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
  • 

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