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1、太原工业学院自动化系*电力电子技术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太原工业学院自动化系*电力电子技术2.1.1电力电子器件的概念与特征电力电子电路的基础 电力电子器件1.概念: 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任务的电路 电力电子器件（power electronic device）可直接 用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的 电子器件2.广义上分为两类:电真空器件 (汞弧整流器、闸流管等电真空器件)半导体器
2、件 (采用的主要材料仍然是硅)太原工业学院自动化系*电力电子技术3. 同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：1) 由于多用于高电压、大电流工作场合，能处 理电功率的大小，即承受电压和电流的能力 ，成为最重要的参数。2) 因为处理的电功率较大，为减小本身的损耗 ，提高效率，电力电子器件一般都工作在开 关状态。导通时：器件阻抗很小，接近于短路，管压 降几乎为0，电流由外电路决定关断时：器件阻抗很大，接近于断路，电流 几乎为0，管子两端的电压由外电路决定。太原工业学院自动化系*电力电子技术(3) 实际应用中，电力电子器件往往需要由信息电子电 路来控制.但电力电子器件所处理的电功率较大,一
3、 般的信息电子电路不能直接控制电力电子器件的 导通或关断,需要一定的中间电路对这些信号进行 适当的放大,这部分电路就是驱动电路(4) 电力电子器件的功率损耗通常远大于信息电子器件 ，为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度 过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计， 在其工作时一般都要安装散热器。太原工业学院自动化系*电力电子技术SF风冷式散热器SZ SL螺旋式散热器太原工业学院自动化系*电力电子技术SS水冷式散热器太原工业学院自动化系*电力电子技术太原工业学院自动化系*电力电子技术散热器外形尺寸太原工业学院自动化系*电力电子技术主 要 损 耗通态损耗：导通时器件上有一定的通态压降断态损耗：阻
4、断时器件上有微小的断态漏电流流过开关损耗：开通损耗： 在器件开通的转换过程中产生的损耗关断损耗: 在器件关断的转换过程中产生的损耗 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发 热的原因之一 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是器件 功率损耗的主要成因 器件开关频率较高时，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 太原工业学院自动化系*电力电子技术2.1.2 应用电力电子器件的系统组成电力电子系统：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控制电路检测 电路驱动 电路RL主电路V1V2电力电子器件在实际应用中的 系统组成太原工业学院自动化系*电力电子
5、技术 控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱 动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来 完成整个系统的功能。 有的电力电子系统中，还需要有检测电路。广义上 往往其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制 电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控 制电路组成的。 主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的 元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路 和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的 连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及 主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔 离，通过其它手段如光、磁等来传递信号太原工业学院自动化系*电力电子技术 由于主电路中往往有电压和
6、电流的过冲，而电力电 子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承 受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主 电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力 电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行，也往 往是非常必要的。 器件一般有三个端子（或称极或管脚），其中两个 联结在主电路中，而第三端被称为控制端（或控制 极）。器件通断是通过在其控制端和一个主电路端 子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是 驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流 出器件的端子。太原工业学院自动化系*电力电子技术2.1.3 电力电子器件的分类 按照器件能够被控制电路信号所控制的程度， 分为以下三类：1)半控型
7、 器件 晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。2)全控型器件 绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT） 电力场效应晶体管（电力MOSFET） 门极可关断晶闸管（GTO）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。太原工业学院自动化系*电力电子技术3)不可控器件 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 承受的电压和电 流决定的。不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱 动电路。 按照
8、驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：1) 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2) 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 太原工业学院自动化系*电力电子技术 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与 导电的情况分为三类：1) 单极型器件: 由一种载流子参与导电的器件2) 双极型器件: 由电子和空穴两种载流子参与导电的器件3) 复合型器件:由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件有锗管、硅管等等 按照器件制造材料情况分为两类：太原工业学院自动化系*电力电子技术从使用角度出发，主要可从以下五个方面考查电力
9、 半导体器件的性能特点： 导通压降 运行频率 器件容量 耐冲击能力 可靠性此外，诸如控制功率、可串并联运行的难易程度、 价格等等也是选择电力半导体器件应考虑的因数。太原工业学院自动化系*电力电子技术电力半导体器件发展水平太原工业学院自动化系*电力电子技术在整流管类中，快速恢复二极管 将有较大的发展 在高压直流输电中，晶闸管（光 控晶闸管）将有很好的发展机遇 。 在功率晶体管类中，以IGBT发展 最为迅速太原工业学院自动化系*电力电子技术2.1.4本章内容和学习要点v本章内容: 介绍各种器件的工作原理、基本特性、主 要参数以及选择和使用中应注意的一些问题 。 然后集中讲述电力电子器件的驱动、保护
10、 和串、并联使用这三个问题。太原工业学院自动化系*电力电子技术 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，这是在实 际中正确应用电力电子器件的两个基本要 求 由于电力电子电路的工作特点和具体 情况的不同，可能会对与电力电子器件用 于同一主电路的其它电路元件，如变压器 、电感、电容、电阻等，有不同于普通电 路的要求太原工业学院自动化系*电力电子技术2.2 不可控器件-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
11、流的场合，具有不可替代的地位 。太原工业学院自动化系*电力电子技术2.2.1 电力二极管的工作原理和基本特性 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 封装组成的从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种 封装，平板型因其与散热器接触较好而多 用于功率较高的场合（200A以上） 太原工业学院自动化系*电力电子技术电力二极管的外形、结构和电气图形符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号太原工业学院自动化系*电力电子技术普通整流管 凹板式 凸板式普 通 整 流 管螺 栓 式太原工业学院自动化系*电力电子技术 交界处电子和空穴的浓度差别
12、，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杂质 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，按所强调的 角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。太原工业学院自动化系*电力电子技术 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
13、在1V左右，所以正向偏置的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结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。太原工业学院自动化系*电力电子技术1.2.2 电力二极管的基本特性 1.静态特性：主要指其伏安特性 当电力二极管承受的正向 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。与正向 电流IF对应的电力二极管两端 的电压UF即为其正向电压降。 当电力二极管承受反向电压时 ，只有少子引起的微小而数值 恒定的反向漏电流。电力二极管的伏安特性太原工业学院自动化系*电
14、力电子技术2. 动态特性 主要是讲在二极管两端所加电压变化时器件 的过渡过程如 ：首先加 正向电压，然后再加反向电压， 最后再加正向电压正向电压反向电压正向电压导通关断导通关断特性开通特性太原工业学院自动化系*电力电子技术 电力二极管在开通初期会 出现 较高的正向压降，即 在一个很短的时间内出现 一个过冲UFP，且UFP相当高。经过一段时间才趋于 接近稳态压降的某个值（ 如 2V）。这一动态过程时 间被称为正向恢复时间tfr。 开通特性：太原工业学院自动化系*电力电子技术 关断特性： 导通的二极管突 然加一个 反向电 压时，反向阻断能 力的恢复也需要一 段时间，可以想到 ，在空间电荷区较 薄时
15、，电压的突然 反向，会使二极管 在未恢复阻断能力 之前，处于短路状 态太原工业学院自动化系*电力电子技术在图中：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 （普通电力 二极管的反向恢复时间trr=25S）恢复特性的软度：电流下降时间与延 迟时间的比值tf /td，或称恢复系数，用 Sr表示太原工业学院自动化系*电力电子技术1.2.3 电力二极管的主要参数 1. 正向平均电流IF(AV)额定电流在指定的管壳温度（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 设该正弦半波电流的峰值为Im, 则额定电流(平
16、均电流)为:太原工业学院自动化系*电力电子技术 当用在频率较高的场合时，开关损耗造 成的发热往往不能忽略 当采用反向漏电流较大的电力二极管时 ，其断态损耗造成的发热效应也不小 正向平均电流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1.52倍的裕量。 额定电流有效值为:太原工业学院自动化系*电力电子技术2. 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有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正 向大电流时器件的最大瞬时正向压降3. 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通常是其雪崩击穿电压UB的2/3，是反向不重复峰值 电压URSM的80%。使用时，往往按照电路中电力
