第2章电力电子器件与变换电路1.ppt
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1、1,电力电子与现代生活 Power Electronics Technology and Modern Life,电力电子与现代生活,第 2 章 电力电子器件与变换电路,3,第一部分 电子器件与电力电子器件,2.1 半导体基本知识 2.2 半导体二极管及电力二极管 2.3 半导体三极管及电力三极管 2.4 半控型器件晶闸管 2.5 门极可关断晶闸管GTO 2.6 电力场效应管 (电力MOSFET ) 2.7 绝缘栅极晶体管 IGBT,第2章 电力电子器件与变换电路,4,概述,概述: 由前一章我们知道,电力电子器件又称为电力电子开关、功率开关、或开关器件,那么它与我们常见的电力开关有什么不同呢?
2、 电力开关: 构成材料:金属(铜等)、机械结构 工作原理:借助外力或电磁力,使触头接通或断开。 工作频率:不能频繁操作,无法用频率描述(0.01Hz) 应用场合:用于电路的接通或断开,不能改变电能的性质。 特 点: 接通后,接通电阻为零,无电压降落; 断开后,电阻为无穷大,没有漏电流。,5,电力开关类型:,概述,6,概述,7,概述,8,电磁接触器,概述,9,电力电子开关: 构成材料:半导体材料,有内阻,集成结构。 工作原理:借助控制电压或电流,使开关接通或断开。 工作频率:能频繁操作,不同的器件,工作频率不同,如: 晶闸管:50Hz 几kHz IGBT: 5kHz 50kHz MOSFET:
3、几kHz 几MHz 应用场合:电路的接通或断开,或电能变换。 特点: 接通后,接通电阻不为零,有一定电压降落; 断开后,电阻不为无穷大,存在一定漏电流。,概述,10,2.1.1 导体、半导体和绝缘体,导体:自然界中很容易导电的物质称为导体,金属一般都是导体,如铁、铜、铝等。,绝缘体:有的物质几乎不导电,称为绝缘体,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体:有的物质的导电特性处于导体和绝缘体之间,称为半导体,如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,半导体的导电机理不同于其它物质,其特点为:,当受外界热和光的作用时,它的导电能力明显变化。,往纯净半导体中掺入某些杂质,会使其导电能力明显改变。,2.1
4、半导体的基本知识,11,2.1 半导体的基本知识,在绝对零度以下,本征半导体中无活跃载流子,不导电,用的最多的半导体是硅和锗,最外层电子(价电子)都是四个。,2.1.2 本征半导体:完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,形成共价键后,每个原子最外层电子是八个,构成稳定结构。,共价键结构,束缚电子,12,2.1 半导体的基本知识,2.1.3 N型半导体:在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(或锑)而形成,也称为 电子型半导体。,半导体掺杂 在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂使半导体的某种载流子浓度大大增加。,13,2.1 半导体的基本知识,掺入五价元素
5、后自由电子数目大量增加,自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式,称为电子半导体 或 N型半导体。 掺杂浓度越大,自由电子数目越多,导电能力越强。 在N型半导体中自由电子是多数载流子,空穴是少数载流子。,14,2.1 半导体的基本知识,2.1.4 P 型半导体:在硅或锗晶体中掺入少量的三价元 素,如硼(或铟)而形成,也称为 空穴型半导体。,15,2.1 半导体的基本知识,掺入三价元素后空穴数目大量增加,空穴导电成为这种半导体的主要导电方式,称为空穴半导体或 P型半导体。 在 P 型半导体中空穴是多数载流子,自由电子是少数载流子。,16,2.1.5 PN结,形成空间电荷区,扩散的结果使空间电荷区
6、变宽。,内电场,内电场越强,漂移运动越强,扩散运动越弱,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡,空间电荷区的厚度固定不变。,1 . PN结的形成,17,2.1.5 PN结,18,2.1.5 PN结,19,2 .2 半导体二极管及电力二极管,二极管是以半导体PN结和两端引线以及封装组成的。 二极管主要特点:单向导电性。 主要分为:电子学上的小功率半导体二极管; 电力电子学上的功率型电力二极管。 2.2.1 二极管的主要结构: (a) 点接触型: 结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波等高频电路。 (b) 面接触型 结面积大、正向电流大、结电容大,用于工频大电流整流电路。 (c) 平面型 用
7、于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小,用于高频整流和开关电路中。,20,2 .2 半导体二极管及电力二极管,二极管的结构示意图,21,2 .2 半导体二极管及电力二极管,电力二极管的结构示意图,图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 基本结构 c) 电气图形符号,22,2 .2 半导体二极管及电力二极管,二极管的外形:,2.2.2 二极管的伏安特性:,硅管0.5V,锗管0.1V。,反向击穿 电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿,失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点:非线性,硅0.60.8V 锗
8、0.20.3V,死区电压,反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。,24,2.2.3 二极管的单向导电性,1. 二极管加正向电压(正向偏置,阳极接正、阴极接负 )时, 处于正向导通状态,正向电阻较小,正向电流较大。,2. 二极管加反向电压(反向偏置,阳极接负、阴极接正 )时, 处于反向截止状态,反向电阻较大,反向电流很小。,3. 外加电压大于反向击穿电压,二极管被击穿,失去单向导电性,二极管损坏。,25,2.2.3 二极管的单向导电性,RL,ui,uo,二极管的应用举例1:二极管半波整流,26,二极管的应用举例2:二极管桥式整流,2.2.4 特殊二极管 稳压二极管,1. 符号,2. 伏安特性,
9、稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,稳压管反向击穿后,电流变化很大,但其两端电压变化很小,利用此特性,稳压管在电路中可起稳压作用。,28,2.2.4 特殊二极管发光二极管,发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件,它包含了可见光、不可见光、激光等类型。,可见光发光二极管也称为LED,符号如图所示。发光颜色目前有红色、绿色、橙色、黄色、白色等。发光二极管的电特性与普通二极管一样,伏安特性曲线也类似,同样具有单向导电性。但正向导通电压比普通二极管高,红色的导通电压在1.61.8V间,绿色的为2V左右。,符号,29,2.2.4 特殊二极管光电二极管,光电二极管是一种将光能转换为电能的
10、半导体器件。也有可见光和不可见光(如远红外光)之分。其外形与发光管类似。,光电二极管在反向电压作用下工作。当无光照时, 和普通二极管一样, 其反向电流很小, 称为暗电流。当有光照时, 产生的反向电流称为光电流。照度E越强,光电流也越大。光电流很小, 一般只有几十微安, 应用时必须放大。,符号:,光耦合器,30,2.3 半导体三极管及电力三极管,2.4. 1 基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,符号:,NPN型三极管,PNP型三极管,31,基区:厚度最薄, 掺杂浓度最低,发射区:掺 杂浓度最高,发射结,集电结,2.3.2 三极管的结构特点:,集电区: 面积最大,基极,发射极,集电
11、极,32,2.3.3.三极管内部载流子的运动规律,基极-发射极:,基极,发射极,33,2.3.3.三极管内部载流子的运动规律,基极-集电极:,基极,集电极,34,2.3.3.三极管内部载流子的运动规律,IE,发射结正偏,发射区电子不断向基区扩散,形成发射极电流IE。,进入P 区的电子少部分与基区的空穴复合,形成电流IBE ,多数扩散到集电结。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子,漂移进入集电结而被收集,形成ICE。,最重要特性:电流放大,35,2.3.4 三极管的外形普通三极管,按功率大小分: 普通三极管 电力三极管,36,2.3.4 三极管的外形电力三极管(GTR),37,2.3.5 电力三
12、极管(GTR)的常见结构,1达林顿GTR 达林顿结构由两个或多个晶体管复合而成,可以是PNP型也可以是NPN型,其性质由驱动管来决定。如图4-2,图中:V1为驱动管、V2为输出管 。,达林顿GTR a)NPN型 b)PNP型 c)实用达林顿电路,38,2.3.5 电力三极管(GTR)的常见结构,2. GTR模块 GTR模块:它将GTR管芯、稳定电阻R1、R2,加速二极管VD1以及续流二极管VD2等构成一个单元,根据不同用途将几个单元电路组装在个外壳之内构成模块。 将上述单元电路集成制作在同一硅片上,大大提高了器件的集成度。 特点:小型轻量化、性能/价格比提高,39,2.3.5 电力三极管(GT
13、R)的常见结构,实例:几类达林顿GTR及其辅助元器件构成的模块。,40,2.3.5 电力三极管(GTR)的常见结构,GTR模块外形: 两个单元,四重达林顿,41,2.3.6 三极管的三种工作状态,三极管有三种工作状态:截止状态、放大状态、饱和状态。当三极管用于不同目的时,它的工作状态是不同的。 三种状态也叫三个工作区域 即:截止区、放大区和饱和区: 截止区:当 B 极无电流时,三极管截止,C到E之间阻值无穷大,C到E之间无电流通过。 放大区:B极有电流,IC和IE都随IB改变而变化 饱和区:当集电结电流IC增大到最大时,进入饱和区。饱和时,集电极和发射之间的内阻最小,集电极和发射之间的电流最大
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