电力电子器件也就是功率半导体器件，是用作电力电子设备中的开关或整流的半导体器件。通常也称为功率器件，功率IC等。

电力电子器件的工作模式包括整流，放大和开关，如下图。

但为了降低损耗，通常工作于“换流模式”，即开或关两模式。因此，功率半导体器件多用于整流和开关，极少用于放大。

电力电子器件的开关特性：

1）导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于0，导通电流由外部电路决定；

2）阻断时（断态）阻抗很大，接近于开路，电流几乎为0，管子两端电压由外电路决定；

3）导通关断瞬间将产生较大的功率，因此器件损耗不仅包括导通损耗也包括开关损耗。

另外值得注意的是，电力电子器件的耗散功率大，通常需要配备额外的冷却装置。

有些人觉得奇怪，前面不是说电力电子器件的效率高吗，这里为什么又会耗散功率大？

其实这里是相对而言的，我们知道电力电子器件工作在高压大电流环境，例如一个电力电子器件工作在10万W的条件下，效率99%，那么耗散功率也有1000W了。

PN结原理介绍

在元素周期表中，可以分为金属和非金属，而介于二者之间的例如硅，锗等，这类导体的电阻率介于金属和非金属之间，是制造半导体的材料。

也是完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体，其导电能力主要由材料的本征激发决定，称为本征半导体。

以硅本征半导体为例，硅的价电子为4，其最外层有4个电子，并且4个电子都与相邻的硅原子共享，形成共价键。

由于本征激发，会产生少量的自由电子和空穴对，随着温度升高，自由电子和空穴对也随之增加。

如果在硅本征半导体中掺杂价电子为5的磷，这样有一个电子可在其中自由移动，这就叫N掺杂，掺杂后的半导体称为N型半导体。

如果在硅本征半导体中掺杂价电子为3的铝，这样就有一个多余可放置电子的空穴，相邻电子可随时填上，出现电子运动，也就是空穴相对运动，这种掺杂称为P掺杂，掺杂后的半导体称为P型半导体。

N型半导体有很多的自由电子，仅有少量的空穴，因此自由电子为N型半导体多数载流子（多子），而空穴为少数载流子（少子）。

P型半导体有很多空穴，仅有少量自由电子，因此空穴为多子，自由电子为少子。注意少数载流子是由本征激发而来的。

如果将P型半导体和N型半导体相连形成PN结，如下图。

N区自由电子浓度高向P区扩散，邻近PN结的N型中的自由电子与P型中的空穴结合，该区域耗尽自由电子和空穴，这一部分就称为耗尽层或空间电荷区。

N型材料和P型材料本体呈电中性，耗尽层N侧失去电子，仅留下正离子，P侧失去空穴，仅留下负离子。正负离子使得PN结中形成了一个空间电荷区，也是静电场的势垒区。

如果将PN结的末端引出，P端接电源正极，N端接负极，称为正向偏置。此时势垒区产生的电场方向和外加的电场方向相反。

当外加的正向电场幅值大于势垒区的电场幅值时，势垒区完全消失，电子从N区逐步向P区扩散，P区充满电子，电子源源不断从外部电路进入N区，P区，再回到外部电路，由此整个电路导通，电流由此产生。

此时外加的电压称为正向偏置电压，根据半导体材料不同，硅是0.7V，锗是0.3V。这个电压也是我们常说的导通压降。

如果P端接电源负极，N端接电源正极，称为反向偏置。

此时势垒区产生的电场方向与外加的电场方向一致，正极吸引N区的自由电子远离PN结，负极吸引P区的空穴原理PN结，因此空间电荷区随着反偏电压的增加而变宽，N区自由电子无法穿过厚的空间电荷区，电流无法流过二极管。

反向偏置时，N区和P区的少数载流子会在空间电荷区出现，势垒电场方向与自由电子从P区到N区的方向一致，部分少子能顺利流过二极管，所以流过电流很小，该电流称为反向饱和电流。

如果持续增大反偏电压，耗尽层的场强增加，附近自由电子动能也增加了，自由电子高速撞击原子产生新的自由电子-空穴对，新产生的自由电子也在该电场内得到加速，进一步破坏共价键从原子释放出更多的电子，该过程使得耗尽层的自由电子-空穴对成倍增加，该现象被称为雪崩击穿。

在搞掺杂浓度的PN结中，P区与N区的间距较窄，一定的反偏电压的场强足以直接将电子从耗尽层内的共价键拉出并产生电流，最终使势垒区瓦解。该电压称为齐纳击穿电压，齐纳击穿也被称为隧道击穿。

外加偏置电压变化，空间电荷区电荷量变化，耗尽层宽度随之变化。这种变化而呈现的电容效应为势垒电容（暂态电容或耗尽层电容）。

正向电压较大时，耗尽层消失，自由电子向低浓度扩散，积累而形成的电容效应称为扩散电容。

结电容又称微分电容，包括势垒电容和扩散电容。

势垒电容只在外部电压变化时才起作用，且外加电压频率越高，势垒电容越明显。

扩散电容仅在正偏时才起作用，正偏时，电压较低时势垒电容为主，电压较高时扩散电容为主。

以PN结为基础引出功率二极管。

上图看来我们对功率二级管的需求的实现貌似是矛盾的，那还有解决办法吗？

通过在两个重掺杂的P+和N+区之间引入一定厚度的轻掺杂N-（漂移层）以缓解功率二极管需求的矛盾。

N-和P+交界处会形成耗尽层，N-和N+交界处也会形成耗尽层，但是相对前一个耗尽层较窄，可以忽略。

N-区掺杂浓度低，接近本征半导体，可承受较高的反向外冲击电压，N-区越宽，可承受反向电压越高，足够高的反向电压还可以使整个N-区耗尽，甚至扩展到N+区。由此满足反向电压KV级。

足够的外部正向电压使得P+N-结势垒区消失，电子从N+区逐步向N-和P+区扩散，扩散运动的进行，使得N-和P+区充满电子，电子源源不断从外部进入N+区，N-区，P+区，再回到外部电路，由此回路导通。

总结一下增加了N-区的影响，耗尽层增厚，反向耐压能力得到提高。导通电阻增加，通态压降增加；能积累更多的载流子，结电容也随之增加。

功率二极管

功率二极管属于不可控电力电子器件，是20世纪最早得以应用的电力电子器件，它在整流，逆变等领域都发挥着重要的作用。

相比PN结型二极管，其中间多了一个轻掺杂的N-区以提高反向耐压能力。因N-浓度接近本征半导体，也称其为PIN二极管。

与普通二极管符号一致，包含两个电气连接端子：阳极A和阴极K。A正K负为正偏，反之为反偏。

分析一个电力电子器件的特性包含静态特性（伏安特性）和动态特性（开关特性）。

静态特性是指器件在导通或关断的状态下，其电压与电流的对应关系，静态过程体现器件最基本的电压和电流稳态特性。

动态特性是指器件在开或关过程中，其电压，电流随时间的对应关系，动态过程可伴随电压或电流的产生，且电压电流均可不为0，导致开关损耗。

回顾通用二极管的静态特性伏安曲线如下图，可分正向和反向偏置电压作用曲线。

先来看一下二极管承受反偏电压的情况，如下图少子引起微小且数值恒定的饱和电流，到达反向击穿电压VB后，反向电流急剧增加，处于反向击穿状态。结温升高，反向饱和电流增加，反向击穿电压减小。

反向偏置下的静态特性参数：

1）VRDC直流阻断电压：在器件上能施加的最大直流电压；

2）VRRM反向可重复峰值电压：在器件上可周期性出现的反向电压的最大允许值；

3）VRSM反向不可重复峰值电压：不能重复出现的瞬时反向电压的最大允许值；

4）iR反向饱和电流：器件上施加额定反向电压以下时的漏电流。

再来看一下正向偏置的情况。

正向电压从0开始升高，耗尽层逐渐变窄，到达门槛电压VTO后，正向电流开始明显增加，处于稳定导通状态。iF为正向电流，VAK为正向压降。

稳定导通的斜率的倒数为斜坡电阻rT。结温升高，门槛电压降低，导通压降减小。

可以看到rT是最先开始是比较小的，后面逐渐增大，这就代表电流电压变化导电率是由小变大的，这也就是电导调制效应。

正向偏置下的静态特性参数：

1）IFRMS导通有效电流：导通时器件能流过的最大电流有效值；

2）IFAVM导通平均电流：导通时器件能流过的最大电流平均值；

3）IFSM正向浪涌电流：允许流过的最大的瞬时电流；

4）∫i2dt浪涌电流积分：浪涌电流平方的积分值，单位A2s。代表浪涌发热损耗；

5）VF导通压降：导通时器件上的压降；

6）VTO门槛电压：器件稳定导通的最低电压值；

7）Tvj_max最高工作结温：PN结在不损坏前提下最高工作温度。

接下来我们以一个测试电路来分析功率二极管的动态特性。

如上图，两电源S1和S2极性相反，一头与二极管D1共阴极，另一头分别接单刀双掷开关SPDT的两个触点。

SPDT闭合触点1时，二极管正偏，电阻R模拟负载限流，电感L模拟电力电子变换器中的滤波和限流电感。SPDT闭合触点2时，二极管反偏。

先来看一下SPDT闭合触点1时，二极管正偏导通的情况。

流过功率二极管的电流逐渐上升，直到稳态，其上升的斜率和电感有关。功率二极管的正向压降会先出现一个过冲VFP，该电压与电感有关，经过一段时间才逐渐趋于稳态压降的某个值。

出现过冲的原因类似感性机制，电流增加，二极管的电阻率下降，等效电阻下降，二极管的压降也会下降。正向电压从0开始经峰值电压VFP再降到稳态电压VF所需要的时间称为tfr。

再来看一下SPDT从闭合触点1切到闭合触点0时，二极管反偏关断的情况。

外部电压反偏，二极管电流下降。电流不会停止在0，需要经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断的能力（该阶段在反偏电压电场作用下重新建立空间电荷区），进入截止状态，往负方向增长到Irr，称为反向恢复电流峰值，其值可与IF相当。

在二极管电流达到反向恢复电流峰值前，二极管两端的管内压降在其稳态值不会明显变化，在开始构建空间电荷区后，管内压降逐渐减小到稳定。

若反向电流下降太快（缓冲因子S=tf/td较小），则在Irr之后，电路杂散电感可能会导致器件上较危险的反向过电压Vrr。

在tf期间，器件中同时存在大电流和电压，可能导致总功率损耗显著增加。电流反向区间被称为反向恢复电荷Qrr。

动态特性参数：

1）VFP导通暂态峰值电压

2）tfr正向恢复时间

3）Irr反向恢复电流峰值

4）Qrr反向恢复电荷

5）trr反向恢复时间

受当前半导体物理学和工艺影响，上述功率二极管静态特性和动态特性并不理想。因此在实际生产中只能按照不同的性能参数制造，以满足不同的应用场合。

我们把缓冲因子S>1的称为软恢复。Trr较小的为超快恢复。正常恢复或软恢复的功率二极管，总恢复时间trr通常为us级，通常用于工频整流，也被称为整流二极管。

trr小于1us的为快恢复二极管，超快恢复二极管则小于100ns，通常与DC/AC变换器的开关配套使用，称为续流二极管，使DC/AC变换器带感性负载能正常运行。

这里介绍一下肖特基二极管，是由金属和N型半导体组成，只有多数载流子参与到点，基本上没有恢复电荷，具有较低的正向导通电压VF，缺点是只限于低电压使用（<200V）。

在肖特基二极管中，贵金属（铂金钨、钼、金等）取代了P型半导体。

当金属与N型半导体结合时，由于贵金属中仅有极少量的自由电子，自由电子便从浓度高的N型半导体向浓度低的贵金属中扩散，形成M-S结，也称为肖特基势垒。

金属中没有少子（空穴），当反向偏压时，二极管的导通很快就会停止。

各种二极管以表格形式列出关键参数如下表。