電力電子器件培訓(1)

1、Copyright 2016.10C常用電力電子器件簡介常用電力電子器件簡介目錄目錄二、三極管二、三極管.三三、可控硅可控硅.一、二極管一、二極管. 四、四、IGBT.五、五、電容器電容器.六、電感器六、電感器.一、二極管一、二極管 自然界的物質、材料按導電能力大小可分為導體、半導自然界的物質、材料按導電能力大小可分為導體、半導體和絕緣體三大類。半導體的電阻率在體和絕緣體三大類。半導體的電阻率在1mcm1Gcm范范圍。在一般情況下，半導體電導率隨溫度的升高而升高，這圍。在一般情況下，半導體電導率隨溫度的升高而升高，這與金屬導體恰好相反。與金屬導體恰好相反。 各種外界因素如光、熱、磁、電等作用于

2、半導體而引起各種外界因素如光、熱、磁、電等作用于半導體而引起的物理效應和現(xiàn)象，稱為半導體材料的半導體性質。的物理效應和現(xiàn)象，稱為半導體材料的半導體性質。半導體的基本知識半導體的基本知識一、二極管一、二極管 半導體材料可按化學組成來分，再將結構與性能比較特半導體材料可按化學組成來分，再將結構與性能比較特殊的非晶態(tài)與液態(tài)半導體單獨列為一類。按照這樣分類方法殊的非晶態(tài)與液態(tài)半導體單獨列為一類。按照這樣分類方法可將半導體材料分為元素半導體、無機化合物半導體、有機可將半導體材料分為元素半導體、無機化合物半導體、有機化合物半導體和非晶態(tài)與液態(tài)半導體?；衔锇雽w和非晶態(tài)與液態(tài)半導體。 工業(yè)上應用最多的是硅

3、、鍺、碳化硅、砷化鎵等。用于工業(yè)上應用最多的是硅、鍺、碳化硅、砷化鎵等。用于制作各種晶體管、整流器、集成電路、太陽能電池等方面。制作各種晶體管、整流器、集成電路、太陽能電池等方面。半導體的基本知識半導體的基本知識一、二極管一、二極管 1、本征半導體、本征半導體 沒有雜質和缺陷的半導體單晶，叫做本征半導體。沒有雜質和缺陷的半導體單晶，叫做本征半導體。 2、本征激發(fā)、本征激發(fā) 當溫度升高時，電子吸收能量擺脫共價鍵而形成一對電子和當溫度升高時，電子吸收能量擺脫共價鍵而形成一對電子和空穴的過程，稱為本征激發(fā)。空穴的過程，稱為本征激發(fā)。 半導體的基本知識半導體的基本知識一、二極管一、二極管 雜質半導體雜

4、質半導體 在本征半導體中摻入微量的雜質，在本征半導體中摻入微量的雜質， 就會使半導體的導電性就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著的變化。因摻入雜質不同，雜質半導體可分為空能發(fā)生顯著的變化。因摻入雜質不同，雜質半導體可分為空穴（穴（P）型半導體和電子（）型半導體和電子（N）型半導體兩大類。）型半導體兩大類。 半導體的基本知識半導體的基本知識一、二極管一、二極管 1、P型半導體型半導體 在本征半導體中摻入少量的三價元素雜質就形成在本征半導體中摻入少量的三價元素雜質就形成P型半導體，型半導體，P型半導體的多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是電子。型半導體的多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是電子。半導體的基本知識半導

5、體的基本知識一、二極管一、二極管 2、N型半導體型半導體 在本征半導體中摻入少量的五價元素雜質就形成在本征半導體中摻入少量的五價元素雜質就形成N型半導體。型半導體。N型半導體的多數(shù)載流子是電子，少數(shù)載流子是空穴。型半導體的多數(shù)載流子是電子，少數(shù)載流子是空穴。半導體的基本知識半導體的基本知識一、二極管一、二極管 在在P型半導體和型半導體和N型半導體結合后，在它們的交界處就出型半導體結合后，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差，電子和空穴帶有相反的電荷，它現(xiàn)了電子和空穴的濃度差，電子和空穴帶有相反的電荷，它們在擴散過程中要產生復合（中和），結果使們在擴散過程中要產生復合（中和），結果使P區(qū)和區(qū)

6、和N區(qū)中原區(qū)中原來的電中性被破壞。來的電中性被破壞。 P區(qū)失去空穴留下帶負電的離子，區(qū)失去空穴留下帶負電的離子，N區(qū)失區(qū)失去電子留下帶正電的離子，去電子留下帶正電的離子， 這些離子因物質結構的關系，它這些離子因物質結構的關系，它們不能移動，因此稱為空間電荷，它們集中在們不能移動，因此稱為空間電荷，它們集中在P區(qū)和區(qū)和N區(qū)的交區(qū)的交界面附近，形成了一個很薄的空間電荷區(qū)，這就是所謂的界面附近，形成了一個很薄的空間電荷區(qū)，這就是所謂的PN結。結。 半導體的基本知識半導體的基本知識一、二極管一、二極管 PN結中存在著兩種載流子的運動。一種是多子克服電場結中存在著兩種載流子的運動。一種是多子克服電場的阻

7、力的擴散運動；另一種是少子在內電場的作用下產生的的阻力的擴散運動；另一種是少子在內電場的作用下產生的漂移運動。因此，只有當擴散運動與漂移運動達到動態(tài)平衡漂移運動。因此，只有當擴散運動與漂移運動達到動態(tài)平衡時，空間電荷區(qū)的寬度和內建電場才能相對穩(wěn)定。時，空間電荷區(qū)的寬度和內建電場才能相對穩(wěn)定。 由于兩種由于兩種運動產生的電流方向相反，因而在無外電場或其他因素激勵運動產生的電流方向相反，因而在無外電場或其他因素激勵時，時，PN結中無宏觀電流。結中無宏觀電流。半導體的基本知識半導體的基本知識一、二極管一、二極管 半導體的基本知識半導體的基本知識PN結在外加電壓的作用下，平衡將被打破，并顯示出其單向導

8、電的特性。結在外加電壓的作用下，平衡將被打破，并顯示出其單向導電的特性。一、二極管一、二極管 1、外加正向電壓、外加正向電壓 當當PN結外加正向電壓時，外電場與內電場的方向相反，內電結外加正向電壓時，外電場與內電場的方向相反，內電場變弱，結果使空間電荷區(qū)（場變弱，結果使空間電荷區(qū)（PN結）變窄。同時空間電荷區(qū)結）變窄。同時空間電荷區(qū)中載流子的濃度增加，電阻變小。中載流子的濃度增加，電阻變小。半導體的基本知識半導體的基本知識一、二極管一、二極管 2、外加反向電壓、外加反向電壓 當當PN結外加反向電壓時，外電場與內電場的方向相同，內結外加反向電壓時，外電場與內電場的方向相同，內電場變強，結果使空間

9、電荷區(qū)（電場變強，結果使空間電荷區(qū)（PN結）變寬結）變寬, 同時空間電荷同時空間電荷區(qū)中載流子的濃度減小，電阻變大。區(qū)中載流子的濃度減小，電阻變大。半導體的基本知識半導體的基本知識一、二極管一、二極管 半導體二極管半導體二極管一、二極管一、二極管 一、半導體二極管的結構一、半導體二極管的結構 半導體二極管半導體二極管一、二極管一、二極管 一、二極管一、二極管 一、二極管一、二極管 半導體二極管半導體二極管一、二極管一、二極管 半導體二極管半導體二極管一、二極管一、二極管 半導體二極管半導體二極管一、二極管一、二極管 半導體二極管半導體二極管一、二極管一、二極管 半導體二極管半導體二極管一、二極

10、管一、二極管 半導體二極管半導體二極管一、二極管一、二極管 半導體二極管半導體二極管二、三極管二、三極管 BJT是通過一定的工藝，將兩個是通過一定的工藝，將兩個PN結結合在一起的器件，結結合在一起的器件，由于由于PN結之間的相互影響，結之間的相互影響， 使使BJT表現(xiàn)出不同于單個表現(xiàn)出不同于單個 PN結的結的特性而具有電流放大，從而使特性而具有電流放大，從而使PN結的應用發(fā)生了質的飛躍。結的應用發(fā)生了質的飛躍。半導體三極管（半導體三極管（BJT）二、三極管二、三極管 按照頻率分，有高頻管、低頻管；按照頻率分，有高頻管、低頻管； 按照功率分，有小、按照功率分，有小、中、大功率管；按照半導體材料分

11、，有硅管、鍺管；根據(jù)結中、大功率管；按照半導體材料分，有硅管、鍺管；根據(jù)結構不同，構不同， 又可分成又可分成NPN型和型和PNP型等等。但從它們的外形來型等等。但從它們的外形來看，看，BJT都有三個電極。都有三個電極。半導體三極管半導體三極管二、三極管二、三極管 BJT內部載流子的傳輸過程內部載流子的傳輸過程BJT工作于放大狀態(tài)的基本條件：發(fā)射結正偏、集電結反偏。工作于放大狀態(tài)的基本條件：發(fā)射結正偏、集電結反偏。 半導體三極管半導體三極管二、三極管二、三極管 電子在基區(qū)中的擴散與復合電子在基區(qū)中的擴散與復合 由發(fā)射區(qū)來的電子注入基區(qū)后，由發(fā)射區(qū)來的電子注入基區(qū)后， 就在基區(qū)靠近發(fā)射結的邊界積累

12、起來，就在基區(qū)靠近發(fā)射結的邊界積累起來， 右基區(qū)中形成右基區(qū)中形成了一定的濃度梯度，靠近發(fā)射結附近濃度最高，離發(fā)射結越遠濃度越小。因此，了一定的濃度梯度，靠近發(fā)射結附近濃度最高，離發(fā)射結越遠濃度越小。因此， 電子就要電子就要向集電結的方向擴散，在擴散過程中又會與基區(qū)中的空穴復合，同時接在基區(qū)的電源向集電結的方向擴散，在擴散過程中又會與基區(qū)中的空穴復合，同時接在基區(qū)的電源VEE的的正端則不斷從基區(qū)拉走電子，正端則不斷從基區(qū)拉走電子， 好像不斷供給基區(qū)空穴。電子復合的數(shù)目與電源從基區(qū)拉走好像不斷供給基區(qū)空穴。電子復合的數(shù)目與電源從基區(qū)拉走的電子數(shù)目相等，的電子數(shù)目相等， 使基區(qū)的空穴濃度基本維持不

13、變。這樣就形成了基極電流使基區(qū)的空穴濃度基本維持不變。這樣就形成了基極電流IB， 所以基極所以基極電流就是電子在基區(qū)與空穴復合的電流。也就是說，電流就是電子在基區(qū)與空穴復合的電流。也就是說， 注人基區(qū)的電子有一部分未到達集電注人基區(qū)的電子有一部分未到達集電結，結， 如復合越多，如復合越多， 則到達集電結的電子越少，則到達集電結的電子越少， 對放大是不利的。對放大是不利的。 所以為了減小復合，常所以為了減小復合，常把基區(qū)做得很薄把基區(qū)做得很薄 (幾微米幾微米)，并使基區(qū)摻入雜質的濃度很低，因而電子在擴散過程中實際上，并使基區(qū)摻入雜質的濃度很低，因而電子在擴散過程中實際上與空穴復合的數(shù)量很少，與空

14、穴復合的數(shù)量很少， 大部分都能到達集電結。大部分都能到達集電結。半導體三極管半導體三極管二、三極管二、三極管 集電區(qū)收集電子集電區(qū)收集電子 集電結外加反向電壓，其集電結的內電場集電結外加反向電壓，其集電結的內電場非常強，且電場方向從非常強，且電場方向從C區(qū)指向區(qū)指向B區(qū)。使集電區(qū)。使集電區(qū)的電子和基區(qū)的空穴很難通過集電結，但區(qū)的電子和基區(qū)的空穴很難通過集電結，但對基區(qū)擴散到集電結邊緣的電子卻有很強的對基區(qū)擴散到集電結邊緣的電子卻有很強的吸引力，吸引力， 使電子很快地漂移過集電結為集電使電子很快地漂移過集電結為集電區(qū)所收集，形成集電極電流區(qū)所收集，形成集電極電流IC。 與此同時，與此同時，集電區(qū)

15、的空穴也會在該電場的作用下，漂移集電區(qū)的空穴也會在該電場的作用下，漂移到基區(qū)，到基區(qū)， 形成很小的反向飽和電流形成很小的反向飽和電流ICB0 。半導體三極管半導體三極管二、三極管二、三極管 1、共發(fā)射極電路共發(fā)射極電路 有電壓電流放大作用，輸入電阻適中，有電壓電流放大作用，輸入電阻適中，輸出電阻適中，輸出電壓與輸入電壓相輸出電阻適中，輸出電壓與輸入電壓相位相反。位相反。高頻性能差，適用于低頻、和高頻性能差，適用于低頻、和多級放大電路的中間級。多級放大電路的中間級。半導體三極管半導體三極管二、三極管二、三極管 2、共集電極電路共集電極電路 有電流放大作用，電壓跟隨作用，輸有電流放大作用，電壓跟隨

16、作用，輸入電阻很大，輸出電阻很小，輸出電壓入電阻很大，輸出電阻很小，輸出電壓與輸入電壓同相位。常用于多級放大電與輸入電壓同相位。常用于多級放大電路的輸入級、輸出級或緩沖級。路的輸入級、輸出級或緩沖級。半導體三極管半導體三極管二、三極管二、三極管 3、共基極電路共基極電路 有電壓放大作用，電流跟隨作用，輸有電壓放大作用，電流跟隨作用，輸入電阻很小，輸出電阻適中，輸出電壓入電阻很小，輸出電阻適中，輸出電壓與輸入電壓同相位。高頻特性較好，常與輸入電壓同相位。高頻特性較好，常用于高頻或寬頻帶電路。用于高頻或寬頻帶電路。半導體三極管半導體三極管二、三極管二、三極管 半導體三極管半導體三極管三、可控硅三、

17、可控硅 可控硅，是可控硅整流元件的簡稱，是一種可控硅，是可控硅整流元件的簡稱，是一種具有三個具有三個PN結的四層結構的大功率半導體器件，結的四層結構的大功率半導體器件，亦稱為晶閘管。不管可控硅的外形如何，它們亦稱為晶閘管。不管可控硅的外形如何，它們的管芯都是由的管芯都是由P型硅和型硅和N型硅組成的四層型硅組成的四層P1N1P2N2結構結構.見圖見圖1.它有三個它有三個PN結（結（J1、J2、J3），從），從J1結構的結構的P1層引出陽極層引出陽極A，從，從N2層引出層引出陰級陰級K，從，從P2層引出控制極層引出控制極G，所以它是一種四，所以它是一種四層三端的半導體器件層三端的半導體器件.可控硅

18、元件的結構可控硅元件的結構三、可控硅三、可控硅可控硅的外觀和等效電路可控硅的外觀和等效電路三、可控硅三、可控硅可控硅元件的觸發(fā)可控硅元件的觸發(fā)四、四、IGBT IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕，絕緣柵雙極型晶體管，是由緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管雙極型三極管)和和MOS(絕緣柵型場效應管絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件驅動式功率半導體器件, 兼有兼有MOSFET的高輸入的高輸入阻抗和阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。 IGBT模塊是由模塊是由IGBT（絕緣

19、柵雙極型晶體管芯（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與片）與FWD（續(xù)流二極管芯片）通過特定的電（續(xù)流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品路橋接封裝而成的模塊化半導體產品IGBT的結構的結構三、可控硅三、可控硅 其輸入極為其輸入極為MOSFET，輸出極為，輸出極為PNP晶體管，晶體管，它融合了這兩種器件的優(yōu)點，既具有它融合了這兩種器件的優(yōu)點，既具有MOSFET器器件驅動功率小和開關速度快的優(yōu)點，又具有雙件驅動功率小和開關速度快的優(yōu)點，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點，其頻率極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點，其頻率特性介于特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工與功率晶體

20、管之間，可正常工作于幾十作于幾十kHz頻率范圍內。頻率范圍內。IGBT的特點的特點三、可控硅三、可控硅 若在若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅動正電的柵極和發(fā)射極之間加上驅動正電壓，則壓，則MOSFET導通，這樣導通，這樣PNP晶體管的集電極晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導通；若與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則，則MOSFET截止，切斷截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。體管截止。IGBT的工作原理的工作原理三、可控硅三、可控硅 IGBT就是一個開關，非通即斷，如何