第2章 电力电子器件概述_讲义
第2章 电力电子器件概述
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2 电力电子器件概述
电力电子器件，又称功率半导体器件，是电力电子电 路（变流技术）的基础 学习目的： 了解电力电子器件概念、特点和分类 掌握主要电力电子器件的外特性及电压、电流和 开关速度等性能。 关 度等 能 通过分析功率半导体器件的基本特性，将其简化为 理想的开关模型。 采用器件的理想开关模型，可使课程第二部分中对 于电能变换器的分析变得更加简明和容易。 功率半导体器件的物理结构、详细特性及驱动和保 护电路将在课程的第四部分中深入学习。 学时：2
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2.1 电力电子器件的特征和分类
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
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（ ） 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 半导体器件
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(汞弧整流器、闸流管) (采用的主要材料硅）
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电力电子器件主要指半导体功率开关器件 半导体功率开关与普通半导体器件有何区别? 3）同处理信息的电子器件相比的一般特征： 电力电子器件能处理电功率的能力，一般远大于 处理信息的电子器件。 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。 电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器 件，一般都要安装散热器。 电力电子器件的损耗 通态损耗 Won 断态损耗 Woff 开关损耗 WSW 开通损耗 关断损耗 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。
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2.1.2 电力电子系统的组成
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。 检测 电路 保护 电路 驱动 电路 在主电路 和控制电 路中附加 一些电路， 些电路， 以保证电 力电子器 件和整个 系统正常 可靠运行
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： 半控型器件（Thyristor） ——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（GTO,GTR,MOSFET,IGBT) ——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(Power Diode) ——不能用控制信号来控制其通断, 因此也就 不需要驱动电路。
控 制 控制 电路 电 路
V 1 L
R
V 2 主电路 电气隔离
电力电子器件在实际应用中的系统组成
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按照驱动电路信号的性质，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 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。
2.2 电力二极管
电力二极管结构和原理简单，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。
从发展历程上看：首先开发了二极管，之后是晶闸管和 晶体管系列器件。 整流二极管及模块
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2.2.1 电力二极管的静态特性
静态特性主要指伏安特性 A－阳极 K－阴极
理想化的特性可用来分析变换器的拓扑结构，但不能 用作实际变换器的设计. （如，实际应用中应考虑器件损耗和散热问题等）
正向偏置时导通，导通压降很小（1V） 反向偏置时关断，只流过很小的（可忽略）漏电流。 正常工作时，反偏电压不应超过击穿电压。
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2.2.2 电力二极管的动态特性
动态特性指开通和关断过程的特性。
2.2.3 电力二极管的主要类型
按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别 是反向恢复特性的不同来区分二极管不同的类型。 1) 普通二极管（General Purpose Diode） 又称整流二极管（Rectifier Diode）
开通时，导通速度快（与电路动态过程相比），可近 似为理想开关。 然而关断时，在电流降到零（并稳定）之前出现反向 恢复电流（对应时间为反向恢复时间trr)。 该反向恢复电流用于抽取二极管中存储的大量少子以 达到反向偏置的稳态（即反向阻断状态）。 在感性电路中，反向恢复电流会引起过压；在多数电 路中，影响不大。所以，关断过程也可认为是理想的
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其反向恢复时间较长，一般在5μs以上 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路 （如工频整流电路） 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高 （几千安，几千伏）
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2）快恢复二极管（Fast Recovery Diode——FRD） 简称快速二极管 其反向恢复时间较短，一般在5μs以下 用于高频电路中 正向电流定额和反向电压定额为几百安和几百伏 3）肖特基二极管（Schottky Barrier Diode——SBD） 正向压降低（典型0.3V) 用于输出电压非常低的电路 反向耐压能力较低，为50－100伏 器件说明书
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2.3 晶闸管
包括两大类器件： 晶闸管（Thyristor）： 即晶体闸流管，又称可控硅整流器 （Silicon Controlled Rectifier——SCR） 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管 产品。 产 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭 新时代，标志着电力电子技术的诞生。 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在 大容量的场合具有重要地位。（半控型器件）
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门极可关断晶闸管: （Gate-Turn-Off Thyristor —GTO） 晶闸管的一种派生器件，在晶闸管问世后不久出现。 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。 (全控型器件） GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因 而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。
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
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2.3.1 晶闸管
A－阳极 K－阴极 G－门极 晶闸管的 静态特性
晶闸管正常工作时的特性总结如下： 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。 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。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接 近于零的某一数值以下。 半控型器件 主要参数： 正向和反向阻断电压 最大电流和平均电流
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晶闸管的动态特性
晶闸管的种类 (1) 普通晶闸管（SCR) 也称相控晶闸管，常用于工频相控整流 功 率 等 级 高 ， 通 态 压 降 低 （ 典 型 值 ： 5000V ， 4000A，通态压降2V）
trr : 反向恢复时间 tq : 关断时间
为了可靠关断， 施加反压的时间 应大于tq 器件说明书
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(2) 快速晶闸管（Fast Switching Thyristor—— FST) 包括快速晶闸管和高频晶闸管。 括快速晶 管和高频晶 管 开关时间以及du/dt 和di/dt 耐量都有明显改善。 （普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数 十微秒，高频晶闸管10μs左右。） 常用于中高频（400Hz和10KHz以上）的斩波或逆 变电路中。不足在于其电压和电流定额都不易做 高。（典型值：2500V，1500A）
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(3) 双 向 晶 闸 管 （ Triode AC Switch——TRIAC 或 Bidirectional triode thyristor） 可认为是一对反并联联接 的普通晶闸管的集成。 有两个主电极T1和T2，一 个门极G。 在第Ｉ和第III象限有对 称的伏安特性。 不用平均值而用有效值来 表示其额定电流值。 常用于交流电力控制电路 中
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(4) 逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor—— RCT）
I
I
T1
I=0 G O U
将晶闸管反并联一个 二极管制作在同一管 芯上的功率集成器件。 具有正向压降小、关 断时间短等优点。 可用于不需要阻断反 向电压的电路中
G
K
I =0
G
O
A
U
G
T2 a) b)
a)
b)
双向晶闸管的电气图形符号 和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性
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逆导晶闸管的电气图形符号 和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性
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(5)光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT） 又称光触发晶闸管， 是利用一定波长的 光照信号触发导通 的晶闸管。 光触发保证了主电 路与控制电路之间 的绝缘，且可避免 电磁干扰的影响。 常应用在高压大功 率的场合。
G K
2.3.2 门极可关断晶闸管
门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor—GTO）
A－阳极 K－阴极 G－门极
U AK
I A
A 强 光强度 弱
O
a)
b)
光控晶闸管的电气图形符号和 伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性
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与晶闸管相似，GTO在承受正向电压时，仅在门极 有触发电流的情况下才能开通，导通后可自锁保 持而不需要门极电流 。
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与晶闸管不同，GTO关断时，可以通过在门极施加负 的脉冲电流使其关断。关断时所需负的门极脉冲电 流幅值很高，常达到被关断的阳极电流的1/3。 晶闸管的一种派生器件，在晶闸管问世后不久出现。 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。 （全控型器件） GTO的通态压降（2 3V）比晶闸管略高 GTO的通态压降（2～3V）比晶闸管略高。 GTO开关速度为几微妙到几十微妙，开关频率在数百Hz 到10KHz间。 GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近（可达 数KV,和数KA），因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有 较多的应用。 器件说明书
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2.4 功率晶体管
包括：电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶 体管。都属于全控型器件。 常用的典型全控型器件 电力MOSFET
IGBT单管及模块
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2.4.1 电力晶体管
电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为 巨型晶体管） 。 是一种耐高 电 压 、 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管 （ Bipolar Junction Transistor——BJT），英文有时 候也称为Power BJT。 20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶 闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。 过渡产品 是晶体管类电力电子器件的基础
C－集电极 E－发射极 B－基极
I 开通时，基极电流应足够大，I B > C hFE 件进入饱和导通状态。
, 使器
电流控制型器件，必须持续施加基极电流以维持 导通。 导通压降较小（1－2V），通态损耗小。
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大功率GTR的直流电流增益hFE比小功率的晶体管小 得多，通常为5-10左右，经常采用达林顿接法来增 大电流增益。
2.4.2 电力场效应晶体管
电力场效应晶体管 分为结型和绝缘栅型 通常主要指绝缘栅型中的MOS型 （Metal Oxide Semiconductor FET） 简称电力MOSFET（Power MOSFET） 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管 （Static Induction Transistor——SIT）
BJT在关断时有明显的存储时间，典型的开关时间 在几百ns到几μs之间。 功率等级可达到：1400V，数百A 。
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D－漏极 S－源极 G－栅极
开关速度快，工作频率高。 （开关时间：数十ns～数百ns） 电流容量小，耐压低（1000V以下） 最大栅源电压20V。
开通时，VGS>VGS(th) （开启电压），使器件进入饱和 导通状态。 电压控制型器件，必须持续施加栅极－源极电压以 维持导通。 需要的驱动功率小（只在开关过程中门极电容充放 电时有门极电流），控制方便。但通态电阻较高。
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器件说明书
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2.4.3 绝缘栅双极晶体管
C
iC
vGE
G
iC
绝缘栅双极晶体管 （Insulated-gate Bipolar Transistor—IGBT或IGT） GTR和MOSFET两种器件取长补短结合而成的复合器件 ，同时具备这两种器件的优点。 1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导 年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导 器件。 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。
vCE
E (a)
vCE
与MOSFETL类似，IGBT是电压控制型器件，门极输入 阻抗高，所需驱动功率小。 与GTR类似，IGBT具有较小的通态压降。 与GTO类似，IGBT具有阻断反向电压的能力。 开关速度快，工作频率高。（开关时间：us级） 功率等级可达到：2-3KV，1-2KA
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2.5 器件的应用问题
1.电力电子开关器件的性能比较
2. 电力电子开关器件的应用准则 在设计变流电路时，应根据应用的场合选择适合的电 力电子开关器件。选择时应考虑如下问题： 通态电压和通态电阻表明器件的导通损耗。 开关时间表明了器件的开关损耗及允许的最高工 作频率。 电压和电流定额决定器件处理功率的能力。
器件发展趋势是更大 的功率、更快的速度 和更小的损耗 新器件仍在不断研发
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控制电路所需的能量表明了器件控制的难易度。 器件的价格也应被考虑。
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在分析变换器电路时采用理想化器件模型的可行性： 由于能量转换的效率通常设计得很高，所以器件 的通态电压与工作电压相比一定比较小，所以在 电路分析中可以忽略。 器件的开关时间一定远小于电路的工作周期，因 此可近似为瞬时通断。 采用理想化器件模型可大大简化变换器工作原理的 分析，但是在设计实际变流装置时，必须考虑器件的具 体特性。 1. 本章内容
本章总结
2.1 电力电子器件的特征和分类 2.2 电力二极管 2.3 晶闸管 2.3.1 晶闸管 2.3.2 2 3 2 门极可关断晶闸管 2.4 功率晶体管 2.4.1 电力晶体管 2.4.2 电力场效应晶体管 2.4.3 绝缘栅双极晶体管 2.5 器件的应用问题
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2.本章重点 1) 电力电子器件的概念、特征和分类 2）电力电子系统的组成部分 3）本章学习的6种电力电子器件的基本特性： 电气符号 如何控制开通和关断 理想的伏安（i-v)特性 大致的功率等级和开关速度 派生器件的种类和特点 在本课程第二部分（基本电力变换电路）中，将采 用器件的理想开关模型来分析电路的工作原理。 第2章习题 结束
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常用电力电子器件特性测试
实验二：常用电力电子器件特性测试 （一）实验目的 （1）掌握几种常用电力电子器件（SCR、GTO、MOSFET、IGBT）的工作特性；（2）掌握各器件的参数设置方法，以及对触发信号的要求。 （二）实验原理 图1.MATLAB电力电子器件模型 MATLAB电力电子器件模型使用的是简化的宏模型，只要求器件的外特性与实际器件特性基本相符。MATLAB电力电子器件模型主要仿真了电力电子器件的开关特性，并且不同电力电子器件模型都具有类似的模型结构。 模型中的电阻Ron和直流电压源Vf分别用来反映电力电子器件的导通电阻和导通时的门槛电压。串联电感限制了器件开关过程中的电流升降速度，模拟器件导通或关断时的动态过程。MATLAB电力电子器件模型一般都没有考虑器件关断时的漏电流。 在MATLAB电力电子器件模型中已经并联了简单的RC串联缓冲电路，在参数表中设置，名称分别为Rs和Cs。更复杂的缓冲电路则需要另外建立。对于MOSFET模型还反并联了二极管，在使用中要注意，需要设置体内二极管的正向压降Vf和等效电阻Rd。对于GTO和IGBT需要设置电流下降时间Tf和电流拖尾时间Tt。 MATLAB的电力电子器件必须连接在电路中使用，也就是要有电流的回路，
但是器件的驱动仅仅是取决于门极信号的有无，没有电压型和电流型驱动的区别，也不需要形成驱动的回路。尽管模型与实际器件工作有差异，但使MATLAB电力电子器件模型与控制连接的时候很方便。MATLAB的电力电子器件模型中含有电感，因此具有电流源的性质，所以在模块参数中还包含了IC即初始电流项。此外也不能开路工作。 含电力电子模型的电路或系统仿真时，仿真算法一般采用刚性积分算法，如ode23tb、ode15s。电力电子器件的模块上，一般都带有一个测量输出端口，通过输出端m可以观测器件的电压和电流。本实验将电力电子器件和负载电阻串联后接至直流电源的两端，给器件提供触发信号，使器件触发导通。 （三）实验内容 （1）在MATLAB/Simulink中构建仿真电路，设置相关参数。 （2）改变器件和触发脉冲的参数设置，观察器件的导通情况及负载端电压、器件电流的变化情况。 （四）实验过程与结果分析 1．仿真系统 Matlab平台 2．仿真参数 （1）Thyristor参数设置： 直流源和电阻参数：
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第2章 电力电子器件概述 习题 第1部分：填空题 1. 电力电子器件是直接用于（主）电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 2. 主电路是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。 3.处理信息的电子器件一般工作于放大状态，而电力电子器件一般工作在（开关）状态。 4. 电力电子器件组成的系统，一般由（控制电路）、（驱动电路）、（保护电路）、（主电路）四部分组成。 5. 按照器件能够被控制的程度，电力电子器件可分为以下三类：（半控型）、（全控型） 和（不控型）。 6．按照驱动电路信号的性质，电力电子器件可分为以下分为两类：（电流驱动型） 和（电压驱动型） 7. 电力二极管的主要类型有（普通二极管）、（ 快恢复二极管）、（肖特基二极管）。 8. 普通二极管又称整流二极管多用于开关频率不高,一般为（1K ）Hz 以下的整流电路。其反向恢复时间较长，一般在(5us)以上。 9.快恢复二极管简称快速二极管，其反向恢复时间较短，一般在(5us)以下。 10.晶闸管的基本工作特性可概括为：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；承受正向电压时，仅在（门极有触发电流）情况下，晶闸管才能导通；晶闸管一旦导通，（门极）就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流（降到接近于零的某一数值以下）。 11.晶闸管的派生器件有：（快速晶闸管）、（双向晶闸管）、（逆导晶闸管）、（光控晶闸管）。 12. 普通晶闸管关断时间（一般为数百微秒），快速晶闸管（一般为数十微秒），高频晶闸管（10us ）左右。高频晶闸管的不足在于其（电压和电流定额）不易提高。 13.（双向晶闸管）可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。 14.逆导晶闸管是将（晶闸管）反并联一个（二极管）制作在同一管芯上的功率集成器件。 15. 光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用（一定波长的光照信号）触发导通的晶闸管。光触发保证了主电路与控制电路之间的（绝缘），且可避免电磁干扰的影响。常应用在（高压大功率）的场合。 16. GTO 的开通控制方式与晶闸管相似，但是可以通过在门极（施加负的脉冲电流）使其关断。 17. GTR 导通的条件是：（0CE u >） 且（ 0B i > ）。
电力电子技术第二章总结
2016 电力电子技术 作业：第二章总结 班级：XXXXXX学号：XXXXXXX姓名：XXXXXX
第二章电力电子器件总结 1.概述 不可控器件——电力二极管(Power Diode) GPD FRD SBD 半控型器件——晶闸管(Thyristor) FST TRIAC LTT 典型全控型器件GTO GTR MOSFET IGBT 其他新型电力电子器件MCT SIT SITH IGCT 功率集成电路与集成电力电子模块HVIC SPIC IPM 1.1相关概念 主电路(Main Power Circuit):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? 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? 1.2特点 电功率大,一般都远大于处理信息的电子器件? 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(主要对控制信号进行放大)? 功率损耗大,工作时一般都需要安装散热器? 通态损耗,断态损耗,开关损耗(开通损耗关断损耗) 开关频率较高时,可能成为器件功率损耗的主要因素? 电力电子器件在实际应用中的系统组成 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? 关键词电力电子系统电气隔离检测电路保护电路三个端子 1.3电力电子器件的分类 按能够被控制电路信号控制的程度不同可分为半控型器件(开通可控,关断不可控) 全控型器件(开通,关断都可控) 不可控器件(开通,关断都不可控) 按照驱动信号的性质不同可分为电流驱动型电压驱动型 按照驱动信号的波形(电力二极管除外)不同可分为脉冲触发型电平控制型 按照载流子参与导电的情况不同可分为单极型器件(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) 关键词控制的程度驱动信号的性质?波形载流子参与导电的情况工作原理基本特性主要参数2不可控器件——电力二极管(Power Diode) 2.1结构与工作原理 电力二极管实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的? PN节(PN junction):采用不同的掺杂工艺,通过扩散作用,将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体(通常是硅或锗)基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结? N型半导体(N为Negative的字头,由于电子带负电荷而得此名):即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体? P型半导体(P为Positive的字头,由于空穴带正电而得此名):即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体? 正向电流IF :当PN结外加正向电压(正向偏置)时,在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流? 反向截止状态:当PN结外加反向电压时(反向偏置)时,反向偏置的PN结表现为高阻态,几乎没有电流流过的状态? 反向击穿:PN结具有一定的反向耐压能力,但当施加的反向电压过大,反向电流将会急剧增大,破坏PN 结反向偏置为截止的工作状态?雪崩击穿齐纳击穿(可以恢复) 热击穿(不可恢复) P-i-N结构
电力电子技术第2章_习题_答案
班级姓名学号 第2/9章电力电子器件课后复习题 第1部分：填空题 1. 电力电子器件是直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 2. 主电路是在电气设备或电力系统中，直接承担电能变换或控制任务的电路。 3. 电力电子器件一般工作在开关状态。 4. 电力电子器件组成的系统，一般由控制电路、驱动电路、主电路三部分组成， 由于电路中存在电压和电流的过冲，往往需添加保护电路。 5. 按照器件能够被控制的程度，电力电子器件可分为以下三类：不可控器件、半控型器件 和全控型器件。 6．按照驱动电路信号的性质，电力电子器件可分为以下分为两类：电流驱动型和电压驱动型。 7. 电力二极管的工作特性可概括为单向导电性。 8. 电力二极管的主要类型有普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管。 9. 普通二极管又称整流二极管多用于开关频率不高,一般为1K Hz以下的整流电路。其 反向恢复时间较长，一般在5μs以上。 10.快恢复二极管简称快速二极管，其反向恢复时间较短，一般在5μs以下。 11.肖特基二极管的反向恢复时间很短,其范围一般在10～40ns之间。 12.晶闸管的基本工作特性可概括为：承受反向电压时，不论是否触发，晶闸管都不会导 通；承受正向电压时，仅在门极正确触发情况下，晶闸管才能导通；晶闸管一旦导通， 门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降至维持电流以下。 13.通常取晶闸管的U DRM和U RRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，一般取 为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3 倍。 14.使晶闸管维持导通所必需的最小电流称为维持电流。晶闸管刚从断态转入通态并移除 触发信号后，能维持导通所需的最小电流称为擎住电流。对同一晶闸管来说，通常I L约为I H的称为2~4 倍。 15.晶闸管的派生器件有：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管。 16. 普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10微秒左右。 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额不易做高。 17. 双向晶闸管可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。
电力电子技术第五版第二章答案
电力电子技术第五版课后习题答案 第二章 电力电子器件 2. 使晶闸管导通的条件是什么？ 答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或：u AK >0且u GK >0。 3. 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？ 答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。 要使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。 4. 图2-27中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为I m ，试计算各波形的电流平均值I d1、I d2、I d3与电流有效值I 1、I 2、I 3。 π4 π 4 π2 5π4a) b) c) 图1-43 图2-27 晶闸管导电波形 解：a) I d1= π21?π πωω4 )(sin t td I m =π2m I (122+)≈0.2717 I m I 1= ? π π ωωπ 4 2)()sin (21 t d t I m = 2m I π 2143+≈0.4767 I m b) I d2 = π1?π πωω4)(sin t td I m =π m I (122+)≈0.5434 I m I 2 = ? π π ωωπ 4 2)()sin (1 t d t I m = 2 2m I π 2143+≈0.6741I m c) I d3=π21?20 )(π ωt d I m =41 I m I 3 = ? 20 2 )(21 π ωπ t d I m = 2 1 I m 5. 上题中如果不考虑安全裕量,问100A 的晶闸管能送出的平均电流I d1、I d2、I d3各为多少？这时，相应的电流最大值I m1、I m2、I m3各为多少? 解：额定电流I T(AV) =100A 的晶闸管，允许的电流有效值I =157A ，由上题计算结果知 a) I m1≈ 4767 .0I ≈329.35， I d1≈0.2717 I m1≈89.48
电力电子器件
电力电子器件 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。 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。 电力电子器件的功率损耗 断态损耗 通态损耗：是电力电子器件功率损耗的主要成因。 开关损耗：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。分为开通损耗和关断损耗。 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：指晶闸管（Thyristor）、快速晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管、双向晶闸管。 ◆全控型器件：IGBT、GTO、GTR、MOSFET。 ◆不可控器件：电力二极管（Power Diode）、整流二极管。 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者关断的控制。Thyrister，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。电力MOSFET，IGBT，SIT。 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。晶闸管，SCR，GTO。 ◆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通断状态。GTR，MOSFET，IGBT。 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。MOSFET、SBD（肖特基势垒二极管）、SIT。 ◆双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电。电力二极管，PN结整流管，SCR，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。IGBT，MCT。 GTO：门极可关断晶闸管。SITH（SIT）：静电感应晶体管。
电力电子第二章第九章第十章课后习题答案
2-1与信息电子电路中的二极管相比，电力二极管具有怎样的结构特点才使得其具有耐受高压和大电流的能力？ 答：1.电力二极管大都采用垂直导电结构，使得硅片中通过电流的有效面积增大，显著提高了二极管的通流能力。 2.电力二极管在P区和N区之间多了一层低掺杂N区，也称漂移区。低掺杂N区由于掺杂浓度低而接近于无掺杂的纯半导体材料即本征半导体，由于掺杂浓度低，低掺杂N区就可以承受很高的电压而不被击穿。 2-6 GTO 和普通晶闸管同为PNPN 结构为什么 GTO 能够自关断而普通晶闸管不能? 答:GTO和普通晶闸管同为 PNPN 结构,由 P1N1P2 和 N1P2N2 构成两个晶体管V1、V2 分别具有共基极电流增益α1 和α２，由普通晶闸管的分析可得，α1 + α 2 = 1 是器件临界导通的条件。α1 + α 2＞两个等效晶体管过饱和而导通；α1 + α 2＜1 不能维持饱和导通而关断。 GTO 之所以能够自行关断,而普通晶闸管不能,是因为 GTO 与普通晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同： l)GTO 在设计时α 2 较大,这样晶体管 T2 控制灵敏,易于 GTO 关断; 2)GTO 导通时α1 + α 2 的更接近于 l,普通晶闸管α1 + α 2 ≥ 1.5 ,而 GTO 则为α1 + α 2 ≈ 1.05 ，GTO 的饱和程度不深,接近于临界饱和,这样为门极控制关断提供了有利条件; 3)多元集成结构使每个 GTO 元阴极面积很小, 门极和阴极间的距离大为缩短,使得 P2 极区所谓的横向电阻很小, 从而使从门极抽出较大的电流成为可能。 2-7与信息电子电路中的MOSFET相比,电力MOSFET具有怎样的结构特点才具有耐受高电压和大电流的能力？ 1．垂直导电结构：发射极和集电极位于基区两侧，基区面积大，很薄，电流容量很大。2．N-漂移区：集电区加入轻掺杂N-漂移区，提高耐压。 3．集电极安装于硅片底部，设计方便，封装密度高，耐压特性好。 2-8试分析IGBT和电力MOSFET在内部结构和开关特性上的相似和不同之处 答：IGBT比电力MOSFET在背面多一个P型层，IGBT开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小。 2-11试列举你所知道的电力电子器件，并从不同的角度对这些电力电子器件进行分类。目前常用的控型电力电子器件有哪些? 答：1. 按照器件能够被控制的程度，分为以下三类： （1）半控型器件：晶闸管及其派生器件 （2）全控型器件：IGBT,MOSFET，GTO,GTR （3）不可控器件:电力二极管 2. 按照驱动信号的波形（电力二极管除外） （1）脉冲触发型：晶闸管及其派生器件 （2）电平控制型：（全控型器件）IGBT,MOSFET，GTO,GTR 3. 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：电力 MOSFET，功率 SIT,肖特基二极管 （2）双极型器件：GTR,GTO,晶闸管，电力二极管等 （3）复合型器件：IGBT,MCT,IGCT 等 4.按照驱动电路信号的性质，分为两类： （1）电流驱动型：晶闸管，GTO，GTR 等 （2）电压驱动型：电力 MOSFET,IGBT 等 常用的控型电力电子器件：门极可关断晶闸管, 电力晶闸管，电力场效应晶体管，绝缘栅双极晶体管。 9-1电力电子器件的驱动电路对整个电力电子装置有哪些影响？ 电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路可使电力电子器件工作在比较理想的开关状态,可缩短开关时间,减少开关损耗,对装置的运行效率、可靠性和安全性都有着重要意义。另外，对电力电子器件或整个装置的一些保护措施也往往就将近设在驱动电路中，或者通过驱动电路来实现，这使得驱动电路的设计更为重要。
第2章 电力电子器件应用技术
第2章电力电子开关器件应用技术 2.1 电力电子器件的性能与选择 2.2 电力电子器件的驱动 2.3 电力电子器件的保护 2.4 电力电子器件的串联和并联使用2.5 电力电子器件的散热
2.1 电力电子器件的性能与选择 电力电子器件往往主要指采用硅半导体材料的电力半导体器件； 电力电子器件一般工作在开关状态； 电力电子器件分为不可控性器件、半控型器件和全控型器件。 电力电子器件(电力二极管除外)分为电压驱动型和电流驱动型两类。
2.1 电力电子器件的性能与选择 ◆正确选择和使用电力电子器件是保证电能变换装置成功设计和可靠运行(工作)的关键； ◆正确理解电力电子器件的参数和性能是合理选择和使用元件的基础。
2.1 电力电子器件的性能与选择 器件在装置中的实际效能取决于以下因素： 1）制作工艺(参数设计、材料性质、工艺水平和散热能力)， 2）运行条件(电路特点、工作频率、环境温度和冷却条件)。 后一个因素与元件的选择和使用有关。
2.1.1 电力二极管 1.电力二极管的主要参数①通态平均电流 )(57 .1)2~5.1(2/)2~5.1()(A I I I AV F ==π②正向压降F U ③反向重复峰值电压 RRM U ④最高工作温度JM T ⑤反向恢复时间trr
2. 常用电力二极管 ①普通二极管,反向恢复时间较长，一般在5μs以 上，其正向额定电流和反向额定电压分别可达数千 安和数千伏以上。 ②快恢复二极管，其反向恢复过程很短，trr<5μs， 简称快速二极管。 ③肖特基二极管优点是反向恢复时间短(10ns～40ns)、正向压降小、且开关损耗小，效率高；其弱点是反向耐压较低。
第2章 电力电子器件 习题
第2章电力电子器件习题 一、填空题 1.电力电子器件是直接用于电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 2.主电路是在电气设备或电力系统中，直接承担的电路。 3.处理信息的电子器件一般工作于放大状态，而电力电子器件一般工作在_状态。 4.电力电子器件组成的系统，一般由、、、四部分组成。 5.按照器件载流子参与导电的情况，电力电子器件可分为以下三类：、和。 6.按照驱动电路信号的性质，电力电子器件可分为以下分为两类：和。 7.电力二极管的主要类型有、、_ 。 8.针对电力二极管的特性，完成下列题目： I开始明显增加所对应的二极管两端的电压定义为。 1)将正向电流 F I对应的二极管两端的电压定义为。 2)与正向电流 F 3)承受反向电压时，只有微小而数值恒定的电流流过，该电流定义为。 4)承受很高反向电压而出现击穿时所对应的二极管两端的电压，定义为。 5)从承受正向电压开始，到二极管完全导通所需要的时间定义为。 6)在关断时，须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态，这段时间定义为。 7)二极管在关断之前有较大的电流出现，并伴随有明显的过冲。 9.普通二极管又称整流二极管多用于开关频率不高，一般为Hz以下的整流电路。其反向恢复时间较长，一般在以上。 10.快恢复二极管简称快速二极管，其反向恢复时间较短，一般在以下。 11.晶闸管的基本工作特性可概括为：承受反向电压时，不论_，晶闸管都不会导通；承受正向电压时，仅在情况下，晶闸管才能导通；晶闸管一旦导通，就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流。 12.晶闸管的派生器件有：、、、
_ 。 13.普通晶闸管关断时间 ，快速晶闸管 ，高频晶闸管 左右。 高频晶闸管的不足在于其 不易做高。 14. 晶闸管可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。 15.逆导晶闸管是将 反并联一个 制作在同一管芯上的功率集成器件。 16.光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用 触发导通的晶闸管。光触发保证了主电路与控制电路之间的 ，并且可避免电磁干扰的影响。常应用在 的场合。 17.针对晶闸管的特性，完成下列题目： 1)晶闸管的关断时间由两段时间组成，分别是： 时间和 时间。 2)将指定的管壳温度和散热条件下，晶闸管允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值定义为 流，用()T AV I 表示。()T AV I 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，并应留有一定的裕量，该电流对应的有效值为 倍()T AV I 。 3)使晶闸管维持导通所必需的最小电流称为 ，用H I 表示。晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流称为 ，用L I 表示。对同一晶闸管来说，通常L I 约为H I 的 倍。 4)在门极断路并且结温为额定值时，将允许重复加在器件上的正向峰值电压定义为 ，用DRM U 表示；将允许重复加在器件上的反向峰值电压定义为 ，用RRM U 表示。通常取晶闸管的DRM U 和RRM U 中 （该空选项：较大或较小）的标值作为该器件的额定电压。选用时，应考虑安全裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的 倍。 5)断态电压临界上升率/du dt 是指：在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。电压上升率过大，就会使晶闸管 。 6)通态电流临界上升率/di dt 是指：在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率，如果电流上升太快，可能造成 使晶闸管损坏。 18.GTO 的开通控制方式与晶闸管相似，但是可以通过在门极 使其关断。 19. GTO 的额定电流是用 电流来定义的。GTO 最大可关断阳极电流与门极负
变频器常用电力电子器件
无锡市技工院校 教案首页 课题：变频器常用电力电子器件 教学目的要求：1. 了解变频器中常用电力电子器件的外形和符号2.了解相关电力电子器件的特性 教学重点、难点： 重点：1. 认识变频器中常用电力电子器件 2. 常用电力电气器件的符号及特性 难点：常用电力电气器件的特性 授课方法：讲授、分析、图示 教学参考及教具（含多媒体教学设备）： 《变频器原理及应用》机械工业出版社王延才主编 授课执行情况及分析： 在授课中，主要从外形结构、符号、特性等几方面对变频器中常用的电力电子器件进行介绍。通过本次课的学习，大部分学生已对常用电力电子器件有了一定的认识，达到了预定的教学目标。
板书设计或授课提纲
电力二极管的内部也是一个PN 结，其面积较大，电力二极管引出了两个极，分别称为阳和阴极K 。电力二极管的功耗较大，它的外形有螺旋式和平板式两种。2.伏安特性：电力二极管的阳极和阴极间的电压和流过管子的电流之间的关系称为伏安特性。 如果对反向电压不加限制的话，二极管将被击穿而损坏。（1）正向特性：电压时，开始阳极电流很小，这一段特性 曲线很靠近横坐标。当正向电压大于时，正向阳极电流急剧上升，管子正向导 通。如果电路中不接限流元件，二极管将 被烧毁。
晶闸管的种类很多，从外形上看主要由螺栓形和平板形两种，螺栓式晶闸管容量一般为10~200A；平板式晶闸管用于200A3个引出端分别叫做阳极A、阴极 控制极。 结构 晶闸管是四层（（Ｐ1Ｎ1Ｐ2Ｎ2）三端（Ａ、Ｋ、Ｇ）器件。 晶闸管的导通和阻断控制 导通控制：在晶闸管的阳极A和阴极K间加正向电压，同时在它的门极 正向触发电压，且有足够的门极电流。 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，因此门极所加的触发电压一般为脉冲电压。 管从阻断变为导通的过程称为触发导通。门极触发电流一般只有几十毫安到几百毫安， 管导通后，从阳极到阴极可以通过几百、几千安的电流。要使导通的晶闸管阻断，必须将阳极电流降低到一个称为维持电流的临界极限值以下。 三、门极可关断晶闸管（GTO） 门极可关断晶闸管，具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高、电流大、控制功率大、使用方便和价格低；但它具有自关断能力，属于全控器件。在质量、效率及可靠性方面有着明显的优势，成为被广泛应用的自关断器件之一。 结构：与普通晶闸管相似，也为PNPN四层半导体结构、三端（阳极 ）器件。 门极控制 GTO的触发导通过程与普通晶闸管相似，关断则完全不同，GTO 动电路从门极抽出Ｐ2基区的存储电荷，门极负电压越大，关断的越快。 四、电力晶体管（GTR） 电力晶体管通常又称双极型晶体管（BJT），是一种大功率高反压晶体管，具有自关断能力，并有开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等优点。它被广泛用于交直流电机调速、中频电源等电力变流装置中，属于全控型器件。 工作原理与普通中、小功率晶体管相似，但主要工作在开关状态， 承受的电压和电流数值较大。 五、电力MOS场效应晶体管（P-MOSFET） 电力MOS场效应晶体管是对功率小的电力MOSFET的工艺结构进行改进，在功率上有
典型全控型电力电子器件.docx
湖南省技工学校 理论教学教案 教师姓名： 注：教案首页，教案用纸由学校另行准备湖南省劳动厅编制
[复习导入] 门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。 全控型电力电子器件的典型代表——门极可关断晶闸管、电力 晶体管、电力场效应晶体 管、绝缘栅双极晶体管。 [讲授新课] 一、门极可关断晶闸管 晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。 GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上 的大功率场合仍 有较多的应用。 1）GTO的结构和工作原理 与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极 和门极。和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。 工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图所示的双晶体管模型来分析。 由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流 增益α1和α2 。 α1+α2=1是器件临界导通的条件。 GTO的关断过程与普通晶闸管不同。关断时，给门极加负脉冲，产生门 极电流-I G，此电流使得V1管的集电极电流I Cl被分流，V2管的基极电流 I B2减小，从而使I C2和I K减小，I C2的减小进一步引起I A和I C1减小， 又进一步使V2的基极电流减小，形成内部强烈的正反馈，最终导致GTO阳 极电流减小到维持电流以下,GTO由通态转入断态。 结论： ?GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。 ?GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。 ?多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受d i/d t能力 强。 2）GTO的动态特性 益阳高级技工学校
常用电力电子器件
第5章 常用电力电子器件 在开关电源中，电力电子器件是完成电能转换以及主电路拓扑中最为关键的元件。为降低器件的功率损耗，提高效率，电力电子器件通常工作于开关状态，因此又常称为开关器件。电力电子器件种类很多，按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，可以将电力电子器件分为①不可控器件，即二极管；②半控型器件，主要包括晶闸管(SCR)及其派生器件；③全控型器件，主要包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、电力晶体管(GTR)、电力场效应晶体管(电力MOSFET)等。半控型及全控型器件按照驱动方式又可以分为电压驱动型、电流驱动型两类，上述分类见图5-1。 电力电子器件 不可控器件 二极管半控型器件 SCR 全控型器件 IGBT 电力MOSFET GTR GTO 晶闸管 电力电子器件 电压驱动型 电流驱动型 电力MOSFET IGBT SCR GTO 晶闸管GTR 图5-1电力电子器件的分类 随着半导体材料及技术的发展，新型电力电子器件不断推出，传统电力电子器件的性能也不断提高，这成为包括开关电源在内的各种电力电子装置的体积、效率等性能指标不断提高的重要因素。了解和掌握各种电力电子器件的特性和使用方法是正确设计开关电源的基础。 在开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT 和MOSFET 。SCR 在开关电源的输入整流电路及其软起动中有少量应用，GTR 由于驱动较为困难、开关频率较低，也逐渐被IGBT 和MOSFET 所取代。因此这里将主要介绍二极管、IGBT 和MOSFET 的工作原理，主要参数及驱动方法。 5. 1二极管 二极管是最为简单但又是十分重要的一种电力电子器件，在开关电源的输入整流电路、逆变电路、输出高频整流电路以及缓冲电路中均有使用。 1、二极管的基本结构及工作原理 开关电源中应用的二极管除电压、电流等参数与电子电路中的二极管有较大差别外，其基本结构和工作原理是相同的，都是由半导体PN 结构成，即P 型半导体与N 型半导体结合构成，其结构见图5-2。 P 型半导体是在半导体中添加三价元素，因此硅原子外层缺少一个电子形成稳定结构，即形成空穴。N 型半导体是在半导体中添加五价元素，因此它在形成稳定结构后，半导体晶体中能给出一个多余的电子。在纯净的半导体中，空穴和电子成对出现，数量极少，所以导电能力很差。而P 型或N 型半导体中的空穴或自由电子数量大大增加，导电能力大大增强。在P 型半导体中空穴数远远大于自由电子数，因此空穴称为多子，自由电子称为少子。在N 型半导体中则相反，空穴为少子，自由电子为多子。
电力电子元件简介
電力電子元件簡介
Introduction to Power Electronic Devices
C. M. Liaw Department of Electrical Engineering National Tsing Hua University Hsinchu, Taiwan, ROC.
兩段式電熱控制
(應用 Power diode)
AC source Power diode AC source
Load
無段式電熱控制 (應用 SCR)
SCR
P
Load
Firing circuit
Diode: Uncontrolled turn-on and turn-off
SCR: Controlled turn-on and uncontrolled turn-off
不可控制交流輸出電壓 故控制性能較差
可控制交流輸出電壓 故控制性能較佳
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常用功率半導體元件之額定(表二) Voltage/current ratings Switching frequency (speed) Switching time On-state resistance (or on-state voltage/current)
功率半導體元件 功率半導體元件
(A) 閘流體 (Thyristor) 或矽控整流器 (Silicon Controlled Rectifier, SCR) : Controlled turn-on, uncontrolled turn-off (B) 雙向閘流體 (Bidirectional Thyristor 或 TRIAC) (C) GTO (Gate Turn-off Thysistor) (D) 基體閘換向閘流體 (Integrated Gate-Commutated Thyristor, IGCT): It is introduced by ABB in 1997. It is a high-voltage, hard-driven, asymmetrical-blocking GTO with unity gain. The gate drive circuit is built-in on the device module. (E) 功率電晶體 (Power BJT) : Current control device (F) IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): - Combines the conduction characteristic of BJT and the control characteristic of the MOSFET (G) MOS控制閘流體 (MOS -controlled Thyristor, MCT): - Combines the load characteristic of the thyristor and the control characteristic of the MOSFET - Low on-state voltage (H) 功率金氧半電晶體 (Power MOSFET) : Voltage control device (I) 其它
耐壓 耐流
操作 速度
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电力电子基础知识大作业要点
《电力电子技术》课程大作业电力电子技术器件、电路和技术综述 院（系）名称信息工程学院 专业名称电子信息工程技术 学生姓名XXX 学号xxx 指导教师王照平 2015年6月12日
基于电力电子技术器件、电路和技术综述的 1、概述 从广义来讲，电子技术应包含信息电子技术和电力电子技术两大分支，而通常所说的电子技术一般指信息电子技术。 电力电子技术也称为电力电子学，它真正成为一门独立的学科始于1957年第一只晶闸管的问世。在1970年国际电气和电子工程协会（IEEE）电力电子学会上对电力电子技术作了以下定义：“电力电子技术就是有效地使用电力电子器件，应用电路和设计理论及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术。它包括对电压、电流频率和波形的变换。”简言之，电力电子技术就是利用电力电子器件对电能形态进行变换和控制的一门技术。 电力电子技术是电力、电子控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科，它们之间的关系可用倒三角图形描述，如图1-1所示。 图1-1 描述电力电子学的倒三角形 第一，电力电子技术是在电子技术的基础上发展起来的，它们都可可分为器件、电路和应用三个部分，且器件的材料和制造工艺基本相同，只有两者的应用目的有所不同，电
子技术应用于信息的处理（如放大等），电力电子技术应用于电力变换和控制，它所变换的功率可大到数百甚至数千兆瓦，也可以小到几瓦或毫瓦数量级。第二，电力电子技术广泛应用于电器工程，如高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电力系统和电器工程中，它对电器工程的现代化起着重要推动作用。第三，电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱点和强电之间的接口。而控制理论是实现这种接口的一种强有力的纽带,是电力电子技术重要理论依据。所以，也可以认为：电力电子技术是运用控制理论将电子技术应用到电力领域的综合性技术。 2、电力电子常用器件 2.1、电力电子器件概念 可以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。 2.2、电力电子器件分类 按照电力电子器件能够被控制所实现控制的程度分为下列三类： 不可控器件(Power Diode)：不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。 半控型器件（Thyristor）：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。 按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的信号的性质，我们又可以将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型两类： 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。 2.3、不可控器件—电力二极管 2.3.1 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是一样的。由一个面积较大的PN
常用电力电子器件特性测试
实验二：常用电力电子器件特性测试 （一） 实验目的 （1）掌握几种常用电力电子器件（SCR 、GTO 、MOSFET 、IGBT ）的工作特性； （2）掌握各器件的参数设置方法，以及对触发信号的要求。 （二） 实验原理 A + K ak V _ f _ 图1.MATLAB 电力电子器件模型 MATLAB 电力电子器件模型使用的是简化的宏模型，只要求器件的外特性与实际器件特性基本相符。MATLAB 电力电子器件模型主要仿真了电力电子器件的开关特性，并且不同电力电子器件模型都具有类似的模型结构 。 模型中的电阻Ron 和直流电压源Vf 分别用来反映电力电子器件的导通电阻和导通时的门槛电压。串联电感限制了器件开关过程中的电流升降速度，模拟器件导通或关断时的动态过程。MATLAB 电力电子器件模型一般都没有考虑器件关断时的漏电流。 在MATLAB 电力电子器件模型中已经并联了简单的RC 串联缓冲电路，在参数表中设置，名称分别为Rs 和Cs 。更复杂的缓冲电路则需要另外建立。对于MOSFET 模型还反并联了二极管，在使用中要注意，需要设置体内二极管的正向压降Vf 和等效电阻Rd 。对于GTO 和IGBT 需要设置电流下降时间Tf 和电流拖尾时间Tt 。 MATLAB 的电力电子器件必须连接在电路中使用，也就是要有电流的回路，
但是器件的驱动仅仅是取决于门极信号的有无，没有电压型和电流型驱动的区别，也不需要形成驱动的回路。尽管模型与实际器件工作有差异，但使MATLAB电力电子器件模型与控制连接的时候很方便。MATLAB 的电力电子器件模型中含有电感，因此具有电流源的性质，所以在模块参数中还包含了IC即初始电流项。此外也不能开路工作。 含电力电子模型的电路或系统仿真时，仿真算法一般采用刚性积分算法，如ode23tb、ode15s。电力电子器件的模块上，一般都带有一个测量输出端口，通过输出端m可以观测器件的电压和电流。本实验将电力电子器件和负载电阻串联后接至直流电源的两端，给器件提供触发信号，使器件触发导通。 （三）实验内容 （1）在MATLAB/Simulink中构建仿真电路，设置相关参数。 （2）改变器件和触发脉冲的参数设置，观察器件的导通情况及负载端电压、器件电流的变化情况。 （四）实验过程与结果分析 1．仿真系统 Matlab平台 2．仿真参数 （1）Thyristor参数设置： 直流源和电阻参数：
电力电子课后习题答案-部分
2-11试列举你所知道的电力电子器件，并从不同的角度对这些电力电子器件进行分类。目前常用的控型电力电子器件有哪些? 答：1. 按照器件能够被控制的程度，分为以下三类： （1）半控型器件：晶闸管及其派生器件 （2）全控型器件：IGBT,MOSFET，GTO,GTR （3）不可控器件:电力二极管 2. 按照驱动信号的波形（电力二极管除外） （1）脉冲触发型：晶闸管及其派生器件 （2）电平控制型：（全控型器件）IGBT,MOSFET，GTO,GTR 3. 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：电力 MOSFET，功率 SIT,肖特基二极管 （2）双极型器件：GTR,GTO,晶闸管，电力二极管等 （3）复合型器件：IGBT,MCT,IGCT 等 4.按照驱动电路信号的性质，分为两类： （1）电流驱动型：晶闸管，GTO，GTR 等 （2）电压驱动型：电力 MOSFET,IGBT 等 常用的控型电力电子器件：门极可关断晶闸管, 电力晶闸管，电力场效应晶体管，绝缘栅双极晶体管。 2-15 对晶闸管触发电路有哪些基本要求？晶闸管触发电路应满足下列要求： １）触发脉冲的宽度应保证晶闸管的可靠导通； ２）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的3-5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达到1-2A/US。 ３）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠出发区域之内。 ４）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。 2-18 ＩＧＢＴ、ＧＴＲ、ＧＴＯ和电力ＭＯＳＦＥＴ的驱动电路各有什么特点？ IGBT驱动电路的特点是：驱动电路具有较小的输出电阻，IGBT是电压驱动型器件，IGBT 的驱动多采用专用的混合集成驱动器。 GTR驱动电路的特点是：驱动电路提供的驱动电流有足够陡的前沿，并有一定的过冲，这样可加速开通过程，减小开通损耗；关断时，驱动电路能提供幅值足够大的反向基极驱动电流，并加反偏截止电压，以加速关断速度。 GTO驱动电路的特点是：GTO要求其驱动电路提供的驱动电流的前沿应有足够的幅值和陡度，且一般需要在整个导通期间施加正门极电流，关断需施加负门极电流，幅值和陡度要求更高，其驱动电路通常包括开通驱动电路，关断驱动电路和门极反偏电路三部分。 电力MOSFET驱动电路的特点：要求驱动电路具有较小的输入电阻，驱动功率小且电路简单。 2、晶闸管对触发脉冲的要求是要有足够的驱动功率、触发脉冲前沿要陡幅值要高和触发脉冲要与晶闸管阳极电压同步。 1.晶闸管两端并联R、C吸收回路的主要作用有哪些？其中电阻R的作用是什么？ 答：R、C回路的作用是：吸收晶闸管瞬间过电压，限制电流上升率，动态均压作用。R的作用为：使L、C形成阻尼振荡，不会产生振荡过电压，减小晶闸管的开通电流上升率，降低开通损耗。、