第二章—电力电子器件

电力电子器件

1. 直接可以用于处理电能的主电路（直接承担电能的变换和控制任务），实现电能的变换或控制的电子器件

2. 承受电压进和电流的能力：能处理电功率的大小

3. 一般都工作在开关状态

4. 由信息电子电路控制，需要驱动电路

5. 功率损耗远大于信息电子器件，需散热

电子电子电路的损耗

1. 通态损耗：电力电子器件功率损耗的主要成因
2. 断态损耗
3. 开关损耗：开通损耗，关断损耗:当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增加可能称为器件损耗的主要因素

组成

• 控制电路
• 驱动电路
• 主电路：以电力电子器件为核心

分类

按照被控制电路控制程度

• 半控型器件：主要指晶闸管：关断完全是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IGBT，和power MOSFET:通过控制信号可以控制其关断和导通

不可控器件：电力二极管：不能用控制信号控制其通断

电力二极管

• 快恢复二极管和肖特基二极管
• 面积较大的半导体PN结和两端引线封装而成
• 螺栓型、平板型

基本原理——PN结单向导电性

• 正向偏置：P区到N区，正向电流$I_F$
• 反向电压：高阻态
• 反向击穿：雪崩击穿、齐纳击穿（及时采取措施可恢复） 热击穿（不可恢复）

PN结电容效应

• 结电容$C_J$,又称微分电容
• 势垒电容$C_B$：只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容越明显。当正向电压较低时，势垒电容为主。
• 扩散电容$C_D$：仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容为结电容主要部分
• 结电容影响PN结的工作频率，特别在高速开关的状态，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作

静态特性

• 伏安特性
• 正向电压大于门槛电压$U_{TO}$,正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态
• 承受反向电压使，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流

电力二极管的基本特性

• 结电容得存在，使电压不能突变，电流电压随时间变化，反映通态和断态之间转换过程得开关特性
• 由正向偏置转换为反向偏置
• 电力二极管不能立即关断，须经一段短暂得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，并伴有反向电压过充。
• 延迟时间$t_d$
• 电流下降时间$t_f$
• 反向恢复时间$t_{rr}=t_d+t_f$
• 恢复特性的软度$\frac{t_f}{t_d}$,$S_r$表示

按照驱动信号性质

• 电流驱动型：控制端注入或抽出电流来控制导通或关断
• 电压驱动型：控制端和公共端之间施加一定的电压信号实现导通或关断的控制

按驱动信号的波形

• 脉冲触发型：施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或关断
• 电平控制型：持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号使器件开通并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态

按照载流子参与导电的情况

• 单极型器件：由一种载流子参与导电
• 双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电
• 复合型器件：由单极型器件和双极型器件集成混合而成。混合型器件