第第1章章 电力电子器件电力电子器件1.1 电力力电子器件概述子器件概述1.2 不可控器件不可控器件电力二极管力二极管1.3 半控型器件半控型器件晶晶闸管管1.4 典型全控型器件典型全控型器件1.5 其他新型其他新型电力力电子器件子器件1.6 电力力电子器件的子器件的驱动电路路1.7 电力力电子器件的子器件的维护电路路本章内容要求：本章内容要求：了解了解电力力电子器件的概念、特点和分子器件的概念、特点和分类等相关知等相关知识。掌握常用掌握常用电力力电子器件的任子器件的任务原理、根本特性、主要参数以原理、根本特性、主要参数以及在及在选择和运用中和运用中应留意的留意的问题。11 1概念概念: :电力力电子器件子器件Power Electronic DevicePower Electronic Device 可直接用于可直接用于处置置电能的主能的主电路中，路中，实现电能的能的变换或控制的或控制的电子器件。子器件。主主电路路Main Power CircuitMain Power Circuit 在在电气气设备或或电力系力系统中，直接承当中，直接承当电能能的的变换或控制或控制义务的的电路。路。2 2广广义上的分上的分类: : 电真空器件真空器件 ( (汞弧整流器、汞弧整流器、闸流管流管) ) 半半导体器件体器件 ( (采用的主要采用的主要资料是硅料是硅1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征2目前电力电子器件专指电力半导体器件。处置置电功率的才干非常大，普通功率的才干非常大，普通远大于大于处置信息的置信息的电子子器件。器件。电力力电子器件普通都任子器件普通都任务在开关形状。在开关形状。电力力电子器件往往需求由信息子器件往往需求由信息电子子电路来控制和路来控制和驱动。电力力电子器件本身的功率子器件本身的功率损耗耗远大于信息大于信息电子器件，普子器件，普通都要安装散通都要安装散热器。器。3同处置信息的电子器件相比的特征：同处置信息的电子器件相比的特征：1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征3通通态损耗是器件功率耗是器件功率损耗的主要成因。耗的主要成因。器件开关器件开关频率率较高高时，开关，开关损耗能耗能够成成为器件功率器件功率损耗的主要要素。耗的主要要素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征4电力力电子系子系统：由控制：由控制电路、路、驱动电路和以路和以电力力电子器件子器件为中心的主中心的主电路路组成。成。图1-1 电力电子器件在实践运用中的系统组成维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转。1.1.2 运用电力电子器件的系统组成运用电力电子器件的系统组成检测电路控制电路驱动电路RL主电路V1V2电气隔离控制电路1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述5半控型器件半控型器件 经过控制信号可以控制其控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。通而不能控制其关断。如晶如晶闸管及其派生器件。管及其派生器件。全控型器件全控型器件 经过控制信号既可控制其控制信号既可控制其导通又可控制其关通又可控制其关 断，断，又称自关断器件。如又称自关断器件。如IGBT、Power MOSFET、GTO、BJT。不可控器件不可控器件 不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需求不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需求驱动电路。如路。如电力二极管。力二极管。1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照器件可以被控制按照器件可以被控制电路信号所控制的程度，可分路信号所控制的程度，可分为三三类：1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述6电流流驱动型型 经过从器件的控制端注入或者抽出从器件的控制端注入或者抽出电流来流来实现导通或者关断的控制，比如晶通或者关断的控制，比如晶闸管、管、GTOGTO、BJTBJT等。等。电压驱动型型 仅经过在器件的控制端和公共端之在器件的控制端和公共端之间施加一定施加一定的的电压信号就可信号就可实现导通或者关断的控制，比如通或者关断的控制，比如Power Power MOSFETMOSFET、IGBTIGBT等。等。 按照按照驱动电路信号的性路信号的性质，可分，可分为两两类：1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述7 按照器件内部按照器件内部电子和空穴两种子和空穴两种载流子参与流子参与导电的情况，可的情况，可分分为三三类：1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述单极型器件极型器件 由一种由一种载流子参与流子参与导电的器件，如的器件，如Power MOSFETPower MOSFET等。等。双极型器件双极型器件 由由电子和空穴两种子和空穴两种载流子参与流子参与导电的器件，如的器件，如电力二极管、晶力二极管、晶闸管、管、GTOGTO、BJTBJT等。等。复合型器件复合型器件 由由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件，极型器件和双极型器件集成混合而成的器件，如如IGBTIGBT等。等。81.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管力二极管(Power (Power Diode)Diode) Power Diode构造和原理简单，任务可靠，自20世纪50年代初期至今仍大量运用于许多电气设备中。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所，具有不可替代的位置。9硅整流二极管硅整流二极管根本构造和任务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结和两端引线封装组成的。1.2.1 PN结与电力二极管的任务原理结与电力二极管的任务原理图1-2 电力二极管的外形、构造和电气图形符号 a) 外形 b) 构造 c) 电气图形符号AKAKa)IKAPNJb)c)AK1.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管力二极管10 形状参数正导游通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大压降维持约1V反向大反向大阻态低阻态高阻态 PN结的形状1.2.1 PN结与电力二极管的任务原理结与电力二极管的任务原理1.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管力二极管PN结的单导游电性就是二极管的根本原理。11主要是指其伏安特性主要是指其伏安特性门槛电压UTO，正正向向电流流开开场明明显添添加加所所对应的的电压。电力力二二极极管管正正导游游通通后后，两两端端的的电压即即为其其正正向向电压降降UF ，对应电流流为IF。接接受受反反向向电压时，只只需需微微小小而而数数值恒恒定定的的反反向向漏漏电流。流。1) 静静态特性特性图1-4 电力二极管的伏安特性IOIFUTOUFU1.2.2 电力二极管的根本特性电力二极管的根本特性1.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管力二极管12 PN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。 CJ按其产活力制和作用的差别分为势垒电容CB和分散电容CD。1.2.2 电力二极管的根本特性电力二极管的根本特性1.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管力二极管2) 动态特性特性 由于结电容的存在，电力二极管在通态与断态之间转换时，需阅历一个过渡过程。 在此过渡过程中，其电压-电流特性随时间而变化，这就是电力二极管的动态特性，且专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。13a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图1-5 电力二极管的动态过程波形 a) 通态转换为断态1.2.2 电力二极管的根本特性电力二极管的根本特性1.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管力二极管设tF时辰外加电压忽然由正向变为反向：正向电流开场下降，管压降根本不变，直到正向电流变为零的时辰t0。由于PN结两侧储存有大量少子，在外加反向电压的作用下，构成较大的反向电流IRP ，PN结没有反向阻断才干 ，管压降不变。当大量少子被抽尽时，管压降变为负极性，只能抽取离空间电荷区较远的少子。在t1时辰反向电流开场下降，空间电荷区变宽，恢复其阻断才干。由于t1时辰后反向电流迅速下降，在外电感作用下出现反向电压过冲URP。当电流变化率接近零时的t2时辰，二极管才接受外加的反向电压UR。14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。1.2.2 电力二极管的根本特性电力二极管的根本特性1.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管力二极管a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt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 关断关断过程程须经过一一段段短短暂的的时间才才干干重重新新获得得反反向向阻阻断断才才干干，进入入截截止形状。止形状。关关断断之之前前有有较大大的的反反向向电流流出出现，并并伴伴随随有有明明显的的反反向向电压过冲。冲。15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，这是电导调制效应的作用。正向恢复时间tfr。电流上升率越大，UFP越高 。UFPuiiFuFtfrt02V图1-5(b)开经过程 开开经过程：程：1.2.2 电力二极管的根本特性电力二极管的根本特性1.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管力二极管16即即额定定电流流，指指电力力二二极极管管长期期运运转时，在在指指定定的的管管壳壳温温度度和和散散热条条件件下下，其其允允许流流过的的最最大大工工频正正弦弦半半波波电流流的平均的平均值。1) 正向平均正向平均电流流IF(AV)1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管力二极管2正向正向压降降UF在指定温度下，流在指定温度下，流过某一指定的某一指定的稳态正向正向电流流时对应的正向的正向压降。降。3反向反复峰反向反复峰值电压URRM是指对电力二极管所能反复施加的反向最顶峰值电压。运用时，该当留有两倍的裕量。4反向恢复反向恢复时间trrtrr= td+ tf5最高任最高任务结温温TJM是指在是指在PN结不致不致损坏的前提下所能接受的最高平均温度。坏的前提下所能接受的最高平均温度。TJM在在125175C范范围之内。之内。171) 普通二极管普通二极管General Purpose Diode又称整流二极管又称整流二极管Rectifier Diode。多用于开关多用于开关频率不高率不高1kHz以下的整流以下的整流电路。路。其反向恢复其反向恢复时间较长，普通在，普通在5s以上。以上。正正向向电流流定定额和和反反向向电压定定额可可以以到到达达很很高高，分分别为数数千千安和数千伏以上。安和数千伏以上。 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，引见几种常用管子。1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型1.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管力二极管2) 快恢复二极管快恢复二极管Fast Recovery DiodeFRD反向恢复过程很短普通在5s以下，简称快速二极管。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，后者那么在100ns以下，甚至到达2030ns。18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，其开关损耗和通态损耗都比快恢复二极管还小。缺陷：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，且必需严厉地限制其任务温度。3肖特基二极管肖特基二极管 以以金金属属和和半半导体体接接触触构构成成的的势垒为根根底底的的二二极极管管称称为肖肖特特基基势垒二极管二极管Schottky Barrier Diode SBD。1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型1.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管力二极管19预习第一章第三节预习第一章第三节思索题：思索题：1、使晶闸管导通的条件是什么？、使晶闸管导通的条件是什么？2、晶闸管的静态特性是什么？、晶闸管的静态特性是什么？3、晶闸管的主要参数有哪些？、晶闸管的主要参数有哪些？