第1章 电力电子器件图文.ppt10
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01 第1章 电力电子器件
第1章 电力电子器件
1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件——电力二极管 1.3 半控型器件——晶闸管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动要求 1.7 电力电子器件的串并联技术 本章小结
IGBT 模块和水 冷式散热器
功率 MOSFET 贴片式二极管
电力电子技术 2015/10/14 26
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
■PN结的电容效应 ◆称为结电容CJ，又称为微分电容。 ◆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 。 ☞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。 ☞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。 ◆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。
电力电子技术
电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置
2015/10/14 33
1.2.3 电力二极管的主要参数
11
2.1.3 电力电子器件的分类
■按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ） ◆脉冲触发型 ☞通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来 实现器件的开通或者关断的控制。 ◆电平控制型 ☞必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电 平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通 状态或者关断并维持在阻断状态。
电流 电压
阻态
电力电子技术
2015/10/14
31
1.2.2 电力二极管的基本特性
u i i UFP
F
◆动态特性 1： 由零偏置转换为正向偏置 ☞正向恢复时间tfr
1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件——电力二极管 1.3 半控型器件——晶闸管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动要求 1.7 电力电子器件的串并联技术 本章小结
IGBT 模块和水 冷式散热器
功率 MOSFET 贴片式二极管
电力电子技术 2015/10/14 26
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
■PN结的电容效应 ◆称为结电容CJ，又称为微分电容。 ◆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 。 ☞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。 ☞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。 ◆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。
电力电子技术
电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置
2015/10/14 33
1.2.3 电力二极管的主要参数
11
2.1.3 电力电子器件的分类
■按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ） ◆脉冲触发型 ☞通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来 实现器件的开通或者关断的控制。 ◆电平控制型 ☞必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电 平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通 状态或者关断并维持在阻断状态。
电流 电压
阻态
电力电子技术
2015/10/14
31
1.2.2 电力二极管的基本特性
u i i UFP
F
◆动态特性 1： 由零偏置转换为正向偏置 ☞正向恢复时间tfr
1电力电子器件PPT课件
1.1.3 电力电子器件的分类
1.1.3 电力电子器件的分类 ➢ 按照器件能够被控制电路信号所控制的程
度，分为以下三类：
(1) 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
1.1.3 电力电子器件的分类
➢ 控制电路按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通或断，
来完成整个系统的功能
1.1.2 应用电力电子器件的系统组成
➢ 有的电力电子系统中，还需要有检测电路。广义上 往往其和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是由主电路和控 制电路组成的。
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
➢ 广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体 器件两类。
➢ 两 类 中 ， 自 20 世 纪 50 年 代 以 来 ， 真 空 管 仅 在 频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在 使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器 （ Mercury Arc Rectifier ） 、 闸 流 管 （Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。 因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导 体器件。
➢ 主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的 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，如驱动电路与主电路的 连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及 主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔 离，而通过其它手段如光、磁等来传递信号。
1.1.2 应用电力电子器件的系统组成
(2) 电力电子器件一般都工作在开关状态
➢ 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
第1章电力电子器件概述97967 119页PPT文档
a) 正向偏置转换为反向偏置
b) 零偏置转换为正向偏置
1-17
1.2.2 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ力二极管的基本特性
关断过程
IF
diF
dt
trr
须经过一段短暂的时间才能重新获 UF
td
tf
得反向阻断能力，进入截止状态。
tF t0
t1 t2
UR
t
diR
关断之前有较大的反向电流出现，
dt
并伴随有明显的反向电压过冲。
IRP URP
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）
——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:
1-26
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
A
G
KK
A A
G
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K
K G
A
a)
b)
c)
图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
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 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。
1-27
1.3.1 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
1-28
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
b) 零偏置转换为正向偏置
1-17
1.2.2 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ力二极管的基本特性
关断过程
IF
diF
dt
trr
须经过一段短暂的时间才能重新获 UF
td
tf
得反向阻断能力，进入截止状态。
tF t0
t1 t2
UR
t
diR
关断之前有较大的反向电流出现，
dt
并伴随有明显的反向电压过冲。
IRP URP
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）
——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:
1-26
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
A
G
KK
A A
G
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K
K G
A
a)
b)
c)
图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
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 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。
1-27
1.3.1 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
1-28
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
《电力电子器件》PPT课件
流。）
h
7
晶闸管的特性总结如下：
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。
结论：
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 。
SCR导通条件： UAK>0 同时 UGK>0 由导通→关断的条件：使流过SCR的电流降低至维持电流以下。
2IG ICBO1ICBO2
IA 1(1 2)
（1-5） 图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
h
a) 双晶体管模型 b) 工作原理 9
➢ 正 向 阻 断 ： 开 关 S 断 开 ， 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。
➢ 触发导通：开关S闭合，注入触发电
流IG。管子内部形成电流正反馈，V1、 V2饱和，1+2趋近于1，流过晶闸管 的电流IA急剧增大，晶闸管导通。IA实
普通晶闸管的关断时间约几
百微秒
h
trr URRM tgr
晶闸管的开通和关断过程波形
15
（2）关断过程
反向阻断恢复时间trr：正向电流 降为零到反向恢复电流衰减至接
近于零的时间
正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要 恢复其对正向电压的阻断能力还
需要一段时间
h
16
在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正 向导通
第一章 电力电子器件
h
1
电力电子器件(2)--晶闸管
• 1. 晶闸管的结构与工作原理 • 2. 晶闸管的基本特性 • 3. 晶闸管的主要参数 • 4. 晶闸管的派生器件
h
7
晶闸管的特性总结如下：
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。
结论：
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 。
SCR导通条件： UAK>0 同时 UGK>0 由导通→关断的条件：使流过SCR的电流降低至维持电流以下。
2IG ICBO1ICBO2
IA 1(1 2)
（1-5） 图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
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a) 双晶体管模型 b) 工作原理 9
➢ 正 向 阻 断 ： 开 关 S 断 开 ， 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。
➢ 触发导通：开关S闭合，注入触发电
流IG。管子内部形成电流正反馈，V1、 V2饱和，1+2趋近于1，流过晶闸管 的电流IA急剧增大，晶闸管导通。IA实
普通晶闸管的关断时间约几
百微秒
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trr URRM tgr
晶闸管的开通和关断过程波形
15
（2）关断过程
反向阻断恢复时间trr：正向电流 降为零到反向恢复电流衰减至接
近于零的时间
正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要 恢复其对正向电压的阻断能力还
需要一段时间
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16
在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正 向导通
第一章 电力电子器件
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1
电力电子器件(2)--晶闸管
• 1. 晶闸管的结构与工作原理 • 2. 晶闸管的基本特性 • 3. 晶闸管的主要参数 • 4. 晶闸管的派生器件
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
电力电子器件-电子课件
决定晶闸管的最大电流 管芯半导体结温 流过电流的有效值 （相同的电流有效值条件下，其发热情况相同，选取型号相同）
第一章 电力电子器件
波形系数Kf ：有效值/平均值，反应周期
交流量波形性质。
如果额定电流为100A的晶闸管 其允许通过的电流有效值为1.57×100＝157A
第一章 电力电子器件
选择晶闸管额定电流时，要依据实际波形的电流
有效值与额定电流IT（AV)有效值相等的原则（即管芯结
温一样）进行换算。即：
由于晶闸管的过载能力差，一般选用时取1.5～2倍 的安全裕量。
第一章 电力电子器件
3.通态平均电压UT(AV)
当流过正弦半波的电流为额定电流，并达到稳定 的额定结温时，晶闸管阳极与阴极之间电压降的平均 值，称为通态平均电压。
第一章 电力电子器件
电力电子器件在电力设备或电力系统中，直接 承担电能变换和控制任务的电路称为主电路。
电力电子器件就是可直接用于主电路中实现电 能的变换和控制的电子器件。
电力电子器件则是电力电子电路的基础。 目前常用的电力电子器件都是用半导体材料制 成的，主要分为半控型器件和全控型器件。
第一章 电力电子器件
门极可关断晶闸管实物、图形 和文字符号
GTO在牵引电力机车和斩波器中的应用
第一章 电力电子器件
二、功率晶体管GTR
大功率晶体管（Giant Transistor）简称GTR， 又称为电力晶体管。因为有PNP和NPN两种结构，因此 又称双极型晶体管BJT。
功率晶体管GTR实物、图形和文字符号
第一章 电力电子器件
为晶闸管的额定电压值，用电压等级来表示。
第一章 电力电子器件
2.额定电流IT（AV)
又称为额定通态平均电流。 是指在环境温度小于40℃和标准散热及全导通的条 件下，晶闸管可以连续导通的工频正弦半波电流的平均 值。 晶闸管的额定电流参数系列：1A、5A、10A、20A、 30A、50A、100A、200A、300A。
第一章 电力电子器件
波形系数Kf ：有效值/平均值，反应周期
交流量波形性质。
如果额定电流为100A的晶闸管 其允许通过的电流有效值为1.57×100＝157A
第一章 电力电子器件
选择晶闸管额定电流时，要依据实际波形的电流
有效值与额定电流IT（AV)有效值相等的原则（即管芯结
温一样）进行换算。即：
由于晶闸管的过载能力差，一般选用时取1.5～2倍 的安全裕量。
第一章 电力电子器件
3.通态平均电压UT(AV)
当流过正弦半波的电流为额定电流，并达到稳定 的额定结温时，晶闸管阳极与阴极之间电压降的平均 值，称为通态平均电压。
第一章 电力电子器件
电力电子器件在电力设备或电力系统中，直接 承担电能变换和控制任务的电路称为主电路。
电力电子器件就是可直接用于主电路中实现电 能的变换和控制的电子器件。
电力电子器件则是电力电子电路的基础。 目前常用的电力电子器件都是用半导体材料制 成的，主要分为半控型器件和全控型器件。
第一章 电力电子器件
门极可关断晶闸管实物、图形 和文字符号
GTO在牵引电力机车和斩波器中的应用
第一章 电力电子器件
二、功率晶体管GTR
大功率晶体管（Giant Transistor）简称GTR， 又称为电力晶体管。因为有PNP和NPN两种结构，因此 又称双极型晶体管BJT。
功率晶体管GTR实物、图形和文字符号
第一章 电力电子器件
为晶闸管的额定电压值，用电压等级来表示。
第一章 电力电子器件
2.额定电流IT（AV)
又称为额定通态平均电流。 是指在环境温度小于40℃和标准散热及全导通的条 件下，晶闸管可以连续导通的工频正弦半波电流的平均 值。 晶闸管的额定电流参数系列：1A、5A、10A、20A、 30A、50A、100A、200A、300A。
电力电子器件(1)(1)幻灯片PPT
a)
G
GK GK G
N2
P2 N2
N1
P1 A
b)
K
图1-13
A
G K c)
N2
N2
N2
P2
N1
P1
A
2.5.1 GTO的根本构造和工作原理
➢ 工作原理：
➢ 与普通晶闸管一样：
➢ 1〕可以用以下图所示的双晶体管模型来分析
➢ 2〕 1+ 2=1 是 器 件 临 界 导 通 的 条 件 。 当
1+ 2>1时，两个等效晶体管过饱和而使器件导 通；当 1+ 2<1时，不能维A持饱和导A 通而关断
因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用
2.5.1 GTO的根本构造和工作原理
➢ 构造：
➢ 与普通晶闸管的一样点： PNPN 四 层 半 导 体 构 造 ， 外 部引出阳极、阴极和门极
➢ 和普通晶闸管的不同：GTO 是一种多元的功率集成器件， 内部包含数十个甚至数百个 共 阳 极 的 小 GTO 元 ， 这 些 GTO元的阴极和门极那么在 器件内部并联在一起P1Biblioteka N1N1G
P2
P2
N2
IA
PNP
V1
G IG
Ic1
Ic2
R
NPN V2
S
EG
IK
EA
K
K
a)
b)
2.5.1 GTO的根本构造和工作原理
➢ GTO能够通过门极关断的原因是其 与普通晶闸管有如下区别：
➢ 1〕设计 2较大，使晶体管V2控 G 制灵敏，易于GTO关断
➢ 2〕 导 通 时 1+ 2 更 接 近 1 〔 1.05 ， 普 通 晶 闸 管 1+ 2 1.15〕导通时饱和不深， 接近临界饱和，有利门极控制关断， 但导通时管压降增大