电力电子学--陈坚教授主编2

电力电子学第2章 半导体电力开关器件

2 半导体电力开关器件2.1 电力二极管2.2 双极结型电力晶体管BJT 2.3 晶闸管及其派生器件 2.4 门极可关断晶闸管GTO 2.5 电力场效应晶体管P-MOSFET 2.6 绝缘门极双极型晶体管IGBT *2.7 *2.8 自学

2.9 半导体电力开关模块和功率集成电路本章小结2

电力开关器件家族树

电力开关器件发展史

2.1 电力二极管

电力二极管实物图5

2.1.1 半导体PN结

P型、N型半导体和PN结

2.1.2 半导体二极管基本特性—单向导电性 正向接法时内电场被削

弱，扩散运动强于漂移 运动，掺杂形成的多数 载流子导电，等效电阻 较小。 强，漂移运动强于扩散 运动，光热激发形成的 少数载流子导电，等效 电阻很大。

反向接法时内电场被增

半导体二极管的符号及正 反向接法7

2.1.2 半导体二极管基本特性—单向导电性(续1)正向接法

反向接法8

2.1.2 半导体二极管基本特性—单向导电性(续2)

一般表达式：

I I S (eV /VT 1)反向时的表达式：

IR I S正向时的表达式：

IF I S eV /VTIs:反向饱和电流

二极管伏-安特性

2.1.2 半导体二极管基本特性—单向导电性(续3)PN结高频等效电路R A(P) C K(N)

2.1.3 半导体电力二极管重要参数

半导体电力二极管的重要参数主要用来衡量 二极管使用过程中： 是否被过压击穿

是否会过热烧毁 开关特性

额定电流的定义：其额定发热所允许的正弦半波电流的平均值 。当正弦半波电流的峰值为Im时，它可用下式计算：

1 T /2 I FR I m sin( t )dt T 0 1 I m sin( t )d ( t ) T 0 1 1 I m sin( t )d ( t ) I m 2 0 12

最大允许全周期均方根正向电流的定义：当二极管流过半波正弦电流的平均值为IFR时，与 其发热等效的全周期均方根正向电流IFrms称为最 大允许全周期均方根正向电流。当正弦半波电流的峰值为Im时，它可用下式计算：

I Frms

1 T /2 2 2 0 I m sin ( t )dt T

1 2 1 2 0 I m sin ( t )d ( t ) I m 2 2

二极管电流定额的含义如手册上某电力二极管的额定电流为100A,说明： 允许通过平均值为100A的正弦半波电流； 允许通过正弦半波电流的幅值为314A; 允许通过任意波形的有效值为157A的电流； 在以上所有情况下其功耗发热不超过允许值。

由额定电流和最大允许全周期均方根正向电流的公式，得：

1 I FR I m 1 I Frms I m 214

I Frms

2

I FR 1.57 I FR

选择二极管电流定额的过程： 求出电路中二极管电流的有效值IFrms ; 求二极管电流定额IFR,等于有效值IFrms 除以

1.57; 将选定

的定额放大1.5到2倍以保证安全。

I FR I Frms /1.57

半导体电力二极管的开关特性 开关过程，由导通状态转为阻断状态

并不是立即完成，它要经历一个短时 的过渡过程； 此过程的长短、过渡过程的波形对不

状态： 导通、阻断 过程： 开通、关断

同性能的二极管有很大差异；

理解开关过程对今后选用电力电子器

件，理解电力电子电路的运行是很有 帮助的，因此应对二极管的开关特性 有较清晰的了解。