電力電子第二章第二講

電力電子技術(shù)PowerElectronics第2章電力電子器件及應(yīng)用12345晶閘管可關(guān)斷晶閘管（GTO）電力晶體管

6電力電子器件基礎(chǔ)電力電子器件的特點與分類

功率二極管

功率場效應(yīng)晶體管

7絕緣柵雙極型晶體管8910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應(yīng)用共性問題11總結(jié)

12第2章電力電子器件及應(yīng)用2.1

電力電子器件的特點和分類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。兩類中，自20世紀(jì)50年代以來，真空管（VacuumValve）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，成為絕對主力。因此，電力電子器件目前也往往專指電力半導(dǎo)體器件。電力半導(dǎo)體器件所采用的主要材料仍然是硅。目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)2.1

電力電子器件的特點和分類1．電力電子器件的特點

電力電子器件（PowerElectronicDevice）是指能實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。和信息系統(tǒng)中的電子器件相比，具有以下特點：1）具有較大的耗散功率與信息系統(tǒng)中的電子器件主要承擔(dān)信號傳輸任務(wù)不同，電力電子器件處理的功率較大，具有較高的導(dǎo)通電流和阻斷電壓。由于自身的導(dǎo)通電阻和阻斷時的漏電流，電力電子器件要產(chǎn)生較大的耗散功率，往往是電路中主要的發(fā)熱源。為便于散熱，電力電子器件往往具有較大的體積，在使用時一般都要安裝散熱器，以限制因損耗造成的溫升。目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)2.1

電力電子器件的特點和分類2.1

電力電子器件的特點和分類1．電力電子器件的特點2）工作在開關(guān)狀態(tài)為了降低工作損耗，電力電子器件往往工作在開關(guān)狀態(tài)。電力電子器件工作時在開通和關(guān)斷之間不斷切換。導(dǎo)通時（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（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，有些時候甚至上升為第一位的重要問題。作電路分析時，為簡單起見往往用理想開關(guān)來代替電力電子器件都是工作于開關(guān)狀態(tài)，可以抽象成如下模型：A和B：兩個主電極K：控制極目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)電力電子器件的重要參數(shù)：電壓和電流 由于電力電子器件處理的電功率較大，為減少本身損耗，電力電子器件一般工作在開關(guān)狀態(tài)。導(dǎo)通時阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零；阻斷時阻抗很大，接近于斷路，電流接近于零。 參數(shù)中電壓指器件在阻斷時所能承受的電壓； 參數(shù)中電流指器件在導(dǎo)通時所能通過的電流。例如：某電力電子器件型號為SGH60N80UFD阻斷時所能承受的電壓為600V，導(dǎo)通時額定電流為80A2.1

電力電子器件的特點和分類3）需要專門的驅(qū)動電路來控制電力電子器件的工作狀態(tài)通常由信息電子電路來控制，由于電力電子器件處理的電功率較大，信息電子電路不能直接控制，需要中間電路將控制信號放大，該放大電路就是電力電子器件的驅(qū)動電路。4）需要緩沖和保護(hù)電路電力電子器件的主要用途是高速開關(guān)，與普通電氣開關(guān)、熔斷器和接觸器等電氣元件相比，其過載能力不強，電力電子器件導(dǎo)通時的電流要嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)。過電流不僅會使器件特性惡化，還會破壞器件結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致器件永久失效。與過電流相比，電力電子器件的過電壓能力更弱，為降低器件導(dǎo)通壓降，器件的芯片總是做得盡可能薄，僅有少量的裕量，即使是微秒級的過電壓脈沖都可能造成器件永久性的損壞。在電力電子器件開關(guān)過程中，電壓和電流會發(fā)生急劇變化，為了增強器件工作的可靠性，通常要采用緩沖電路來抑制電壓和電流的變化率，降低器件的電應(yīng)力；采用保護(hù)電路來防止電壓和電流超過器件的極限值。2.1

電力電子器件的特點和分類目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)2.電力電子器件的分類按照電力電子器件能夠被控制電路信號所控制的程度，可對電力電子器件進(jìn)行如下分類：1）不可控器件，它不能用控制信號控制其通斷，器件的導(dǎo)通與截止完全由自身在電路中承受的電壓和電流來決定。這類器件主要指功率二極管。2）半控型器件，指通過控制信號能控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷的電力電子器件。這類器件主要是指晶閘管，它由普通晶閘管及其派生器件組成。3）全控型器件，指通過控制信號既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷的電力電子器件。這類器件的品種很多，目前常用的有門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）、功率場效應(yīng)管（PowerMOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等。

2.2

電力電子器件基礎(chǔ)目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)2.電力電子器件的分類按照驅(qū)動信號的不同，又可將可控器件分為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型。電流驅(qū)動型器件通過從控制極注入和抽出電流來實現(xiàn)器件的通斷，其典型代表是GTR。大容量的GTR的開通電流增益較低，即基極平均控制功率較大；電壓驅(qū)動型器件通過在控制極上施加正向控制電壓實現(xiàn)器件導(dǎo)通，通過撤除控制電壓或施加反向控制電壓使器件關(guān)斷；當(dāng)器件處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，其控制極無電流，因此平均控制功率較小。由于電壓驅(qū)動型器件是通過控制極電壓在主電極間建立電場來控制器件導(dǎo)通，故也稱場控或場效應(yīng)器件，其典型代表是PowerMOSFET和IGBT。2.2

電力電子器件基礎(chǔ)目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)2.電力電子器件的分類根據(jù)器件內(nèi)部帶電粒子參與導(dǎo)電的種類不同，電力電子器件又可分為單極型、雙極型和復(fù)合型三類。器件內(nèi)部只有一種帶電粒子參與導(dǎo)電的稱為單極型器件，如PowerMOSFET；器件內(nèi)有電子和空穴兩種帶電粒子參于導(dǎo)電的稱為雙極型器件，如GTR和GTO；由雙極型器件與單極型器件復(fù)合而成的新器件稱為復(fù)合型器件，如IGBT等。2.2

電力電子器件基礎(chǔ)目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)1．PN結(jié)的形成半導(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影響。如光、熱。半導(dǎo)體是否純凈也會影響其導(dǎo)電能力。完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體稱為本征半導(dǎo)體。在常溫下，本征半導(dǎo)體可以激發(fā)出少量的自由電子，并出現(xiàn)相應(yīng)數(shù)量的空穴，這兩種不同極性的帶電粒子統(tǒng)稱為載流子。用適當(dāng)?shù)姆椒ㄔ诒菊靼雽?dǎo)體內(nèi)摻入微量的雜質(zhì)，會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力發(fā)生顯著的變化，這種半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。因摻入雜質(zhì)元素的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為電子型（N型）半導(dǎo)體和空穴型（P型）半導(dǎo)體兩類。2.2

電力電子器件基礎(chǔ)目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)1．PN結(jié)的形成

N型半導(dǎo)體的雜質(zhì)為五價元素，在半導(dǎo)體晶體中能給出一個多余的電子，故N型半導(dǎo)體內(nèi)自由電子數(shù)遠(yuǎn)大于空穴數(shù)，則自由電子稱為多數(shù)載流子（簡稱多子），空穴稱為少數(shù)載流子（簡稱少子）。而P型半導(dǎo)體中的雜質(zhì)為三價元素，能在半導(dǎo)體晶體中接受電子，使晶體中產(chǎn)生空穴，即P型半導(dǎo)體中的空穴數(shù)遠(yuǎn)大于自由電子數(shù)，則空穴稱為多數(shù)載流子，自由電子稱為少數(shù)載流子。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)的擴散運動，到對方區(qū)內(nèi)成為少子。2.2

電力電子器件基礎(chǔ)目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)將N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合，由于P型半導(dǎo)體內(nèi)空穴濃度高、電子濃度低，而N型半導(dǎo)體空穴濃度低、電子濃度高，則空穴必然要從高濃度的P區(qū)流向低濃度的N區(qū)，同樣電子要從N區(qū)流向P區(qū)，這種載流子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的運動稱為擴散運動。擴散首先在界面兩側(cè)附近進(jìn)行。當(dāng)電子離開N區(qū)后，留下了不能移動的帶正電荷的雜質(zhì)離子，形成一層帶正電荷的區(qū)域；同理，空穴離開P區(qū)后，留下不能移動的帶負(fù)電荷的雜質(zhì)離子，形成一層帶負(fù)電荷的區(qū)域。因此P區(qū)和N區(qū)交界面附近形成空間電荷區(qū)。

目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)2.2.1PN結(jié)原理

2.2.2電力電子器件的封裝2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)2.2.1PN結(jié)原理由于正負(fù)電荷的相互作用，在空間電荷區(qū)形成從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)的內(nèi)電場。內(nèi)電場對多數(shù)載流子的擴散運動有阻擋作用，同時也會吸引對方區(qū)內(nèi)的少數(shù)載流子向本區(qū)運動，形成漂移運動。當(dāng)擴散運動和漂移運動達(dá)到動態(tài)平衡時，正、負(fù)空間電荷量就達(dá)到穩(wěn)定值。此時的空間電荷區(qū)就是PN結(jié)。目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)2.2.1PN結(jié)原理

2.2.2電力電子器件的封裝2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)2.2.1PN結(jié)原理耗盡層，勢壘區(qū)或阻擋層2.2.1PN結(jié)原理2．偏置下的PN結(jié)在PN結(jié)上外加電壓稱為對PN結(jié)的偏置，P區(qū)加正、N區(qū)加負(fù)為正偏置，反之為反偏置。當(dāng)PN結(jié)正向偏置時，外加電場與PN結(jié)的內(nèi)電場方向相反，內(nèi)電場被削弱，載流子的漂移運動受到抑制，而擴散運動增強，在外電路上則形成自P區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流。當(dāng)PN結(jié)反向偏置時，外加電場與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，使得載流子的漂移運動大于擴散運動，形成反向電流，但由于受少數(shù)載流子濃度低的限制，反向電流很小。目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)2.2.1PN結(jié)原理

2.2.2電力電子器件的封裝2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)

3．PN結(jié)的反向擊穿

PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但如果反向電壓過大，達(dá)到反向擊穿電壓時，反向電流會急劇增加，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為反向擊穿，反向擊穿有可能造成PN結(jié)損壞。PN結(jié)反向擊穿有三種形式：雪崩擊穿、齊納擊穿和熱擊穿。

1）雪崩擊穿

當(dāng)反向電壓增大到某一數(shù)值后，載流子增加得快而多，使反向電流急劇增大，這種情況稱為雪崩擊穿。2.2.1PN結(jié)原理目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)2.2.1PN結(jié)原理

2.2.2電力電子器件的封裝2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)

2）齊納擊穿

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。在高摻雜濃度的PN結(jié)中，P區(qū)與N區(qū)之間的間距較窄，再加上反偏電壓使電場強度增加，能夠破壞共價鍵，將束縛電子分離出來造成電子-空穴對，該現(xiàn)象稱為齊納擊穿。

3）熱擊穿

上述兩種型式的擊穿過程都是可逆的，若此時外電路能采取措施限制反向電流，當(dāng)反向電壓降低后PN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，會超過PN結(jié)容許的耗散功率，導(dǎo)致熱量無法散發(fā)，PN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。2.2.1PN結(jié)原理目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)2.2.1PN結(jié)原理

2.2.2電力電子器件的封裝2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)4．PN結(jié)的電容效應(yīng)

PN結(jié)的單向?qū)щ娦允蛊鋵涣麟娪姓髯饔?，但這種作用只在交變電壓頻率不太高時才能發(fā)揮作用，而在電壓頻率增高時不能很好發(fā)揮作用，其原因就是PN結(jié)有電容效應(yīng)。PN結(jié)電容按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為勢壘電容和擴散電容。

1）勢壘電容

由于PN結(jié)的空間電荷區(qū)無可動電荷，猶如一層絕緣介質(zhì)，與將其夾在中間的P區(qū)和N區(qū)一起，構(gòu)成為一個電容器。由于空間電荷區(qū)是載流子的勢壘區(qū)，所以該電容稱為勢壘電容。2.2.1PN結(jié)原理目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)2.2.1PN結(jié)原理

2.2.2電力電子器件的封裝2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)2）擴散電容

發(fā)生在空間電荷區(qū)外并與注入載流子的擴散運動有關(guān)的電容效應(yīng)稱為擴散電容。當(dāng)PN結(jié)正向偏置時，大量電子由N區(qū)進(jìn)入P區(qū)，空穴由P區(qū)進(jìn)入N區(qū)。但電子進(jìn)入P區(qū)后并不是立即與空穴復(fù)合而消失，而是在靠近耗盡層的一定距離內(nèi)，一面繼續(xù)擴散，一面與空穴復(fù)合后消失。

擴散電容是由正偏壓造成的，只在正向偏置時存在。

在正向偏置時，當(dāng)電壓較低時，勢壘電容占主要成分；正向電壓較高時，擴散運動加劇，使擴散電容按指數(shù)規(guī)律上升，成為PN結(jié)電容的主要成分。2.2.1PN結(jié)原理目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)2.2.1PN結(jié)原理

2.2.2電力電子器件的封裝2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)圖2-2是電力電子器件幾種常見的封裝形式2.2.2電力電子器件的封裝目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)

2.2.1PN結(jié)原理

2.2.2電力電子器件的封裝2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)功率二極管（PowerDiode）屬于不可控電力電子器件，是20世紀(jì)最早獲得應(yīng)用的電力電子器件，它在整流、逆變等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。基于導(dǎo)電機理和結(jié)構(gòu)的不同，二極管可分為結(jié)型二極管和肖特基勢壘二極管。二極管的基本結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦裕蚱脮r表現(xiàn)為低阻態(tài)，形成正向電流，稱為正向?qū)?；而反向偏置時表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過，稱為反向截止。2.3

功率二極管目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)

2.2.1PN結(jié)原理

2.2.2電力電子器件的封裝2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)

為了提高結(jié)型二極管承受反向電壓的阻斷能力，PIN結(jié)構(gòu)可以用很薄的硅片厚度得到PN結(jié)構(gòu)在硅片很厚時才能獲得的高反壓阻斷能力，故結(jié)型功率二極管多采用PIN結(jié)構(gòu)。PIN功率二極管在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾有一層摻有輕微雜質(zhì)的高阻抗N-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。由于N-區(qū)域比P區(qū)域的摻雜濃度低的多，PN-空間電荷區(qū)主要在N-側(cè)展開，故PN結(jié)的內(nèi)電場基本集中在N-區(qū)域中，N-區(qū)域可以承受很高的外向擊穿電壓。2.3.1結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)

2.3功率二極管2.3.1結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理

2.3.2結(jié)型功率二極管的基本特性

2.3.3快速功率二極管

2.3.4肖特基勢壘二極管

2.3.5功率二極管的主要參數(shù)

2.3.6功率二極管的應(yīng)用特點2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)低摻雜N-區(qū)域越厚，功率二極管能夠承受的反向電壓就越高。

在PN結(jié)反向偏置的狀態(tài)下，N-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N-區(qū)域耗盡，甚至將空間電荷區(qū)擴展到N區(qū)域。如果P區(qū)域和N區(qū)域的摻雜濃度足夠高，則空間電荷區(qū)將被局限在N-區(qū)域，從而避免電極的穿通。2.3.1結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)

2.3功率二極管2.3.1結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理

2.3.2結(jié)型功率二極管的基本特性

2.3.3快速功率二極管

2.3.4肖特基勢壘二極管

2.3.5功率二極管的主要參數(shù)

2.3.6功率二極管的應(yīng)用特點2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)電力二極管和信息電子電路中的普通二極管的區(qū)別：正向?qū)〞r要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子(Carrier)的注入水平較高，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略當(dāng)PN結(jié)上流過的正向電流較小時，二極管的電阻值較高且為常量，管壓降隨正向電流上升而增加；當(dāng)流過的正向電流較大時，注入N-區(qū)的少子空穴濃度變大，為維持半導(dǎo)體中性條件，其多子濃度也相應(yīng)大幅度增加，使得其電阻率明顯下降，即電導(dǎo)率大大增加。引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應(yīng)也會有較大影響為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低，造成正向壓降(ForwardBiasVoltage)較大2.3.1結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)

2.3功率二極管2.3.1結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理

2.3.2結(jié)型功率二極管的基本特性

2.3.3快速功率二極管

2.3.4肖特基勢壘二極管

2.3.5功率二極管的主要參數(shù)

2.3.6功率二極管的應(yīng)用特點2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)2.3.2

結(jié)型功率二極管的基本特性

圖2-4結(jié)型功率二極管的伏安特性1．穩(wěn)態(tài)特性

電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN結(jié)在正向電流較大時導(dǎo)通壓降仍然很低，且不隨電流的大小而變化。目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)

2.3功率二極管

2.3.1結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理

2.3.2結(jié)型功率二極管的基本特性

2.3.3快速功率二極管

2.3.4肖特基勢壘二極管

2.3.5功率二極管的主要參數(shù)

2.3.6功率二極管的應(yīng)用特點2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)實際理論2.3.2

結(jié)型功率二極管的基本特性

2．動態(tài)特性

動態(tài)特性——因結(jié)電容的存在，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個過渡過程，此過程中的電壓—電流特性是隨時間變化的。動態(tài)特性主要指開關(guān)特性(SwitchingCharacteristic)，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

結(jié)型功率二極管的基本特性目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)

2.3功率二極管

2.3.1結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理

2.3.2結(jié)型功率二極管的基本特性

2.3.3快速功率二極管

2.3.4肖特基勢壘二極管

2.3.5功率二極管的主要參數(shù)

2.3.6功率二極管的應(yīng)用特點2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)

2．動態(tài)特性電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如2V）。導(dǎo)致電壓過沖的原因有兩個：阻性機制和感性機制。阻性機制：少數(shù)載流子注入的電導(dǎo)調(diào)制作用。2.3.2

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2.3功率二極管

2.3.1結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理

2.3.2結(jié)型功率二極管的基本特性

2.3.3快速功率二極管

2.3.4肖特基勢壘二極管

2.3.5功率二極管的主要參數(shù)

2.3.6功率二極管的應(yīng)用特點2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)圖2-5結(jié)型功率二極管的開關(guān)過程

2．動態(tài)特性感性機制：電流隨時間上升在器件內(nèi)部電感上產(chǎn)生壓降，di/dt越大，峰值電壓UFP越高。正向恢復(fù)時間tfr：正向電壓從零開始經(jīng)峰值電壓UFP，再降至穩(wěn)態(tài)電壓UF所需要的時間。圖2-5結(jié)型功率二極管的開關(guān)過程2.3.2

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2.3功率二極管

2.3.1結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理

2.3.2結(jié)型功率二極管的基本特性

2.3.3快速功率二極管

2.3.4肖特基勢壘二極管

2.3.5功率二極管的主要參數(shù)

2.3.6功率二極管的應(yīng)用特點2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)2．動態(tài)特性

td=t1-t0被稱為延遲時間，tf=t2-t1被稱為下降時間。反向恢復(fù)時間為trr=td+tf。在反向恢復(fù)期中，反向電流上升率越高，反向電壓過沖URP越高，這不僅會增加器件電壓耐壓值，而且由于其電壓變化率也相應(yīng)增高，當(dāng)結(jié)型二極管與可控器件并聯(lián)時，過高的電壓變化率會導(dǎo)致可控器件的誤導(dǎo)通。圖2-5結(jié)型功率二極管的開關(guān)過程2.3.2

結(jié)型功率二極管的基本特性目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)

2.3功率二極管

2.3.1結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理

2.3.2結(jié)型功率二極管的基本特性

2.3.3快速功率二極管

2.3.4肖特基勢壘二極管

2.3.5功率二極管的主要參數(shù)

2.3.6功率二極管的應(yīng)用特點2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)

2．動態(tài)特性比值S=tf/td稱為反向恢復(fù)系數(shù)，用來衡量反向恢復(fù)特性的硬度。S較小的器件其反向電流衰減較快，被稱為具有硬恢復(fù)特性。S越小，反向電壓過沖URP越大，高電壓變化率引發(fā)的電磁干擾（EMI）強度越高。圖2-5結(jié)型功率二極管的開關(guān)過程2.3.2

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2.3功率二極管

2.3.1結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理

2.3.2結(jié)型功率二極管的基本特性

2.3.3快速功率二極管

2.3.4肖特基勢壘二極管

2.3.5功率二極管的主要參數(shù)

2.3.6功率二極管的應(yīng)用特點2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)

普通結(jié)型功率二極管又稱整流管（RectifierDiode），反向恢復(fù)時間在5μs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，促使存儲在N區(qū)的過剩載流子減少，從而縮短反向恢復(fù)時間trr。

2）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P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)特性和較低的正向?qū)▔航?，這種結(jié)構(gòu)是目前快速二極管普遍采用的結(jié)構(gòu)。2.3.3

快速功率二極管目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)

2.3功率二極管

2.3.1結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理

2.3.2結(jié)型功率二極管的基本特性

2.3.3快速功率二極管

2.3.4肖特基勢壘二極管

2.3.5功率二極管的主要參數(shù)

2.3.6功率二極管的應(yīng)用特點2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)

2．快速型和超快速型

快速二極管分為快恢復(fù)（FRED）和超快恢復(fù)（HiperFRED，HiperFastsoftRecoveryEpitaxialDiode）兩類。前者應(yīng)用于開關(guān)頻率為20～50kHz的場合；后者用于開關(guān)頻率在50kHz以上的場合。主要用于開關(guān)電源、PWM脈寬調(diào)制器、變頻器等電路中，作為整流二極管、續(xù)流二極管使用。2.3.3

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2.3功率二極管

2.3.1結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理

2.3.2結(jié)型功率二極管的基本特性

2.3.3快速功率二極管

2.3.4肖特基勢壘二極管

2.3.5功率二極管的主要參數(shù)

2.3.6功率二極管的應(yīng)用特點2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)圖2-6肖特基二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖肖特基勢壘二極管，簡稱為肖特基二極管（SBD，SchottkyBarrierDiode），是利用金屬與N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。20世紀(jì)80年代以來，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用。2.3.4

肖特基勢壘二極管目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)

2.3功率二極管

2.3.1結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理

2.3.2結(jié)型功率二極管的基本特性

2.3.3快速功率二極管

2.3.4肖特基勢壘二極管

2.3.5功率二極管的主要參數(shù)

2.3.6功率二極管的應(yīng)用特點2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)由于N型半導(dǎo)體中存在著大量的電子，而金屬中僅有極少量的自由電子，當(dāng)金屬與N型半導(dǎo)體接觸后，電子便從濃度高的N型半導(dǎo)體中向濃度低的金屬中擴散。隨著電子不斷從半導(dǎo)體擴散到金屬，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，其電場方向為半導(dǎo)體→金屬。但在該電場作用之下，金屬中的電子也會產(chǎn)生從金屬→半導(dǎo)體的漂移運動，從而消弱了由于擴散運動而形成的電場。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動和濃度不同引起的電子擴散運動達(dá)到相對的平衡，便形成了肖特基勢壘。2.3.4

肖特基勢壘二極管目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)

2.3功率二極管

2.3.1結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理

2.3.2結(jié)型功率二極管的基本特性

2.3.3快速功率二極管

2.3.4肖特基勢壘二極管

2.3.5功率二極管的主要參數(shù)

2.3.6功率二極管的應(yīng)用特點2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)

當(dāng)SBD處于正向偏置時（即外加電壓金屬為正、半導(dǎo)體為負(fù)），合成勢壘高度下降，這將有利于硅中電子向金屬轉(zhuǎn)移，從而形成正向電流；相反當(dāng)SBD處于反向偏置時，合成勢壘高度升高，硅中電子轉(zhuǎn)移比零偏置（無外部電壓）時更困難。肖特基二極管的優(yōu)點反向恢復(fù)時間很短（10-40ns）正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管2.3.4

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2.3功率二極管

2.3.1結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理

2.3.2結(jié)型功率二極管的基本特性

2.3.3快速功率二極管

2.3.4肖特基勢壘二極管

2.3.5功率二極管的主要參數(shù)

2.3.6功率二極管的應(yīng)用特點2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)肖特基二極管的優(yōu)點其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗通損耗都比快速二極管還要小，效率高肖特基二極管的弱點當(dāng)反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度應(yīng)用：開關(guān)電源、變頻器、驅(qū)動器等電路中，作高頻、低壓、大電流整流二極管、續(xù)流二極管、保護(hù)二極管使用，或在微波通信等電路中作整流二極管、小信號檢波二極管使用。2.3.4

肖特基勢壘二極管目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)

2.3功率二極管

2.3.1結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理

2.3.2結(jié)型功率二極管的基本特性

2.3.3快速功率二極管

2.3.4肖特基勢壘二極管

2.3.5功率二極管的主要參數(shù)

2.3.6功率二極管的應(yīng)用特點2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)

除了反向恢復(fù)時間trr和正向?qū)▔航礥F，選用功率二極管時，還應(yīng)考慮以下幾個參數(shù)：1．額定正向平均電流IT(AV)

功率二極管長期運行在規(guī)定管殼溫度和散熱條件下，允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值定義為額定正向平均電流。2.3.5

功率二極管的主要參數(shù)目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)

2.3功率二極管

2.3.1結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理

2.3.2結(jié)型功率二極管的基本特性

2.3.3快速功率二極管

2.3.4肖特基勢壘二極管

2.3.5功率二極管的主要參數(shù)

2.3.6功率二極管的應(yīng)用特點2.4晶閘管2.5可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應(yīng)晶體管2.8絕緣柵雙極型晶體管*2.9其它新型電力電子器件2.10電力電子器件的發(fā)展趨勢2.11電力電子器件應(yīng)用共性問題小結(jié)2．額定反向電壓URPM

指二極管能承受的重復(fù)施加的反向最高峰值電壓（額定電壓），此電壓通常為擊穿電壓的2/3。為避免發(fā)生擊穿，在實際應(yīng)用中應(yīng)計算功率二極管有可能承受的反向最高電壓，并在選型時留有2～3倍的裕量。3．最高工作結(jié)溫TJM結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度

指器件中PN結(jié)在不至于損壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125～175℃范圍內(nèi)。2.3.5

功率二極管的主要參數(shù)目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎(chǔ)

2.3功率二極管

2.3.1結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理

2.3.2結(jié)型功率二極管的基本特性

2.3.3快速功率二極管

2.3.4肖特基勢壘二極管

2.3.5功率二極管的主要參數(shù)

2.3.6功率二極管的應(yīng)用特點2.4晶閘管2.5