第2章 电力电子器件z

电力电子技术 电子教案第 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 本章小结第 2章 电力电子器件2.1 电力电子器件概述 5-10分 2.2 不可控器件 电力二极管 30-35 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 本章小结第 1章第 4页2.2 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 10分钟 提问 1：电导调制效应 2.2.2 电力二极管的基本特性 5-10 2.2.3 电力二极管的主要参数 52.2.4 电力二极管的主要类型 5 提问 2：整流电路用的二极管，电压参数第 1章第 5页2.3 半控器件 晶闸管内容较多，分两次课讲；第二次课要 5-10分钟回顾，加上附录及例题2.3 半控型器件 晶闸管2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 10 2.3.2 晶闸管的基本特性 10 2.3.3 晶闸管的主要参数 5-102.3.4 相关器件 5 附录： 1 晶闸管额定电流参数详解 及例题2 晶闸管的测试与使用 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。 2.1 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2.1.1 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。 2.1.1 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 。 2.1.1 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2.1.2 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2.1.3 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。2.1.3 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 来实现导通或关断的控制。GTR,GTO 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。 IGBT和 Power MOSFET2.1.3 电力电子器件的分类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。GTO,晶闸管 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。IGBT和 Power MOSFET等 电压型 器件 ， GTR2.1.3 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。 Power MOSFET 双极型器件 由 电子 和 空穴 两种载流子参与导电。GTR,GTO 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。 IGBT2.1.4 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。第 1章第 17页第 1章 电力电子器件1.1 不可控器件 电力二极管1.2 半控型器件 晶闸管1.2.1 晶闸管结构与工作原理1.2.2 伏安特性及主要参数1.2.3 晶闸管的测试与使用第 1章第 18页2.2 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第 1章第 19页2.2 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图 2-1整流二极管及模块第 1章第 20页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。图 2-2 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2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 P型半导体和 N型半导体基本概念 N(Negative)型半导体：简单讲就是电子容易被激发的半导体，此时电子是多子。 电子带负电。 P(Positive)型半导体：含有可以接收多余电子的空穴的半导体，此时空穴是多子。 空穴：带有正电。 N型半导体和 P型半导体结合后构成 PN结。第 1章第 22页 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 ，也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。第 1章第 23页2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理图 2-3 PN结的形成动画演示第 1章第 24页 PN结的正向导通状态PN结在正向电流较大时压降维持在 1V左右，正向偏置的 PN结表现为低阻态 PN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结的单向导电性这一主要特征 PN结的反向击穿 承受电压超过反向击穿电压时状态 参数 正向导通 反向截止电流 正向 大 几乎为零电压 维持 1V 反向 大阻态 低阻态 高阻态表 1 PN结的状态动画动画动画 动画第 1章第 25页 PN结的正向导通状态PN结在正向电流较大时压降维持在 1V左右，正向偏置的 PN结表现为低阻态返回第 1章第 26页 PN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结的单向导电性这一主要特征返回动画第 1章第 27页2.2.2 电力二极管的基本特性 门槛电压 UT0，正向电流 IF开始明显增加所对应的电压。 与 IF对应的电力二极管两端的电压即为其 正向电压降 UF 。 UB 反向击穿电压 承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流 IRR， 少子漂移引起 图 2-5 电力二极管的伏安特性1) 静态特性 （ Static State Characteristic ） ：主要指其 伏安特性 IOIFUT0 UF UUB第 1章第 28页2.2.2 电力二极管的基本特性2）动态特性 (Dynamic Characteristic)PN结中的电荷量随着外加电压而变化，呈电容效应因 结电容 的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程结电容影响 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。第 1章第 29页图 2-6 电力二极管的动态过程波形a) 正向偏置转换为反向偏置关断特性（反向恢复）电力二极管的关断经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断，进入