导图社区 电子电力器件
电子电力器件思维导图，电力电子器件的定义:可直接用于处理电能的主电路中，实现电能变换和控制的电子器件。
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第二章土的物理性质及工程分类
人工智能的运用与历史发展
电池拆解
电子电力器件
电子电力器件的概念与特征
概念
主电路的定义：在电气设备中或电力系统中，直接承担电能的变换和控制任务的电路
电力电子器件的定义：可直接用于处理电能的主电路中，实现电能变换和控制的电子器件
功率损耗
通态损耗：电力电子器件功率损耗的主要来源
断态损耗
开关损耗
开通损耗
关断损耗
当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增大，而可能成为器件功率损耗的主要因素
特征
处理功率的大小（即承受电压和电流的能力）一般都远大于处理信息的电子器件，其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，是其最重要的参数
为了减少本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态
由信息电子电路控制，且需要驱动电路
自身的功率损耗通常远大于信息电子元件，在其工作一般都需要安装散热器
应用电子电力器件的结构构成
由控制电路驱动电路以及电子电力器件为核心的主电路组成的一个系统
电子电力器件分类
广义上的分类
电真空器件
半导体器件
按照能够被控制信号所控制的程度
不可控器件
定义：不需要驱动电路产生控制信号来控制其通断的电力电子器件，又称“电力二极管”
特征：器件的导通和关断完全是由主电路中承受的电压和电流决定
举例：电力二极管
半控型器件
定义：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电子器件
性质：器件的关断是由其主电路中承受的电压和电流决定
举例：晶闸管（SCR）及大部分派生器件
全控型器件
定义：通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件
特征：与半控型器件相比，可以由控制信号控制，其关断又叫做自关断器件
举例：GTO，GTR，电力MOSFET，IGBT
按照驱动信号的性质
电流驱动型
定义：从控制端注入或抽出电流实现导通或者关断的控制
举例：SCR及派生器件，GTO，GTR
电压驱动型
定义：在控制端和公共端之间施加一定电压信号，实现器件导通或者关断，又叫做场控器件或者场效应器件
举例：电力MOSFET，IGBT
按照驱动信号的波形
脉冲触发型
定义：在输入端注入脉冲实现导通或者关断
举例：SCR及其派生器件
电平控制型
定义：在输入端注入高低电平实现导通或者关断
举例：IGBT，MOSFET，GTO，GTR
按照载流子参与导电情况
单极型器件
定义：有一种载流子参与导电的器件（也叫多子器件）
举例：电力MOSFET
双极型器件
定义：由电子和空穴两种载流子参与导电的器件（也叫少子器件）
举例：电力二极管，SCR，GTO，GTR
复合型器件
定义：由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件（也叫混合型器件）
举例：IGBT
不可控器件--电力二极管（SR）
工作原理
二极管基本原理：PN结的单向导电性：正向导通，反向截止，反向击穿
结构
垂直导电结构：使通过电流面积增大，提高二极管流通能力
工作特性
当正向电压大到一定值（UTo）的时候，正向电流明显增加，处于稳定导通状态，反向电压关闭（小于击穿电压）
电气符号与结构图
子主题
主要参数
正向平均电流IF（AV）：1.57倍的I有效值
正向压降UF：二到三倍∪DM
反向重复峰值电压∪RRM
最高工作结温TJM
反向恢复时间trr
浪涌电流IFSM
主要作用
续流元件
电压隔离
钳位
保护元件
派生器件
普通二极管（整流二极管）双极型：正向电流定额和反向电压定额特别高
快恢复二极管（双极型）：反向恢复过程很短
肖基特二极管（单极型）：以金属和半导体接触的势垒为基础，反向恢复时间很短，正向恢复过程中，不会有明显的电压过冲，所能承受的反向耐压提高时，其正向压降也会高的，不能满足要求，只能在低压场合使用
晶闸管（SCR）
工作原理：基于门极信号对控制极施加不同的电压，从而控制晶体管的导通，
结构：四层半导体材料，具有三个电极：阳极，阴极和门极（构成达林顿结构）
特点：其所承受的电压和电流容量是目前电力电子器件中最高的，非常可靠
静态特性
当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通
当晶闸管承受正向电压时，仅在门级有触发电流的情况下，晶闸管才能导通
晶闸管一旦导通，门级就失去控制作用，不论门极触发电流是否存在，晶闸管都保持导通
若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用，使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下
重要参数
断态重复峰值电压
反向重复峰值电压
通态电压
通态平均电流：晶闸管在环境温度为40度和规定条件下，稳定结婚不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值
维持电流
擎住电流
浪涌电流
快速晶闸管：工作频率高，开断速度快
双向晶闸管：一对反并联连接的普通晶闸管集成，正反两方向均可触发导通
逆导晶闸管：晶闸管反并联上一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件，这种器件不具备承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即导通，正向压降小，关断速度短，高温特性好，额定结温高
光控晶闸管：利用一定波长光照触发，实现光隔离
门极可关断晶闸管（GTO）
含义：门极可关断晶闸管，晶闸管的一种派生器件，可以在门极施加复脉冲电流使其关断（全控型）
结构：和晶闸管一样，都是DNP四层半导体结构，但GTO是多元的功率集成器件
特点：与SCR相比，GTO导通时饱和程度不深，可以给门极施加负脉冲，也就是从门极抽出电流，实现关断
开关条件：GTO有两个PNP和NPN构成V1V2，增益电流分别为a1与a2，当a1+a2=1时，为导通临界条件，当a1+a2>1时，两个等效晶体管饱和导通，当a1+a2<1时，不能维持导通而关断
特性
设计时a2大，这样晶体管V2控制灵敏，易于关断
使导通的a1+a2更接近于1，可以使GTO导通深度不深，更接近于临界饱和，更容易控制关断，管压降增大了
多集元结构使每个GTO元阴集表面积小，门极与阴极大为缩短，使P2横向电阻很小，使门集抽取更大电流成为可能
最大可关断阳极电流
电流关断增益
开通时间
关断时间
电力晶体管（GTR）
含义：GTR，巨型晶体管，一种耐高压，大电流的双极结型晶体管（又叫BJT）
结构：和普通的双极结型晶体管一样
开关条件：在基极和发射极之间施加足够的电压
特点：GTR一般采用发射极接法，集电极电流i与基极电流ib之比为GTR电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力
特性：GTR工作在开关状态，开为饱和，关为截止（有延迟，开关时间较快）
电流放大倍数β
直流电流增益集电极与发射极间漏电流
集电极与发射极间饱和电压降
开通时间；关断时间
最高工作电压
集电极最大允许电流
集电极最大耗散功率
一次击穿：GTR集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大，首次出现雪崩击穿
二次击穿：一次击穿后，没有有效的限制电流，Ic达到一个临界值会突然急剧上升，电压陡然下降
一次击穿后，GTR不会损坏，但是二次击穿会永久损坏或工作特征明显衰变
安全工作区
最高电压
集电极最大电流
最大耗散功率
二次击穿功率
电力场效应晶体管（电力MOSFET）
含义：电力场效应管分为结型和绝缘栅型，绝缘栅中的MOS型叫做电力MOSFET管
特点：驱动电路简单，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但电流量小，耐压低，用于10kw以下
结构：分为P型和N型，栅极电压为零时，漏源极之间存在导电沟通道为耗尽型，对于N（P）器件，栅型电压大于（小于）0时才存在导电沟道增强型，电力MOSFET中，主要为N沟道增强型
工作条件：工作在非饱和区域和截止区域
导通条件：漏源电压大于0，栅源电压大于0（∪DS>0且∪GS>0）
电气符号及原理图
ID较大的时候，与UGS关系接近于线性，曲线斜率被定义为MOSFET的跨导Gfs，为电压控制器件，输入阻抗高，输出电流小
只有一种载流子参与导电，不存在其他少子储存效应，所以关断速度非常快，是主要电子电力器件中最高的
主要参数（不存在二次击穿）
漏极电压∪DS
开启电压UT
跨导Gfs
漏极直流电流ID
漏极脉冲电流幅值IDM
栅源电压UGS
极间电容
绝缘栅双极晶体管（IGBT）
含义：综合了GTR与电力MOSFET的优点，有良好的特性，高输入阻抗，高电流处理能力，低饱和压降，良好热稳定性
结构：由电力MOSFET和GTR复合而成
工作特性：其开断由栅极和发射极的电压UCE决定，当UCE为正写大于开启电压UCE（th）时，电力MOSFET形成沟道，并且为晶体管提供其极电流进而使IGBT导通，由于导通调制效应，使得电阻RN减小，高耐压的IGBT有很小的通态压降，当栅极与发射极施加反向电压时或者不施加信号，电力MOSFET内沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使IGBT关断
工作条件：工作在饱和区和正向阻断区
特性：引入少子储存现象，开关速度没有电力MOSFET快，击穿电压，通态压降，关断时间折中，N基区要有足够宽度和较高电阻率。引起通态压降增大，关断时间延长
电气符号及结构图
主要用途：主要用于逆变
主要参数：
最大集射极电压∪CES
最大集电极电流：额定直流电流IC与1ms脉宽最大电流ICP
最大集电极功耗：PCM
擎柱效应
产生：也称为自锁效应，是由于IGBT内部存在一个寄生晶闸管导致的电流失控现象。IGBT由PNP双极型晶体管和功率MOSFET组成，当集电极电流增大到一定程度时，寄生晶闸管导通，导致栅极失去控制作用，形成自锁现象
危害：擎住效应会导致IGBT的集电极电流急剧增大，产生过高的功耗，最终导致器件损坏。由于电流失控，IGBT无法通过栅极正常关断，造成器件过热和损坏
其他全控型器件及功率集成电路
MCT
组成：是将MOSFET与晶闸管组合而成的复合型器件
优点：高电压，大电流，高载流密度，低通态压降
SIT
结构：结型场效应晶体管（横向导电结构改为垂直导电结构）
优点：工作频率与电力MOSFET相当，甚至超过它，功率容量也大，适合运用于高频大功率场合
SITH
结构：SIT在漏极层上附加一层与漏极层导电类型不同的发射极层而得到的
优点：具有电导调制效应，通态压降低，通流能力强，是大容量的快速器件
IGCT
将一个平板型的GTO与有很多个并联的电力MOSFET器件和其他辅助元件组成的GTO门极驱动电路
容量与GTO相等，开关速度比普通GTO快10倍
功率集成电路
电子电路的单片集成：功率集成电路是所有器件和电路都集成在一个芯片上
高电压集成电路：一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成
智能功率集成电路：一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成
禁带宽度
定义：反映了被束缚的价电子要成为自由电子所必须额外获得的能量
单位：电子伏特（eV）
硅的禁带宽度为1.12电子伏特（eV）
