【正文】 PN結(jié)原理 電力電子技術(shù) ? 載流子： （源于金屬導(dǎo)體），電流是電子在導(dǎo)體中的定向流動(dòng)，而在 金屬導(dǎo)體中能夠運(yùn)載電流的只有其中的自由電子，他們是金屬原子結(jié)合成固體時(shí)釋放出來的供全體原子共有的最外層電子，即價(jià)電子 ，為了區(qū)別于被束縛的內(nèi)層電子，人們將其稱之為 載流子 。 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 2． 2 電力電子器件基礎(chǔ) 電力電子技術(shù) +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 溫度 ? 光照 自由電子 空穴 本征激發(fā) 空穴 — 共價(jià)鍵中的空位 空穴的移動(dòng) —— 空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)的。 ? 本征（ instinct）半導(dǎo)體： 是一種完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。其導(dǎo)電能力受到外部條件（如光、熱等）影響。 又稱為 場(chǎng)控器件 ， 或場(chǎng)效應(yīng)器件 。 ? 電力二極管 （ Power Diode） 電力二極管 只有兩個(gè)端子 ， 器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的 電力電子器件的分類 電力電子技術(shù) 2） 半控型器件 (Semicontrolled Device) —— 通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷 ， 器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定 ? 晶閘管 （ Thyristor） 及其大部分派生器件 電力電子器件的分類 電力電子技術(shù) 3） 全控型器件 (Fullcontrolled Device)—— 通過控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷 ， 又稱自關(guān)斷器件 ： ? 絕緣柵雙極晶體管 （ InsulatedGate Bipolar Transistor—— IGBT） ? 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （ Power MOSFET， 簡稱為電力 MOSFET） ? 門極可關(guān)斷晶閘管 （ GateTurnOff Thyristor — GTO） ? GTR(大功率晶體管 ） 、 SIT(靜電感應(yīng)晶體管 ） 、 SITH（ 靜電感應(yīng)晶閘管 ） 、 IGCT（ 集成門極換向晶體管 ） 等 電力電子器件的分類 電力電子技術(shù) 電力電子器件件 可控器件 非可控器件 整流二極管 自關(guān)斷器件 非自關(guān)斷器件 普通晶閘管 (SCR) 快速晶閘管 (FST) 雙向晶閘管 (TRIAC) 逆導(dǎo)晶閘管 (RCT) 光控晶閘管 (LTT) 晶體管 晶閘管 雙極型電力晶體管 (GTR) 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (PMOSFET) 絕緣柵雙極電力晶體管 (IGBT) 靜電感應(yīng)型晶體管 (SIT) 門極可關(guān)斷晶閘管 (GTO) 場(chǎng)控晶閘管 (MCT) 靜電感應(yīng)型晶閘管 (SITH) ? 電力電子器件分類樹 1 電力電子器件的分類 電力電子技術(shù) 按照驅(qū)動(dòng)電路加在器件 控制端和公共端之間 信號(hào) 的性質(zhì) ，分為兩類： 1) 電流驅(qū)動(dòng)型 (Current Driving Type)—— 通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制 。 電力電子器件的特點(diǎn) 電力電子技術(shù) 3) 電力電子器件一般需要專門的驅(qū)動(dòng)電路來控制 ? 在主電路和控制電路之間 ， 需要一定的中間電路對(duì)控制電路的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng) 功率放大 ， 這就是電力電子器件的 驅(qū)動(dòng)電路 (Driving Circuit） 電力電子器件的特點(diǎn) 電力電子技術(shù) 4） 電力電子器件工作時(shí)常需配置緩沖和保護(hù)電路 ? 電力電子器件的過壓、過流能力較弱 ? 開關(guān)過程中電壓、電流會(huì)發(fā)生急劇變化 ? 保護(hù)電路用于防止電壓和電流超過器件極限值 電力電子器件的特點(diǎn) ?為了增強(qiáng)可靠性通常需要緩沖電路抑制電壓電流變化率 電力電子技術(shù) 電力電子系統(tǒng) ：由 控制電路 、 驅(qū)動(dòng)電路 、 保護(hù)電路 和以電力電子器件為核心的 主電路 組成。 電力電子器件的特點(diǎn) 電力電子技術(shù) 同處理信息的電子器件相比 ， 電力電子器件的一般特征： 1） 具有較大的耗散功率 ? 處理功率較大，具有較高的導(dǎo)通電流和阻斷電壓 ? 器件自身的非理想性（導(dǎo)通電阻、阻斷漏電流等 ） ? 一般都需要安裝散熱器 電力電子器件的特點(diǎn) 電力電子技術(shù) 電力電子器件的特點(diǎn) 電力電子技術(shù) 2) 電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài) ? 導(dǎo)通時(shí) （ 通態(tài) ） 阻抗很小 ， 接近于短路 ， 管壓降 接近于零 ， 而電流由外電路決定 ? 阻斷時(shí) （ 斷態(tài) ） 阻抗很大 ， 接近于斷路 ， 電流幾乎為零 ， 而管子兩端電壓由外電路決定 ? 電力電子器件的 動(dòng)態(tài)特性 （ 開關(guān)特性 ） 和參數(shù) ， 也是電力電子器件特性很重要的方面 ， 特別是在高性能的電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí) ，甚至上升為最為關(guān)鍵的重要問題 。 因此 ，通常所說的 電力電子器件也往往專指電力半導(dǎo)體器件 。 電力電子器件的特點(diǎn) 電力電子技術(shù) D F I G網(wǎng) 側(cè) 控 制 器 轉(zhuǎn) 子 側(cè) 控 制 器SVPWMSVPWMdcVgi gv L1iL2i cvE M I接 觸 器接 觸 器E M Irinsi svd u / d t 抑 制 器L C L 濾 波 器升 壓 變 壓 器6 9 0 V碼 盤核 心 控 制 單 元核 心 控 制 單 元 核 心 控 制 單 元監(jiān) 控 系 統(tǒng)外 部 通 訊雙 饋 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 控 制 變 流 器 電力電子器件的特點(diǎn) 電力電子技術(shù) ? 廣義上電力電子器件可分為 電真空器件 和 半導(dǎo)體器件 兩類 。電 力 電 子 技 術(shù) Power Electronics 安徽省高等學(xué)校精品課程 合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 張興 電力電子技術(shù) 第 2章 電力電子器件及應(yīng)用 1 2 3 4 5 晶閘管 （ SCR） 可關(guān)斷晶閘管（ GTO） 電力晶體管 （ GTR） 6 電力電子器件基礎(chǔ) 電力電子器件的特點(diǎn)與分類 功率二極管 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 7 絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 8 電力電子技術(shù) 9 10 其它新型電力電子器件 電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì) 電力電子器件應(yīng)用共性問題 11 總結(jié) 12 第 2章 電力電子器件及應(yīng)用 電力電子技術(shù) ?電力電子器件 （ Power Electronic Device） —可直接用于處理電能的主電路中 ， 實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件 。 ? 主電路 （ Main Power Circuit） — 電力電子 設(shè)備或系統(tǒng)中，直接完成電能變換或控制的電路。 ? 自 20世紀(jì) 50年代以來 ， 真空管 （ Vacuum Valve） 僅在頻率很高 （ 如微波 ， 數(shù) GHz） 的大功率高頻電源中還在使用 ， 而在大多數(shù)電能變換領(lǐng)域 ， 電力半導(dǎo)體器件已取代了 汞弧整流器 、 閘流管 等電真空器件 ， 成為絕對(duì)的主流器件 。 ? 電力半導(dǎo)體器件 所采用的主要材料仍然是 硅 (也可以是鍺 、硒 、 金剛石等單元素材料 ， 或者是砷化鎵 、 碳化硅等化合物材料 ） 。 ? 作電路分析時(shí) ， 為簡單起見往往用 理想開關(guān) 來代替 ? 有時(shí)將其稱之為 電力電子開關(guān)或電力半導(dǎo)體開關(guān) 。 控 制 電 路 R L 主電路 V 1 V 2 檢測(cè) 電路 驅(qū)動(dòng) 電路 保護(hù)電路 在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個(gè)系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行 電氣隔離 控制電路 電力電子器件有三個(gè)端子組成 電力電子器件的特點(diǎn) 電力電子技術(shù) 電力電子器件的分類 電力電子技術(shù) 1） 不可控器件 (Uncontrolled Device 2） 半控型器件 (Semicontrolled Device) 3） 全控型器件 (Fullcontrolled Device) 電力電子器件的分類 按照器件能夠被控制電路 信號(hào)所控制的程度 ，分為以下三類： 電力電子技術(shù) 1） 不可控器件 (Uncontrolled Device)—— 不能用控制信號(hào)來控制其通斷 ， 因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路 。 如 GTO、GTR 2) 電壓驅(qū)動(dòng)型 (Voltage Driving Type)—— 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制 。 如MOSFET 電力電子器件的分類 電力電子技術(shù) 按照器件內(nèi)部 電子和空穴 兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類： 1) 單極型器件 (Unipolar Device)：由一種載流子參與導(dǎo)電的器件 （ MOSFET, SIT, 肖特基二極管 ） 2) 雙極型器件 (Bipolar Device)：由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件 （ GTR, GTO, SITH， SR） 3) 復(fù)合型器件 (Complex Device)：由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件 （ IGBT,MCT,IGCT） 電力電子器件的分類 電力電子技術(shù) ? 電力電子器件分類樹 2 M C TI G B T功 率 M O S F E T功 率 S I T肖 特 基 勢(shì) 壘 二 極 管S I T HGTORCTTRIACLTT晶 閘 管電 力 二 極 管雙極型單極型混合型復(fù)合型（（圖 1 4 2G T R 電力電子器件的分類 電力電子技術(shù) PN結(jié)原理 ? 半導(dǎo)體： 導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。半導(dǎo)體是否純凈也會(huì)影響其導(dǎo)電能力。在絕對(duì)零度時(shí)，其價(jià)帶滿帶（充滿電子），而其導(dǎo)帶則無電子。 由熱激發(fā)或光照而使電子脫離共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生 自由電子 ，同時(shí)在共價(jià)鍵中形成空穴，由此產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)（載流子） 。 PN結(jié)原理 電力電子技術(shù) 幾個(gè)重要概念： ?原子最外層的電子稱為價(jià)電子； ? 目錄 ? 2． 1 電力電子器件的特點(diǎn)與分類 ? 2． 2 電力電子器件基礎(chǔ) ? 2． 3 功率二極管 ? 2． 4 晶閘管 ? 2． 5 可關(guān)斷晶閘管（ GTO） ? 2． 6 電力晶體管 ? 2． 7 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ? 2． 8 絕緣柵雙極型晶體管 ? *2． 9 其它新型電力電子器件 ? 2． 10 電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì) ? 2． 11 電力電子器件應(yīng)用共性問題 ? 小結(jié) PN結(jié)原理 ?價(jià)帶上的電子是不能導(dǎo)電的，只有當(dāng)價(jià)帶上的電子獲得足夠的能量跨越禁帶而躍遷到導(dǎo)帶上成為自由電子后，并在外電場(chǎng)的作用下即可導(dǎo)電； ?絕緣體的禁帶很寬，半導(dǎo)體的禁帶較窄，導(dǎo)體沒有禁帶； ?本征半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶后，同時(shí)會(huì)在價(jià)帶上出現(xiàn)空穴； ?導(dǎo)帶上的自由電子和價(jià)帶中的空穴都能在外電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)而形成電流； 電力電子技術(shù) 幾個(gè)重要概念： ? 目錄 ? 2． 1 電力電子器件的特點(diǎn)與分類 ? 2． 2 電力電子器件基礎(chǔ) ? 2． 3 功率二極管 ? 2． 4 晶閘管 ? 2． 5 可關(guān)斷晶閘管（ GTO） ? 2． 6 電力晶體管 ? 2． 7 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ? 2． 8 絕緣柵雙極型晶體管 ? *2． 9 其它新型電力電子器件 ? 2． 10 電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì) ? 2． 11 電力電子器件應(yīng)用共性問題 ? 小結(jié) PN結(jié)原理 ?半導(dǎo)體中的導(dǎo)帶電子與價(jià)帶空穴都是運(yùn)載電流的粒子，因此稱為載流子； ?價(jià)帶中空穴的移動(dòng)始終是價(jià)帶中束縛電子在共價(jià)鍵內(nèi)的移動(dòng)，它和已經(jīng)掙脫共價(jià)鍵而躍遷至導(dǎo)帶中的自由電子完全不同 ； ?在本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的，即其導(dǎo)帶電子與價(jià)帶空穴數(shù)總是相等的。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。 。。++++++++++++空 間 電 荷 區(qū)P 型 區(qū) N 型 區(qū)內(nèi) 電場(chǎng)?N型半導(dǎo)體和 P型半導(dǎo)體結(jié)合后，交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的 擴(kuò)