电力电子和现代控制-电力电子器件-第一部分.ppt

电力电子与现代控制Power Electronic and Modern Control 中国科学院研究生院 现代电力电子器件 半导体简介 自然界中的物质按其导电性能可分为三大类：导体、绝缘体和半导体；半导体材料(硅、锗、硒、金刚石、砷化稼、碳化硅等)是指其导电能力明显依赖于内外状态的一类特殊物质。当半导体受到外界光和热的激发时，其导电能力发生显著的变化。 本征半导体：在纯净的结构完整的半导体（被称为本征半导体）中可自由移动的电子被束缚在分子内部，其晶体结构主要由不带电无法自由移动的分子组成，仅存在少量的电子和空穴对可以自由移动和少量的离子。 半导体简介 N型半导体：在本征半导体材料硅中掺入少量5价杂质（如磷或砷），其中存在大量可自由移动的电子为多数载流子，少量可以自由移动的空穴为少数载流子；另外，还有大量的不能自由移动的正离子； P型半导体：在本征半导体材料硅中掺入少量3价杂质（如硼或铝），其中存在大量可自由移动的空穴为多数载流子，少量可以自由移动的电子为少数载流子；另外，还有大量的不能自由移动的负离子； 二极管的简化结构和符号 PN结：将P型半导体与N型半导体通过物理化学方法有机地结合为一体后，就形成了PN结，PN结具有非线性电阻的特性，可以制成二极管作整流器件，PN结是构成多种半导体器件的基础。 PiN结构可以实现反向高阻断电压和低导通电阻。 半导体功率二极管的重要参数 2、最大允许反向重复峰值电压VRRM，即二极管的额定电压。 3、最大允许非重复浪涌电流IFSM，表示二极管整流器抗击浪涌冲击电流的能力。 4、最大允许的PN结结温（150~200度）和管壳温度。 5、结－壳、壳－散热器热阻。 6、反向恢复时间trr。 * 第一章：现代电力电子器件 引言 现代电力电子器件 1、功率二极管 2、功率三极管 3、晶闸管和可关断晶闸管 4、集成门极换流晶闸管 5、功率场效应晶体管 6、绝缘栅双极晶体管 7、智能功率模块 8、SiC器件 小结 引言 实际电力电子器件的非理想因素 电力电子器件在电力电子变换器中主要做开关使用。理想的开关没有损耗，开关所需时间为零。但实际器件存在多种限制。 1、实际器件的损耗： 1）通态损耗(Won）与导通压降成正比。 2）断态损耗（一般可忽略）与断态漏电流成正比。 3）开通损耗(Wc(on)) 4）关断损耗(Wc(off)) 2、实际器件的开通和关断时间: 1）开通时间Tc(on)； 2）关断时间Tc(off)。 3、电力电子器件其他因素： 如单向可控性，安全工作区等。 引言 现代电力电子器件包括： 按控制方式分： 不控器件： 半导体功率二极管 Diode 半控器件： 晶闸管 Thyristor 全控器件： 功率三极管BJT 可关断晶闸管GTO 功率场效应晶体管MOSFET 绝缘栅门极双极型晶体管IGBT 集成门极换流晶闸管IGCT 新型的电力电子器件和模块 智能功率模块（IPM） SiC功率器件 按是否具有线性区分： 开关器件： 半导体功率二极管 Diode 晶闸管 Thyristor 可关断晶闸管GTO 集成门极换流晶闸管IGCT 线性器件： 功率三极管BJT 功率场效应晶体管MOSFET 绝缘栅门极双极型晶体管IGBT 电力电子器件分类 按多子还是少子导电分： 少子： 半导体功率二极管 Diode 晶闸管 Thyristor 可关断晶闸管GTO 集成门极换流晶闸管IGCT 功率三极管BJT 多子： 功率场效应晶体管MOSFET 复合： 绝缘栅门极双极型晶体管IGBT 电力电子器件的发展历史 电力电子器件的发展历史（三菱公司） IGBT电力电子器件的发展历史（三菱公司） 电力电子器件的现状 高压大功率电力电子器件的现状与未来 电力电子器件的现状与未来 未来的电力电子器件 未来的电力电子器件 未来的电力电子器件 1、功率二极管 本征半导体 N型半导体 P型半导体 二极管结构示意图和符号 二极管由P型半导体和N型半导体相互连接构成，P型和N型半导体连接处形成PN结结构。二极管是双端器件，其中，阳极(Anode简称A) 连接在P型半导体，阴极(Cathode简称K)连接到N型半导体。二极管是利用PN结原理工作的器件，其导电能力与阴极和阳极之间施加的电压极性相关。 PN结工作原理 1、PN结为零偏置时 在PN结两端不外加电压时，P型半导体区大量可自由移动的空穴和N型半导体区内的大量电子将因为浓度差向对方区间扩散，扩散电流的方向为由P流向N，其幅值 与负浓度差成正比，之后在PN结附近P型区将出现由无法自由移动的负离子组成的带负电的区域和N型区的正离子组成的带正电的区域，两个区域统称为空间电荷 区，也称耗尽层。空间电