《电力电子技术》电子教案

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1、西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心( (PENECPENEC) )制作制作电力电子技术 电子教案第1章 电力电子器件西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作 第1章 电力电子器件引言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和并联使用小结 2西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作 引 言 电子技术的基础 电子器件：晶体管和 集成电路 电力电子电

2、路的基础 电力电子器件 本章主要内容：简要 概述电力电子器件的概念、 特点和分类等 问题介绍 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 3西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1 电力电子器件概述1.1 电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 应用电力电子器件的系统组成 1.1.3 电力电子器件的分类 1.1.4 本章内容和学习要点4西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1 电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征主 电路（main power circuit

3、）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 5西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1.1 电力电子器件的概念和特征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。两类 中，自20世纪50年代以来 ，真空管仅在频率很高（ 如微波）的大功率高频电 源中还在使用，而电力半 导体器件已取代了汞弧整 流器（Mercury Arc Rectifier）、闸流管（ Thyratron）等电真空器件 ，成为绝对主力。因此， 电力

4、电子器件目前也往往 专指电力半导体器件。电力 半导体器件所采用的主要 材料仍然是硅。 6西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1.1 电力电子器件的概念和特征同处理信息的电子器件相比，电力 电子器件的一般特征：(1) 能处理电功率的大小，即承受 电压和电流 的能力，是最重要的参 数其 处理电功率的能力小 至毫瓦级，大至兆瓦 级, 大多都远大于处 理信息的电子器件。 7西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1.1 电力电子器件的概念和特征(2) 电力电子器件一般都工作在开关状态导通时 （通态）阻抗很小，接近于短 路，管压降接近于零，而电流 由外电路

5、决定阻断时 （断态）阻抗很大，接近于断 路，电流几乎为零，而管子两 端电压由外电路决定电力电 子器件的动态特性（也就是开 关特性）和参数，也是电力电 子器件特性很重要的方面，有 些时候甚至上升为第一位的重 要问题。作电路 分析时，为简单起见往往用理 想开关来代替 8西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1.1 电力电子器件的概念和特征(3) 实用中，电力电子器件往往需要由信息电子 电路来控制。在主 电路和控制电路之间，需要 一定的中间电路对控制电路 的信号进行放大，这就是电 力电子器件的驱动电路。(4) 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

6、件封装 上讲究散热设计，在其工作 时一般都要安装散热器。导通 时器件上有一定的通态压降 ，形成通态损耗 9西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1.1 电力电子器件的概念和特征阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成 断态损耗在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗 和关断损耗，总称开关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 10西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1.2

7、 应用电力电子器件的系统组成1.1.2 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 图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制 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 11西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1.2 应用电力电子器件的系统组成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

8、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，而通过其它手段如光、磁等来传递信号。 12西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1.2 应用电力电子器件的系统组成由于主电路中往往有电压和电流的过冲，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

9、或管角），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。 13西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作 1.1.3 电力电子器件的分类1.1.3 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) 半控型器件通过控制信号可以控 制其导通而不能控制其关断晶 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 14西安交通大学电力电子与新能源技术研

10、究中心(PENEC)制作1.1.3 电力电子器件的分类(2) 全控型器件通过控制信号既可控 制其导通又可控制其关断，又称自关断器件绝 缘栅双极晶体管（Insulated -Gate Bipolar Transistor IGBT）电 力场效应晶体管（Power MOSFET，简称为电力 MOSFET）门 极可关断晶闸管（Gate- Turn-Off Thyristor GTO ） 15西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1.3 电力电子器件的分类(3) 不可控器件不能用控制信号来控制其通断 ， 因此也就不需要驱动电路电力 二极管（Power Diode） 只有 两个端

11、子，器件的通和断是 由其在主电路中承受的电压 和电流决定的按照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：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 16西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1.3 电力电子器件的分类电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电 压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来 改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为 场控器件，或场效应器件 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：单 极型器

12、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 合型器件由单极型器件 和双极型器件集成混合而成 的器件 17西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1.4 本章内容和学习要点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、保护和串、并联使用这三 个问题。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

13、 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 18西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.2 不可控器件电力二极管1.2 不可控器件电力二极管1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 1.2.2 电力二极管的基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型19西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.2 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 整流的场合，具有不可替代的地位

14、 20西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理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图1-2 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 21西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。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

15、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，按所 强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。 22西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 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 表现为低阻态图1-3 PN结的形成 23西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作 1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理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PN结的电容效应：PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称 为结电容CJ，又称为微分电容。结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 24西安交通大学电力电子与新能源技术研究中