流乘反之，如果反向電壓和反向電流乘積過大，超過積過大，超過PN結(jié)的好散功率，導(dǎo)結(jié)的好散功率，導(dǎo)致熱量

21、無法及時(shí)散發(fā)，致熱量無法及時(shí)散發(fā)，PN結(jié)的結(jié)溫結(jié)的結(jié)溫上升至過熱而燒壞，這便發(fā)生了上升至過熱而燒壞，這便發(fā)生了熱熱擊穿擊穿，實(shí)際應(yīng)極力避免之。，實(shí)際應(yīng)極力避免之。2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理 結(jié)電容結(jié)電容PN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。JdQCdU因空間電荷區(qū)寬度的變化而呈現(xiàn)的電荷效應(yīng)，稱之為勢(shì)壘電容（CB）。2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理 結(jié)電容結(jié)電容PN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。JdQCdU因載流子的擴(kuò)散、積累而形成的電容效應(yīng)，稱之為擴(kuò)散電容（CD）。2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)原理結(jié)原理

22、 結(jié)電容結(jié)電容結(jié)電容（CJ）又稱微分電容，包括勢(shì)壘電容（CB）和擴(kuò)散電容（CD）。勢(shì)壘電容（CB）只在外加電壓變化時(shí)才起作用，且外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容越明顯。其大小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層厚度成反比。擴(kuò)散電容（CB）僅在正偏時(shí)才起作用。正偏時(shí)，電壓較低時(shí)勢(shì)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PN結(jié)正向偏置時(shí)，結(jié)電阻非常小，結(jié)電容CJ主要是擴(kuò)散電容，盡管結(jié)電容較大，但其影響較小。PN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(shì)壘電容，盡管結(jié)電容較小，但其影響不可忽視高頻工作時(shí)，結(jié)電容將對(duì)其工作產(chǎn)生較大影響。2.2.2 2.2.

23、2 電力電子器件的封裝電力電子器件的封裝2.2.2 2.2.2 電力電子器件的封裝電力電子器件的封裝2.3 2.3 電力二極管電力二極管2.3 2.3 電力二極管電力二極管1）電力二極管（Power Diode）屬于不可控電力電子器件2）電力二極管有時(shí)也稱為半導(dǎo)體整流器（Semiconductor Rectifier）3）最早應(yīng)用與電力電子領(lǐng)域的半導(dǎo)體器件2.3 2.3 電力二極管電力二極管 結(jié)型電力二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理 結(jié)型電力二極管的基本特性 電力二極管的主要參數(shù) 電力二極管的分類 電力二極管的應(yīng)用特點(diǎn)2.3.1 2.3.1 結(jié)型電力二極管基本結(jié)構(gòu)和工結(jié)型電力二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理作

24、原理 電力二極管（Power Diode）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PN結(jié)為基礎(chǔ) 由一個(gè)面積較大的PN結(jié)（PNjunction）和兩端引線以及封裝組成的N-區(qū) N-區(qū)的存在產(chǎn)生的影響： 1）提高器件的耐壓 2）造成器件通態(tài)壓降的升高 3）能夠減小結(jié)電容的作用，提高器件的工作頻率2.3.1 2.3.1 結(jié)型電力二極管基本結(jié)構(gòu)和工結(jié)型電力二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理作原理電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)：當(dāng)二極管導(dǎo)通，正向電流較大時(shí)，空穴穿過當(dāng)二極管導(dǎo)通，正向電流較大時(shí)，空穴穿過PN-結(jié)，進(jìn)入結(jié)，進(jìn)入N-區(qū)，并在區(qū)，并在N-區(qū)得到積累，使得區(qū)得到積累，使得N-區(qū)空穴濃度增加，區(qū)空穴濃度

25、增加，為了維持其電中性的條件其電子濃度也將增加，從而使其電阻為了維持其電中性的條件其電子濃度也將增加，從而使其電阻率明顯下降。率明顯下降。2.3.1 2.3.1 結(jié)型電力二極管基本結(jié)構(gòu)和工結(jié)型電力二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理作原理外形外形結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)電氣符號(hào)電氣符號(hào)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)、動(dòng)態(tài)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)) )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1.1. 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-A

26、mpere CharacteristicVolt-Ampere Characteristic) )TS(e1)VVII 式中IS 為反向飽和電流，V 為二極管兩端的電壓降，VT =kT/q 稱為溫度的電壓當(dāng)量，k為玻耳茲曼常數(shù)（1.381023），q 為電子電荷量（1.61019）， ，T 為熱力學(xué)溫度。對(duì)于室溫（相當(dāng)T=300 K），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1.1. 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( (Vol

27、t-Ampere CharacteristicVolt-Ampere Characteristic) )門檻電壓反向飽和電流（少子抽?。┱?qū)娏鳎ㄉ僮幼⑷耄┖谋M層變窄擊穿2.2. 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，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，此過程中的電壓電流特性是隨時(shí)間變化的。動(dòng) 態(tài) 特 性動(dòng) 態(tài) 特 性 主 要 指 開 關(guān) 特 性 ( S w i t c h i n g Characteristic)，開關(guān)特性反映通態(tài)和斷態(tài)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

28、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UFP，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 2V）。 電壓過沖物理機(jī)制主要有兩個(gè)：電壓過沖物理機(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。I N區(qū)的有效電阻 管壓降也降低，形成峰值UFP。b.感性機(jī)制：感性機(jī)制：正向電流內(nèi)部電感上壓降，且 電流變化率越高，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UFP在降至穩(wěn)態(tài)電壓UF所需要的時(shí)間tf

29、r)影響因素影響因素：結(jié)溫 、開通前偏置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)：DCFiVdidtLIFUFt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）在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖2）須經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)2.3.2 2.3.2 電力二極管的基本特

30、性電力二極管的基本特性 關(guān)斷過程關(guān)斷過程(Turn-off Transient)：延遲時(shí)間(Delay Time)：t td d= = t t1 1- - t t0 0, , 電流下降時(shí)間(Current Fall Time)：t tf f= = t t2 2- - t t1 1反向恢復(fù)時(shí)間(Reverse Recovery Time)：t trrrr= = t td d+ + t tf f恢復(fù)系數(shù)：Srt tf f / /t td d，也即恢復(fù)特性，也即恢復(fù)特性的軟度（反向恢復(fù)時(shí)間、反向恢復(fù)電壓）名詞：名詞：二極管的反向恢復(fù)特性是針對(duì)特定溫度、特定正向電流和正二極管的反向恢復(fù)特性是針對(duì)特定溫

31、度、特定正向電流和正向電流下降率而言的向電流下降率而言的2.3.3 2.3.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)1.1. 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）：在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的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。使用時(shí)應(yīng)按有效值相等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。當(dāng)用在頻率較高的場(chǎng)合時(shí)，開關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時(shí)，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小 2

32、.3.3 2.3.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)2.3.3 2.3.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)1.1. 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)際波形的有效值計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的平均值將有效值除以標(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 /1.572mdII2.2. 正向壓降正

33、向壓降 UF指電力二極管在指定溫度下指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電瞬態(tài)正向大電流流時(shí)器件的最大瞬時(shí)正向壓降最大瞬時(shí)正向壓降3.3. 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(duì)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UB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兩倍來選定 2.3.3 2.3.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)2.3.3 2.3.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)4.4.最高工作結(jié)溫最高工作結(jié)溫T TJ

34、MJM結(jié)溫結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示，注意結(jié)溫與管克溫度不同最高工作結(jié)溫最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度TJM通常在125175C范圍之內(nèi)5.5.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 ，關(guān)斷過程中，電流降到0起到恢復(fù)反向阻斷能力止的時(shí)間6.6.浪涌電流浪涌電流I IFSMFSM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。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。 2.3.3 2.3.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)型號(hào)額定正向平均

35、電流/A反向重復(fù)峰值電壓/V正向峰值浪涌電流/A正向平均電壓/V結(jié)構(gòu)形式額定結(jié)溫/oC冷卻方式ZP555016001300.65螺栓140風(fēng)冷ZP10105016003100.65螺栓140風(fēng)冷ZP20205016005700.65螺栓140風(fēng)冷ZP505050160012600.7螺栓140風(fēng)冷2.3.4 2.3.4 電力二極管的主要應(yīng)用電力二極管的主要應(yīng)用 電力二極管的主要應(yīng)用： 整流：利用單向?qū)щ娦浴Ｗ顝V泛的應(yīng)用02tu2ud02tVD1單相交流udRu22.3.4 2.3.4 電力二極管的主要應(yīng)用電力二極管的主要應(yīng)用 電力二極管的主要應(yīng)用：續(xù)流： 按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性

36、能，特別是反向恢復(fù)特性的不同，可分成普通二極管、快恢復(fù)二極管、與肖特基二極管。 在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)合的不同要求選擇不同類型的電力二極管。 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。2.3.5 2.3.5 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型1.1. 普通二極管普通二極管普通二極管又稱整流二極管（Rectifier Diode）多用于開關(guān)頻率不高（1kHz1kHz以下）的整流電路中其反向恢復(fù)時(shí)間較長，一般在5 5 s s以上，這在開關(guān)頻率不高時(shí)并不重要正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上2.3.5 2.3.5 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型型號(hào)額定正向平均電流/A反向重復(fù)峰值電壓/V正向峰值浪涌電流/A正向平均電壓/V結(jié)構(gòu)形式額定結(jié)溫/oC冷卻方式ZP555016001300.65螺栓140風(fēng)冷ZP10105016003100.65螺栓140風(fēng)冷ZP20205016005700.65螺栓140風(fēng)冷ZP505050160012600.7螺栓140風(fēng)冷2.3.5 2.3.5 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型2.2. 快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管（Fast Recovery DiodeFRD）恢復(fù)過程很短特別是反向恢復(fù)過程很短(5 5 s s以下)的二極管，也簡稱快速二極管工藝上多采用在硅材料中摻入金或鉑金或