西安交大_电力电子技术
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第1章第12页
PENEC
西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作
1.1.2 应用电力电子器件的系统组成
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。 器件一般有三个端子（或称极或管角），其中两个联 结在主电路中，而第三端被称为控制端（或控制极）。 器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加 一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和 主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。
1.2.1 1.2.2 PN结与电力二极管的工作原理 电力二极管的基本特性
1.2.3
1.2.4
PENEC
电力二极管的主要参数
电力二极管的主要类型
第1章第19页
西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作
1.2 不可控器件——电力二极管
Power 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
P J b)
N
K
K
A a)
c)
PENEC
图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
第1章第21页
西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作
1.2.1
PN结与电力二极管的工作原理
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。空间电荷建立 的电场被称为内电场或自建电场，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。扩散运动和 漂移运动既相互联系又是一对矛盾，最终达到动态平 衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定 的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所 强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。
PENEC
第1章第11页
西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作
1.1.2 应用电力电子器件的系统组成
有的电力电子系统中，还需要有检测电路。广义上 往往其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制 电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控 制电路组成的。 主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的 元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路 和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的 连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及 主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔 离，而通过其它手段如光、磁等来传递信号。
PENEC
■
第1章第3页
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1.1 电力电子器件概述
1.1 电力电子器件概述
1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 应用电力电子器件的系统组成 1.1.3 电力电子器件的分类 1.1.4 本章内容和学习要点
PENEC
第1章第4页
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PENEC
第1章第6页
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1.1.1 电力电子器件的概念和特征
同处理信息的电子器件相比，电力 电子器件的一般特征： (1) 能处理电功率的大小，即承受电 压和电流 的能力，是最重要的参数
其处理电功率的能力小至毫瓦级，大 至兆瓦级, 大多都远大于处理信息的电 子器件。
1.6
1.7 1.8
电力电子器件的驱动
电力电子器件的保护 电力电子器件的串联和并联使用
PENEC
小结
第1章第2页
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引
言
集成电路
电子技术的基础 —— 电子器件：晶体管和
电力电子电路的基础 —— 电力电子器件 本章主要内容：
简要概述电力电子器件的概念、特点和分类等 问题 介绍各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
PENEC
第1章第5页
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1.1.1 电力电子器件的概念和特征
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。 两类中，自20世纪50年代以来，真空管仅在 频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在 使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器 （ Mercury Arc Rectifier ） 、 闸 流 管 （Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。 因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导 体器件。 电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。
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《电力电子技术》 电子教案
第1章 电力电子器件
PENEC
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第1章 电力电子器件
引言
1.1
1.2 1.3 1.4 1.5
电力电子器件概述
不可控器件——电力二极管 半控型器件——晶闸管 典型全控型器件 其他新型电力电子器件
PENEC
第1章第17页
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1.1.4 本章内容和学习要点
介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以 及选择和使用中应注意的一些问题，然后集中讲述 电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用这三个 问题。 最重要的是掌握其基本特性 掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特 性曲线的使用方法，这是在实际中正确应用电力电 子器件的两个基本要求
PENEC
第1章第14页
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1.1.3 电力电子器件的分类
(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
绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 （ Insulated-Gate Bipolar Transistor——IGBT） 电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称为 电力MOSFET） 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor — GTO）
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
电压驱动型——仅通过在控制端和公共端之间施 加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制 PENEC
第1章第16页
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1.1.3 电力电子器件的分类
电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压 在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改 变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场 控器件，或场效应器件 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的 情况分为三类： 单极型器件——由一种载流子参与导电的器件 双极型器件——由电子和空穴两种载流子参与 导电的器件 复合型器件——由单极型器件和双极型器件集 成混合而成的器件
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图1-3 PN结的形成
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 PENEC
PENEC
第1章第22页
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1.2.1
PN结与电力二极管的工作原理
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PENEC
第1章第15页
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1.1.3 电力电子器件的分类
(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 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 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号 的 性质，分为两类：
PENEC
第1章第7页
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1.1.1 电力电子器件的概念和特征
(2) 电力电子器件一般都工作在开关状态
导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接 近于零，而电流由外电路决定
阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎 为零，而管子两端电压由外电路决定
由于电力电子电路的工作特点和具体情况的不同， 可能会对与电力电子器件用于同一主电路的其它电 路元件，如变压器、电感、电容、电阻等，有不同 于普通电路的要求
第1章第18页
PENEC
西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作
1.2 不可控器件—电力二极管
1.2 不可控器件——电力二极管
电力电子器件的动态特性（也就是开关特性）和参 数，也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时 候甚至上升为第一位的重要问题。 作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替
PENEC
第1章第8页
西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
(3) 实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电 路来控制。 在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路 对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器 件的驱动电路。 (4)为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温 度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计， 在其工作时一般都要安装散热器。 导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗
PENEC
第1章第13页
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1.1.3 电力电子器件的分类
1.1.3 电力电子器件的分类
按照器件能够被Baidu Nhomakorabea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
晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流 决定
PENEC
第1章第9页
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1.1.1 电力电子器件的概念和特征
阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断 态损耗 在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和 关断损耗，总称开关损耗 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是 造成器件发热的原因之一 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态 损耗是器件功率损耗的主要成因 器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可 能成为器件功率损耗的主要因素
PENEC
第1章第20页
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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
A
K
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第1章第10页
PENEC
西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作
1.1.2 应用电力电子器件的系统组成
1.1.2 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
图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
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
1.1 电力电子器件概述
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
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 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
PENEC
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1.1.2 应用电力电子器件的系统组成
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。 器件一般有三个端子（或称极或管角），其中两个联 结在主电路中，而第三端被称为控制端（或控制极）。 器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加 一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和 主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。
1.2.1 1.2.2 PN结与电力二极管的工作原理 电力二极管的基本特性
1.2.3
1.2.4
PENEC
电力二极管的主要参数
电力二极管的主要类型
第1章第19页
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1.2 不可控器件——电力二极管
Power 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
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PENEC
图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
第1章第21页
西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作
1.2.1
PN结与电力二极管的工作原理
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。空间电荷建立 的电场被称为内电场或自建电场，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。扩散运动和 漂移运动既相互联系又是一对矛盾，最终达到动态平 衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定 的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所 强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。
PENEC
第1章第11页
西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作
1.1.2 应用电力电子器件的系统组成
有的电力电子系统中，还需要有检测电路。广义上 往往其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制 电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控 制电路组成的。 主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的 元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路 和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的 连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及 主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔 离，而通过其它手段如光、磁等来传递信号。
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第1章第3页
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1.1 电力电子器件概述
1.1 电力电子器件概述
1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 应用电力电子器件的系统组成 1.1.3 电力电子器件的分类 1.1.4 本章内容和学习要点
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第1章第6页
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1.1.1 电力电子器件的概念和特征
同处理信息的电子器件相比，电力 电子器件的一般特征： (1) 能处理电功率的大小，即承受电 压和电流 的能力，是最重要的参数
其处理电功率的能力小至毫瓦级，大 至兆瓦级, 大多都远大于处理信息的电 子器件。
1.6
1.7 1.8
电力电子器件的驱动
电力电子器件的保护 电力电子器件的串联和并联使用
PENEC
小结
第1章第2页
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引
言
集成电路
电子技术的基础 —— 电子器件：晶体管和
电力电子电路的基础 —— 电力电子器件 本章主要内容：
简要概述电力电子器件的概念、特点和分类等 问题 介绍各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
PENEC
第1章第5页
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1.1.1 电力电子器件的概念和特征
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。 两类中，自20世纪50年代以来，真空管仅在 频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在 使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器 （ Mercury Arc Rectifier ） 、 闸 流 管 （Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。 因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导 体器件。 电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。
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《电力电子技术》 电子教案
第1章 电力电子器件
PENEC
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第1章 电力电子器件
引言
1.1
1.2 1.3 1.4 1.5
电力电子器件概述
不可控器件——电力二极管 半控型器件——晶闸管 典型全控型器件 其他新型电力电子器件
PENEC
第1章第17页
西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作
1.1.4 本章内容和学习要点
介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以 及选择和使用中应注意的一些问题，然后集中讲述 电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用这三个 问题。 最重要的是掌握其基本特性 掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特 性曲线的使用方法，这是在实际中正确应用电力电 子器件的两个基本要求
PENEC
第1章第14页
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1.1.3 电力电子器件的分类
(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
绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 （ Insulated-Gate Bipolar Transistor——IGBT） 电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称为 电力MOSFET） 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor — GTO）
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
电压驱动型——仅通过在控制端和公共端之间施 加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制 PENEC
第1章第16页
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1.1.3 电力电子器件的分类
电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压 在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改 变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场 控器件，或场效应器件 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的 情况分为三类： 单极型器件——由一种载流子参与导电的器件 双极型器件——由电子和空穴两种载流子参与 导电的器件 复合型器件——由单极型器件和双极型器件集 成混合而成的器件
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图1-3 PN结的形成
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 PENEC
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PN结与电力二极管的工作原理
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1.1.3 电力电子器件的分类
(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 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 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号 的 性质，分为两类：
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1.1.1 电力电子器件的概念和特征
(2) 电力电子器件一般都工作在开关状态
导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接 近于零，而电流由外电路决定
阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎 为零，而管子两端电压由外电路决定
由于电力电子电路的工作特点和具体情况的不同， 可能会对与电力电子器件用于同一主电路的其它电 路元件，如变压器、电感、电容、电阻等，有不同 于普通电路的要求
第1章第18页
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1.2 不可控器件—电力二极管
1.2 不可控器件——电力二极管
电力电子器件的动态特性（也就是开关特性）和参 数，也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时 候甚至上升为第一位的重要问题。 作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替
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第1章第8页
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1.1.1 电力电子器件的概念和特征
(3) 实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电 路来控制。 在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路 对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器 件的驱动电路。 (4)为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温 度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计， 在其工作时一般都要安装散热器。 导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗
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第1章第13页
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1.1.3 电力电子器件的分类
1.1.3 电力电子器件的分类
按照器件能够被Baidu Nhomakorabea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
晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流 决定
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第1章第9页
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1.1.1 电力电子器件的概念和特征
阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断 态损耗 在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和 关断损耗，总称开关损耗 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是 造成器件发热的原因之一 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态 损耗是器件功率损耗的主要成因 器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可 能成为器件功率损耗的主要因素
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第1章第20页
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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
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第1章第10页
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1.1.2 应用电力电子器件的系统组成
1.1.2 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
图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
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
1.1 电力电子器件概述
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
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 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