天津科技大学电力电子第1章a
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电力电子课件第一章
2020/5/8
7
一、电力电子技术的定义
1、定义
电力电子技术：是电子技术的分支，是应用 于电力领域的电子技术，也就是使用电力电 子器件对电能进行变换和控制的技术。
为什么对电能的变换和控制： 需求所致，即公用电网 直接得到的交流电以及从蓄电池、干电池得到的直流 电不能够直接满足需求。
“电力电子技术是人的消耗和循环系统”
5、电力电子技术与电气工程间关系
电电电 连
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电电电
连
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连
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电电
连 连
电电电电
连 连
连 连连 连连
电电 电电
? 主要关系： 1） 通常把电力电子技术归属于电气工程学科 2） 电力电子技术电气工程学科中一个最为活跃的分支
电电电电
电电电电
电电电电
电电电电 电电电电
电电电电
2020/5/8
电气工程
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电电 电电
电力电子电路和电子电路
? 两者分析方法一致，仅应用目的不同(电力变换和控
制←→信息处理）。
? 广义而言，电子电路中的功放和功率输出也可算做
电力电子电路。
? 电力电子电路广泛用于电视机、计算机等电子装置 中，其电源部分都是电力电子电路。
2020/5/8
17
一、电力电子技术的定义
2、电力电子技术的分支 电力电子技术：电力电子器件制造技术
电力电子变流技术
电力电子器件制造技术： 基于半导体物理
663A/4.5kV IGCT
2020/5/8
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一、电力电子技术的定义
2、电力电子技术的分支 电力电子技术：电力电子器件制造技术
电力电子变流技术
天津科技大学电力电子第1章b
PGM：门极峰值功率 U FGM：门极正向峰值电压 U GT：门极触发电压 I GT：门极触发电流 D E
I G (A)
I FGM
K PG
PGM
F
I GT
AB
G L
C O
U GT
U FGM U G (V)
（3）晶闸管的开关特性
iA 100% 90% 10% O td uAK
tr
t
I RM
O
t
trr
• •
只有阳极和阴极两个端子 大功率的还带有光缆，光缆上装发光源
IA
A
强
光照强度
弱
U AK
G
O
K
[作业题] 图中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形， 求其电流平均值IdT和电流有效值IT。如果晶闸管的额定电 流为100A，不考虑安全裕量，允许流过以上波形的平均电 流是多少？
i Im
0
π
3
π
4π 3
(4) 额定电流IT(AV)——在环境温度为+40℃和规定冷却条件 下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频 正弦半波电流的平均值，也称通态平均电流。
i Im
I T(AV)
0
I T(AV) =
IT
π
2π ωt
该正弦半波电流的平均值和有效值分别为：
1 π I 1 π (I msin ωt )2 dωt = I m I m sin ωtdωt = m IT = π 2π 0 2π 0 2 IT π = ≈ 1.57 = K f ，Kf为波形系数。 I T(AV) 2
∫
∫
那么
实际应用中，用有效值相等原则选晶闸管的电流定额， 并留安全裕量。一般取计算值的1.5～2倍为额定电流。
I G (A)
I FGM
K PG
PGM
F
I GT
AB
G L
C O
U GT
U FGM U G (V)
（3）晶闸管的开关特性
iA 100% 90% 10% O td uAK
tr
t
I RM
O
t
trr
• •
只有阳极和阴极两个端子 大功率的还带有光缆，光缆上装发光源
IA
A
强
光照强度
弱
U AK
G
O
K
[作业题] 图中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形， 求其电流平均值IdT和电流有效值IT。如果晶闸管的额定电 流为100A，不考虑安全裕量，允许流过以上波形的平均电 流是多少？
i Im
0
π
3
π
4π 3
(4) 额定电流IT(AV)——在环境温度为+40℃和规定冷却条件 下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频 正弦半波电流的平均值，也称通态平均电流。
i Im
I T(AV)
0
I T(AV) =
IT
π
2π ωt
该正弦半波电流的平均值和有效值分别为：
1 π I 1 π (I msin ωt )2 dωt = I m I m sin ωtdωt = m IT = π 2π 0 2π 0 2 IT π = ≈ 1.57 = K f ，Kf为波形系数。 I T(AV) 2
∫
∫
那么
实际应用中，用有效值相等原则选晶闸管的电流定额， 并留安全裕量。一般取计算值的1.5～2倍为额定电流。
电力电子技术第一章
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。
2、正向压降UF
指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的 正向平均电压（又称管压降）。
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电力电子技术第一章
1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
3、反向重复峰值电压URRM
指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电 压）。此电压通常为击穿电压的2/3。使用中通常按照 电路中电力二极管可能承受的反向峰值电压的两倍来选 定此项参数。
图1-3 电力二极管的伏安特性
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电力电子技术第一章
1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
二、 动态特性 （开关特性）
电力二极管的电压-电流特性
是随时间变化的
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。
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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电力电子技术第一章
1.2 不可控器件—电力二极管
➢1.2.1 电力二极管的工作原理 ➢1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
一、电力二极管的伏安特性 二、电力二极管的开关特性 三、电力二极管的主要参数
Diode）常用于开关频率在1KHz以下的整流电路 中，其反向恢复时间在5μs以上，额定电流可 达数千安培，额定电压达数千伏以上。
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电力电子技术第一章
1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
②快恢复二极管
2、正向压降UF
指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的 正向平均电压（又称管压降）。
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电力电子技术第一章
1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
3、反向重复峰值电压URRM
指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电 压）。此电压通常为击穿电压的2/3。使用中通常按照 电路中电力二极管可能承受的反向峰值电压的两倍来选 定此项参数。
图1-3 电力二极管的伏安特性
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电力电子技术第一章
1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
二、 动态特性 （开关特性）
电力二极管的电压-电流特性
是随时间变化的
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。
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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电力电子技术第一章
1.2 不可控器件—电力二极管
➢1.2.1 电力二极管的工作原理 ➢1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
一、电力二极管的伏安特性 二、电力二极管的开关特性 三、电力二极管的主要参数
Diode）常用于开关频率在1KHz以下的整流电路 中，其反向恢复时间在5μs以上，额定电流可 达数千安培，额定电压达数千伏以上。
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电力电子技术第一章
1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
②快恢复二极管
电力电子技术课件-第1章 电力电子器件 200页
(1) 欲使晶闸管导通需具备两个条件：
① 应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电 压。
② 应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向 电压和电流。
(2) 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用， 故晶闸管为半控型器件。
(3) 为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小 到一定数值以下，这只有用使阳极电压减 小到零或反向的方法来实现。
(4) 擎住电流IL 晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号
之后，要器件维持通态所需要的最小阳极 电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住 电流IL约为维持电流IH的(2～4)倍。
(5) 门极触发电流IGT 在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶
(1) 额定电压
断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM 中较小的那个数值标作器件型号上的额定电压。 通常选用晶闸管时，电压选择应取(2～3)倍的安 全裕量。
(2) 额定电流IT(AV) 在环境温度为+40℃和规定冷却条件下，器件在
电阻性负载的单相工频正弦半波电路中,管子全导 通(导通角> 170°)，在稳定的额定结温时所允许 的最大通态平均电流。
功率二极管的开关特性
2. 功率二极管的主要参数
(1) 反向重复峰值电压URRM 取反向不重复峰值电压URSM的80％称为反 向重复峰值电压URRM，也被定义为二极管 的额定电压URR。显然，URRM小于二极管 的反向击穿电压URO。
(2) 额定电流IFR
二极管的额定电流IFR被定义为其额定发 热所允许的正弦半波电流平均值。其正向 导通流过额定电流时的电压降UFR一般为 1～2V。当二极管在规定的环境温度为 +40℃和散热条件下工作时，通过正弦半波 电流平均值IFR时，其管芯PN结温升不超过 允 电许流值为。若正弦电流的最大值为Im，则额定
第1章 电力电子绪论
R1
Vs Io
12V
R2 Vo
Rs Io R1
Vs
12V
Vo
+- Vs
R2 RL
(a)
(b)
(c)
等效电路如图（b）所示，输出特性
Vo
显然这个电源在没有电流输出时，其 3.3V
输出电压为3.3V；有电流输出时，其
输出电压为
IO为输出电流或负B 载电流。
o
i
1-1分压器、电压跟随器及输出特性
可以看出，随着电流增加输出电压线性下 降，当输出电流为12mA时，所设计的电源 输出电压为零。也就是说，这个电源对负 载变化没有调节能力。
v
(a) 切换电阻方式 直流电源
t
直流电压 M 直流电动机 控制
改善乘坐舒适感（连续调速） 节能（降低电阻损耗）
(b) 斩波电路方式 (c) 逆变电路方式
直流电源
半导体开关 （斩波电路）
v
t
直流电压
M
直流电动机
控制
免维护（无电刷） 小而轻（高速运转）
直流电源
频率变换电路 （逆变电路）
图1.1 电车的调速方式
基本分类
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：
1、双极型电力电子器件：是指器件内部电子 和空穴两种载流子都参与导电过程的半导体 器件,这类器件具有通态压降低、阻断电压高、 电流容量大等优点,适用于中大容量的变流装 置和电动机的驱动控制。
这类器件有巨型晶体管(GTR)、可关断晶闸 管(GTO)、静电感应晶闸管(SITH)等。
1.1.6 电力电子器件的种类
一般特征（与信息处理器件比较）表现在以 下几个方面：
电力电子技术第一章
–由若干功率开关器件与快速二极管组合而成
• 单片集成式模块
–功率器件、驱动、保护等电路集成于一个硅片
• 智能功率模块
–将具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片再与电力电子 器件集成
-10-
电力工程系
表1-1 电力电子器件
类型
名称
不可控器件 电力二极管(Power Diode)
半控型器件
晶闸管(Thyristor)
第1章 电力电子器件
1.1 电力电子器件概述 1.2 电力二极管 1.3 晶闸管及其派生器件 1.4 门极可关断晶闸管 1.5 电力晶体管 1.6 功率场效应晶体管 1.7 绝缘栅双极性晶体管
-1-
电力工程系
1.1 电力电子器件概述
1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 电力电子器件的基本类型 1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化 1.1.4 电力电子器件的应用领域
电流控
分
制器件
立 器 件
全 控 型
器 件
电压控 制器件
门极可关断晶闸管(GTO)
电力晶体管(GTR) 电力场效应晶体管(Power
MOSFET) 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)
MOS控制晶闸管(MCT)
集成门极换流晶闸管(IGCT)
集成模块
功率集成模块(PIC) -11-
出现时间 1955 1958 1964 1975 1975 1985 1992 1996
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
2. 特征 • 承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。 • 为了减小损耗、提高效率，工作在开关状态。 • 由信息电子电路来控制，并且需要驱动电路。 • 自身的功率损耗远大于微电子器件，一般需要安装散热器。
• 单片集成式模块
–功率器件、驱动、保护等电路集成于一个硅片
• 智能功率模块
–将具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片再与电力电子 器件集成
-10-
电力工程系
表1-1 电力电子器件
类型
名称
不可控器件 电力二极管(Power Diode)
半控型器件
晶闸管(Thyristor)
第1章 电力电子器件
1.1 电力电子器件概述 1.2 电力二极管 1.3 晶闸管及其派生器件 1.4 门极可关断晶闸管 1.5 电力晶体管 1.6 功率场效应晶体管 1.7 绝缘栅双极性晶体管
-1-
电力工程系
1.1 电力电子器件概述
1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 电力电子器件的基本类型 1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化 1.1.4 电力电子器件的应用领域
电流控
分
制器件
立 器 件
全 控 型
器 件
电压控 制器件
门极可关断晶闸管(GTO)
电力晶体管(GTR) 电力场效应晶体管(Power
MOSFET) 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)
MOS控制晶闸管(MCT)
集成门极换流晶闸管(IGCT)
集成模块
功率集成模块(PIC) -11-
出现时间 1955 1958 1964 1975 1975 1985 1992 1996
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
2. 特征 • 承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。 • 为了减小损耗、提高效率，工作在开关状态。 • 由信息电子电路来控制，并且需要驱动电路。 • 自身的功率损耗远大于微电子器件，一般需要安装散热器。
电力电子第1章
供给；电源电压负半周时，晶闸管关断，电流由续流电流维持，因此，负
载电流由两部分合成。
二、单相全控桥式相控整流电路 单相半波电路虽有线路简单、调整方便等优点，但只有半周工作， 直流波形差、整流变压器利用率低且存在直流成分的缺点，因此仅用于 要求不高的小功率场合。 （一）非正弦电路分析 从上面分析可见，整流电路输出的直流电压都是周期性有直流成分 的非正弦时间函数，不能像正弦量那样直接计算。但是任何周期性函数 都可依靠数学方法，用傅氏级数的形式分解成一系列不同频率的正弦或 余弦函数。
L，L为电路电感。t1时结内Q l电荷已被抽走，反向电流达最大
值IRM，在此以前二极管仍为正偏，t l时刻后管子开始恢复反向阻断，
反向恢复电流迅速减小，其d i
r r／d
t值较大，在电感L中产生较高电
动势，此电动势与电源电压叠加，使二极管承受很高的反向电压URM。
（2）开通特性当图a开关Ｓ从“２”突然倒向“１”时，必须先将原 先变厚的空间电荷释放，当正向电压上升到门槛电压UTO以上时，ＰＮ结
在交界面出现空间电荷区，形成由N区指向P区的内电场。内电场阻止多 子继续扩散同时又帮助少子向各自对方漂移，在一定温度下，扩散与漂 移达到动态平衡，空间电荷达到稳定值。
功率二极管的伏安特性，当外加正向电压大于ＵＴＯ（门槛电压）即 克服PN结内电场后管子才开始导通，正向导通后其压降基本不随电流变 化。反向工作时，当反向电压增大到UB（击穿电压），使PN结内电场达 到雪崩击穿强度时，反向漏电流ＩＲＲ剧增，导致二极管击穿损坏。 用于工频整流的功率二极管亦称整流管，国产型号为ＺP，主要参数
才会有正向电流流过，二极管的开通特性，在开通过程中，二极管两端会
出现几伏到几十伏的正向峰值电压Ｕf p,它比稳态的管压降大得多，且需要 经过开通时间（正向恢复）t
电力电子第1章
（4）电路拓扑技术和结构标准化加快了 新产品的开发步伐。
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电力电子第1章
绪论
交流电路是以电力半导体器件 为核心，通过不同电路的拓扑和控 制方法来实现对电能的转换和控制。 它的基本功能是使交流（AC）和直 流（DC）电能互相转换。它有以下 几种类型：
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电力电子第1章
绪论
（1）可控整流器AC/DC。把交流电压变换 成固定或可调的直流电压。
（2）有源逆变器DC/AC。把直流电压变换成 为频率固定或可调的交流电压。
（3）变频器AC/AC。把频率固定或变化的交 流电变换成频率可调或固定的交流电。
（4）直流斩波器DC/DC。把固定或变化的直 流电压变为可调或固定的直流电压。
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。
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电力电子第1章
1.1.1 晶闸管的结构
•G
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a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
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电力电子第1章
绪论
总之，由于电力半导体器件制 造技术的发展，主电路结构和控制 技术的开发，以及设备应用技术的 开发，使电力电子技术在大功率整 流、直流传动、交流传动、直流输 电、功率变换、晶闸管电源、电力 电子开关等方面的应用日益扩大。
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电力电子第1章
第1章 晶闸管概述
•IFGM
•D
•E
•K
•IGT
•A
•B
•C •0
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电力电子第1章
绪论
交流电路是以电力半导体器件 为核心，通过不同电路的拓扑和控 制方法来实现对电能的转换和控制。 它的基本功能是使交流（AC）和直 流（DC）电能互相转换。它有以下 几种类型：
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电力电子第1章
绪论
（1）可控整流器AC/DC。把交流电压变换 成固定或可调的直流电压。
（2）有源逆变器DC/AC。把直流电压变换成 为频率固定或可调的交流电压。
（3）变频器AC/AC。把频率固定或变化的交 流电变换成频率可调或固定的交流电。
（4）直流斩波器DC/DC。把固定或变化的直 流电压变为可调或固定的直流电压。
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。
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1.1.1 晶闸管的结构
•G
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a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
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绪论
总之，由于电力半导体器件制 造技术的发展，主电路结构和控制 技术的开发，以及设备应用技术的 开发，使电力电子技术在大功率整 流、直流传动、交流传动、直流输 电、功率变换、晶闸管电源、电力 电子开关等方面的应用日益扩大。
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电力电子第1章
第1章 晶闸管概述
•IFGM
•D
•E
•K
•IGT
•A
•B
•C •0
电力电子技术1-4
进行电力变换的技术称为 变流技术
1.3 与相关学科的关系
电力电子学 (Power Electronics)名称60年代 出现；
1974年，美国的W. Newell用图1的倒三角形 对电力电子学进行了描 述，被全世界普遍接受；
电子学
电力学
电力 电子学
连续、离散
控制 理论
图1 描述电力电子学的倒三角形
•电力电子装置是自动化技术的基础元件和重
要支撑技术
1.4 地位和未来
电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成
为未来科学技术的两大支柱
计算机
人脑
电力电子技术
消化系统和循环系统
电力电子＋运动控制
肌肉和四肢
电力电子技术是电能变换技术,是把粗电变为精电的技术
能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源，
• 重点： 各种电力电子器件原理、性能上的不同点， 各自应用的场合。
2019/11/25
1-32
本章内容
2.1 电力电子器件的发展、分类与应用
2.2 电力（功率）二极管 2.3 晶闸管（SCR） 2.4 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力场效应晶体管（电力 MOSFET） 2.7 绝缘栅双极晶体管（IGBT） 2.8 其它新型场控器件
双极型器件：有两种载流子参与导电，如二 极管、 晶闸管、GTO、GTR、IGCT、SITH等。
复合型器件：由MOSFET与晶体管、晶闸管复 合而成，如IGBT、IPM、MCT等。
2019/11/25
1-39
按门极驱动信号的种类（电流、电压）分类：
电流控制型器件 如晶闸管、GTO、GTR、 IGCT、SITH等
体制成，故也称电力半导体器 件。
第1章 绪论
11
1.2 电力电子技术的发展史
◆全控型器件和电力电子集成电路（PIC） ☞70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管 （BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器 件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控 制既可使其开通又可使其关断。 ☞采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM） 方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式，简称斩控方式。 ☞在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合 型器件异军突起。它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优点。 与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT） 复合了MOSFET和GTO。
Hale Waihona Puke 161.3 电力电子技术的应用
◆电力系统 ☞据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能 至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。 ☞直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整 流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主 要采用全控型的IGBT器件。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS） 也是依靠电力电子装置才得以实现的。 ☞晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、静止 无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等电力电子装置大量 用于电力系统的无功补偿或谐波抑制。在配电网系统，电力电子装置 还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质 量控制，改善供电质量。 ☞在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池 充电等都需要电力电子装置。
6
1.1 什么是电力电子技术
各种电力电子装置广泛 应用于高压直流输电、静止 无功补偿、电力机车牵引、 交直流电力传动、电解、励 磁、电加热、高性能交直流 电源等之中，因此，无论是 国内国外，通常都把电力电 图1-2 电气工程的双三角形描述 子技术归属于电气工程学科。在我国，电力电子与电力传 动是电气工程的一个二级学科。图1-2用两个三角形对电 气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学 科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学 科内各二级学科的关系。
电力电子-第1章
SCR:12kV/1kA和6500V/4000A GTR:1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、 600V/3A/100kHz MOSFET:1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz . IGBT:6500V/4500V/3300V/1700V/1200V/600V, 3300A8A;IR公司已设计出开关频率高达 150kHz的WARP系列 400～600V的IGBT
电力电子技术
授课教师：国海
绪论
1.1 电力电子学科的形成 1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义 1.3 电力电子技术的应用领域 课程学习要求
2
1.1 电力电子学科的形成
1.电力技术 2.电子技术 3.电力电子技术
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。
✓ 电子技术是研究电子器件，以及 利用电子器件来处理电子电路中 电信号的产生、变换、处理、存 储、发送和接收问题。
✓ 又称为信息电子技术或信息电子 学。
5
1.1 电力电子学科的形成（续3）
3.电力电子技术(Power Electronics)
将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用 半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能的变 换和控制，构成了一门完整的学科，被国际电工委员会命 名为电力电子学（Power Electronics）或称为电力电子技 术。
基本原理 图中的开关设为理想开关
vo= S×vi
S为开关函数
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3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续1) 如何用电力电子开关器件实现电能的变换？
DC/DC直流降压电路
14
3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续2) 方案一: 电阻降压
电力电子技术
授课教师：国海
绪论
1.1 电力电子学科的形成 1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义 1.3 电力电子技术的应用领域 课程学习要求
2
1.1 电力电子学科的形成
1.电力技术 2.电子技术 3.电力电子技术
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。
✓ 电子技术是研究电子器件，以及 利用电子器件来处理电子电路中 电信号的产生、变换、处理、存 储、发送和接收问题。
✓ 又称为信息电子技术或信息电子 学。
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1.1 电力电子学科的形成（续3）
3.电力电子技术(Power Electronics)
将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用 半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能的变 换和控制，构成了一门完整的学科，被国际电工委员会命 名为电力电子学（Power Electronics）或称为电力电子技 术。
基本原理 图中的开关设为理想开关
vo= S×vi
S为开关函数
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3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续1) 如何用电力电子开关器件实现电能的变换？
DC/DC直流降压电路
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3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续2) 方案一: 电阻降压
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2. 广义上分为两类
电真空器件：汞弧整流器、闸流管等 半导体器件：采用的主要材料仍然是硅 ——主力
3. 一般特征（相对处理信息的电子器件来说） 一般特征（
① 能处理的电功率（即承受电压和电流的能力）远大于处 理信息的电子器件。 ② 电力电子器件一般都工作在开关状态。 ③ 实际应用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来 控制。 ④ 要考虑散热问题。 主 要 损 耗 开关损耗 通态损耗：导通时器件上有一定的通态压降 断态损耗：阻断时器件上有微小的断态电流流过 开通损耗：在器件开通过程中产生的损耗 关断损耗：在器件关断过程中产生的损耗
1.1.3 电力电子器件的分类
1. 按受控程度分： 按受控程度分： (1)不可控器件 不可控器件
功率二极管（Power Diode） 流决定的。
不能用控制信号来控制其通断, 因此不需要控制电 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 路和驱动电路。 (2)半控型器件 半控型器件
晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件
1.1.2 应用电力电子器件的系统组成
电力电子系统：由控制电路 驱动电路 控制电路、驱动电路 电力电子系统 控制电路 驱动电路和以电力电子 器件为核心的主电路 主电路等组成。 主电路
控 制 电 路
检测电路
V1 L R
驱动电路
V2
主电路
控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通 控制电路 过驱动电路去控制主电路 主电路中电力电子器件的通 主电路 或断，来完成整个系统的功能。 广义上往往检测电路 驱动电路 检测电路和驱动电路 检测电路 驱动电路等主电路之外 的电路都归为控制电路，从而粗略地说电力电 子系统由主电路 控制电路 主电路和控制电路 主电路 控制电路组成。 电力电子器件一般有三个端子，其中两个联结 在主电路 主电路中，而第三端被称为控制端 控制端。 主电路 控制端
第 1 章 电 力 电 子 器 件
主 黄 讲 华 人 芳 ：
1.1 电力电子器件概述
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
1. 概念
电力电子器件（Power Electronic Device）——可直接用 电力电子器件 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。 主电路（Main Power Circuit）——电气设备或电力系统 主电路 中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。
∫
π
0
Im ( I m sin ωt ) dωt = 2
2
（1-2）
由式（1-1）和Βιβλιοθήκη 1-2）可得 πI Frms = 2
× I FR = 1.57 I FR
（1-3）
（4）最大允许非重复浪涌电流IFSM 这是二极管所允许的半周期峰值浪涌电流，体现了抗短 路冲击电流的能力。该值比二极管的额定电流要大得多。 功率二极管属于功率最大的半导体器件，其最大额定电 压、电流在6kV、6kA以上。
1.2.2 功率二极管的特性和主要参数
1. 功率二极管的特性
（1）功率二极管的伏安特性
IA A
+ K
U AK
−
击穿电压 反向不重复峰值电压 反向重复峰值电压
门槛电压
（2）功率二极管的开关特性
由于PN结结电容的存在，功率二极管在通态和断态之间转换 时有一个过渡过程，称为动态特性。 二极管开通时，正向电压会出现一个过冲UFP，然后减小趋于 稳态值UF，这个过程称为正向恢复时间 r。 正向恢复时间t 正向恢复时间 二极管关断时，其电流逐渐 下降到零，然后有较大的反 向电流IRP和反向电压过冲 URP出现，经过一个反向恢 反向恢 复时间t 复时间 rr才能进入截止。 普通二极管的trr=2～10µs， 快恢复二极管的trr为几十至 几百ns，超快恢复二极管的 trr仅几个ns。
2. 功率二极管的主要参数
（1）反向重复峰值电压URRM 反向不重复峰值电压URSM的80％称为反向重复峰值电压 URRM，也被定义为二极管的额定电压URR。显然，URRM 小于二极管的反向击穿电压URO。 （2）额定电流IFR 2 I 二极管额定发热时所允许的工频正弦半波电流平均值定 义为额定电流IFR。若正弦电流的最大值为Im，则额定电 流为
0
π
Im
(20ms)
2π
I FR
1 = 2π
∫
π
0
I m sin ωtdωt =
Im
π
（1-1）
二极管正向导通流过额定电流时的电压降一般为1～2V。
（3）最大允许的全周期均方根正向电流IFrms 二极管流过工频正弦半波电流时，若正弦电流的最大值 为Im，则全周期均方根正向电流IFrms为
I Frms 1 = 2π
通过控制信号可以控制其导通但不能控制其关断。 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定。 (3)全控型器件 全控型器件
可关断晶闸管（GTO）
通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断， 双极型功率晶体管（BJT/GTR）
功率场效应晶体管（P-MOSFET） 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）
又称自关断器件。
2. 按驱动信号性质分： 按驱动信号性质分： (1)电流驱动型 电流驱动型 (2)电压驱动型 电压驱动型 通过从控制端注入或者抽出电流来实现 导通或关断的控制 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关断的控制
3. 按载流子参与导电的情况分： 按载流子参与导电的情况分： (1)单极型器件 单极型器件 (2)双极型器件 双极型器件 (3)复合型器件 复合型器件 由一种载流子参与导电的器件 由电子和空穴两种载流子参与导电的器 件 由单极型器件和双极型器件集成混合而 成的器件
1.2 功率二极管
1.2.1 功率二极管的结构和工作原理
1. 功率二极管的结构
A P N A K I J (b)结构 K A A
K
K
(c)电气符号 (a)外形
2. 功率二极管的工作原理 由于PN结具有单向导电性，所以功率二极管是一个 正向导电、反向阻断的电力电子器件。
P型区
空间电荷区 内电场
N型区