電力電子器件與變換電路

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1、電力電子與現(xiàn)代生活PowerElectronicsTechnologyandModernLife1電力電子與現(xiàn)代生活第2章電力電子器件與變換電路第一部分電子器件與電力電子器件2.1半導(dǎo)體基本知識(shí)2.2半導(dǎo)體二極管及電力二極管2.3半導(dǎo)體三極管及電力三極管2.4半控型器件——晶閘管2.5門極可關(guān)斷晶閘管GTO2.6電力場效應(yīng)管（電力MOSFET）2.7絕緣柵極晶體管IGBT第2章電力電子器件與變換電路3概述概述：由前一章我們知道，電力電子器件又稱為電力電子開關(guān)、功率開關(guān)、或開關(guān)器件，那么它與我們常見的電力開關(guān)有什么不同呢？電力開關(guān)：構(gòu)成材料：金屬（銅等）、機(jī)械

2、結(jié)構(gòu)工作原理：借助外力或電磁力，使觸頭接通或斷開。工作頻率：不能頻繁操作，無法用頻率描述（<0.01Hz）應(yīng)用場合：用于電路的接通或斷開，不能改變電能的性質(zhì)。特點(diǎn)：接通后，接通電阻為零，無電壓降落；斷開后，電阻為無窮大，沒有漏電流。4電力開關(guān)類型：概述5概述6概述7電磁接觸器概述8電力電子開關(guān)：構(gòu)成材料：半導(dǎo)體材料，有內(nèi)阻，集成結(jié)構(gòu)。工作原理：借助控制電壓或電流，使開關(guān)接通或斷開。工作頻率：能頻繁操作，不同的器件，工作頻率不同，如：晶閘管：50Hz~幾kHzIGBT:5kHz~50kHzMOSFET:幾kHz~幾MHz應(yīng)用場合：電路的接通或斷開，或電能變換。

3、特點(diǎn)：接通后，接通電阻不為零，有一定電壓降落；斷開后，電阻不為無窮大，存在一定漏電流。概述92.1.1導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體，如鐵、銅、鋁等。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：有的物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，其特點(diǎn)為：當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化。往純凈半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使其導(dǎo)電能力明顯改變。2.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)102.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)GeSi在絕對

4、零度以下，本征半導(dǎo)體中無活躍載流子，不導(dǎo)電用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。2.1.2本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。+4+4+4+4共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)束縛電子112.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)2.1.3N型半導(dǎo)體：在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻）而形成，也稱為電子型半導(dǎo)體。+5自由電子半導(dǎo)體摻雜在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜使半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。122.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)摻入五價(jià)元素后自由電子數(shù)目大量增加，自由

5、電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。摻雜濃度越大，自由電子數(shù)目越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。132.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)2.1.4P型半導(dǎo)體：在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼(或銦)而形成，也稱為空穴型半導(dǎo)體。+3空穴142.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)摻入三價(jià)元素后空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。152.1.5PN結(jié)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成空間電荷區(qū)擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。內(nèi)電場漂移運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場

6、越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)越弱擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。1.PN結(jié)的形成162.1.5PN結(jié)172.1.5PN結(jié)182.2半導(dǎo)體二極管及電力二極管二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。二極管主要特點(diǎn)：單向?qū)щ娦?。主要分為：電子學(xué)上的小功率半導(dǎo)體二極管；電力電子學(xué)上的功率型電力二極管。2.2.1二極管的主要結(jié)構(gòu)：(a)點(diǎn)接觸型:結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波等高頻電路。(b)面接觸型結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。(c)平面型用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，

7、用于高頻整流和開關(guān)電路中。192.2半導(dǎo)體二極管及電力二極管陰極引線陽極引線二氧化硅保護(hù)層P型硅N型硅(c)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(a)點(diǎn)接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(b)面接觸型陰極陽極(d)符號(hào)D二極管的結(jié)構(gòu)示意圖202.2半導(dǎo)體二極管及電力二極管電力二極管的結(jié)構(gòu)示意圖AKAKa)IKAPNJb)c)AK圖2-2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)外形b)基本結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)212.2半導(dǎo)體二極管及電力二極管二極管的外形：222.2.2二極管的伏安特性：硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(B

8、R)導(dǎo)通壓降外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。外加