单片机第一章电力电子器件n
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第1章 电力电子器件
1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件——二极管 1.3 半控型器件——晶闸管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联和并联使用
电气工程学院
Electrical Engineering Institute of NEDU
2021年3月13日星期六
18
1.2.3 电力二极管的主要参数
2）正向压降UF 在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电 流时对应的正向压降。
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。
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b)
A a)
A
Anode
K
Kathode
c)
图1-2 电力二极管 a) 外形 b) 结构 c) 符号
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1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结的状态
状态参 数
正向导通
反向截止
小的正向漏电流。 器件开通。正向电压超过正 向转折电压Ubo，阳极电流 急剧增大，电压减小。 门极电流增大，正向转折电 压降低。 晶闸管正向压降1V左右。
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IA 正向 导通
URSMURRM
IH
IG2 IG1 IG=0
多在1200V以下。
DATASHEET 1 2 3
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1.2.4 电力二极管的主要类型
3) 肖特基二极管(DATASHEET)
以 金 属 和 半 导 体 接 触 形 成 势 垒 （ Schottky Barrier Diode ——SBD）。
PN结电容效应：
PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电 容
效应，该效应影响PN结的工作频率。
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1.2.2 电力二极管的基本特性
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。
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第1章 电力电子器件
电子电路的基础 ——— 电子器件 电力电子电路的基础——— 电力电子器件 本章主要内容：
电力电子器件的概念、特点和分类等问题。 电力电子器件的工作原理、基本特性、主要 参数以及选择和使用中应注意问题。
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1.1 电力电子器件概述
电气工程学院
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1.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件
1）概念: 电力电子器件（Power Electronic Device）
——直接用于电能的变换或控制主电路。
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7
1.1.2 电力电子系统组成
电力电子系统：由控制电路(检测电路、驱动 电路、保护电路)和主电路组成。V(Valve阀)
控
制 控制电路
电
路
检测 电路
保护 电路
驱动 电路
V1 LR
V2 主电路
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1.2.4 电力二极管的主要类型
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 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高 DATASHEET
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1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
其它可能导通的情况：
阳极电压升高造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光触发
称 为 光 控 晶 闸 管 （ Light Triggered Thyristor— LTT）。
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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
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。
开关频率较高时，开关损耗可能是功率损耗的主要因素。
要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接 近于零的某一数值以下 。
DATASHEET
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1.3.2 晶闸管的基本特性
1） 静态特性
（1）正向特性
正阳向阴阻两断极状加态正。向I电G=压0，，有器很件
UA
O
UDRM Ubo +UA
UDSM
雪崩 击穿
-IA
图1-8 晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
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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 微小而数值恒定的反向 漏电流。
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I IF
O UTO UF
U
图1-4 电力二极管的伏安特性
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1.2.3 电力二极管的主要参数
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
电气隔离
电气工程学院
图1-1 电力电子系统组成
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1.1.3 电力电子器件的分类
按器件被控程度，分为三类：
1.1.3 电力电子器件的分类
按参与导电的载流子，分为三类：
单极型 双极型 复合型
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1.2 不可控器件—电力二极管
Power Diode 。 应 用 ： 整 流 SR （ Semiconductor Rectifier) 快恢复二极管。应用：中、高频整流和逆变。 肖特基二极管。应用：低压高频整流。
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
外形有螺栓型和平板型两种封装
K G
A c)
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1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
电气工程学院
平板型晶闸管外形及结构
能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大功率的 场合具有重要地位。
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1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
A
G
KK
A A G
a)
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K b)
图1-6 晶闸管
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，允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。
使用时应按电流发热效应有效值相等的原则 来选取电流定额，并应留有一定的裕量。
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整流二极管及模块
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1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
由一个面积较大 的PN结和两端引 线以及封装组成 的。
从外形上看，主 要有螺栓型和平 板型两种封装。
A K
K
A
K
PN
I J
半控型器件（T。
全控型器件（IGBT,MOSFET，GTO) ——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 (Power Diode)
——控制信号不能控制其通断。
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主电路（Main Power Circuit） ——直接承担电能的变换或控制任务的电路。
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1.1.1 电力电子器件的概念和特征
2）电力电子器件一般特征：
处理电功率的能力大。 工作在开关状态。 需要信息电子电路控制。 功率损耗大。
优点：trr短（10-40ns) URRM低，UF低 正向功耗小，动态功耗小
缺点：URRM提高，UF也增高 反向漏电流大，温度敏感
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1.3 半控器件—晶闸管
晶闸管（Thyristor),可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）
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1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
2 I G I CBO1 I CBO2 I A 1 ( 1 2 )
➢ 阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的
漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。
➢ 开通状态：1+2趋近于1的，IA趋近于无穷大， 实现饱和导通。IA实际由外电路决定。
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1.2.3 电力二极管的主要参数
器件电流额定的选择： 工频正弦半波电流: 额定值：IF(AV)=Im/π, 有效值：If= Im/2 波形系数：Kf = If /IF(AV)= π /2=1.57 有效值与额定值关系式：If =1.57 IF(AV)
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1.3.1晶闸管的结构与工作原理
图1-7 晶闸管 a) 双晶体管模型 b) 工作原理
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1.3.2 晶闸管的基本特性
晶闸管正常工作时的特性总结如下：
承受反向电压，不论门极是否有触发电流，晶 闸管不导通。
承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况 下晶闸管才能开通。
晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。
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1.1.3 电力电子器件的分类
按驱动信号性质，分为两类：
电流驱动型
——控制端注入或者抽出电流来实现导通或关断。
电压驱动型
——电压信号实现导通或者关断。
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1.2.4 电力二极管的主要类型
2)、快恢复二极管 （Fast Recovery Diode——FRD）
简称快速二极管trr在5μS以下
快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED），
trr低于50ns， UF也很低（0.9V左右），反向耐压
电流
正向大
几乎为零
电压
维持1V
反向大
阻态
低阻态
高阻态
➢基本原理在于单向导电性。
PN结的反向击穿（两种形式)
雪崩击穿
齐纳击穿
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反向击穿 反向大 反向大
——
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1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
第1章 电力电子器件
1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件——二极管 1.3 半控型器件——晶闸管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联和并联使用
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1.2.3 电力二极管的主要参数
2）正向压降UF 在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电 流时对应的正向压降。
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。
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b)
A a)
A
Anode
K
Kathode
c)
图1-2 电力二极管 a) 外形 b) 结构 c) 符号
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1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结的状态
状态参 数
正向导通
反向截止
小的正向漏电流。 器件开通。正向电压超过正 向转折电压Ubo，阳极电流 急剧增大，电压减小。 门极电流增大，正向转折电 压降低。 晶闸管正向压降1V左右。
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IA 正向 导通
URSMURRM
IH
IG2 IG1 IG=0
多在1200V以下。
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1.2.4 电力二极管的主要类型
3) 肖特基二极管(DATASHEET)
以 金 属 和 半 导 体 接 触 形 成 势 垒 （ Schottky Barrier Diode ——SBD）。
PN结电容效应：
PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电 容
效应，该效应影响PN结的工作频率。
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1.2.2 电力二极管的基本特性
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。
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第1章 电力电子器件
电子电路的基础 ——— 电子器件 电力电子电路的基础——— 电力电子器件 本章主要内容：
电力电子器件的概念、特点和分类等问题。 电力电子器件的工作原理、基本特性、主要 参数以及选择和使用中应注意问题。
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1.1 电力电子器件概述
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1.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件
1）概念: 电力电子器件（Power Electronic Device）
——直接用于电能的变换或控制主电路。
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1.1.2 电力电子系统组成
电力电子系统：由控制电路(检测电路、驱动 电路、保护电路)和主电路组成。V(Valve阀)
控
制 控制电路
电
路
检测 电路
保护 电路
驱动 电路
V1 LR
V2 主电路
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1.2.4 电力二极管的主要类型
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 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高 DATASHEET
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1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
其它可能导通的情况：
阳极电压升高造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光触发
称 为 光 控 晶 闸 管 （ Light Triggered Thyristor— LTT）。
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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
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。
开关频率较高时，开关损耗可能是功率损耗的主要因素。
要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接 近于零的某一数值以下 。
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1.3.2 晶闸管的基本特性
1） 静态特性
（1）正向特性
正阳向阴阻两断极状加态正。向I电G=压0，，有器很件
UA
O
UDRM Ubo +UA
UDSM
雪崩 击穿
-IA
图1-8 晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
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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 微小而数值恒定的反向 漏电流。
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O UTO UF
U
图1-4 电力二极管的伏安特性
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1.2.3 电力二极管的主要参数
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
电气隔离
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图1-1 电力电子系统组成
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1.1.3 电力电子器件的分类
按器件被控程度，分为三类：
1.1.3 电力电子器件的分类
按参与导电的载流子，分为三类：
单极型 双极型 复合型
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1.2 不可控器件—电力二极管
Power Diode 。 应 用 ： 整 流 SR （ Semiconductor Rectifier) 快恢复二极管。应用：中、高频整流和逆变。 肖特基二极管。应用：低压高频整流。
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
外形有螺栓型和平板型两种封装
K G
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1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
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能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大功率的 场合具有重要地位。
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1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
A
G
KK
A A G
a)
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K b)
图1-6 晶闸管
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，允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。
使用时应按电流发热效应有效值相等的原则 来选取电流定额，并应留有一定的裕量。
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1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
由一个面积较大 的PN结和两端引 线以及封装组成 的。
从外形上看，主 要有螺栓型和平 板型两种封装。
A K
K
A
K
PN
I J
半控型器件（T。
全控型器件（IGBT,MOSFET，GTO) ——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 (Power Diode)
——控制信号不能控制其通断。
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主电路（Main Power Circuit） ——直接承担电能的变换或控制任务的电路。
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1.1.1 电力电子器件的概念和特征
2）电力电子器件一般特征：
处理电功率的能力大。 工作在开关状态。 需要信息电子电路控制。 功率损耗大。
优点：trr短（10-40ns) URRM低，UF低 正向功耗小，动态功耗小
缺点：URRM提高，UF也增高 反向漏电流大，温度敏感
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1.3 半控器件—晶闸管
晶闸管（Thyristor),可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）
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1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
2 I G I CBO1 I CBO2 I A 1 ( 1 2 )
➢ 阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的
漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。
➢ 开通状态：1+2趋近于1的，IA趋近于无穷大， 实现饱和导通。IA实际由外电路决定。
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1.2.3 电力二极管的主要参数
器件电流额定的选择： 工频正弦半波电流: 额定值：IF(AV)=Im/π, 有效值：If= Im/2 波形系数：Kf = If /IF(AV)= π /2=1.57 有效值与额定值关系式：If =1.57 IF(AV)
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晶闸管正常工作时的特性总结如下：
承受反向电压，不论门极是否有触发电流，晶 闸管不导通。
承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况 下晶闸管才能开通。
晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。
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1.1.3 电力电子器件的分类
按驱动信号性质，分为两类：
电流驱动型
——控制端注入或者抽出电流来实现导通或关断。
电压驱动型
——电压信号实现导通或者关断。
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1.2.4 电力二极管的主要类型
2)、快恢复二极管 （Fast Recovery Diode——FRD）
简称快速二极管trr在5μS以下
快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED），
trr低于50ns， UF也很低（0.9V左右），反向耐压
电流
正向大
几乎为零
电压
维持1V
反向大
阻态
低阻态
高阻态
➢基本原理在于单向导电性。
PN结的反向击穿（两种形式)
雪崩击穿
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反向击穿 反向大 反向大
——
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