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02 电力电子器件


2. 电力电子器件

2.1 功率半导体器件概述

  • 种类多, 用作电力电子设备中的开关或整流的半导体器件, 也称为功率器件, 功率IC
  • 功率范围广 uw~MW
  • 工作模式:
    • 整流:用于让电流只往一个方向流动
    • 放大 用于放大电子信号
    • 开关:用于控制电力的导通和关断
    • 功率半导体器件多用于整流和开关, 极少用于放大, 为了降低损耗
  • 开关特性:
    • 导通时, 阻抗很小, 接近于短路,管压降接近于0 电流由外电路决定
    • 阻断时, 阻抗很大, 接近于开路, 电流几乎为0 而罐子两端电压由外电路决定
    • 导通关断瞬间将产生较大功率
    • 分析电路稳态的时候不会考虑开通和关断的损耗问题(用理想开关替代)
    • 当器件的选型, 散热能不能达到要求, 考虑开通和关断的过程
  • 耗散功率大
    • 耗散功率大, 通常需要配备额外冷却装置
    • 当前攻略半导体器件热量的设计是优化的关键因素之一
      • 自然冷却
      • 强制风冷
      • 水冷
      • 热管冷却
      • 强制风冷
      • 混合冷却

2.2 功率二极管Power Diode

2.2.1 PN结原理介绍

**二极管, P接+,N接-则导通

PN结, P接电源正极, N接电源负极, 抵消里面的势垒层, 电子源源不断的从外部电路进入到N区, P区, 再回到外部电路, 导通

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遇到的那俩绿色的就是共价键, 自由电子就是往外跑的那个 剩下的坑是空穴

N掺杂

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  • 掺杂价电子为5的磷
  • 有一个电子可在其中自由移动

P掺杂

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  • 掺杂价电子为3的铝;
  • 有一个可放置电子的空穴;
  • 相邻电子可随时填上,电子运动即空穴相对运动;空穴是不会动的, 动的是自由电子

PN结

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势垒区随着电压的增大不断抵消,最终消失

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这里反向饱和电流的产生主要是因为空穴发生了漂移运动

2.2.1.2 两种击穿
  • 雪崩击穿 --撞出来了
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  • 齐纳击穿--拉出来的
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2.2.1.3 电容
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2.2.2 功率二极管的引出

​ 通过在两个重掺杂的P+和N+层之间引入所需厚度的轻掺杂N-"漂移层(drift layer)”以解决功率二极管需求的矛盾。

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增加了N-的影响:

  • 提高耐压
  • 通态压降升高
  • 结电容増加

结构

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符号

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A是阳极, k是阴极, 电流指向阴极,

2.2.3 功率二极管的静态特性-体现器件最基本的电压与电流稳态特性(伏安特性)

反向偏置

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从右往左看

几个参数

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2.2.3.2 正向偏置
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2.2.4 功率二极管的动态特性(开关特性)

  • 动态过程中可伴随过电压或过电流的产生
  • 器件开关过程中, 电压和电流可同时存在, 动态过程与器件的能量损耗有关
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二极管仍然有电流通过, 电压保持不变

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2.2.3 功率二极管的分类
  • 功率二极管似乎只是用于处理比信号二极管更大的电流和电压。理想情况, 它允许电流在一个方向(阳极到阴极)上流过它的两端,并阻止电流在另一 个方向(阴极到阳极)上流过它。
  • 事实上,半导体物理学和当前工艺阻止了理想二极管”的诞生,现实功率 二极管只能按照不同的性能参数制造,以满足不同的应用场合。
  • 功率二极管包括常规、快恢复和超快恢复PN结二极管,以及肖特基势垒二极 管。各类型都有不同的特点。
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2.3 双极结型晶体管—BJT

2.3.1 三极管NPN原理

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同方向的是增强, 不同方向的减弱

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NPN结 ,N是发射极, P为基极, N为集电极

控制里面的那个电压, 增大它, 会有更多的电子从n到p,那么会有更多的电子到n, 实现放大

β=集电极电流比基极电流, β是放大倍数

2.3.2 功率BJT引出

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往外的是NPN型

这玩意,中间的是基极B, 有箭头的是E,发射极, 剩下的是集电极C

2.3.3 功率BJT的静态特性

对于三极管而言, 在电力电子中主要用在它的截止区跟饱和区, 在截止区,电压很大没有电流,相当于断路, 在饱和区电流很大,电压很小,,而在放大区, 既有电压又有电流pass

输入特性: VCE Vbe与ib之间的关系

输出特性:I B 一定, Ic跟Vce之间的关系

2.3.4 功率BJT的动态特性

2.4 晶闸管, Triac与GTO

2.4.1 晶闸管的引出及PNPN结

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2.4.2 晶闸管的引出及PNPN结

2.4.3 TRIAC及其特性(双向晶闸管)

2.4.4 GTO及其特性

2.5 功率MOSFET

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2.6 IGBT


文章作者: LS
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