清华大学-电力电子器件原理与应用课程讲义1

电力半导体器件原理与应用

简介

•目标

▫学习电力半导体器件的基本概念

▫掌握电力半导体器件应用的基本方法▫提高分析与解决问题的能力

•方法

▫讲授与实验相结合

▫双向教学（课堂讨论）

简介

•计分

▫平时作业×25%

▫试验成绩×15%

▫期末考试×60% （开卷考试）

•参考

▫李序葆等《电力电子器件及其应用》▫Stefan Linder 著肖曦李虹译《功率半导体-器件与应用》▫三菱IGBT 应用说明

▫《电力半导体器件原理与应用》，十一后出版

目录

•电力半导体器件的基本功能和用途

•电力半导体器件的基本分类和应用

•di/dt 和dv/dt 在电力半导体中的特殊意义

•

电力半导体器件的发展

•半导体与导体、绝缘体导电行为的差别

•能带论的通俗解释

•半导体的原子结构和晶体结构

•

半导体的导电特点

目录

•半导体材料的物理知识

•PN 结物理基础（功率二极管）

•PN 结的相互作用（三层两结，IGBT ）

•PNPN 结构的导电行为（四层三结，GTO 等）

•金属－氧化物－半导体结构的物理现象（MOS ）•

结型场效应现象

目录

•双稳态和双瞬态的基本工作状态

•阻断状态参数

导通状态参数•开通过程参数

关断过程参数

•恢复过程参数

•驱动（触发）参数

•机械特性及参数

•热特性及参数

•

安全工作区和其它参数

目录

•“失效”的通论

•恢复损坏

•di/dt 损坏

•dv/dt 损坏

•

失效范例分析

•用于电路仿真中的电力半导体器件数学建模

•基于电力半导体特性的变换器基本拓扑单元

•

电力半导体器件吸收电路关键参数设计及优化

目录

•Half bridge driving and switching test on IGBT •

L-series IPM application / FO Protection Test

•日本三菱电机半导体制作部专家

•德国专家讲座

•

国内专家讲座（根据安排）

第一章绪

论

电力电子器件原理与应用课程讲义

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1、电力半导体器件的基本功能和用途•电力电子技术是有效地使用半导体器件，应用电路和设计理论以及分析方法工具，实现对电能的高效变换和控制的一门技术，它包括电压、电

流、频率和波形等方面的变换。

1、电力半导体器件的基本功能和用途•电力电子技术的纪元始于1956年普通晶闸管的问世（美国GE 公司），由于其功率处理能力的突破，从电子技术中分立出来，形成

电力电子技术（剩余的称为微电子技术）。

第一阶段•1956－1980

•以晶闸管为核心，半控型，移相控制，分离元件；传统电力电子技术。

第二阶段•1980－现在

•以全控型器件为核心，集成化、高频化、多功能化；现代电力电子技术。

1、电力半导体器件的基本功能和用途•电力电子半导体器件的开关特性

1、电力半导体器件的基本功能和用途

•几个观点

“一代器件决定一代电力电子技术”电力半导体器件是电力电子技术的基础和源头。

“能量过渡过程”

电力半导体器件为开关器件，相当于信号电路中的A/D 采样，称之为能量采样。“PN 结及PN 结之间的关系是半导体器件特性的基础”器件的可靠性决定装置和系统的可靠性，器件与变换器其他元素的互动。

2、电力半导体器件的基本分类和应用•

根据可控程度

•开关状态由电力线路决定

电力二极管

•开通由控制信号决定•关断由电力线路决定

普通晶闸管

•开通与关断均由控制决定

•如BJT 、MOSFET 、GTO 、IGBT 、IGCT

全可控

2、电力半导体器件的基本分类和应用器件种类

基本工况额定电流的定义相对关系二极管、晶闸管

不控/可控整流正弦半波在全波内的平均值I 1双向晶闸管

全波调压正弦全波有效值 2.22I 1GTO 、IGCT 逆变、斩波等最大可关断电流

3.14I 1

BJT 、MOSFET 、IGBT 、IEGT 等

开关工况持续通过的直流电流值（2-3）I 1•不同器件的额定电流定义不同

2、电力半导体器件的基本分类和应用器件种类

载流子性质载流子运行特点恢复过程单极器件

只含一种载流子工作类似导体无恢复过程双极器件含两种载流子工作与导体性质不同有恢复过程

•

根据载流子性质

•功率MOSFET 、肖特基势垒二极管

单极器件

•整流二极管、晶闸管，BJT 、GTO

双极器件

•IGBT 、IGCT 、IEGT 混合器件

功率二极管Power Diode

4500V/800A press-pack and 1700V/1200A module diodes

可控硅整流器Silicon Controlled Rectifier，SCR

4500V/800A and 4500V/1500A SCRs