电力电子技术课件(中国石油大学版本)
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在界面两侧不能任意 移动的正、负电荷。
内电场
PN结 外加电
场
方向相反
PN结 自建电
场
多子的扩散运动>少子的漂移运动
－－－ － + + + +
－－－ － + + + + －－－ － + + + +
扩散电流
－－－ － + + + +
－－－ － + + + +
P型区 空间电荷区 N型区
图1-3 PN结的形成
一、概念 1.主电路（main power circuit）：
在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或 控制任务的强电电路。
2.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
二、广义上分为两类:
电真空器件 (汞弧整流器、闸流管等电真空器件) 半导体器件 (采用的主要材料仍然是硅)
1.2 不可控器件——电力二极管
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 1.2.2 电力二极管的基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
以半导体PN结为
基础,由一个面
A K A P N K 积较大的PN结
IJ
和两端引线以
P型区 空间电荷区 N型区
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
这个主要特征。
电力二极管和信息电子电路中二极管区别
• 电力二极管大都是垂直导电结构，通过电流的有效面积 大，提供其通流能力。
• 电力二极管常采用PiN结构，提高反向耐压，但正向压
降较大。 • 电导调制效应
不可控器件
电力二极管（Power Diode）只有两个端子，器件的通 和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的， 不需要驱动电路。
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。
这类器件主要指晶闸管。 全控型器件 既可控其导通，又可控其关断。又称自关断器件。 目前最常用的是GTR、IGBT、电力MOSFET、 GTO。
PN结的正向 导通状态
PN结流 过的正 向电流
较小 电阻值较高且 较大 为常数
4.需要驱动与隔离。
强、弱电系统之间电气隔离，不共地，消除相互影响，减小干扰， 提高可靠性。
5.注重对器件的保护。
通常采用吸收（缓冲)）保护电路来限制器பைடு நூலகம்的du/dt和di/dt，减 小由于大电流跃变在引线（寄生）电感上形成的反电势尖峰，以防器 件过压击穿。
四、电力电子系统组成
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
脉冲触发型：通过从控制端施加脉冲信号来实现导通或者 关断的控制，一旦成功则无需持续施加该信号亦可维持开 通或关断状态。 电平控制型：通过在控制极与公共端之间持续施加一定电 平的电压或电流才能使器件维持导通或关断状态。
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 单极型器件:由一种载流子参与导电的器件（MOSFET） 双极型器件:由电子和空穴两种载流子参与导电的器件（GTR、 SCR、GTO、二极管）、 复合型器件:（IGBT）由单极型器件和双极型器件集成混合而成 的器件则被称为复合型器件，也称混合型器件。
控
制 器件通断是通过在
由 信 息 电 路 组 成
端
电 保护电路 气
隔 离
通过
控制
其控制端和一个 主电路端子之间 加一定的信号来 控制的，这个主 电力电电电路路子端和子主是电导驱路通动的 器公主件共电端路，电一流关般流断出是 器件的端子。
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
第1章 电力二极管和晶闸管
• 电力电子器件是电力电子电路的基础。
– 掌握:特性和正确使用方法
• 本章
– 首先简要概述电力电子器件的概念、特点 和分类等问题
– 然后分别介绍几种常用电力电子器件的工 作原理、基本特性、主要参数以及选择和 使用中应注意的一些问题。
§1.1 电力电子器件概述
1.1.1 电力电子器件的特征
形成自P区 流入从N区 流出的电流
造成空间电 荷区变窄
正向电流IF
PN结外加 反向电压
N区流入 外电路电流 P区流入出
反向电流IR
几
乎
没高 有电 电阻 流
流
过
少子浓度很小，在 温度一定时漂移电 流的数值趋于恒定
反向饱 和电流
IS
内电场
－－－ － + + + + －－－ － + + + + －－－ － + + + + －－－ － + + + + －－－ － + + + +
按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质
电流驱动型：通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通 或者关断的控制。如GTR。 电压驱动型：通过加在控制极与公共端之间的电压产生可 控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态的，故亦 称作压控器件或场控器件。如MOSFET、IGBT
按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的波形
K
b)
及封装组成。
外形上看，主要
A a)
c)
有螺栓型和平
板型两种封装。
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
N型半导体和P型半导体结合后构成PN结
内电场
－－－ － + + + + －－－ － + + + + －－－ － + + + + －－－ － + + + + －－－ － + + + +
P型区 空间电荷区 N型区
耗尽层
空间 阻挡层电荷区势垒区
扩散运动 内漂内 动 区空N和 造 （ 动 数 运 空电 ， 内空扩 动 负 定 由 区电移区间空 成 多 ， 载 动间场 另 少散 达 空 值 空 域间场运和电穴 各 子 到 流 。电一 一 子运 动 间 ， 间P电（动荷的 区 ） 对 子区荷方 方 向态动 电 形 电建自荷浓多向方（交面 面 本平和荷成荷立度数另区少建区界阻又区衡漂量稳构的差载一成子电处止吸运，移达定成电别流区为）场电扩引动正运稳的的场，子移少的子）散对。、运方
三、与处理信息的电子器件相比，一般具有如下的特征：
1.所能处理的电压电流较大。主电路功率达MW级。
2.电力电子器件一般都工作在开关状态。
处理的电功率较大，为了减小本身的损耗，提高效率。
3.注重器件的功率损耗和散热问题。
通常PE器件所能切换控制的功率很大，可达数kW，但本身所允许 的功耗却只有100W左右。通常需要安装散热器，风冷或水冷。
内电场
PN结 外加电
场
方向相反
PN结 自建电
场
多子的扩散运动>少子的漂移运动
－－－ － + + + +
－－－ － + + + + －－－ － + + + +
扩散电流
－－－ － + + + +
－－－ － + + + +
P型区 空间电荷区 N型区
图1-3 PN结的形成
一、概念 1.主电路（main power circuit）：
在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或 控制任务的强电电路。
2.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
二、广义上分为两类:
电真空器件 (汞弧整流器、闸流管等电真空器件) 半导体器件 (采用的主要材料仍然是硅)
1.2 不可控器件——电力二极管
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 1.2.2 电力二极管的基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
以半导体PN结为
基础,由一个面
A K A P N K 积较大的PN结
IJ
和两端引线以
P型区 空间电荷区 N型区
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
这个主要特征。
电力二极管和信息电子电路中二极管区别
• 电力二极管大都是垂直导电结构，通过电流的有效面积 大，提供其通流能力。
• 电力二极管常采用PiN结构，提高反向耐压，但正向压
降较大。 • 电导调制效应
不可控器件
电力二极管（Power Diode）只有两个端子，器件的通 和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的， 不需要驱动电路。
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。
这类器件主要指晶闸管。 全控型器件 既可控其导通，又可控其关断。又称自关断器件。 目前最常用的是GTR、IGBT、电力MOSFET、 GTO。
PN结的正向 导通状态
PN结流 过的正 向电流
较小 电阻值较高且 较大 为常数
4.需要驱动与隔离。
强、弱电系统之间电气隔离，不共地，消除相互影响，减小干扰， 提高可靠性。
5.注重对器件的保护。
通常采用吸收（缓冲)）保护电路来限制器பைடு நூலகம்的du/dt和di/dt，减 小由于大电流跃变在引线（寄生）电感上形成的反电势尖峰，以防器 件过压击穿。
四、电力电子系统组成
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
脉冲触发型：通过从控制端施加脉冲信号来实现导通或者 关断的控制，一旦成功则无需持续施加该信号亦可维持开 通或关断状态。 电平控制型：通过在控制极与公共端之间持续施加一定电 平的电压或电流才能使器件维持导通或关断状态。
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 单极型器件:由一种载流子参与导电的器件（MOSFET） 双极型器件:由电子和空穴两种载流子参与导电的器件（GTR、 SCR、GTO、二极管）、 复合型器件:（IGBT）由单极型器件和双极型器件集成混合而成 的器件则被称为复合型器件，也称混合型器件。
控
制 器件通断是通过在
由 信 息 电 路 组 成
端
电 保护电路 气
隔 离
通过
控制
其控制端和一个 主电路端子之间 加一定的信号来 控制的，这个主 电力电电电路路子端和子主是电导驱路通动的 器公主件共电端路，电一流关般流断出是 器件的端子。
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
第1章 电力二极管和晶闸管
• 电力电子器件是电力电子电路的基础。
– 掌握:特性和正确使用方法
• 本章
– 首先简要概述电力电子器件的概念、特点 和分类等问题
– 然后分别介绍几种常用电力电子器件的工 作原理、基本特性、主要参数以及选择和 使用中应注意的一些问题。
§1.1 电力电子器件概述
1.1.1 电力电子器件的特征
形成自P区 流入从N区 流出的电流
造成空间电 荷区变窄
正向电流IF
PN结外加 反向电压
N区流入 外电路电流 P区流入出
反向电流IR
几
乎
没高 有电 电阻 流
流
过
少子浓度很小，在 温度一定时漂移电 流的数值趋于恒定
反向饱 和电流
IS
内电场
－－－ － + + + + －－－ － + + + + －－－ － + + + + －－－ － + + + + －－－ － + + + +
按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质
电流驱动型：通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通 或者关断的控制。如GTR。 电压驱动型：通过加在控制极与公共端之间的电压产生可 控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态的，故亦 称作压控器件或场控器件。如MOSFET、IGBT
按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的波形
K
b)
及封装组成。
外形上看，主要
A a)
c)
有螺栓型和平
板型两种封装。
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
N型半导体和P型半导体结合后构成PN结
内电场
－－－ － + + + + －－－ － + + + + －－－ － + + + + －－－ － + + + + －－－ － + + + +
P型区 空间电荷区 N型区
耗尽层
空间 阻挡层电荷区势垒区
扩散运动 内漂内 动 区空N和 造 （ 动 数 运 空电 ， 内空扩 动 负 定 由 区电移区间空 成 多 ， 载 动间场 另 少散 达 空 值 空 域间场运和电穴 各 子 到 流 。电一 一 子运 动 间 ， 间P电（动荷的 区 ） 对 子区荷方 方 向态动 电 形 电建自荷浓多向方（交面 面 本平和荷成荷立度数另区少建区界阻又区衡漂量稳构的差载一成子电处止吸运，移达定成电别流区为）场电扩引动正运稳的的场，子移少的子）散对。、运方
三、与处理信息的电子器件相比，一般具有如下的特征：
1.所能处理的电压电流较大。主电路功率达MW级。
2.电力电子器件一般都工作在开关状态。
处理的电功率较大，为了减小本身的损耗，提高效率。
3.注重器件的功率损耗和散热问题。
通常PE器件所能切换控制的功率很大，可达数kW，但本身所允许 的功耗却只有100W左右。通常需要安装散热器，风冷或水冷。