电力电子技术第一章
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第一章电力电子技术综述
i
Vo
3V
1-1分压器、电压跟随器及输出特性
o
可以看出，随着电流增加输出电压线性下降，当输出电流为12mA时，所设计的电源输出电压为零。也就是说，这个电源对负载变化没有调节能力。 理想电压源输出电压不会随输出电流增大而下降，也就是说输出电压对负载变化应该具有100%的调节性能，从电路角度看，即电源等效内阻为零。
随着电子技术的不断发展，新器件不断出现，电力电子技术的发展方向是高频、高效、高功率密度和智能化，最终使人们进入电能变换和频率变换更加自由的时代，并充分发挥其节能、降耗和提高装置工作性能的作用。 功率半导体器件是现代电力电子技术（Modern Power Electronics）的基础，它的应用范围非常广阔，从毫瓦级的个人无线通信设备，到百万千瓦的高压直流输电（High Voltage DC Transmission）系统。
1 DC-AC变换器——逆变器 将直流电源变换成一个交流电源（单相或多相）称之为逆变，这种装置称为逆变器(Inverter)。
图1-4 基本的单相或三相dc-ac变换电路
基本电路如图1-4（a）所示，通过采用一个开关把直流电源变换成低频或高频交流源，输出波形为脉动直流波形，输出波形经过滤波电路整形成希望的波形，一般希望输出为正弦波形。 三相输出通过采用三个开关完成，如图1-4（b）所示。三个开关轮流导通120度，输出三相120度直流脉动波形。 交流电的频率、幅度大小和相位是交流电的三要素，使用电力电子技术如何自由地变换三要素，是DC-AC变换技术研究的主要内容。 DC-AC变换器应用范围很广，如飞机和空间站电源、UPS、闪光灯充电、太阳能发电、交流电机调速、变速恒频电源和感应加热电源等，它们输出交流频率从50Hz到1MHz不等。 DC-AC变换技术将在第6章介绍。
电力电子技术--第一章
28
1.3.1 晶闸管的结构及工作原理
二、晶闸管的工作原理
由于通过门极我们可以控制晶 闸管的开通；而通过门极我们不 能控制晶闸管的关断，因此，晶 闸管才被我们称为半控型器件。
按照等效电路和晶体管
的工作原理，我们可列出如下方 程：
IC1＝α1IA＋ICO1 (1－1)
IC2＝α2IK＋ICO2 (1－2)
件，一般都要安装散热器。
4
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子 器件的损耗
通态损耗 断态损耗 开关损耗 驱动损耗
开通损耗 关断损耗
5
1.1.2 电力电子器件组成的应用系统
电力电子器件在实际应用中，一般是 由控制电路、驱动电路、检测电路和以电 力电子器件为核心的主电路构成的一个完 整的系统。
16
1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
二、 动态特性 （开关特性）
电力二极管的电压-电流特性
是随时间变化的
延迟时间：td= t1- t0, 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。
4、反向漏电流IRR
指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。
5、最高工作温度TJM
指器件中PN结不至于损坏的前提下所能承受的最高
平均温度。TJM通常在125～175℃范围内。
22
1.3 半控型器件-晶闸管
1.3.1 晶闸管的结构及工作原理
一、晶闸管的结构 二、晶闸管的工作原理
1.3.2 晶闸管的基本特性与主要参数
30
1.3.1 晶闸管的结构及工作原理
➢晶闸管导通的必要条件是：
电力电子技术(含实验)第1章_绪论
1-4
课程内容简介
1-1 电力电子技术概述
电力电子技术（power electronics）：指利用电力 电子器件对电能进行变换和控制，把从电网获取的“ 粗电”变换成负载所需要的“精电”的技术。
电子技术包括：
信息电子技术 和 电力电子技术。
信息电子技术——模拟电子技术和数字电子技术。
电力电子技术主要用于电力变换，而信息电子技术
电力电子器件
①分立器件
②模块
③IGBT单管
④IGBT模块
电力电子器件的发展趋势
高频化：提高开关频率，降低设备体积，节约资源
模块化：功率部分、控制、驱动、保护集成一体
数字化：数字控制技术广泛应用 绿色化：谐波污染小、功率因数高、电磁辐射小
1-3 电力电子技术应用
电力电子技术广泛用于一般工业、交通运输、 电力系统、不间断电源和开关电源、家用电器、以 及新能源的开发及应用领域。在解决全球能源危机、 资源危机和环境污染方面发挥着重要作用。经过至 少一次电力电子装置处理以后使用的电能所占比例 已经成为一个国家经济发展水平的重要指标。
导通和关断控制的有效信号。
3.电力电子技术的研究分支及特点
研究分支:
电 力 电 子 器 件 （ element) 技 术 、 变 流 技 术 (power conversion)和控制技术（Control)三个分支。 特点:
电力电子器件是整个电力电子技术的基础，电力电子技术 的发展集中体现在电力电子器件的发展上，器件一般均工 作在开关状态，这是重要特征； 变流技术是电力电子技术的主体，控制技术是电力电力电 子技术的灵魂；
５.家用电器
照明在家用电器中有十分突出的地位。由于电力电 子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源， 通常被称为“节能灯”，正逐步取代传统的白炽灯 和日光灯。
电力电子技术第一章
5. 最高工作结温TJM
Hale Waihona Puke 6. 浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频 周期的过电流。
19
四.
电力二极管的主要类型
按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能， 特别是反向恢复特性的不同介绍。
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 其反向恢复时间较长5μs 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高
PN结的反向击穿（两种形式)
雪崩击穿
齐纳击穿 均可能导致热击穿
14
二.
1. 静态特性
电力二极管的基本特性
正向 导通
主要指其伏安特性
门槛电压UTO，正向电流IF开始明 显增加所对应的电压。
与IF对应的
电力二极管
反向 击穿 反向截 止状态
两端的电压即为 其正向电压降UF 。
承受反向电压时，只有微小而数 值恒定的反向漏电流。 图1-4 电力二极管的伏安特性
5
一. 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件的损耗
通态损耗 主要损耗 断态损耗
开通损耗
开关损耗
关断损耗
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，开关损耗可能成为器件功率损 耗的主要因素。
6
二. 应用电力电子器件系统组成
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。 在主电路
20
四.
电力二极管的主要类型
简称快速二极管 快恢复外延二极管
2. 快恢复二极管 （Fast Recovery Diode——FRD）
电力电子技术习题及答案 第1章
8、试说明 IGBT 、GTR、GTO 和电力 MOSFET 各自的优缺点。 解：对 IGBT 、GTR 、GTO 和电力 MOSFET 的优缺点的比较如下表： 器件 IGBT 优 点 缺 点 开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流 开 关 速 度 低 于 电 力 冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高， MOSFET ，电压，电流容 为电压驱动，驱动功率小 量不及 GTO 开关速度低，为电流驱动， 耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强 ， 所需驱动功率大，驱动电 饱和压降低 路复杂，存在二次击穿问 题 电流关断增益很小，关断 时门及负脉冲电流大，开 关速度 低， 驱动 功率 大， 驱动电路复杂，开关频率 低 电流容量小，耐压低，一 般中 适 用 于 功 率 不 超 过 10kw 的电力电子装置
过流
二、判断题 1、“电力电子技术”的特点之一是以小信息输入驱动控制大功率输出。 （ √ ） 2、某晶闸管，若其断态重复峰值电压为 500V ，反向重复峰值电压为 700V ，则该晶闸管的 额定电压是 700V 。 （ × ） 3、晶闸管导通后，流过晶闸管的电流大小由管子本身电特性决定。 （ × ） 4、尖脉冲、矩形脉冲、强触发脉冲等都可以作为晶闸管的门极控制信号。 （ √ ） 5、 在晶闸管的电流上升至其维护电流后， 去掉门极触发信号， 晶闸管级能维护导通。 （×
） ）
1、图中阴影部分晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为 Im，试计算各 波形的电流平均值 Id1、Id2、Id3 与电流有效值 I1、I2、I3 。
解：a ） I d1
1 2
m 4
I sin td (t )
1m 2 ( 1) 0.2717I m 2 2
2 220 311.13V ；取晶闸管的安全裕量为 2 ，则晶闸管额定电压不低于 2× 311.13 ≈
电力电子技术第一章
(1-1) (1-2) (1-3) (1-4)
K
a1和a2分别是晶体管V1和V2 的共基极电流增益；
ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。
由式（1-1）~式（1-4）得： IAa2IG 1 (IaCB 1O 1a2I)CBO2
(1-5)
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
IAa2IG 1 (IaCB 1O 1a2I)CBO2
1
0.8
α2
0.6
α
IG=0 ， (α1＋α2)很小，晶 闸 管的 阳 极电 流 IA≈ICBO0。.4
。 - 。 - 。 - - + · +· +· +
P型 区 空 间 电 荷 区
N型 区
1.2.2 电力二极管的结构与基本特性
结构：
电力二极管是由一个面积 较大的PN结和两端引线以 及封装组成的。
外形：
螺栓型、平板型等多种封 装。
A
K A
a)
K
A PN K
I
J
b)
A
K
c)
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
● 高阻抗的阻断工作状态； ● 低阻抗的导通工作状态。
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K
1.3.1 晶闸
管的结构与
工作A 原理 A
一．工作原理
P1
N1
N1
G
P2
P2
N
2
K
○ 双晶体管模型：视为PNP型晶体管(V1)和
V1
IC2 (IB1) NPN型晶体三极管(V2)互连构成 。
I IC1
电力电子技术第一章
（第一章电力电子器件）电力电子技术——使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术。
电力电子器件——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。
半导体器件采用的主要材料是硅【电力电子器件的特征】1处理电功率的能力非常大，一般远大于处理信息的电子器件。
2电力电子器件一般都工作在开关状态。
3电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制和驱动。
4电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。
电力电子系统：由控制电路、保护电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。
【电力电子器件的分类】1)按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，可分为三类：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。
例：晶闸管全控型器件——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。
如IGBT、Power MOSFET、GTO、BJT。
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。
如电力二极管。
2)按照驱动电路信号的性质，可分为两类：电流驱动型,电压驱动型【电力二极管】PN结的单向导电性就是二极管的基本原理静态特性——主要是指其伏安特性动态特性——由于结电容的存在，电力二极管在通态与断态之间转换时，需经历一个过渡过程。
在此过渡过程中，其电压-电流特性随时间而变化，这就是电力二极管的动态特性，且专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。
正向平均电流I F(AV)：即额定电流，指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度和散热条件下，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I F(AV)的对应的有效值为1.57I F(AV) 【晶闸管】内部结构: 是PNPN四层半导体结构。
P1区引出阳极A，N2区引出阴极K，P2区引出门极G。
四个区形成三个PN结：J1、J2、J3。
电力电子技术第1章
•通过对门极（基极、栅 极）的控制既可以使其开 通，又可以使其关断。
自关断全控型器件的开关速度普遍高于晶闸管， 可以用于开关频率很高的电路。
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电力电•子返技术回第1章•上 页 •下 页
•第一章电力电子技术的发展
•第三代 复合型场控半导体电力电子器件
大型达林顿双极结型晶体管(BJT) 给电力电子学
电力电子器件制造技术 电力电子技术的基础，理论基础是半导体 物理。
变流技术（电力电子器件应用技术） 用电力电子器件构成电力变换电路和对其 进行控制的技术，以及构成电力电子装置 和电力电子系统的技术。 电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。
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•第一章电力电子技术的发展
电力电子类似于微电子学技术，都是基于硅材料 应用科学的一个分支，采用硅分子渗透技术。
•交流 电 •脉 冲
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•电能量
•激光 束
•电磁辐 射
•直流 电
电力电子技术第1章•返回 •下 页
•第一章电力电子技术的发展
电力电子技术市场取决于它的成本、可靠性，以 及电力应用中新技术有效性。 电力电子成本的核心是功率器件的特性，特别是 它的导通损耗、开关损耗、和开关速度。 “电力电子集成”是电力电子技术发展的新阶段。 电力电子技术代表了新型电能控制发展的基本趋 势和革命性的概念。
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•补充：王兆安教材
•电子技术
•信息电子技术 •电力电子技术
•模拟电子技术 •数字电子技术
•信息电子技术——信息处理 •电力电子技术——电力变换 • 电子技术一般即指信息 电子技术，广义而言，也包 括电力电子技术。
电力电子技术第一章
–由若干功率开关器件与快速二极管组合而成
• 单片集成式模块
–功率器件、驱动、保护等电路集成于一个硅片
• 智能功率模块
–将具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片再与电力电子 器件集成
-10-
电力工程系
表1-1 电力电子器件
类型
名称
不可控器件 电力二极管(Power Diode)
半控型器件
晶闸管(Thyristor)
第1章 电力电子器件
1.1 电力电子器件概述 1.2 电力二极管 1.3 晶闸管及其派生器件 1.4 门极可关断晶闸管 1.5 电力晶体管 1.6 功率场效应晶体管 1.7 绝缘栅双极性晶体管
-1-
电力工程系
1.1 电力电子器件概述
1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 电力电子器件的基本类型 1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化 1.1.4 电力电子器件的应用领域
电流控
分
制器件
立 器 件
全 控 型
器 件
电压控 制器件
门极可关断晶闸管(GTO)
电力晶体管(GTR) 电力场效应晶体管(Power
MOSFET) 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)
MOS控制晶闸管(MCT)
集成门极换流晶闸管(IGCT)
集成模块
功率集成模块(PIC) -11-
出现时间 1955 1958 1964 1975 1975 1985 1992 1996
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
2. 特征 • 承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。 • 为了减小损耗、提高效率，工作在开关状态。 • 由信息电子电路来控制，并且需要驱动电路。 • 自身的功率损耗远大于微电子器件，一般需要安装散热器。
• 单片集成式模块
–功率器件、驱动、保护等电路集成于一个硅片
• 智能功率模块
–将具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片再与电力电子 器件集成
-10-
电力工程系
表1-1 电力电子器件
类型
名称
不可控器件 电力二极管(Power Diode)
半控型器件
晶闸管(Thyristor)
第1章 电力电子器件
1.1 电力电子器件概述 1.2 电力二极管 1.3 晶闸管及其派生器件 1.4 门极可关断晶闸管 1.5 电力晶体管 1.6 功率场效应晶体管 1.7 绝缘栅双极性晶体管
-1-
电力工程系
1.1 电力电子器件概述
1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 电力电子器件的基本类型 1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化 1.1.4 电力电子器件的应用领域
电流控
分
制器件
立 器 件
全 控 型
器 件
电压控 制器件
门极可关断晶闸管(GTO)
电力晶体管(GTR) 电力场效应晶体管(Power
MOSFET) 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)
MOS控制晶闸管(MCT)
集成门极换流晶闸管(IGCT)
集成模块
功率集成模块(PIC) -11-
出现时间 1955 1958 1964 1975 1975 1985 1992 1996
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
2. 特征 • 承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。 • 为了减小损耗、提高效率，工作在开关状态。 • 由信息电子电路来控制，并且需要驱动电路。 • 自身的功率损耗远大于微电子器件，一般需要安装散热器。
电力电子技术基础-绪论
讯发射电源； ❖ 各种精密稳压：稳流电源。
程控交换机
电子装置 微型计算机
2、电力传动
❖ 工艺调速传动：轧钢、榨糖、造纸、化工、炼油； ❖ 节能调速传动：风机、水泵、压缩机； ❖ 牵引调速传动：轨道牵引、城市交通、电梯、矿井卷扬机
等； ❖ 精密调速和特种调速：数控机床主轴和伺服控制、雷达与
火炮跟踪控制、离心机控制等。
3、电力系统
❖ 发电环节：发电机励磁调节控制； ❖ 输电网中：电能质量控制器、直流输电、无功补偿器、有
源滤波器、固态开关； ❖ 配电网中:配电用无功补偿器、有源滤波器； ❖ 储能系统：抽水蓄能电站变频调速、超导磁铁储能。
柔性交流输电FACTS
高压直流装置HVDC
SVC
四、我国电力电子技术的现状与发展
电力变换的种类
输入 输出
交流（AC）
直流（DC）
整流
交流（AC） 交流电力控制变频、变相
直流（DC） 直流斩波 逆变
二、电力电子技术的发展历程
史前期 （黎明期）
晶体管诞生
晶闸管问世 (“公元元年”)
全控型器件迅 速发展时期
1904
电子管 问世
Hale Waihona Puke 19301947 1957 1970 1980 1990 2000 t(年)
❖ 电力电子器件研制水平落后； 场控器件全靠进口；
❖ 国产电力电子装置相对落后，高端产品主要被外国公司占 领；
❖ 国产电力电子产品配套水平差； ❖ 应用基础研究更不上。
五、电力电子电路的仿真分析
❖ 仿真：用模型( 物理、数学) 代替实际系统进行实验和研 究。 ➢ 数字仿真、模拟仿真和混合仿真等多种形式和方法， 现主要指在计算机上完成的数学分析( 数字仿真)。 ➢ 电力电子电路的仿真是对电力电子电路和系统进行分 析和设计的非常有效的方法和工具。
程控交换机
电子装置 微型计算机
2、电力传动
❖ 工艺调速传动：轧钢、榨糖、造纸、化工、炼油； ❖ 节能调速传动：风机、水泵、压缩机； ❖ 牵引调速传动：轨道牵引、城市交通、电梯、矿井卷扬机
等； ❖ 精密调速和特种调速：数控机床主轴和伺服控制、雷达与
火炮跟踪控制、离心机控制等。
3、电力系统
❖ 发电环节：发电机励磁调节控制； ❖ 输电网中：电能质量控制器、直流输电、无功补偿器、有
源滤波器、固态开关； ❖ 配电网中:配电用无功补偿器、有源滤波器； ❖ 储能系统：抽水蓄能电站变频调速、超导磁铁储能。
柔性交流输电FACTS
高压直流装置HVDC
SVC
四、我国电力电子技术的现状与发展
电力变换的种类
输入 输出
交流（AC）
直流（DC）
整流
交流（AC） 交流电力控制变频、变相
直流（DC） 直流斩波 逆变
二、电力电子技术的发展历程
史前期 （黎明期）
晶体管诞生
晶闸管问世 (“公元元年”)
全控型器件迅 速发展时期
1904
电子管 问世
Hale Waihona Puke 19301947 1957 1970 1980 1990 2000 t(年)
❖ 电力电子器件研制水平落后； 场控器件全靠进口；
❖ 国产电力电子装置相对落后，高端产品主要被外国公司占 领；
❖ 国产电力电子产品配套水平差； ❖ 应用基础研究更不上。
五、电力电子电路的仿真分析
❖ 仿真：用模型( 物理、数学) 代替实际系统进行实验和研 究。 ➢ 数字仿真、模拟仿真和混合仿真等多种形式和方法， 现主要指在计算机上完成的数学分析( 数字仿真)。 ➢ 电力电子电路的仿真是对电力电子电路和系统进行分 析和设计的非常有效的方法和工具。
电力电子第一章
I= 2π ∫
0
I m d (ωt ) =
3
当考虑2倍的安全余量时， 当考虑2倍的安全余量时，Im的允许值为
《电力电子技术》
Im =
3 × 78.5 A = 68A 2
4．晶闸管的其他参数 ．
维持电流I 在室温和门极断开时， (1)维持电流 H 在室温和门极断开时，器件从较大的通态电流 最小电流称为维持电流。 降至维持通态所必需的 最小电流称为维持电流 。 它一般为 几毫安到几百毫安。 几毫安到几百毫安。 擎住电流I 晶闸管刚从断态转入通态就去掉触发信号， (2)擎住电流 L 晶闸管刚从断态转入通态就去掉触发信号，能 使器件保持导通所需要的最小阳极电流。 使器件保持导通所需要的最小阳极电流。 断态电压临界上升率du／ 在额定结温和门极开路情况下， (3)断态电压临界上升率 ／dt 在额定结温和门极开路情况下， 不使器件从断态到通态转换的阳极电压最大上升率称为断态 电压临界上升率。 电压临界上升率。 通态电流临界上升率d ／ 在规定条件下， ( 4 ) 通态电流临界上升率 di／dt 在规定条件下 ， 晶闸管在门极 触发开通时所能承受不导致损坏的通态电流最大上升率称为 通态电流临界上升率。 通态电流临界上升率。
《电力电子技术》
六、晶闸管的门极伏安特性及主要参数
和门极不触发电流I 1.门极不触发电压UGD和门极不触发电流 GD 门极不触发电压 不能使晶闸管从断态转入通态的最大门极电压称为门极 不触发电压U 相应的最大电流称为门极不触发电流I 不触发电压 GD，相应的最大电流称为门极不触发电流 GD。 门极触发电压U 和门极触发电流I 2.门极触发电压 GT和门极触发电流 GT 在室温下，对晶闸管加上6V 正向阳极电压时， 使器件由 在室温下， 对晶闸管加上 6 正向阳极电压时， 极电流称为门极触发电流I 断态转入通态所必须的最小门 极电流称为门极触发电流 GT， 相应的门极电压称为门极触发电压U 相应的门极电压称为门极触发电压 GT。 门极正向峰值电压U 门极正向峰值电流I 3.门极正向峰值电压 GM、门极正向峰值电流 GM和门极峰值功 率PGM 在晶闸管触发过程中， 在晶闸管触发过程中 ， 不致造成门极损坏的最大门极电 压 、 最大门极电流和最大瞬时功率分别称为门极正向峰值电 门极正向峰值电流I 和门极峰值功率P 压 UGM、 门极正向峰值电流 GM 和门极峰值功率 GM。 使用时 晶闸管的门极触发脉冲不应超过以上数值。 晶闸管的门极触发脉冲不应超过以上数值。
0
I m d (ωt ) =
3
当考虑2倍的安全余量时， 当考虑2倍的安全余量时，Im的允许值为
《电力电子技术》
Im =
3 × 78.5 A = 68A 2
4．晶闸管的其他参数 ．
维持电流I 在室温和门极断开时， (1)维持电流 H 在室温和门极断开时，器件从较大的通态电流 最小电流称为维持电流。 降至维持通态所必需的 最小电流称为维持电流 。 它一般为 几毫安到几百毫安。 几毫安到几百毫安。 擎住电流I 晶闸管刚从断态转入通态就去掉触发信号， (2)擎住电流 L 晶闸管刚从断态转入通态就去掉触发信号，能 使器件保持导通所需要的最小阳极电流。 使器件保持导通所需要的最小阳极电流。 断态电压临界上升率du／ 在额定结温和门极开路情况下， (3)断态电压临界上升率 ／dt 在额定结温和门极开路情况下， 不使器件从断态到通态转换的阳极电压最大上升率称为断态 电压临界上升率。 电压临界上升率。 通态电流临界上升率d ／ 在规定条件下， ( 4 ) 通态电流临界上升率 di／dt 在规定条件下 ， 晶闸管在门极 触发开通时所能承受不导致损坏的通态电流最大上升率称为 通态电流临界上升率。 通态电流临界上升率。
《电力电子技术》
六、晶闸管的门极伏安特性及主要参数
和门极不触发电流I 1.门极不触发电压UGD和门极不触发电流 GD 门极不触发电压 不能使晶闸管从断态转入通态的最大门极电压称为门极 不触发电压U 相应的最大电流称为门极不触发电流I 不触发电压 GD，相应的最大电流称为门极不触发电流 GD。 门极触发电压U 和门极触发电流I 2.门极触发电压 GT和门极触发电流 GT 在室温下，对晶闸管加上6V 正向阳极电压时， 使器件由 在室温下， 对晶闸管加上 6 正向阳极电压时， 极电流称为门极触发电流I 断态转入通态所必须的最小门 极电流称为门极触发电流 GT， 相应的门极电压称为门极触发电压U 相应的门极电压称为门极触发电压 GT。 门极正向峰值电压U 门极正向峰值电流I 3.门极正向峰值电压 GM、门极正向峰值电流 GM和门极峰值功 率PGM 在晶闸管触发过程中， 在晶闸管触发过程中 ， 不致造成门极损坏的最大门极电 压 、 最大门极电流和最大瞬时功率分别称为门极正向峰值电 门极正向峰值电流I 和门极峰值功率P 压 UGM、 门极正向峰值电流 GM 和门极峰值功率 GM。 使用时 晶闸管的门极触发脉冲不应超过以上数值。 晶闸管的门极触发脉冲不应超过以上数值。
电力电子技术新书课件第一章课件,张兴
电
力
电
子
技
术
1.2 电力电子技术的发展史
■电力电子技术的发展史
图1.3 电力电子技术的发展史
◆一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用 一般认为，电力电子技术的诞生是以 年 电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。 晶闸管为标志的 电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。
电
力
电
子
技
术
1.2 电力电子技术的发展
电力电子技术起始于20世纪50年代末20世纪60年代初的 硅整流器件，其发展经历了以低频技术为主的传统电力电 子技术时期和以高频技术为主的现代电力电子技术时期 在20世纪80年代末期和20世纪90年代初期以IGBT 和功率 MOSFET为代表发展起来的集高频、高压和大电流于一身 的功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入 现代电力电子时代 进入20世纪90年代以来，电力电子技术进入了一个崭新的 快速发展时期。理论分析和实验表明：电力电子产品体积 与重量的缩小与供电频率的平方根成反比，因此电力电子 技术高频化是今后电力电子技术创新与发展的主导方向
电
力
电
子
技
术
1.2 电力电子技术的发展
近年来，随着能源危机的出现，电力电子技术技术在变频 调速、新能源发电等方面得到了快速发展，世界各国对电 力电子技术也更加重视 一方面具有自关断能力的大功率高频新器件及其应用技术 取得了惊人的进步；另一方面，同微电子技术紧密结合的 新一代智能化功率集成电力电子技术初露锋芒 展望未来，随着具有高可靠性的集成电力电子模块 IPEM(Integrated Power Electronic Modules)技术以及具 有导通损耗小，耐压高、高结温等的特点的Silicon(硅)等 新一代宽禁带器件的应用将会使电力电子技术发生新一轮 革命性的变化
电力电子技术课件-第1章 电力电子器件 200页
(4) 擎住电流IL 晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号
之后，要器件维持通态所需要的最小阳极 电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住 电流IL约为维持电流IH的(2～4)倍。
(5) 门极触发电流IGT 在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶
闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极 直流电流。
(6) 门极触发电压UGT 对应于门极触发电流时的门极触发电压。
③ 触发脉冲应有足够的宽度和陡度。触发脉 冲的宽度一般应保证晶闸管阳极电流在脉 冲消失前能达到擎住电流，使晶闸管导通， 这是最小的允许宽度。一般触发脉冲前沿 陡度大于10V/µs或800mA/µs。
④ 触发脉冲的移相范围应能满足变换器的要 求。例如，三相半波整流电路，在电阻性 负载时，要求移相范围为150°；而三相桥 式全控整流电路，电阻负载时移相范围为 120°。
触发电路给门极的电压和电流应适当地大 于所规定的UGT和IGT上限，但不应超过其峰 值IGFM 和 UGFM。
(7) 断态电压临界上升率du/ dt 在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断
态转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压 上升率会使晶闸管误导通。
(8) 通态电Βιβλιοθήκη 临界上升率di / dt 在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，
解：如图所示的平均值和有效值可计算如 下：
Id 12 1 /4 Imsitd n (t) 0 .2Im 7 2 2 .2 A 7
Id213Im33.3A
I12 1 4(Im si n t)2d(t)0.47 Im 74.4 7 A
I2
1 3
4. 光控晶闸管
光控晶闸管(Light Activated Thyristor)是利 用一定波长的光照信号控制的开关器件。 其结构也是由P1N1P2N2四层构成。
之后，要器件维持通态所需要的最小阳极 电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住 电流IL约为维持电流IH的(2～4)倍。
(5) 门极触发电流IGT 在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶
闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极 直流电流。
(6) 门极触发电压UGT 对应于门极触发电流时的门极触发电压。
③ 触发脉冲应有足够的宽度和陡度。触发脉 冲的宽度一般应保证晶闸管阳极电流在脉 冲消失前能达到擎住电流，使晶闸管导通， 这是最小的允许宽度。一般触发脉冲前沿 陡度大于10V/µs或800mA/µs。
④ 触发脉冲的移相范围应能满足变换器的要 求。例如，三相半波整流电路，在电阻性 负载时，要求移相范围为150°；而三相桥 式全控整流电路，电阻负载时移相范围为 120°。
触发电路给门极的电压和电流应适当地大 于所规定的UGT和IGT上限，但不应超过其峰 值IGFM 和 UGFM。
(7) 断态电压临界上升率du/ dt 在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断
态转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压 上升率会使晶闸管误导通。
(8) 通态电Βιβλιοθήκη 临界上升率di / dt 在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，
解：如图所示的平均值和有效值可计算如 下：
Id 12 1 /4 Imsitd n (t) 0 .2Im 7 2 2 .2 A 7
Id213Im33.3A
I12 1 4(Im si n t)2d(t)0.47 Im 74.4 7 A
I2
1 3
4. 光控晶闸管
光控晶闸管(Light Activated Thyristor)是利 用一定波长的光照信号控制的开关器件。 其结构也是由P1N1P2N2四层构成。
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耗 关断损耗
1 电力电子器件 1.1 电力电子器件的基本模型
■按照能够被控制电路信号所控制的程度
◆半控型器件 ☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。 ☞器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。
◆全控型器件 ☞目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 ☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。
■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。
1 电力电子器件 1.2 电力二极管
■向二导■极电管电性的力基二本极原管理是—以—半P导N体结P的N单 ◆当结PN为结基外础加的正,实向际电上压是（由正一向个偏
置入）而时 从面N，积区在较流外大出电的的路P电上N流则结，形和称成两为自端正P引区向流 电态流。◆当IF，线上PN这以看结就，及外是可封加P以装反N有组结向螺成的电栓的正压型。向时从、导（平外通反形板状向 偏高置阻） 态型，时等，几多反乎种向没封偏有装置电。的流P流N过结，表被现称为 为反向截止状态。
电力系统应用
高压直流输电（HVDC） 静止无功补偿（SVC）
灵活交流输电系统
1
电力电子器件
2
相控整流电路
3
直流变换电路
4
无源逆变电路
5
交流变换电路
6
电力电子装置
1 电力电子器件 1.1 电力电子器件的基本模型
1、基本模型与特征
通断态
A
B
通态损耗
K
1、一般工作在开关状态 2、通常由外电路控制 3、实际与理想有差距
■动态特性
◆因为结电容的存在，电压—电流特性是随时间 变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往 专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。
◆由正向偏置转换为反向偏置
☞电力二极管并不能立即关断，而是须经过一 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。
力 电
(桥AC整-D流C-变AC成-D直C)流变，换I的GB方异T组法步成。电的5机0PH通Wz交用M流高变电频频经变调全换速（VVVF）
子
部分将直流电逆变成20k异Hz步的电高机频矢矩量形控波制，变频调速
技 术
经高变频频变调压速器耦合， 整异流步滤电波机后直成接为转稳矩定控制变频调速 的直流，供电弧使用。 同步电机矢量控制变频调速
输出
输入
直流（DC）
交流（AC）
交流（AC）
整流
交流电力控制 变频、变相
直流（DC）
直流斩波 逆变
不逆双 光快 高可集
对导向 控速 频关成
称晶 晶闸 闸管 管（ （
）
晶 闸 管 （
晶 闸 管 （
晶 闸 管
晶 闸 管
断 晶 闸 管 （
门 极 换 流 晶 闸 管
栅 控 晶 闸 管 （
LASCR TRIAC RCT
1 电力电子器件 1.2
■静态特性 ◆主要是指其伏安特性 ◆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IF对应的电力二极管两端的 电压即为其正向电压降UF。 ◆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。
电力二极管 I IF
OUTO UF U
1 电力电子器件 1.2 电力二极管
■电力二极管（Power Diode）也称半导体整流器（SR），自20世纪50年代初 期就获得应用，本身没有导通、关断控制能力，属于不可控电力电子器件。 但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然在中、高频整流 和逆变以及低压高频整流的场合发挥着积极的作用，具有不可替代的地位。
◆ PN结具有一定的反向耐压能力， 但当施加的反向电压过大，反向电 流将会急剧增大，破坏PN结反向偏 置为截止的工作状态，这就叫反向 击穿。
☞反向击穿发生时，采取了措施 将反向电流限制在一定范围内，PN 结仍可恢复原来的状态。
☞否则PN结因过热而烧毁，这就 是热击穿。
A
K
K
A
K
A
b
a)
A
K
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) 基本结构 c) 电气图形符号
1 电力电子器件
◆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）。
☞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。 电流上升率越大，UFP越高。
电力电子技术
电气工程系
将电子技术和控制 技术引入电力技术领域， 利用半导体电力开关器件组成 各种电力变换电路实现电能的变 换和控制，构成一门完整的学科， 被国际电工委员（IEEE）命名为电力 电子学或称为电力电子技术。
◆具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控 制的技术。
☞电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础。 ☞变流技术则是电力电子技术的核心。
图2-5 电力二极管的伏安特性
1 电力电子器件 1.2 电力二极管
IF
d iF
dt
trr
UF
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
t1 t 2 d iR dt
IR UPRP a)
UR
t
t2:电流变 化率接近 于零的时 刻
图2-6 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置
◆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。
1 电力电子器件 1.1 电力电子器件的基本模型
■按照驱动信号的性质 ◆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。(晶闸管、 GTO、GTR、IGCT等) ◆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。（MOSFET、IGBT）
ASCR
）
））
）（
）
）
MCT IGCT
GTO
MOS
IGBT MOSFET GTR
功功绝
率率缘
晶场栅
体效双
管应极
（管晶
（体
管
）
（
））
功率集成电路（PIC） 智能功率模块（IPM）
通信电源
高效大功率整流电源
电源
电力操作电源 DC/DC模块电源
不间断电源（UPS）
电
逆变焊机电源大都采高用频交逆流变-焊直机流、-交高流频-直感流应加热电源
1 电力电子器件 1.1 电力电子器件的基本模型
■按照能够被控制电路信号所控制的程度
◆半控型器件 ☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。 ☞器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。
◆全控型器件 ☞目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 ☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。
■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。
1 电力电子器件 1.2 电力二极管
■向二导■极电管电性的力基二本极原管理是—以—半P导N体结P的N单 ◆当结PN为结基外础加的正,实向际电上压是（由正一向个偏
置入）而时 从面N，积区在较流外大出电的的路P电上N流则结，形和称成两为自端正P引区向流 电态流。◆当IF，线上PN这以看结就，及外是可封加P以装反N有组结向螺成的电栓的正压型。向时从、导（平外通反形板状向 偏高置阻） 态型，时等，几多反乎种向没封偏有装置电。的流P流N过结，表被现称为 为反向截止状态。
电力系统应用
高压直流输电（HVDC） 静止无功补偿（SVC）
灵活交流输电系统
1
电力电子器件
2
相控整流电路
3
直流变换电路
4
无源逆变电路
5
交流变换电路
6
电力电子装置
1 电力电子器件 1.1 电力电子器件的基本模型
1、基本模型与特征
通断态
A
B
通态损耗
K
1、一般工作在开关状态 2、通常由外电路控制 3、实际与理想有差距
■动态特性
◆因为结电容的存在，电压—电流特性是随时间 变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往 专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。
◆由正向偏置转换为反向偏置
☞电力二极管并不能立即关断，而是须经过一 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。
力 电
(桥AC整-D流C-变AC成-D直C)流变，换I的GB方异T组法步成。电的5机0PH通Wz交用M流高变电频频经变调全换速（VVVF）
子
部分将直流电逆变成20k异Hz步的电高机频矢矩量形控波制，变频调速
技 术
经高变频频变调压速器耦合， 整异流步滤电波机后直成接为转稳矩定控制变频调速 的直流，供电弧使用。 同步电机矢量控制变频调速
输出
输入
直流（DC）
交流（AC）
交流（AC）
整流
交流电力控制 变频、变相
直流（DC）
直流斩波 逆变
不逆双 光快 高可集
对导向 控速 频关成
称晶 晶闸 闸管 管（ （
）
晶 闸 管 （
晶 闸 管 （
晶 闸 管
晶 闸 管
断 晶 闸 管 （
门 极 换 流 晶 闸 管
栅 控 晶 闸 管 （
LASCR TRIAC RCT
1 电力电子器件 1.2
■静态特性 ◆主要是指其伏安特性 ◆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IF对应的电力二极管两端的 电压即为其正向电压降UF。 ◆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。
电力二极管 I IF
OUTO UF U
1 电力电子器件 1.2 电力二极管
■电力二极管（Power Diode）也称半导体整流器（SR），自20世纪50年代初 期就获得应用，本身没有导通、关断控制能力，属于不可控电力电子器件。 但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然在中、高频整流 和逆变以及低压高频整流的场合发挥着积极的作用，具有不可替代的地位。
◆ PN结具有一定的反向耐压能力， 但当施加的反向电压过大，反向电 流将会急剧增大，破坏PN结反向偏 置为截止的工作状态，这就叫反向 击穿。
☞反向击穿发生时，采取了措施 将反向电流限制在一定范围内，PN 结仍可恢复原来的状态。
☞否则PN结因过热而烧毁，这就 是热击穿。
A
K
K
A
K
A
b
a)
A
K
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) 基本结构 c) 电气图形符号
1 电力电子器件
◆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）。
☞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。 电流上升率越大，UFP越高。
电力电子技术
电气工程系
将电子技术和控制 技术引入电力技术领域， 利用半导体电力开关器件组成 各种电力变换电路实现电能的变 换和控制，构成一门完整的学科， 被国际电工委员（IEEE）命名为电力 电子学或称为电力电子技术。
◆具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控 制的技术。
☞电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础。 ☞变流技术则是电力电子技术的核心。
图2-5 电力二极管的伏安特性
1 电力电子器件 1.2 电力二极管
IF
d iF
dt
trr
UF
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
t1 t 2 d iR dt
IR UPRP a)
UR
t
t2:电流变 化率接近 于零的时 刻
图2-6 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置
◆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。
1 电力电子器件 1.1 电力电子器件的基本模型
■按照驱动信号的性质 ◆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。(晶闸管、 GTO、GTR、IGCT等) ◆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。（MOSFET、IGBT）
ASCR
）
））
）（
）
）
MCT IGCT
GTO
MOS
IGBT MOSFET GTR
功功绝
率率缘
晶场栅
体效双
管应极
（管晶
（体
管
）
（
））
功率集成电路（PIC） 智能功率模块（IPM）
通信电源
高效大功率整流电源
电源
电力操作电源 DC/DC模块电源
不间断电源（UPS）
电
逆变焊机电源大都采高用频交逆流变-焊直机流、-交高流频-直感流应加热电源