第1章电力电子器件详解

各种整流装置
6kV/6kA—400Hz 8kV/3.5kA—光
控SCR
6kV/6kA— 500Hz
600V/70A— 100kHz
1200V/1200A— 20kHz
4.5kV/1.2kA— 2kHz
炼钢厂、轧钢机、直流输电、 电解用整流器
工业逆变器、电力机车用逆变 器、无功补偿器
开关电源、小功率UPS、小功 率逆变器
如：代表性器件为 MOSFET管和IGBT管。
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附表1.1.1:主要器件的特性及其应用领域
器件种类 电力
二极管
晶闸管
可关断 晶闸管
MOSFET
开关 功能 不可
控 可控 导通
自关 断型
IGBT
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器件特性概略
应用领域
5kV/3kA—400Hz
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二、PN结与电力二极管工作原理：
✓ 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。 ✓ 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。
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图1.2.1电力二极管的外形、结构和电气图形符 a）结构 b）外形 c）电气图形
广义上电力电子器件可分为电真空 器件和半导体器件两类，本书涉及的器 件都是指半导体电力电子器件。
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1.1.1 电力电子器件的基本模型与特性
一、基本模型：
在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象成 下图1.1.1所示的理想开关模型，它有三个电极，其中A和 B代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。 它只工作在“通态”和“断态”两种情况，在通态时其电 阻为零，断态时其电阻无穷大。
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图1.1.1 电力电子器件的理想开关模型
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1.1.1 电力电子器件的基本模型与特性
二、基本特性：
✓ （1）电力电子器件一般都工作在开关状态。 ✓ （2）电力电子器件的开关状态由（驱动电
路）外电路来控制。 ✓ （3）在工作中器件的功率损耗（通态、断
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1.2 电力二极管
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1.2.1 电力二极管及其工作原理 1.2.2 电力二极管的特性与参数
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1.2.1 电力二极管及其工作原理
➢ 一、电力二极管：
1、电力二极管（Power Diode）也称为半导 体整流器（Semiconductor Rectifier，简称 SR），属不可控电力电子器件，是20世纪最 早获得应用的电力电子器件。 2、在中、高频整流和逆变以及低压高频整流 的场合发挥着积极的作用, 具有不可替代的地 位。
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1.1.2 电力电子器件的种类
二、按控制信号的性质不同又可分为两种：
✓ ① 电流控制型器件： 此类器件采用电流信 号来实现导通或关断 控制。
如：晶闸管、门极可关 断晶闸管、功率晶体 管、IGCT等；
✓ ② 电压控制型器件： 这类器件采用电压控制（场 控原理控制）它的通、断，输 入控制端基本上不流过控制电 流信号，用小功率信号就可驱 动它工作。
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二、 PN结与电力二极管工作原理：
✓ N型半导体和P型半导体结合后构成PN结:
➢ 内电场:空间电荷建立的电场,也称自建电场，其方向是阻止扩散运动 的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区 运动，即漂移运动。
➢ 空间电荷: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。
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1.1 电力电子器件的基本模型
电力半导体器件是电力电子技术及 其应用系统的基础。电力电子技术的发 展取决于电力电子器件的研制与应用。 定义：电力电子电路中能实现电能的变 换和控制的半导体电子器件称为电力电 子器件（Power Electronic Device）。
各种整流/逆变器（UPS、变频 器、家电）、电力机车用逆变 器、中压变频器
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第1章 电力电子器件
❖ 1.1 、电力电子器件的基本模型 ❖ 1.2 、电力二极管 ❖ 1.3 、晶闸管 ❖ 1.4 、可关断晶闸管 ❖ 1.5 、 电力晶体管 ❖ 1.6 、电力场效应晶体管 ❖ 1.7 、 绝缘栅双极型晶体管 ❖ 1.8 、其它新型电力电子器件 ❖ 1.9 、电力电子器件的驱动与保护
态、开关损耗）很大。为保证不至因损耗散 发的热量导致器件温度过高而损坏，在其工 作时一般都要安装散热器。
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1.1.2 电力电子器件的种类
➢ 一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类：
① 不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需要根 据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。 如：电力二极管（Power Diode）；
②半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关 断的电力电子器件称为半控型器件。 如：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件等；
③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 的器件，称为全控型器件。 如：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor ）、 功率场效应管（Power MOSFET）和绝缘栅双极型 晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。
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第1章 电力电子器件
❖ 1.1 、 电力电子器件的基本模型 ❖ 1.2 、电力二极管 ❖ 1.3 、晶闸管 ❖ 1.4 、可关断晶闸管 ❖ 1.5 、电力晶体管 ❖ 1.6 、电力场效应晶体管 ❖ 1.7 、绝缘栅双极型晶体管 ❖ 1.8 、其它新型电力电子器件 ❖ 1.9 、电力电子器件的驱动与保护