电力半导体器件.ppt

/ 电子发烧友 电子技术论坛 第1章 电力半导体器件  1.1 电力半导体器件种类与特点 1.2　功率二极管 1.3 功率晶体管 1.4 功率场效应管 1.5 绝缘栅极双极型晶体管 1.6 晶闸管 1.7 晶闸管的派生器件 1.8 主要电力半导体器件特性比较 1.1 电力半导体器件种类与特点 1.1.1 半导体器件分类 从功率等级来分类 有微功率器件、小功率器件、大功率器件等等 制造材料分类 有锗管、硅管等等 从导电机理分类 有双极型器件、单极型器件、混合型器件等等 从控制方式来分类 可分为不可控器件、半可控器件和全可控器件三类器件 1.1.3 电力半导体器件发展水平 在整流管类中，快速恢复二极管将有较大的发展 在高压直流输电中，晶闸管（光控晶闸管）将有很好的发展机遇。 在功率晶体管类中，以IGBT发展最为迅速 1.2.2 功率二极管开关特性 关断过程的三个时间段。 反相恢复时间，反相恢复电流。 * 1.1.2 电力半导体器件使用特点 电力半导体器件稳态时通常工作在饱和导通与截止两种工作状态。 饱和导通时，器件压降很小，而截止时它的漏电流小得可以忽略，这样在饱和导通与截止两种工作状态下的损耗都很小，器件近似于理想的开关 但需要指出的是，电力半导体器件在开关状态转换过程时并不是瞬时完成的（所需时间称开关时间），而是要经过一个转换过程（称开关过程） 图1-1：简单的bjt电路 例如，图1-1所示电路中 ， 当工作在饱和导通状态时管压降， ， 的管耗 ， 截止的漏电流 ，即截止时的管耗 。如果 工作在线性放大状态时，设 ，则 的管耗 。 从使用角度出发，主要可从以下五个方面考查电力半导体器件的性能特点： 导通压降 运行频率 器件容量 耐冲击能力 可靠性 此外，诸如控制功率、可串并联运行的难易程度、价格等等也是选择电力半导体器件应考虑的因数。 1.2　功率二极管 1.2.1 二极管工作原理与伏安特性 它具单向导电性 当外加正向电压（P区加正、N区加负）时，PN结导通，形成电流 二极管外加反向偏压（P区加负、N区加正）时,所以反向电流非常小. 二极管的伏安特性如图1-3所示。 图1-2二极管耗尽层与少数载流子浓度分布 图1-3二极管伏安特性 研究二极管关断过程的电路 二极管关断过程的波形 功率二极管开通时间很短，一般可以忽略不计，但二极管的关断过程较复杂，对电路的影响不能忽视。 1.3 功率晶体管 图1-6 BJT内部结构与元件符号 （a）BJT内部结构； （b）元件符号 BJT是一种双极型半导体器件，即其内部电流由电子和空穴两种载流子形成。基本结构有NPN和PNP两种。 为了提高BJT耐压，一般采用NPvN三重扩散结构（图1-6）。 图1-7 集电极耐压与单位发射面积电流密度关系 功率晶体管BJT一般是指壳温为25℃时功耗大于1W的晶体管 1.3.2 工作原理及输出特性 图1-8 BJT三种基本电路 （a）共发射极电路 （b）共基极电路 （c）共集电极电路 系数 是共基极电路的电流放大倍数，亦称电流传输比 β称为共射极电路的电流放大倍数。若接近于1，则β的数值会很大 ,它反映了BJT的放大能力，就是用较小的基极电流IB可以控制大的集电极电流IC BJT共发射极电路的输出特性 图1-10 BJT共发射极电路的输出特性 ◤该图表示集电极电流IC 与集射极电压UCE的关系，其参变量为IB，特性上的四个区域反映了BJT的四种工作状态。◢ ◤在晶体管关断状态时，基极电流IB＝0，集电极发射极间电压即使很高，但发射结与集电结均处于反向偏置，即UBE≤0，UBC0，发射结不注入电子，仅有很少的漏电流流过，在特性上对应于截止区（I区），相当于处于关断状态的开关。 ◢ ◤当发射结处于正向偏置而集电结仍为反向偏置时，即UBE0，UBC0，随着IB增加，集电极电流IC线性增大，晶体管呈放大状态，特性上对应线性放大区（II区）。◢ ◤当基极电流IB（IC /β）时，晶体管就充分饱和了。这时发射结和集电结都是正向偏置，即UBE0，UBC0，电流增益和导通压降UCE均达到最小值，BJT进入饱和区（IV区）。BJT工作在饱和区，相当于处于导通状态的开关。◢ BJT的开关特性 图1-11 BJT