1第1章 电力电子器件1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 1.2 1.2 不可控器件不可控器件二极管二极管1.3 1.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件1.5 1.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件1.6 1.6 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动1.7 1.7 电力电子器件的保护电力电子器件的保护1.8 1.8 电力电子器件的串联和并联使用电力电子器件的串联和并联使用本章小结及作业本章小结及作业21.1.11.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征1.1.21.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成1.1.31.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类1.1.41.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点1.1 电力电子器件概述31）概念:电力电子器件（Power Electronic Device）可直接用于主电路中，实现电能的变 换或控制的电子器件。主电路（Main Power Circuit）电气设备或电力系统中，直接承担电 能的变换或控制任务的电路。2）分类:电真空器件 (汞弧整流器、闸流管)半导体器件 (采用的主要材料硅）仍然1.1.1 电力电子器件的概念和特 征 电力电子器件456 能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的 电子器件。 电力电子器件一般都工作在开关状态。 电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制 。 电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子 器件，一般都要安装散热器。1.1.1 电力电子器件的概念和特 征3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：7 通态损耗是器件功率损耗的主要成因。 器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率 损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗 关断损耗开通损耗1.1.1 电力电子器件的概念和特 征电力电子器件的损耗8电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测 电路驱动 电路RL主电路V1V2保护 电路在主电路 和控制电 路中附加 一些电路 ，以保证 电力电子 器件和整 个系统正 常可靠运 行1.1.2 应用电力电子器件系统组 成电气隔离控制电路9半控型器件-通过控制信号可以控制其导通而不能控制 其关断。晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。器件的关断由其在主电路中承受的电压和电 流决定。 b. 全控型器件-通过控制信号既可控制其导通又可控制 其关 断，又称自关断器件。绝缘栅双极晶体管 电力场效应晶体管 (简称为电力MOSFET ）门极可关断晶闸管（ -GTO） c. 不可控器件-不能用控制信号来控制其通断，因此也就 不需要驱动电路电力二极管（Power Diode）只 有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承 受的电压和电流决定的。1.1.3 电力电子器件的分类一.按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：1011l 电流驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者 关断的控制。l 电压驱动型仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压 信号就可实现导通或者关断的控制。二. 按照驱动电路信号的性质，分为两类：12二.按照器件内部电子和空穴两种载流子 参与导电的情况分为三类： 单极型器件-由一种载流子参与导电的器件 。 双极型器件-由电子和空穴两种载流子参与 导电的器件。 复合型器件-由单极型器件和双极型器件 集成混合而成的器件。13本章内容: 介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参 数以及选择和使用中应注意的一些问题。 集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串、并 联使用这三个问题。学习要点: 最重要的是掌握其基本特性。 掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数 和特性曲线的使用方法。 可能会主电路的其它电路元件有特殊的要求。1.1.4 本章学习内容与学习要 点141.2.11.2.1 PN PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理1.2.21.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1.2.31.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1.2.41.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型1.2 不可控器件电力二极管15 Power Diode结构和原理简单，工作可靠， 自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、 高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合 ，具有不可替代的地位。1.2 不可控器件电力二极管 引言整流二极管及模块16一.结构 基本结构和工 作原理与信息 电子电路中的 二极管一样。 由一个面积较 大的PN结和两 端引线以及封 装组成的。 从外形上看， 主要有螺栓型 和平板型两种 封装。图1-2 电力二极管的外形、结构和电气 图形符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号1.2.1 PN结与电力二极管的工作 原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK171. 二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。2. PN结的反向击穿（两种形式)雪崩击穿齐纳击穿均可能导致热击穿1.2.1 PN结与电力二极管的工作 原理 二. PN结的状态18lPN结的电荷量随外加电压而变化， 呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为 微分电容。l结电容按其产生机制和作用的差别分 为势垒电容CB和扩散电容CD。l电容影响PN结的工作频率，尤其是 高速的开关状态。1.2.1 PN结与电力二极管的工作 原理3. PN结的电容效应：19主要指其伏安特性l门槛电压UTO， 正向电流IF开始明 显增加所对应的电 压。l与IF对应的电 力二极管两端的电 压即为其正向电压 降UF 。l承受反向电压 时，只有微小而数 值恒定的反向漏电 流。图1-4 电力二极管的伏安特性1.2.2 电力二极管的基本特性1) 静态特性IOIFUTOUFU202) 动态特性二极管的电压-电流特性随时间变化的结电容的存在b)UFPu i iFuFtfrt02Va)FUFtFt0trr tdtft1t2tURURPIRPd iF d td iR d t图1-5 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置延迟时间： td= t1- t0, 电流下降时间： tf= t2- t1反向恢复时间： trr= td+ tf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的 比值tf /td，或称恢复系数， 用Sr表示。21v正向压降先出现一个过冲 UFP，经过一段时间才趋于 接近稳态压降的某个值（ 如 2V）。v正向恢复时间tfr。v电流上升率越大，UFP越高 。UFPuiiFuFtfrt02V图1-5(b)开通过程1.2.2 电力二极管的基本特性2.开通过程：1.关断过程须经过一段短暂的时间才能 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，并伴随有明显的反向 电压过冲。IFUFtFt0trr tdtft1t2tURURPIRPdiF dtdiR dt图1-5(b)关断过程22 额定电流在指定的管壳温度和 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。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的 ，使用时应按有效值相等的原则来选取 电流定额，并应留有一定的裕量。1.2.3 电力二极管的主要参数1) 正向平均电流IF(AV)23 在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流 时对应的正向压降。3） 反向重复峰值电压URRM 对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电 压。 使用时，应当留有两倍的裕量。 4）反向恢复时间trr trr= td+ tf1.2.3 电力二极管的主要参数2）正向压降UF24 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的 最高平均温度。TJM通常在125175C范围之内。6) 浪涌电流IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个 工频周期的过电流。 1.2.3 电力二极管的主要参数5）最高工作结温TJM25功率二极管的型号和选择原则1、功率二极管的型号262.功率二极管的选择原则 （1）选择额定正向平均电流的原则在规定的室温和冷却条件下，只要所选管子的额定 电流有效值大于管子在电路中实际可能通过的最大电流 有效值 即可。考虑元件的过载能力，实际选择时应有 1.52倍的安全裕量。计算公式为：（2）选择额定电压的原则选择功率二极管的反向重复峰值电压等级（额定电压 ）的原则应为管子在所工作的电路中可能承受的最大反向 瞬时值电压 的23倍，即271) 普通二极管（General Purpose Diode） 又称整流二极管（Rectifier Diode） 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流 电路 其反向恢复时间较长 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能 ，特别是反向恢复特性的不同介绍。1.2.4 电力二极管的主要类型28 简称快速二极管 快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial Diodes FRED），其trr更短（可低于50ns）， UF也很低 （0.9V左右），但其反向耐压多在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trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以 下，甚至达到2030ns。1.2.41.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型2) 快恢复二极管29 肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V 以下。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作 温度。 肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（1040ns）。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极 管。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二 极管还小。1.2.4 电力二极管的主要类型3). 肖特基二极管 SBD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）。301.3 半控器件晶闸管1.3.11.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理1.3.21.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1.3.31.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数1.3.41.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件311.3 半控器件晶闸管引言发展过程1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产 品。1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新 时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大 容量的场合具有重要地位。晶闸管 ：晶体闸流管VT，可控硅整流器 SCR321.3.1 晶闸管的结构与工作原 理 一.结构:具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。常见的外形有两种：螺栓型和平板型。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接 且安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。331.3.1 晶闸管的结构与工作原 理 常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构341.3.1 晶闸管的结构与工作原 理351.3.1 晶闸管的结构与工作原