【正文】 力電子器件(Power Electronic Device)是指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?電功率大,一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件? 一般都工作在開關(guān)狀態(tài)?由信息電子電路來控制 ,而且需要驅(qū)動(dòng)電路(主要對控制信號進(jìn)行放大)? 功率損耗大,工作時(shí)一般都需要安裝散熱器?通態(tài)損耗,斷態(tài)損耗,開關(guān)損耗(開通損耗 關(guān)斷損耗)開關(guān)頻率較高時(shí),可能成為器件功率損耗的主要因素?電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成一般是由控制電路?驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個(gè)系統(tǒng)? 關(guān)鍵詞 電力電子系統(tǒng) 電氣隔離 檢測電路 保護(hù)電路 三個(gè)端子 按能夠被控制電路信號控制的程度不同可分為 半控型器件(開通可控,關(guān)斷不可控)全控型器件(開通,關(guān)斷都可控)不可控器件(開通,關(guān)斷都不可控)按照驅(qū)動(dòng)信號的性質(zhì)不同可分為 電流驅(qū)動(dòng)型 電壓驅(qū)動(dòng)型按照驅(qū)動(dòng)信號的波形(電力二極管除外)不同可分為 脈沖觸發(fā)型 電平控制型按照載流子參與導(dǎo)電的情況不同可分為 單極型器件(由一種載流子參與導(dǎo)電)雙極型器件(由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電)復(fù)合型器件(由單極型器件和雙極型器件集成混合而成,也稱混合型器件)關(guān)鍵詞 控制的程度 驅(qū)動(dòng)信號的性質(zhì)?波形 載流子參與導(dǎo)電的情況 工作原理 基本特性 主要參數(shù)2不可控器件——電力二極管(Power Diode)電力二極管實(shí)際上是由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的?PN節(jié)(PN junction):采用不同的摻雜工藝,通過擴(kuò)散作用,將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體(通常是硅或鍺)基片上,在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)?N型半導(dǎo)體(N為Negative的字頭,由于電子帶負(fù)電荷而得此名):即自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體?P型半導(dǎo)體(P為Positive的字頭,由于空穴帶正電而得此名):即空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體?正向電流IF :當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓(正向偏置)時(shí),在外電路上則形成自P區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流?反向截止?fàn)顟B(tài):當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)(反向偏置)時(shí),反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài),幾乎沒有電流流過的狀態(tài)?反向擊穿:PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力,但當(dāng)施加的反向電壓過大,反向電流將會(huì)急劇增大,破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)?雪崩擊穿 齊納擊穿(可以恢復(fù))熱擊穿(不可恢復(fù))PiN結(jié)構(gòu) 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)(Conductivity Modulation):當(dāng)正向電流較小時(shí),管壓降隨正向電流的上升而增加。當(dāng)正向電流較大時(shí),電阻率明顯下降,電導(dǎo)率大大增加的現(xiàn)象? 關(guān)鍵詞 少子 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 空間電荷區(qū)(耗盡層?阻擋區(qū)?勢壘區(qū))結(jié)電容CJ:PN結(jié)中的電荷量隨外加電壓而變化,呈現(xiàn)電容效應(yīng)?(微分電容)擴(kuò)散電容CD:擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用?正向電壓較高時(shí),擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分? 勢壘電容CB:勢壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用,外加電壓頻率越高,勢壘電容作用越明顯?在正向偏置時(shí),當(dāng)正向電壓較低時(shí),勢壘電容為主?作用:結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率,特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下,可能使其單向?qū)щ娦宰儾?甚至不能工作?靜態(tài)特性(伏安特性)門檻電壓UTO 正向電壓降UF反向漏電流是由少子引起的微小而數(shù)值定? 動(dòng)態(tài)特性結(jié)電容 零偏置,正向偏置,反向偏置 不能立即轉(zhuǎn)換狀態(tài) 過渡過程正向偏置時(shí)延遲時(shí)間:td=t1t0電流下降時(shí)間:tf = t2t1 反向恢復(fù)時(shí)間:trr= td + tf恢復(fù)特性的軟度:Sr= tf / td,或稱恢復(fù)系數(shù),Sr越大恢復(fù)特性越軟?由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置過沖UFP : 原因:1)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量少子需要一定的時(shí)間來儲(chǔ)存,在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較大?2)正向電流的上升會(huì)因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降?電流上升率越大,UFP越高?正向恢復(fù)時(shí)間:tfr正向平均電流IF(AV)正向壓降UF 反向重復(fù)峰值電壓URRM 最高工作結(jié)溫TJM 反向恢復(fù)時(shí)間trr 浪涌電流IFSM普通二極管(General Purpose Diode)快恢復(fù)二極管(Fast Recovery Diode,FRD)肖特基二極管(Schottky Barrier Diode, SBD)3半控型器件——晶閘管(Silicon Controlled Rectifier,SCR)內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)如圖a)P1 區(qū)引出陽極A?N2 區(qū)引出陰極K? P2 區(qū)引出門極G 工作原理可以用雙晶體管模型解釋如右圖b)?工作過程關(guān)鍵詞: IG V2 Ic2 Ic1 正反饋 觸發(fā) 門觸發(fā)電路其他幾種可能導(dǎo)通的情況陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng) 陽極電壓上升率du/dt過高 光觸發(fā) 結(jié)溫較高 只有門極觸發(fā)是最精確?迅速而可靠的控制手段?靜態(tài)特性正常工作特性當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí),不論門極是否有觸發(fā)電流,晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通 ? 當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí),僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通 ?晶閘管一旦導(dǎo)通,門極就失去控制作用,不論門極觸發(fā)電流是否還存在,晶閘管都保持導(dǎo)通 ? 若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷,只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下? 伏安特性如右圖所示 包括正向特性和反向特性正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo 維持電流IH反向最大瞬態(tài)電壓URSM 反向重復(fù)峰值電壓URRM 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓UDSM動(dòng)態(tài)特性如右圖所示延遲時(shí)間td(~)上升時(shí)間tr(~3ms)開通時(shí)間tgt=td+tr 反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr 正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr 關(guān)斷時(shí)間tq=trr+tgr(包括電壓定額和電流定額)電壓定額斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 反向重復(fù)峰值電壓URRM 通態(tài)(峰值)電壓UT通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓?選用時(shí),一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2~3倍? 電流定額通態(tài)平均電流 IT(AV)維持電流IH 擎住電流 IL 浪涌電流ITSM 動(dòng)態(tài)參數(shù)開通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 通態(tài)電流臨界上升率di/dt快速晶閘管(Fast Switching Thyristor, FST)雙向晶閘管(Triode AC Switch——TRIAC or Bidirectional Triode Thyristor)逆導(dǎo)晶閘管(Reverse Conducting Thyristor, RCT)光控晶閘管(Light Triggered Thyristor, LTT)典型全控型器件4門極可關(guān)斷晶閘管(GateTurnOff Thyristor, GTO)晶閘管的一種派生器件,但可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷,因而屬于全控型器件?其結(jié)構(gòu)原理可以參考晶閘管 數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)小GTO單元靜態(tài)特性和普通晶閘管類似 動(dòng)態(tài)特性儲(chǔ)存時(shí)間ts 下降時(shí)間tf 尾部時(shí)間tt最大可關(guān)斷陽極電流IATO 電流關(guān)斷增益boff 開通時(shí)間ton 關(guān)斷時(shí)間toff5電力晶體管(Giant Transistor, GTR)與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的? 最主要的特性是耐壓高?電流大?開關(guān)特性好? 達(dá)林頓接法 單元結(jié)構(gòu) 并聯(lián) 三層半導(dǎo)體 兩個(gè)PN結(jié)右圖所示靜態(tài)特性右圖所示 動(dòng)態(tài)特性右圖所示電流放大倍數(shù)b 直流電流增益hFE集電極與發(fā)射極間漏電流Iceo 集電極和發(fā)射極間飽和壓降Uces 開通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff 最高工作電壓BUceo:基極開路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓實(shí)際使用GTR時(shí),為了確保安全,最高工作電壓要比BUceo低得多?集電極最大允許電流IcM集電極最大耗散功率PcM6電力場效應(yīng)晶體管(Metal Oxide Semiconductor FET, MOSFET)SDDGN+PN+N+溝道PN+NGGN+SSDN溝道P溝道a)b)圖119靜態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性MOSFET的開關(guān)速度和其輸入電容的充放電有很大關(guān)系,可以降低柵極驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻Rs,從而減小柵極回路的充放電時(shí)間常數(shù),加快開關(guān)速度?跨導(dǎo)Gfs?開啟電壓UT以及開關(guān)過程中的各時(shí)間參數(shù)?漏極電壓UDS漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM柵源電壓UGS極間電容 CGS?CGD和CDS?漏源間的耐壓?漏極最大允許電流和最大耗散功