電力電子第二章第二講

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

6電力電子器件基礎電力電子器件的特點與分類

功率二極管

功率場效應晶體管

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用共性問題11總結

12第2章電力電子器件及應用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體器件兩類。兩類中，自20世紀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體器件。電力半導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2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結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信號傳輸任務不同，電力電子器件處理的功率較大，具有較高的導通電流和阻斷電壓。由于自身的導通電阻和阻斷時的漏電流，電力電子器件要產生較大的耗散功率，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2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結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）工作在開關狀態(tài)為了降低工作損耗，電力電子器件往往工作在開關狀態(tài)。電力電子器件工作時在開通和關斷之間不斷切換。導通時（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（開關特性）和參數，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來代替電力電子器件都是工作于開關狀態(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2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結電力電子器件的重要參數：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狀態(tài)。導通時阻抗很小，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。 參數中電壓指器件在阻斷時所能承受的電壓； 參數中電流指器件在導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動電路。4）需要緩沖和保護電路電力電子器件的主要用途是高速開關，與普通電氣開關、熔斷器和接觸器等電氣元件相比，其過載能力不強，電力電子器件導通時的電流要嚴格控制在一定范圍內。過電流不僅會使器件特性惡化，還會破壞器件結構，導致器件永久失效。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，降低器件的電應力；采用保護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2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結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通而不能控制其關斷的電力電子器件。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通，又可以控制其關斷的電力電子器件。這類器件的品種很多，目前常用的有門極可關斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）、功率場效應管（PowerMOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等。

2.2

電力電子器件基礎目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結2.電力電子器件的分類按照驅動信號的不同，又可將可控器件分為電流驅動型和電壓驅動型。電流驅動型器件通過從控制極注入和抽出電流來實現器件的通斷，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；電壓驅動型器件通過在控制極上施加正向控制電壓實現器件導通，通過撤除控制電壓或施加反向控制電壓使器件關斷；當器件處于穩(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通，故也稱場控或場效應器件，其典型代表是PowerMOSFET和IGBT。2.2

電力電子器件基礎目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結2.電力電子器件的分類根據器件內部帶電粒子參與導電的種類不同，電力電子器件又可分為單極型、雙極型和復合型三類。器件內部只有一種帶電粒子參與導電的稱為單極型器件，如PowerMOSFET；器件內有電子和空穴兩種帶電粒子參于導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合而成的新器件稱為復合型器件，如IGBT等。2.2

電力電子器件基礎目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結1．PN結的形成半導體：導電性能介于導體和絕緣體之間的物質。其導電能力受到外部條件影響。如光、熱。半導體是否純凈也會影響其導電能力。完全純凈的、結構完整的半導體晶體稱為本征半導體。在常溫下，本征半導體可以激發(fā)出少量的自由電子，并出現相應數量的空穴，這兩種不同極性的帶電粒子統(tǒng)稱為載流子。用適當的方法在本征半導體內摻入微量的雜質，會使半導體的導電能力發(fā)生顯著的變化，這種半導體稱為雜質半導體。因摻入雜質元素的不同，雜質半導體分為電子型（N型）半導體和空穴型（P型）半導體兩類。2.2

電力電子器件基礎目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結1．PN結的形成

N型半導體的雜質為五價元素，在半導體晶體中能給出一個多余的電子，故N型半導體內自由電子數遠大于空穴數，則自由電子稱為多數載流子（簡稱多子），空穴稱為少數載流子（簡稱少子）。而P型半導體中的雜質為三價元素，能在半導體晶體中接受電子，使晶體中產生空穴，即P型半導體中的空穴數遠大于自由電子數，則空穴稱為多數載流子，自由電子稱為少數載流子。N型半導體和P型半導體結合后，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)內成為少子。2.2

電力電子器件基礎目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎2.3功率二極管2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結將N型半導體和P型半導體結合，由于P型半導體內空穴濃度高、電子濃度低，而N型半導體空穴濃度低、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附近進行。當電子離開N區(qū)后，留下了不能移動的帶正電荷的雜質離子，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電荷的雜質離子，形成一層帶負電荷的區(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2.2.1PN結原理

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可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結2.2.1PN結原理由于正負電荷的相互作用，在空間電荷區(qū)形成從帶正電的N區(qū)指向帶負電的P區(qū)的內電場。內電場對多數載流子的擴散運動有阻擋作用，同時也會吸引對方區(qū)內的少數載流子向本區(qū)運動，形成漂移運動。當擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡時，正、負空間電荷量就達到穩(wěn)定值。此時的空間電荷區(qū)就是PN結。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2.2.1PN結原理

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可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結2.2.1PN結原理耗盡層，勢壘區(qū)或阻擋層2.2.1PN結原理2．偏置下的PN結在PN結上外加電壓稱為對PN結的偏置，P區(qū)加正、N區(qū)加負為正偏置，反之為反偏置。當PN結正向偏置時，外加電場與PN結的內電場方向相反，內電場被削弱，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PN結反向偏置時，外加電場與PN結內電場方向相同，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2.2.1PN結原理

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可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結

3．PN結的反向擊穿

PN結具有一定的反向耐壓能力，但如果反向電壓過大，達到反向擊穿電壓時，反向電流會急劇增加，破壞PN結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結損壞。PN結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

當反向電壓增大到某一數值后，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2.2.1PN結原理

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可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結

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，當反向電壓降低后PN結仍可恢復原來狀態(tài)。否則反向電壓和反向電流乘積過大，會超過PN結容許的耗散功率，導致熱量無法散發(fā)，PN結溫度上升直至過熱而燒毀。這種現象稱為熱擊穿，必須盡可能避免熱擊穿。2.2.1PN結原理目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎2.2.1PN結原理

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可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結4．PN結的電容效應

PN結的單向導電性使其對交流電有整流作用，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結有電容效應。PN結電容按其產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結的空間電荷區(qū)無可動電荷，猶如一層絕緣介質，與將其夾在中間的P區(qū)和N區(qū)一起，構成為一個電容器。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2.2.1PN結原理

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可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結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的電容效應稱為擴散電容。當PN結正向偏置時，大量電子由N區(qū)進入P區(qū)，空穴由P區(qū)進入N區(qū)。但電子進入P區(qū)后并不是立即與空穴復合而消失，而是在靠近耗盡層的一定距離內，一面繼續(xù)擴散，一面與空穴復合后消失。

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，使擴散電容按指數規(guī)律上升，成為PN結電容的主要成分。2.2.1PN結原理目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎2.2.1PN結原理

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可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結圖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

2.2.1PN結原理

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可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結功率二極管（PowerDiode）屬于不可控電力電子器件，是20世紀最早獲得應用的電力電子器件，它在整流、逆變等領域都發(fā)揮著重要的作用。基于導電機理和結構的不同，二極管可分為結型二極管和肖特基勢壘二極管。二極管的基本結構是半導體PN結，具有單向導電性，正向偏置時表現為低阻態(tài)，形成正向電流，稱為正向導通；而反向偏置時表現為高阻態(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

2.2.1PN結原理

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可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結

為了提高結型二極管承受反向電壓的阻斷能力，PIN結構可以用很薄的硅片厚度得到PN結構在硅片很厚時才能獲得的高反壓阻斷能力，故結型功率二極管多采用PIN結構。PIN功率二極管在P型半導體和N型半導體之間夾有一層摻有輕微雜質的高阻抗N-區(qū)域，該區(qū)域由于摻雜濃度低而接近于純半導體，即本征半導體。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-側展開，故PN結的內電場基本集中在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結型功率二極管基本結構和工作原理目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎

2.3功率二極管2.3.1結型功率二極管基本結構和工作原理

2.3.2結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

2.3.6功率二極管的應用特點2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結低摻雜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結型功率二極管基本結構和工作原理目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎

2.3功率二極管2.3.1結型功率二極管基本結構和工作原理

2.3.2結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

2.3.6功率二極管的應用特點2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結電力二極管和信息電子電路中的普通二極管的區(qū)別：正向導通時要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子(Carrier)的注入水平較高，電導調制效應不能忽略當PN結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，為維持半導體中性條件，其多子濃度也相應大幅度增加，使得其電阻率明顯下降，即電導率大大增加。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結型功率二極管基本結構和工作原理目錄2.1電力電子器件的特點與分類2.2電力電子器件基礎

2.3功率二極管2.3.1結型功率二極管基本結構和工作原理

2.3.2結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

2.3.6功率二極管的應用特點2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結2.3.2

結型功率二極管的基本特性

圖2-4結型功率二極管的伏安特性1．穩(wěn)態(tài)特性

電導調制效應使得PN結在正向電流較大時導通壓降仍然很低，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

2.3功率二極管

2.3.1結型功率二極管基本結構和工作原理

2.3.2結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

2.3.6功率二極管的應用特點2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結實際理論2.3.2

結型功率二極管的基本特性

2．動態(tài)特性

動態(tài)特性——因結電容的存在，狀態(tài)之間的轉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)特性主要指開關特性(SwitchingCharacteristic)，開關特性反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉換過程。2.3.2

結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

2.3功率二極管

2.3.1結型功率二極管基本結構和工作原理

2.3.2結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

2.3.6功率二極管的應用特點2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結

2．動態(tài)特性電力二極管的正向壓降先出現一個過沖UFP，經過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如2V）。導致電壓過沖的原因有兩個：阻性機制和感性機制。阻性機制：少數載流子注入的電導調制作用。2.3.2

結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

2.3功率二極管

2.3.1結型功率二極管基本結構和工作原理

2.3.2結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

2.3.6功率二極管的應用特點2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結圖2-5結型功率二極管的開關過程

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

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2.3功率二極管

2.3.1結型功率二極管基本結構和工作原理

2.3.2結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

2.3.6功率二極管的應用特點2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結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。反向恢復時間為trr=td+tf。在反向恢復期中，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增高，當結型二極管與可控器件并聯(lián)時，過高的電壓變化率會導致可控器件的誤導通。圖2-5結型功率二極管的開關過程2.3.2

結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

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2.3.3快速功率二極管

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2.3.5功率二極管的主要參數

2.3.6功率二極管的應用特點2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結

2．動態(tài)特性比值S=tf/td稱為反向恢復系數，用來衡量反向恢復特性的硬度。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結型功率二極管的開關過程2.3.2

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2.3.2結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

2.3.6功率二極管的應用特點2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結

普通結型功率二極管又稱整流管（RectifierDiode），反向恢復時間在5μs以上，多用于開關頻率在1kHz以下的整流電路中。若是高頻電路，應采用快速功率二極管。1．提高結型功率二極管開關速度的措施

1）擴散法：在硅材料摻入金或鉑等雜質可有效提高少子復合率，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結構，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行少子壽命控制。在相同耐壓條件下，新結構硅片厚度要薄得多，具有更好的恢復特性和較低的正向導通壓降，這種結構是目前快速二極管普遍采用的結構。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

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2.3.6功率二極管的應用特點2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結

2．快速型和超快速型

快速二極管分為快恢復（FRED）和超快恢復（HiperFRED，HiperFastsoftRecoveryEpitaxialDiode）兩類。前者應用于開關頻率為20～50kHz的場合；后者用于開關頻率在50kHz以上的場合。主要用于開關電源、PWM脈寬調制器、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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2.3.3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

2.3.6功率二極管的應用特點2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結圖2-6肖特基二極管內部結構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

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2.3.2結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

2.3.6功率二極管的應用特點2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結由于N型半導體中存在著大量的電子，而金屬中僅有極少量的自由電子，當金屬與N型半導體接觸后，電子便從濃度高的N型半導體中向濃度低的金屬中擴散。隨著電子不斷從半導體擴散到金屬，半導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，其電場方向為半導體→金屬。但在該電場作用之下，金屬中的電子也會產生從金屬→半導體的漂移運動，從而消弱了由于擴散運動而形成的電場。當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到相對的平衡，便形成了肖特基勢壘。2.3.4

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2.3.2結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

2.3.6功率二極管的應用特點2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結

當SBD處于正向偏置時（即外加電壓金屬為正、半導體為負），合成勢壘高度下降，這將有利于硅中電子向金屬轉移，從而形成正向電流；相反當SBD處于反向偏置時，合成勢壘高度升高，硅中電子轉移比零偏置（無外部電壓）時更困難。肖特基二極管的優(yōu)點反向恢復時間很短（10-40ns）正向恢復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，明顯低于快恢復二極管2.3.4

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2.3.1結型功率二極管基本結構和工作原理

2.3.2結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

2.3.6功率二極管的應用特點2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結肖特基二極管的優(yōu)點其開關損耗和正向導通損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，而且必須更嚴格地限制其工作溫度應用：開關電源、變頻器、驅動器等電路中，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

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2.3.1結型功率二極管基本結構和工作原理

2.3.2結型功率二極管的基本特性

2.3.3快速功率二極管

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2.3.5功率二極管的主要參數

2.3.6功率二極管的應用特點2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結

除了反向恢復時間trr和正向導通壓降UF，選用功率二極管時，還應考慮以下幾個參數：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

2.3功率二極管

2.3.1結型功率二極管基本結構和工作原理

2.3.2結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

2.3.6功率二極管的應用特點2.4晶閘管2.5可關斷晶閘管（GTO）2.6電力晶體管2.7功率場效應晶體管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電力電子器件應用共性問題小結2．額定反向電壓URPM

指二極管能承受的重復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，在實際應用中應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．最高工作結溫TJM結溫是指管芯PN結的平均溫度

指器件中PN結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。2.3.5

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

2.3功率二極管

2.3.1結型功率二極管基本結構和工作原理

2.3.2結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

2.3.6功率二極管的應用特點2.4晶閘管2.5