電力電子器件介紹(ppt 72頁).ppt

1、1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識、導(dǎo)體：自然界中容易導(dǎo)電的物質(zhì)叫導(dǎo)體，金屬一般是導(dǎo)體。 絕緣體：有些物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，被稱為橡子、陶瓷、塑料、石英等絕緣體。 半導(dǎo)體：另一種物質(zhì)的導(dǎo)電特性在導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為鍺、硅、砷化鎵、硫化物、氧化物等半導(dǎo)體。 1.1.1本征半導(dǎo)體，純結(jié)晶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體叫本征半導(dǎo)體。 另一方面，半導(dǎo)體、導(dǎo)電特性介于導(dǎo)體(廉價的元素構(gòu)成)和絕緣體(高價的元素構(gòu)成)之間，被稱為半導(dǎo)體，例如鍺、硅等，都是4價的元素。 價電子共有化，形成共價鍵的晶格結(jié)構(gòu)、1.1.1本征半導(dǎo)體、具有純粹晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。 一、半導(dǎo)體、二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電狀況、金屬導(dǎo)電在其內(nèi)部有自由電子存在(載流

2、子)，由于外部電場，自由電子取向移動而形成電流2 .電子和空穴成對出現(xiàn)，濃度相等3 .熱激發(fā)產(chǎn)生電子和空穴，因此半導(dǎo)體的導(dǎo)電性和溫度相關(guān)，對溫度敏感。 總而言之，1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體、1、n型半導(dǎo)體通過向純粹的硅結(jié)晶中導(dǎo)入5價元素(例如磷)，并調(diào)換晶格中的硅原子的位置，形成了n型半導(dǎo)體。 電子-多子； 空穴-少子.converteam作者：周宇，1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體，二、p型半導(dǎo)體是通過在純粹的硅結(jié)晶中導(dǎo)入三價元素(例如硼)，置換晶格中的硅原子的位置而形成的空穴-多子； 電子-少子.converteam作者：周宇，1.1.3 PN結(jié)采用不同的摻雜工藝，在同一硅片上制作p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體，并

3、在它們的界面形成PN結(jié)。 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?一、PN結(jié)的形成、p區(qū)、n區(qū)、converteam作者：周宇、一、PN結(jié)的形成、界面上，由于兩載流子的濃度差，出現(xiàn)擴(kuò)散運動。 converteam作者：周宇，一，PN結(jié)的形成，在界面上，由于擴(kuò)散運動，經(jīng)過復(fù)合，出現(xiàn)空間電荷區(qū)域，converteam作者：周宇，一，PN結(jié)的形成，擴(kuò)散電流等于漂移電流時，PN結(jié)，converteam作者：周宇， 1 .通過擴(kuò)散運動形成空間電荷區(qū)域和內(nèi)部電場2 .內(nèi)部電場阻礙多子擴(kuò)散，有利于少子漂移3 .當(dāng)擴(kuò)散電流等于漂移電流時，取得動平衡，形成PN結(jié)。 總之，converteam作者：周宇，二，PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?/p>

4、1 .對PN結(jié)施加正向電壓時處于導(dǎo)通狀態(tài)，所謂施加正向電壓是在p端施加正電壓，在n端施加負(fù)電壓，也稱為正向接合法或者正向偏置。 converteam作者：周宇、內(nèi)電場、外電場、外電場抵消了內(nèi)電場的作用，使耗盡層變窄，形成大的擴(kuò)散電流。 對周宇、2. PN結(jié)施加反向電壓后變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，由于外部電場和內(nèi)部電場的共同作用耗盡層擴(kuò)大，形成小的漂移電流。converteam作者：周宇，三，PN結(jié)的伏安特性，PN結(jié)的電流方程式，其中，IS是反飽和電流，UT26mV，converteam作者：周宇，從作為1.2半導(dǎo)體二極管的p區(qū)引出的電極從陽極(a )，n區(qū)引出二極管的符號：converteam作者：周宇，

5、converteam作者：周宇，功率二極管的工作原理是由于PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，所以二極管是正向單向?qū)щ姟⒎聪蚪財嗟碾娏﹄娮悠骷?。converteam作者：周宇，1 .功率二極管的特性(1)功率二極管的伏安特性二極管具有單向?qū)щ娔芰?，二極管正向?qū)щ姇r必須克服一定的柵極導(dǎo)通電壓Uth (也稱為死區(qū)電壓)，施加電壓為柵極硅二極管的柵極電壓約為0.5V，施加電壓大于Uth時，電流急速上升。 如果施加反向電壓，則二極管的反向電流IS小，但如果反向電壓超過二極管的反向耐壓URO，則二極管被電擊破，反向電流急速增加。 伏安特性、導(dǎo)通電壓降：硅管0.60.7V、鍺管0.20.3V。 逆耐壓UBR、conve

6、rteam作者：周宇、環(huán)境溫度上升時，二極管的正向特性曲線向左移動，逆向特性曲線向下移動。 在室溫附近，溫度每上升1C，正向電壓降減少22.5mV。 溫度每上升10C，反向電流約增加1倍。 二極管的特性對溫度很敏感。 converteam作者：周宇，齊納二極管及應(yīng)用，1 .穩(wěn)定器的工作原理，穩(wěn)定器的符號，converteam作者：周宇，2 .穩(wěn)定器的主要殘奧儀表，穩(wěn)定器電壓UZ，UZ在破壞后電流達(dá)到規(guī)定值時，定電如果工作電流小于該值，齊納二極管將失去齊納調(diào)節(jié)作用。 PZM等于穩(wěn)定電壓UZ與最大穩(wěn)定電流IZM (或IZmax )的乘積。 converteam作者：周宇，3 .穩(wěn)壓管的穩(wěn)定化條件，

7、穩(wěn)壓管正向工作時和二極管的特性完全相同。 必須在逆破壞狀態(tài)下工作，穩(wěn)定的管道中流動的電流在IZ和IZM之間。 小心！ converteam作者：周宇、特殊二極管、1 .光電二極管是將光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件，其結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，但封裝中留有可入射光的窗口。 converteam作者：周宇，2 .發(fā)光二極管是將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體器件。 由PN結(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)光二極管被正偏壓時，注入到n區(qū)域和p區(qū)域的載流子重新結(jié)合，發(fā)出可見光和不可見光。 converteam作者：周宇，1.3雙極晶體管，converteam作者：周宇，1.3雙極晶體管，一、晶體管的結(jié)構(gòu)和類型，NPN型，基極區(qū)域，發(fā)射極區(qū)域，

8、集電極區(qū)域PNP型，converteam作者：周宇converteam作者：周宇，雙極功率晶體管的工作原理以NPN型雙極功率晶體管為例，外部電路電源為UBC0時，發(fā)射極結(jié)的PN結(jié)處于正偏置狀態(tài)。 此時的晶體管內(nèi)部的電流分布如下： (通過UBC0，發(fā)射結(jié)處于正偏置狀態(tài)，p區(qū)的多數(shù)載流子空穴依次向n區(qū)擴(kuò)散形成空穴電流IPE，n區(qū)的多數(shù)載流子電子依次向p區(qū)擴(kuò)散形成電子電流INE。 converteam作者：周宇，單個BJT的電流增益低，驅(qū)動時需要大的驅(qū)動電流，單級高壓晶體管的電流增益為10左右，因此為了提高電流增益，經(jīng)常采用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，如果每級有10倍的增益，則為3級達(dá)林頓converteam作者：

9、周宇、BJT的開關(guān)特性在開關(guān)動作方式中，以一定的正向基值電流IB1導(dǎo)通驅(qū)動BJT，以另一個反向基值電流IB2截止BJT，由于BJT不是理想的開關(guān)，所以在開關(guān)中總是有一定的延遲和蓄積時間converteam作者：周宇，BJT的開關(guān)響應(yīng)特性，二、晶體管的電流放大作用，放大是對模擬信號的最基本的處理。 晶體管是放大電路的核心元件，該晶體管控制能量的轉(zhuǎn)換，無失真地放大輸出輸入的微小變化，并且放大對象是變化量。 晶體管在放大狀態(tài)下工作的外部條件是發(fā)射極結(jié)正向偏置，總線結(jié)反向偏置。 晶體管的放大作用表明，小的基極電流可以控制大的集電極電流。共射放大電路、converteam作者：周宇，1 .對發(fā)射極結(jié)施加

10、正向電壓，擴(kuò)散運動形成發(fā)射極電流IE，2 .擴(kuò)散到基極區(qū)域的自由電子和空穴的復(fù)合運動形成基極電流IB，3 .對總線結(jié)施加反向電壓， 漂移運動是形成集電極電流IC的converteam作者：周宇，晶體管的電流分配關(guān)系，共射直流電流放大率，converteam作者：周宇，晶體管的電流分配關(guān)系，共射直流電流放大率，共射交流電流放大率，通常，converteam作者三，晶體管的轉(zhuǎn)換am作者：周宇，1 .輸入特性，工作電壓降：硅管UBE0.60.7V，鍺管UBE0.20.3V。 死區(qū)電壓、硅管0.5V、鍺管0.2V。 converteam作者：周宇，2 .輸出特性，該區(qū)域?qū)M足IC=IB稱為線性區(qū)域(放

11、大區(qū)域)。 IC僅涉及IB，IC=IB。 converteam作者：周宇，在此區(qū)域中將UCEUBE、集電結(jié)正偏、IBIC、UCE0.3V稱為飽和區(qū)。 2 .輸出特性、converteam作者：周宇，在該區(qū)域中將： IB=0、IC=ICEO、UBE死區(qū)電壓稱為截止區(qū)域。 2、輸出特性、轉(zhuǎn)換am作者：周宇、輸出特性三個區(qū)域的特征：放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏壓、集電結(jié)反偏壓。 即，IC=IB且IC=IB、(2)飽和區(qū)域：發(fā)射極結(jié)正偏壓、集電極結(jié)正偏壓。 即，UCEUBE、IBIC、UCE0.3V、(3)截止區(qū)域： UBE死區(qū)電壓、IB=0、IC=ICEO 0、converteam作者：周宇、三極管工作狀態(tài)判

12、定方法：現(xiàn)在，晶閘管的容量電平達(dá)到了8kV6kA。 converteam作者：周宇，1.4.1晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理，1 .晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是具有4層PNPN結(jié)構(gòu)、三端子引線(a，k，g )的器件。 一般的晶閘管外形有螺栓型和平板型兩種。 converteam作者：周宇、晶閘管的結(jié)構(gòu)和等效電路如圖1-4所示，晶閘管的核心是P1N1P2N2的4層半導(dǎo)體，形成3個PN結(jié)J1、J2和J3。 converteam作者：周宇，2 .晶閘管的工作原理IGIb2IC2(Ib1)IC1，converteam作者：使周宇、晶閘管導(dǎo)通需要2個條件：晶閘管的陽極和陰極之間應(yīng)該施加正向電壓。 晶閘管的柵極和陰極之間

13、也應(yīng)施加正向電壓和電流。 (2)晶閘管導(dǎo)通時，柵極失去控制作用，因此晶閘管是半控制型器件。 (3)為了關(guān)斷晶閘管，需要將其陽極電流減小到一定值以下，只能通過使陽極電壓為零或者相反地減小的方法來實現(xiàn)。converteam作者：周宇，3晶閘管柵極驅(qū)動電路，1 .晶閘管柵極驅(qū)動電路(1)晶閘管觸發(fā)電路的基本要求是，觸發(fā)信號可以是交流、直流或脈沖，為了降低柵極損耗，觸發(fā)信號采用脈沖形式。 觸發(fā)脈沖需要足夠的電力。 觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流應(yīng)大于晶閘管的柵極觸發(fā)電壓和柵極觸發(fā)電流。 converteam作者：周宇，觸發(fā)脈沖需要足夠的寬度和陡峭度。 觸發(fā)脈沖的寬度通常使得晶閘管的陽極電流在脈沖耗盡之前達(dá)到引擎電

14、流，以接通晶閘管，這是最小的容許寬度。 一般的觸發(fā)脈沖的上升梯度大于10V/s或800mA/s。 觸發(fā)脈沖的移相范圍應(yīng)滿足變換器的要求。 例如，三相半波整流電路在電阻負(fù)載時要求相移范圍為150，而三相橋式全控制整流電路在電阻負(fù)載時的相移范圍為120。 converteam作者：周宇，1.5功率場效應(yīng)晶體管，按其結(jié)構(gòu)分為結(jié)型場效應(yīng)晶體管、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。 根據(jù)導(dǎo)電溝道的類型可分為n溝道和p溝道兩種，根據(jù)零柵極電壓時的器件的導(dǎo)電狀態(tài)可分為耗盡型和增強(qiáng)型，當(dāng)前的功率MOSFET的電容電平為50A500 V，頻率為100kHz。、場效應(yīng)晶體管：一、結(jié)構(gòu)和電路符號(絕緣柵場效應(yīng)晶體管)、p

15、型襯底、兩個n區(qū)域、SiO2絕緣層、金屬鋁、n溝道增強(qiáng)、MOS晶體管的工作原理、以n溝道增強(qiáng)為例吸引電子的VGS(th )被稱為導(dǎo)通電壓，當(dāng)UDS不太大時，導(dǎo)電信道在兩個n區(qū)間是均勻的。 另外，當(dāng)UDS大時，接近d區(qū)域的導(dǎo)電溝道變窄。UDS增加，UGD=VGS(th )時，接近d端的通道被夾斷，稱為預(yù)夾斷。 converteam作者：周宇，2 .功率場效應(yīng)晶體管的工作原理柵極源極電壓UGS0時，漏極下的p型區(qū)域表面不出現(xiàn)反轉(zhuǎn)層，漏極源極不能聯(lián)系。 此時，即使向漏極源極間施加電壓，p區(qū)域內(nèi)的載流子的移動即VMOS管理也保持截止的狀態(tài)。 如果柵極源極電壓UGS0不充分，則柵極下的p型區(qū)域表面會成為耗盡狀態(tài)，或者不能與漏極源極通信，VMOS管保持截止?fàn)顟B(tài)。 當(dāng)超過柵極源極電壓UGS或強(qiáng)反轉(zhuǎn)條件時，柵極下的硅的表面從p型反轉(zhuǎn)為n型，形成n型表面層，通過連接源極區(qū)域和漏極區(qū)域，使漏極源極連接，使VMOS管成為導(dǎo)通狀態(tài)。 輸出特性曲線、UGS0、可變電阻區(qū)域、夾斷區(qū)域、恒流區(qū)域、n溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)晶體管、NPN型晶體管、g-b、d-。 converteam作者：周宇，1.6絕緣柵雙極型晶體管，絕緣柵雙極型晶體管IGBT是80年代中期誕生的新型復(fù)合電力電子器件，兼具M(jìn)OSFET的高速響應(yīng)、高輸入阻抗和BJT的導(dǎo)通電壓降、高電流密度特性當(dāng)前，IGBT的電容電平(120016