电力电子器件

电力电子器件

第二堂课是电力电子器件和功率二极管的概述。

2.1电力电子设备概述

2.1.1电力电子的概念

主电源电路——在电气设备或电力系统中直接承担转换或控制电能任务的电路。

电力电子设备——一种可直接用于主电路处理电能并实现电能转换或控制的电子设备。

广义地说，功率电子器件可以分为两类:电子器件和半导体器件。电动真空装置:自XXXX时代以来，真空阀仅用于高功率、高频率的高频电源(如微波)，而功率半导体器件已取代汞弧整流器、闸流管等电动真空装置成为绝对主力。因此，功率电子器件也经常被称为功率半导体器件。

硅仍然是功率半导体器件中使用的主要材料。

2.1.2电力电子设备的特性

与处理信息的电子设备相比，电力电子设备的一般特征是:

1)可处理的电量，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数。它处理电力的能力小到毫瓦级，大到兆瓦级，大多比处理信息的电子设备大得多。

2)电力电子设备通常工作在开关状态

导通时，阻抗(导通状态)非常小，接近短路，管上的电压接近零，电流由外部电路决定。

阻塞时，[关态]阻抗非常大，接近开路，电流几乎为零，管上的电压由外部电路决定。

电力电子器件的动态特性(即开关特性)和参数也是电力电子器件特性的非常重要的方面，有时甚至上升到第一个重要问题。

在电路分析中，理想的开关经常被用来代替电力电子设备。为了简单起见，电力电子设备通常由信息电子电路控制。

在主电路和控制电路之间，需要一个中间电路来放大控制电路的信号，控制电路是电力电子装置的驱动电路。

4)为了确保装置不会因散热引起的温度过高而损坏，不仅在装置中封装注重散热设计，散热器通常在工作时安装。

导通时，器件上有一定的导通压降，形成导通损耗。

在阻塞期间，小漏电流流过器件，形成关断状态损耗。

在器件导通或关断的切换过程中，会产生导通损耗和关断损耗，统称为开关损耗。

对于某些设备，驱动电路注入的功率也是设备发热的原因之一。通常，电力电子器件的漏电流很小，因此导通损耗是器件功耗的主要原因

当器件的开关频率较高时，开关损耗会增加，并可能成为器件功率损耗的主要因素。

2.1.3使用电力电子设备的系统组成

电力电子系统:由控制电路、驱动电路和主电路组成，以电力电子器件为核心。

控制电路驱动电路V2主电路检测电路V1LR

图1实际应用中电力电子设备的系统组成

控制电路根据系统的工作要求形成控制信号，驱动电路控制主电路中功率电子器件的开启或关闭，完成整个系统的功能。

一些电力电子系统也需要检测电路。广义地说，它通常被分类为一种控制电路，其电路不同于主电路，例如驱动电路，因此，粗略地说，电力电子系统由主电路和控制电路组成。

主电路中的电压和电流通常相对较大，而控制电路的元件只能承受相对较小的电压和电流。因此，在主电路和控制电路之间的连接路径上，例如驱动电路和主电路之间的连接、驱动电路和控制信号之间的连接以及主电路和检测电路之间的连接，通常需要电隔离，并且信号通过诸如光、磁等其他方式传输。

因为主电路通常具有电压和电流过冲，并且电力电子设备通常比主电路中的普通部件更昂贵，但是承受过电压和过电流的能力较低，因此，在主电路中

为了保证电力电子设备和整个电力电子系统的正常可靠运行，通常需要增加一些保护电路。

该装置通常有三个端子(或极或管角)，其中两个连接在主电路中，第三个端子称为控制端子(或控制极)。通过在其控制端子和主电路端子之间添加特定信号来控制设备的通断，主电路端子是驱动电路和主电路的公共端子，并且通常是主电路电流流出设备的端子。

2.1.4电力电子设备的分类

？根据器件受控制电路信号控制的程度，可分为以下三类:1)半控器件，它可以被控制开启，但不能被控制信号控制关闭

晶闸管及其大部分衍生物；器件的关断由它在主电路中接收的电压和电流决定。

2)全控制装置-可通过控制信号控制其开启或关闭，也称为自动关闭装置。

绝缘栅双极晶体管-IGBT功率MOSFET栅极-关断晶闸管-GTO 3)不受控制的设备-不可能用控制信号控制其开/关，因此不需要驱动电路。

功率二极管

只有两个端子，器件的开关由主电路中接收的电压和电流决定？根据驱动电路在设备的控制端和公共端之间施加的信号的性质，可以分为两种类型:1)电流驱动型，它通过从控制端注入或提取电流来实现开或关的控制

2)电压驱动型——只有在控制端和公共端之间施加一定的电压信号，才能实现开或关控制

3)电压驱动设备实际上被称为场控制设备或场效应设备，因为施加到控制端子的电压在设备的两个主电路端子之间产生可控电场，以改变流过设备的电流大小和开关状态

？根据器件中电子和空穴两个载流子参与传导的情况，可以分为三类:1)单极器件——一个载流子参与传导的器件；2)双极器件——电子和空穴两个载流子参与传导的器件；

3)复杂器件——由单极器件和双极器件集成而成的器件。

MCT混合(IGBT双西斯极功率金属氧化物半导体场效应晶体管功率单极性混合(GTR型TRG晶闸管肖特基势垒二极管功率二极管) 图1-42图2电力电子分类树

2.2不受控制的设备-功率二极管

2 . 2 . 1pn结和功率二极管的工作原理

自XXXX以来，功率二极管结构简单，工作可靠

它在这一代人的早期就被应用了。

快速恢复二极管和肖特基二极管分别在中高频整流和逆变、低压整流和高频整流中具有不可替代的地位。

功率二极管的基本结构和工作原理是基于半导体PN结，就像信息电子电路中的二极管一样。

就外观而言，该封装由大面积PN结、两端引线和封装组成。主要有两种类型的包装，螺栓型和板式，当然还有其他类型的包装。AKAIPJb)NKKAa)c)

图3功率二极管的外形、结构和电气图形符号

(a)出庭。b)结构c)电气图形符号

N型半导体和P型半导体结合形成一个PN结。界面处电子和空穴浓度的差异导致多个离子从一个区域扩散到另一个区域，在另一个区域成为少数离子，在界面两侧留下带正电荷和负电荷的杂质离子，但不能随意移动。这些

不能移动的正电荷和负电荷称为空间电荷。由空间电荷建立的电场