第一讲 功率器件工作原理.
电力用功率器件
电力用功率器件电力用功率器件是电力系统中的重要组成部分，用于将电能转换为其他形式的能量，如机械能、热能等。
它们在电力传输、电力转换和电力控制等方面起着至关重要的作用。
本文将从电力用功率器件的基本原理、常见类型以及应用领域等方面进行介绍。
一、基本原理电力用功率器件的基本原理是根据能量守恒定律，将电能转换为其他形式的能量。
这种能量转换是通过电磁场、电场、磁场和电流等相互作用的方式实现的。
根据不同的能量转换方式，电力用功率器件可以分为电动机、发电机、变压器、电阻器、电感器和电容器等多种类型。
二、常见类型1. 电动机：电动机是将电能转换为机械能的常见电力用功率器件。
根据不同的工作原理，电动机可以分为直流电动机和交流电动机。
直流电动机通过直流电源提供电能，通过电流与磁场相互作用产生力和转矩，驱动电动机旋转。
交流电动机则通过交流电源提供电能，通过电流与磁场的相互作用产生旋转力矩。
2. 发电机：发电机是将机械能转换为电能的电力用功率器件。
它通过电磁感应原理，利用转子和定子之间的磁场相互作用，产生感应电动势，从而将机械能转化为电能。
发电机广泛应用于发电厂、风力发电和水力发电等领域。
3. 变压器：变压器是电力系统中常见的电力用功率器件，用于改变交流电的电压和电流。
它通过互感作用原理，将输入端的电能转换为输出端的电能。
变压器的主要作用是实现电力的传输和配电，广泛应用于电力系统中的变电站、工业企业和家庭用电等场所。
4. 电阻器：电阻器是将电能转换为热能的电力用功率器件。
它通过电流与电阻之间的相互作用，将电能转化为热能。
电阻器广泛应用于电力系统中的电路保护、电阻负载和电热器等领域。
5. 电感器：电感器是将电能转换为磁能的电力用功率器件。
它通过电流与电感之间的相互作用，将电能转化为磁能。
电感器主要应用于电力系统中的滤波器、变压器和电感负载等领域。
6. 电容器：电容器是将电能转换为电场能的电力用功率器件。
它通过电流与电容之间的相互作用，将电能转化为电场能。
功率模块的工作原理
功率模块的工作原理
功率模块是电子设备中常见的模块之一，它主要用于控制电路中的功率输出。
功率模块的工作原理是通过对电流和电压的控制，实现对电路中的功率的调节。
下面将介绍功率模块的工作原理。
首先，功率模块中包含一个控制电路和一个功率放大器。
控制电路负责接收输入的控制信号，根据这个信号的大小来决定输出电源的电压和电流。
功率放大器根据控制电路的输出信号，将较小的输入电压和电流放大为较大的输出功率信号。
这样就实现了对电路中的功率的调节。
在功率模块中，通常使用MOSFET或BJT等功率放大器。
这些功率放大器具有较低的电压控制和较高的电流放大能力，能够实现高功率输出。
控制电路中通常采用反馈控制的方式，将输出功率信号与输入控制信号进行比较，根据比较结果来调节输出电压和电流。
功率模块通常具有保护功能，以保证在电路故障或其他异常情况下能够及时停止输出功率。
常见的保护功能包括过流保护、过压保护、过温保护等。
这些保护功能能够有效保护电子设备和功率模块本身的安全性和稳定性。
总之，功率模块通过控制电路和功率放大器的协同工作，实现对电路中功率的调节。
它可以根据需要调整输出电压和电流，为电子设备提供稳定的功率输出。
同时，功率模块具有多种保护功能，保证了电子设备的安全性和稳定性。
功率场效应晶体管结构与工作原理
功率场效应晶体管结构与工作原理1．结构MOSFET的类型许多，按导电沟道可分为P沟道和N沟道；依据栅极电压与导电沟道消失的关系可分为耗尽型和增加型。
功率场效应晶体管一般为N沟道增加型。
从结构上看，功率场效应晶体管与小功率的MOS管有比较大的差别。
小功率MOS管的导电沟道平行于芯片表面，是横向导电器件。
而P-MOSFET常采纳垂直导电结构，称VMOSFET （Vertical MOSFET），这种结构可提高MOSFET器件的耐电压、耐电流的力量。
图1给出了具有垂直导电双集中MOS结构的VD-MOSFET （Vertical Double-diffused MOSFET）单元的结构图及电路符号。
一个MOSFET器件实际上是由很多小单元并联组成。
a）结构图b）符号（N沟道）c）符号（P沟道）图1 MOSFET的结构图及电路符号2．工作原理如图1所示，MOSFET的三个极分别为栅极G、漏极D和源极S。
当漏极接正电源，源极接负电源，栅源极间的电压为零时，P基区与N区之间的PN结反偏，漏源极之间无电流通过。
如在栅源极间加一正电压二、工作特性1．静态特性（1）漏极伏安特性漏极伏安特性也称输出特性，如图2所示，可以分为三个区：可调电阻区Ⅰ，饱和区Ⅰ，击穿区Ⅰ。
在Ⅰ区内，固定栅极电压（2）、转移特性漏极电流2．开关特性P-MOSFET是多数载流子器件，不存在少数载流子特有的存贮效应，因此开关时间很短，典型值为20ns，而影响开关速度的主要是器件极间电容。
图4为元件极间电容的等效电路，从中可以求得器件输入电容为Cin＝CGS＋CGD。
正是Cin在开关过程中需要进行充、放电，影响了开关速度。
同时也可看出，静态时虽栅极电流很小，驱动功率小，但动态时由于电容充放电电流有肯定强度，故动态驱动仍需肯定的栅极功率。
开关频率越高，栅极驱动功率也越大。
P-MOSFET的开关过程如图5所示，其中1．主要参数（1）漏极电压漏极电压（2）电流定额电流定额（3）栅源电压栅源间加的电压不能大于此电压，否则将击穿元件。
功率mosfet工作原理
功率mosfet工作原理功率MOSFET是一种常用的功率半导体器件，广泛应用于各种电子电路中，如功率放大、开关和调节等。
在理解功率MOSFET的工作原理之前，首先要了解MOSFET的基本结构和工作原理。
MOSFET是金属-氧化物-半导体场效应晶体管的简称，它由金属栅极、绝缘层和半导体基片组成。
当在MOSFET的栅极上施加一定电压时，栅极与基片之间的电场会改变半导体中的载流子浓度，从而控制了栅极与漏极之间的电流流动。
功率MOSFET相比一般的MOSFET具有更大的尺寸和承受更高电压、电流的能力，适用于功率电子器件领域。
功率MOSFET的工作原理可以简单描述为：当栅极与源极之间施加一定电压时，形成了电场，使得栅极下方的PN结区域形成反型耗尽层。
当栅极电压足够大时，反型耗尽层会延伸至漏极，形成导通通道，电流开始流动。
此时，功率MOSFET处于导通状态。
当栅极电压减小或为零时，反型耗尽层消失，MOSFET处于截止状态，电流停止流动。
功率MOSFET的主要特点包括低导通电阻、高输入电阻、快速开关速度和良好的线性特性。
这使得功率MOSFET在大功率电路中得到广泛应用，如电源开关、电机驱动、逆变器等领域。
功率MOSFET的工作原理与一般MOSFET相似，但由于其承受更高的电压和电流，因此在设计电路时需要考虑更多的因素，如散热、阻抗匹配等。
此外，功率MOSFET的开关特性也需要精确控制，以确保电路的稳定性和可靠性。
总的来说，功率MOSFET是一种重要的功率半导体器件，具有优良的性能和广泛的应用前景。
通过深入了解功率MOSFET的工作原理，可以更好地应用于电子电路设计中，实现更高效、更稳定的功率控制。
功率场效应管的结构工作原理及应用
功率场效应管的结构工作原理及应用功率场效应管（Power MOSFET）是一种具有开关能力的功率半导体器件，它以场效应传导为基础实现功率放大或开关控制。
功率场效应管是现代电子设备中极为重要的组成部分，其具有结构简单、高效率、低噪声、体积小等优点，广泛应用于电源、电机控制、LED驱动和无线电频率放大等各个领域。
一、结构：功率场效应管的结构与小信号场效应管类似，主要包括强制耦合区、漏极区、源极区和栅极区。
其中，强制耦合区主要是功率MOSFET特有的结构，在高功率应用中主要用于减小开关时的开关损耗，提高开关速度。
漏极区用于集中分布外接负载电流，源极区用于提供电流，栅极区用于控制电流。
而与小信号场效应管不同的是，功率场效应管的漏极和源极区域都要经过优化以承受高电压和大电流的作用。
此外，功率场效应管通常采用金属包封封装，以方便散热、保护芯片，并且可以通过钳位散热器等手段进一步提高工作效率和稳定性。
二、工作原理：功率场效应管的工作原理基于场效应传导。
当栅极电压为正值时，使得栅极和源极之间的沟道形成N型导电区，增大了导电区域，使通流能力增加；当栅极电压为零或负值时，栅极和源极之间的沟道被截断，导电区域变小，导通能力减小。
这样能够通过栅极电压的控制来实现对电流的开关控制，从而达到放大或开关的效果。
三、应用：1.电源：功率场效应管可以用于直流电源的变换、调节和开关。
通过控制输入信号的开关，可以实现对输出电压和电流的调节。
功率场效应管在开关频率高、效率高的AC/DC电源和DC/DC变换器中得到广泛应用。
2.电机控制：功率场效应管可用于电机的驱动和控制。
通过控制栅极电压，可以实现电机的开关和速度调节，广泛应用于电动车、工业自动化等领域。
3.LED驱动：功率场效应管在LED照明中起到了至关重要的作用。
通过控制功率场效应管的开关状态，可以实现对LED的亮度和颜色的调节，同时提高了LED照明的效率和稳定性。
4.无线电频率放大：功率场效应管在无线电通信领域中广泛用于频率放大。
功率器件工作原理
功率半导体器件工作原理
邮编：412001TEL : ( 0733) 8498396 URL ： 功率半导体器件工作原理1．基本开关过程：功率半导体器件除极少数特殊应用情况外，其余绝大多数都是应用在开关状态下。
应用在所有这些电力电子线路总的器件，它们的基本原理和工作方式都是相同的，我们所有对半导体器件和应用电力电子线路的研究，都是要使其尽可能的工作在低损耗状态。
也就是说应使器件工作在开关状态。
这是因为器件工作在开关状态时，其工作状态是最佳的，通态损耗是最小的。
大家知道，当一个器件在开关状态时，它具有这样的特性： ―导通状态：V ＝0，－∞＜i ＜∞。
―关断状态： i ＝0，－∞＜V ＜∞。
功率半导体器件虽然同是工作在开关状态，当其使用状态不同时，他们表现出不同的特性。
当晶闸管和电感一起组成一个回路时，开关可以主动地开通。
也就是说，它能够在任一时刻开通。
当开通时间趋进于零时，开关中不出现损耗，这主要是因为回路电感能够立即吸收所出现的电压差。
导通状态：v s ＝0；－∞＜i s ＜∞； 关断状态：i s ＝0；－∞＜v s ＜∞； 开关特性：当s v ＞0时，主动开通；当i s ＝0，被动关断2.功率半导体器件基本工作原理功率半导体器件它包括非常多的品种和类别，在这里我们主要介绍晶闸管的结构和工作原理。
晶闸管时具有PNPN 结构的半导体器件，见图1－1。
在阳极P 区和阴极N 区之间施加正向电压时，它具有阻断和导通两个稳定的工作状态。
由图1－2所示的电流－电压特性曲线可以看出，它有一个阻断区和一个导通区。
这一特性可以用于电流的接通和关断。
为了使晶闸管由阻断状态变为动态状态，必须使其电流增加到超过某个阈值。
要实现这个目标，通常我们有两种途径，其一，使用脉冲电流使其通过门极而加于两个中间区的一个来实现。
其二，不断的提高阳极电压，使其超过转折电压（UBO ）。
邮编：412001TEL : ( 0733) 8498396 URL ：图1－1（a ）不加门极电流 （b ）加门极电流I G ＞IGT 。
功率器件简介介绍
04
功率器件的发展趋势和挑战
功率器件的发展趋势和挑战
• 功率器件，也称为电力电子器件，是电子电路中用于转换、控制和管理电能的关键元件。它们被广泛应用于各种领域，如 电动汽车、可再生能源、航空航天、数据中心等。功率器件的主要功能是实现电压和电流的变换，以满足不同电路和系统 的需求。
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效率
功率器件的效率是指输出功率与输入功率之比，即输出功 率占输入功率的百分比。高效率意味着较低的能量损耗和 更好的能源利用。
03
常见功率器件介绍
晶体管（BJT）
01
02
03
双极性控制
晶体管，也称为双极性结 型晶体管（BJT），通过 电流控制电流，具有双极 性控制特性。
电流放大
晶体管可以用作放大器， 通过较小的基极电流控制 较大的集电极电流，实现 电流的放大。
功率器件在导通状态下，由于电流流过器件产生的热量损 耗。导通损耗与器件的导通电阻和电流大小有关。
驱动损耗
驱动电路对功率器件进行控制时产生的损耗，主要包括驱 动电路的功耗和驱动信号的传输损耗。
开关损耗
功率器件在开关过程中产生的损耗，包括开通损耗和关断 损耗。开关损耗与器件的结构、材料和工作频率等因素有 关。
功率器件的应用领域
应用领域概述
功率器件广泛应用于各种电子设备和系统 中，以下是几个主要的应用领域
新能源领域
如太阳能发电、风力发电等。功率器件在 新能源领域中用于实现能量的收集、转换 和储存，提高能源利用效率。
电力变换
如直流电源、交流电源、不间断电源（ UPS）等。功率器件在这些设备中起到电 能转换和控制的核心作用。
精度和稳定性相对较低。
数字控制
使用数字信号（如脉冲宽度调制 ，PWM）来控制功率器件的状 态。数字控制方式具有高精度、
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(3) 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 功率晶体管(Giant Transistor) 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）
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2 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) 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 功率二极管（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
(2)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
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
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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。
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，电力电子器件目前也往往专指电力半导 体器件。
第1章第13页
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： ➢单极型器件——由一种载流子参与导电的器 件， MOS， 肖特基二极管 ➢双极型器件——由电子和空穴两种载流子参 与导电的器件，晶体管，晶闸管， IGBT ➢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， MOS控制晶闸管等
第1章第9页
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
第1章第3页
1 电力电子器件的概念和特征 2 电力电子器件的分类
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1 电力电子器件的概念和特征
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
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第一讲 功率二极管
1.1 PN结与功率二极管的工作原理 1.2 功率二极管的基本特性 1.3 功率二极管的主要参数 1.4 功率二极管的主要类型
第1章第15页
功率二极管(Power Diode)结构主要就是PN 结,肖特基二极管的主要结构是金属-半导体 结。原理简单，工作可靠，自20世纪50年 代初期就获得应用
第1章第8页
(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
A
K A
a)
KA
PN
K
I J
b)
c)
图1-1 功率二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
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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
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
第1章第16页
1.1 P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。
从外形上看，主要有螺栓型和平板型封装。近些年来， 塑 料封装发展很快。
第1章第12页
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： (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。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。
电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。
第1章第6页
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。
第1章第7页
(2) 电力电子器件一般都工作在开关状态
电力电子器件基础
电力电子器件概述 第一讲 功率二极管 第二讲 功率晶体管 第三讲 晶闸管 第四讲 功率MOS器件/IGBT 第五讲 半导体器件的塑料封装
第1章第2页
电力电子器件概述
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