电力电子基础..

电力电子教案

第一章电力电子器件

一、教学目的与要求

通过本章的学习使学生掌握各种电力电子器件的特性和使用方法。

二、授课内容

1、电力电子器件的概念、特点和特性。

2、各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数及选择和使用中应

注意的一些问题。

三、重点、难点及学生的要求

1、重点

1）晶闸管，GTO, GTR, P-MOSFET等电力电子器件的工作原理，基本特性及主要参数。

2）电力电子器件的驱动及保护

2、难点

各类电力电子器件的基本特性。

3、要求

1) 掌握电力电子器件的型号命名法医及其参数和特性曲线的使用方法。

2) 掌握各类电力电子器件驱动电路的特点。

3) 熟悉各类保护电路的作用及原理。

4) 了解电力电子器件的串并联使用方法

1.1 电力电子器件的概念和特征

电力电子电路的基础——电力电子器件

概念:

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

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

1.1.1 应用电力电子器件的系统组成

电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能。由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行，也往往是非常必要的。

1.1.2 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：

1)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。

2)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。

3)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。

1．2 不可控器件—电力二极管。

P ower Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。

1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理

基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样

以半导体PN结为基础，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，N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。

交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷

PN结的正向导通状态

电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。

PN结的反向截止状态

PN结的单向导电性。

二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。

PN结的反向击穿

有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。

PN结的电容效应：

PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容C J，又称为微分电容。

结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容C B和扩散电容C D 。

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。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。

造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素：正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略。引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响。

承受的电流变化率d i/d t较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响。为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。

1.2.2 电力二极管的基本特性

1. 静态特性

主要指其伏安特性

开通过程：

电力二极管的正向压降先出现一个过冲U FP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间t fr。电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。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，U FP越高。

1.2.3 电力二极管的主要参数

1. 正向平均电流I F(AV)

额定电流——在指定的管壳温度（简称壳温，用T C表示）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。正向平均电流是按照电流的发热效

应来定义的，因此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。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略当采用反

向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小。

2. 正向压降U F

指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压

降，有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬

时正向压降。

3.反向重复峰值电压U RRM

指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是其雪崩击穿电压U

的2/3，使用时往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两B

倍来选定。

4. 最高工作结温T JM

结温是指管芯PN结的平均温度，用T J表示。

最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。T JM通常在125~175 C范围之内。

5. 反向恢复时间t rr

t

= t d+ t f，关断过程中，电流降到零起到恢复反响阻断能力止的时间。

rr

6. 浪涌电流I FSM

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。

1.2.4 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。在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管。