【大学课件】【电力电子技术】第2章_电力电子器件(08.11)
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《电力电子技术》PPT 第2章
图2-12 射极接地NPN型晶体管的静特性
图2-13 射极接地型晶体管电路图
小型晶体管最主要功能是作为线性放大器来使用，而功率 晶体管的主要是用于开关，充分发挥其功耗小、无触点的 优点。 图2-15为双极型晶体管的开关动特性。该特性对其它器件如 MOSFET、IGBT、SCR、GTO均适用。因为，它们都要考 虑电荷蓄积时间造成开关时间滞后的问题，不同的元件只 是滞后时间大小不同而已。图中输入信号为基极电流，输 出波形是指集电极电流与时间的关系。
图2-22 IGBT兼有BJT和MOS的优点
由图2-24（a）的IGBT的等效电路可见，IGBT是 以BJT为主导元件、MOS为驱动元件的达林顿结 构器件。其电路图符号如图2-24（b）所示。
图2-22 IGBT等效电路
2.2.4 晶闸管 1 普通晶闸管
晶闸管是四层（PNPN）三端（AKG）器件。A是阳极， K为阴极，G为门极。它有三个PN结J1、J2、J3。在一 般情况下，由于器件存在着反向PN结，因而，无论是承 受正压还是反压，器件均不能导通。
下面再解释一下图2-8（c），如果在PN结上 加与图2-7相反极性的电压，则在结合面上电 位壁垒将大大提高，该结合面仿佛变成了一 个电容器，使得电流不可能再流通。当然， 严格的说，也有接近0的微安级漏电流流过， 此电流称为反向电流。
2.2.3 电力晶体管
电力晶体管根据产生主电流载流子不同分为双极 型和单极型两类。前者载流子为空穴和电子，后 者只是电子（或空穴）。 单极型晶体管是在控制极加上电压形成电场，进行 电流控制。这类晶体管又称场效应晶体管（field effect transistor）简称FET，在后面章节还要详述。
2.4 电力电子器件的模块化
模块是在单个元件基础上发展起来的新器件， 它是有若干个半导体芯片按不同的用途和目的 进行接线后，封装成一个块状整体。90年代已 经开始普及，除少数超大功率器件外，一般中 小功率器件均模块化。其优点是外部接线简单， 抗干扰能力增强。
电力电子技术课件第二章_电力电子器件 (2)
电力电子技术
2019/3/31
5
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
■电力电子器件的特征 ◆所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流 的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息 的电子器件。 ◆为了减小本身的损耗，提高效率，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。 ◆自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其 工作时一般都需要安装散热器。
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——电力二极管 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 电力电子器件的驱动要求 2.7 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
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
电力电子技术
2019/3/31
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2.1.1 电力电子器件的概念和特征
■电力电子器件的概念 ◆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。 ☞主电路：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。 ☞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，目前往往专指电力半导体器件。
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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。
电力电子技术第二章电力电子器件课件
2.2.3 晶闸管基本特性
1. 晶闸管静态伏安特性
图2.4 晶闸管的伏安特性
2.2.3 晶闸管基本特性
1) 正向伏安特性 晶闸管在门极开路(IG=0)的情况下，在阳极与阴极间施加 一定的正向阳极电压，器件也仍处于正向阻断状态，只有 很小的正向漏电流流过。 外加的阳极正向电压在其转折电压以下时，只要在门极注 入适当的电流(一般为毫安级)，器件也会立即进入正向导 通状态 。
图2.5 晶闸管门极伏安特性
2.2.3 晶闸管基本特性
2. 晶闸管动态特性 1) 晶闸管开通过程
第一阶段：延迟阶段。所需时间为延迟时间td。从门极 电流iG阶跃时刻开始，到阳极电流iA上升到稳态电流的 10％所需的时间。在这一期间，晶闸管的正向压降略有 减小。 第二阶段：上升阶段。此阶段所需时间为上升时间tr。 阳极电流从稳态值的10％上升到90％所需的时间。在该 阶段，伴随着阳极电流迅速增加，器件两端的压降uAK 也迅速下降。 第三阶段：扩散阶段。所需时间为扩散时间tex。它是阳 极电流上升到90%之后载流子在整个芯片面积上分布的 过程，最终使iA上升到100%稳态值，器件压降达到稳 定值。
2.2.3 晶闸管基本特性
4) 断态电压临界上升率du/dt 因此过高的du/dt，会产生对J2结过大的充 电电流，可能造成晶闸管的误导通。
图2.8 位移电流产生示意图
2.2.3 晶闸管基本特性
5) 晶闸管的动态损耗 晶闸管在低频运行时，由于主要工作于稳定阻断 或导通状态，其开、关过程时间相对较短，该阶 段产生的损耗可以忽略。该阶段的损耗主要是由 通态压降与阳极电流，以及阻断电压和断态漏电 流产生的静态损耗。这种损耗是晶闸管低频运行 时结温升高的主要因素。 然而，晶闸管在高频运行时，晶闸管开关过程时 间占了很大成分，开关过程中晶闸管的压降和电 流值都较大，产生的损耗更是不容忽略的，这部 分损耗称作动态损耗。
电力电子技术基础课件：电力电子器件
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2.1 电力电子器件概述
3、电力电子器件的分类
2）按照控制信号的性质分：
电流驱动型：SCR、GTO、GTR； 电压驱动型：MOSFET、IGBT。
3）按照控制信号的信号波形分：
脉冲触发型
电平控制型
4）按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分：
单极型器件
双极型器件
复合型器件 11
思考：晶闸管的出现带来了电气工程领域的哪些变化？
对人类生活社会产生了哪些影响？
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2.3半控型电力电子器件-晶闸管
1、晶闸管的结构
晶闸管为“三端四层”结构。
“三端”指外部有三个极：阳极A，阴极K，门极G；
“四层”指内部有“四层三个PN结”,即四层半 导体P1、N1、P2、N2形成三个PN结。
不论阳极和阴极间施加什么样的电压，总 有PN结被反向偏置，SCR不会导通。
电路3：阳极与阴极之间经指示灯与负电源相连， 门极接负电源，指示灯不亮；
电路4：阳极与阴极之间经指示灯与负电源相连， 门极接正电源，指示灯不亮。
由电路3和电路4知，当晶闸管阳极和阴 极之间施加负电压时，无论门极施加什么样的 电压，晶闸管不会导通。
27
2.3半控型电力电子器件-晶闸管
2、晶闸管的开通与关断条件
电力二极管的主要参数有额定电压、额定电流、结温、管压降等。 1）额定电压
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。
在使用时，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，并增加一定的安全裕量，如下式：
式中 （2~3）——电压安全裕量；UDM——二极管承受的最大峰值电压。19
那么晶闸管怎么能关断呢？
28
《电力电子技术》PPT课件
可控硅时代
通过控制电流导通角，实现电 压和功率的调节。
现代电力电子时代
以IGBT、MOSFET等为代表 ，实现高效、快速的电能转换
。
电力电子技术的应用领域
电力系统
用于高压直流输电、无 功补偿、有源滤波等， 提高电力系统的稳定性
和效率。
电机驱动
用于电动汽车、电动自 行车、电梯等电机驱动 系统，实现高效、节能
照明控制
通过电力电子技术可实现 对照明设备的调光和调色 ，提高照明质量和节能效 果。
加热与焊接
电力电子技术可用于控制 加热设备的功率和温度， 实现精确控温和高效能焊 接。
交通运输应用
电动汽车驱动
电力电子技术是电动汽车 驱动系统的核心，可实现 高效能、低排放的驱动控 制。
轨道交通牵引
通过电力电子技术可实现 轨道交通车辆的牵引控制 和制动能量回收。
交流-交流变流电路的工作原理
通过电力电子器件的开关作用，改变输入交流电 的电压和频率，得到所需的输出交流电。Fra bibliotekABCD
交流-交流变流电路的分类
变频电路、变压电路等。
交流-交流变流电路的应用
电机调速、风力发电、太阳能发电并网等。
一般工业应用
01
02
03
电机驱动
电力电子技术可用于控制 电机的速度和转矩，提高 电机的效率和性能。
通过求解系统微分方程或差分方程，得到系统输 出与输入之间的关系，进而分析系统性能。
频域分析法
利用傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，通 过分析系统频率响应特性来评估系统性能。
3
状态空间分析法
通过建立系统状态空间模型，分析系统状态变量 的变化规律，从而研究系统的稳定性和动态性能 。
电力电子技术第二章 全控型电力电子器件
图2-7 GTR的安全工作区
第三节 功率场效应晶体管
功率场效应晶体管简称功率MOSFET，它是对小功率场效应晶体管 的工艺结构进行改进，在功率上有所突破的单极型半导体器件，属于 电压控制型，具有驱动功率小、控制电路简单、工作频率高的特点。
一、功率场效应晶体管的结构与工作原理
1.功率场效应晶体管的结构 由电子技术基础可知，小功率场效应晶体管的栅极G、源极S和漏极 D位于芯片的同一侧，导电沟道平行于芯片表面，是横向导电器件， 这种结构限制了它的电流容量。功率场效应晶体管采取两次扩散工 艺，并将漏极D移到芯片的另一侧表面上，使从漏极到源极的电流 垂直于芯片表面流过，这样有利于减小芯片面积和提高电流密度。 这种由垂直导电结构组成的场效应晶体管称为VMOSFET。
第二节 电力晶体管
(1)放大区(线性区) 其特点是发射结正偏，集电结反偏，集电极与 基极电流呈线性关系。 (2)饱和区 其特征是发射结、集电结都正偏。 (3)准饱和区(临界饱和区) 其特征是集电结反偏，发射结正偏，但 集电极电流与基极电流不是线性关系。 (4)截止区 发射结、集电结反偏，IB为零。 电力晶体管在变流技术应用中作为开关使用，往返工作于饱和区、 截止区。在状态转换过程中，快速地通过放大区及准饱和区。
三、电力晶体管的额定参数
1.最高工作电压 最高工作电压即最高集电极电压额定值，它不仅因器件不同而不同， 而且即便是同一器件，也会由于基极电路条件不同而存在差异。在 晶体管产品目录中BUCEO作为电压容量给出，但不能仅以此项指标 确定晶体管实际工作时的工作电压上限。
2.最大电流额定值ICM 最大电流额定值ICM即允许流过集电极的最大电流值。为了提高GTR 的输出功率，集电极输出电流应尽可能地大。但是集电极电流大，则 要求基极注入的电流也大，这样会使GTR的电气性能变差，甚至于损 坏器件。使用中通常只用到ICM的(1/3～1/2)，以确保使用的稳定与 安全。
第三节 功率场效应晶体管
功率场效应晶体管简称功率MOSFET，它是对小功率场效应晶体管 的工艺结构进行改进，在功率上有所突破的单极型半导体器件，属于 电压控制型，具有驱动功率小、控制电路简单、工作频率高的特点。
一、功率场效应晶体管的结构与工作原理
1.功率场效应晶体管的结构 由电子技术基础可知，小功率场效应晶体管的栅极G、源极S和漏极 D位于芯片的同一侧，导电沟道平行于芯片表面，是横向导电器件， 这种结构限制了它的电流容量。功率场效应晶体管采取两次扩散工 艺，并将漏极D移到芯片的另一侧表面上，使从漏极到源极的电流 垂直于芯片表面流过，这样有利于减小芯片面积和提高电流密度。 这种由垂直导电结构组成的场效应晶体管称为VMOSFET。
第二节 电力晶体管
(1)放大区(线性区) 其特点是发射结正偏，集电结反偏，集电极与 基极电流呈线性关系。 (2)饱和区 其特征是发射结、集电结都正偏。 (3)准饱和区(临界饱和区) 其特征是集电结反偏，发射结正偏，但 集电极电流与基极电流不是线性关系。 (4)截止区 发射结、集电结反偏，IB为零。 电力晶体管在变流技术应用中作为开关使用，往返工作于饱和区、 截止区。在状态转换过程中，快速地通过放大区及准饱和区。
三、电力晶体管的额定参数
1.最高工作电压 最高工作电压即最高集电极电压额定值，它不仅因器件不同而不同， 而且即便是同一器件，也会由于基极电路条件不同而存在差异。在 晶体管产品目录中BUCEO作为电压容量给出，但不能仅以此项指标 确定晶体管实际工作时的工作电压上限。
2.最大电流额定值ICM 最大电流额定值ICM即允许流过集电极的最大电流值。为了提高GTR 的输出功率，集电极输出电流应尽可能地大。但是集电极电流大，则 要求基极注入的电流也大，这样会使GTR的电气性能变差，甚至于损 坏器件。使用中通常只用到ICM的(1/3～1/2)，以确保使用的稳定与 安全。
电力电子技术 PPT课件第2章 电力电子器件
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5s以上 。 ☞其正向电流定额和反向电压定额可以达到
很高。
29/21
2.2.4 电力二极管的主要类型
◆快恢复二极管（Fast Recovery Diode——FRD） ☞恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一
般在5s以下） 。
14/21
2.2 不可控器件——电力二极管·引言
■电力二极管（Power Diode）自20世纪50年代初期就获 得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电 力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。
■在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少 的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基 二极管，具有不可替代的地位。
2/21
主要内容
2.1 电力电子器件概述 2.2 不可控器件——电力二极管 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
本章小结
引言
■模拟和数字电子电路的基础 ——晶体管和集成电路等电子器件
电力电子电路的基础 ——电力电子器件
■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。
13/21
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
11/21
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。
很高。
29/21
2.2.4 电力二极管的主要类型
◆快恢复二极管（Fast Recovery Diode——FRD） ☞恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一
般在5s以下） 。
14/21
2.2 不可控器件——电力二极管·引言
■电力二极管（Power Diode）自20世纪50年代初期就获 得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电 力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。
■在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少 的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基 二极管，具有不可替代的地位。
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主要内容
2.1 电力电子器件概述 2.2 不可控器件——电力二极管 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
本章小结
引言
■模拟和数字电子电路的基础 ——晶体管和集成电路等电子器件
电力电子电路的基础 ——电力电子器件
■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。
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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
11/21
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。
电力电子技术第二章
电
力
电
子
技
术
2．2 电力电子器件基础
1．PN结的形成
完全纯净的、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。在常温下，本征 半导体可以激发出少量的自由电子，并出现相应数量的空穴，这两种不同极 性的带电粒子统称为载流子。 用适当的方法在本征半导体内掺入微量的杂质，会使半导体的导电能力 发生显著的变化，这种半导体称为杂质半导体。因掺入杂质化合价的不同， 杂质半导体分为电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体两类。 N型半导体的杂质为五价元素，在半导体晶体中能给出一个多余的电子， 故N型半导体内自由电子数远大于空穴数，则自由电子称为多数载流子（简 称多子），空穴称为少数载流子（简称少子）。而P型半导体中的杂质为三 价元素，能在半导体晶体中接受电子，使晶体中产生空穴，即P型半导体中 的空穴数远大于自由电子数，则空穴称为多数载流子，自由电子称为少数载 流子。
电
力
电
子
技
术
2．2．2电力电子器件的封装
图2-2是电力电子器件几种常见的封装形式
TO-220
TO-247
SOT-227
TO-64
TO-209
电
力
电
子
技
术
2．3 功率二极管
功率二极管（Power Diode） 属于不可控电力电子器件，是20世 纪最早获得应用的电力电子器件， 它在整流、逆变等领域都发挥着重 要的作用。基于导电机理和结构的 不同，二极管可分为结型二极管和 肖特基势垒二极管。 二极管的基本结构是半导体 PN结，具有单向导电性，正向偏 臵时表现为低阻态，形成正向电流， 称为正向导通；而反向偏臵时表现 为高阻态，几乎没有电流流过，称 为反向截止。
电
电力电子技术完整版全套PPT电子课件
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contents
目录
• 电力电子技术概述 • 电力电子器件 • 电力电子电路 • 电力电子技术的控制策略 • 电力电子技术的实验与仿真
01
电力电子技术概述
电力电子技术的定义与发展
定义
电力电子技术是一门研究利用半 导体器件对电能进行变换和控制 的科学。
发展历程
饱和压降等特性
05
广泛应用于电机控制、电源转
换等领域
06
03
电力电子电路
整流电路
整流电路的工作原理
介绍整流电路的基本工作原理，包括 半波整流、全波整流和桥式整流等。
整流电路的应用
列举整流电路在电力电子领域的应用 ，如电源供应器、电池充电器和电机 驱动器等。
整流电路的类型
详细阐述不同类型的整流电路，如单 相半波整流电路、单相全波整流电路 、三相半波整流电路和三相全波整流 电路等。
光调光器和电加热温度控制器等。
一般工业应用
01
02
03
电动机控制
利用电力电子技术实现对 电动机的启动、调速、制 动等控制，提高工业生产 效率。
电热控制
通过电力电子技术对电热 设备进行控制，实现精确 的温度控制和节能效果。
照明控制
利用电力电子技术研发的 照明控制系统，可实现对 照明设备的智能控制和节 能管理。
。
应用领域
适用于对控制精度要求不高、成 本敏感的场合，如某些电源管理
、电机驱动等。
优缺点分析
优点在于实现简单、成本低；缺 点在于控制精度低、易受干扰、
调试困难。
数字控制技术
原理与特点
基于数字电路和微处理器实现控制，具有控制精度高、灵活性好 、易于实现复杂控制算法等特点。
contents
目录
• 电力电子技术概述 • 电力电子器件 • 电力电子电路 • 电力电子技术的控制策略 • 电力电子技术的实验与仿真
01
电力电子技术概述
电力电子技术的定义与发展
定义
电力电子技术是一门研究利用半 导体器件对电能进行变换和控制 的科学。
发展历程
饱和压降等特性
05
广泛应用于电机控制、电源转
换等领域
06
03
电力电子电路
整流电路
整流电路的工作原理
介绍整流电路的基本工作原理，包括 半波整流、全波整流和桥式整流等。
整流电路的应用
列举整流电路在电力电子领域的应用 ，如电源供应器、电池充电器和电机 驱动器等。
整流电路的类型
详细阐述不同类型的整流电路，如单 相半波整流电路、单相全波整流电路 、三相半波整流电路和三相全波整流 电路等。
光调光器和电加热温度控制器等。
一般工业应用
01
02
03
电动机控制
利用电力电子技术实现对 电动机的启动、调速、制 动等控制，提高工业生产 效率。
电热控制
通过电力电子技术对电热 设备进行控制，实现精确 的温度控制和节能效果。
照明控制
利用电力电子技术研发的 照明控制系统，可实现对 照明设备的智能控制和节 能管理。
。
应用领域
适用于对控制精度要求不高、成 本敏感的场合，如某些电源管理
、电机驱动等。
优缺点分析
优点在于实现简单、成本低；缺 点在于控制精度低、易受干扰、
调试困难。
数字控制技术
原理与特点
基于数字电路和微处理器实现控制，具有控制精度高、灵活性好 、易于实现复杂控制算法等特点。
电力电子技术课件 第2章
控制方式：相位控制 触发角 输出直流电压平均值
1
第2章
相控整流电路
整流电路的分类：
按器件组成：不可控、半控、全控 按电网、交流电相数：单相、三相、多相
按接线方式：半波、全波
2
第2章
相控整流电路
整流电路形式繁杂，重点掌握：
电路拓扑
控制策略
工作原理、波形分析
数量关系
3
第2章
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7
平均值Ud越接近零，输出的直流电流平均值也越小。
18
为避免Ud太小，在整流电路的负载两端并联续流二极管
T a) u1 u2 VT id uVT iVD ud
R
L
VDR R u2 b) O ud c) O id d) O i VT e) O iVD f) O uVT g) O
R
t1
t
t
Id
3) α<ωt<α+θ区域
t
0
t
16
1 1 1 Ud u2d(t ) 2π uR d(t ) 2π uLd(t ) 2π
1 L 0 uL d(t ) 2π 0 di 0 2π
Ud UR
电感元件的一个重要特性：在稳态条件下，电感两端 的电压平均值恒等于零。换言之，在一个周期内，电 感储存的能量等于释放的能量。
sin 2 IVT I 2 2 4
晶闸管在工作中可能承受的最大正、反向电压为电源 电压的峰值
11
变压器二次侧有功功率、视在功率、功率因数
P I R UI
电力电子技术课件-第2章、电力电子器件
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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)
t
fr
t
图2-6 电力二极管的动态过程波形
用Sr表示。
21
2.2.2 电力二极管的基本特性
◆开通过程：由零偏置转换为 正向偏置 ☞先出现一个过冲UFP，经 过一段时间才趋于接近稳态 压降的某个值（如2V）。 ☞正向恢复时间tfr ☞出现电压过冲的原因: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；正向电流的上升会因器件 自身的电感而产生较大压降。
2
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
3
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
1）概念: 电力电子器件（Power Electronic Device）
——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电 子器件。
J
b) K
A
c)
a)
图1-2 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
电力二极管在本质 上是一个PN节， 只是加上电极引线、 管壳封装。PN节 的工作原理已经在 模拟电子技术课程 中涉及，不再展开 讨论。
《电力电子技术 》课件
电机控制
电机控制是指通过电力电子技术实现对电机速度 、方向和位置的精确控制。
电机控制广泛应用于工业自动化、交通运输、家 用电器等领域，如变频空调、电动汽车等。
电机控制有助于提高能源利用效率，降低能耗， 实现更智能化的生产和制造。
新能源发电系统
新能源发电系统是指利用可再生能源进行发电 的系统，如太阳能、风能等。
、更高可靠性和更小体积的方向发展。
系统集成和智能化的发展
系统集成
随着电力电子系统规模的不断扩大，系统集成成为了一个重要的研究方向，通过将多个电力电子模块集成在一个系统 中，可以实现更高的功率密度和更小的体积。
智能化
智能化是电力电子技术的另一个重要发展方向，通过引入人工智能和机器学习等技术，可以实现电力电子系统的自适 应控制和智能管理，提高系统的稳定性和可靠性。
针对高效能转换的挑战，需要不断研 究和开发新的电力电子器件、电路拓 扑和控制策略，以实现更高的转换效 率和更低的能耗。
技术瓶颈
目前电力电子技术面临的主要挑战是 如何进一步提高转换效率，降低能耗 ，以满足不断增长的高效能转换需求 。
新材料和新技术的发展
01
新材料的应用
随着新材料技术的不断发展，新型半导体材料如碳化硅（SiC）和氮化
电力电子技术的应用实例
不间断电源（UPS）
不间断电源（UPS）是一种能够提供持续电力供应的电源设备，主要用于保护重要 设备和数据免受电力中断的影响。
UPS通过使用电力电子转换技术，将电池或其他形式的储能装置与电网连接，确保 在电网故障或停电时，能够继续为设备提供稳定的电力。
UPS在医疗、金融、通信等领域有广泛应用，对于保证关键设备和服务的正常运行 至关重要。
详细描述
《电力电子技术》PPT第2章
《电力电子技术》PPT第2章2.4电力电子器件的模块化模块是在单个元件基础上发展起来的新器件，它是有若干个半导体芯片按不同的用途和目的进行接线后，封装成一个块状整体。
90年代已经开始普及，除少数超大功率器件外，一般中小功率器件均模块化。
其优点是外部接线简单，抗干扰能力增强。
2.5 智能电力电子模块（IPM）IPM（IntelligentPowerModule）智能电力电子模块是功率集成电路PIC（PowerIntegratedCircuits）的一种。
一类称为高压集成电路，简称HVIC，它是横向高耐压电力半导体器件与控制电路的单片集成；另一类即IPM，它是纵向电力半导体器件与控制电路保护电路以及传感器电路等多功能集成。
由于高度集成化使模块结构十分紧凑，避免了由于分布参数、保护延迟等带来的一系列技术难题，使变频器的可靠性得到进一步提高。
IPM的智能化表现为可以实现控制、保护、接口三大功能，构成混合式电力集成电路。
2.6全控型电力电子器件的比较1电压、电流的比较图2-45电压、电流的比较2性能的比较200200200200125150最高工作结温（℃）中等高高高低中等di/dt高高高高低中等du/dt中等低低很低中等高门栅极驱动功耗100200×10320×103501050最大开关速度（kHz）10倍额定值5倍额定值5倍额定值5倍额定值10倍额定值3倍额定值浪涌电流耐压量100～500306604030正向导通电流密度（A/cm2）220200100～12400～1003500400正向电流范围（A）500～450050～150050～1000200～2500500～9000100～1400正向阻断电压范围（V）500～450000200～2500500～6500<50反向电压阻断能力（V）导通/关断导通/关断阻断阻断阻断阻断常态电压电压电压电压电流电流控制方式S.ITHS.ITVDMOSIGBTGTOBJT器件名称2.7电力电子器件的相关技术1串并联技术图2-47直流输电用晶闸管变换装置的一个模块（桥式电路的一个臂）该模块均衡电路由以下几部分构成。
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A
G
KK
A A G
a)
P1
N1
J1
G
P2 N2
J2 J3
K b)
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
K G
A c)
2.晶闸管的工作原理
➢门级控制开通原理 A
当S闭和，形成门级电流
IG →Ib2→IC2=Ib1→IC1 G
↑------------↓
P1
N1 N1
P2
P2
N2
K
形成正反馈工作过程，很快使 a)
两个晶体管都转为饱和导通状态， 晶闸管开通。晶闸管开通后门级 失去控制作用。
A
IA
PNP
V1 G IG Ic1
Ic2 R
NPN V2
S
EA
EG
IK
K
b)
晶闸管的工作原理
➢ 阻断特性
① 正向阻断
UAK为正，IG=0
② 反向阻断
UAK为负，
A
P1
N1 N1
➢ 晶闸管的伏安 特性
第I象限的是正 向特性
第 III 象 限 的 是 反向特性
URSM URRM -UA
雪崩 击穿
IA 正向 导通
IH
IG2
IG1 IG=0
O
UDRM Ubo +UA
UDSM
-IA
晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
1) 正向特性
➢ IG=0时，器件两端施加正向电压，
正向阻断状态，只有很小的正向 漏电流流过，正向电压超过临界 极限即正向转折电压Ubo，则漏电 流急剧增大，器件开通。
（1-4）
G
P2
P2
N2
式中1和2分别是晶体管V1和V2
的电流增益； Ic0 是漏电流。
K
由以上式（1-1）~（1-4）可得
a)
A
IA
PNP
V1
G IGIc1 Ic0Fra bibliotekIc2
R
NPN V2
S
EA
EG
IK
K
b)
（1-5）
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
晶闸管的工作原理
使主电路电流 IA< IH 可实现关断
晶闸管的工作原理
几点结论： 具有单向导电性，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。 在承受正向电压时，可通过门极控制开通。 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 。
二. 晶闸管的基本特性
电力电子器件的分类
➢ 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
➢ 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：
G
P2
P2
N2
K a)
A
IA
PNP
V1 G IG Ic1
Ic2 R
NPN V2
S
EA
EG
IK
K
b)
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
晶闸管的工作原理
➢ 正向转折现象
Ic1=1 IA
（1-1）
A
Ic2=2 IK
（1-2）
P1
IK=IA+IG
（1-3）
N1 N1
IA=Ic1+Ic2 + Ic0
图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
二. 电力电子器件的概念和特征
➢ 电力电子器件的概念
✓ 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
✓ 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
功率二极管的主要类型
2. 快恢复二极管（Fast Recovery Diode——FRD）
✓ 恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5s以下）的二 极管，也简称快速二极管
✓ 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者 反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下， 甚至达到20~30ns。
功率二极管结构与原理
➢ 工作原理
￭ PN结的正向导通状态
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。
￭ PN结的反向截止状态
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。
二. 功率二极管的基本特性
静态伏安特性
晶闸管的伏安特性
晶闸管的基本特性
➢ 动态特性
晶闸管的开通和关断过程波形
1) 开通过程
➢ 延 迟 时 间 td：门极电流阶 跃时刻开始，到阳极电流 上 升 到 稳 态 值 的 10% 的 时 间。
➢ 上 10%升上时升间到tr ：稳阳态极值电的流90从% 所需的时间。
➢ 开通时间tgt以上两者之和，
1. 普通二极管（General Purpose 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 ✓ 其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关
频率不高时并不重要。 ✓ 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别
可达数千安和数千伏以上。
✓ 关断时间tq：trr与tgr之和， 即 tq=trr+tgr （1-7)）
普通晶闸管的关断时间 约几百微秒。
动态特性
晶闸管的开通和关断过程波形
三. 晶闸管的主要参数
1. 电压定额
1) 断态重复峰值电压UDRM
——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器 件上的最大正向峰值电压。
2) 反向重复峰值电压URRM
晶闸管的主要参数
2. 电流定额
1) 通态平均电流 ITa
——晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下， 稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正 弦半波电流在一个周期内的平均值。称为晶闸管的额 定电流。
—— 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器 件上的最大反向峰值电压。
3) 通态（峰值）电压UTM
——晶闸管通以某一规定倍 数的额定通态平均电 流时的瞬态峰值电压。
➢通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件 的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量,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。
一数值IH以下，则晶闸管又回到 正向阻断状态。IH称为维持电流。
-IA
晶闸管的伏安特性
晶闸管的伏安特性
2) 反向特性
➢ 晶闸管上施加反向电压时，伏安 特性类似二极管的反向特性。
➢ 晶闸管处于反向阻断状态时， 只有极小的反相漏电流流过。
➢ 当反向电压超过一定限度，到反 向击穿电压后，外电路如无限制 措施，则反向漏电流急剧增加， 导致晶闸管发热损坏。
2.1 电力电子器件的概述
2.1.1电力电子系统组成 2.1.2电力电子器件的概念和特征 2.1.3 电力电子器件的分类
一. 电力电子系统组成
➢ 电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电 子器件为核心的主电路及缓冲保护电路）组成
控
检测
电路
制
锁闭 电路
电
V 1 LR
驱动
路
电路
V 2 主 电 路
通➢ 过电控力制场信效号应晶既体可管控（制Po其we导r-M通O又SF可ET控）制其关断。
➢ 门极可关断晶闸管（GTO）
3）不可控器件 ➢➢不动电能功只电路用率有压。控二两和极 个 电制管 端信流子（决号，P定来o器w的控e件。r 的制Di通o其d和e通）断断是,由因其在此主也电就路不中需承受要的驱
➢ 结构、符号与外形 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 组成的。
从外形上看，主要有塑封、螺栓型和平板型三种封装
A
K A
a)
KA
K PN
I
J
b)
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
tgt=td+ tr （1-6）
普通晶闸管延迟时为 0.5~1.5s，
上升时间为
0.5~3s。
普通晶闸管开通时间
约：5 s
动态特性
晶闸管的开通和关断过程波形
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
三. 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
➢ 晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件
通➢过控器件制的信关号断可由以其在控主制电其路导中通承受而的不电能压控和制电流其决关定断。 2) 全控型器件
➢ 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 （ Insulated-Gate Bipolar Transistor——IGBT）
当：IG =0时 1和2很小 IA=IK≈IC0 正向阻断 当UAK↑→ IC0 ↑→ 1、2↑→IA↑ 当1+2 ≈1 时 IA急剧增大 当UAK达到某一电压，使晶闸管由阻断状态转为导