电力电子器件概述 (2)
第2章 电力电子器件概述 习题答案
第2章 电力电子器件概述 习题第1部分：填空题1. 电力电子器件是直接用于（主）电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。
2. 主电路是在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。
3.处理信息的电子器件一般工作于放大状态，而电力电子器件一般工作在（开关）状态。
4. 电力电子器件组成的系统，一般由（控制电路）、（驱动电路）、（保护电路）、（主电路）四部分组成。
5. 按照器件能够被控制的程度，电力电子器件可分为以下三类：（半控型）、（全控型） 和（不控型）。
6．按照驱动电路信号的性质，电力电子器件可分为以下分为两类：（电流驱动型） 和（电压驱动型）7. 电力二极管的主要类型有（普通二极管）、（ 快恢复二极管）、（肖特基二极管）。
8. 普通二极管又称整流二极管多用于开关频率不高,一般为（1K ）Hz 以下的整流电路。
其反向恢复时间较长，一般在(5us)以上。
9.快恢复二极管简称快速二极管，其反向恢复时间较短，一般在(5us)以下。
10.晶闸管的基本工作特性可概括为：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；承受正向电压时，仅在（门极有触发电流）情况下，晶闸管才能导通；晶闸管一旦导通，（门极）就失去控制作用。
要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流（降到接近于零的某一数值以下）。
11.晶闸管的派生器件有：（快速晶闸管）、（双向晶闸管）、（逆导晶闸管）、（光控晶闸管）。
12. 普通晶闸管关断时间（一般为数百微秒），快速晶闸管（一般为数十微秒），高频晶闸管（10us ）左右。
高频晶闸管的不足在于其（电压和电流定额）不易提高。
13.（双向晶闸管）可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。
14.逆导晶闸管是将（晶闸管）反并联一个（二极管）制作在同一管芯上的功率集成器件。
15. 光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用（一定波长的光照信号）触发导通的晶闸管。
光触发保证了主电路与控制电路之间的（绝缘），且可避免电磁干扰的影响。
电力电子器件概述
5. 反向恢复时间trr 6. 浪涌电流IFSM
1.2.4 主要类型
1. 普通二极管——又称整流二极管 1KHZ以下 数千安和数千伏以上
2. 快恢复二极管 5μs以下 3. 肖特二极管
1.3 半控型器件——晶闸管(SCR)
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
Id
1
2
3
Im
sin td
t
3
4
Im
0.24Im
I
1
2
Im
sin t
2
d
t
0.46Im
3
Kf
I Id
0.46 0.24
1.92
IT ( AV )
100 2
50
Id
1.57 50 1.92
41 A
Im
Id 0.24
41 0.24
171
A
⑵ 维持电流IH 使晶闸管维持通态所必需的最小主电流。 ⑶ 擎住电流IL ⑷ 浪涌电流ITSM
4. 光控晶闸管LTT
⑴又称光触发晶闸 管，是利用一定 波长的光照信号 触发导通的晶闸 管。
⑵光触发保证了主 电路与控制电路 之间的绝缘，且 可避免电磁干扰 的影响。
⑶在高压大功率的 场合占有重要地位。
1.4 典型全控型器件
门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。 20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。
不可控器件：电力二极管
半控型器件：晶闸管及其派生器件 全控型器件：功率场效应管、绝缘栅双极性晶体管、
门极可关断晶闸管
⑵ 按照控制信号性质可分为： 电流控制型 电压控制型：控制功率小
电力电子技术第二章总结
2016电力电子技术作业：第二章总结班级：XXXXXX学号：XXXXXXX姓名：XXXXXX第二章电力电子器件总结1.概述不可控器件——电力二极管(Power Diode) GPD FRD SBD半控型器件——晶闸管(Thyristor) FST TRIAC LTT典型全控型器件GTO GTR MOSFET IGBT其他新型电力电子器件MCT SIT SITH IGCT功率集成电路与集成电力电子模块HVIC SPIC IPM1.1相关概念主电路(Main Power Circuit):在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｡电力电子器件(Power Electronic Device)是指可直接用于处理电能的主电路中,实现电能的变换或控制的电子器件｡1.2特点电功率大,一般都远大于处理信息的电子器件｡一般都工作在开关状态｡由信息电子电路来控制,而且需要驱动电路(主要对控制信号进行放大)｡功率损耗大,工作时一般都需要安装散热器｡通态损耗,断态损耗,开关损耗(开通损耗关断损耗) 开关频率较高时,可能成为器件功率损耗的主要因素｡电力电子器件在实际应用中的系统组成一般是由控制电路､驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统｡关键词电力电子系统电气隔离检测电路保护电路三个端子1.3电力电子器件的分类按能够被控制电路信号控制的程度不同可分为半控型器件(开通可控,关断不可控) 全控型器件(开通,关断都可控) 不可控器件(开通,关断都不可控)按照驱动信号的性质不同可分为电流驱动型电压驱动型按照驱动信号的波形(电力二极管除外)不同可分为脉冲触发型电平控制型按照载流子参与导电的情况不同可分为单极型器件(由一种载流子参与导电) 双极型器件(由电子和空穴两种载流子参与导电)复合型器件(由单极型器件和双极型器件集成混合而成,也称混合型器件) 关键词控制的程度驱动信号的性质､波形载流子参与导电的情况工作原理基本特性主要参数2不可控器件——电力二极管(Power Diode)2.1结构与工作原理电力二极管实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的｡PN节(PN junction):采用不同的掺杂工艺,通过扩散作用,将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体(通常是硅或锗)基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结｡N型半导体(N为Negative的字头,由于电子带负电荷而得此名):即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体｡P型半导体(P为Positive的字头,由于空穴带正电而得此名):即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体｡正向电流IF :当PN结外加正向电压(正向偏置)时,在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流｡反向截止状态:当PN结外加反向电压时(反向偏置)时,反向偏置的PN结表现为高阻态,几乎没有电流流过的状态｡反向击穿:PN结具有一定的反向耐压能力,但当施加的反向电压过大,反向电流将会急剧增大,破坏PN 结反向偏置为截止的工作状态｡雪崩击穿齐纳击穿(可以恢复) 热击穿(不可恢复)P-i-N结构电导调制效应(Conductivity Modulation):当正向电流较小时,管压降随正向电流的上升而增加;当正向电流较大时,电阻率明显下降,电导率大大增加的现象｡关键词少子扩散运动空间电荷区(耗尽层､阻挡区､势垒区)结电容C J:PN结中的电荷量随外加电压而变化,呈现电容效应｡(微分电容)扩散电容C D:扩散电容仅在正向偏置时起作用｡正向电压较高时,扩散电容为结电容主要成分｡势垒电容C B:势垒电容只在外加电压变化时才起作用,外加电压频率越高,势垒电容作用越明显｡在正向偏置时,当正向电压较低时,势垒电容为主｡作用:结电容影响PN结的工作频率,特别是在高速开关的状态下,可能使其单向导电性变差,甚至不能工作｡2.2基本特性静态特性(伏安特性)门槛电压U TO 正向电压降U F反向漏电流是由少子引起的微小而数值定｡动态特性结电容零偏置,正向偏置,反向偏置不能立即转换状态过渡过程正向偏置时延迟时间:t d=t1-t0电流下降时间:t f = t2 - t1反向恢复时间:t rr= t d + t f恢复特性的软度:S r= t f / t d,或称恢复系数,S r越大恢复特性越软｡由零偏置转换为正向偏置过冲U FP: 原因:1)电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存,在达到稳态导通之前管压降较大｡2)正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降｡电流上升率越大,UFP越高｡正向恢复时间:t fr2.3主要参数正向平均电流I F(AV) 正向压降U F反向重复峰值电压U RRM最高工作结温T JM反向恢复时间t rr浪涌电流I FSM2.4主要类型普通二极管(General Purpose Diode)快恢复二极管(Fast Recovery Diode,FRD)肖特基二极管(Schottky Barrier Diode, SBD)3半控型器件——晶闸管(Silicon Controlled Rectifier,SCR)3.1结构和工作原理内部是PNPN四层半导体结构如图a) P1 区引出阳极A､N2 区引出阴极K､P2 区引出门极G 工作原理可以用双晶体管模型解释如右图b)｡工作过程关键词: I G V2 I c2 I c1正反馈触发门触发电路其他几种可能导通的情况阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高光触发结温较高只有门极触发是最精确､迅速而可靠的控制手段｡3.2基本特性静态特性正常工作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,仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通｡晶闸管一旦导通,门极就失去控制作用,不论门极触发电流是否还存在,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｡伏安特性如右图所示包括正向特性和反向特性正向转折电压U bo维持电流I H反向最大瞬态电压U RSM反向重复峰值电压U RRM断态重复峰值电压U DRM断态最大瞬时电压U DSM动态特性如右图所示延迟时间t d (0.5~1.5μs)上升时间t r (0.5~3μs)开通时间t gt=t d+t r反向阻断恢复时间t rr正向阻断恢复时间t gr关断时间t q=t rr+t gr3.3主要参数(包括电压定额和电流定额)电压定额断态重复峰值电压U DRM反向重复峰值电压U RRM通态(峰值)电压U T通常取晶闸管的U DRM和U RRM中较小的标值作为该器件的额定电压｡选用时,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍｡电流定额通态平均电流I T(AV)维持电流I H擎住电流I L浪涌电流I TSM动态参数开通时间t gt和关断时间t q断态电压临界上升率d u/d t通态电流临界上升率d i/d t3.4晶闸管的派生器件快速晶闸管(Fast Switching Thyristor, FST)双向晶闸管(Triode AC Switch——TRIAC or Bidirectional Triode Thyristor) 逆导晶闸管(Reverse Conducting Thyristor, RCT)光控晶闸管(Light Triggered Thyristor, LTT)典型全控型器件4门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor, GTO)晶闸管的一种派生器件,但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断,因而属于全控型器件｡4.1结构与工作原理其结构原理可以参考晶闸管数十个甚至数百个小GTO单元4.2基本特性静态特性和普通晶闸管类似动态特性储存时间t s下降时间t f尾部时间t t4.3主要参数最大可关断阳极电流I ATO电流关断增益 off开通时间t on关断时间t off5电力晶体管(Giant Transistor, GTR)5.1结构和工作原理与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的｡最主要的特性是耐压高､电流大､开关特性好｡达林顿接法单元结构并联三层半导体两个PN结5.2基本特性右图所示静态特性右图所示动态特性右图所示5.3主要参数电流放大倍数 直流电流增益h FE集电极与发射极间漏电流I ceo 集电极和发射极间饱和压降U ces 开通时间t on 和关断时间t off 最高工作电压BU ceo :基极开路时集电极和发射极间的击穿电压实际使用GTR 时,为了确保安全,最高工作电压要比BU ceo 低得多｡ 集电极最大允许电流I cM 集电极最大耗散功率P cM6电力场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor FET, MOSFET) 6.1结构和工作原理6.3基本特性静态特性动态特性MOSFET 的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系,可以降低栅极驱动电路的内阻R s ,从而减小栅极回路的充放电时间常数,加快开关速度｡6.4主要参数跨导G fs ､开启电压U T 以及开关过程中的各时间参数｡漏极电压U DS漏极直流电流I D 和漏极脉冲电流幅值I DM 栅源电压U GS极间电容 C GS ､C GD 和C DS ｡N +GS DP 沟道b)N +N -S GD P P N +N +N +沟道a)GS DN 沟道图1-19漏源间的耐压､漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区｡7绝缘栅双极晶体管(Insulated-gate Bipolar Transistor, IGBT or IGT) 综合了GTR和MOSFET的优点场控器件7.1结构和工作原理内部结构图其开通和关断是由栅极和发射极间的电压U GE决定的｡7.2基本特性静态特性转移特性输出特性动态特性开通过程开通延迟时间t d(on)电流上升时间t r电压下降时间t fv开通时间t on= t d(on)+t r+t fvt fv分为t fv1和t fv2两段｡关断过程关断延迟时间t d(off)电压上升时间t rv电流下降时间t fi关断时间t off = t d(off) +t rv+t fit fi分为t fi1和t fi2两段7.3主要参数最大集射极间电压U CES最大集电极电流最大集电极功耗P CM8其他新型电力电子器件MOS控制晶闸管MCT静电感应晶体管SIT静电感应晶闸管SITH集成门极换流晶闸管IGCT基于宽禁带半导体材料的电力电子器件。
第1章 电力电子器件概述(第一部分)(2)
1.1.2 应用电力电子器件的系统组成
1.1.3 电力电子器件的分类 1.1.4 本章内容和学习要点
华东理工大学
1-3
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件
1）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）
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
V1 L R
V2
主电路
电气隔离 图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
华东理工大学
1-7
注重对器件的保护：通常采用吸收（缓冲） 保护电路（ Snubber ）来限制器件的 du/dt 和di/dt，减小由于大电流跃变在引线（寄 生）电感上形成的反电势尖峰，以防器件 过压击穿。 需要驱动与隔离：强、弱电系统之间电气 隔离，不共地，消除相互影响，减小干扰， 提高可靠性。
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。
华东理工大学
1-6
1.1.2 应用电力电子器件系统组成
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。 在主电路
控 制 控制电路 电 路 检测 电路 保护 电路 驱动 电路
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。 在工频正弦半波的情况下：
平均值 IF(AV) 有效值 1.57 IF(AV)
电子行业电力电子器件综合概述
电子行业电力电子器件综合概述1. 引言电力电子器件是电子行业中的重要组成部分，用于控制和转换电能。
随着电力需求的不断增长，电力电子器件的应用范围也在不断扩大。
本文将对电力电子器件进行综合概述，包括其定义、分类、应用以及未来发展趋势等内容。
2. 电力电子器件的定义电力电子器件是指用于控制和转换电能的电子元件。
它可以将交流电转换为直流电，也可以将电能转换成其他形式，如机械能、光能等。
电力电子器件具有变流、变压、变频等功能，广泛应用于电力系统、工业控制、交通运输等领域。
3. 电力电子器件的分类电力电子器件根据其功能和工作原理的不同，可以分为以下几类：3.1 整流器整流器是一种将交流电转换为直流电的电力电子器件。
它使用半导体器件（如二极管、晶闸管等）将交流电的负半周或正半周去除，使输出电流呈现单向流动的特点。
整流器广泛应用于电力系统、工业设备以及电子产品中。
3.2 逆变器逆变器是一种将直流电转换为交流电的电力电子器件。
它通过控制半导体开关器件（如晶闸管、IGBT等）的开关状态，使直流电通过电路产生交流电输出。
逆变器广泛应用于可再生能源发电系统、电动车充电桩、家用电器等领域。
3.3 变频器变频器是一种可控制交流电频率的电力电子器件。
它通过调节半导体开关器件的开关频率，可以实现对交流电输出频率的调节。
变频器广泛应用于交通运输、工业生产等领域，如交流电机调速控制、电动车驱动系统等。
3.4 开关电源开关电源是一种通过开关器件在输入端和输出端之间进行快速切换来实现电能转换的电力电子器件。
开关电源具有高效率、小体积、稳定性好的特点，广泛应用于电子产品、通信设备等领域。
4. 电力电子器件的应用电力电子器件在电力系统、工业生产、交通运输、家用电器等领域都有广泛的应用。
在电力系统中，电力电子器件被用作电网稳定器、无功补偿装置、电力质量调节器等，提高电力系统的稳定性和效率。
在工业生产中，电力电子器件被用于电机调速、电力负荷控制、短路电流限制等，提高生产效率和质量。
电力电子器件的概念和特征同处理信...
导通时（通态）阻抗很小，接近于短路， 管压降接近于零，而电流由外电路决定
阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电 流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定
2008-5-14
作电路分析时，为简单起见往
上海电往力学用院理电子想技术开教关研室来代替
2
《电力电子技术》第1章 电力电子器件 1.1 电力电子器件概述
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
二.晶闸管工作原理：
？
Ic1=α1 IA + ICBO1 Ic2=α2 IK + ICBO2
IK=IA+IG
IA=Ic1+Ic2
（1-1） （1-2）
G
（1-3） （1-4）
A
P1
N1
N1
P2
P2
N2
K
A
IA
PNP
V1
G IG
Ic1
Ic2
R
NPN V2
S
EG
IK
EA
上海电力学院 电子技术教研室
15
《电力电子技术》第1章 电力电子器件 1.2 不可控器件——电力二极管
1.2.4 电力二极管的主要类型
1. 普通二极管（General Purpose Diode） 频率不高容量大
又称整流二极管（Rectifier Diode）
多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中 其反向恢复时间较长，一般在5µs以上，
3. 反向重复峰值电压URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压
2008-5-14
上海电力学院 电子技术教研室
14
《电力电子技术》第1章 电力电子器件 1.2 不可控器件——电力二极管
电力电子器件概述PPT
2.3 半控型器件—晶闸管·引言
晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整 流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）
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。
增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋
近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。
2.3.1 晶闸管的结构与工作原理
其他几种可能导通的情况：
阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光触发
光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电 力设备中，称为光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT）。
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125~175C续一个或几个工频 周期的过电流。
2.2.4 电力二极管的主要类型
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。
2 I G I CBO1 I CBO2
IA
1 ( 1 2 )
（2-10）
在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来
之后， 迅速增大。(形成强烈正反馈，维持器件自锁导通
，不再需要触发电流)
阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于
两个晶体管漏电流之和。
电力电子器件
电力电子器件第二堂课是电力电子器件和功率二极管的概述。
2.1电力电子设备概述2.1.1电力电子的概念主电源电路——在电气设备或电力系统中直接承担转换或控制电能任务的电路。
电力电子设备——一种可直接用于主电路处理电能并实现电能转换或控制的电子设备。
广义地说，功率电子器件可以分为两类:电子器件和半导体器件。
电动真空装置:自XXXX时代以来，真空阀仅用于高功率、高频率的高频电源(如微波)，而功率半导体器件已取代汞弧整流器、闸流管等电动真空装置成为绝对主力。
因此，功率电子器件也经常被称为功率半导体器件。
硅仍然是功率半导体器件中使用的主要材料。
2.1.2电力电子设备的特性与处理信息的电子设备相比，电力电子设备的一般特征是:1)可处理的电量，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数。
它处理电力的能力小到毫瓦级，大到兆瓦级，大多比处理信息的电子设备大得多。
2)电力电子设备通常工作在开关状态导通时，阻抗(导通状态)非常小，接近短路，管上的电压接近零，电流由外部电路决定。
阻塞时，[关态]阻抗非常大，接近开路，电流几乎为零，管上的电压由外部电路决定。
电力电子器件的动态特性(即开关特性)和参数也是电力电子器件特性的非常重要的方面，有时甚至上升到第一个重要问题。
在电路分析中，理想的开关经常被用来代替电力电子设备。
为了简单起见，电力电子设备通常由信息电子电路控制。
在主电路和控制电路之间，需要一个中间电路来放大控制电路的信号，控制电路是电力电子装置的驱动电路。
4)为了确保装置不会因散热引起的温度过高而损坏，不仅在装置中封装注重散热设计，散热器通常在工作时安装。
导通时，器件上有一定的导通压降，形成导通损耗。
在阻塞期间，小漏电流流过器件，形成关断状态损耗。
在器件导通或关断的切换过程中，会产生导通损耗和关断损耗，统称为开关损耗。
对于某些设备，驱动电路注入的功率也是设备发热的原因之一。
通常，电力电子器件的漏电流很小，因此导通损耗是器件功耗的主要原因当器件的开关频率较高时，开关损耗会增加，并可能成为器件功率损耗的主要因素。
电力系统中常用电力电子器件
全控型器件（IGBT,MOSFET)
——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。
不可控器件(Power Diode)
——不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动 电路。
6
电力电子器件的分类
按照驱动电路信号的性质，分为两类：
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。
式中 1 和 2 分别是晶体管 V1 和 V2 的 共基极电流增益； ICBO1 和 ICBO2 分别 是 V1 和 V2 的共基极漏电流。由以上 式可得 ：
IA
2 I G I CBO1 I CBO2
1 ( 1 2 )
图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理
有效值相等：工作中实际波形的电流与正向平均电 流所造成的发热效应相等。
15
电力二极管的主要参数
2）正向压降UF
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（按照电路中电力二极管可能 承受的反向最高峰值电压的两倍来选定）。
12
电力二极管的基本特性
2) 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
F
diF dt td tF t0
trr t1
UF
tf t2 UR t
diR dt IRP U a) RP iF
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
电压驱动型
2.电力电子器件 (2) - 半控型器件
+
_
IG2 IG1 IG0
U DRM U BO U 正向转折电压 正向特性
IG2 >IG1 >IG0
o
反向转折电压
U
_ +
反向特性
17
武汉科技大学信息科学与工程学院
电力电子器件
电 力 电 子 技 术
2.3.2 晶闸管的基本特性
(Power Electronics)
晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极 流出。 阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端。 门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极 之间施加触发电压而产生的。
武汉科技大学信息科学与工程学院
电力电子器件
电 力 电 子 技 术
2014-2-28
2.3.1 晶闸管的结构与工作原理
(Power Electronics)
5
1、晶闸管的结构
具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。
外形有螺栓型和平板型两种封装。
有三个联接端。
螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧
电压或正向脉冲(正向触发电压)。EG>0 晶闸管导通后，控制极便失去作用。 依靠正反
馈，晶闸管仍可维持导通状态。
14
武汉科技大学信息科学与工程学院
电力电子器件
(Power Electronics) 电 力 电 子 技 术
2014-2-28
晶闸管关断的条件：
1. 必须使可控硅阳极电流减小,直
到正反馈效应不能维持。
7
2014-2-28
电 力 电 子 技 术
2、晶闸管的其它封装形式： 还有塑封和模块式两种封装。
武汉科技大学信息科学与工程学院
电力电子技术_洪乃刚_第二章电力电子器件
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2、晶闸管的电流参数 通态平均电流和额定电流 通态平均电流IAV国际规 定是在环境温度为40°C和在规定冷却条件下，稳定结 温不超过额定结温时，晶闸管允许流过的最大正弦半 波电流的平均值。晶闸管以通态平均电流标定为额定 电流。 当通过晶闸管的电流不是正弦半波时，选择额定 电流就需要将实际通过晶闸管电流的有效值IT折算为 正弦半波电流的平均值，其折算过程如下： 通过晶闸管正弦半波电流的平均值 ：
晶闸管开通和关断过程
晶闸管在受反向电压关断时，反向阻断恢复时间 trr，正向电压阻断能力恢复的这段时间称为正向阻断 恢复时间tgr，晶闸管的关断时间toff=trr+tgr，约为 数百微秒。 （2）dv/dt和di/dt限制 晶闸管在断态时，如果加在阳极上的正向电压上 升率dv/dt很大会使晶闸管误导通，因此，对晶闸管正 向电压的dv/dt需要作一定的限制。 晶闸管在导通过程中，如果电流上升率di/dt很 大 会引起局部结面过热使晶闸管烧坏，因此，在晶闸 管导通过程中对di/dt也要有一定的限制。
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二、电力二极管的伏安特性
当施加在二极管上的正向电压大于UTO 时， 二极管导通。当二极管受反向电压时，二极管仅 有很小的反向漏电流（也称反向饱和电流）。
二极管的伏安特性
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三、电力二极管的主要参数
A、额定电压 B、额定电流 C、结温
电力二极管实物图
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A、电力二极管的额定电压 反向重复峰值电压和额定电压： 额定电压即是能够反复施加在二极管上，二极 管不会被击穿的最高反向重复峰值电压URRM，该电压 一般是击穿电压UB的2/3。在使用中额定电压一般取 二极管在电路中可能承受的最高反向电压（在交流 电路中是交流电压峰值），并增加一定的安全裕量。
电力电子技术2122资料讲解
当原来处于正向导通的电力二极管外加电 压在tF时刻突然从正向变为反向时，正向 电流IF开始下降，下降速率由反向电压和 电路中的电感决定，而管压降由于电导调 制效应基本变化不大。到t0时刻正向电流 降为零，此时器件并没有恢复反向阻断能
力，而是在外加反向电压作用下形成较大 的反向电流。直到t1时刻反向电流IRP（由 URP产生的）达到最大值后，才开始恢复 反向阻断，反向恢复电流迅速减小。到了 t2时刻，电流变化率接近于零，管子两端 的反向电压才降到外加反向电压UR，二极 管完全恢复反向阻断能力。
3） 在实际应用中，电力电子器件与理想开关模型有较大的差别， 即器件在工作时会产生很大的功率损耗。
3 应用电力电子器件的系统组成
从宏观角度来说，电力电子电路也称为电力电子系统，是由 控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成的一 个系统。如下图所示。
广义上，人们往往将主电路以外的其他电路都归为控制电路， 所以，也可以说，电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。
6）电气隔离：将主电路和控制电路等进行安全隔离，而 通过光、磁等来传递信号。
因为主电路中电流和电压较大，而控制电路中的元 器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制 电路连接的路径上需要进行电气隔离。例如：驱动电路 与主电路的连接处、与控制信号的连接处，主电路与检 测电路的连接处。
4 电力电子器件的分类
控
检测 电路
制 保护
电
电路
驱动
路
电路
V1 LR
V2 主电路
1）主电路：进行电能的变换和控制的电路。 特 点：电路中的电流和电压一般都较大。
2）控制电路：按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路 去控制主电路中电力电子器件的导通或关断，来完成整个系统的 功能。 特 点：电路中的电流和电压较小。
电力电子器件
晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管则为10s左右。
◆高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。
◆由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的 通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。
2.3.4 晶闸管的派生器件
I
■双向晶闸管（Triode AC
2.3.3 晶闸管的主要参数
■电压定额 ◆断态重复峰值电压UDRM ☞是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器 件上的正向峰值电压。 ☞国标规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值 电压（即断态最大瞬时电压）UDSM的90%。 ☞断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo。 ◆反向重复峰值电压URRM ☞是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器 件上的反向峰值电压。 ☞规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压 （即反向最大瞬态电压）URSM的90%。 ☞反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。
电子器件
2.6 功率集成电路与集成电力电子模块
■基本概念 ◆ 20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多
个器件封装在一个模块中，称为功率模块。 ◆可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。 ◆对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，
从而简化对保护和缓冲电路的要求。 ◆将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自
时间短、高温特性好、额 定结温高等优点，可用于 不需要阻断反向电压的电 路中。
K G
A
I O
IG=0 U
a)
b)
图2-12 逆导晶闸管的电气图形符号 和伏安特性
a) 电气图形符号 b) 伏安特性
2.3.4 晶闸管的派生器件
■光控晶闸管（Light
例题汇总-电力电子
第二章 电力电子器件概述例1：单相正弦交流电源，其电压有效值为220V ,晶闸管和电阻串联，试计算晶闸管实际承受的正、反向电压最大值是多少？考虑2倍安全裕量，额定电压怎么取？答：晶闸管所承受的正、反向电压最大值为输入正弦交流电源电压的峰值：2202= 311V ；考虑2倍安全裕量，则晶闸管额定电压不低于2×311=622V ，可取为700V 。
例2：型号为KP100-3的晶闸管，维持电流I H =4mA 的晶闸管，使用如图所示电路，是否合理，为什么?(暂不考虑电压电流裕量)（5分）aR u 1i d解： (a)因为H A I mA K VI <=Ω=250100，所以不合理。
(b)A VI A 2010200=Ω=, KP100的电流额定值为100Ａ，合理。
(c)A VI A 1501150=Ω=，大于额定值，所以不合理。
例2：如图所示电路中，E=50V ，R=0.5欧姆，L=0.5H ，晶闸管的擎住电流为15mA ，要使晶闸管导通，门极触发电流脉冲宽度至少应为多少？ 解： 当门极有触发信号时，则导通，回路方程为：E Ri dtdiL =+(一阶线性非齐次方程) 采用常数变量法来求解，设t LR dt LR et u et u i--=⎰=)()(最后解得)1(t LRe REi --=当i>i L 时，门极触发电流可以撤销，即015.0)1(≥-=-t L Re REi ，代入参数值，最后可得s t μ150≥例3：实线部分表示流过晶闸管的电流波形，其最大值为Im ，试求晶闸管的电流平均值Id ，有效值I T ，及波形系Kf 。
若选用100A 的晶闸管，不考虑安全余量，晶闸管能承受的平均电流是多少？解：m m dTI t td I I πωωπππ23)(sin 13==⎰ ⎰=ππωωπ32)()sin (1t d t I I m T = m mI I 63.08331≈+π26.1)(==AV T T f I I K 则有： 10057.126.1⨯=⨯dT I , A I dT 6.124=第三章 整流电路1、单相半波可控整流电路对电阻性负载供电，已知U 2=220V,要求输出直流平均电压U d =80V,平均电流I d =50A ，试计算晶闸管的控制角α，导通角θ各为何值?并选用晶闸管。
1-2-电力电子主要器件特点
主要电力电子器件特点◆不可控器件——电力二极管PD◆电流驱动型器件(SCR、GTO、GTR)◆电压驱动型器件（POWER MOSFET、IGBT）（）电力二极管（P Di d ）I（一）电力二极管（Power Diode）I F◆二极管的基本原理——PN结的单向导电性功率提高：结构、P-i-NO U TO U FU◆PN 结的电容效应，结电容C J 影响PN 结的工作频率势垒电容C B 和扩散电容C D◆正向电压降U 和反向漏电流I Fd i F F U Ft t t rrt dt ft t td t◆通流能力强---电导调制效应F 012U Rd i R d t ◆存在较大反向电流和反向电压过冲a)U RPI R P ◆正向导通需要正向恢复时间t fr（二）电流驱动型器件特点：都是三个联接端，2个功率端，1个控制端◆晶闸管—半控型器件，开通时刻可控◆门极可关断晶闸管GTO☞晶闸管的一种派生器件，在门极施加负的脉冲电流使其关断小☞电流关断增益βoff◆电力晶体管（Giant Transistor——GTR）☞与普通的双极结型晶体管基本原理样与普通的双极结型晶体管基本原理一样☞最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好（三）电力MOSFET（绝缘栅型MOS）栅极来控制漏极特点◆电压来控制电流，它的特点：☞驱动电路简单，需要的驱动功率小。
☞开关速度快，工作频率高。
☞电流容量小，耐压低，多用于功率不超过10kW的电力电子装置。
◆按导电沟道可分为沟道和沟道P N沟道。
☞当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型。
对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导☞）沟道器件栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为增强型。
☞在电力MOSFET中，主要是N沟道增强型。
中主要是☞输出特性截止区（GTR的截止区）饱和区（GTR的放大区）非饱和区（GTR的饱和区）饱和----漏源电压增加时漏极电流不再增加，非饱和指漏源电压增加时----漏极电流相应增加。
《电力电子技术》西安交通大学王兆安第五版第2章电力电子器件 (2)
2.1.3 电力电子器件的分类
■按照载流子参与导电的情况 ◆单极型器件 ☞由一种载流子参与导电。 ◆双极型器件 ☞由电子和空穴两种载流子参与导电。 ◆复合型器件 ☞由单极型器件和双极型器件集成混合而成， 也称混合型器件。
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2.1.4 本章内容和学习要点
■本章内容 ◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其 它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作 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。
■正向压降UF ◆指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正 向电流时对应的正向压降。
■反向重复峰值电压URRM ◆指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。
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2.2.3 电力二极管的主要参数
■最高工作结温TJM ◆结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 ◆最高工作结温是指在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125～175C范围之内。
图2-5 电力二极管的伏安特性
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2.2.2 电力二极管的基本特性
IF
UF
d iF
dt
trr
td
tf
t1:反向电 流达最大 值的时刻
tF t0
t0:正向 电流降 为零的 时刻
u i U
FP
t1 t 2
UR
t
d iR
dt
IR UPRP a)
i
F
t2:电流变 化率接近 于零的时 刻
u
2V
F
0
b)
■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。 ◆了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。 ◆了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。
电力电子复习资料
电⼒电⼦复习资料第⼀章概述可以认为，所谓电⼒电⼦技术就是应⽤于电⼒领域的电⼦技术。
电⼦技术包括信息电⼦技术和电⼒电⼦技术两⼤分⽀。
通常所说的模拟电⼦技术和数字电⼦技术都属于信息电⼦技术。
具体地说，电⼒电⼦技术就是使⽤电⼒电⼦器件对电能进⾏变换和控制的技术。
电能变换的形式共有四种：交流-直流变换、直流-直流变换、直流-交流变换、交流-交流变换。
电⼒电⼦器件的制造技术是电⼒电⼦技术的基础。
变流技术则是电⼒电⼦技术的核⼼。
美国学者W. Newell认为电⼒电⼦学是由电⼒学、电⼦学和控制理论三个学科交叉⽽形成的。
⼀般认为，电⼒电⼦技术的诞⽣是以1957年美国通⽤电⽓公司研制出第⼀个晶闸管为标志的。
把驱动、控制、保护电路和电⼒电⼦器件集成在⼀起，构成电⼒电⼦集成电路（PIC），这代表了电⼒电⼦技术发展的⼀个重要⽅向。
电⼒电⼦集成技术包括以PIC为代表的单⽚集成技术、混合集成技术以及系统集成技术。
随着全控型电⼒电⼦器件的不断进步，电⼒电⼦电路的⼯作频率也不断提⾼。
与此同时，软开关技术的应⽤在理论上可以使电⼒电⼦器件的开关损耗降为零，从⽽提⾼了电⼒电⼦装置的功率密度。
第⼆章电⼒电⼦器件2.1：电⼒电⼦器件概述1、电⼒电⼦器件（Power Electronic Device）是指可直接⽤于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电⼦器件。
电⼒电⼦器件⼀般⼯作在开关状态2、电⼒电⼦器件的功率损耗：通态损耗、断态损耗、开关损耗（开通损耗、关断损耗）通态损耗是电⼒电⼦器件功率损耗的主要成因。
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。
3、电⼒电⼦器件在实际应⽤中，⼀般是由控制电路、驱动电路和以电⼒电⼦器件为核⼼的主电路组成⼀个系统。
4、电⼒电⼦器件的分类（1）按照能够被控制电路信号所控制的程度：半控型器件、全控型器件、不可控器件。
半控型器件是指⽤控制信号可以控制其导通，但不能控制其关断的电⼒电⼦器件。
第二章电力电子器件
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2.1 电力电子器件概述
电力电子器件的使用特点 从使用角度出发，主要可从以下五个方面考察电力电子器件的性能特点。 (1)导通压降。电力电子器件工作在饱和导通状态时仍产生一定的管耗，管耗 与器件导通压降成正比。 (2)运行频率。受到开关损耗和系统控制分辨率的限制，器件的开关时间越短， 器件可运行的频率越高。 (3)器件容量。器件容量包括输出功率、电压及电流等级、功率损耗等参数。 (4)耐冲击能力。这主要是指器件短时间内承受过电流的能力。半控型器件的 耐冲击能力远高于全控型器件。 (5)可靠性。这主要是指器件防止误导通的能力。
普通二极管(Conventional Diode)又称整流二极管(Rectifier Diode)， 多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路中 2. 快速恢复二极管
恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短(一般在5ms以下)的二极管被称 为快速恢复二极管(Fast Recovery Diode，FRD)，简称快速二极管。 3. 肖特基势垒二极管
2.3 半控型器件—晶闸管及其派生器件
2. 晶闸管的工作原理 按图2.12所示电路 (1) 当晶闸管承受反向阳极电压时，不论门极承受何种电压，晶闸管都处
于关断状态。 (2) 当晶闸管承受正向阳极电压时，若门极不施加电压，晶闸管也处于关
断状态。即晶闸管具有正向阻断能力。 (3) 要使晶闸管由阻断变为导通，必须在晶闸管承受正向阳极电压时，同
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2.2 电力二极管
电力二极管的工作原理和基本特性
电力二极管的基本结构都是以半导体PN结为基础。电力二极管实际上是 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。图2.7所示为电力二极 管的外形、结构和电气图形符号。从外形上看，电力二极管主要有螺栓型和 平板型两种封装。
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制其关断。 全控型器件（IGBT,MOSFET)
——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。 不可控器件(Power Diode)
——不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不 需要驱动电路。
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2.1.3 电力电子器件的分类
从外形上看，主 要有螺栓型和平 板型两种封装。
A
K A
a)
K
A
K
PN
I J
b)
A
K
c)
图2-2 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
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半导体PN结
P型、N型半导体和PN结
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单向导电性
✓ 正向接法时内电场被削 弱，扩散运动强于漂移 运动，掺杂形成的多数 载流子导电，等效电阻 较小。
单极性 双极性 复合型
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2.1.4 本章学习内容与学习要点
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。
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2.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件
1）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。
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2.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件的损耗 通态损耗
主要损耗 断态损耗 开关损耗
开通损耗 关断损耗
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。
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2.1.2 应用电力电子器件系统组成
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路
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
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2.1.1 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：
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。
按照驱动电路信号的性质，分为两类：
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。
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。
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按照驱动电路加在电力电子器件控制端和 公共端之间信号的波形，分为两类：
脉冲触发型 电平控制型
按照器件内部载流子参与导电情况，分为 三类：
电子技术的基础
——— 电子器件：晶体管和集成电路
电力电子电路的基础
——— 电力电子器件
本章主要内容：
概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。 介绍常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主 要参数以及选择和使用中应注意问题。
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2.1 电力电子器件概述
2.1.1 电力电子器件的概念和特征 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类 2.1.4 本章内容和学习要点
第2章
电力电子器件
2.1 电力电子器件概述 2.2 不可控器件——二极管
2.3 半控型器件——晶闸管
2.4 典型全控型器件
2.5 其他新型电力电子器件
2.6 功率集成电路与集成电力电子模块
9.1电力电子器件的驱动
9.2电力电子器件的保护
9.3电力电子器件的串联和并联使用
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第2章 电力电子器件·引言
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2.2 不可控器件—电力二极管
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数 2.2.4 电力二极管的主要类型
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2.2 不可控器件—电力二极管·引言
➢ 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。
✓ 反向接法时内电场被增 强，漂移运动强于扩散 运动，光热激发形成的 少数载流子导电，等效 电阻很大。
半导体二极管的符号及正
反向接法
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2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结的状态
状态 参数
电流 电压 阻态
正向导通
正向大 维持1V 低阻态
反向截止
几乎为零 反向大 高阻态
反向击穿
反向大 反向大 ——
➢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。
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
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2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结的电容效应：
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，又称为微分电容。
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。 电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关 状态。
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A(P)
PN结高频等效电路
R C
K(N)
编辑ppt20Fra bibliotek2.2.2 电力二极管的基本特性
1) 静态特性
I
主要指其伏安特性
IF
门槛电压UTO，正向电流 IF开始明显增加所对应的 电压。
与IF对应的电力二极管两 端的电压即为其正向电 压降UF 。
承受反向电压时，只有 微小而数值恒定的反向 漏电流。
➢ 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。
整流二极管及模块
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电力二极管实物图
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2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
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。
和以电力电子器件为核心的主电路组成。
控
制
控制电路
电
检测 电路
保护 电路
V1 LR
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
驱动
路
电路
V2 主电路
电气隔离
图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
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2.1.3 电力电子器件的分类
按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：