第2章 电力电子器件4

2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述2.2 不可控器件不可控器件 电力二极管电力二极管2.3 半控型器件半控型器件 晶闸管晶闸管2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述2.2 不可控器件不可控器件 电力二极管电力二极管2.3 半控型器件半控型器件 晶闸管晶闸管2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件2.1.1 电力电子器件的概念和特征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电力电子器件的分类2.1.1 电力电子器件的概念和特征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电力电子器件的分类概念：概念：主电路（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。任务的电路。 电力电子器件（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。控制的电子器件。广义上电力电子器件可分为广义上电力电子器件可分为 电真空器件电真空器件 和和 半导体器件半导体器件 两类。两类。 同处理信息的电子器件相比的一般特征同处理信息的电子器件相比的一般特征 ：能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。件，一般都要安装散热器。电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗主要损耗主要损耗通态损耗通态损耗断态损耗断态损耗开关损耗开关损耗关断损耗关断损耗开通损耗开通损耗通态损耗通态损耗 是器件功率损耗的主要成因。是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，器件开关频率较高时， 开关损耗开关损耗 可能成为器件功率损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。的主要因素。2.1.1 电力电子器件的概念和特征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电力电子器件的分类电力电子系统电力电子系统 -由由 控制电路控制电路 、 驱动电路驱动电路 、 保护电路保护电路 和以和以电力电子器件为核心的电力电子器件为核心的 主电路主电路 组成。组成。电力电子器件在实际应用中的系统组成电力电子器件在实际应用中的系统组成在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行。控控制制电电路路检测检测电路电路驱动驱动电路电路RL主电路V1V2保护保护电路电路电气隔离控制电路2.1.1 电力电子器件的概念和特征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电力电子器件的分类分类分类按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度程度 ，分为以下三类：，分为以下三类： 不可控器件不可控器件 不能用控制信号来控制其通断的不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件，因此也就不需要驱动电路。电力电子器件，因此也就不需要驱动电路。电力二极管（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。电压和电流决定的。半控型器件半控型器件 通过控制信号可以控制其导通而通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。不能控制其关断的电力电子器件。器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定。器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定。 晶闸管（晶闸管（ Thyristor）及其大部分派生器件。）及其大部分派生器件。 全控型器件全控型器件 通过控制信号既可控制其导通又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。可控制其关断，又称自关断器件。IGBT、电力、电力 MOSFET、门极可关断晶闸管、门极可关断晶闸管 GTO。按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质的性质 ，分为以下两类：，分为以下两类：电流驱动型电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出电流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。来实现导通或者关断的控制。 电压驱动型电压驱动型 仅通过在控制端和公共端之间施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。加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间有效信按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间有效信号的波形号的波形 ，分为以下两类：，分为以下两类：脉冲触发型脉冲触发型 通过在控制端施加一个电压或电流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关断。的脉冲信号来实现器件的开通或关断。 电平控制型电平控制型 通过持续在控制端和公共端施加一通过持续在控制端和公共端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，或关断并维持在阻断状态。状态，或关断并维持在阻断状态。按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况情况 ，分为以下三类：，分为以下三类：单极型器件单极型器件 由一种载流子参与导电的器件。由一种载流子参与导电的器件。 双极型器件双极型器件 由电子和空穴两种载流子参与导由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。电的器件。 复合型器件复合型器件 由单极型器件和双极型器件组成由单极型器件和双极型器件组成的复合型器件。的复合型器件。本章内容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器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的 工作原理工作原理 、 基本特基本特性性 、 主要参数主要参数 以及选择和使用中应注意的一些问题。以及选择和使用中应注意的一些问题。学习要点学习要点最重要的是掌握其基本特性。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。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。了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述2.2 不可控器件不可控器件 电力二极管电力二极管2.3 半控型器件半控型器件 晶闸管晶闸管2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理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电力二极管的基本特性2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理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电力二极管的基本特性2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自结构和原理简单，工作可靠，自 20世纪世纪 50年代年代初期就获得应用。初期就获得应用。整流二极管及模块整流二极管及模块快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，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。以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。电力二极管电力二极管 (Power Diode)，也称半导体整流器，也称半导体整流器 SR(Semiconductor Rectifier)1.结构和工作原理结构和工作原理图图 2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号a) 外形外形 b) 结构结构 c) 电气图形符号电气图形符号基本结构和工作原理与信基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。息电子电路中的二极管一样。由一个面积较大的由一个面积较大的 PN结和结和两端引线以及封装组成的。两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有从外形上看，主要有 螺栓螺栓型型 和和 平板型平板型 两种封装。两种封装。AKA Ka)IKA P NJb)c)A KPN结的结的 状态状态状状 态态参数参数 正向正向 导导 通通 反向截止反向截止 反向反向 击击 穿穿电电 流流 正向大正向大 几乎几乎 为为 零零 反向大反向大电压电压 维维 持持 1V 反向大反向大 反向大反向大阻阻 态态 低阻低阻 态态 高阻高阻 态态 二极管的基本原理二极管的基本原理 PN 结的结的 单向导电性单向导电性p当当 PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自自 P区流入而从区流入而从 N区流出的电流，称为区流出的电流，称为 正向电流正向电流 IF，这就是，这就是 PN结的正向导通状态。结的正向导通状态。p当当 PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的 PN结结表现为表现为 高阻态高阻态 ，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。PN结的反向击穿（两种形式结的反向击穿（两种形式 )pPN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向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，破坏电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏 PN结反向结反向偏置为截止的工作状态，这就叫偏置为截止的工作状态，这就叫 反向击穿反向击穿 。按照机理不同有按照机理不同有 雪崩击穿雪崩击穿 和和 齐纳击穿齐纳击穿 两种形式两种形式 。反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，一定范围内， PN结仍可恢复原来的状态。结仍可恢复原来的状态。否则否则 PN结因过热而烧毁，这就是结因过热而烧毁，这就是 热击穿热击穿 。PN结的电容效应：结的电容效应：p PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现结的电荷量随外加电压而变化，呈现 电容效应电容效应 ，称为称为 结电容结电容 CJ，又称为，又称为 微分电容微分电容 。p结电容按其产生机制和作用的差别分为结电容按其产生机制和作用的差别分为 势垒电容势垒电容 CB和和扩散电容扩散电容 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。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。容为结电容主要成分。p结电容影响结电容影响 PN结的结的 工作频率工作频率 ，特别是在高速，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。至不能工作。2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理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电力二极管的基本特性2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型2.基本特性基本特性静态特性静态特性图图 2-5 电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性主要指其主要指其 伏安特性。伏安特性。正向电压大到一定值（正向电压大到一定值（ 门槛电门槛电压压 UTO），正向电流才开始明显），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。增加，处于稳定导通状态。承受反向电压时，只有微小而承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。数值恒定的反向漏电流。IOIFUTO UF U与与 IF对应的电力二极管两端的对应的电力二极管两端的电压即为其电压即为其 正向电压降正向电压降 UF。图图 2-6 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正向偏置转换为反向偏置 b)零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 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。a)t0:正向电流降为零的时刻t1:反向电流达最大值的时刻 UFPuiiFuFtfr t02VIFUFt1 t 2 tURURPdiFdtdiRdtIRPtF t0trrtd tft2:电流变化率接近于零的时刻 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