第二讲电力电子器件1
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2020/8/1
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
➢ 电力电子器件的重要参数：电压和电流 由于电力电子器件处理的电功率较大，为减少本身损耗， 电力电子器件一般工作在开关状态。导通时阻抗很小，接 近于短路，管压降接近于零；阻断时阻抗很大，接近于断 路，电流接近于零。 参数中电压指器件在阻断时所能承受的电压； 参数中电流指器件在导通时所能通过的电流。 例如：某电力电子器件型号为SGH60N80UFD
P型区 空间电荷区 N型区
• 多子和少子 • 扩散运动和漂移运动。 • 空间电荷区
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。
2020/8/1
1) 单极型器件(Unipolar Device)——由一 种带电粒子参与导电的器件
2) 双极型器件(Bipolar Device)——由电 子和空穴两种带电粒子参与导电的器件
3) 复 合 型 器 件 (Complex Device)——由 单极型器件和双极型器件集成混合而成 的器件
2020/8/1
2.1.3 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：
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。 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。 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。
1.电力电子器件处理的电功率远大于信息电子器件；故电力 电子器件工作于开关状态，相当于电力开关；
2.电力电子器件需要信息电子器件和中间电路构成的驱动电 路来控制；
wenku.baidu.com3.需要缓冲电路和保护电路；
4.由于电力电子器件功率损耗较大，为避免因损耗造成的热 2量020/使8/1 器件损坏，通常要安装散热器。
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
2020/8/1
电力电子器件基础_PN结原理
• 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。
内电场
•
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阻断时所能承受的电压为600V，导通时额定电流为80A
2020/8/1
2.1.1 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
主要损耗 断态损耗 开关损耗
开通损耗 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。
2020/8/1
2020/8/1
2.1.3 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(Current Driving Type)——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(Voltage Driving Type)——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
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。 在主电路
和控制电
路中附加
控
制
控制电路
电
检测 电路
保护 电路
V1 LR
一些电路， 以保证电 力电子器 件和整个 系统正常 可靠运行
驱动
路
电路
V2 主电路
2020/8/1
电气隔离 图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
3) 电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上 的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控 的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态
， 2020/8/1 所 以 又 称 为 场 控 器 件 (Field Controlled
2.1.3 电力电子器件的分类
➢ 按照器件内部电子和空穴两种带电粒子参与导电 的情况分为三类：
2020/8/1
电力电子器件基础_PN结原理
• PN结具有一定的反向耐压能力，但如果反向电 压过大，达到反向击穿电压时，反向电流会急剧 增加，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态， 这种状态称为反向击穿，反向击穿有可能造成 PN结损坏。
2020/8/1
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
➢ 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。
➢ 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。
➢ 与信息电子器件相比，电力电子器件具有以下几个特征：
电力电子器件基础_PN结原理
• 在PN结上外加电压称为对PN结的偏置，P区加正、N区加负为正偏 置，反之为反偏置。
• 当PN结正向偏置时，外加电场与PN结的内电场方向相反，内电场被 削弱，载流子的漂移运动受到抑制，而扩散运动增强，在外电路上则 形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流。
• 当PN结反向偏置时，外加电场与PN结内电场方向相同，少子的漂移 运动大于多子的扩散运动,形成反向电流，但由于受少数载流子浓度 低的限制，反向电流很小。
电力电子器件的发展史
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
1930
1947 1957 1970 1980 1990 2000 t(年)
电子管 问世
水银（汞 弧）整流 器时代
晶闸管时代
IGBT及功率
集成器件出现 和发展时代
电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。
内电场
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P型区 空间电荷区 N型区
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
➢ 电力电子器件的重要参数：电压和电流 由于电力电子器件处理的电功率较大，为减少本身损耗， 电力电子器件一般工作在开关状态。导通时阻抗很小，接 近于短路，管压降接近于零；阻断时阻抗很大，接近于断 路，电流接近于零。 参数中电压指器件在阻断时所能承受的电压； 参数中电流指器件在导通时所能通过的电流。 例如：某电力电子器件型号为SGH60N80UFD
P型区 空间电荷区 N型区
• 多子和少子 • 扩散运动和漂移运动。 • 空间电荷区
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。
2020/8/1
1) 单极型器件(Unipolar Device)——由一 种带电粒子参与导电的器件
2) 双极型器件(Bipolar Device)——由电 子和空穴两种带电粒子参与导电的器件
3) 复 合 型 器 件 (Complex Device)——由 单极型器件和双极型器件集成混合而成 的器件
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2.1.3 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：
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。 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。 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。
1.电力电子器件处理的电功率远大于信息电子器件；故电力 电子器件工作于开关状态，相当于电力开关；
2.电力电子器件需要信息电子器件和中间电路构成的驱动电 路来控制；
wenku.baidu.com3.需要缓冲电路和保护电路；
4.由于电力电子器件功率损耗较大，为避免因损耗造成的热 2量020/使8/1 器件损坏，通常要安装散热器。
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
2020/8/1
电力电子器件基础_PN结原理
• 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。
内电场
•
。 - 。 - 。 - - + · + · + · + 。 - 。 - 。 - - + · + · + · + 。 - 。 - 。 - - + · + · + · + 。 - 。 - 。 - - + · + · + · + 。 - 。 - 。 - - + · + · + · +
阻断时所能承受的电压为600V，导通时额定电流为80A
2020/8/1
2.1.1 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
主要损耗 断态损耗 开关损耗
开通损耗 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。
2020/8/1
2020/8/1
2.1.3 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(Current Driving Type)——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(Voltage Driving Type)——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
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。 在主电路
和控制电
路中附加
控
制
控制电路
电
检测 电路
保护 电路
V1 LR
一些电路， 以保证电 力电子器 件和整个 系统正常 可靠运行
驱动
路
电路
V2 主电路
2020/8/1
电气隔离 图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
3) 电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上 的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控 的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态
， 2020/8/1 所 以 又 称 为 场 控 器 件 (Field Controlled
2.1.3 电力电子器件的分类
➢ 按照器件内部电子和空穴两种带电粒子参与导电 的情况分为三类：
2020/8/1
电力电子器件基础_PN结原理
• PN结具有一定的反向耐压能力，但如果反向电 压过大，达到反向击穿电压时，反向电流会急剧 增加，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态， 这种状态称为反向击穿，反向击穿有可能造成 PN结损坏。
2020/8/1
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
➢ 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。
➢ 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。
➢ 与信息电子器件相比，电力电子器件具有以下几个特征：
电力电子器件基础_PN结原理
• 在PN结上外加电压称为对PN结的偏置，P区加正、N区加负为正偏 置，反之为反偏置。
• 当PN结正向偏置时，外加电场与PN结的内电场方向相反，内电场被 削弱，载流子的漂移运动受到抑制，而扩散运动增强，在外电路上则 形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流。
• 当PN结反向偏置时，外加电场与PN结内电场方向相同，少子的漂移 运动大于多子的扩散运动,形成反向电流，但由于受少数载流子浓度 低的限制，反向电流很小。
电力电子器件的发展史
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
1930
1947 1957 1970 1980 1990 2000 t(年)
电子管 问世
水银（汞 弧）整流 器时代
晶闸管时代
IGBT及功率
集成器件出现 和发展时代
电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。
内电场
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P型区 空间电荷区 N型区