电力电子技术之二器件二极管
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电力电子技术第2章器件2_SCR
无法控制关断，半
a) 双晶体管模型 b) 工作原理
控型器件。
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电力电子技术第2章器件2_SCR
2.3.1 晶闸管的结构与工作原理
定量分析：
•（1-1）
•（1-2）
•（1-3）
•（1-4）
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 ：
• 例：某晶闸管实际承担电流波形有效值为400A，则可 选额定电流为400/1.57=255A,考虑裕量，实际选额 定电流为500A的晶闸管。
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电力电子技术第2章器件2_SCR
晶闸管的主要参数
•3）动态参数
除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：
断态电压临界上升率du/dt
——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。
• 关断： ➢ 电流低于维持电
流。 ➢ 阳极电压反极性。
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电力电子技术第2章器件2_SCR
2.3.3 晶闸管的主要参数
•1）电压定额
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。
反向重复峰值电压URRM
——在门极断路而结温为额定值时，允 许重复加在器件上的反向峰值电压。
图2-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
•（1-5）
a) 双晶体管模型 b) 工作原理
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电力电子技术第2章器件2_SCR
2.3.1 晶闸管的结构与工作原理
阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍
第1章 电力电子器件概述(第一部分)(2)
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
华东理工大学
1-3
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件
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）
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
V1 L R
V2
主电路
电气隔离 图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
华东理工大学
1-7
注重对器件的保护：通常采用吸收（缓冲） 保护电路（ Snubber ）来限制器件的 du/dt 和di/dt，减小由于大电流跃变在引线（寄 生）电感上形成的反电势尖峰，以防器件 过压击穿。 需要驱动与隔离：强、弱电系统之间电气 隔离，不共地，消除相互影响，减小干扰， 提高可靠性。
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。
华东理工大学
1-6
1.1.2 应用电力电子器件系统组成
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。 在主电路
控 制 控制电路 电 路 检测 电路 保护 电路 驱动 电路
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。 在工频正弦半波的情况下：
平均值 IF(AV) 有效值 1.57 IF(AV)
电力电子学知识点总结
电力电子学知识点总结电力电子学是研究电力系统中的电力变换、控制和调节的学科，主要包括功率半导体器件、电力电子器件、电力电子电路、电力电子系统以及其工作原理和应用等方面的内容。
下面将对电力电子学的基本知识点进行总结，以便更好地理解和应用电力电子技术。
一、功率半导体器件功率半导体器件是电力电子电路中的核心部件，其主要作用是实现电能的变换和控制。
常见的功率半导体器件有二极管、晶闸管、可控硅、大功率晶体管和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等。
这些器件的工作原理、特性和应用有所不同，选择适合的器件对电力电子系统的性能具有重要影响。
1.二极管：二极管是一种具有两个电极的器件，主要用于整流电源电路中。
其工作原理是当正向电压施加在二极管上时，电流可以流过，而反向电压施加时，二极管具有很高的阻抗。
2.晶闸管：晶闸管是一种具有三个电极的器件，主要用于控制高功率交流电流。
其工作原理是通过一个控制电极的信号来控制另外两个电极之间的导通和截止状态。
3.可控硅：可控硅也是一种具有三个电极的器件，其特点是只有在一个特定的触发脉冲下才能开启，一旦开启就可以持续导通。
可控硅主要用于交流电压控制以及电能的调节。
4.大功率晶体管：大功率晶体管是一种可以承受大电流和大功率的晶体管。
它具有高增益和低饱和压降的特点，适用于高频率和高功率的应用。
5.MOSFET：MOSFET是一种依靠电场效应来控制导通的器件。
它具有低导通电阻、高开关速度和优异的抗击穿能力，适用于高频率和高效率的应用。
二、电力电子电路电力电子电路是将功率半导体器件组合成特定功能的电路，用于实现电能的变换、控制和调节。
常见的电力电子电路有整流电路、逆变电路、升压和降压变换器等。
1.整流电路：整流电路是将交流电转换为直流电的电路。
常见的整流电路有单相和三相整流桥电路，可以采用二极管或可控硅进行整流。
2.逆变电路：逆变电路是将直流电转换为交流电的电路。
逆变电路有单相和三相逆变电路，可以采用晶闸管或可控硅进行逆变。
电力电子技术第2章器件2_SCR
•
10、阅读一切好书如同和过去最杰出 的人谈 话。08:25:0708 :25:070 8:256/1 4/2021 8:25:07 AM
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s
t3 t Q2
• 门极正偏，Q2、Q1导通，再生正 反馈。电流超挚住电流后，门极 脉冲可去。（一维开通）。在低
发射极电流下 是很小的，而当 0 发射极电流建立起来之后， 迅
速增大。
Q1 Von
t
1-15
晶闸管的关断问题
• 导通后因门极面
积远小于阴极，
加负门极电流不 能影响阴极主体， J3
不能关断。
普通晶闸管的关断时间约 几百微秒。
trr URRM tgr
图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形
1-14
晶闸管的开通特性 I A
2 I G I CBO1 I CBO2 1 ( 1 2 )
（2-5）
•
注发t心s:入，射门触靠极极发门位电电极于部流流阴先极使增导晶晶大通片体，以中管
的 致
iA
•
17、儿童是中心，教育的措施便围绕 他们而 组织起 来。上 午8时25 分7秒 上午8时 25分08 :25:072 1.6.14
•
1、Genius only means hard-working all one's life. (Mendeleyer, Russian Chemist)
《电力电子技术》第2章 电力电子器件
电力电子器件是基础 电能进行变换和控制是核心
2/89
上节课内容回顾
• 二、电力电子器件
1、概念：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。
2、特性：大功率、开关特性、驱动电路、损耗大，加散热
3、组成：主电路、控制电路、检测电路。。。。
4、分类：
1）控制程度：不控器件、半控器件、全控器件
12/89
2.1.3 电力电子器件的分类
■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。 ◆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。
13/89
2.1.4 本章内容和学习要点
■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 它新型器件的顺序，分别介绍各种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。
检测
控
电路
制
保护
电
电路
路
驱动ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电路
V1 LR
V2
主电路
电气隔离
图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
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2.1.3 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 ☞主要是指晶闸管（Thyristor）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 流决定的。 ◆全控型器件 ☞目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 ☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关 断。 ◆不可控器件 ☞电力二极管（Power Diode） ☞不能用控制信号来控制其通断。
■学习要点 ◆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。 ◆了解电力电子器件的半导体物理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。
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上节课内容回顾
• 二、电力电子器件
1、概念：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。
2、特性：大功率、开关特性、驱动电路、损耗大，加散热
3、组成：主电路、控制电路、检测电路。。。。
4、分类：
1）控制程度：不控器件、半控器件、全控器件
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2.1.3 电力电子器件的分类
■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。 ◆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。
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2.1.4 本章内容和学习要点
■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 它新型器件的顺序，分别介绍各种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。
检测
控
电路
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保护
电
电路
路
驱动ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电路
V1 LR
V2
主电路
电气隔离
图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
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2.1.3 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 ☞主要是指晶闸管（Thyristor）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 流决定的。 ◆全控型器件 ☞目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 ☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关 断。 ◆不可控器件 ☞电力二极管（Power Diode） ☞不能用控制信号来控制其通断。
■学习要点 ◆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。 ◆了解电力电子器件的半导体物理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。
第2章2电力电子器件Diode
电 力 电 子 器 件
从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为 数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。 产品样本： DSEI 60 IXYS IR
MZK30.2.4
3. 肖特基二极管
电力二极管的主要类型
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（Schottky Barrier Diode 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。 — SBD）。
电 力 电 子 器 件
其反向恢复时间较长 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高 产品样本：DD171N VUO36 Eupec IXYS
自动化 谭健敏
电 力 电 子 技 术
2.2.4
电力二极管的主要类型
2) 快恢复二极管（Fast Recovery Diode — FRD） 简称快速二极管 快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED），其trr更短 （可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右），但其反向耐压多 在1200V以下。
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。
电 力 电 子 器 件
整流二极管及模块
自动化 谭健敏
电 力 电 子 技 术
2.2
不可控器件 — 电力二极管·引言
电 力 电 子 器 件
二极管及符号
自动化 谭健敏
电 力 电 子 技 术
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
《电力电子技术(第2版)》 王立夫、金海明版 第二章 习题答案
(2)①功率集成电路将电力电子器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息 电子电路制作在同一芯片上，同一芯片上高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的有效 处理问题，是功率集成电路的主要技术难点。②集成电力电子模块则将电力电子器件与逻辑、 控制、保护、传感、检测、自诊断等所有信息电子电路通过专门设计的引线或导体连接起来 并封装在一起，有效地回避了高低压电路之间的绝缘以及温升和散热问题。
4
sin
t)2 d(t)
Im 2
3 1 4 2
0.4767Im
Kf1
I1 Id1
0.4767Im 0.2717Im
1.7545
b)
Id 2
1
4
Im
sin
td (t )
Im
(
2 2
1)
0.5434 I m
I2
1
(Im
sin
t)2 d(t)
4
2Im 2
3 1 4 2
0.6741Im
解: 对ⅠGBT、GTR、GTO 和电力 MOSFET 的优缺点的比较如下表：
器件
优点
缺点
IGBT
开关速度高,开关损耗小,具有 开关速度低于电力 MOSFET,
耐脉冲电流冲击的能力,通态 电压,电流容量不及 GTO
压降较低,输入阻抗高,为电压
驱动,驱动功率小
GTR
耐压高，电流大，开关特性好， 开关速度低,为电流驱动,所需
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1 和2 ，由普通晶闸管的 分析可得，1 +2 =1 是器件临界导通的条件。1 +2 ＞1，两个等效晶 体管过饱和而导通；1 +2 ＜1，不能维持饱和导通而关断。
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解: 对ⅠGBT、GTR、GTO 和电力 MOSFET 的优缺点的比较如下表：
器件
优点
缺点
IGBT
开关速度高,开关损耗小,具有 开关速度低于电力 MOSFET,
耐脉冲电流冲击的能力,通态 电压,电流容量不及 GTO
压降较低,输入阻抗高,为电压
驱动,驱动功率小
GTR
耐压高，电流大，开关特性好， 开关速度低,为电流驱动,所需
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1 和2 ，由普通晶闸管的 分析可得，1 +2 =1 是器件临界导通的条件。1 +2 ＞1，两个等效晶 体管过饱和而导通；1 +2 ＜1，不能维持饱和导通而关断。
电力系统中的电力电子器件及其应用
电力系统中的电力电子器件及其应用在当今高度依赖电力的社会中，电力系统的稳定运行和高效发展至关重要。
电力电子器件作为电力系统中的关键组成部分，正发挥着日益重要的作用。
它们的出现和应用，为电力系统的优化、控制和能源转换带来了革命性的变化。
电力电子器件是一种能够对电能进行高效控制和转换的半导体器件。
常见的电力电子器件包括二极管、晶闸管、晶体管（如 MOSFET 和IGBT）等。
这些器件具有不同的特性和性能，适用于各种不同的电力系统应用场景。
二极管是最简单的电力电子器件之一，它只允许电流单向通过。
在电力系统中，二极管常用于整流电路，将交流电转换为直流电。
例如，在电源适配器中，二极管将交流市电整流为直流电，为电子设备提供稳定的电源。
晶闸管则是一种具有可控导通特性的器件。
通过施加合适的触发信号，可以控制晶闸管的导通和关断。
晶闸管在电力系统中的应用非常广泛，如用于高压直流输电系统中的换流器、无功补偿装置等。
通过控制晶闸管的导通角，可以实现对交流电压和电流的调节，从而达到控制无功功率和提高电能质量的目的。
MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是现代电力电子系统中常用的晶体管器件。
它们具有开关速度快、导通电阻小、驱动功率低等优点。
MOSFET 适用于高频、小功率的应用场景，如开关电源、电动汽车充电器等。
IGBT 则在中大功率的电力变换领域表现出色，如变频器、新能源发电系统中的逆变器等。
在电力系统中，电力电子器件的应用范围十分广泛。
首先，在发电环节，可再生能源的开发和利用离不开电力电子技术。
例如，太阳能光伏发电系统中，通过电力电子逆变器将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电并并入电网。
风力发电系统中，电力电子变流器用于控制风机转速，实现最大功率跟踪，同时将风机发出的交流电转换为符合电网要求的电能。
在输电环节，高压直流输电技术凭借其输电距离远、输电容量大、损耗低等优势，成为了远距离大容量输电的重要手段。
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交流电动机的调速性能可以和直流电动机 相媲美。在工业电动机的控制中， 交流调 速、直流调速以及节能和软起动都是通过 电力电子器件实现的， 其驱动结构如图所 示。
17
一、概述 4、电力电子器件的应用
• 交通运输 • 铁道电气化、电力机车控制、磁悬浮列车
的使用都离不开电力电子器件，高级汽车 中许多电机的控制是靠变频或斩波实现的 。电动汽车的电动机控制和蓄电池充电也 是靠电力电子装置实现，飞机、船舶、电 梯等都离不开电力电子装置。
18
一、概述 4、电力电子器件的应用
• 电源 • 不间断电源、电解电源、电镀电源、开关
电源、微机及仪器仪表电源、航空电源、 通信电源、交流电子稳压电源、脉冲功率 电源、动力牵引及传动控制用电源都是靠 变流技术实现的。
19
一、概述 4、电力电子器件的应用
• 家用电器 • 用于家庭照明的LED节能灯， 体积小、发
8
一、概述 3、按控制信号的性质分类
• (2) 电压驱动型器件。 • 通过施加在控制端和公共端之间的电压信
号来实现器件的导通或者关断的控制。 • 功率MOSFET、IGBT及PIC为电压驱动型
器件
9
一、概述
10
一、概述
11
一、概述 4、电力电子器件的应用 • 电力系统 • 为了控制和改善供电质量， 发电厂发出的 交流电必须经过电力电子装置的处理后送 到用户端， 没有电力电子器件的应用， 就 没有电力系统的现代化。
24
一、概述 5、发展趋势
• 快恢复二极管主要指与IGBT相匹配的 FRED器件，与快速晶闸管、高频晶闸管以 及GTO、IGCT等晶闸管派生器件匹配的 FRD器件。600V、1200V，100A的FRD已 进入批量生产阶段。国产快恢复二极管器 件在国内市场占有一定的份额。
25
一、概述 5、发展趋势
• 碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN ）以及氮化镓铝（AlGaN）等宽禁带半导体材料 受到了愈来愈多的关注，成为新材料、新器件研 究的热点。目前，美、日、俄、欧、韩等国家和 地区正在加紧研发宽禁带半导体器件，已经有商 业化产品出现。SiC肖特基二极管已经可以达到 4500V的击穿电压和225℃的工作结温，SiCPIN 二极管的工作电压已经达到20kV。SiC功率MOS 晶体管目前工作电压已经达到10kV。
• 门极和阴极间的控制电压仅控制其开通而不能控制其 关断， 器件的关断是由其在主电路中承受的电压和电
流决定的。
• 这类半控型器件是指晶闸管(Thyristor)及其大部分派生
器件。
6
一、概述 2、电力电子器件的分类
• (3) 全控型器件 • 带有控制端的三端器件， 其控制端不仅可
以控制其开通， 还能控制其关断。 • 门极关断晶闸管(GTO能装置、微型燃气发电机(Micro Cas
Turbo) 等新需求； • 再生能源、环保发电技术等分散发电将需
要交直流变流装置
14
一、概述 4、电力电子器件的应用
• 新能源利用与环境保护 • 电力电子器件装置还用于太阳能发电、风
力发电装置与电力系统的联网， 以及太阳 能发电与风力发电电能的改善。 • 现代社会对环境造成了严重的污染， 温室 气体的排放引起了国际社会的关注。我国 改革开放以来能源消费量急剧上升， 二氧 化碳排放量也有较大增加。
整流管和肖特基整流管的优点于一体的具
有MPS、SPEED和SSD等结构的新型高压
快恢复整流管。
30
二、电力二极管 1、Power Diode
• 二极管是一种由PN结构成的两端器件。 • 功率二极管是一种PN结面积比较大的二极管(一般 指电流容量在1A以上的二极管)， 多用硅材料做成。 • 分为低频功率二极管和高频功率二极管。 • 低频功率二极管主要用于50Hz电源整流， 高频功
21
一、概述
目前国际上5、功率发半导展体趋器件势的主流产品、市
场需求量较大的高频场控器件IGBT已发展到了第 六代，商业化已经发展到了第五代。IGBT及其模 块（包括IPM）已经涵盖了600V～6.5kV的电压 和1A～3500A的电流，应用IGBT模块的100MW 级的逆变器也已有产品问世。
目前我国有多家企业从事中小功率IGBT的封
装，只有少数厂家形成产业规模，在IGBT芯片的
产业化以及高压大功率IGBT的封装方面，几乎是
一片空白。国内封装IGBT模块所用芯片分别由英
飞凌、ABB和IR公司提供，只有极少量的芯片由
国内生产。
22
一、概述
5、发展趋势
• 高频场控电力电子器件中另一主流功率器件是功率MOS 器件，是目前功率半导体开关器件中市场容量最大、需求 增长最快的产品，是低功率范围内最好的功率开关器件。 国际上，增加元胞密度一直是制造高性能功率MOS器件 的发展方向。在降低器件导通损耗的基础上，提高器件性 能和可靠性，进一步降低以Superjunction结构为代表的新 结构器件制造成本、提升以SiCMOSFET为代表的宽禁带 半导体器件成品率成为功率MOS器件研发生产的努力方 向。国内也只是近年才有所涉及，功率MOS以平面工艺 的VDMOS为主，缺乏高元胞密度的低功耗功率MOS器件 产品，国际上热门的以Superjunction为基础的低功耗 MOS器件在国内尚处于研发阶段。
• 可关断晶闸管(GTO)、
• 功率场效应
• 晶体管(MOSFET)、
• 绝缘栅双极晶体管(IGBT) 以及
• 功率集成电路PIC等。。
3
一、概述 2、电力电子器件的分类
• 二极管属于不控型器件， • 晶闸管属于半控型器件， • 其他均属于全控型器件。 • SCR、GTO及GTR属电流驱动型器件， • 功率MOSFET、IGBT及PIC为电压驱动型
光效率高、节省能量多， 这是通过电力电 子器件把交流电转换成电力电子照明电源 来实现的。此外， 变频空调、电视机、音 响、洗衣机、电冰箱、微波炉、计算机等 都离不开电力电子器件的应用。
20
一、概述 4、电力电子器件的应用
• 结论 电力电子器件的应用与国民经济和日常
生活、工作息息相关。未来90%的电能均 需通过电力电子处理后再加以利用， 以便 提高能源利用效率、提高工业生产效率、 实现再生能源的最大利用。电力电子技术 将在21世纪为建设一个节能、环保、和谐 的社会发挥重要作用。
12
一、概述 4、电力电子器件的应用
• 电力系统 • 从技术层面来讲， 电力市场的引入将产生 对电力品质的改善装置。 • 不间断电源(UPS)、 • 静止无功补偿装置(SVC)、静止无功发生器
(SVG) • 动态电压恢复器(DVR)、电力有源滤波器
(APF)、限流器、
13
一、概述 4、电力电子器件的应用
率二极管主要用于高频整流电路、传递无功功率的 续流电路和功率开关的缓冲电路。 • 目前比较成熟的产品有PN型、PIN型快速恢复二极 管和功率肖特基二极管。
31
二、电力二极管 1 、快速功率二极管工作原理
• 1.1 结构与工作原理 • 二极管的核心是PN结， PN结最基本的特
性是单向导电性。因此二极管最适于做成 将交流电变为直流电的整流二极管。二极 管的图形符号如图所示， PN结的P端引线 称为阳极A， PN结的N端引线称为阴极K。
27
二、电力二极管 1、Power Diode
• 整流管产生于本世纪40年代，是电力电子器件 中结构最简单、使用最广泛的一种器件。目前已形 成普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管等三 种主要类型。其中普通整流管的特点是：漏电流小 、通态压降较高(10～1 8V)、反向恢复时间较长(几 十微秒)、可获得很高的电压和电流定额。多用于 牵引、充电、电镀等对转换速度要求不高的装置中 。
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一、概述 4、电力电子器件的应用
• 新能源利用与环境保护 • 我国十分重视再生能源的开发， 2006年我
国实施了《再生能源法》。光伏、风力、 燃料电池等新能源发电技术推动电力电子 技术的应用，并形成电力电子技术的巨大 市场。
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一、概述 4、电力电子器件的应用
• 混合动力汽车 • 由于电力电子器件应用技术的迅速发展，
器件
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一、概述 2、电力电子器件的分类
• (1)不可控器件。 • 这类器件一般为两端器件， 一端是阳极， 另一端
是阴极。与电子电路中的二极管一样， 具有单向 导电性。
• 开关操作仅取决于其在主电路中施加在阳、阴极 间的电压和流过它的电流， 正向电压使其导通， 负向电压使其关断， 流过它的电流是单方向的。
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二、电力二极管 1 、快速功率二极管工作原理
• 当二极管(即PN结) 接上正向电压(简称正偏 ) 时， 即阳极A (P) 接电源正端， 阴极K (N) 接电源负端， 二极管导电， 电流从A (P)流至K (N)； 当二极管即PN结接上反向 电压(简称反偏) 时， A (P) 接电源负端， K (N) 接电源正端， 二极管不导电(简称截止 或阻断)。
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二、电力二极管
1、Power Diode
电力整流管对改善各种电力电子电路的
性能、降低电路损耗和提高电源使用效率
等方面都具有非常重要的作用。随着各种
高性能电力电子器件的出现，开发具有良
好高频性能的电力整流管显得非常必要。
目前，人们已通过新颖结构的设计和大规
模集成电路制作工艺的运用，研制出集PIN
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一、概述 5、发展趋势
• 在我国，现有北京大学、西安电子科技、 浙江大学、中国电子科技集团公司第55研 究所、山东天岳先进材料科技有限公司、 北京天科合达蓝光半导体有限公司、能讯 微电子有限公司、南车时代电气股份有限 公司、国网智能电网研究所等单位已经或 开始宽禁带半导体材料和器件的研究，虽 然取得了一系列研究成果，但与国际上的 研发和产业化水平差距巨大。
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一、概述 4、电力电子器件的应用
• 交通运输 • 铁道电气化、电力机车控制、磁悬浮列车
的使用都离不开电力电子器件，高级汽车 中许多电机的控制是靠变频或斩波实现的 。电动汽车的电动机控制和蓄电池充电也 是靠电力电子装置实现，飞机、船舶、电 梯等都离不开电力电子装置。
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一、概述 4、电力电子器件的应用
• 电源 • 不间断电源、电解电源、电镀电源、开关
电源、微机及仪器仪表电源、航空电源、 通信电源、交流电子稳压电源、脉冲功率 电源、动力牵引及传动控制用电源都是靠 变流技术实现的。
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一、概述 4、电力电子器件的应用
• 家用电器 • 用于家庭照明的LED节能灯， 体积小、发
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一、概述 3、按控制信号的性质分类
• (2) 电压驱动型器件。 • 通过施加在控制端和公共端之间的电压信
号来实现器件的导通或者关断的控制。 • 功率MOSFET、IGBT及PIC为电压驱动型
器件
9
一、概述
10
一、概述
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一、概述 4、电力电子器件的应用 • 电力系统 • 为了控制和改善供电质量， 发电厂发出的 交流电必须经过电力电子装置的处理后送 到用户端， 没有电力电子器件的应用， 就 没有电力系统的现代化。
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一、概述 5、发展趋势
• 快恢复二极管主要指与IGBT相匹配的 FRED器件，与快速晶闸管、高频晶闸管以 及GTO、IGCT等晶闸管派生器件匹配的 FRD器件。600V、1200V，100A的FRD已 进入批量生产阶段。国产快恢复二极管器 件在国内市场占有一定的份额。
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一、概述 5、发展趋势
• 碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN ）以及氮化镓铝（AlGaN）等宽禁带半导体材料 受到了愈来愈多的关注，成为新材料、新器件研 究的热点。目前，美、日、俄、欧、韩等国家和 地区正在加紧研发宽禁带半导体器件，已经有商 业化产品出现。SiC肖特基二极管已经可以达到 4500V的击穿电压和225℃的工作结温，SiCPIN 二极管的工作电压已经达到20kV。SiC功率MOS 晶体管目前工作电压已经达到10kV。
• 门极和阴极间的控制电压仅控制其开通而不能控制其 关断， 器件的关断是由其在主电路中承受的电压和电
流决定的。
• 这类半控型器件是指晶闸管(Thyristor)及其大部分派生
器件。
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一、概述 2、电力电子器件的分类
• (3) 全控型器件 • 带有控制端的三端器件， 其控制端不仅可
以控制其开通， 还能控制其关断。 • 门极关断晶闸管(GTO能装置、微型燃气发电机(Micro Cas
Turbo) 等新需求； • 再生能源、环保发电技术等分散发电将需
要交直流变流装置
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一、概述 4、电力电子器件的应用
• 新能源利用与环境保护 • 电力电子器件装置还用于太阳能发电、风
力发电装置与电力系统的联网， 以及太阳 能发电与风力发电电能的改善。 • 现代社会对环境造成了严重的污染， 温室 气体的排放引起了国际社会的关注。我国 改革开放以来能源消费量急剧上升， 二氧 化碳排放量也有较大增加。
整流管和肖特基整流管的优点于一体的具
有MPS、SPEED和SSD等结构的新型高压
快恢复整流管。
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二、电力二极管 1、Power Diode
• 二极管是一种由PN结构成的两端器件。 • 功率二极管是一种PN结面积比较大的二极管(一般 指电流容量在1A以上的二极管)， 多用硅材料做成。 • 分为低频功率二极管和高频功率二极管。 • 低频功率二极管主要用于50Hz电源整流， 高频功
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一、概述
目前国际上5、功率发半导展体趋器件势的主流产品、市
场需求量较大的高频场控器件IGBT已发展到了第 六代，商业化已经发展到了第五代。IGBT及其模 块（包括IPM）已经涵盖了600V～6.5kV的电压 和1A～3500A的电流，应用IGBT模块的100MW 级的逆变器也已有产品问世。
目前我国有多家企业从事中小功率IGBT的封
装，只有少数厂家形成产业规模，在IGBT芯片的
产业化以及高压大功率IGBT的封装方面，几乎是
一片空白。国内封装IGBT模块所用芯片分别由英
飞凌、ABB和IR公司提供，只有极少量的芯片由
国内生产。
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一、概述
5、发展趋势
• 高频场控电力电子器件中另一主流功率器件是功率MOS 器件，是目前功率半导体开关器件中市场容量最大、需求 增长最快的产品，是低功率范围内最好的功率开关器件。 国际上，增加元胞密度一直是制造高性能功率MOS器件 的发展方向。在降低器件导通损耗的基础上，提高器件性 能和可靠性，进一步降低以Superjunction结构为代表的新 结构器件制造成本、提升以SiCMOSFET为代表的宽禁带 半导体器件成品率成为功率MOS器件研发生产的努力方 向。国内也只是近年才有所涉及，功率MOS以平面工艺 的VDMOS为主，缺乏高元胞密度的低功耗功率MOS器件 产品，国际上热门的以Superjunction为基础的低功耗 MOS器件在国内尚处于研发阶段。
• 可关断晶闸管(GTO)、
• 功率场效应
• 晶体管(MOSFET)、
• 绝缘栅双极晶体管(IGBT) 以及
• 功率集成电路PIC等。。
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一、概述 2、电力电子器件的分类
• 二极管属于不控型器件， • 晶闸管属于半控型器件， • 其他均属于全控型器件。 • SCR、GTO及GTR属电流驱动型器件， • 功率MOSFET、IGBT及PIC为电压驱动型
光效率高、节省能量多， 这是通过电力电 子器件把交流电转换成电力电子照明电源 来实现的。此外， 变频空调、电视机、音 响、洗衣机、电冰箱、微波炉、计算机等 都离不开电力电子器件的应用。
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一、概述 4、电力电子器件的应用
• 结论 电力电子器件的应用与国民经济和日常
生活、工作息息相关。未来90%的电能均 需通过电力电子处理后再加以利用， 以便 提高能源利用效率、提高工业生产效率、 实现再生能源的最大利用。电力电子技术 将在21世纪为建设一个节能、环保、和谐 的社会发挥重要作用。
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一、概述 4、电力电子器件的应用
• 电力系统 • 从技术层面来讲， 电力市场的引入将产生 对电力品质的改善装置。 • 不间断电源(UPS)、 • 静止无功补偿装置(SVC)、静止无功发生器
(SVG) • 动态电压恢复器(DVR)、电力有源滤波器
(APF)、限流器、
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一、概述 4、电力电子器件的应用
率二极管主要用于高频整流电路、传递无功功率的 续流电路和功率开关的缓冲电路。 • 目前比较成熟的产品有PN型、PIN型快速恢复二极 管和功率肖特基二极管。
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二、电力二极管 1 、快速功率二极管工作原理
• 1.1 结构与工作原理 • 二极管的核心是PN结， PN结最基本的特
性是单向导电性。因此二极管最适于做成 将交流电变为直流电的整流二极管。二极 管的图形符号如图所示， PN结的P端引线 称为阳极A， PN结的N端引线称为阴极K。
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二、电力二极管 1、Power Diode
• 整流管产生于本世纪40年代，是电力电子器件 中结构最简单、使用最广泛的一种器件。目前已形 成普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管等三 种主要类型。其中普通整流管的特点是：漏电流小 、通态压降较高(10～1 8V)、反向恢复时间较长(几 十微秒)、可获得很高的电压和电流定额。多用于 牵引、充电、电镀等对转换速度要求不高的装置中 。
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一、概述 4、电力电子器件的应用
• 新能源利用与环境保护 • 我国十分重视再生能源的开发， 2006年我
国实施了《再生能源法》。光伏、风力、 燃料电池等新能源发电技术推动电力电子 技术的应用，并形成电力电子技术的巨大 市场。
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一、概述 4、电力电子器件的应用
• 混合动力汽车 • 由于电力电子器件应用技术的迅速发展，
器件
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一、概述 2、电力电子器件的分类
• (1)不可控器件。 • 这类器件一般为两端器件， 一端是阳极， 另一端
是阴极。与电子电路中的二极管一样， 具有单向 导电性。
• 开关操作仅取决于其在主电路中施加在阳、阴极 间的电压和流过它的电流， 正向电压使其导通， 负向电压使其关断， 流过它的电流是单方向的。
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二、电力二极管 1 、快速功率二极管工作原理
• 当二极管(即PN结) 接上正向电压(简称正偏 ) 时， 即阳极A (P) 接电源正端， 阴极K (N) 接电源负端， 二极管导电， 电流从A (P)流至K (N)； 当二极管即PN结接上反向 电压(简称反偏) 时， A (P) 接电源负端， K (N) 接电源正端， 二极管不导电(简称截止 或阻断)。
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二、电力二极管
1、Power Diode
电力整流管对改善各种电力电子电路的
性能、降低电路损耗和提高电源使用效率
等方面都具有非常重要的作用。随着各种
高性能电力电子器件的出现，开发具有良
好高频性能的电力整流管显得非常必要。
目前，人们已通过新颖结构的设计和大规
模集成电路制作工艺的运用，研制出集PIN
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一、概述 5、发展趋势
• 在我国，现有北京大学、西安电子科技、 浙江大学、中国电子科技集团公司第55研 究所、山东天岳先进材料科技有限公司、 北京天科合达蓝光半导体有限公司、能讯 微电子有限公司、南车时代电气股份有限 公司、国网智能电网研究所等单位已经或 开始宽禁带半导体材料和器件的研究，虽 然取得了一系列研究成果，但与国际上的 研发和产业化水平差距巨大。