01第1章电力电子器件 基本模型 电力二极管 晶闸管
1电力电子器件1(二极管)
作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
(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。
承受的电压和电流决定的
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：
➢ 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
1.1.3 电力电子器件的分类
➢ 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
➢ 2. 动态特性
➢ 动态特性——因结电容的存在，三种状态之间的 转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压—电 流特性是随时间变化的
1.2.2 电力二极管的基本特性
➢ 开关特性——反映通态和断态之间的转换过程
➢ 关断过程：
➢ 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
➢ 在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明 显的反向电压过冲
度，分为以下三类：
(1) 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
1.1.3 电力电子器件的分类
(2) 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
(整理)1.1电力电子器件的基本模型1.2电力二极管.
a)正向偏置转换为反向偏置b)零偏置转换为正向偏置
电容特性电感特性
电力二极管的动态过程波形
关断特性：
延迟时间：tD=t1-t0
电流下降时间：tf=t2-t1
反向恢复时间：trr=td+tf
开通特性：
电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tFR。
1)不可控器件—-器件本身不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路
电力二极管只有两个端子，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。
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
4.建设项目环境影响评价文件的分级审批3）电气图形符号
定性评价方法有：安全检查表、预先危险分析、故障类型和影响分析、作业条件危险性评价法、危险和可操作性研究等。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的，
（5）公众意见采纳与不采纳的合理性；
厦门职业技能学院教案纸
教学内容、方法和过程
附记
2、二极管PN结的单向导电性
2)双极型器件——由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。
3)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。
图2电力电子器件分类树
小结：
1、电力电子器件的模型与特征。
2、电力电子器件的分类。
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教学内容、方法和过程
附记
1、2电力二极管一、电力二极管的工作原理
电力二极管和晶闸管
晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b工作原理)
产生注入门极的触发电流IG的电路
触发
门极触发电路
对晶体管的驱动
IGIB2 IC2（IB1） IC1 IB2 ———————
*
晶体管工作原理如以下方程所示
Ic1 = a1IA + ICBO1 (1-1)
雪崩击穿
因热量散发不出 PN结温度上升 过热烧坏
*
静态特性
电力二极管的伏安特性
电力二极管 静态特征
伏安特征
值定一到大压电向正
正向电流开始明显增加，处于稳定导通状态。
承受反向电压时
只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。
正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF为其正向电压降。
2、电力二极管的基本特性
反向电流IR
少子浓度很小，在温度一定时漂移电流的数值趋于恒定
PN结外加反向电压
N区流入
P区流入出
反向饱 和流IS
高 电 阻
几 乎 没 有 电 流 流 过
PN结的反向截止状态
*
PN结的反向击穿 齐纳击穿 热击穿
反向电流 急剧增大
破坏PN结反向偏置 为截止的工作状态
Power Electronics
控制电路
主电路
电力电子系统
检测电路：
检测主电路或应用现场信号
通过驱动电路 控制
*
主电路
驱动电路
检测电路
控制信号
电气隔离
电气隔离
电气隔离
电气隔离
电气隔离
保护电路 ：保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行
*
1）按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度
第1章 电力电子器件概述(研究生).ppt1
状态 参数
电流 正向导通 正向大 反向截止 几乎为零 反向击穿 反向大
电压
阻态
维持1V
低阻态
反向大
高阻态
反向大
——
二极管的基本原理就在于PN结的单向
导电性这一主要特征。
1-15
1.2.2
1) 静态特性
电力二极管的基本特性
I IF
O UTO
UF
U
电力二极管的伏安特性
1-16
1.2.2
通态（峰值）电压UT
——晶闸管通以某一规定倍数的额 定通态平均电流时的瞬态峰值电压。
1-27
2）电流定额
1.3.3
晶闸管的主要参数
通态平均电流 IT(AV） ——在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定
结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电 流的参数。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。
1-10
1.1.3
电力电子器件的分类
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。
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。
1-11
1.2
不可控器件—电力二极管
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 1.2.2 电力二极管的基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数
(2)器件所在电路的运行条件（电路结构、负载性质、
控制信号、开关频率、环境温度和冷却条件等）。
前一个因素属于器件的设计制作，后一个因素则与器件
的选择和使用有关。
1-6
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件课件2
曲线族。Ig＝0时，逐渐增大阳极电压Ua， 只有很小的正向漏电流，晶闸管正向阻断； 随着阳极电压的增大，当达到正向转折电压 UBO时，漏电流突然剧增，晶闸管由正向阻断突
变为正向导通状态。这种在Ig＝0时，依靠增大 阳极电压而强迫晶闸管导通的方式称为“硬开
URO——反向击穿电压
通过控制信号既可以控制其导通,又可以控制其关断的 电力电子器件称为全控型器件.常用的有门极可关断晶 闸管,大功率晶体管,功率场效应管,绝缘栅双极型晶体管, 静电感应晶体管及静电感应晶闸管等.
根据器件内部载流子参与导电的种类不同全控型器件又 分为单极型,双极型和复合型.
第3页，共43页。
1.1 普通晶闸管
第16页，共43页。
1.2 全控型电力电子器件
1.2.2 电力晶体管
⑤饱和压降UCES：GTR工 作在深饱和区时，集射 极间的电压值。
⑥共射直流电流增益β： β＝IC/IB表示GTR的电 流放大能力。
⑦动态参数如图2.2.5 开通时间 ton=td+tr 关断时间 toff=ts+tf
第17页，共43页。
第5页，共43页。
1.1 晶闸管
综述：晶闸管的导通条件是 晶闸管的内部结构和等效电路 阳极与阴极之间为正偏和 门极与阴极之间为正偏。 晶闸管导通后，即使撤除 门极驱动信号Ug，也不能使
晶闸管关断，只有设法使阳极
电流Ig减小到维持电流IH以
下，导致内部已建立的正反馈 无法维持，晶闸管才能恢复阻 断能力。门极电压只能触发晶 闸管开通，不能控制它的关断， 故称为半控型器件。
3、GTO有能承受反压和不能承受反 压两种类型，使用时应注意。
常用的GTO驱动电路。
a图中，T导通时，E经过T使GTO触发导 通，同时C被充电，极性左＋右－。当 T关断时，C经L、SCR、GTO阴极、GTO 门极放电，反向电流使GTO关断。
电力二极管与晶闸管幻灯片PPT
绪论
三、电力电子技术的应用
1〕一般工业
直流电动机调速，交流电机的变频调速，电化学工业，冶金工业中的高频或中频 感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源
信设备中的高频开关电源。大型计算机、微型计算机内部的电源现在也都采用高
频开关电源。在各种电子装置中采用高频开关电源。
5〕家用电器 变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一。电视 机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源局部也都需要电力电子技术。此外， 有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。
个重要特征。 电力电子技术归属于电气工程学科 电气工程学科中一个最为活泼的分支，其不断进步给电气工程的现代化
以巨大的推动力。 控制理论广泛用于电力电子技术，使电力电子装置和系统的性能满足各
种需求 电力电子技术可看成“弱电控制强电〞的技术，是“弱电和强电的接口
〞，控制理论是实现该接口的强有力纽带。
2〕交通运输
电气化铁道中，电动汽车 飞机、船舶的电源等。
3〕电力系统：直流输电，柔性交流输电〔FACTS〕，无功补偿和谐波抑制，晶闸
管控制电抗器〔TCR〕、静止无功发生器〔SVG〕、有源电力滤波器〔APF〕、
电
能
质
量
控
制
等
。
4〕电子装置用电源 各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通
射和射频干扰小。
绪论
五、 电力电子器件的概念和特征 (1) 主电路〔main power circuit〕——电气设备或电力系统中，直接
第1章--电力晶体管和晶闸管PPT课件
A
P1
N1 N1
P2
P2
N2
K a)
A
IA PNP
V1 G IG Ic1
Ic2 R
NPN V2
S
EG
IK
EA
K
b)
图1-4 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
a) 双晶体管模型 b) 工作原理
〔具体描述〕如果IG(门极电流)注入V2基极，V2导通，产生IC2（ β2IG ）。它同时 为V1的基极电流，使V1导通，且IC1= β 1IC2,IC1加上IG进一步加大V2的基极电流， 从而形成强烈的正反馈，使V1V2很快进入完全饱和状态。此时SCR饱和导通，通
开路情况下，不使元件从断态到通态转换的最大 阳极电压上升率称为断态电压临界上升率。
5）通态电流临界上升率di／dt ：在规定条件下，
晶闸管在门极触发开通时所能承受不导致损坏的 通态电流最大上升率称为通态电流临界上升率。
.
27
六、晶闸管门极伏安特性及主要参数
1、门极伏安特性 指门极电压与电流的关系， 晶闸管的门极和阴极之间只 有一个PN结， 所以电压与 电流的关系和普通二极管的 伏安特性相似。门极伏安特 性曲线可通过实验画出，如 图1-6所示。
➢ SCR一旦导通，门极G将失去控制作用，即无论EG如何，均保持导通状态。SCR 导通后的管压降为1V左右，主电路中的电流I由R和RW以及EA的大小决定；
➢ 当UAK<0时，无论SCR原来是什么状态，都会使R熄灭，即此时SCR关断。其实， 在I逐渐降低（通过调整RW）至某一个小数值时，刚刚能够维持SCR导通。如果 继续降低I，则SCR同样会关断。该小电流称为SCR的维持电流。
为门极触发电流IGT，相应的门极电压称为门极触 发电压UGT。
第1章电力电子器件1
肖特基势垒二极管：由金属半导体结构成，为多数载流 子器件，它具有低导通电压和极短的开关时间。但反 向漏电流大和阻断电压低是其缺点。主要用于高频、 低压的场合，如小开关电源中。
2020/4/5
西南交通大学峨眉校区电气工程系
3) 不可控器件
包括电力二极管（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。
2020/4/5
西南交通大学峨眉校区电气工程系
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1.2 不可控器件——电力二极管
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 1.2.2 电力二极管的基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型
2020/4/5
西南交通大学峨眉校区电气工程系
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1.1.2 电力电子器件的发展
功率半导体器件的发展经历：
1. 大功率二极管产生于20世纪40年代，是功率半导体器件中结构最 简单、使用最广泛的一种器件。目前已形成整流二极管(rectifier diode)、快恢复二极管(fast recovery diode)和肖特基二极管 (schottky barrier diode)等3种主要类型。
PN结的正向导通状态： 电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在 1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。
PN结的反向截止状态： PN结的单向导电性，二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性 这一主要特征。
PN结的反向击穿： 有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。
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。 结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD 。
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天津冶金职业技术学院教案( 首页)
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图1.3.2 晶闸管的内部结构和等效电路
）导通：阳极施加正向电压时→给门极G也加正向电压T I I
图1.3.6 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
1.4 可关断晶闸管
可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor)简称GTO。
天津冶金职业技术学院教师授课教案
沟道
沟道
MOSFET
耗尽型：
增强型:
耗尽型
增强型
之间就存在导电沟道；
才存在导电沟道
1. IGBT的结构
图1.7.1 IGBT的结构、简化等效电路与电气符号
IGBT的结构如图1.7.1(a)所示。
它是在VDMOS管结构的基础上再增加一
个P+层，形成了一个大面积的P+N结
1
J，和其它结
2
J、
3
J一起构成了一个相当
于由VDMOS驱动的厚基区PNP型GTR;简化等效电路如图1.7.1(b)所示。
电气符号如图1.7.1（c）所示GBT有三个电极:集电极Ｃ、发射极Ｅ和栅极Ｇ。
2. IGBT的工作原理
IGBT也属场控器件，其驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种由栅电压GE
U控制集电极电流的栅控自关断器件。
1.7.2 缘栅双极型晶体管的特性
IGBT的伏安特性和转移特性
图1.7.2 IGBT的伏安特性和转移特性
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构，如图1.8.4(a)。
）三极：阳极A 、阴极、栅极G ，
）原理：
栅极开路，在阳极和阴极之间加正向电压，有电流流过SITH ；
在栅极G 和阴极K 之间加负电压，G-K 之间PN 结反偏，在两个栅极
图1.9.5 GTO 的基本驱动电路
2）导通和关断过程：图1.9.5(b)
导通时GTO 门极与阴极间流过负电流而被关断；由于GTO 的开通和关断均依赖于一个独立的电源，故其关断能力强且可控制，其触发脉冲可采用窄脉冲；3）图1.9.5(c)中，导通和关断用两个独立的电源，开关元件少，电路简单。
4）图1.9.5(d)，对于300A 以上的GTO ，用此驱动电路可以满足要求。
3．GTR 的驱动电路
1) 作用: 将控制电路输出的控制信号放大到足以保证GTR 可靠导通和关断 的程度。
构，如图1.8.4(a)。
2）三极：阳极A、阴极、栅极G，
3）原理：
栅极开路，在阳极和阴极之间加正向电压，有电流流过SITH；
在栅极G和阴极K之间加负电压，G-K之间PN结反偏，在两个栅极区之间的导电沟道中出现耗尽层，A-K间电流被夹断，SITH关断；
栅极所加的负偏压越高，可关断的阴极电流也越大。
构，如图1.8.4(a)。
）三极：阳极A 、阴极、栅极G ）原理：
栅极开路，在阳极和阴极之间加正向电压，有电流流过SITH ； 在栅极G 和阴极K 之间加负电压，G-K 之间PN 结反偏，在两个栅极 区之间的导电沟道中出现耗尽层，A-K 间电流被夹断，SITH 关断；
栅极所加的负偏压越高，可关断的阴极电流也越大。
图1.9.9 EXB8XX 驱动模块框图 1.9.3 保护电路 电力电子系统在发生故障时可能会发生过电流、过压，造成开关器件的永久性损坏。
过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。
检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。
检测系统电源输入、输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故1 . 过电流保护（过流包括过载和短路）
图1.9.11 电力电子系统中常用的过流保护方案措施：通常电力电子系统同时采用电子电路、快速熔断器、直流快速断
津冶金职业技术学院
教师授课教案
构，如图1.8.4(a)。
）三极：阳极A、阴极、栅极G，
天津冶金职业技术学院教师授课教案
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