电力电子器件比较
电力电子开关器件仿真模型比较
电力电子开关器件仿真模型比较张薇琳张波丘东元褚利丽（广州华南理工大学电力学院，广东广州510640）Modeling of Power Electronic DevicesZhang Wei-lin, Zhang Bo, Qiu Dong-yuan, Chu Li-li(College of Electric Engineering, South China University of Technology, Guangzhou, 510640, China)摘要：电力电子开关器件的模型建立一直是一个研究难点，其真实性和精确性是衡量建模的标准。
本文对基本电力电子开关器件如二极管、GTO、晶闸管、MOSFET和IGBT的现有仿真模型进行了归纳和总结，并比较了各种器件不同模型之间的优缺点和适用场合，由此为电力电子开关器件的分析提供研究基础。
关键字：功率二极管；GTO；晶闸管；MOSFET；IGBT；仿真模型Abstract: There is always a difficulty in modeling of power electronic devices, with the validity and accuracy as its judgment. This paper reviews generic modeling approaches and simulations of some power electronic devices, including power diode, GTO, thyristor, MOSFET and IGBT. Their basic principles are described and their merits and limitations are remarked, which provides a basis for analysis of power electronic devices.Key words: power diode, GTO, thyristor, MOSFET, IGBT, simulation model1引言电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。
各种电力电子器件技术特点的比较及应用
《电力牵引交流传动及其控制系统》报告——各种电力电子器件技术特点的比较及其应用电力电子器件及其应用装置已日益广泛，这与近30 多年来电力电子器件与电力电子技术的飞速发展和电力电子的重要作用密切相关。
20 世纪80 年代以后，电力电子技术等)的飞速发展，给世界科学技术、经济、文化、军事等各方面带来了革命性的影响。
电子技术包含两大部分：信息电子技术(包括：微电子、计算机、通信等)是实施信息传输、处理、存储和产生控制指令；电力电子技术是实施电能的传输、处理、存储和控制，保障电能安全、可靠、高效和经济地运行，将能源与信息高度地集成在一起。
事实表明，无论是电力、机械、矿冶、交通、石油、能源、化工、轻纺等传统产业，还是通信、激光、机器人、环保、原子能、航天等高技术产业，都迫切需要高质量、高效率的电能。
而电力电子正是将各种一次能源高效率地变为人们所需的电能，实现节能环保和提高人民生活质量的重要手段，它已经成为弱电控制与强电运行之间、信息技术与先进制造技术之间、传统产业实现自动化、智能化改造和兴建高科技产业之间不可缺少的重要桥梁。
而新型电力电子器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命。
电力电子器件就好像现代电力电子装置的心脏，它对装置的总价值，尺寸、重量、动态性能，过载能力，耐用性及可靠性等，起着十分重要的作用。
因此，新型电力电子器件及其相关新型半导体材料的研究，一直是电力电子领域极为活跃的主要课题之一。
一个理想的功率半导体器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，能导通高的电流密度并具有低的导通压降；在开关状态和转换时，具有短的开、关时间，能承受高的d i/d t 和d u/d t，具有低的开关损耗；运行时具有全控功能和良好的温度特性。
自20 世纪50 年代硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标做出了不懈努力，并已取得了世人瞩目的成就。
早期的大功率变流器，如牵引变流器，几乎都是基于晶闸管的。
电力电子器件在工作原理上的差别
电力电子器件（GTO 、GTR 、MOSFET 、IGBT 、IGCT 、MCT ）在工作原理上有什么差别？分析：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。
1. 门极可关断晶闸管（Gate Turn Off Thyristor--GTO ）。
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。
晶闸管的双晶体管模型及其工作原理GTO 是由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。
当α1+α2>1时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当α1+α2<1时，不能维持饱和导通而关断。
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：强烈正反馈——门极加负脉冲即从门极抽出电流，则I b2减小，使I K 和I c2减小，I c2的减小又使I A 和I c1减小，又进一步减小V2的基极电流。
当I A 和的减小使α1+α2<1时，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. 电力晶体管（Giant Transistor ——GTR ）GTR 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 。
在电力电子技术的范围内，GTR 与BJT 这两个名称等效。
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。
AP 1AGK N 1P 2P 2N 1N 2a)b)GTR 的结构、电气图形符号和内部载流子的流动a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的，主要特性是耐压高、电流大、开关特性好，通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。
电力电子器件总结
电力电子器件总结：名称优缺点应用场合电力二极管整流二极管优：结构简单、工作可靠`缺：不可控整流，续流，电压隔离、钳位或保护SBD(肖特基)FRD（快恢复SCR晶闸管可控硅FST(快速)优：承受电压和电流容量在所有器件中最高缺：半控| TRIAC(双向)RCT（逆向）LTT（光控）电力MOSFET（单极型）(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)金属-氧化物-半导体-场效应晶体管%优：开关速度快（利用电场感应控制反型层导电沟道，不存在正偏PN结所固有的载流子存储效应），输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题。
缺：电流容量小，耐压低。
一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置GTO(双极型)优点：电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强；缺：电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低兆瓦以上的大功率…GTR（双极型）电力二极管优：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低；缺：开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题基本淘汰IGBT（混合型）《绝缘栅门极晶体管（Insulated- Gate Bipolar Translator）结合了GTR和MOSFET的优点优：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，驱动功率小缺：开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTO广泛应用，指望一统天下（主要兆瓦以下）几种不可替代的场合：FRD（Fast Recovery Diode）在中、高频整流和逆变；SBD(Schottky Barrier Diode)在低压高频整流；（开关速度非常快，开关损耗也特别小，耐压比较低）LTT(Light Triggered Thyristor)高电压大功率；（光触发保证住电路与控制电路之间的绝缘和电气隔离，可以避免电磁干扰的影响）GTO(Gate-Turn-Off Thyristor)兆瓦以上的大功率。
如何选择合适的电力电子元器件？
如何选择合适的电力电子元器件？在现代电力电子系统中，选择合适的元器件至关重要。
这不仅关系到系统的性能、效率和可靠性，还直接影响到成本和维护难度。
那么，如何才能在众多的电力电子元器件中做出明智的选择呢？首先，我们需要明确系统的需求和工作条件。
这包括输入和输出电压、电流、功率、工作频率、温度范围等参数。
例如，如果系统需要处理高电压和大电流，那么就需要选择能够承受这些条件的元器件。
如果工作频率较高，那么就需要考虑元器件的高频特性。
在了解系统需求后，接下来要考虑的是元器件的类型。
常见的电力电子元器件有二极管、晶体管（如 BJT、MOSFET、IGBT 等）、晶闸管、电容器和电感器等。
二极管是最简单的电力电子器件之一，具有单向导电性。
在选择二极管时，要关注其正向压降、反向耐压、最大平均电流和恢复时间等参数。
快速恢复二极管适用于高频场合，而普通二极管则常用于低频和中压应用。
晶体管中的 MOSFET 具有开关速度快、输入阻抗高、驱动功率小等优点，适用于高频、小功率的应用场景。
IGBT 则结合了 MOSFET和 BJT 的优点，在中大功率应用中表现出色。
BJT 虽然在一些特定场合仍有应用，但由于其驱动复杂、开关速度较慢，使用范围相对较窄。
晶闸管是一种半控型器件，能够承受高电压和大电流，但开关速度较慢，主要用于相控整流等场合。
电容器在电力电子系统中用于滤波、储能等。
选择电容器时，需要考虑电容值、耐压、等效串联电阻（ESR）、等效串联电感（ESL）和工作温度等。
电解电容器通常具有较大的电容值，但 ESR 较大，适用于低频滤波；陶瓷电容器则具有较小的ESR 和ESL，适用于高频场合。
电感器用于滤波、储能和限流等。
在选择电感器时，要关注电感值、饱和电流、直流电阻和工作频率等参数。
空心电感适用于高频，而铁芯电感则在低频时具有较好的性能。
除了上述基本的参数和类型选择，还需要考虑元器件的品牌和质量。
知名品牌通常在质量控制和可靠性方面更有保障，但价格可能相对较高。
电子行业电力电子器件及应用
电子行业电力电子器件及应用引言电子行业是一个快速发展的行业，在电子设备中，电力电子器件是不可或缺的关键组成部分。
电力电子器件是指用于调整和转换电能的器件，广泛应用于交流和直流电网、电动机驱动、电源供应等领域。
本文将介绍电子行业中常见的电力电子器件及其应用。
一、开关器件1.整流二极管 (Rectifier Diode)整流二极管是一种常见的开关器件，用于将交流电转换为直流电。
它具有正向导通和反向截止的特性，常用于交流电桥式整流器、逆变器等电路中。
2.IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) IGBT 是一种高压高频开关器件，兼具了普通晶体管和普通MOSFET的特点。
它可以控制高电压和高电流的通断，并且具有低开关损耗和快速切换速度的特点。
IGBT广泛用于工业设备、交通工具和电力传输中。
3.MOSFET (Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor)MOSFET 是一种常见的开关器件，可以通过调节栅极电压来控制导通和截止。
它具有低导通电阻、低开关损耗和高开关速度的特点。
MOSFET 常用于直流转换器、电机驱动和太阳能发电逆变器等应用中。
二、功率模块1.IGBT模块IGBT模块是由多个IGBT芯片、隔离驱动电路和散热器组成的集成模块。
它可以方便地实现高压高频电路的设计和构建，广泛应用于电力传输、电机驱动和可再生能源领域。
2.整流桥模块整流桥模块是由多个整流二极管组成的集成模块。
它常用于交流电源的整流和直流电源供应的设计中。
3.功率放大模块功率放大模块是用于放大低功率信号为高功率信号的模块。
它常用于音频放大器、无线电频率放大器等应用中。
三、电力电子器件的应用1.交流调速电力电子器件在交流调速中起着重要作用。
例如，交流调压器使用电力电子器件的开关特性来调节交流电压的大小，实现电压调节和稳定。
2.无线充电利用电力电子器件的功率转换特性，可以实现无线充电技术。
1-2-电力电子主要器件特点
主要电力电子器件特点◆不可控器件——电力二极管PD◆电流驱动型器件(SCR、GTO、GTR)◆电压驱动型器件（POWER MOSFET、IGBT）（）电力二极管（P Di d ）I（一）电力二极管（Power Diode）I F◆二极管的基本原理——PN结的单向导电性功率提高：结构、P-i-NO U TO U FU◆PN 结的电容效应，结电容C J 影响PN 结的工作频率势垒电容C B 和扩散电容C D◆正向电压降U 和反向漏电流I Fd i F F U Ft t t rrt dt ft t td t◆通流能力强---电导调制效应F 012U Rd i R d t ◆存在较大反向电流和反向电压过冲a)U RPI R P ◆正向导通需要正向恢复时间t fr（二）电流驱动型器件特点：都是三个联接端，2个功率端，1个控制端◆晶闸管—半控型器件，开通时刻可控◆门极可关断晶闸管GTO☞晶闸管的一种派生器件，在门极施加负的脉冲电流使其关断小☞电流关断增益βoff◆电力晶体管（Giant Transistor——GTR）☞与普通的双极结型晶体管基本原理样与普通的双极结型晶体管基本原理一样☞最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好（三）电力MOSFET（绝缘栅型MOS）栅极来控制漏极特点◆电压来控制电流，它的特点：☞驱动电路简单，需要的驱动功率小。
☞开关速度快，工作频率高。
☞电流容量小，耐压低，多用于功率不超过10kW的电力电子装置。
◆按导电沟道可分为沟道和沟道P N沟道。
☞当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型。
对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导☞）沟道器件栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为增强型。
☞在电力MOSFET中，主要是N沟道增强型。
中主要是☞输出特性截止区（GTR的截止区）饱和区（GTR的放大区）非饱和区（GTR的饱和区）饱和----漏源电压增加时漏极电流不再增加，非饱和指漏源电压增加时----漏极电流相应增加。
电路中的电力电子器件与应用
电路中的电力电子器件与应用电力电子器件是构成电力电子系统的核心组成部分，在电力转换和控制中发挥着至关重要的作用。
本文将介绍一些常见的电力电子器件，并探讨它们在电路中的应用。
一、二极管（Diode）二极管是最简单的电力电子器件之一，它具有单向导电特性。
在电路中，二极管常用于整流电路，将交流电转换为直流电。
此外，二极管还可以用作过电压保护装置，以保护其他电子元件不受过电压的损害。
二、晶闸管（Thyristor）晶闸管是一种控制型二极管，具有可控的导通和截止特性。
在电力电子系统中，晶闸管广泛应用于交流电控制领域。
通过控制晶闸管的触发方式和触发角，可以实现对交流电的精确控制，用于变频调速、电流调节等方面。
三、可控硅（SCR）可控硅是一种具有双向导电特性的晶闸管。
与晶闸管相比，可控硅增加了反向导通能力，可以实现交流电的双向控制。
可控硅在电动机控制、电源开关等领域有广泛应用。
四、功率场效应晶体管（Power MOSFET）功率MOSFET是一种常用的电力电子开关器件。
它具有低导通电阻和高开关速度的特点，可实现高效率的功率传递。
功率MOSFET在电力电子转换系统中常用于开关电源、直流电机驱动等应用。
五、电力管（Power Transistor）电力管是具有较大功率承载能力的晶体管。
在高功率放大和开关电路中，电力管具有重要作用。
它可以放大或开关大电流，广泛应用于音频放大器、电力调制器等电路中。
六、电容（Capacitor）电容是一种储存电能的器件，具有储电和隔直流的特性。
在电力转换和滤波电路中，电容被广泛应用。
它可以储存电能，平滑电压波动，并降低电路中的噪声。
七、电感（Inductor）电感是一种储存磁能的器件，具有感应电压和滤波的作用。
在电力电子系统中，电感常被用于电源滤波、变压器和电感驱动等应用，用以改变电流和电压的大小。
综上所述，电力电子器件在电路中扮演着不可或缺的角色。
通过合理选择和应用这些器件，我们可以实现电能的高效转换、精确控制和稳定输出。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
P-MOSFET的功耗最大，这是由于其导通电 阻大的缘故。但它的功耗随工作频率的增加幅 度变化很小，说明P-MOSFET的开关损耗小， 故而更适用于高频参合。 GTO、GTR和IGBT低频时，功耗小，但它的 功耗随工作频率的增加，开关损耗急剧上升， 这就局限了它们的工作频率不可能高于PMOSFET。
ห้องสมุดไป่ตู้
2）电流与电压的等级 GTO属于高压大电流器件，GTR、IGBT 和P-MOSFET的电压、电流容量次之。但 GTO的电流容量仍可增大，电压难以高于 1500V；P-MOSFET的耐压提高困难（导 通电阻随电压的升高而增大）； IGBT的电 压、电流容量高于GTR，且会有进一步的 提高。 3）功率损耗 随着工作频率的升高，功率损耗将占器件 总功率损耗的95％。
电力电子器件的比较： 1）输出功率
SCR的输出功率最大，但工作频率最低(1kHz)； GTO的输出功率次之，f工大于SCR; GTR的输出功率介于GTO和P-MOSFET，其工 作频率(5kHz)高于GTO，控制容易，耐压不高； P-MOSFET的工作频率最高，多用于10kW以下； IGBT的容量范围已超过GTR和P-MOSFET,是一 种趋于完善的新型器件。