电力电子技术：第2章 电力电子器件 2)

第第2 2章章 电力电子器件电力电子器件电力电子技术1/98第2章 电力电子器件 2.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 2.2 2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.5 2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 2.6 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块功率集成电路与集成电力电子模块 本章小结本章小结 2/98引言引言模拟和数字电子电路的基础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电路的基础 电力电子器件电力电子器件本章主要内容：本章主要内容：对电力电子器件的对电力电子器件的概念概念、特点特点和和分类分类等问题作等问题作了简要概述了简要概述。分别介绍各种常用电力电子器件的分别介绍各种常用电力电子器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主要参数主要参数以及选择和使用中应注意的以及选择和使用中应注意的一些问题。一些问题。3/982.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 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 2.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点4/982.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念电力电子器件的概念 电力电子器件（电力电子器件（Power Electronic Device）是是指可直接用于处理电能的指可直接用于处理电能的主电路主电路中，实现电能的中，实现电能的变换或控制的变换或控制的电子器件电子器件。主电路：在电气设备或电力系统中，直接承担电能主电路：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。的变换或控制任务的电路。5/982.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征电力电子器件的特征电力电子器件的特征 所能处理所能处理电功率电功率的大小，也就是其承受电压和的大小，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。处理信息的电子器件。为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在在开关状态开关状态。由信息电子电路来控制由信息电子电路来控制,而且需要而且需要驱动电路驱动电路。自身的自身的功率损耗功率损耗通常仍远大于信息电子器件，通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装在其工作时一般都需要安装散热器散热器。6/982.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征通态损耗通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。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，当器件的开关频率较高时，开关损耗开关损耗会随之增会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。大而可能成为器件功率损耗的主要因素。通态损耗通态损耗断态损耗断态损耗开关损耗开关损耗开通损耗开通损耗关断损耗关断损耗电力电子器件的功率损耗电力电子器件的功率损耗7/982.1.2 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电力电子器件在实际应用中，一般是由电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路控制电路、驱动驱动电路电路和以电力电子器件为核心的和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成一个系统。组成一个系统。电气隔离电气隔离图图2-1 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8/982.1.3 电力电子器件的分类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按照能够被控制电路信号所控制的程度 半控型器件半控型器件 主要是指主要是指晶闸管（晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。及其大部分派生器件。器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电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。流决定的。全控型器件全控型器件 目前最常用的是目前最常用的是 IGBT和和Power MOSFET。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。断。不可控器件不可控器件 电力二极管（电力二极管（Power Diode）不能用控制信号来控制其通断。不能用控制信号来控制其通断。9/982.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照驱动信号的性质按照驱动信号的性质 电流驱动型电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出通过从控制端注入或者抽出电流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加一定的仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压电压信号就可实现导通信号就可实现导通或者关断的控制。或者关断的控制。按照驱动信号的波形（电力二极管除外按照驱动信号的波形（电力二极管除外）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的通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲脉冲信号来实现器件的开通信号来实现器件的开通或者关断的控制。或者关断的控制。电平控制型电平控制型 必须通过必须通过持续持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流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信号来使器件开通并维持维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。在导通状态或者关断并维持在阻断状态。10/982.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照载流子参与导电的情况按照载流子参与导电的情况 单极型器件单极型器件（多子器件）由一种由一种载流子载流子参与导电。参与导电。双极型器件双极型器件（少子器件）由由电子电子和和空穴空穴两种载流子参与导电。两种载流子参与导电。复合型器件复合型器件 由单极型器件和双极型器件集成混合而成，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。也称混合型器件。11/982.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点本章内容本章内容 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新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、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 最重要的是掌握其最重要的是掌握其基本特性基本特性。掌握电力电子器件的重要掌握电力电子器件的重要参数参数和和特性曲线特性曲线的使用方法。的使用方法。了解电力电子器件的了解电力电子器件的半导体物理结构半导体物理结构和和基本工作原理基本工作原理。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。12/982.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 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13/982.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管引言引言电力二极管（电力二极管（Power Diode）自自20世纪世纪50年代初期就获得年代初期就获得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。极管仍然大量应用于许多电气设备当中。在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管快恢复二极管和和肖特基肖特基二极管二极管，具有不可替代的地位。，具有不可替代的地位。整流二极管及模块整流二极管及模块应用应用14/98AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1 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电力二极管是以半电力二极管是以半导体导体PN结结为基础的为基础的,实际上是由一个面积实际上是由一个面积较大的较大的PN结结和和两端引两端引线线以及以及封装封装组成的。组成的。从外形上看，可以有从外形上看，可以有螺栓型螺栓型、平板型平板型等多等多种封装。种封装。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)基本结构基本结构 c)电气图形符号电气图形符号15/982.2.1 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 多子的扩散运动多子的扩散运动内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动浓度差浓度差P P 型半导体型半导体型半导体型半导体N N 型半导体型半导体型半导体型半导体 内电场越强，漂移运动越强，内电场越强，漂移运动越强，内电场越强，漂移运动越强，内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。而漂移使空间电荷区变薄。而漂移使空间电荷区变薄。而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果使空间电荷区变宽扩散的结果使空间电荷区变宽空间电荷区也称空间电荷区也称 PN 结结 扩散和漂移这一扩散和漂移这一扩散和漂移这一扩散和漂移这一对相反的运动最终对相反的运动最终对相反的运动最终对相反的运动最终达到动态平衡，空达到动态平衡，空达到动态平衡，空达到动态平衡，空间电荷区的厚度固间电荷区的厚度固间电荷区的厚度固间电荷区的厚度固定不变。定不变。定不变。定不变。+形成空间电荷区形成空间电荷区16/982.2.1 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 1.PN 1.PN 结加正向电压结加正向电压结加正向电压结加正向电压（正向偏置）（正向偏置）（正向偏置）（正向偏置）PN 结变窄结变窄 P接正、接正、N接负接负 外电场外电场IF 内电场被内电场被内电场被内电场被削弱，多子削弱，多子削弱，多子削弱，多子的扩散加强，的扩散加强，的扩散加强，的扩散加强，形成较大的形成较大的形成较大的形成较大的扩散电流。扩散电流。扩散电流。扩散电流。PN PN 结加正向电压时，结加正向电压时，结加正向电压时，结加正向电压时，PNPN结变窄，正向电流较结变窄，正向电流较结变窄，正向电流较结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，大，正向电阻较小，大，正向电阻较小，大，正向电阻较小，PNPN结处于导通状态。结处于导通状态。结处于导通状态。结处于导通状态。内电场内电场PN+17/982.2.1 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 PN PN 结变宽结变宽结变宽结变宽2.PN 2.PN 结加反向电压结加反向电压结加反向电压结加反向电压（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）外电场外电场外电场外电场 内电场被加强，内电场被加强，少子的漂移加强，少子的漂移加强，由于少子数量很由于少子数量很少，形成很小的少，形成很小的反向电流。反向电流。IR P P接负、接负、接负、接负、N N接正接正接正接正 +PN PN 结加反向电压时，结加反向电压时，结加反向电压时，结加反向电压时，PNPN结变宽，反向电流较小，反向电阻结变宽，反向电流较小，反向电阻结变宽，反向电流较小，反向电阻结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，较大，较大，较大，PNPN结处于截止状态。结处于截止状态。结处于截止状态。结处于截止状态。内电场内电场内电场内电场P PN N+18/982.2.1 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 当当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路