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1、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,电子技术的基础 电子器件：晶体管 电力电子电路的基础 电力电子器件:晶闸管 本章主要内容： 概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。 介绍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问题。,第2章 电力电子器件引言,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 电力电子器

2、件概述,1）概念: 电力电子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 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。 2）分类: 电真空器件 (水银整流器、闸流管) 半导体器件 (采用硅为主要材料）,2.1.1 电力电子器件的概念和特征,电力电子器件,处理电功率的能力（承受电压和电流的能力），一般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，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，而且需要加驱动电路。 电力电子器件自身

3、的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。,2.1.1 电力电子器件的概念和特征,3）同信息电子器件相比其一般特征为：,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，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。,主要损耗,通态损耗=管压降通态电流,断态损耗=漏电流断态电压,开关损耗,关断损耗,开通损耗,2.1.1 电力电子器件的概念和特征,电力电子器件的损耗,电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 、检测电路和以电力电子器件为核心的主电路组成的系统。,图2-1 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。,

4、2.1.2 应用电力电子器件系统组成,电气隔离,半控型器件（晶闸管） 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。 全控型器件（IGBT，MOSFET) 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。 不可控器件(电力二极管) 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,按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：,电流驱动型 通过从控制端注入电流来实现导通或者关断的控制。 电压驱动型 通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号来实现导通或者关断的控制。,2.1.3 电力电子器件的分类,按照驱动电路信号的性质，分为两类：,脉冲触发型 通过在控制端施加一个电压或电流的脉

5、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。,2.1.3 电力电子器件的分类,按照驱动电路信号的波形，分为两类：,2.1.3 电力电子器件的分类,按照载流子参与导电的情况，分为三类： 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。,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。 学习要点: 最重要的是掌握其静态特性，了解动态特性。

6、 掌握电力电子器件的参数和特性曲线的使用方法。 了解电力电子器件的半导体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。,2.1.4 本章学习内容与学习要点,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,2.2 不可控器件电力二极管,电力二极管的结构和原理简单，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。,2.2 不可控器件电力二极管引言,整流二极管及模块,基本结构和工作原理与信息电

7、子电路中的二极管一样。 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,2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容CB 。 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容CD 。,2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,PN结的电容效应：,结电容,2.2.1 PN结与

8、电力二极管的工作原理,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。 扩散电容仅在正向偏置时起作用。 在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为结电容的主要成分。 正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。,门槛电压UTO：正向电流IF开始明显增加所对应的电压。 正向电压降UF：与IF对应的电力二极管两端的电压。 承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。,图2-4 电力二极管的伏安特性,2.2.2 电力二极管的基本特性,1) 静态特性（主要指其伏安特性）,额定电流在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 IF(AV)是按电流的

9、发热效应在允许的范围内来定义的，使用时应按电流的有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。,2.2.3 电力二极管的主要参数,1) 正向平均电流IF(AV),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。 3）反向重复峰值电压URRM 对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用时，按照电力二极管可能承受的反向峰值电压的2倍来选定URRM 。,2.2.3 电力二极管的主要参数,2）正向压降UF,结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 TJM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125175C范围之内。 6) 浪涌电流IFSM 指电力二

10、极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。,2.2.3 电力二极管的主要参数,5）最高工作结温TJM,1) 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。 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。,2.2.4 电力二极管的主要类型,简称快速二极管 快恢复外延二极管 UF很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V 以下。 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者的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。,2.2.4 电力二极管的主要

11、类型,2) 快恢复二极管,肖特基二极管的弱点 反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。 反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。 肖特基二极管的优点 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。 反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。 效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。,2.2.4 电力二极管的主要类型,3. 肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管。,2.3 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

12、晶闸管的派生器件,2.3 半控器件晶闸管引言,1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 1958年商业化。 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。 能承受的电压和电流容量在目前电力电子器件中最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。,晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,常用晶闸管的结构,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管外形及结构,图2-6 晶闸管的外形、结构和电

13、气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,外形有螺栓型和平板型两种封装。 有三个联接端：阳极A、阴极K和门极G。 内部是PNPN四层半导体结构。,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式可得 ：,图2-8 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理,按晶体管的工作原理 ，得：,（2-5）,半控型器件？,从门极流入，从阴极流出,2.3.1 晶闸管的结构与工作原理,晶 体管的特性：在低发射极电流下 是很小的，而当发射

14、极电流建立起来之后， 迅速增大。 阻断状态：IG=0，而1+2很小。有式（2-5）可知流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。 开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。 注：由于外电路负载的限制，IA实际上会维持有限值。,2.3.2 晶闸管的基本特性,承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 （关断条件） 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。 （导通条件） 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，无论门极触发电流是否存在，晶闸管保持导通。 要使已导通的晶闸管关断，只能使流

15、过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。（关断条件）,晶闸管正常工作时的特性总结如下：（掌握）,2.3.2 晶闸管的基本特性,（1）正向特性 IG=0时，如果器件两 端施加正向电压，只有很 小的正向漏电流，为正向 阻断状态。 如果正向电压超过正向 转折电压Ubo，则漏电流 急剧增大，器件开通。 随着门极电流幅值的增 大，正向转折电压降低。,1） 静态特性,图2-9 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG,2.3.2 晶闸管的基本特性,（1）正向特性 晶闸管本身的压降很小，在1V左右。 如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态，IH称为维持电流。,1

16、） 静态特性,图2-9 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG,2.3.2 晶闸管的基本特性,反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流流过。 当反向电压达到反向击穿电压后，若无限制措施可能导致晶闸管发热损坏。,图2-9 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG,正向,导通,击穿,O,+,U,A,-,U,A,-,I,A,I,A,I,H,I,G2,I,G1,I,G,=,0,U,bo,U,DSM,U,DRM,U,RRM,U,RSM,（2）反向特性,2.3.3 晶闸管的主要参数,断态重复峰值电压UDRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在 器件上的正向峰值电压。 断态不重复峰值电压UDSM 在门极断路而结温为额定值时，允许加在器件 上的最大瞬时电压。,1）电压定额,2.3.3 晶闸管的主要参数,反向重复峰值电压URRM 在门极断路而结温为额定