第1章：电力电子学半导体器件
2024年电力电子学知识点总结
2024年电力电子学知识点总结电力电子学是研究将电力进行控制、转换和处理的一门学科。
它广泛应用于电力系统、电气驱动和电力供应等领域。
随着科技的不断发展和创新，电力电子学也在不断演进。
以下是2024年电力电子学的一些重要知识点总结。
1.功率半导体器件：功率半导体器件是电力电子学的基础。
常见的功率半导体器件包括晶闸管、IGBT、MOSFET等。
这些器件具有耐高电压、高电流和高温等特点，可以实现高效的功率转换和控制。
2.开关电源：开关电源是一种将电能进行高效转换和稳定输出的电源系统。
常见的开关电源拓扑结构包括脉冲宽度调制（PWM）控制的单端和双端开关电源，以及谐振开关电源。
开关电源具有高效率、体积小和重量轻的特点，被广泛应用于计算机、通信和工业控制等领域。
3.交流调压：交流调压是将交流电能转换为直流电能的过程。
常见的交流调压技术包括整流和逆变。
整流将交流电转换为脉动的直流电，而逆变将直流电转换为交流电。
交流调压技术被广泛应用于电力系统的输电和配电、电动车充电和可再生能源发电等领域。
4.电力因数校正：电力因数是交流电中有功功率与视在功率之比。
电力因数校正是通过电力电子技术改善电力系统的功率因数。
常见的电力因数校正技术包括有源功率因数校正和无源功率因数校正。
电力因数校正可以提高电力系统的效率、减少系统的损耗，并符合电力系统的标准和规范。
5.电力质量控制：电力质量是指电力系统中电压、电流和频率等参数的稳定性和纯净度。
电力质量控制是通过电力电子技术实现对电力质量的监测、调节和保护。
常见的电力质量控制技术包括谐波滤波、电压调节和无功补偿。
电力质量控制可以提高电力系统的稳定性，减少电力中的谐波和干扰，并保证电力设备的正常运行。
6.电力电子与可再生能源：可再生能源包括太阳能、风能、水能等，它们是未来能源发展的重要方向。
电力电子技术在可再生能源的发电、转换和集成方面发挥着重要作用。
通过电力电子技术，可以实现可再生能源与电力系统的无缝连接，提高能源的利用效率和系统的稳定性。
2024年电力电子学知识点总结(2篇)
2024年电力电子学知识点总结____年电力电子学知识点总结一、概述电力电子学是研究电力系统中电能的调控、转换和控制的学科。
它涵盖了电力电子器件、电力电子电路、电力电子控制和电力电子系统等方面的内容。
随着电力系统结构的演进和新技术的引入，电力电子学的研究也在不断更新和发展。
二、电力电子器件1. 功率半导体器件功率半导体器件是电力电子学中最基础的组成部分。
在____年，功率半导体器件将会有以下几个重要的发展趋势：- 高性能：功率半导体器件的集成度、耐压能力和开关速度将不断提高，以满足电力系统的高效率和高可靠性要求。
- 宽功率范围：功率半导体器件将逐渐向高电压、大电流和高功率领域发展，以满足电力系统的不同应用需求。
- 高温工作：功率半导体器件的耐高温性能将会得到改善，以适应电力系统中高温环境的要求。
- 宽温度范围：功率半导体器件将在更宽的温度范围内工作，以适应不同地域和环境的应用需求。
2. 光电子器件光电子器件是电力电子学中新兴的领域，它将光学和电力电子学相结合，具有高速、高效和低功耗的特点。
在____年，光电子器件的发展将会有以下几个重要的趋势：- 高速调制：光电子器件的调制速度将会大幅提高，以满足高频率电力系统对数据传输和信号处理的需求。
- 高效能量转换：光电子器件将通过光电转换实现电能的高效转换和传输，以提高电力系统的能量利用率。
- 高密度集成：光电子器件将实现更高的集成度，以减小体积和重量，同时提高系统的可靠性。
三、电力电子电路1. 变换器和逆变器变换器和逆变器是电力电子学中常见的电路，用于实现电能的变换和控制。
在____年，变换器和逆变器的发展将会有以下几个重要的趋势：- 高效率：变换器和逆变器的能量转换效率将会提高，以减少能量的损耗和浪费。
- 多电平结构：变换器和逆变器将采用多电平结构来提高波形质量和降低电磁干扰。
- 高频率工作：变换器和逆变器将工作在更高的频率范围内，以提高系统的响应速度和减小体积。
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。
电力电子半导体器件(SCR)
晶闸管
§3.1 普通晶闸管
Thyristor 硅可控整流器，可控硅， 硅可控整流器，可控硅，SCR。 。
结构， 一、结构：四层PNPN结构，三端器件 结构：四层 结构
正向阻断： 接正电压， 正向阻断：A—K接正电压， 接正电压 J2反偏，漏电流很小。 反偏，漏电流很小。 反向阻断： 接负电压， 反向阻断：A—K接负电压， 接负电压 J1，J3反偏，漏电流很小。 反偏，漏电流很小。 符号
VGD：门极不触发电压
PGM 不可靠触发区 IGT 可靠触发区
IGD：门极不触发电流 VGT：最小门极触发电压 IGT：最小门极触发电流 VFGM：门极正向峰值电压 IFGM：门极正向峰值电流
VGT 不可触发区
ห้องสมุดไป่ตู้
说明： 说明： ①门极触发电压、电流应处于可靠触发区内，触发功率过大， 门极触发电压、电流应处于可靠触发区内，触发功率过大， 会使SCR结温上升，影响正常工作，甚至会烧坏门极。 会使SCR结温上升，影响正常工作，甚至会烧坏门极。 SCR结温上升 方可保证正常触发。 ②触发电压、电流应大于VGT和IGT，方可保证正常触发。 触发电压、电流应大于 ③不触发时，触发电路输出电压应低于门极不触发电压VGD 不触发时，触发电路输出电压应低于门极不触发电压 ）；为提高抗干扰能力 （0.2V）；为提高抗干扰能力，避免误触发，必要时可加负 ）；为提高抗干扰能力，避免误触发， 偏压（1—3V；不大于5V），负偏压过大，会使器件触发灵 偏压（ ；不大于 ），负偏压过大， ），负偏压过大 敏度下降，不利于快速导通，同时门极损耗增大。 敏度下降，不利于快速导通，同时门极损耗增大。
2．关断条件：阳极电压减小/反向，使阳极电流减小到维持电流 ．关断条件：阳极电压减小 反向 反向， 以下， 管子自动关断。 以下，IA<IH时，管子自动关断。 二、特性 1．阳极伏安特性：VAK—IA关系 ．阳极伏安特性：
第一章电力电子技术综述
i
Vo
3V
1-1分压器、电压跟随器及输出特性
o
可以看出，随着电流增加输出电压线性下降，当输出电流为12mA时，所设计的电源输出电压为零。也就是说，这个电源对负载变化没有调节能力。 理想电压源输出电压不会随输出电流增大而下降，也就是说输出电压对负载变化应该具有100%的调节性能，从电路角度看，即电源等效内阻为零。
随着电子技术的不断发展，新器件不断出现，电力电子技术的发展方向是高频、高效、高功率密度和智能化，最终使人们进入电能变换和频率变换更加自由的时代，并充分发挥其节能、降耗和提高装置工作性能的作用。 功率半导体器件是现代电力电子技术（Modern Power Electronics）的基础，它的应用范围非常广阔，从毫瓦级的个人无线通信设备，到百万千瓦的高压直流输电（High Voltage DC Transmission）系统。
1 DC-AC变换器——逆变器 将直流电源变换成一个交流电源（单相或多相）称之为逆变，这种装置称为逆变器(Inverter)。
图1-4 基本的单相或三相dc-ac变换电路
基本电路如图1-4（a）所示，通过采用一个开关把直流电源变换成低频或高频交流源，输出波形为脉动直流波形，输出波形经过滤波电路整形成希望的波形，一般希望输出为正弦波形。 三相输出通过采用三个开关完成，如图1-4（b）所示。三个开关轮流导通120度，输出三相120度直流脉动波形。 交流电的频率、幅度大小和相位是交流电的三要素，使用电力电子技术如何自由地变换三要素，是DC-AC变换技术研究的主要内容。 DC-AC变换器应用范围很广，如飞机和空间站电源、UPS、闪光灯充电、太阳能发电、交流电机调速、变速恒频电源和感应加热电源等，它们输出交流频率从50Hz到1MHz不等。 DC-AC变换技术将在第6章介绍。
电力电子习题第1章
第一章 电力半导体器件习题与思考题解1-1．晶闸管导通的条件是什么？怎样使晶闸管由导通变为关断？解：晶闸管导通的条件是：阳极承受正向电压，处于阻断状态的晶闸管，只有在门极加正向触发电压，才能使其导通。
门极所加正向触发脉冲的最小宽度，应能使阳极电流达到维持通态所需要的最小阳极电流，即擎住电流ＩＬ以上。
导通后的晶闸管管压降很小。
使导通了的晶闸管关断的条件是：使流过晶闸管的电流减小至某个小的数值－维持电流ＩＨ以下。
其方法有二：１）减小正向阳极电压至某一最小值以下，或加反向阳极电压； ２）增加负载回路中的电阻。
1-2．型号为KP100-3的晶闸管，维持电流I H =4mA ，使用在题1-2图中的电路中是否合理？为什么（不考虑电压、电流裕量）？解：根据机械工业部标准JB1144-75规定，ＫＰ型为普通闸管，KP100-3的晶闸管，其中100是指允许流过晶闸管的额定通态平均电流为100A ，3表示额定电压为300V 。
对于图(a)，假若晶闸管V 被触发开通，由于电源为直流电源，则晶闸管流过的最大电流为()mA IV2105001003=⨯=因为I V < I H ，而I H < I L ，I L 为擎住电流，通常I L =(2~4) I H 。
可见，晶闸管流过的最大电流远小于擎住电流，所以，图(a)不合理。
对于图(b)，电源为交流220V ，当α=0°时，最大输出平均电压 9922045.045.02=⨯=≈U Ud（Ｖ）平均电流9.91099===R U d VAR I (A) 波形系数57.1≈=VARVfI I K所以， ＩＶ＝K f 。
ＩＶＡＲ＝1.57×9.9＝15.5(A)而KP100-3允许流过的电流有效值为I VE ＝1.57×100＝157(A)， I L < I V <I VE ，所以，电流指标合理。
但电路中晶闸管Ｖ可能承受的最大正反向峰值电压为31122022≈⨯===U U URm Fm(V)>300(V)所以，图(b)不满足电压指标，不合理。
电力电子技术(含实验)第1章_绪论
1-4
课程内容简介
1-1 电力电子技术概述
电力电子技术（power electronics）：指利用电力 电子器件对电能进行变换和控制，把从电网获取的“ 粗电”变换成负载所需要的“精电”的技术。
电子技术包括：
信息电子技术 和 电力电子技术。
信息电子技术——模拟电子技术和数字电子技术。
电力电子技术主要用于电力变换，而信息电子技术
电力电子器件
①分立器件
②模块
③IGBT单管
④IGBT模块
电力电子器件的发展趋势
高频化：提高开关频率，降低设备体积，节约资源
模块化：功率部分、控制、驱动、保护集成一体
数字化：数字控制技术广泛应用 绿色化：谐波污染小、功率因数高、电磁辐射小
1-3 电力电子技术应用
电力电子技术广泛用于一般工业、交通运输、 电力系统、不间断电源和开关电源、家用电器、以 及新能源的开发及应用领域。在解决全球能源危机、 资源危机和环境污染方面发挥着重要作用。经过至 少一次电力电子装置处理以后使用的电能所占比例 已经成为一个国家经济发展水平的重要指标。
导通和关断控制的有效信号。
3.电力电子技术的研究分支及特点
研究分支:
电 力 电 子 器 件 （ element) 技 术 、 变 流 技 术 (power conversion)和控制技术（Control)三个分支。 特点:
电力电子器件是整个电力电子技术的基础，电力电子技术 的发展集中体现在电力电子器件的发展上，器件一般均工 作在开关状态，这是重要特征； 变流技术是电力电子技术的主体，控制技术是电力电力电 子技术的灵魂；
５.家用电器
照明在家用电器中有十分突出的地位。由于电力电 子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源， 通常被称为“节能灯”，正逐步取代传统的白炽灯 和日光灯。
修改稿 第1章 电力电子器件
三 、晶闸管
晶闸管及其工作原理 2 晶闸管的特性与主要参数 3 晶闸管的派生器件
1
晶闸管
晶闸管(Thirsted)包括：普通晶闸管(SCR)、快速晶 闸管(FST)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT) 、 可关断晶闸管(GTO) 和光控晶闸管等。 由于普通晶闸管面世早，应用极为广泛, 因此在无特别 说明的情况下,本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。 普通晶闸管：也称可控硅整流管(Silicon Controlled Rectifier), 简称SCR。 由于它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性 (目前生产水平：4500A/8000V)已被广泛应用于相控整 流、逆变、交流调压、直流变换等领域, 成为特大功率 低频(200Hz以下)装置中的主要器件。
图1.2.2
电力二极管的伏安特性曲线
PN结的电容效应：
PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ， 又称为微分电容。
二、 电力二极管
1 2
电力二极管及其工作原理 电力二极管的特性与参数
2
电力二极管的特性与参数
（1）电力二极管的伏安特性 （2）电力二极管的开关特性 （3）电力二极管的主要参数
电力二极管的主要类型：
（1）普通二极管：普通二极管又称整流管（Rectifier Diode），多用于开关频率在１KHZ以下的整流电路中， 其反向恢复时间在５us以上，额定电流达数千安，额定 电压达数千伏以上。 （2）快恢复二极管：反向恢复时间在５us以下的称为快恢复 二极管（Fast Recovery Diode简称FDR）。快恢复二极 管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者 反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在100ns以下，其 容量可达1200V/200A的水平, 多用于高频整流和逆变电 路中。 （3）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接 触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为 0.4～0.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但 反向耐压在200Ｖ以下。它常被用于高频低压开关电路或 高频低压整流电路中。
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Ic RL
C
Rb B
T1
U CE
U CC
E
• 但需要指出的是，电力半导体器件在
开关状态转换过程时并不是瞬时完成
的（所需时间称开关时间），而是要
图1-1：简单的bjt电路
经过一个转换过程（称开关过程）
•例如，图1-1所示电路中 RL 5 ，UCC 50V，当工作在饱和导通状态时管
压降，UCE0.3V ，T 1 的管耗 PT1ICUCE (U C/C R L ) U C E 1 0 0 .3 3 W ，T 1 截止的漏
图1-3二极管伏安特性
1.2.2 功率二极管开关特性
功率二极管开通时 间很短，一般可以忽略 不计，但二极管的关断 过程较复杂，对电路的 影响不能忽视。
二极管关断过程的波形
研究二极管关断过程的电路
2020/5/7
• 关断过程的三个时间段 。
• 反相恢复时间，反相恢 复电流。
1.3
功率晶体管
BJT是一种双极型半导体器件，即其 内部电流由电子和空穴两种载流子形 成。基本结构有NPN和PNP两种。
电流 设 IC
I5CA，0，则即T 1截的止管时耗的I管C U 耗CP E TIC 1 (U 0C C 。IC 如R L )果5 T 1(5 工作 0 5 在5 线) 性7放W 5 。大状态时，
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从使用角度出发，主要可从以下五个方面考查电力半导体 器件的性能特点： 导通压降 运行频率 器件容量 耐冲击能力 可靠性 此外，诸如控制功率、可串并联运行的难易程度、价格等 等也是选择电力半导体器件应考虑的因数。
1.2 功率二极管
• 1.2.1 二极管工作 原理与伏安特性
• 它具单向导电性 • 当外加正向电压（P区加正、
N区加负）时，PN结导通，形 成电流 • 二极管外加反向偏压（P区加 负、N区加正）时,所以反向 电流非常小. • 二极管的伏安特性如图1-3所 示。
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图1-2二极管耗尽层与少数载流子浓度 分布
: 500 V , 100 A
SIT
: 800 V
,
60 A
; 1.2kV
,
28 A
IGBT : 4500 V , 2800 A
在整流管类 中，快速恢 复二极管将 有较大的发 展
在高压直流 输电中，晶 闸管（光控 晶闸管）将 有很好的发 展机遇。
在功率晶体 管类中，以 IGBT发展最 为迅速
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◤当基极回路输入一幅值为UP（UP>>UBB） 的正脉冲信号时，基极电流立即上升
: 2.5kV , 1kA , 30μ s •
:1.2kV , 1kA
GTO : 4 .5 kV , 3kA ; 8 kV , 1kA
自关断型
MCT
: 4kV , 2.5kA
SITH : 2 kV , 600 A
BJT : 1200 V , 600 A
•
功率晶体管
功率
MOSFET
制造材料分类 有锗管、硅管等等
从导电机理分类 有双极型器件、单极型器件、混合型器件等等
从控制方式来分类 可分为不可控器件、半可控器件和全可控器件三类器件
1.1.2 电力半导体器件使用特点
• 电力半导体器件稳态时通常工作在饱 和导通与截止两种工作状态。
• 饱和导通时，器件压降很小，而截止 时它的漏电流小得可以忽略，这样在 饱和导通与截止两种工作状态下的损 耗都很小，器件近似于理想的开关
路
C
β称为共射极电路的电流放大倍数。若接
RB B
T1
UCE
UCC 近于1，则β的数值会很大 ,它反映了BJT
E
UBB
RL
的放大能力，就是用较小的基极电流IB可 以控制大的集电极电流IC
（c）共集电极电路
202BJT共发射极电路的 输出特性
◤该图表示集电极电流IC 与集射极电压UCE的 关系，其参变量为IB，特性上的四个区域反映 了BJT的四种工作状态。◢
第1章 电力半导体器件
1.1 电力半导体器件种类与特点 1.2 功率二极管 1.3 功率晶体管 1.4 功率场效应管 1.5 绝缘栅极双极型晶体管 1.6 晶闸管 1.7 晶闸管的派生器件 1.8 主要电力半导体器件特性比较
1.1 电力半导体器件种类与特点
1.1.1 半导体器件分类
从功率等级来分类 有微功率器件、小功率器件、大功率器件等等
◤在晶体管关断状态时，基极电流IB＝0，集 电极发射极间电压即使很高，但发射结与集电 结均处于反向偏置，即UBE≤0，UBC<0，发射结 不注入电子，仅有很少的漏电流流过，在特性 上对应于截止区（I区），相当于处于关断状 态的开关。 ◢
◤当发射结处于正向偏置而集电结仍为反向偏 置时，即UBE>0，UBC<0，随着IB增加，集电极 电流IC线性增大，晶体管呈放大状态，特性上
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1.1.3 电力半导体器件发展水平
电力半导体器件
整流管
普通整流管 : 3KV , 6 KA
快速恢复二极管
: 1 .2 KV
, 450 A , 0.25μ s
•
肖特基二极管 : 100 V , 3KA
晶闸管
换流关断型
普通晶闸管
快速晶闸管
双向晶闸管
: 5kV , 4kA , 12 kV , 1kA
对应线性放大区（II区）。◢
◤当基极电流IB>（IC /β）时，晶体管就充分 饱和了。这时发射结和集电结都是正向偏置， 即UBE>0，UBC>0，电流增益和导通压降UCE均达 到最小值，BJT进入饱和区（IV区）。BJT工作 在饱和区，相当于处于导通状态的开关。◢
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BJT的开关特性
图1-11 BJT的开关特性
图 1
C
RB B
T1
UCE
UBE
E
UCC
α IC / IE
- BJT
8
UBB
（a）共发射极电路
α 系数 是共基极电路的电流放大倍
U CE
数，亦称电流传输比
三 种 基 本
RB
E T1 C
RL
B
U EB
U CB
U CC
U BB
IIC BIEI CIC1 IC IC /I/E IE1
电
（b）共基极电I路c
为了提高BJT耐压，一般采用NPvN三 重扩散结构（图1-6）。
图1-6 BJT内部结构与元件符号 （a）BJT内部结构； （b）元件符号
功率晶体管BJT一般是指壳温为25℃时功耗 大于1W的晶体管
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图1-7 集电极耐压与单位发射面积电流密度 关系
1.3.2 工作原理及输出特性
Ic
RL