电气工程概论第三章电力电子
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电气工程概论
3.1 功率半导体器件
图3-2示出了各种功率半导体器件的工作范围
9
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
二、大功率二极管
大功率二极管属不可控器件，在不可控整流、电感性负载回路 的续流等场合均得到广泛使用。
（一）大功率二极管的结构 大功率二极管的内部结构是一个具有P型、N型半导体、一个PN 结和阳极A、阴极K的两层两端半导体器件，其符号表示如图33(a)所示。 从外部构成看，也分成管芯和散热器两部分。一般情况下， 200A以下的管芯采用螺旋式(图3-3(b) )，200A以上则采用平板 式(图3-3(c) )。
14
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
三、晶闸管(SCR)
晶闸管是硅晶体闸流管的简称，其价格低廉、工作可靠，尽管 开关频率较低，但在大功率、低频的电力电子装置中仍占主导 地位。 （一）晶闸管的结构 晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，可区分为管 芯及散热器两大部分，分别如图3-7及图3-8所示。
第三章电力电子技术
第一节 功率半导体器件
4
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
功率半导体器件是电力电子系统的心脏，是电力电子电路的 基础。
功率集成电路是最近10年功率半导体器件发展的一个重要趋 势，是将功率半导体开关器件与其驱动、缓冲、检测、控制和 保护等硬件集成一体，构成一个功率集成电路PIC。
智能功率模块IPM是功率集成电路中典型的例子，近年得到了 较为广泛的应用。
15
电气工程概论 （二）晶闸管的基本特性
3.1 功率半导体器件
通过理论分析和实验验证表明： 1) 只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时晶 闸管才能导通，两者不可缺一。 2) 晶闸管一旦导通后门极将失去控制作用，门极电压对管子 随后的导通或关断均不起作用，故使晶闸管导通的门极电压不 必是一个持续的直流电压，但必须是一个具有一定宽度和幅度 的正向脉冲电压，其脉冲宽度与晶闸管开通特性及负载性质有 关。这个脉冲常称之为触发脉冲。 3) 要使已导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到某一数 值之下(晶闸管维持电流，约几十毫安)。通常通过降低阳极电 压至接近于零或施加反向阳极电压来实现。
一个理想的功率半导体器件应当具有的理想的静态和动态特性
是：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，具有高的电流
密度和低的导通压降；在开关状态，转换时具有短的开、关时
间，能承受高的
和
；同时器件具有全控功
能，即器件的通断可通过电信号控制。
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电气工程概论
3.1 功率半导体器件
（二）功率半导体器件的发展
功率半导体器件的发展经历了以下阶段：
第I象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。
正向阻断状态随着不同的门极电流，Ig大小呈现不同的分支。
6
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
功率半导体器件作为功率开关，其工作特点如下：
1）功率半导体器件通常都处于在开关状态。 2）功率半导体器件由断态转换成通态及由通态转换成断态时， 在转换过程中所产生的损耗，分别称之为开通损耗和关断损耗， 总称为开关损耗。 3）大功率是功率半导体器件的特点，这就要求一个理想的功率 半导体器件应该是能承受高电压、大电流的器件。
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电气工程概论
一、概述 （一）功率半导体器件的功能
3.1 功率半导体器件
图3-1为电力电子装置的示意图，功率输入经功率变换器后输
出至负载。功率变换器通常采用电力电子器件作为功率开关，
应用不同拓扑组合构成，实现电功率形式的变换（电压或频率
等变换）。此外，系统功率可以是双向的，即电功率也可以从
输出端送至输入端。
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电气工程概论
（二）大功率二极管的特性
3.1 功率半导体器件
1.大功率二极管的伏安特性
二极管阳极和阴极间的电压Uak与阳极电流ia 间的关系称为伏安 特性，如图3-4所示。由于大功率二极管的通态压降和反向漏电
流数值都很小，可忽略，于是大功率二极管的理想伏安特性如
图3-4(b)所示。
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电气工程概论
3.1 功率半导体器件
2. 大功率二极管的开通、关断特性
图3-5为大功率二极管的开通过程。大功率二极管的开通过程较 短，导通压降很小，通常可视为一理想开关。
12ຫໍສະໝຸດ Baidu
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
图3-6为大功率二极管关断过程，其截止时的反向电流恢复时 间必须考虑。
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电气工程概论
3.1 功率半导体器件
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电气工程概论
3.1 功率半导体器件
1. 静态特性
（1）阳极伏安特性。晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与
阴极之间的电压Uak与阳极电流ia 之间的关系曲线，如图3-9 所示。
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电气工程概论
3.1 功率半导体器件
阳极伏安特性可以划分为两个区域，第I象限为正向特性区，第 III象限为反向特性区。
大功率二极管产生于20世纪40年代，是功率半导体器件中结 构最简单、使用最广泛的一种器件。 20世纪70年代，出现了称之为第二代的自关断器件，如门极 可关断晶闸管、大功率双极型晶体管、功率场效应晶体管等。 20世纪80年代，出现了的第三代复合导电机构的场控半导体 器件，以绝缘栅极双极型晶体管(IGBT或IGT)为典型代表，另外 还有静电感应式晶体管、静电感应式晶闸管、MOS控制晶闸管、 集成门极换流晶闸管等。 现已经出现了第四代电力电子器件——集成功率半导体器件， 它将功率器件与驱动电路、控制电路及保护电路集成在一块芯 片上，从而开辟了电力电子器件智能化的方向，具有广阔的应 用前景。
电气工程概论
第三章 电力电子技术
1
电气工程概论
第三章电力电子技术
引言
近年来基于相关技术的发展，电力电子领域得 到了高度发展。同时电力电子的市场也在迅速地扩 张，在开关电源、不间断电源、节能、自动化、运 输、感应加热、电力事业诸方面都得到了广泛的使 用。
2
电气工程概论
第三章电力电子技术
3
电气工程概论
在应用低频整流电路时，一般不考虑大功率二极管的动态过 程，trr = 2~5微秒。但在高频逆变器、高频整流器、缓冲电 路等频率较高的电力电子电路中必须考虑大功率二极管的开通、 关断等动态过程，通常使用快恢复二极管(反向恢复时间很短 的大功率二极管，trr = 200~500nm)。快恢复二极管具有开通 压降低、反向快速恢复性能好的优点。
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
图3-2示出了各种功率半导体器件的工作范围
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电气工程概论
3.1 功率半导体器件
二、大功率二极管
大功率二极管属不可控器件，在不可控整流、电感性负载回路 的续流等场合均得到广泛使用。
（一）大功率二极管的结构 大功率二极管的内部结构是一个具有P型、N型半导体、一个PN 结和阳极A、阴极K的两层两端半导体器件，其符号表示如图33(a)所示。 从外部构成看，也分成管芯和散热器两部分。一般情况下， 200A以下的管芯采用螺旋式(图3-3(b) )，200A以上则采用平板 式(图3-3(c) )。
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电气工程概论
3.1 功率半导体器件
三、晶闸管(SCR)
晶闸管是硅晶体闸流管的简称，其价格低廉、工作可靠，尽管 开关频率较低，但在大功率、低频的电力电子装置中仍占主导 地位。 （一）晶闸管的结构 晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，可区分为管 芯及散热器两大部分，分别如图3-7及图3-8所示。
第三章电力电子技术
第一节 功率半导体器件
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电气工程概论
3.1 功率半导体器件
功率半导体器件是电力电子系统的心脏，是电力电子电路的 基础。
功率集成电路是最近10年功率半导体器件发展的一个重要趋 势，是将功率半导体开关器件与其驱动、缓冲、检测、控制和 保护等硬件集成一体，构成一个功率集成电路PIC。
智能功率模块IPM是功率集成电路中典型的例子，近年得到了 较为广泛的应用。
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电气工程概论 （二）晶闸管的基本特性
3.1 功率半导体器件
通过理论分析和实验验证表明： 1) 只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时晶 闸管才能导通，两者不可缺一。 2) 晶闸管一旦导通后门极将失去控制作用，门极电压对管子 随后的导通或关断均不起作用，故使晶闸管导通的门极电压不 必是一个持续的直流电压，但必须是一个具有一定宽度和幅度 的正向脉冲电压，其脉冲宽度与晶闸管开通特性及负载性质有 关。这个脉冲常称之为触发脉冲。 3) 要使已导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到某一数 值之下(晶闸管维持电流，约几十毫安)。通常通过降低阳极电 压至接近于零或施加反向阳极电压来实现。
一个理想的功率半导体器件应当具有的理想的静态和动态特性
是：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，具有高的电流
密度和低的导通压降；在开关状态，转换时具有短的开、关时
间，能承受高的
和
；同时器件具有全控功
能，即器件的通断可通过电信号控制。
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电气工程概论
3.1 功率半导体器件
（二）功率半导体器件的发展
功率半导体器件的发展经历了以下阶段：
第I象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。
正向阻断状态随着不同的门极电流，Ig大小呈现不同的分支。
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电气工程概论
3.1 功率半导体器件
功率半导体器件作为功率开关，其工作特点如下：
1）功率半导体器件通常都处于在开关状态。 2）功率半导体器件由断态转换成通态及由通态转换成断态时， 在转换过程中所产生的损耗，分别称之为开通损耗和关断损耗， 总称为开关损耗。 3）大功率是功率半导体器件的特点，这就要求一个理想的功率 半导体器件应该是能承受高电压、大电流的器件。
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电气工程概论
一、概述 （一）功率半导体器件的功能
3.1 功率半导体器件
图3-1为电力电子装置的示意图，功率输入经功率变换器后输
出至负载。功率变换器通常采用电力电子器件作为功率开关，
应用不同拓扑组合构成，实现电功率形式的变换（电压或频率
等变换）。此外，系统功率可以是双向的，即电功率也可以从
输出端送至输入端。
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电气工程概论
（二）大功率二极管的特性
3.1 功率半导体器件
1.大功率二极管的伏安特性
二极管阳极和阴极间的电压Uak与阳极电流ia 间的关系称为伏安 特性，如图3-4所示。由于大功率二极管的通态压降和反向漏电
流数值都很小，可忽略，于是大功率二极管的理想伏安特性如
图3-4(b)所示。
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电气工程概论
3.1 功率半导体器件
2. 大功率二极管的开通、关断特性
图3-5为大功率二极管的开通过程。大功率二极管的开通过程较 短，导通压降很小，通常可视为一理想开关。
12ຫໍສະໝຸດ Baidu
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
图3-6为大功率二极管关断过程，其截止时的反向电流恢复时 间必须考虑。
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电气工程概论
3.1 功率半导体器件
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电气工程概论
3.1 功率半导体器件
1. 静态特性
（1）阳极伏安特性。晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与
阴极之间的电压Uak与阳极电流ia 之间的关系曲线，如图3-9 所示。
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电气工程概论
3.1 功率半导体器件
阳极伏安特性可以划分为两个区域，第I象限为正向特性区，第 III象限为反向特性区。
大功率二极管产生于20世纪40年代，是功率半导体器件中结 构最简单、使用最广泛的一种器件。 20世纪70年代，出现了称之为第二代的自关断器件，如门极 可关断晶闸管、大功率双极型晶体管、功率场效应晶体管等。 20世纪80年代，出现了的第三代复合导电机构的场控半导体 器件，以绝缘栅极双极型晶体管(IGBT或IGT)为典型代表，另外 还有静电感应式晶体管、静电感应式晶闸管、MOS控制晶闸管、 集成门极换流晶闸管等。 现已经出现了第四代电力电子器件——集成功率半导体器件， 它将功率器件与驱动电路、控制电路及保护电路集成在一块芯 片上，从而开辟了电力电子器件智能化的方向，具有广阔的应 用前景。
电气工程概论
第三章 电力电子技术
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电气工程概论
第三章电力电子技术
引言
近年来基于相关技术的发展，电力电子领域得 到了高度发展。同时电力电子的市场也在迅速地扩 张，在开关电源、不间断电源、节能、自动化、运 输、感应加热、电力事业诸方面都得到了广泛的使 用。
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电气工程概论
第三章电力电子技术
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电气工程概论
在应用低频整流电路时，一般不考虑大功率二极管的动态过 程，trr = 2~5微秒。但在高频逆变器、高频整流器、缓冲电 路等频率较高的电力电子电路中必须考虑大功率二极管的开通、 关断等动态过程，通常使用快恢复二极管(反向恢复时间很短 的大功率二极管，trr = 200~500nm)。快恢复二极管具有开通 压降低、反向快速恢复性能好的优点。