第一讲 功率器件工作原理
电力用功率器件
电力用功率器件电力用功率器件是电力系统中的重要组成部分，用于将电能转换为其他形式的能量，如机械能、热能等。
它们在电力传输、电力转换和电力控制等方面起着至关重要的作用。
本文将从电力用功率器件的基本原理、常见类型以及应用领域等方面进行介绍。
一、基本原理电力用功率器件的基本原理是根据能量守恒定律，将电能转换为其他形式的能量。
这种能量转换是通过电磁场、电场、磁场和电流等相互作用的方式实现的。
根据不同的能量转换方式，电力用功率器件可以分为电动机、发电机、变压器、电阻器、电感器和电容器等多种类型。
二、常见类型1. 电动机：电动机是将电能转换为机械能的常见电力用功率器件。
根据不同的工作原理，电动机可以分为直流电动机和交流电动机。
直流电动机通过直流电源提供电能，通过电流与磁场相互作用产生力和转矩，驱动电动机旋转。
交流电动机则通过交流电源提供电能，通过电流与磁场的相互作用产生旋转力矩。
2. 发电机：发电机是将机械能转换为电能的电力用功率器件。
它通过电磁感应原理，利用转子和定子之间的磁场相互作用，产生感应电动势，从而将机械能转化为电能。
发电机广泛应用于发电厂、风力发电和水力发电等领域。
3. 变压器：变压器是电力系统中常见的电力用功率器件，用于改变交流电的电压和电流。
它通过互感作用原理，将输入端的电能转换为输出端的电能。
变压器的主要作用是实现电力的传输和配电，广泛应用于电力系统中的变电站、工业企业和家庭用电等场所。
4. 电阻器：电阻器是将电能转换为热能的电力用功率器件。
它通过电流与电阻之间的相互作用，将电能转化为热能。
电阻器广泛应用于电力系统中的电路保护、电阻负载和电热器等领域。
5. 电感器：电感器是将电能转换为磁能的电力用功率器件。
它通过电流与电感之间的相互作用，将电能转化为磁能。
电感器主要应用于电力系统中的滤波器、变压器和电感负载等领域。
6. 电容器：电容器是将电能转换为电场能的电力用功率器件。
它通过电流与电容之间的相互作用，将电能转化为电场能。
功率模块的工作原理
功率模块的工作原理
功率模块是电子设备中常见的模块之一，它主要用于控制电路中的功率输出。
功率模块的工作原理是通过对电流和电压的控制，实现对电路中的功率的调节。
下面将介绍功率模块的工作原理。
首先，功率模块中包含一个控制电路和一个功率放大器。
控制电路负责接收输入的控制信号，根据这个信号的大小来决定输出电源的电压和电流。
功率放大器根据控制电路的输出信号，将较小的输入电压和电流放大为较大的输出功率信号。
这样就实现了对电路中的功率的调节。
在功率模块中，通常使用MOSFET或BJT等功率放大器。
这些功率放大器具有较低的电压控制和较高的电流放大能力，能够实现高功率输出。
控制电路中通常采用反馈控制的方式，将输出功率信号与输入控制信号进行比较，根据比较结果来调节输出电压和电流。
功率模块通常具有保护功能，以保证在电路故障或其他异常情况下能够及时停止输出功率。
常见的保护功能包括过流保护、过压保护、过温保护等。
这些保护功能能够有效保护电子设备和功率模块本身的安全性和稳定性。
总之，功率模块通过控制电路和功率放大器的协同工作，实现对电路中功率的调节。
它可以根据需要调整输出电压和电流，为电子设备提供稳定的功率输出。
同时，功率模块具有多种保护功能，保证了电子设备的安全性和稳定性。
功率场效应晶体管结构与工作原理
功率场效应晶体管结构与工作原理1．结构MOSFET的类型许多，按导电沟道可分为P沟道和N沟道；依据栅极电压与导电沟道消失的关系可分为耗尽型和增加型。
功率场效应晶体管一般为N沟道增加型。
从结构上看，功率场效应晶体管与小功率的MOS管有比较大的差别。
小功率MOS管的导电沟道平行于芯片表面，是横向导电器件。
而P-MOSFET常采纳垂直导电结构，称VMOSFET （Vertical MOSFET），这种结构可提高MOSFET器件的耐电压、耐电流的力量。
图1给出了具有垂直导电双集中MOS结构的VD-MOSFET （Vertical Double-diffused MOSFET）单元的结构图及电路符号。
一个MOSFET器件实际上是由很多小单元并联组成。
a）结构图b）符号（N沟道）c）符号（P沟道）图1 MOSFET的结构图及电路符号2．工作原理如图1所示，MOSFET的三个极分别为栅极G、漏极D和源极S。
当漏极接正电源，源极接负电源，栅源极间的电压为零时，P基区与N区之间的PN结反偏，漏源极之间无电流通过。
如在栅源极间加一正电压二、工作特性1．静态特性（1）漏极伏安特性漏极伏安特性也称输出特性，如图2所示，可以分为三个区：可调电阻区Ⅰ，饱和区Ⅰ，击穿区Ⅰ。
在Ⅰ区内，固定栅极电压（2）、转移特性漏极电流2．开关特性P-MOSFET是多数载流子器件，不存在少数载流子特有的存贮效应，因此开关时间很短，典型值为20ns，而影响开关速度的主要是器件极间电容。
图4为元件极间电容的等效电路，从中可以求得器件输入电容为Cin＝CGS＋CGD。
正是Cin在开关过程中需要进行充、放电，影响了开关速度。
同时也可看出，静态时虽栅极电流很小，驱动功率小，但动态时由于电容充放电电流有肯定强度，故动态驱动仍需肯定的栅极功率。
开关频率越高，栅极驱动功率也越大。
P-MOSFET的开关过程如图5所示，其中1．主要参数（1）漏极电压漏极电压（2）电流定额电流定额（3）栅源电压栅源间加的电压不能大于此电压，否则将击穿元件。
功率mosfet工作原理
功率mosfet工作原理功率MOSFET是一种常用的功率半导体器件，广泛应用于各种电子电路中，如功率放大、开关和调节等。
在理解功率MOSFET的工作原理之前，首先要了解MOSFET的基本结构和工作原理。
MOSFET是金属-氧化物-半导体场效应晶体管的简称，它由金属栅极、绝缘层和半导体基片组成。
当在MOSFET的栅极上施加一定电压时，栅极与基片之间的电场会改变半导体中的载流子浓度，从而控制了栅极与漏极之间的电流流动。
功率MOSFET相比一般的MOSFET具有更大的尺寸和承受更高电压、电流的能力，适用于功率电子器件领域。
功率MOSFET的工作原理可以简单描述为：当栅极与源极之间施加一定电压时，形成了电场，使得栅极下方的PN结区域形成反型耗尽层。
当栅极电压足够大时，反型耗尽层会延伸至漏极，形成导通通道，电流开始流动。
此时，功率MOSFET处于导通状态。
当栅极电压减小或为零时，反型耗尽层消失，MOSFET处于截止状态，电流停止流动。
功率MOSFET的主要特点包括低导通电阻、高输入电阻、快速开关速度和良好的线性特性。
这使得功率MOSFET在大功率电路中得到广泛应用，如电源开关、电机驱动、逆变器等领域。
功率MOSFET的工作原理与一般MOSFET相似，但由于其承受更高的电压和电流，因此在设计电路时需要考虑更多的因素，如散热、阻抗匹配等。
此外，功率MOSFET的开关特性也需要精确控制，以确保电路的稳定性和可靠性。
总的来说，功率MOSFET是一种重要的功率半导体器件，具有优良的性能和广泛的应用前景。
通过深入了解功率MOSFET的工作原理，可以更好地应用于电子电路设计中，实现更高效、更稳定的功率控制。
功率半导体器件工作原理
邮编：412001TEL : ( 0733) 8498396 URL ： 功率半导体器件工作原理1．基本开关过程：功率半导体器件除极少数特殊应用情况外，其余绝大多数都是应用在开关状态下。
应用在所有这些电力电子线路总的器件，它们的基本原理和工作方式都是相同的，我们所有对半导体器件和应用电力电子线路的研究，都是要使其尽可能的工作在低损耗状态。
也就是说应使器件工作在开关状态。
这是因为器件工作在开关状态时，其工作状态是最佳的，通态损耗是最小的。
大家知道，当一个器件在开关状态时，它具有这样的特性： ―导通状态：V ＝0，－∞＜i ＜∞。
―关断状态： i ＝0，－∞＜V ＜∞。
功率半导体器件虽然同是工作在开关状态，当其使用状态不同时，他们表现出不同的特性。
当晶闸管和电感一起组成一个回路时，开关可以主动地开通。
也就是说，它能够在任一时刻开通。
当开通时间趋进于零时，开关中不出现损耗，这主要是因为回路电感能够立即吸收所出现的电压差。
导通状态：v s ＝0；－∞＜i s ＜∞； 关断状态：i s ＝0；－∞＜v s ＜∞； 开关特性：当s v ＞0时，主动开通；当i s ＝0，被动关断2.功率半导体器件基本工作原理功率半导体器件它包括非常多的品种和类别，在这里我们主要介绍晶闸管的结构和工作原理。
晶闸管时具有PNPN 结构的半导体器件，见图1－1。
在阳极P 区和阴极N 区之间施加正向电压时，它具有阻断和导通两个稳定的工作状态。
由图1－2所示的电流－电压特性曲线可以看出，它有一个阻断区和一个导通区。
这一特性可以用于电流的接通和关断。
为了使晶闸管由阻断状态变为动态状态，必须使其电流增加到超过某个阈值。
要实现这个目标，通常我们有两种途径，其一，使用脉冲电流使其通过门极而加于两个中间区的一个来实现。
其二，不断的提高阳极电压，使其超过转折电压（UBO ）。
邮编：412001TEL : ( 0733) 8498396 URL ：图1－1（a ）不加门极电流 （b ）加门极电流I G ＞IGT 。
功率管的工作原理
功率管的工作原理
功率管是一种电子器件，它的工作原理基于半导体材料的特性。
功率管一般采用PN结的结构，其内部由一块P型半导体和一
块N型半导体组成。
这两块半导体之间形成的PN结具有正向偏置的特点。
当外部电压施加在功率管的两端时，由于PN结的存在，电流
只能沿着特定的方向流动。
当正向偏置电压施加在PN结上时，电子从N型半导体区域流向P型半导体区域，空穴从P型半
导体区域流向N型半导体区域。
这种电流的流动方式被称为
正向通态。
功率管在正向通态下具有低电阻，可以承受相对较大的电流。
因此，当需要放大或控制大功率信号时，功率管可以起到关键作用。
与普通晶体管不同的是，功率管的栅极结构更为复杂。
在功率管中，栅极主要是用来控制和调节电流的，以控制功率管的导通和截止。
栅极一般由金属或其他导电材料制成，通过施加适当的电压来改变PN结上的电场分布，进而调节功率管的输出
电流。
需要注意的是，功率管在工作时会产生一定的热量，因此需要适当的散热措施来保证器件的稳定性和可靠性。
同时，由于功率管的工作电流较大，也需要合适的电源供应来满足功率管的工作需要。
综上所述，功率管的工作原理基于半导体材料的特性，通过正向偏置的PN结，控制和调节电流的流动。
它在放大和控制大功率信号方面具有重要作用，且需要考虑散热和电源供应等因素来保证其正常工作。
功率器件简介介绍
04
功率器件的发展趋势和挑战
功率器件的发展趋势和挑战
• 功率器件，也称为电力电子器件，是电子电路中用于转换、控制和管理电能的关键元件。它们被广泛应用于各种领域，如 电动汽车、可再生能源、航空航天、数据中心等。功率器件的主要功能是实现电压和电流的变换，以满足不同电路和系统 的需求。
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效率
功率器件的效率是指输出功率与输入功率之比，即输出功 率占输入功率的百分比。高效率意味着较低的能量损耗和 更好的能源利用。
03
常见功率器件介绍
晶体管（BJT）
01
02
03
双极性控制
晶体管，也称为双极性结 型晶体管（BJT），通过 电流控制电流，具有双极 性控制特性。
电流放大
晶体管可以用作放大器， 通过较小的基极电流控制 较大的集电极电流，实现 电流的放大。
功率器件在导通状态下，由于电流流过器件产生的热量损 耗。导通损耗与器件的导通电阻和电流大小有关。
驱动损耗
驱动电路对功率器件进行控制时产生的损耗，主要包括驱 动电路的功耗和驱动信号的传输损耗。
开关损耗
功率器件在开关过程中产生的损耗，包括开通损耗和关断 损耗。开关损耗与器件的结构、材料和工作频率等因素有 关。
功率器件的应用领域
应用领域概述
功率器件广泛应用于各种电子设备和系统 中，以下是几个主要的应用领域
新能源领域
如太阳能发电、风力发电等。功率器件在 新能源领域中用于实现能量的收集、转换 和储存，提高能源利用效率。
电力变换
如直流电源、交流电源、不间断电源（ UPS）等。功率器件在这些设备中起到电 能转换和控制的核心作用。
精度和稳定性相对较低。
数字控制
使用数字信号（如脉冲宽度调制 ，PWM）来控制功率器件的状 态。数字控制方式具有高精度、
电路中的功率电子器件与应用
电路中的功率电子器件与应用功率电子器件是电路中的重要组成部分，它们在能源转换和电路控制中起着至关重要的作用。
本文将介绍功率电子器件的基本原理和常见的应用。
一、功率电子器件的基本原理功率电子器件是指用于控制和调节电能流动的电子元件，它们能够将电能从一种形式转换为另一种形式，如将直流电能转换为交流电能，或者改变电压、电流的大小等。
常见的功率电子器件包括晶闸管、开关管、三相桥式整流器等。
1. 晶闸管晶闸管是一种双向导电的功率电子器件，它能够实现对电流的控制。
晶闸管具有三个区域：p区、n区和p区。
在工作时，通过施加适当的控制信号，可以使晶闸管在导通和截止之间切换，从而实现对电流的控制。
2. 开关管开关管是一种具有开关功能的功率电子器件，它能够实现对电路的开关操作。
常见的开关管有二极管、场效应管和绝缘栅双极性晶体管等。
开关管的导通和截止由控制信号来实现，通常通过施加适当的电压来控制。
3. 三相桥式整流器三相桥式整流器是一种将交流电转换为直流电的功率电子器件。
它由六个二极管组成，可以实现对电流的整流和调节。
在交流输入端施加正弦交流电时，三相桥式整流器能够输出稳定的直流电。
二、功率电子器件的应用功率电子器件在各个领域中有广泛的应用，特别在能源转换、电力传输和电机控制等方面发挥着重要作用。
1. 电源变换功率电子器件可用于电源的变换和调节，将交流电转换为直流电或将直流电转换为交流电。
例如，电力逆变器可以将直流电源转换为交流电源，以供应非交流电设备或电网。
2. 电动汽车功率电子器件在电动汽车中是不可或缺的，它们用于电池充电、电机驱动和能量回收等。
电动汽车的高效率和低污染离不开功率电子器件的支持。
3. 变频调速功率电子器件在电机控制中起到关键作用，可以实现电机的变频调速。
这对于工业生产中需要根据实际需求调整电机速度的场合非常重要，如电梯、风力发电等。
4. 可再生能源功率电子器件在可再生能源领域中也有广泛的应用，如太阳能和风力发电。
功率继电器工作原理
功率继电器工作原理
功率继电器是一种用来控制较大负载电流的电器装置。
它通常由控制回路和主电路两部分组成。
控制回路用于控制继电器的开关动作，而主电路则用于连接和控制所需的负载电流。
功率继电器的工作原理是基于电磁感应原理。
当控制回路中的电流流过继电器的线圈时，产生的磁场会使得继电器的磁铁吸合，使得触点闭合。
闭合的触点可以让较大的电流流过主电路，从而控制负载的开关状态。
在继电器的主电路中，有两组触点，分别称为常开触点（NO）和常闭触点（NC）。
当继电器处于未动作状态时，常开触点
闭合，常闭触点则断开。
当控制回路中的电流流过继电器的线圈时，线圈产生的磁场会使得磁铁吸合，触点发生翻转。
此时，常开触点断开，常闭触点闭合。
功率继电器的工作原理可以通过一个简单的示意图来表示。
图中的线圈代表控制回路，而触点代表继电器的主电路。
在未动作状态下，常开触点闭合，常闭触点断开。
当控制回路中的电流流过线圈时，线圈产生的磁场使得磁铁吸合，触点发生翻转，常开触点断开，常闭触点闭合。
这样，主电路中的负载电流得以开通或断开，实现对负载的控制。
总结来说，功率继电器的工作原理是通过控制回路中的电流流过线圈产生的磁场来控制触点的翻转，从而实现负载电流的开通或断开。
通过合理设计和安装功率继电器，可以有效地控制和保护电路中的大功率设备。
功率器件的工作原理及应用
功率器件的工作原理及应用1. 引言功率器件是电力电子技术领域中非常重要的组成部分，广泛应用于各种电力电子设备中。
本文将详细介绍功率器件的工作原理及其在实际应用中的一些典型场景。
2. 什么是功率器件功率器件是指能够承受较高电流和电压，并能够控制和传递电能的电子器件。
根据不同的工作原理和材料特性，功率器件可以分为多种类型，包括晶体管、场效应晶体管（FET）、继电器、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等。
3. 功率器件的工作原理不同类型的功率器件具有不同的工作原理，下面将介绍几种常见的功率器件及其工作原理。
3.1 晶体管晶体管是一种三极管，由发射极、基极和集电极组成。
其工作原理是通过控制基极电流来控制集电极电流。
晶体管广泛应用于放大、开关和稳压等电路中。
3.2 场效应晶体管（FET）场效应晶体管是一种三极管，具有栅极、漏极和源极。
它的工作原理是控制栅极电压来控制漏极电流。
FET具有低输入电流、高输入阻抗和快速响应的特点，在低功率应用中得到广泛应用。
3.3 继电器继电器是一种用电磁吸合力控制开关的器件。
其工作原理是通过电流在线圈中产生磁场，吸引动作铁芯使触点闭合或断开。
继电器常用于控制电流较大的电路和实现电气隔离。
3.4 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）IGBT是继承了MOSFET和双极型晶体管特点的一种功率开关器件。
其工作原理是通过控制栅极电流来控制开关的导通和截止。
IGBT具有高输入电阻、低开关损耗和大功率承载能力等优点，广泛应用于电力电子领域。
4. 功率器件的应用场景功率器件在各个领域都有广泛的应用，下面列举几个常见的应用场景。
4.1 变频器变频器是一种电力电子设备，用于调节电机的转速和输出功率。
变频器利用功率器件控制电源输入电压和频率，以实现对电机的精确控制。
变频器在工业自动化、航空航天等领域中广泛应用。
4.2 焊接设备焊接设备需要对电流和电压进行精确控制，以实现对焊接过程的稳定性和质量的要求。
功率器件在焊接设备中扮演着关键的角色，可以实现对焊接电流和电压的精确调节。
功率mos管工作原理
功率mos管工作原理功率MOS管是一种常用于功率放大和开关控制的电子器件。
它的工作原理基于MOS场效应管的特性，具有高效率、低功耗和快速开关速度等优点，因此在现代电子设备中得到广泛应用。
功率MOS管由P型和N型的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）构成。
其中，P型区域称为沟道区，N型区域称为扩散区。
沟道区的控制电压可以改变沟道的电阻，从而控制电流的流动。
当沟道区的控制电压为0V时，沟道区中没有电子或空穴导电，功率MOS管处于关断状态，没有电流通过。
当控制电压增加到临界电压以上时，沟道区开始导电，功率MOS管进入导通状态。
此时，沟道电阻几乎为零，电流可以自由地通过功率MOS管。
功率MOS管的导通特性主要由栅极电压和源极电压决定。
当栅极电压为正值时，沟道中的电子数量增加，导电能力增强；当栅极电压为负值时，沟道中的空穴数量增加，导电能力减弱。
因此，栅极电压的变化可以精确地控制功率MOS管的导通程度。
在实际应用中，功率MOS管常用作开关控制器。
当控制电压施加在栅极上时，功率MOS管的导通状态可以迅速切换。
通过控制栅极电压的变化，可以实现对功率MOS管的开关频率和占空比的精确控制。
这使得功率MOS管在直流-直流（DC-DC）转换器、电机驱动器、逆变器等电路中广泛应用。
功率MOS管还具有较低的开关损耗和较高的开关速度。
由于其内部结构简单，导通电阻小，能够承受较大的电流和电压，因此功率MOS管适用于高频率和高功率的应用场合。
此外，功率MOS管还具有较好的热稳定性和抗辐射能力，能够在恶劣的工作环境下正常工作。
然而，功率MOS管也存在一些局限性。
首先，由于栅极电容的存在，功率MOS管在开关过程中会有一定的开关损耗，从而产生热量。
其次，功率MOS管的导通电阻虽小，但在导通状态下仍然存在一定的电压降，会导致功率损耗。
此外，功率MOS管的输入电容较大，在控制电路设计中需要考虑其充放电时间，以确保控制信号的准确性。
功率器件的原理特点与应用
功率器件的原理特点与应用1. 功率器件的定义功率器件是指用于调节电能流动和实现电能转换的元件，能够处理高功率电流和电压的电子元件。
2. 功率器件的原理特点2.1 半导体功率器件半导体功率器件是一种基于半导体材料制造的功率器件。
其原理特点包括：•提供更高的功率密度和更高的效率；•具有快速响应时间和较低的开关损耗；•可以工作在高频率范围内；•占用空间小，适合集成化设计；•可以实现智能控制。
2.2 磁性功率器件磁性功率器件是一种利用磁性材料制造的功率器件。
其原理特点包括：•具有较高的磁导率和较低的磁阻；•适用于高电流和高功率的应用；•可以实现高效的能量转换；•具有较低的热损耗；•具有较高的工作温度范围。
2.3 光电功率器件光电功率器件是一种利用光学和电学原理实现能量转换的功率器件。
其原理特点包括：•可以实现光电转换；•具有较高的工作效率和较低的热损耗；•适用于高频率和高速的应用；•可以实现无线传输；•长寿命和稳定性好。
3. 功率器件的应用3.1 电力系统功率器件在电力系统中起着至关重要的作用。
其应用包括：•电能转换和调节；•电力传输和分配；•电力质量控制；•电网稳定性维护。
3.2 工业自动化功率器件在工业自动化领域有广泛的应用，主要包括：•驱动和控制电机；•控制和调节机械设备；•实现自动化生产线；•提高生产效率和质量。
3.3 新能源领域随着新能源的快速发展，功率器件在新能源领域的应用逐渐增多，包括：•太阳能发电系统；•风力发电系统；•潮汐能和波浪能发电系统；•储能系统。
3.4 交通运输功率器件在交通运输领域的应用主要包括：•电动汽车和混合动力汽车；•电子控制系统；•磁悬浮交通；•电动船舶。
3.5 军事和航天功率器件在军事和航天领域的应用主要包括：•军用雷达和通信系统；•航空航天器的动力系统；•武器系统；•航空航天器的控制系统。
结论功率器件作为重要的电子元件，在各个领域都有着广泛的应用。
不同类型的功率器件具有不同的原理特点和适用场景，可以满足不同需求。
功率器件
功率器件的基础知识概念：功率半导体器件，以前也被称为电力电子器件，简单来说，就是进行功率处理的，具有处理高电压，大电流能力的半导体器件。
典型的功率处理，包括变频、变压、变流、功率管理等等。
种类;根据开关特性不同，可分为：半控型器件：通过门极信号只能控制其导通而不能控制其关断的器件，如SCR；全控型器件：通过门极信号既能控制其导通又能控制其关断的器件，如BJT、IGBT、GTO、IGCT。
根据控制极（包括门极、栅极或基极）信号的不同性质，可分为：电流控制型器件：一般通过从控制极注入或抽出控制电流的方式来实现对导通或关断的控制，如SCR；电压控制型器件：利用场控原理控制的电力电子器件，其导通或关断是由控制极上的电压信号控制的，控制极电流极小，如IGBT。
根据半导体器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，可分为：单极型器件：由一种载流子参与导电的器件，如MOSFET；单极型器件只有一种载流子（多数载流子）参与导电，是电压控制型器件，具有控制功率小、驱动电路相对简单、工作频率高、无二次击穿问题、安全工作区宽等显著特点，其缺点是通态压降大、导通损耗大。
双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电的器件，如BJT；双极型器件中两种载流子都参与导电，具有通态压降小、导通损耗小的显著特点，多数属于电流控制型，其缺点是控制功率大、驱动电路较复杂、工作频率较低、有二次击穿问题等。
混合型器件：由单极型和双极型两种器件组成的复合器件，如IGBT。
混合型器件又称复合型器件，综合了单极型和双极型各自的优点，利用双极型器件作为它的输出级，而利用单极性器件作为它的输入级特性：功率半导体器件是电力电子电路的重要组成部分，一个理想的功率半导体器件应该具有好的静态和动态特性，在截止状态时能承受高电压且漏电流要小；在导通状态时，能流过大电流和很低的管压降；在开关转换时，具有短的开、关时间；通态损耗、断态损耗和开关损耗均要小。
同时能承受高的 di/dt 和 du/dt 以及具有全控功能。
功率继电器工作原理
功率继电器工作原理
功率继电器是一种能够控制高功率设备的电气开关装置。
其工作原理基于电流流过触点时会产生一定的能量，该能量可使触点关闭或打开。
功率继电器的主要组成部分包括控制电路、触点和负载电路。
控制电路通过输入控制信号来控制继电器的开关状态，通常使用低电平控制高电平的方式。
触点则作为继电器的开关部分，能够承受相对较大的电流和电压。
负载电路则是连接到继电器的被控设备或电路。
当控制电路输入控制信号时，控制电流会通过电磁线圈产生一个磁场，这个磁场会产生足够的力量来吸引或释放触点。
当控制信号为高电平时，触点闭合，负载电路通电；当控制信号为低电平时，触点断开，负载电路断电。
功率继电器通常被用于需要控制大功率设备的场合，如电力系统、机械制造、自动化生产线等。
它具有响应速度快、可靠性高、负载能力强等特点。
在日常生活中，功率继电器被广泛应用于空调、洗衣机、电磁炉等家用电器，以及工业设备控制领域。
功率器件设计原理及应用
功率器件设计原理及应用功率器件是指能够将电能转换为其他形式能量的器件，常见的功率器件有变压器、电机、发电机、变频器、逆变器等。
功率器件的设计原理和应用涉及到电力系统、电子设备、工业自动化等领域。
功率器件的设计原理主要包括电路设计、热设计和机械设计。
电路设计是指根据功率器件的特性和工作要求，设计合适的电路拓扑结构和参数。
例如，在变频器的设计中，需要根据输入电压和输出电压的要求，选择合适的拓扑结构，如单相桥式逆变器、三相桥式逆变器等。
同时，还需要根据功率器件的特性，选择合适的电路元件，如IGBT、MOSFET等。
热设计是指根据功率器件的功率损耗和散热要求，设计合适的散热系统，以保证功率器件的工作温度在安全范围内。
机械设计是指根据功率器件的尺寸和安装要求，设计合适的机械结构，以便于功率器件的安装和维护。
功率器件的应用广泛，主要包括以下几个方面：1. 电力系统：功率器件在电力系统中起到重要的作用，如变压器用于电能的变换和传输，电机用于驱动各种设备，发电机用于发电等。
功率器件的设计和应用对于电力系统的稳定运行和能源的高效利用至关重要。
2. 电子设备：功率器件在电子设备中用于电能的转换和控制，如逆变器用于将直流电能转换为交流电能，变频器用于调节电机的转速和扭矩，电源用于为电子设备提供稳定的电能等。
功率器件的设计和应用对于电子设备的性能和可靠性有着重要影响。
3. 工业自动化：功率器件在工业自动化中用于电能的传输和控制，如电机用于驱动各种机械设备，变频器用于调节电机的转速和扭矩，PLC用于控制和监测工业过程等。
功率器件的设计和应用对于工业自动化的效率和安全性具有重要意义。
4. 新能源领域：随着新能源的快速发展，功率器件在新能源领域的应用越来越广泛，如太阳能逆变器用于将太阳能转换为电能，风力发电机用于发电等。
功率器件的设计和应用对于新能源的开发和利用具有重要意义。
总之，功率器件的设计原理和应用涉及到电路设计、热设计和机械设计，广泛应用于电力系统、电子设备、工业自动化和新能源等领域。
电力电子技术：第一章 功率半导体器件
晶闸管 晶闸管的工作原理（续）
2. 内部物理过程 晶体管的内部物理过程可用复合三极管效应等效，如下图：
集电极电流为另一只晶体管的基极电流，形成正反馈。
晶闸管的等效复合三极管效应
晶闸管正反馈过程仿真演示
晶闸管
晶闸管的阳极电流： Ia Ic1 Ic2 Ic0 1Ia 2 Ik Ico 晶闸管的阴极电流： Ik I g Ia
单极导电性：只有电子(N沟道)或空穴(P沟道)参与导电 电压全控型：通过调节栅极电压控制漏、源极(D、S)间通断
一、结构与工作原理
(a) 结构图
(b) N沟道符号
(c) P沟道符号
功率场效应晶体管
二、工作特性
1、静态特性
1）漏极伏安特性
a）可调电阻区I：UGS固定，UDS由0 上升到预夹断电压，ID线性增加； 接近预夹断电压时ID变化慢。
b开关特性大功率晶体管主要参数1电压参数集电极额定电压ucembucbobucexbucesbucerbuceo饱和压降uces2电流参数连续直流额定集电极电流ic集电极额定电流最大允许电流icm基极电流最大允许值ibm集电极最大耗散功率pcme开路cb击穿电压e反偏ce反穿电压eb间电阻连接或短路时ce间的击穿电压b开路ce击穿电压gtr正常工作过程中必须保证ucebuceo大功率晶体管1二次击穿现象abceceocc现低电压大电流的负阻效应二次击穿元件损坏出现击穿现象ab段称为一次击穿
3.1 主要参数
(1)漏极电压UDS (2)电流定额ID (3)栅源电压UGS
3.2 安全工作区
Ⅰ： 漏源电阻限制线 Ⅱ：最大漏极电流限制线 Ⅲ：最大功率限制线 Ⅳ：最大漏源电压限制线
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）
双极导电性：电子与空穴均参与导电 电压全控型：通过调节门极电压控制极、射极(C、E)间通断
第一讲 功率器件工作原理
第1章第10页
2 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) 不可控器件——不能用控制信号来控制其通断, 因此也
就不需要驱动电路
功率二极管（Power Diode）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流决定的 (2)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
第1章第8页
(3) 实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控 制。
在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电 路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。 (4) 为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而 损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一 般都要安装散热器。 导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗
第1章第9页
阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态 损耗 在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关 断损耗，总称开关损耗 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造 成器件发热的原因之一 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损 耗是器件功率损耗的主要成因 器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能 成为器件功率损耗的主要因素
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
第1章第27页
IF UF
d iF dt td tF t0
trr t1
u i tf t2 UR t 2V 0 UFP
iF
d iR dt IRP a)
功率器件工作原理
§3.1 概述 ..............................................................................................................................................62 §3.2 功率二极管..................................................................................................................................63
3.2.1 PN结工作原理及静态特性.............................................................................................63 3.2.2 PN结动态工作过程 ........................................................................................................64 3.2.3 PN结电容 ........................................................................................................................6
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1.3
功率二极管的主要参数
1. 正向平均电流IF(AV) 额定电流 ——在指定的管壳温度（简称壳温，用 TC表示） 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
正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时 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。
电力电子器件基础
电力电子器件概述 第一讲 功率二极管 第二讲 功率晶体管 第三讲 晶闸管 第四讲 功率MOS器件/IGBT 第五讲 半导体器件的塑料封装
第1章第2页
电力电子器件概述
主要内容：
简要概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题 介绍各种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的一些问题
第1章第20页
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
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。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反 比 而扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时， 势垒电容为主；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，应用时应加以注意。
第1章第5页
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。 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。 电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。
第1章第12页
按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的 性质， 分为两类： (1) 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 (2) 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。电压驱动 型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个 主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流 大小和通断状态，所以又称为场控器件，或场效应器件。
第1章第10页
2 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) 不可控器件——不能用控制信号来控制其通断, 因此也
就不需要驱动电路
功率二极管（Power Diode）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流决定的 (2)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
第1章第9页
阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态 损耗 在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关 断损耗，总称开关损耗 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造 成器件发热的原因之一 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损 耗是器件功率损耗的主要成因 器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能 成为器件功率损耗的主要因素
第1章第3页
1 电力电子器件的概念和特征
2 电力电子器件的分类
第1章第4页
1 电力电子器件的概念和特征
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 电力电子器件（ power electronic device ） — — 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
第1章第16页
1.1
PN结与功率二极管的工作原理
功率二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二 极管一样以半导体PN结为基础。 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。 从外形上看，主要有螺栓型和平板型封装。近些年来， 塑 料封装发展很快。
A K A I P J b) N K
K
A a)
c)
图1-1 功率二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
第1章第17页
N型半导体和 P 型半导体结合后构成 PN 结。交界处电子 和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散 运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带 正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动 的正、负电荷称为空间电荷。空间电荷建立的电场被称 为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一 方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向 本区运动，即漂移运动。扩散运动和漂移运动既相互联 系又是一对矛盾，最终达到动态平衡，正、负空间电荷 量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范 围，被称为空间电荷区，又被称为耗尽层。
当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽 略 当采用反向漏电流较大的功率二极管时，其断态损耗造成的 发热效应也不小
第1章第29页
2. 正向压降UF 指功率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 有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬 态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降
第1章第6页
同处理信息的电子器件相比，电力电子器 件的一般特征： (1) 能处理电功率的大小，即承受电压和 电流 的能力，是最重要的参数
其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级, 大多都远大于处理信息的电子器件。
第1章第7页
(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 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 电力电子器件的动态特性（也就是开关特性）和参数， 也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时候甚至上升 为第一位的重要问题。 作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替
第1章第8页
(3) 实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控 制。
在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电 路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。 (4) 为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而 损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一 般都要安装散热器。 导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗
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
第1章第27页
IF UF
d iF dt td tF t0
trr t1
u i tf t2 UR t 2V 0 UFP
iF
d iR dt IRP a)
第1章第22页
1.2
功率二极管的基本特性
I IF
VB
O UTO UF U
图1-3 功率二极管的伏安特性
第1章第23页
二极管伏安特性测试电路
＋ V RP mA － － mA ＋ V RP
E
R
E
R
(a)
(b)
图1-3A 功率二极管的伏安特性测试电路
1. 静态特性 主要指其伏安特性 当功率二极管承受的正向电压大到一定值（门槛 电压 UTO ），正向电流才开始明显增加，处于稳定导 通状态。与正向电流 IF 对应的功率二极管两端的电压 UF即为其正向电压降。当功率二极管承受反向电压时， 只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。 2. 动态特性
第1章第13页
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： 单极型器件 —— 由一种载流子参与导电的器 件， MOS， 肖特基二极管
双极型器件 —— 由电子和空穴两种载流子参 与导电的器件，晶体管，晶闸管， IGBT
复合型器件 —— 由单极型器件和双极型器件 集成混合而成的器件， MOS控制晶闸管等
第1章第11页
(3) 全控型器件——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 功率晶体管(Giant Transistor)
绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor—— IGBT）
电 力 场 效 应 晶 体 管 （ Power MOSFET ， 简 称 为 电 力 MOSFET） 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor — GTO）
NÐ Í Ç ø
Õ ¼ ¿ ä µ ç º É Ç ø
图1-2 PN结的形成
PN结的正向导通状态
正向偏置时， 外电路起到减小内电场的作用， 载流子移动更容 易。电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低， 维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态
第1章第19页
PN结的反向截止状态 反向偏置时, 多数载流子向电极移动, 耗尽层增加, 只有极少的电流流过, 呈现阻断状态 PN结的单向导电性 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 有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿
因结电容的存在，状态之间的转换必然有一个过 渡过程，此过程中的电压—电流特性是随时间变化 的。
第1章第25页
开关特性——反映通态和断态之间的转换过程 关断过程： 须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能 力，进入截止状态 在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明 显的反向电压过冲
IF UF tF t0 diF dt td trr t1 diR dt IRP a) URP u i tf t2 UR t 2V 0 b) uF tfr t UFP iF
3. 反向重复峰值电压URRM
指对功率二极管所能重复施加的反向最高峰值 电压 使用时，往往按照电路中功率二极管可能承受 的反向最高峰值电压的两倍来选定