第二章： 微电子与电力电子器件

1200V/1200A— 20kHz
4.5kV/1.2kA— 2kHz
炼钢厂、轧钢机、直流输电、 电解用整流器
工业逆变器、电力机车用逆变 器、无功补偿器
开 关 电 源 、 小 功 率 UPS 、 小 功 率逆变器
各种整流/逆变器（UPS、变频 器、家电）、电力机车用逆变 器、中压变频器
第一章、电力电子器件
1、电力二极管的伏安特性
特性曲线:
当电力二极管承受的
正向电压大到一定值（门 槛电压UTO），正向电流才 开始明显增加，处于稳定 导通状态。与正向电流IF对 应的电力二极管两端的电 压UF即为其正向电压降。
当电力二极管承受反向
电压时，只有少子引起的
微小而数值恒定的反向漏 电流。
图2.2.2 电力二极管的 伏安特性曲线
1.2.2 电力二极管的特性与参数
电力二极管的主要类型：
（1）普通二极管：普通二极管又称整流管（Rectifier Diode），多用于开关频率在１KHZ以下的整流电路中， 其反向恢复时间在５us以上，额定电流达数千安，额定 电压达数千伏以上。
（2）快恢复二极管：反向恢复时间在５us以下的称为快恢复 二极管（Fast Recovery Diode简称FDR）。快恢复二极 管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者 反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在100ns以下，其 容量可达1200V/200A的水平, 多用于高频整流和逆变电 路中。
动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子） 向本区运动，即漂移运动。
空间电荷:交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另 一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了
带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、 负电荷称为空间电荷。

◆结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开 关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能 工作。
2.2 不可控器件 -- 电力二极管
■电力二极管的静态特性
◆主要是指其伏安特性。 ◆正向电压大到一定值（门槛电压UTO ），正向 电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与IF对 应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。 ◆承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值 恒定的反向漏电流。
理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注 意的一些问题。
2.1 电力电子器件概述
■电力电子器件的概念 在电气设备或电力系统中，直接承担电能
的变换或控制任务的电路称为主电路（Main Power Circuit）。电力电子器件（Power Electronic Device）是指主电路中、可直接用于 处理电能的、实现电能变换或者控制的电子器 件。
空间电荷建立的电场成为内电场或自建电场， 其方向是阻碍扩散运动进行的。
2.2 不可控器件 -- 电力二极管
■PN结的形成
◆多子的扩散运动和少子的漂移运动 另一方面，内电场又吸引对方区域内的少子向
本区运动，成为本方的多子，这就是所谓的漂移运 动。
扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾， 最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值， 形成一个稳定的由空间电荷构成的范围，称为空间 电荷区。
2.2 不可控器件 -- 电力二极管
■电力二极管的静态特性
I IF
O U TO U F U
2.2 不可控器件 -- 电力二极管
■电力二极管的动态特性
◆由于结电容的存在，电力二极管在零偏、正偏 和反偏这三种状态之间转换时必然经历一个过渡过 程。所以其电压—电流特性是随时间变化的，这就 是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态 和断态之间转换过程的开关特性。

2.2 不可控器件—电力二极管
关断过程
➢ 须经过一段短暂的时间才能重新获 得反向阻断能力，进入截止状态。
➢ 关断之前有较大的反向电流出现， 并伴随有明显的反向电压过冲。
开通过程
➢ 正向压降先出现一个过冲UFP，经 过一段时间才趋于接近稳态压降的 某个值（如 2V）。
➢ 正向恢复时间tfr。 ➢ 电流上升率越大，UFP越高
➢ 关断时间tq以上两者之和
tq=trr+tgr
➢ 普通晶闸管的关断时间约 几百微秒
O
t
trr URRM tgr
晶闸管的开通和关断过程波形
2.3 半控型器件—晶闸管
晶闸管正常工作时的特性总结
➢ 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管 都不会导通。
➢ 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸 管才能开通。
➢ 断态电压临界上升率du/dt ——指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶 闸管从断态到通 态转换的外加电压最大上升率(电压上升率过大，使充电电流 足够大，就会使晶闸管误导通 )。
➢ 通态电流临界上升率di/dt ——指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的 最大通态电流上升率(如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏)。
瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。 ➢由于是电流驱动，开关频率不高。
电力晶体管 —— GTR
➢耐高电压、大电流的双极结型晶体管； ➢20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但
目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。
2.4 典型全控型器件—MOSFET
电力场效应晶体管 特点 — 电压驱动型
2. 正向压降UF
➢ 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。

本章小结
电力电子器件分类“树”
本章小结
电力电子器件分类之一（载流子参与导电的情况） 单极型：电力MOSFET 双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR 复合型：IGBT
本章小结
电力电子器件分类之二 （驱动控制的情况） 电压驱动型：单极型器件和复合型器件 特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单， 工作频率高。 电流驱动型：双极型器件 特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小， 但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动电路较复杂
也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。
Datasheet
2.6
功率集成电路与集成电力电子模块
■发展现状 ◆主要技术难点：高低压电路的绝缘问题以及温升和散热 ◆开发和研究主要在中小功率应用场合 ◆智能功率模块最近几年发展迅速，一定程度上回避了 上述两个难点 ◆实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口
2.5
其他新型电力电子器件
2.5.1 MOS控制晶闸管MCT 2.5.2 静电感应晶体管SIT 2.5.3 静电感应晶闸管SITH 2.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT 2.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件
2.5
其他新型电力电子器件
2.5
其他新型电力电子器件
2.5
其他新型电力电子器件
2.5
其他新型电力电子器件
基于宽禁带半导体材料的电力电子器件
■宽禁带半导体材料的特点 ◆耐受高电压、低通态电阻 ◆更好的导热性能和热稳定性 ◆耐受更高的高温和辐射
2.5
其他新型电力电子器件
基于宽禁带半导体材料的电力电子器件
■宽禁带半导体材料的特点 ◆SiC MOSFET的特点

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电力电子技术
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）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 区的过剩载流子减少，从而缩短反向恢复时间trr 。 缺点：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
3
电力电子技术
2.1 电力电子器件的特点和分类
1．电力电子器件的特点
电力电子器件（Power Electronic Device）是指能实现电能的变换或控 制的电子器件。和信息系统中的电子器件相比，具有以下特点：
1）具有较大的耗散功率 因为具有较高的导通电流、阻断电压和阻断时的
2）工作在开关状态 为本小了无的漏）耗降电导电 ， 造低 流 通流 在 成工 流 压。使 的作 过 降电用 温损 ； 。路时 升耗 导 电中一 。。 通 力主般关 时 电要都断 流 子的要时过 器发安承一 件热装受定 工源散一的 作。热定电 时体器的流在积，电，开较以压但通大限，只和（制但有关散因基很断热损
2.电力电子器件的分类
■按照能够被控制信号控制的程度 ◆不可控器件 ☞电力二极管（Power Diode） ☞不能用控制信号来控制其通断，由自身在电路中承受的电压和电流来 决定。 ◆半控型器件 ☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。 ☞通过控制信号能控制其导通，关断由其在主电路中承受的电压和电流 决定的。 ◆全控型器件 ☞目前最常用的是门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、 功率场效应管（Power MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。 ☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。