电力电子器件概述56343
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精选第1章 电力电子器件概述资料
5）最高工作结温TJM
结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。 TJM通常在125~175C范围之内。
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。
14
4、二极管类型
1) 普通二极管（General Purpose Diode）
1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 1958年商业化。 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有 重要地位。
19
1、晶闸管的结构与工作原理
tgt
以
上
两者
之
和
，
10% 0
uAK
td
tr
t
2) 关断过程
IRM
反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间tgr
O
t
关断时间tq以上两者之和
tq=trr+tgr
trr URRM tgr
普通晶闸管的关断时间
约几百微秒
晶闸管的开通和关断过程波形
29
3）门极特性
门极电流 IG 与门极和阴极之间电 压UGK的关系。
雪崩 击穿
断态重复峰值电压 断态不重复峰值电压
晶闸管本身的压降很小，在1V左 右。
正向转折电压
-IA
晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
27
（2）反向特性 IA 反向不重复峰值电压 反向特性类似二极管的反向特
性。
反向重复峰值电压
反向阻断状态时，只有极小的
结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。 TJM通常在125~175C范围之内。
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。
14
4、二极管类型
1) 普通二极管（General Purpose Diode）
1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 1958年商业化。 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有 重要地位。
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1、晶闸管的结构与工作原理
tgt
以
上
两者
之
和
，
10% 0
uAK
td
tr
t
2) 关断过程
IRM
反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间tgr
O
t
关断时间tq以上两者之和
tq=trr+tgr
trr URRM tgr
普通晶闸管的关断时间
约几百微秒
晶闸管的开通和关断过程波形
29
3）门极特性
门极电流 IG 与门极和阴极之间电 压UGK的关系。
雪崩 击穿
断态重复峰值电压 断态不重复峰值电压
晶闸管本身的压降很小，在1V左 右。
正向转折电压
-IA
晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
27
（2）反向特性 IA 反向不重复峰值电压 反向特性类似二极管的反向特
性。
反向重复峰值电压
反向阻断状态时，只有极小的
电子行业电力电子器件综合概述
电子行业电力电子器件综合概述1. 引言电力电子器件是电子行业中的重要组成部分，用于控制和转换电能。
随着电力需求的不断增长，电力电子器件的应用范围也在不断扩大。
本文将对电力电子器件进行综合概述，包括其定义、分类、应用以及未来发展趋势等内容。
2. 电力电子器件的定义电力电子器件是指用于控制和转换电能的电子元件。
它可以将交流电转换为直流电，也可以将电能转换成其他形式，如机械能、光能等。
电力电子器件具有变流、变压、变频等功能，广泛应用于电力系统、工业控制、交通运输等领域。
3. 电力电子器件的分类电力电子器件根据其功能和工作原理的不同，可以分为以下几类：3.1 整流器整流器是一种将交流电转换为直流电的电力电子器件。
它使用半导体器件（如二极管、晶闸管等）将交流电的负半周或正半周去除，使输出电流呈现单向流动的特点。
整流器广泛应用于电力系统、工业设备以及电子产品中。
3.2 逆变器逆变器是一种将直流电转换为交流电的电力电子器件。
它通过控制半导体开关器件（如晶闸管、IGBT等）的开关状态，使直流电通过电路产生交流电输出。
逆变器广泛应用于可再生能源发电系统、电动车充电桩、家用电器等领域。
3.3 变频器变频器是一种可控制交流电频率的电力电子器件。
它通过调节半导体开关器件的开关频率，可以实现对交流电输出频率的调节。
变频器广泛应用于交通运输、工业生产等领域，如交流电机调速控制、电动车驱动系统等。
3.4 开关电源开关电源是一种通过开关器件在输入端和输出端之间进行快速切换来实现电能转换的电力电子器件。
开关电源具有高效率、小体积、稳定性好的特点，广泛应用于电子产品、通信设备等领域。
4. 电力电子器件的应用电力电子器件在电力系统、工业生产、交通运输、家用电器等领域都有广泛的应用。
在电力系统中，电力电子器件被用作电网稳定器、无功补偿装置、电力质量调节器等，提高电力系统的稳定性和效率。
在工业生产中，电力电子器件被用于电机调速、电力负荷控制、短路电流限制等，提高生产效率和质量。
电力电子器件概述
螺栓式晶闸管在安装和更换时比较方便，但散热效果较差。 平板式晶闸管的散热效果较好，但安装和更换时比较麻烦。
额定通态平均电流小于200A的一般不采用平板式结构
1. 反向阳极电压时，关断状态；
2. 关断—导通，正向阳极电压和正向门极电压二个条件。 3. 门极失去控制作用。 4. 晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）
5. 反向恢复时间trr 6. 浪涌电流IFSM
1.2.4 主要类型
1. 普通二极管——又称整流二极管 1KHZ以下 数千安和数千伏以上
2. 快恢复二极管 5μs以下 3. 肖特二极管
1.3 半控型器件——晶闸管(SCR)
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
平板型晶闸管外形及结构
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
4. 光控晶闸管LTT
⑴又称光触发晶闸 管，是利用一定 波长的光照信号 触发导通的晶闸 管。
⑵光触发保证了主 电路与控制电路 之间的绝缘，且 可避免电磁干扰 的影响。
⑶在高压大功率的 场合占有重要地位。
2. 双向晶闸管TRIAC
⑴可认为是一对反并 联联接的普通晶闸 管的集成。
⑵有两个主电极T1和 T2，一个门极G。
⑶在第Ｉ和第III象限 有对称的伏安特性。
⑷不用平均值而用有 效值来表示其额定 电流值。
3. 逆导晶闸管 RCT
正向压降小、关断时间短、 高温特性好、额定结温高。
元件数目减少、装置体积 缩小、重量减轻、价格降 低、配线简单、经济性好。
这个参数可用来作为设计保护电路的依据。
3. 动态参数 断态电压临界上升率du/dt: 不导致从断态到通态转换的最大主电压上升率。 通态电流临界上升率di/dt: 晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。
电力电子器件概述(2)
电流驱动型
电压驱动型
通断
11
3.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
由一种载流子参与导电的器件
双极型器件
由电子和空穴两种载流子参与导电的器件
复合型器件
单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件
12
2.1.4 本章内容和学习要点
电力电子器件
工作原理 基本特征 主要参数
第2章 电力电子器件
2.1 电力电子器件概述 2.2 不可控器件——电力二极管 2.3 半控型器件——晶闸管 2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块
1
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 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类 2.1.4 本张内容和学习要点
14
4
2.1.2 应用电力电子器件的系统组成
控
检测
电路
制
电
驱动
路
电路
V1 LR
V2 主电路
图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
电力电子电路
由控制电路、驱 动电路、电力电 子器件为核心的 主电路组成
电力电子电路—
电力电子系统
5
导通
控制电路 通过驱动电路 主电路中
控制
电力电子器件
关断
由信息电路组成
导通
关断
图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
主电流端子（公共端）——驱动电路和主电路，
是主电路电流流出电力电子器件的端子
9
2.1.3 电力电子器件的分类
1.按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的度 分为以下三类
电力电子器件(32)
电力电子器件
目 录
• 电力电子器件概述 • 电力电子器件的基本原理 • 常见电力电子器件介绍 • 电力电子器件的特性分析 • 电力电子器件的应用实例
01 电力电子器件概述
定义与分类
定义
电力电子器件是用于转换、控制和利 用电能的电子器件，主要用于电力系 统的发电、输电、配电和用电环节。
分类
按照工作频率可分为低频电子器件和 高频电子器件；按照控制功能可分为 电力控制电子器件和电力主控电子器 件。
用于分布式发电和微电网的 支持
电力电子器件可以实现分布式发电和微电网的并网 和离网运行，提高电网的可靠性和稳定性。
用于智能电表的通信和控 制
电力电子器件可以实现智能电表的无线通信 和控制功能，提供实时、准确的用电数据和 远程控制功能。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
集成化
将多个电力电子器件集成在一 个芯片上，实现高密度集成和
模块化。
智能化
引入人工智能和物联网技术， 实现电力电子系统的智能化控
制和监测。
高效化和绿色化
提高电力电子系统的效率和可 靠性，降低能耗和排放，实现
可持续发展。
02 电力电子器件的基本原理
工作原理
电力电子器件是一种能够控制大功率电能的电子器件，通过控制电流和电压来实现 对电能的转换和优化。
应用
绝缘栅双极晶体管广泛应用于各种高频率、大功率的电机 控制和电源供应等领域，如风电变流器、电动汽车驱动系 统和轨道交通牵引系统等。
04 电力电子器件的特性分析
伏安特性
正向伏安特性
描述电力电子器件在正向 偏置下的电压-电流关系， 通常呈线性或非线性关系。
反向伏安特性
描述电力电子器件在反向 偏置下的电压-电流关系， 通常表现为高阻抗。
目 录
• 电力电子器件概述 • 电力电子器件的基本原理 • 常见电力电子器件介绍 • 电力电子器件的特性分析 • 电力电子器件的应用实例
01 电力电子器件概述
定义与分类
定义
电力电子器件是用于转换、控制和利 用电能的电子器件，主要用于电力系 统的发电、输电、配电和用电环节。
分类
按照工作频率可分为低频电子器件和 高频电子器件；按照控制功能可分为 电力控制电子器件和电力主控电子器 件。
用于分布式发电和微电网的 支持
电力电子器件可以实现分布式发电和微电网的并网 和离网运行，提高电网的可靠性和稳定性。
用于智能电表的通信和控 制
电力电子器件可以实现智能电表的无线通信 和控制功能，提供实时、准确的用电数据和 远程控制功能。
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集成化
将多个电力电子器件集成在一 个芯片上，实现高密度集成和
模块化。
智能化
引入人工智能和物联网技术， 实现电力电子系统的智能化控
制和监测。
高效化和绿色化
提高电力电子系统的效率和可 靠性，降低能耗和排放，实现
可持续发展。
02 电力电子器件的基本原理
工作原理
电力电子器件是一种能够控制大功率电能的电子器件，通过控制电流和电压来实现 对电能的转换和优化。
应用
绝缘栅双极晶体管广泛应用于各种高频率、大功率的电机 控制和电源供应等领域，如风电变流器、电动汽车驱动系 统和轨道交通牵引系统等。
04 电力电子器件的特性分析
伏安特性
正向伏安特性
描述电力电子器件在正向 偏置下的电压-电流关系， 通常呈线性或非线性关系。
反向伏安特性
描述电力电子器件在反向 偏置下的电压-电流关系， 通常表现为高阻抗。
电力电子器件(35)
常见电力电子器件介绍
晶体管
工作原理
晶体管是一种半导体器件，利用 半导体材料的特殊性质实现电流
的放大和开关控制。
类型
晶体管可分为双极型和场效应管 （FET）两种类型。
应用
晶体管在各种电子设备和系统中广 泛应用，如放大器、振荡器、开关 等。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）
工作原理
应用
IGBT是一种复合晶体管，由双极晶体 管和绝缘栅场效应管组成，具有电流 放大和电压控制的功能。
常见的电力电子器件包括晶体管、可控硅整流器、可关断晶闸管等。
主要参数
01
02
03
额定电压和电流
电力电子器件能够承受的 最大电压和电流值，是选 择和使用器件的重要依据。
开关频率
电力电子器件的开关状态 转换的频率，对电路的工 作性能和效率有重要影响能够承受的最大电压值， 是器件安全运行的重要参 数。
随着技术的进步，电力电子器件的工作频率和效率不断提高，有助于 减小体积和重量，提高能源利用效率。
智能化与集成化
电力电子器件正朝着智能化和集成化方向发展，通过将传感器、控制 电路和执行器集成在一起，实现更高效和智能的控制。
宽禁带半导体材料
宽禁带半导体材料如硅碳化物和氮化镓具有更高的禁带宽度、临界击 穿电场和饱和电子速度，有助于提高电力电子器件的性能。
THANKS
感谢观看
如电动车电机控制器、风电变流器、 智能电网等。
特点
IGBT具有高电压、大电流、高频率、 低损耗等优点，广泛应用于电机控制、 电网管理和新能源发电等领域。
功率MOSFET
工作原理
功率MOSFET是一种单极型晶体 管，通过金属氧化物半导体场效
应来实现导通和截止。
晶体管
工作原理
晶体管是一种半导体器件，利用 半导体材料的特殊性质实现电流
的放大和开关控制。
类型
晶体管可分为双极型和场效应管 （FET）两种类型。
应用
晶体管在各种电子设备和系统中广 泛应用，如放大器、振荡器、开关 等。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）
工作原理
应用
IGBT是一种复合晶体管，由双极晶体 管和绝缘栅场效应管组成，具有电流 放大和电压控制的功能。
常见的电力电子器件包括晶体管、可控硅整流器、可关断晶闸管等。
主要参数
01
02
03
额定电压和电流
电力电子器件能够承受的 最大电压和电流值，是选 择和使用器件的重要依据。
开关频率
电力电子器件的开关状态 转换的频率，对电路的工 作性能和效率有重要影响能够承受的最大电压值， 是器件安全运行的重要参 数。
随着技术的进步，电力电子器件的工作频率和效率不断提高，有助于 减小体积和重量，提高能源利用效率。
智能化与集成化
电力电子器件正朝着智能化和集成化方向发展，通过将传感器、控制 电路和执行器集成在一起，实现更高效和智能的控制。
宽禁带半导体材料
宽禁带半导体材料如硅碳化物和氮化镓具有更高的禁带宽度、临界击 穿电场和饱和电子速度，有助于提高电力电子器件的性能。
THANKS
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如电动车电机控制器、风电变流器、 智能电网等。
特点
IGBT具有高电压、大电流、高频率、 低损耗等优点，广泛应用于电机控制、 电网管理和新能源发电等领域。
功率MOSFET
工作原理
功率MOSFET是一种单极型晶体 管，通过金属氧化物半导体场效
应来实现导通和截止。
电力电子技术之电力电子器件概述
导调制效应起作用所需的大量
u
少子需要一定的时间来储存，
F
在达到稳态导通之前管压降较 2V
大；正向电流的上升会因器件 自身的电感而产生较大压降。 0
t fr
t
电流上升率越大，UFP越高。
电力二极管的动态过程波形 b) 零偏置转换为正向偏置
（3） 电力二极管的主要参数
1）正向平均电流IF(AV)
指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简
☞电力电子器件的功率损耗
通态损耗
断态损耗 开关损耗
开通损耗 关断损耗
☞通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。 ☞当器件的开关频率较高时，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。
3. 应用电力电子器件的系统组成
电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、 驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个 系统。
◆PN结的电容效应称为结电容CJ，又称为微分电容。 按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩
散电容CD 。
势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电 压频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时， 当正向电压较低时，势垒电容为主。
扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高 时，扩散电容为结电容主要成分。
转折
电压
Ubo
IH
IG2 IG1
IG=0
O
U DRM U bo +UA
U DSM
如果门极电流为零，并且阳极
电流降至接近于零的某一数值IH以
下，则晶闸管又回到正向阻断状态，
IH称为维持电流。
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。
电力电子器件原理
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轨道交通
在城市轨道交通中，电力电子器 件用于实现牵引供电和信号控制 。
在磁悬浮列车中，电力电子器件 可以实现高效的电机控制和能量 回收。
在高速铁路中，电力电子器件用 于实现列车牵引和供电系统的控 制。
在轨道交通的自动化和智能化方 面，电力电子器件也发挥着重要 的作用。
05 电力电子器件的未来发展
智能化与网络化的趋势
智能化
随着人工智能技术的发展，电力电子器件的智能化成为一种趋势。智能化能够提高电力电子系统的自适应性、可 靠性和容错性，实现更加高效和智能的能源管理。
网络化
通过互联网和物联网技术，将电力电子器件与智能终端、云计算等相互连接，实现远程监控、数据采集和智能控 制等功能。网络化的电力电子器件能够提高能源利用效率和可再生能源的接入能力，促进能源的可持续发展。
热特性
最大结温
指电力电子器件在工作过程中所允许的最高结温， 超过此温度将导致器件性能下降或损坏。
热阻
指电力电子器件在工作过程中因温度升高而产生 的热量传导阻力。
散热设计
为确保电力电子器件的正常工作，需要采取有效 的散热措施，如散热片、风冷或液冷等。
安全工作区
安全工作区
指在规定的电源电压和负载电流范围内，电力电子器件能够安全、可靠地工作 而不会发生损坏或性能下降的区域。
新材料与新工艺的应用
新材料
随着科技的发展，新型材料如碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN） 等在电力电子器件中的应用越来越广泛。这些新材料具有更高 的热导率、禁带宽度和击穿场强等特点，能够提高电力电子器 件的效率和可靠性。
新工艺
新型工艺技术如薄膜工艺、微纳加工技术等在电力电子器件 制造中逐渐得到应用。这些新工艺能够减小器件尺寸、降低 制造成本和提高集成度，为电力电子器件的发展提供了新的 可能性。
电力电子器件概述
31
1.4.1 门极可关断晶闸管
门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor — GTO）
晶闸管的一种派生器件。 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。 GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因 而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。 DATASHEET
32
1.4.1 门极可关断晶闸管
25
12.）3 双晶向闸晶管闸的管派（生Tr器io件de AC Switch——TRIAC
或Bidirectional triode thyristor）
可认为是一对反并联联 接的普通晶闸管的集成。 T1
有两个主电极T1和T2，
一个门极G。
G
T2
I O
IG =0 U
在第Ｉ和第III象限有对
a)
b)
电压降低。
雪崩
击穿
晶闸管本身的压降很小，在1V左右。
IA 正向 导通
IH
IG2 IG1 IG=0
O
U UDRM bo+UA
UDSM
正向不可重复峰值电压UDSM ，正向 可重复峰值电压UDRM
-IA
晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
13
反向特性
IA 正向 导通
反向特性类似二极管的反
向特性。
- URSMURRM
闸管为半控型器件。 (4) 为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一
定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或 反向的方法来实现。
10
2. 晶闸管的工作原理
A
P1
N1
N1
G
P2
P2
N2
K
A
IA
1.4.1 门极可关断晶闸管
门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor — GTO）
晶闸管的一种派生器件。 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。 GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因 而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。 DATASHEET
32
1.4.1 门极可关断晶闸管
25
12.）3 双晶向闸晶管闸的管派（生Tr器io件de AC Switch——TRIAC
或Bidirectional triode thyristor）
可认为是一对反并联联 接的普通晶闸管的集成。 T1
有两个主电极T1和T2，
一个门极G。
G
T2
I O
IG =0 U
在第Ｉ和第III象限有对
a)
b)
电压降低。
雪崩
击穿
晶闸管本身的压降很小，在1V左右。
IA 正向 导通
IH
IG2 IG1 IG=0
O
U UDRM bo+UA
UDSM
正向不可重复峰值电压UDSM ，正向 可重复峰值电压UDRM
-IA
晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
13
反向特性
IA 正向 导通
反向特性类似二极管的反
向特性。
- URSMURRM
闸管为半控型器件。 (4) 为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一
定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或 反向的方法来实现。
10
2. 晶闸管的工作原理
A
P1
N1
N1
G
P2
P2
N2
K
A
IA
第1章 电力电子器件概述 (2)
A
K A
a)
K
A
K
PN
I J
b)
A
K
c)
图1-2 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
13
1.2P.N1结P的N状结态与电力二极管的工作原理
状态 参数
正向导通
反向截止
反向击穿
电流
正向大
几乎为零
反向大
电压
维持1V
反向大
反向大
二极阻管态的基本原低阻理态就在于PN高结阻态的单向导电—性— 这一主要 特征。
24
1.3 半控器件—晶闸管
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理 1.3.2 晶闸管的基本特性 1.3.3 晶闸管的主要参数 1.3.4 晶闸管的派生器件
25
1.3 半控器件—晶闸管·引言
晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流 器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）
3） 反向重复峰值电压URRM
对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。
使用时，应当留有两倍的裕量。
4）反向恢复时间trr
trr= td+ tf
20
1.2.3 电力二极管的主要参数
5）最高工作结温TJM
结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高 平均温度。
肖特基二极管的弱点
反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。 反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。
肖特基二极管的优点
反向恢复时间很短（10~40ns）。 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。 反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。 效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。
《电力电子器件概述》幻灯片
控
制
控制电路
电
检测 电路
保护 电路
V1 LR
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
驱动
路
电路
V2 主电路
电气隔离
图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
7
1.1.3 电力电子器件的分类
按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：
➢ 半控型器件〔Thyristor〕
的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2
分别是V1和V2的共基极漏电流。
由以上式可得 ：
IA2I1G(I1CBO 2I1)CBO（2 1-5）
图1-7
晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理
29
1.3.1 晶闸管的构造与工作原理
在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立 起来之后， 迅速增大。
IH O
IG2 IG1 IG=0
UDRM Ubo +UA UDSM
正向电压超过正向转折电 压Ubo，那么漏电流急 剧增大，器件开通。
恢复特性的软度：下降时间与
延复迟系时数间，用的S比r表值示tf。/td，或称恢
uF 2V
0
b) tfr
t
图1-5 电力二极管的动态过程波形
a) 正向偏置转换为反向偏置
b) 零偏置转换为正向偏置
17
1.2.2
关断过程
电力二极管的根IF 本di特F 性
dt
trr
须经过一段短暂的时间才能重新获 UF
td
简称快速二极管 快恢复外延二极管
〔Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED〕，其trr更短〔可低于50ns〕， UF也很低〔0.9V左右〕，但其反 向耐压多在1200V以下。
1电力电子器件概述
U
图1-4 电力二极管的伏安特性
2) 动态特性
半导体电力二极管的开关特性
开关过程，由导通状态转为阻
断状态并不是立即完成，它要 经历一个短时的过渡过程；
此过程的长短、过渡过程的波
状态： 导通、阻断
形对不同性能的二极管有很大 差异；
理解开关过程对今后选用电力
过程：
开通、关断
电子器件，理解电力电子电路 的运行是很有帮助的，因此应 对二极管的开关特性有较清晰 的了解。
（2）最大允许全周期均方根正向电流的定义：
当二极管流过半波正弦电流的 平均值为IFR时，与其发热等效 的全周期均方根正向电流IFrms称 为最大允许全周期均方根正向 电流。 当正弦半波电流的峰值为Im时，它可用下式计算：
I Frms
1 T /2 2 2 I sin ( t )dt 0 m T
3）肖特基二极管
以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极 管称为肖特基势垒二极管
肖特基二极管的弱点 反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。 反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。 肖特基二极管的优点 反向恢复时间很短（10~40ns）。 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。 反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。 效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。
主电路（Main Power Circui
——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。
2. 分类:
电真空器件 半导体器件 (汞弧整流器、闸流管) (采用的主要材料硅）
3. 同处理信息的电子器件相比的一般特征
(1)能处理电功率的能力，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。（开关器 件的条件）
第1章 电力电子器件概述54332 113页PPT文档
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
路
驱动 电路
V2 主电路
电气隔离
图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
7
1.1.3 电力电子器件的分类
按器件受控程度可分为以下三类：
半控型器件（Thyristor） ——通过控制信号可以控制其导通而不
电真空器件 (汞弧整流器、闸流管)
半导体器件 (采用的主要材料硅）
4
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
3）同处理信息的电子器件相比的一般特征： 处理电功率的能力远大于处理信息的电子器件。 电力电子器件一般都工作在开关状态。 电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 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。
2V
uF
电流上升率越大，UFP越高 。
0
tfr
t
图1-5(b)开通过程
18
1.2.3 电力二极管的主要参数
1) 正向平均电流IF(AV)
额定电流——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。
IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按
有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定 的裕量。
A
G
KK
A A
G
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K
K G
A
a)
b)
c)
图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
电力电子器件概述(ppt 78页)
为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增 益
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3.2.3 GTR的基本特性
(1) 静态特性
• 共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱 和区
• 在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止 区或饱和区
• 在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经 过放大区
返回
3.1.4 GTO的主要参数
3) 最大可关断阳极电流IATO : GTO的额定电流
4) 电流关断增益off 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大
值IGM之比称为电流关断增益
off
I ATO I GM
（1-8）
off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO
关断时门极负脉冲电流峰值要200A
GK
G
K
G
A
N2
P2 N1
P1 A
N2
G K
a)
b)
c)
图1-13
图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号
a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号
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返回
3.1.2 GTO的结构和工作原理
➢ 工作原理：
合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组
返回
3.2.4 GTR的主要参数
1) 最高工作电压
– GTR上电压超过规定值时会发生击穿 – 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外
电路接法有关 – BUcbo> BUcex> BUces> BUcer> Buceo – 实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比
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3.2.3 GTR的基本特性
(1) 静态特性
• 共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱 和区
• 在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止 区或饱和区
• 在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经 过放大区
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3.1.4 GTO的主要参数
3) 最大可关断阳极电流IATO : GTO的额定电流
4) 电流关断增益off 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大
值IGM之比称为电流关断增益
off
I ATO I GM
（1-8）
off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO
关断时门极负脉冲电流峰值要200A
GK
G
K
G
A
N2
P2 N1
P1 A
N2
G K
a)
b)
c)
图1-13
图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号
a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号
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3.1.2 GTO的结构和工作原理
➢ 工作原理：
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3.2.4 GTR的主要参数
1) 最高工作电压
– GTR上电压超过规定值时会发生击穿 – 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外
电路接法有关 – BUcbo> BUcex> BUces> BUcer> Buceo – 实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比
电子行业4-电力电子器件
电子行业4-电力电子器件1. 引言电力电子器件是电力电子技术的重要组成部分，广泛应用于电力系统中的各个环节，如发电、输电、变电、配电和用电等。
它们在改善能源利用效率、提高电能质量、实现能量转换和控制方面发挥着重要作用。
本文将介绍电力电子器件的基本概念、分类和应用，以及未来的发展趋势。
2. 电力电子器件的基本概念电力电子器件是指用于对电能进行控制、转换和调节的器件。
它们能够将电能从一种形式转化为另一种形式，或者将电能从一个电源传送到另一个负载。
通常，电力电子器件具有高电流、高电压和高功率的特点。
3. 电力电子器件的分类根据其工作原理和应用，电力电子器件可以分为多个分类。
以下是常见的几种分类：3.1 散流二极管散流二极管常用于电网系统中的整流电路，主要用于将交流电转换为直流电。
其主要特点是低压降、大电流承载能力和高可靠性。
3.2 MOSFETMOSFET是一种常用的功率开关器件，用于控制电流的开关和调节。
它具有高开关频率、低导通压降和低功率损耗等特点，被广泛应用于风力发电、太阳能发电和电动车充电等领域。
3.3 IGBTIGBT是绝缘栅双极型晶体管的缩写，是一种常用的功率半导体器件。
它具有高开关频率、低导通压降和高耐压能力等特点，广泛应用于电力变换和调节设备中，如电机控制、变频器和无线电频率发生器等。
3.4 GTOGTO是大功率门控双极型晶闸管的缩写，是一种用于高功率电力控制和变换的器件。
它具有高开关频率、低导通压降和高耐压能力等特点，广泛应用于电力系统中的直流输电和柔性交流输电等方面。
3.5 SiC和GaN器件随着材料科学和技术的发展，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽禁带半导体材料的应用越来越广泛。
SiC器件具有高电压承受能力和高温工作能力，适用于高性能、高频率的电力电子系统。
GaN器件具有高开关速度和低导通电阻，适用于高效率、高功率密度的电力电子系统。
4. 电力电子器件的应用电力电子器件被广泛应用于电力系统中的各个环节，以下是几个常见的应用领域：4.1 变频器变频器是将输入电源的频率和电压转变为不同频率和电压的器件，用于控制电机的转速和扭矩。
电力电子器件综合概述(ppt 83页)
20
晶闸管的基本特性
1. 静态特性
IA
反向阻断
URO
IH 0
反向特性
反向击穿
1）IG=0时，若UA＞ UBO，则晶闸管
会出现“硬开通”现象——不允许
正
2）IG增加时，正向转折电压减小。
向 导 通
正向特性 3）晶闸管一旦导通，门极失去控制 作用。
硬开通
IG2>IG1>IG0 IG2 IG1 IG0=0
22
晶闸管的主要参数
1．电压定额
断态重复峰值电压UDRM
在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件
上的正向峰值电压。
反向重复峰值电压URRM
在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件
上的反向峰值电压。
额定电压的选取要留有
取晶闸管的UDRM和 URRM中较小的标值作 为该器件的额定电压。
一定裕量，一般取额定 电压为正常工作时晶闸 管所承受峰值电压的
3） 晶闸管具有开关作用。
导通时：相当于开关闭合；阻断时：相当于开关断开。
18
例题
电路如图，已知u2和ug波形，试画出电阻Rd两端 的电压ud波形。
2π
π
3π
晶闸管的导通时刻由u2和ug共同决定，关断则仅取决于u2的过零时刻
19
晶闸管的基本特性
1. 静态特性
伏安特性：——阳极伏安特性
晶闸管的阳极与阴极之间的电压ua与阳极 电流ia之间的关系。
通态电流临界上升率di/dt
在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大 通态电流上升率。
27
晶闸管的主要参数
晶闸管型号的命名方法：
K P □－□ □
通态平均电压组别 正反向重复峰值电压等级 额定通态平均电流 普通反向阻断型 表示晶闸管 例如：KP100-12G 表示额定电流100A、额定电压1200V、管压降1v的普通型晶闸管。
晶闸管的基本特性
1. 静态特性
IA
反向阻断
URO
IH 0
反向特性
反向击穿
1）IG=0时，若UA＞ UBO，则晶闸管
会出现“硬开通”现象——不允许
正
2）IG增加时，正向转折电压减小。
向 导 通
正向特性 3）晶闸管一旦导通，门极失去控制 作用。
硬开通
IG2>IG1>IG0 IG2 IG1 IG0=0
22
晶闸管的主要参数
1．电压定额
断态重复峰值电压UDRM
在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件
上的正向峰值电压。
反向重复峰值电压URRM
在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件
上的反向峰值电压。
额定电压的选取要留有
取晶闸管的UDRM和 URRM中较小的标值作 为该器件的额定电压。
一定裕量，一般取额定 电压为正常工作时晶闸 管所承受峰值电压的
3） 晶闸管具有开关作用。
导通时：相当于开关闭合；阻断时：相当于开关断开。
18
例题
电路如图，已知u2和ug波形，试画出电阻Rd两端 的电压ud波形。
2π
π
3π
晶闸管的导通时刻由u2和ug共同决定，关断则仅取决于u2的过零时刻
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晶闸管的基本特性
1. 静态特性
伏安特性：——阳极伏安特性
晶闸管的阳极与阴极之间的电压ua与阳极 电流ia之间的关系。
通态电流临界上升率di/dt
在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大 通态电流上升率。
27
晶闸管的主要参数
晶闸管型号的命名方法：
K P □－□ □
通态平均电压组别 正反向重复峰值电压等级 额定通态平均电流 普通反向阻断型 表示晶闸管 例如：KP100-12G 表示额定电流100A、额定电压1200V、管压降1v的普通型晶闸管。
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检测电路、驱动电路以外的电路
控制电 路
主电路
电力电子系统
检测电路
检测主电路或应用现场信号
7
驱动电路
主电路
控制信号
检测电路
保护电路
保证电力电子器件和整个电力电
子系统正常可靠运行
8
控
检测
电路
制
电
驱动
路
电路
V1 LR
V2 主电路
控制端
主电路端子 之间信号
电力电子器件
导通
关断
图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
11
3.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
由一种载流子参与导电的器件
双极型器件
由电子和空穴两种载流子参与导电的器件
复合型器件
单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件
12
2.1.4 本章内容和学习要点
电力电子器件
工作原理 基本特征 主要参数
选择、使用时 注意的问题
2.1.2 应用电力电子器件的系统组成
控
检测
电路
制
电
驱动
路
电路
V1 LRV2 主电路图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
电力电子电路
由控制电路、驱 动电路、电力电 子器件为核心的 主电路组成
电力电子电路—
电力电子系统
6
导通
控制电路 通过驱动电路 主电路中
控制
电力电子器件
关断
由信息电路组成
基本特征
掌握
电力电子器件
型号命名法 参数
特征曲线
13
2.2 不可控器件——电力二极管
20世纪50年 初获得应
电力二极管 （半导体整流器）
逐步 汞弧 取代 整流器
结构和原理简单 工作可靠
快恢复二极管 肖特基二极管
现在仍大量应用于许多电气设备
应用
中、高频电流 逆变 低压高频电流
14
再见
自关断器件
｛ 关 断
绝缘栅双极晶体管
全控型器件 电力效应晶体管
门极可关断晶体管
处理兆瓦级 大功率电能
10
不能用控制信号控制 其通断，不需要驱动电路
｛ 不控型器件 电力二极管
电主电 压电流
路
只有两个端子
通断
2. 按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端 之间信号的性质分为两类
电流驱动型
电压驱动型
通断
主电流端子（公共端）——驱动电路和主电路，
是主电路电流流出电力电子器件的端子
9
2.1.3 电力电子器件的分类
1.按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的度 分为以下三类
通过控制信号可控制 其导通而不能控制其关断
｛晶闸管
半控型器件
电主电 压电流
及其派生器件
路
通过控制信号即可控制 其导通又能控制其关断