电力电子技术 学习总结1

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第二章 PPT9 1 以前
电力电子器件（Power Electronic Device）—可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。
主电路（Main Power Circuit）—电力电子设备或系统中，直接完成电能变换或控制的电路。

广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。
自20世纪50年代以来，真空管（Vacuum Valve）仅在频率很高（如微波，数GHz）的大功率高频电源中还在使用，而在大多数电能变换领域，电力半导体器件已取代了汞弧整流器、闸流管等电真空器件，成为绝对的主流器件。因此，通常所说的电力电子器件也往往专指电力半导体器件。
电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅(也可以是锗、硒、金刚石等单元素材料，或者是砷化镓、碳化硅等化合物材料）。

电力电子器件的特点

同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：

1.具有较大的耗散功率

处理功率较大，具有较高的导通电流和阻断电压
器件自身的非理想性（导通电阻，阻断漏电流等）

一般都需要安装散热器

电力电子器件一般都工作在开关状态

导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定。
阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定。
电力电子器件的动态特性（开关特性）和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，特别是在高性能的电力电子系统设计时，甚至上升为最为关键的重要问题。
作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替。
有时将其称之为电力电子开关或电力半导体开关。

电力电子器件一般需要专门的驱动电路来控制

在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行适当功率放大，这就是电力电子器件的驱动电路(Driving Circuit）

电力电子器件工作时常需配置缓冲和保护电路

电力电子器件的过压、过流能力较弱；
开关过程中电压、电流会发生极具变化；
为了增强可靠性通常需要缓冲电路抑制电流变化率；
保护电路用于防止电压和电流超过器件极限值

电力电子系统

由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路构成

电力电子器件的分类：

、按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类

1）不可控器件(Uncontrolled Device）
2）半控型器件(Semi-controlled Device)
3）全控型器件(Full-controlled Device)

1）不可控器件(Uncontrolled Device)——

不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路。

电力二极管（Power Diode）
电力二极管只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的
*

半控型器件(Semi-controlled Device) ——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断，器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定 晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件

）全控型器件(Full-controlled Device)——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。

绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor——IGBT）
电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称为电力MOSFET）
门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor — GTO）
GTR(大功率晶体管）、SIT(静电感应晶体管）、 SITH（静电感应晶闸管）、 IGCT（集成门极换向晶体管）等。

2.按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，

分为两类：
1.电流驱动型—通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制 如：GTO、 GTR ；
2.电压驱动型—仅通过在控制端和公共之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。又称为场控器件，或场效应器件，如：MOSFET。

3、按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：

单极型器件(Unipolar Device)：由一种载流子参与导电的器件（MOSFET, SIT, 肖特基二极管）
双极型器件(Bipolar Device)：由电子和空穴两种载流子参与导电的器件（GTR, GTO, SITH，SR）
复合型器件(Complex Device)：由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件（IGBT,MCT,IGCT）

PN 结原理
半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。其导电能力受到外部条件（如光、热等）影响。半导体是否纯净也会影响其导电能力。
本征（instinct）半导体：是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在绝对零度时（-273.15度），其价带满带（充满电子），而其导带则无电子。
载流子：
（源于金属导体），电流是电子在导体中的定向流动，而在金属导体中能够运载电流的只有其中的自由电子，它们是金属原子结合成固体时释放出来的供全体原子共有的最外层电子，即价电子，为了区别于被束缚的内层电子，人们将其称之为载流子

几个重要概念：原子最外层的电子称为价电子；
价带上的电子是不能导电的只有当价带上的电子获得足够的能量跨越禁带而跃迁到到导带上成为自由电子后，并在外电场的作用下即可导电；
绝缘体的禁带很宽，半导体的禁带很窄，导体没有禁带；
本征半导体价带中的电子被激发到导带后，同时会在价带上出现空穴；
在半导体中，导带上的自由电子和价带中的空穴都能在外电场的作用下产生定向运动而形成电流；导带电子与价带空穴都是运载电流的粒子，因此称为载流子。
在本征半导体中自由电子和空穴总是成对出现的，即其导带电子与价带空穴数总是相等的。

杂质半导体：在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。
N型半导体（电子型半导体：多数载流子-电子；少数载流子-空穴）
在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑 )
P型半导体 （空穴型半导体：多数载流子-空穴；少数载流子-电子）
在本征半导体中掺入三价的元素（硼）
PN结：是指半导体的P型导电区和N型导电区的结合部
PN结具有单向导电性，正向导通，反向截止

这个位置搜视频去动态了解下他的原理；
热击穿：
上述雪崩击穿、齐纳击穿的击穿过程都是可逆的，若此时外电路能采取措施限制反向电流，当反向电压降低后PN结仍可恢复原来状态。否则反向电压和反向电流乘积过大，会超过PN结容许的耗散功率，导致热量无法散发，PN结温度上升直至过热而烧毁。这种现象称为热击穿，必须尽可能避免热击穿。热击穿过程不可逆。
结电容（影响动态特性）
PN结的电荷量随外加电压的变化而变化，呈现电容效应，称为结电容



以TO-220为例：TO代表直插件，220代表封装定型号

2.3 功率二极管

功率二极管属于不可控电力电子器件，在整流、逆变等领域有重要的作用，基于导电机理和结构的不同，二极管可分为结型二极管和肖特基势垒二极管。
电力二极管（Power Diode）基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样以PN结为基础。
由一个面积较大的PN结（PN－junction）和两端引线以及封装组成的

2.3.1 结型功率二极管基本结构和工作原理

为了提高PN结二极管承受反向电压的阻断能力，并用较薄的硅片得到一般PN结构在硅片较厚时才能获得的高反压阻断能力，工艺上结型功率二极管多采用PIN（I是 “本征Intrinsic ”意义的英文略语）结构。
PIN功率二极管在P型半导体和N型半导体之间夹有一层掺有轻微杂质的高阻抗N-区域，该区域由于掺杂浓度低而接近于纯半导体，即本征半导体

由于N-区域比P区域的掺杂浓度低的多，PN-空间电荷区主要在N-侧展开，故PN结的内电场基本集中在N-区域中，N-区域可以承受很高的外向击穿电压。

低掺杂N-区域越厚，功率二极管能够承受的反向电压就越高

在PN结反向偏置的状态下，N-区域的空间电荷区宽度增加，其阻抗增大，足够高的反向电压还可以使整个N-区域耗尽，甚至将空间电荷区扩展到N区域。

如果P区域和N区域的掺杂浓度足够高，则空间电荷区将被局限在N-区域，从而避免电极的穿通。

N-区的存在产生的影响：
1）提高器件的耐压
2）造成器件通态压降的升高
3） N-区较宽的空间电荷区，能够减小结电容的作用，提高器件的工作频率

2.3.2 电力二极管的基本特性

静态特性（Static State Characteristic）
主要指其伏安特性(Volt-Ampere Characteristic)



动态特性(Dynamic Characteristic)
动态特性——因结电容的存在，零偏置、正向偏置、反向偏置等状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压—电流特性是随时间变化的。
动态特性主要指开关特性(Switching Characteristic)，开关特性反映通态和断态之间的转换过程。


上面的开通过程和关断过程不是很明白

2.3.3 快速功率二极管

普通结型功率二极管又称整流管（Rectifier Diode），反向恢复时间在5μs以上，多用于开关频率在1kHz以下的整流电路中。若是高频电路，应采用快速功率二极管。
1．提高结型功率二极管开关速度的措施
1）扩散法：***在硅材料掺入金或铂等杂质可有效提高少子复合率，***促使存储在N区的过剩载流子（少子-空穴）减少，从而缩短反向恢复时间trr。然而少子数量的减少会削弱电导调制效应，导致正向导通压降升高。
2）外延法：***采用在P和N掺杂区之间夹入一层高阻N-型材料以形成PN-N结构，在P区和N区外还各有一层金属层。***采用外延及用掺铂的方法进行少子寿命控制。在相同耐压条件下，新结构硅片厚度要薄得多，具有更好的恢复特性和较低的正向导通压降，这种结构是目前快速二极管普遍采用的结构。

2．快速型和超快速型
**快速二极管分为快恢复（FRED）和超快恢复（**Hiper FRED，Hiper Fast soft Recovery Epitaxial Diode）两类。
FRED的关断时间在微秒级，常应用于开关频率为20～50kHz的场合；
Hiper FRED的关断时间在百纳秒级，常用于开关频率在50kHz以上的场合

肖特基势垒二极管，简称为肖特基二极管（SBD，Schottky Barrier Diode）；
肖特基二极管是利用金属与N型半导体表面接触形成势垒的非线性特性制成的功率二极管。

原理：

由于N型半导体中存在着大量的电子，金属中的电子浓度虽然高于半导体中的电子浓度，但其高能级中的电子浓度相对较低；
当金属与N型半导体接触后，电子便从浓度高的N型半导体中向浓度低的金属中扩散；
随着电子不断从半导体扩散到金属，半导体表面电子浓度逐渐降低，表面电中性被破坏，于是就形成势垒，其电场方向为半导体→金属；
但在势垒电场作用之下，金属中的电子也会产生从金属→半导体的漂移运动，从而消弱了由于扩散运动而形成的电场；
当建立起一定宽度的空间电荷区后，势垒电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡，便形成了肖特基势垒
尽管肖特基二极管和结型二极管具有相仿的单向导电性，但其内部物理过程却大不相同；
由于金属中无空穴，因此不存在从金属流向半导体材料的空穴流，即SBD的正向电流仅由多子形成，从而没有结型二极管的少子存储现象；
由于没有少子存储现象，反向恢复时没有抽取反向恢复电荷的过程，因此反向恢复时间很短，仅为10～40ns；
显然，**

肖特基二极管是一种只有多数载流子参与导电的单极性器件。

** 肖特基二极管导通压降一般为0.4～1V（随反向耐压的提高，正向导通压降呈增长趋势），比普通二极管和快恢复二极管低； 快恢复二极管的正向导通压降一般在1V以上，随反向耐压的提高，正向导通压降甚至会超过2V； 使用肖特基二极管有助于降低二极管的导通损耗，提高电路的效率； 由于肖特基二极管的反向势垒较薄，故其反向耐压在200V以下，因此适用于低电压输出的场合，并且肖特基二极管的反向漏电流相对较大且对温度敏感

。

正向平均电流If(AV) 使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，

即实际波形电流的有效值与正向平均电流所换算的有效值相等，并应留有一定裕量

2. 正向压降 UF

指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降;
有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降;

3. 反向重复峰值电压URRM－额定电压

指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压;
通常是其雪崩击穿电压UB的2/3 ;
使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向峰值电压的两倍来 选定 。

电力二极管的主要应用：
按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同，可分成普通二极管、快恢复二极管、与肖特基二极管。
在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管。
整流：利用单向导电性，应用最广泛

二极管串联均压措施：

功率二极管的串联
功率二极管的串联
在单个功率二极管不能满足电路工作需求时，可考虑对二极管采用串、并联的方法。采用多个功率二极管串联时，应考虑断态时的均压问题。图中的R1～R3可均衡静态压降，动态压降的平衡需要采用平衡电容以及与平衡电容串联的电阻R4～R6（限制电容的反向冲击电流。）
功率二极管的并联
采用

多个功率二极管并联提高电路的通流能力时

，要克服工作电流在并联二极管中的不均匀分配。由于

功率二极管导通压降具有负温度特性

，均流特性有可能因温度变化而恶化。在进行并联使用时，应尽选择同一型号且同一生产批次的产品，使其静态和动态特性均比较接近。

2.4 晶闸（zha）管
晶体闸流管，可控硅整流器 SCR
1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管
1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品
1958年商业化
开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代
20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代
能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位
晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管。广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件 。






α 共基极电流增益

这个过程去看视频理解的更透彻些，文字上记住几个关键点就可以了

重点：

根据GTO的导通和关断机理，GTO要求有正的触发脉冲电流使其导通，有负的脉冲电流使其关断，理论上并不需要有持续的正、负电流保持其通态和断态。
但在实际应用中，在GTO正常导通情况下，为降低GTO的正向压降，可继续维持一定的门极驱动电流，这对于克服GTO的擎住电流较大的缺点也是有利的。
关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力。