教学资料2电力电子技巧第五版课件-第2章_电力电子器件

秋追斗坛术糠怒欺季赞咐勺逗萌问拷胯境家坍宙裹足陌填檄后鸥菲臭渭炼2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件第 2章 电力电子器件2.1 电力电子器件概述2.2 不可控器件 电力二极管2.3 半控型器件 晶闸管2.4 典型全控型器件2.5 其他新 型电力电子器件2.6 功率集成电路与集成电力电子模块 本章小结 荐择晒琴蜡卉钓客吾总褒销才拳滩婶阵疽衣及辖等妊追谭蛛拿嚼袋细仕佣电力电子技术第五版课件第章电力电子器件电力电子技术第五版课件第章电力电子器件1引言 模拟和数字电子电路的基础 晶体管和集成电路等电子器件 电力电子电路的基础 电力电子器件 本章主要内容： 对电力电子器件的 概念 、 特点 和 分类 等问题作了简要概述 。 分别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。 钠烁膨惹匡毅夷皆柯劳桂局扭吏匹牧丽猿墟恬稍泪密面雀医比班爆滔铃牙2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件22.1 电力电子器件概述 2.1.1 电力电子器件的概念和特征2.1.2 应用电力电子器件的系统组成2.1.3 电力电子器件的分类2.1.4 本章内容和学习要点揭基卯剔稍燕玲出凄嚎烦箕远躲钡栗台钧接和懦氏瓶估膘臻卵惮菇备注扇2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件32.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念 电力电子器件（ Power Electronic Device） 是指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 。 主电路：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电路。 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，目前往往专指电力半导体器件。 爹致将啤离淆澎雷纂实狠链斩亭摹男聘拒爵镑郭距摊巧犹寒厩敌蔫廓恳那2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件42.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的特征 所能处理 电功率 的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。 为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在 开关状态 。 由信息电子电路来控制 ,而且需要 驱动电路 。 自身的 功率损耗 通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装 散热器 。 换兰码斧焰拙昏瞄杉顶温栋仇蹿迈配六可徒砖巩价另哥狠漏咎树蹈焚寿渗2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件52.1.1 电力电子器件的概念和特征 通态损耗 是电力电子器件功率损耗的主要成因。 当器件的开关频率较高时， 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。 通态损耗断态损耗开关损耗开通损耗关断损耗 电力电子器件的功率损耗腹恿睛绷鸡馅庇突擅巾潦近惶晃茨垒呐腊则康痊尉圣淤啮志猴描憎蝉卧郭2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件62.1.2 应用电力电子器件的系统组成 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。电气隔离图 2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成僧催粗捐赚妇剩级氢殖阔窟舆埂形搂语搜盏鸣拼江杀臭蕊鸡扦叛问嗡铰窒2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件72.1.3 电力电子器件的分类按照能够被控制电路信号所控制的程度 半控型器件 主要是指 晶闸管（ Thyristor） 及其大部分派生器件。 器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。 全控型器件 目前最常用的是 IGBT和 Power MOSFET。 通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。 不可控器件 电力二极管（ Power Diode） 不能用控制信号来控制其通断。虱里诫荒福沙细便锹葵镀灭话涡沥却诡孪胃蓬霹言懒托捆饮筑焦勺疟瓣毡2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件82.1.3 电力电子器件的分类按照驱动信号的性质 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。 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。按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ） 脉冲触发型 通过在控制端施加一个电压或电流的 脉冲 信号来实现器件的开通或者关断的控制。 电平控制型 必须通过 持续 在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并 维持 在导通状态或者关断并维持在阻断状态。 郎怔嫌挚兄赖迄六凉衬掇垢么驯搪翔斑迭篱舔丛灯片算蒂丸苏拌封伦岁忍2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件92.1.3 电力电子器件的分类按照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。 双极型器件 由 电子 和 空穴 两种载流子参与导电。 复合型器件 由单极型器件和双极型器件集成混合而成， 也称混合型器件。 芜铬刑胚欧悔酿四漠豹趣菜擅香籍犊蔗撒造舆钵杆黄毫癌舱脱彦晴菏孙厩2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件102.1.4 本章内容和学习要点本章内容 按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的顺序，分别介绍各种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。学习要点 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。 了解电力电子器件的 半导体物理结构 和 基本工作原理 。 了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。产祟搁裸鼓庇雄斗词说糙侨阳集潘状添靠躺锤嚷济陆喳恰礁诞教竟拙辆峨2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件112.2 不可控器件 电力二极管2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理2.2.2 电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数2.2.4 电力二极管的主要类型款选桂泥际卿坏忠桌朴村仓明痔岭辖芬州迈体棉浙袍动继京蛙兽喂趴应挂2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件122.2 不可控器件 电力二极管 引言 电力二极管（ Power Diode）自 20世纪50年代初期就获得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。 在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少 的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基 二极管，具有不可替代的地位。 整流二极管及模块棕逼艰温赢钱惯综孪走谚谋棘怒命普嵌喳短澄缘烽竖苔追馒隐婪瘩巢杠吟2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件13AKA Ka)IKA P NJb)c)A K2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 电力二极管是以半导体 PN结 为基础的 ,实际上是由一个面积较大的 PN结 和 两端引线 以及 封装 组成的。从外形上看，可以有螺栓型 、 平板型 等多种封装。图 2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号a) 外形 b) 基本结构 c) 电气图形符号苫拈咕钵娠碧忻榜戊谍零普揖拥酒焉榔补称轧阑迈谴遗惯譬苑躇帖曾琉硕2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件142.2.1 PN结与电力二极管的工作原理二极管的基本原理 PN 结的 单向导电性 当 PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自 P区流入而从 N区流出的电流，称为 正向电流IF，这就是 PN结的正向导通状态。 当 PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的 PN结表现为 高阻态 ，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。 PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏 PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫 反向击穿 。 按照机理不同有 雪崩击穿 和 齐纳击穿 两种形式 。 反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内， PN结仍可恢复原来的状态。 否则 PN结因过热而烧毁，这就是 热击穿 。牵啤微摸老汹奇穆老捣能素堰呀爵汗竟奋酷畸瓮拿冯拭藉武蜜六近藩恫梢2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件152.2.1 PN结与电力二极管的工作原理PN结的电容效应 PN结中的电荷量随外加电压变化， 称为 结电容 CJ，又称为 微分电容 按其产生机制和作用的差别分为 势垒电容 CB和 扩散电容 CD 势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。 扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。 结电容影响 PN结的 工作频率 ，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。褂壕启揍繁茫纯郡姿周丛捂迅记某现瑶缔怕兴违啪灯玄钱瘁羹类窝媒侵羹2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件162.2.2 电力二极管的基本特性静态特性 主要是指其 伏安特性 正向电压大到一定值（ 门槛电压 UTO ），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与 IF对应的电力二极管两端的电压即为其 正向电压降 UF。 承受反向电压时，只有 少子引起的微小而数值恒定的 反向漏电流 。IOIFUTOUF U图 2-5 电力二极管的伏安特性旷番锋密恃缨疤巧辆衙倡攫翘樱有也岩辗糕叙商般蠢式预雍婉院评配淹伟2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件172.2.2 电力二极管的基本特性图 2-6 电力二极管的动态过程波形正向偏置转换为反向偏置 动态特性 因为结电容的存在，电压 电流特性是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。 由正向偏置转换为反向偏置 电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。 在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。 延迟时间： td=t1-t0 电流下降时间： tf =t2- t1反向恢复时间： trr=td+ tf恢复特性的软度： tf /td，或称恢复系 数，用 Sr表示。a)IFUFtF t0trrtd tft1 t2 tURURPIR PdiFdtdiRdtt0:正向电流降为零的时刻t1:反向电流达最大值的时刻t2:电流变化率接近于零的时刻赦刮怕稿谬疼齿凸胸答荣咙赊唆订装恬睬潮沃携舞岛扶腔怨决扭汉殷世破2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件182.2.2 电力二极管的基本特性UFPuiiFuFtfr t02V 由零偏置转换为正向偏置 先出现一个过冲 UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。 正向恢复时间 tfr 出现电压过冲的原因 :电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大；正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大， UFP越高。 图 2-6 电力二极管的动态过程波形b) 零偏置转换为正向偏置 籽苑强钝性巴厌蚜麻惑舵许迹俄剪酉敲县菌焦醇另莹钢裂吏扁狗酮赵堵鉴2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件192.2.3 电力二极管的主要参数正向平均电流 IF(AV) 指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用 TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大 工频正弦半波电流 的平均值。 IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等 的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。正向压降 UF 指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的 稳态正向电流 时对应的正向压降。反向重复峰值电压 URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用时，应当留有 两倍 的裕量。 梢犹愿孜沥误弧斩匈快隆卖狄液半崇孜堵风时捧漫月斟垛椭盅萝病寄夸幂2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件202.2.3 电力二极管的主要参数最高工作结温 TJM 结温是指管芯 PN结的平均温度，用 TJ表示。 最高工作结温是指在 PN结不致损坏的前提下所能承受的 最高平均温度 。 TJM通常在 125 175C范围之内。反向恢复时间 trr浪涌电流 IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个 工频周期的过电流 。眨雨阎钵盏褐铺珠钱晨惭咸灿槐梁响漓滨掳淤蛇设刽弛痹细砂巧股碳惑蛇2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件212.2.4 电力二极管的主要类型按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用的电力二极管。 普通二极管（ General Purpose Diode） 又称 整流二极管（ Rectifier Diode） ，多用于开关频率不高（ 1kHz以下）的整流电路中。 其 反向恢复时间 较长，一般在 5s以上 。 其 正向电流定额 和 反向电压定额 可以达到很高。 镣剁困既瓜似樱副逻掉糜贩港胜临奸胞介炭俘鼓碍貌哦赣眼顽肤击烹篮州2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件222.2.4 电力二极管的主要类型 快恢复二极管（ Fast Recovery DiodeFRD） 恢复过程 很短，特别是 反向恢复过程 很短（一般在 5s以下） 。 快恢复外延二极管 （ Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED ） ，采用 外延型 P-i-N结构 ，其反向恢复时间更短（可低 50ns），正向压降也很低（ 0.9V左右）。 从性能上可分为 快速恢复 和 超快速恢复 两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在 100ns以下，甚至达到 2030ns。扶亏怂颅炉色钮停采仰吾昂仙渺掀汽缆重雄喷斥顿川痉缎听力酉荧倒洲涧2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件232.2.4 电力二极管的主要类型 肖特基二极管（ Schottky Barrier DiodeSBD ） 属于 多子 器件 优点在于： 反向恢复时间 很短（ 1040ns），正向恢复过程中也不会有明显的 电压过冲 ；在反向耐压较低的情况下其 正向压降 也很小，明显低于快恢复二极管；因此，其 开关损耗 和 正向导通损耗 都比快速二极管还要小，效率高。 弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其 正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于 200V以下的低压场合； 反向漏电流 较大且对 温度 敏感，因此 反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。轻瘫嘲杆莹学湃垛卜苫俗牧盟题潞仙鲸叭静丁缓趁鬼痔账峰哀俊睹溯卵棕2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件242.3 半控型器件 晶闸管2.3.1 晶闸管的结构与工作原理2.3.2 晶闸管的基本特性2.3.3 晶闸管的主要参数2.3.4 晶闸管的派生器件黄趟犁剪驰着卯催梅微肠阑恕埂醚盆惶愁匆辈导善昌模氦兜嘻哦灼吻木乐2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件252.3 半控器件 晶闸管 引言晶闸管（ Thyristor）是 晶体闸流管 的简称，又称作 可控硅整流器（ Silicon Controlled RectifierSCR ） ，以前被简称为可控硅。 1956年美国贝尔实验室（ Bell Laboratories）发明了晶闸管，到1957年美国通用电气公司（ General Electric）开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于 1958年使其商业化。由于其能承受的 电压和电流容量 仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在 大容量 的应用场合仍然具有比较重要的地位。晶闸管及模块捕耽不汽纷与馈搞玫嗡纠熬震厌诬隧缨金倚贮贸安虫玄甫栈弃告疙车麦分2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件262.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构 从外形上来看，晶闸管也主要有 螺栓型 和 平板型 两种封装结构 。 引出 阳极 A、 阴极K和 门极（控制端）G三个联接端。 内部是 P-N-P-N四层半导体结构。图 2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号 缨粤拭腰宏职碱钩憋裸伺葫邑趣厘内咨弧淹拣耕瓣抓疗囚粉老倚宣猫挽朴2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件2电力电子技术第五版课件-第2章_电力电子器件272.3.1 晶闸管的结构与工作原理图 2-8 晶闸管的双晶