第1 章 电力电子器件 1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件——电力二极管 1.3 半控型器件——晶闸管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联与并联使用 1 §1.1 电力电子器件概述 1、概念 主电路（Power Circuit）：在电气设备或电力系统中， 直接承担电能的变化或控制任务的电路。 电力电子器件（Power Electronic Device) ：直接用于处 理电能主电路中，实现电能的变换或控制的电子 器件。 电真空器件（ 弧整流器、闸流管等，已 2、广义 逐步被半导体器件取代） 分类 半导体器件 （目前所指电力电子器件，采 用材料任然是硅） 2 3、特征 电力电子器件是功率半导体器件。 1 ）电力电子器件处理的电压电流较大。 2 ）电力电子器件一般都工作在开关状态。 3 ）注重器件的功率损耗和散热问题。 4 ）注重对器件的保护。 5 ）需要驱动与 。 3 4、系统组成 控 检测 电力电子电路 电路 V 1 由控制电路、驱 制 L R 动电路、电力电 电 子器件为 的 驱动 V 主电路组成 2 路 电路 主电路 电力电子系统组成 主电路端子（公共端）——驱动电路和主电路， 是主电路电流流出电力电子器件的端子。 4 导通 控制电路 通过驱动电路 主电路中 控制 电力电子器件 关断 由信息电路组成 检测电路、驱动电路以外的电路 控制电路 电力电子系统 主电路 检测电路：检测主电路或应用现场信号 5 驱动电路 主电路 控制信号 检测电路 保护电路 ：保证电力电子器件和整个电力电子系 统正常可靠运行 6 5、电力电子器件分类 1）按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度 通过控制信号可控制 晶闸管 其导通而不能控制其关断 半控型器件 ｛ 及其派生器件 绝缘栅双极晶体管 通过控制信号即可控制 全控型器件 电力场效应晶体管 其导通又能控制其关断 ｛ 门极可关断晶闸管 处理兆瓦级 自关断器件 大功率电能 7 不能用控制信号控制 其通断，不需要驱动电路 不控型器件 电力二极管 ｛ 只有两个端子 2）按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端 之间信号的性质 电流驱动型 电压驱动型 通 断 8 3）按照器件 电子和空穴两种载流子参与导电的情况 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 单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件 9 6、学习要点 工作原理 电力电子器件 基本特征 选择、使用时 主要参数 注意的问题 基本特征 掌握 电力电子器件 参数 特征曲线 不可控器件——电力二极管 1、电力二极管 20世纪50 年代初获 电力二极管 逐步 弧 得应用 （半导体整流器） 取代 整流器 结构和原理简单 现在仍大量应用于许多电气设备 工作可靠 快恢复二极管 中、高频整流 肖特基二极管 应用 逆变 低压高频整流 11 以半导体PN结 为基础，由一个 P N K 面积较大的PN结 和两端引线以及 J 封装组成，外形 b) 上看，主要有螺 栓型和平板型两 种封装，基本结 构和工作原理与 c) 信息电子电路中 的二极管一样。 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 12 普通二极管（平板式） 普通二极管（螺栓式） 整流二极管及模块 13 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 PN结的形成 14 PN结 PN结 方向相反 外加电场 自建电场 内电场 －－－ － + + + + 多子的扩散运动少子的漂移运动 －－－ － + + + + 扩散电流 －－－ － + + + + －－－ － + + + + －－－ － + + + + 造成空间电 P型区 空间电荷区 N型区 形成自P 区流 荷区变窄 入从N 区流出 的电流 PN结的形成 正向电流IF 15 外加电压升高 自建电场削弱 扩散电流增加 PN结的正向导通状态 较小 电阻值较高且为常数 PN结流过 电导调 的正向电流 较大 电阻率下降电导率增加 制效应 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。 16 N 区流入 PN结外加 外电路电流 反向电流IR 反向电压 P 区流出 几 乎 高 没 少子浓度很小，在 电 有 温度一定时漂移电 反向饱 阻 电 流的数值趋于恒定 和流IS 流 流 过 PNPN结的反向截止状态结的反向截止状态 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。 17 施加PN结反 反向电流 破坏PN结反向偏置 向电压过大 急剧增大 为截止的工作状态 PN结的反向击穿 雪崩击穿 齐纳击穿 因热量散发不出 PN结温度上升 热击穿 过热烧坏 18 2、电力二极管的基本特性 ➢ 静态特性 电力二极管 伏安特征 I 静态特征 I F O U U U 正向电流I 对应的 子引起的 TO F 正向电流开始明 F 电力二极管两端 微小而数值恒定 显增加，处于稳 的电压U 为其正 的反向漏电流。 定导通状态。 F 向电压降。 电力二极管的伏安特性 19 ➢ 动态特性 反向 零偏 过渡过程中 偏置 置 电压—电流 特性随时间 正向 变化 偏置 电力二极管的动态状态 反映通态和断态之间过程的开关特性 20 u di i IF F dt t i F rr U U t t FP F d f t t t t t F 0 1 2 U R u di F R 2V dt I 0 t t RP U b) fr a) RP 电力二极管的动态过程波形 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置 21 注意：电流、电压反向问题 正偏压时，正向偏压降约为1V左右；导 通时，二极管看成是理想开关元件，因为 它的过渡时间与电路的瞬时过程相比要小 的得多； 但在关断时，它需要一个反向恢复的时 间（reverser-recovery time）以清除过剩 载流子。 22 3、电力二极管的主要参数 正向平均电流IF(AV) 在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大 工频正弦半波电流的平均值。 正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用时应按 有效值相等的原则选取电力二极管的电流额定，应留有 一定的裕量。 当用在频率较高的场合，其开关损耗也不能忽略。 当采用反向漏电流较大的电力二极管，其断态损耗造 成的发热效应也不小。 正向压降U 电力二极管在正向电流导通时二 F 极管上的正向压降。 23 4、电力二极管的主要类型 普通二极管 (整流二极管） 正向电流 和 多用于开关频率 反向恢复时间长 反向电压 很 不高（1kH 以下） z 一般在5µs 以上 高，分别可达数 的整流电路中 千安和数千伏以上 24 快恢复二极管 恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（5µs以下） 的二极管，简称快速二极管。 快恢复外延二极管 其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低 （0.9V左右），反向耐压多在1200V 以下。 快恢复二极管从性能上分为两种 快速恢复二极管 超快速恢复二极管 反向恢复时间 100ns以下， 数百ns 或更长 甚至达20 ～30ns 25 肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的 势垒为基础的二极管。导通 压降只有0.3V （forward voltage drop ），反压为50- 100V。反向恢复时间更短， 10～40ns ，不会有明显的电 压过冲。缺点是当提高反向 耐压时，正向压降也会提高， 多用于200V 以下的低压场合； 反向漏电流也很大。 26 §1.3 半控型器件—— 晶闸管 1、晶闸管的结构与工作原理 A K P1 G G N 1 J1 K G P2 J2 K N2 J3 A A A G K a) b) c) 晶闸管外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)结构 c)电气图形符号 27 螺栓型晶闸管 晶闸管模块 平板型晶闸管外形及结构 28 晶闸管塑封模块 29 IG→IB2→ IC2 （IB1）→ IC1 A IB2 ——————— A I P1 A P NP 对晶闸管的驱动 V N1 N1 1 Ic2 R I G P2 P2 G G Ic1 V 触发 NP N 2 N2 S EA E IK 产生注入门极的触发 G 电流IG 的电路 K K a) b) 门极触发电路 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b工作原理) 30 A I A PNP 晶闸管工作原理如以下方程所示 V 1 I R c2 I I = a I + I (1-1) G G Ic1 c1 1 A CBO1 V NPN 2 S E I = a I + I (1-2) A c2 2 K CBO2 I E K G IK = IA + IG (1-3) K IA = IC1 + IC2 (1-4) a 和a 分别是晶体管V 和V 的共基极电流增益； 1 2 1 2 I 和I 分别是V 和V 的共基极漏电流。由式 CBO1 CBO2 1 2 （1-1）~式（1-4）得： a I + I + I I = 2 G CBO1 CBO 2 (1-5) A 1−(a +a ) 1 2 31 其他几种可能导通的情况: 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt 过高 结温较高 光直接照射硅片，即光触发—— 光触发可以保证控制 电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备 中，都因不易控制而难以应用于实践，称为光控 晶闸管 （Light Triggered Thyristor——LTT ）。 门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控 制 。 32 2、晶闸管的基本特性 ➢ 静态特性 1) 承受反向电压时，不论门极是否有触发电 流，晶闸管都不会导通。 2) 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的 情况下晶闸管才能开通。 3) 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 4) 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降 到接近于零的某一数值以下 。 33 IA 正向 导通 I I I G2 G1 G U IG2 IG1 IG=0 PRM U I RSM H - U U A 0 DRM +UA 雪崩 U DSM 击穿 U bo -I A 晶闸管的伏安特性 34 ➢ 动态特性 i A 100% 90% 10% t t t 0 d r u AK I RM O t U t RRM t rr gr 晶闸管的开通和关断过程

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