电力电子技术第一章
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
–由若干功率开关器件与快速二极管组合而成
• 单片集成式模块
–功率器件、驱动、保护等电路集成于一个硅片
• 智能功率模块
–将具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片再与电力电子 器件集成
-10-
电力工程系
表1-1 电力电子器件
类型
名称
不可控器件 电力二极管(Power Diode)
半控型器件
晶闸管(Thyristor)
第1章 电力电子器件
1.1 电力电子器件概述 1.2 电力二极管 1.3 晶闸管及其派生器件 1.4 门极可关断晶闸管 1.5 电力晶体管 1.6 功率场效应晶体管 1.7 绝缘栅双极性晶体管
-1-
电力工程系
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 电力电子器件的基本类型 1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化 1.1.4 电力电子器件的应用领域
电流控
分
制器件
立 器 件
全 控 型
器 件
电压控 制器件
门极可关断晶闸管(GTO)
电力晶体管(GTR) 电力场效应晶体管(Power
MOSFET) 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)
MOS控制晶闸管(MCT)
集成门极换流晶闸管(IGCT)
集成模块
功率集成模块(PIC) -11-
出现时间 1955 1958 1964 1975 1975 1985 1992 1996
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
2. 特征 • 承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。 • 为了减小损耗、提高效率，工作在开关状态。 • 由信息电子电路来控制，并且需要驱动电路。 • 自身的功率损耗远大于微电子器件，一般需要安装散热器。
-4-
电力工程系
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
检测
-6-
电力工程系
1.1.2 电力电子器件的基本类型
按照参与导电 载流子情况
单极型器件：只有一种载流子参与导电 MOSFET
双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电 电力二极管、晶闸管、GTO、GTR
复合型器件：由单极型和双极型混合 IGBT
-7-
电力工程系
1.1.2 电力电子器件的基本类型
• 单极型器件：
控
电路
制
保护
电
电路
路
驱动
电路
V1 LR
V2
主电路
电力电子器件在实际应用中的系统组成
-5-
电力工程系
1.1.2 电力电子器件的基本类型
不控型器件：电力二极管
按照器件的 可控程度
半控型器件：晶闸管 全控型器件：GTO、GTR、MOSFET、IGBT
按照驱动信 号性质
电压型器件：MOSFET、IGBT 电流型器件：晶闸管、GTO、GTR
–没有少数载流子的注入和存储，开关过程中不存在两种载流 子的复合问题，因而工作频率很高。
• 双极型器件：
–由于具有电导调制效应，使其导通压降低、导通损耗小。
• 电流型器件：
–输入阻抗低，驱动功率较大，电路也较复杂。
• 电压型器件：
–输入阻抗很高，驱动功率小，驱动电路简单。
-8-
电力工程系
1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化
• 结构和原理简单，工作可靠，广泛应用于电力电子设备 当中。
-13-
电力工程系
1.2 电力二极管
1.2.1 PN结的工作原理 1.2.2 电力二极管的结构与基本特性 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
-14-
电力工程系
1.2.1 PN结的工作原理
二极管的基本原理——PN结的单向导电性
• 正向导通状态：正向偏置时，表现为低阻态；
• 反向截止状态：反向偏置时，表现为高阻态，只有漏电流；
• 反向击穿：当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，
破坏PN结的反向截止工作状态。
内 电 场
。 - 。 - 。 - - + · +· +· +
– 雪崩击穿和齐纳击穿，可恢复； 。 - 。 - 。 - - + · +· +· +
-2-
电力工程系
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
1.概念 • 主电路
–在电气设备中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。
• 电力电子器件
–直接用于处理电能的主电路中，以开关方式实现电能的变换 或控制的电子器件。
–广义上可分为：电真空器件和半导体器件两类，目前专指功 率半导体器件。
-3-
电力工程系
– 热击穿，PN结因过热而烧毁。
。 - 。 - 。 - - + · +· +· + 。 - 。 - 。 - - + · +· +· +
。 - 。 - 。 - - + · +· +· +
P型 区 空 间 电荷 区 N型 区
-15-
电力工程系
1.2.2 电力二极管的结构与基本特性
结构：
电力二极管是由一个面积较 大的PN结和两端引线以及封 装组成的。
• 电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电 路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。
• 最初是单管结构、分立器件，结构松散、体积大、可靠性 差、成本高；
• 电力电子器件的模块化与集成化：结构紧凑、体积小、可 靠性高、成本低
-9-
电力工程系
1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化
• 功率模块
1981
电气符号
A
K
A
K
G
A
K
G
C B
E
D
G S
C G
E
电力工程系
1.1.4 电力电子器件的应用领域
P /VA
100M
10M
SCR（高压直流输电、静 止无功补偿等高压领域）
GTO（机车、地 铁、SVG等）
GTR（UPS、空 调、冰箱等）
1M 100k
IGBT（电机调速、逆变器、 变频器等中等功率范围）
• 静态特性：主要指其伏安特性；
10k
1k
100
10 100
1k
MOSFET（开关电源、 日用电器、汽车电子等）
10k 100k 1M 10M f /Hz
电力电子器件允许的开关频率与允许功率范围及主要应用领域
-12-
电力工程系
1.2 电力二极管
• Power Diode，自20世纪50年代初期获得应用，也被称 为半导体整流器；
• 其基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一 样的，都以半导体PN结为基础，实现正向导通、反向 截止的功能；
外形：
A
K A
a
J
b)
A
K
c)
螺栓型、平板型等多种封装。
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
-16-
电力工程系
1.2.2 电力二极管的结构与基本特性
-17-
电力工程系
1.2.2 电力二极管的结构与基本特性
-18-
电力工程系
1.2.2 电力二极管的结构与基本特性
• 单片集成式模块
–功率器件、驱动、保护等电路集成于一个硅片
• 智能功率模块
–将具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片再与电力电子 器件集成
-10-
电力工程系
表1-1 电力电子器件
类型
名称
不可控器件 电力二极管(Power Diode)
半控型器件
晶闸管(Thyristor)
第1章 电力电子器件
1.1 电力电子器件概述 1.2 电力二极管 1.3 晶闸管及其派生器件 1.4 门极可关断晶闸管 1.5 电力晶体管 1.6 功率场效应晶体管 1.7 绝缘栅双极性晶体管
-1-
电力工程系
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 电力电子器件的基本类型 1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化 1.1.4 电力电子器件的应用领域
电流控
分
制器件
立 器 件
全 控 型
器 件
电压控 制器件
门极可关断晶闸管(GTO)
电力晶体管(GTR) 电力场效应晶体管(Power
MOSFET) 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)
MOS控制晶闸管(MCT)
集成门极换流晶闸管(IGCT)
集成模块
功率集成模块(PIC) -11-
出现时间 1955 1958 1964 1975 1975 1985 1992 1996
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
2. 特征 • 承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。 • 为了减小损耗、提高效率，工作在开关状态。 • 由信息电子电路来控制，并且需要驱动电路。 • 自身的功率损耗远大于微电子器件，一般需要安装散热器。
-4-
电力工程系
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
检测
-6-
电力工程系
1.1.2 电力电子器件的基本类型
按照参与导电 载流子情况
单极型器件：只有一种载流子参与导电 MOSFET
双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电 电力二极管、晶闸管、GTO、GTR
复合型器件：由单极型和双极型混合 IGBT
-7-
电力工程系
1.1.2 电力电子器件的基本类型
• 单极型器件：
控
电路
制
保护
电
电路
路
驱动
电路
V1 LR
V2
主电路
电力电子器件在实际应用中的系统组成
-5-
电力工程系
1.1.2 电力电子器件的基本类型
不控型器件：电力二极管
按照器件的 可控程度
半控型器件：晶闸管 全控型器件：GTO、GTR、MOSFET、IGBT
按照驱动信 号性质
电压型器件：MOSFET、IGBT 电流型器件：晶闸管、GTO、GTR
–没有少数载流子的注入和存储，开关过程中不存在两种载流 子的复合问题，因而工作频率很高。
• 双极型器件：
–由于具有电导调制效应，使其导通压降低、导通损耗小。
• 电流型器件：
–输入阻抗低，驱动功率较大，电路也较复杂。
• 电压型器件：
–输入阻抗很高，驱动功率小，驱动电路简单。
-8-
电力工程系
1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化
• 结构和原理简单，工作可靠，广泛应用于电力电子设备 当中。
-13-
电力工程系
1.2 电力二极管
1.2.1 PN结的工作原理 1.2.2 电力二极管的结构与基本特性 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
-14-
电力工程系
1.2.1 PN结的工作原理
二极管的基本原理——PN结的单向导电性
• 正向导通状态：正向偏置时，表现为低阻态；
• 反向截止状态：反向偏置时，表现为高阻态，只有漏电流；
• 反向击穿：当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，
破坏PN结的反向截止工作状态。
内 电 场
。 - 。 - 。 - - + · +· +· +
– 雪崩击穿和齐纳击穿，可恢复； 。 - 。 - 。 - - + · +· +· +
-2-
电力工程系
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
1.概念 • 主电路
–在电气设备中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。
• 电力电子器件
–直接用于处理电能的主电路中，以开关方式实现电能的变换 或控制的电子器件。
–广义上可分为：电真空器件和半导体器件两类，目前专指功 率半导体器件。
-3-
电力工程系
– 热击穿，PN结因过热而烧毁。
。 - 。 - 。 - - + · +· +· + 。 - 。 - 。 - - + · +· +· +
。 - 。 - 。 - - + · +· +· +
P型 区 空 间 电荷 区 N型 区
-15-
电力工程系
1.2.2 电力二极管的结构与基本特性
结构：
电力二极管是由一个面积较 大的PN结和两端引线以及封 装组成的。
• 电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电 路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。
• 最初是单管结构、分立器件，结构松散、体积大、可靠性 差、成本高；
• 电力电子器件的模块化与集成化：结构紧凑、体积小、可 靠性高、成本低
-9-
电力工程系
1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化
• 功率模块
1981
电气符号
A
K
A
K
G
A
K
G
C B
E
D
G S
C G
E
电力工程系
1.1.4 电力电子器件的应用领域
P /VA
100M
10M
SCR（高压直流输电、静 止无功补偿等高压领域）
GTO（机车、地 铁、SVG等）
GTR（UPS、空 调、冰箱等）
1M 100k
IGBT（电机调速、逆变器、 变频器等中等功率范围）
• 静态特性：主要指其伏安特性；
10k
1k
100
10 100
1k
MOSFET（开关电源、 日用电器、汽车电子等）
10k 100k 1M 10M f /Hz
电力电子器件允许的开关频率与允许功率范围及主要应用领域
-12-
电力工程系
1.2 电力二极管
• Power Diode，自20世纪50年代初期获得应用，也被称 为半导体整流器；
• 其基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一 样的，都以半导体PN结为基础，实现正向导通、反向 截止的功能；
外形：
A
K A
a
J
b)
A
K
c)
螺栓型、平板型等多种封装。
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
-16-
电力工程系
1.2.2 电力二极管的结构与基本特性
-17-
电力工程系
1.2.2 电力二极管的结构与基本特性
-18-
电力工程系
1.2.2 电力二极管的结构与基本特性