【精品课件】电源变换和控制技术基础知识

几种典型的电力电子器件
不可控器件――电力二极管 半控型器件――晶闸管 电力场效应晶体管――电力MOSFET 绝缘栅双极型晶体管――IGBT
1、不可控器件――电力二极管
（1）电力二极管的基本特性：电力二极管（Power Diode）承受的反向 电压耐力与阳极通流能力均比普通二极管大得多，但它的工作原理和 伏安（V－A）特性与普通二极管基本相同，都具有正向导电性和反 向阻断性。电力二极管的电路符号和静态特性（即伏安特性）如下图 所示。
2.1.1电力电子器件的概念和特征
◆电力技术（电力设备、电力网络） ◆ 电子技术（电子器件、电子电路） ◆ 控制技术（连续、离散）
1974年美国学者W.Newell用于表征电力电子技术的倒三角
2.1.2电力电子器件的分类
◆电力电子及其特性 ◆电力电子器件的分类 ◆几种典型的电力电子器件
电力电子及其特性
正向通态压降UF ：在额定结温下，电力二极管在 导通状态流过某一稳态正向电流（IF）所对应的 正向压降。正向压降越低，表明其导通损耗越小。
反向恢复电流IRP及反向恢复时间trr ：反向恢复时 间trr通常定义为从电流下降为零至反向电流衰减 至反向恢复电流峰值25％的时间。反向恢复电流 IRP及恢复时间trr与正向导通时的正向电流IF及电流 下降率diF/dt密切相关。
2、按驱动信号类型分类
(1) 电流驱动型：通过对控制极注入或抽出电流，实现 其开通或关断的电力电子器件称为电流驱动型器件， 如Thyrister，GTR，GTO等。
(2) 电压驱动型：通过对控制极和另一主电极之间施加 控制电压信号，实现其开通或关断的电力电子器件 称为电压驱动型器件，如P－MOSFET，IGBT等。
（2）半控型器件：可以通过控制极（门极）控制器 件导通，但不能控制其关断的电力电子器件。晶 闸管(Thyristor)及其大部分派生器件(除GTO及 MCT—MOSFET控制晶闸管等复合器件外)，器 件的关断一般依靠其在电路中承受反向电压或减 小通态电流使其恢复阻断。
（3）全控型器件：既可以通过器件的控制极（门极）控 制其导通，又可控制其关断的器件。主要有：功率晶体 管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、门极可关断 晶闸管（GTO）和电力场效应晶体管(P-MOS)等。
图2-2 晶闸管电路符号及伏安（V－A）特性
（1）基本特性：
电流触发特性：当晶闸管A－K极间承受正向电压 时，如果G－K极间流过正向触发电流，就会使晶 闸管导通。
单向导电特性：当承受反向电压时，此时无论门 极有无触发电流，晶闸管都不会导通。
半控型特性：晶闸管一旦导通，门极就失去作用； 此时，不论门极电流是否存在、触发电流极性如 何，晶闸管都维持导通。要使导通的晶闸管恢复 关断，可对其A－K极间施加反向电压或使其流过 的电流小于维持电流（IH）。
3、电力场效应晶体管――电力MOSFET （1）基本特性
S G
N+ P N+
N+ P N+
沟道
N-
N+
D
a)
D
D
G
G
S N沟道
b)
S P沟道
图2-3 电力MOSFET结构图和电路图形符号
a)转移特性
b)输出特性
图2-4 电力MOSFET的转移特性和输出特性
（2）主要参数
漏极电压UDS 漏极直流电流额定值ID和漏极脉冲电流峰值IDM 漏源通态电阻RDS(on)：在栅源间施加一定电压（10～15V），
电力电子器件被广泛用于处理电能的主电路中，是 实现电能的传输、变换或控制的电子器件。
电力电子器件所具有的主要特征为： ①电力电子器件处理的电功率的大小是其主要的特征
参数。 ②电力电子器件往往工作在开关状态； ③在实际应用中因此需要驱动电路对控制信号进行放
大。
电力电子器件的分类
1、按可控性分类
（1）不控型器件：不能用控制信号控制其导通和关 断的电力电子器件 。如：功率二极管（Power Diode）。
反向恢复过程：受二极管PN结中空间电荷区存储电荷的影响，向正 向导通的二极管施加反向电压时，二极管不能立即转为截止状态，只 有存储电荷完全复合后，二极管才呈现高阻状态。
2、半控型器件――晶闸管
KG
IA
电路符号
A
U U RSM RRM
IH
IG1 IG2 IG=0
0
U U DRM
bo
UDSM
UA
优点：晶闸管可以承受的 电压、电流在功率半导体 中均为最高，具有价格便 宜、工作可靠的优点，尽 管其开关频率较低，但在 大功率、低频电力电子装 置中仍占主导地位。
K
I
A
电路符号
URBO
IF
0管电路符号及伏安（V－A）特性
（2）电力二极管的主要参数
正向平均电流IF(AV) ：电力二极管在连续运行条件 时，器件在额定结温和规定的散热条件下，允许 流过的最大工频正弦半波电流的平均值。
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，通常是雪崩击穿电 压URBO的2/3。
第2章 电源变换和控制技术基础知识
本章主要内容
2.1 电力电子器件及应用 2.2 AC-DC变换电路 2.3 DC-DC变换电路 2.4 DC-AC变换电路 2.5 AC-AC变换电路 2.6 多级复合形式的变换电路 2.7 半导体功率器件的驱动与保护电路
2.1 电力电子器件及应用
◆电力电子器件的概念和特征 ◆电力电子器件的分类 ◆ 不可控器件——电力二极管 ◆半控型器件——晶闸管 ◆电力场效应晶体管——电力MOSFET ◆绝缘栅双极型晶体管——IGBT
（2）主要参数
额施一加个定的电电正压压、值UT反称：向为晶断晶闸态闸管重管在复的额峰额定值定结电电温压压、UU门DT。极RM开和路UR时RM，中允较许小重的复
正路反(向、Ig=峰反0值向)、电断器压态件。重在一复额般峰定分值结别电温取压时正U，D、R允M反、许向U重断R复RM态加：不在晶重器闸复件管峰上门值的极电正开压、
（于U转D折SM电、压UR（SMU）bo）的。90%。正向断态不重复峰值电压应小
通下、态稳平定均结电温流不IT(A超V)过：额在定环结境温温时度，为晶40闸℃管和允规许定流的过散的热最条大件
工频正弦半波电流的平均值。这也是额定电流的参数。
维几十持到电几流百IH：m维A。持晶闸管导通所必需的最小电流，一般为