第5章 常用电力电子器件
在开关电源中，电力电子器件是完成电能转换以及主电路拓扑中最为关键的元件。为降低器件的功率损耗，提高效率，电力电子器件通常工作于开关状态，因此又常称为开关器件。电力电子器件种类很多，按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，可以将电力电子器件分为①不可控器件，即二极管；②半控型器件，主要包括晶闸管(SCR)及其派生器件；③全控型器件，主要包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、电力晶体管(GTR)、电力场效应晶体管(电力MOSFET)等。半控型及全控型器件按照驱动方式又可以分为电压驱动型、电流驱动型两类，上述分类见图5-1。
图5-1电力电子器件的分类
随着半导体材料及技术的发展，新型电力电子器件不断推出，传统电力电子器件的性能也不断提高，这成为包括开关电源在内的各种电力电子装置的体积、效率等性能指标不断提高的重要因素。了解和掌握各种电力电子器件的特性和使用方法是正确设计开关电源的基础。
在开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET。SCR在开关电源的输入整流电路及其软起动中有少量应用，GTR由于驱动较为困难、开关频率较低，也逐渐被IGBT和MOSFET所取代。因此这里将主要介绍二极管、IGBT和MOSFET的工作原理，主要参数及驱动方法。
5. 1二极管
二极管是最为简单但又是十分重要的一种电力电子器件，在开关电源的输入整流电路、逆变电路、输出高频整流电路以及缓冲电路中均有使用。
1、二极管的基本结构及工作原理
开关电源中应用的二极管除电压、电流等参数与电子电路中的二极管有较大差别外，其基
本结构和工作原理是相同的，都是由半导体PN结构成，即P型半导体与N型半导体结合构成，其结构见图5-2。 P型半导体是在半导体中添加三价元素，因此硅原子外层缺少一个电子形成稳定结构，即形成空穴。N型半导体是在半导体中添加五价元素，因此它在形成稳定结构后，半导体晶体中能给出一个多余的电子。在纯净的半导体中，空穴和电子成对出现，数量极少，所以导电能力很差。而P型或N型半导体中的空穴或自由电子数量大大增加，导电能力大大增强。在P型半导体中空穴数远远大于自由电子数，因此空穴称为多子，自由电子称为少子。在N型半导体中则相反，空穴为少子，自由电子为多子。
图5-2 PN结的形成
当N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。由于交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，于是在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。空间电荷建立的内电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子(对本区而言则为多子)向本区运动，即漂移运动。扩散运动和漂移运动达到平衡时，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，通常也称为耗尽层、阻挡层或势垒区。
当PN结外加正向电压，即外加电压的正端接P区、负端接N区时，外加电场方向与内电场方向相反，内电场被削弱，使得多子的扩散运动大于少子的漂移运动，而在外电路上形成自P区至N区的电流，该电流被称为正向电流，由于电导调制效应，正向PN结在流过较大正向电流时的压降很低，表现为正向导通状态。
当PN结外加反向电压时，外加电场与内电场方向相同，使空间电荷区加宽，少子的漂移运动大于多子的扩散运动，产生自N区至P区的电流，该电流被称为反向电流。由于少子的浓度很小，因此此时的PN结表现为高阻态，被称为反向截止状态。
在PN结承受反向电压时，随着反向电压的升高，空间电荷区的宽度及电场强度的峰值均随之增加，当电场强度超过一定限度就会造成击穿。PN结的电击穿有两种形式：雪崩击穿和齐纳击穿。反向击穿发生时，只要外电路中采取了措施，将反向电流限制在一定范围内，保证PN结的耗散功率不超过允许值，PN结仍可恢复正常。如果超过了允许的耗散功率，就会导致PN结温度过高而烧毁，这种现象称为热击穿。
为提高二极管的反向耐压，可以在通常重掺杂的P型和型半导体间加入一层低掺杂的型半导体。在正向导通状态，P区及区的大量载流子进入区，使区保持很低的压降。在反向截止状态，由于基本保持中性，区内的电场强度基本为恒值。这样由于空间电荷区域宽度增加，在同样的反压情况下，电场强度的峰值得以降低。采用这种结构的二极管称为P-i-N二极管。承受反压时PN及P-i-N型二极管空间电荷区的电场强度见图5 -3。
a）PN型二极管 b）P-i-N型二极管
图5-3 承受反压时PN及P-i-N型二极管空间电荷区的电场强度
2.二极管的基本特性及主要参数
二极管的静态特性(即伏安特性)见图5-4，当二极管承受的正向电压大于门槛电压，正向电流才开始明显增加，转为正向导通状态。二极管导通时的正向电流由外电路决定，与相对应的二极管两端电压即为二极管的正向压降。当对二极管施加反向电压时，只有少数载流子引起的微小的漏电流，其数值基本不随电压而变化。当反向电压超过一定数值后，二极管的反向电流迅速增大，产生雪崩击穿。
图5-4 二极管的静态特性
二极管的主要参数有：
(1)正向平均电流该参数是二极管电流定额中最为重要的参数，它是在指定的管壳温度(简称壳温，用表示)和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。快恢复二极管通常采用占空比为一定数值(通常为0.5)的方波电流的平均值标注二极管的额定电流。二极管的结温(或壳温)是限制其工作电流最大值的主要因素之一，因此在实际使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并同时考虑器件的散热条件。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略，因此即使不考虑安全裕量，二极管通常也必须降额使用。
(2)反向重复峰值电压，指对二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是其雪崩击穿电压的2/3。
(3)正向压降指在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时所对应的正向压降。正向压降越低表明其导通损耗越小。通常耐压低的二极管正向压降较低，普通整流二极管压降低于快恢复二极管。二极管的正向压降具有负温度系数，它随着温度的上升而略有下降。
(4)反向恢复电流及反向恢复时间由于二极管PN结中的空间电荷区存储电荷的影响，当给处于正向导通状态的二极管施加反压时，二极管不能立即转为截止状态，只有当存储电荷完全复合后，二极管才呈现高阻状态。这期间的电压电流波形见图5 -5。这一过程称为二极管的反向恢复过程。反向恢复时间通常定义为从电流下降为零至反向电流衰减至反向恢复电流峰值一定数值(一般为10%或25%)的时间。反向恢复电流及恢复时间与正向导通时的正向电流以及电流下降率密切相关。产品手册中通常给出在一定的正向电流以及电流下降率条件下，二极管的反向恢复电流及恢复时间。图5 -5中电流下降时间与延迟时间的比值称为恢复特性的软度，或称恢复系数。恢复系数越大，在同样的外电路条件下造成的反向电压过冲越小。反向恢复电流小、恢复时间短的快速软恢复二极管是开关电源高频整流部分的理想器件。
图5-5 二极管的反向恢复过程
在一定的工艺和材料水平下，二极管的反向恢复特性与正向通态压降存在折中关系，反向恢复特性好的器件通常正向压降较高，许多厂家一般都有多个产品系列供用户选择以适应不同场合的应用要求。
3.二极管的主要类型
二极管在开关电源中有大量应用，按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同，在应用时应根据不同场合的不同要求，选择不同类型的二极管。常用的二极管可以分为以下三类：
(1)普通二极管 普通二极管又称整流二极管，多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路中。其反向恢复时间较长，一般在以上，在参数表中甚至不列出这一参数，这在开关频率不高时并不重要。但其正向压降低，正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。
(2)快恢复二极管(Fast Recovery Diode , FRD)反向恢复过程很短(以下)的二极管，也简称快速二极管。工艺上多采用了掺金措施，结构上有的采用PN结型结构，有的采用改进的PiN结构。其正向压降高于普通二极管(1~2V左右)，反向耐压多在1200V以下。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。电子器件有哪些
(3)肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode , SBD )，简称为肖特基二极管。与以PN结为基础的二极管相比，肖特基二极管具有正向压降低(0.4 ~0. 8V)，反向恢复时间很短( 10 ~40ns)的优点。肖特基二极管的弱点在于：采用传统硅材料制成的器件反向漏电流较高，并随着结温的升高而显著上升，而且其正向压降随着耐压的上升迅速增大，因此目前其耐压多低于200V。由于上述特点，肖特基二极管多用于低压场合。
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