2.电力电子器件 (1)-概述及不可控器件

通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断， 电力场效应晶体管（电力MOSFET） 又称自关断器件。
门极可关断晶闸管（GTO）
绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 （ Insulated-Gate Bipolar Transistor——IGBT）
3) 不可控器件
电力二极管（Power Diode） 不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱 只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的 动电路。 电压和电流决定的。
内电场E N型半导体
2- 26
(Power Electronics)
P型半导体
－ － － － － －
－ － － － － － － － － － － － － － － － － －
+ + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散的结果是使空间电 荷区更窄
空间电荷区， 也称耗尽层。
半控型器件——晶闸管
第四节
第五节
典型全控型器件
其他新型电力电子器件
第六节
电力电子器件的串联和并联使用
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本章内容和学习要点
介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数 以及选择和使用中应注意的一些问题。最重要的是掌 握其基本特性。 了解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，这是在实际中正确应用电力电 子器件的两个基本要求。 本章内容需要在全部课程学完后才能得到深入理解！
子器件的驱动电路。
(4)为保证不致于因损耗产生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。
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2.1.1 电力电子器件的概念和特征
2- 8
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GTR
T O C T R G 型 晶闸管 TR LT IA T 电力二极管 C
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2.2 不可控器件—电力二极管(Power Diode)
2- 22
(Power Electronics)
电力二极管结构和原理简单，工作可靠，自20世纪
50年代初期就获得应用。
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。
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2.1.3 电力电子器件的分类
2- 19
(Power Electronics)
按照驱动电路信号的性质，分为两类：
电流驱动型
电压驱动型
——通过从控制
端注入或者抽出电流 来实现导通或者关断 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 实现导通或者关断的 控制。
V2
主电路
电气隔离 图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
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2.1.2 应用电力电子器件的系统组成
2- 11
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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导通
扩散运动 武汉科技大学信息科学与工程学院
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PN 结正向偏置
变薄 － + + + +
内电场被削弱，多子 的扩散加强能够形成 较大的扩散电流。
+
－
_ N
P
－ －
外电场
内电场
E
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R
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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。 主要指半导体器件 (采用的主要材料仍然是硅) 。
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2.1.1 电力电子器件的概念和特征
2- 5
(Power Electronics)
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2.1.1 电力电子器件的概念和特征
2- 7
(Power Electronics)
(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
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
2- 6
(Power Electronics)
(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，有时甚至上 升为第一位的重要问题。 作电路分析时，为简单往往用理想开关代替电力电 子器件。
PN结与电力二极管的Biblioteka Baidu作原理 电力二极管的基本特性 电力二极管的主要参数

电力二极管的主要类型及应用
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2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 1、功率二极管的结构
2- 24
(Power Electronics)
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
2.1.3 电力电子器件的分类
2- 18
(Power Electronics)
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。 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定 2) 全控型器件
晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件
1) 2)
3)
复合型器件
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2.1.3 电力电子器件的分类
肖特基势垒二极管 型
2- 21
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图1-42
（
(Power Electronics)
混 合 IGBT 型
（
MCT
双 极
SITH
功率MOSFET 单 功率SIT 极
复 合 型
电力电子器件的损耗 通态损耗 (导通时器件上有一定的通态压降。)
主要损耗 断态损耗 (阻断时器件上有微小的断态漏电流流过)
开通损耗 关断损耗 武汉科技大学信息科学与工程学院
开关损耗
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2.1.1 电力电子器件的概念和特征
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快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频 整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可 替代的地位。
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2.2 不可控器件—电力二极管(Power Diode)
2- 23
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PN 结反向偏置
变厚
－ + + + +
_ P
－ － －
内电场被加强，多子的 扩散受抑制。少子漂移 加强，但少子数量有限， 只能形成较小的反向电 流。
N
+
内电场 外电场
E
R
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或关断，来完成整个系统的功能。
检测电路：电压传感器PT、电流传感器CT。
电气隔离：通过光、磁等来传递信号。
保护电路：过压保护、过流保护。
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电 力 电 子 装 置 结 构 图 （ 正 面 内 部 ）
结构
外型
符号
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电力电子器件 内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空 电 间电荷区变宽。 力
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PN结具有单向导电性： 漂移运动
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2.1.2 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、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。
控 制 电 路 检测 电路 保护 电路 驱动 电路
2- 10
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V1 L R
在主电路和 控制电路中 附加一些电 路，以保证 电力电子器 件和整个系 统正常可靠 运行
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(Power Electronics) 2- 1 电 力 电 子 技 术
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第2章 电力电子器件
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(Power Electronics) 2- 2 电 力 电 子 技 术
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第一节
电力电子器件概述
第二节
第三节
不可控器件——电力二极管
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2.1.3 电力电子器件的分类
2- 20
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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 双极型器件 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 武汉科技大学信息科学与工程学院
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电力电子装置结构图（控制部分）
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只能看到散热器！
电力电子装置结构图（主回路部分）
2- 15
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2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
2- 29
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PN结的状态
状态 参数 电流 电压 阻态 正向导通 正向大 维持1V 低阻态 反向截止 几乎为零 反向大 高阻态 反向击穿 反向大 —— ——
•
• •
二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性
电力电子器件的一般特征： (1) 能够处理电功率的大小，即承受电压和
电流的能力是电力电子器件最重要的参数。
其处理电功率的能力小至毫瓦（ mW ）级，
大至兆瓦（=1000kW, MW）级, 大多都远大于处
理信息的电子器件。
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PN结的反向击穿分为：雪崩击穿(电压高)、齐纳击 穿 雪崩击穿和齐纳击穿均可能导致热击穿(烧毁)
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2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
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电 力 电 子 装 置 结 构 图 （ 背 面 内 部 ） 武汉科技大学信息科学与工程学院
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2- 3
(Power Electronics)
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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
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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。
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电力电子装置结构图（变压器部分）
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电力电子装置结构图（驱动与保护部分）
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