电力电子器件概述(2)
第2章 电力电子器件概述 习题答案
第2章 电力电子器件概述 习题第1部分：填空题1. 电力电子器件是直接用于（主）电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。
2. 主电路是在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。
3.处理信息的电子器件一般工作于放大状态，而电力电子器件一般工作在（开关）状态。
4. 电力电子器件组成的系统，一般由（控制电路）、（驱动电路）、（保护电路）、（主电路）四部分组成。
5. 按照器件能够被控制的程度，电力电子器件可分为以下三类：（半控型）、（全控型） 和（不控型）。
6．按照驱动电路信号的性质，电力电子器件可分为以下分为两类：（电流驱动型） 和（电压驱动型）7. 电力二极管的主要类型有（普通二极管）、（ 快恢复二极管）、（肖特基二极管）。
8. 普通二极管又称整流二极管多用于开关频率不高,一般为（1K ）Hz 以下的整流电路。
其反向恢复时间较长，一般在(5us)以上。
9.快恢复二极管简称快速二极管，其反向恢复时间较短，一般在(5us)以下。
10.晶闸管的基本工作特性可概括为：承受反向电压时，不论（门极是否有触发电流），晶闸管都不会导通；承受正向电压时，仅在（门极有触发电流）情况下，晶闸管才能导通；晶闸管一旦导通，（门极）就失去控制作用。
要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流（降到接近于零的某一数值以下）。
11.晶闸管的派生器件有：（快速晶闸管）、（双向晶闸管）、（逆导晶闸管）、（光控晶闸管）。
12. 普通晶闸管关断时间（一般为数百微秒），快速晶闸管（一般为数十微秒），高频晶闸管（10us ）左右。
高频晶闸管的不足在于其（电压和电流定额）不易提高。
13.（双向晶闸管）可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。
14.逆导晶闸管是将（晶闸管）反并联一个（二极管）制作在同一管芯上的功率集成器件。
15. 光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用（一定波长的光照信号）触发导通的晶闸管。
光触发保证了主电路与控制电路之间的（绝缘），且可避免电磁干扰的影响。
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
电力电子器件概述
5. 反向恢复时间trr 6. 浪涌电流IFSM
1.2.4 主要类型
1. 普通二极管——又称整流二极管 1KHZ以下 数千安和数千伏以上
2. 快恢复二极管 5μs以下 3. 肖特二极管
1.3 半控型器件——晶闸管(SCR)
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
Id
1
2
3
Im
sin td
t
3
4
Im
0.24Im
I
1
2
Im
sin t
2
d
t
0.46Im
3
Kf
I Id
0.46 0.24
1.92
IT ( AV )
100 2
50
Id
1.57 50 1.92
41 A
Im
Id 0.24
41 0.24
171
A
⑵ 维持电流IH 使晶闸管维持通态所必需的最小主电流。 ⑶ 擎住电流IL ⑷ 浪涌电流ITSM
4. 光控晶闸管LTT
⑴又称光触发晶闸 管，是利用一定 波长的光照信号 触发导通的晶闸 管。
⑵光触发保证了主 电路与控制电路 之间的绝缘，且 可避免电磁干扰 的影响。
⑶在高压大功率的 场合占有重要地位。
1.4 典型全控型器件
门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。 20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。
不可控器件：电力二极管
半控型器件：晶闸管及其派生器件 全控型器件：功率场效应管、绝缘栅双极性晶体管、
门极可关断晶闸管
⑵ 按照控制信号性质可分为： 电流控制型 电压控制型：控制功率小
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)
2电力电子器件
37
晶闸管的派生器件
2.双向晶闸管
I+
I-
+
+
四种触发方式
I
+
-
-
-
IG = 0
0
U
-
-
+
Ⅲ-
+ +
Ⅲ+
触发灵敏度I+、Ⅲ-相对较高。 实际常用I+、Ⅲ-两种触发方式
38
晶闸管的派生器件
3.逆导晶闸管
K G
A I
0
I =0
G
U
是将晶闸管反并联一个二极管制作在同 一管芯上的功率集成器件。
电流驱动型
20
晶闸管的结构与工作原理
4.晶闸管的基本特点：
1） 晶闸管具有可控的单向导电性。
与二极管比较： 相同点——都具有单向导电性； 不同点——晶闸管的单向导电受门极控制。
2） 晶闸管属半控型器件。
门极只能用来控制晶闸管的导通，晶闸管导通后门极就失去控制作用。
3） 晶闸管具有开关作用。
导通——相当于开关闭合； 阻断——相当于开关断开。
能维持导通所需的最小阳极电流。 对同一晶闸管，通常IL约为IH的2~4倍。
30
2.电流定额
晶闸管的主要参数
正弦半波电流波形
通态平均电流IT(AV)
1
IT ( AV ) 2
0
Im
sin td (t )
Im
正弦半波电流的有效值
ITN
1
2
0
(Im
sint)2 d (t)
Im 2
波形系数Kf
有效值 Kf 平均值
电子行业电力电子器件综合概述
电子行业电力电子器件综合概述1. 引言电力电子器件是电子行业中的重要组成部分，用于控制和转换电能。
随着电力需求的不断增长，电力电子器件的应用范围也在不断扩大。
本文将对电力电子器件进行综合概述，包括其定义、分类、应用以及未来发展趋势等内容。
2. 电力电子器件的定义电力电子器件是指用于控制和转换电能的电子元件。
它可以将交流电转换为直流电，也可以将电能转换成其他形式，如机械能、光能等。
电力电子器件具有变流、变压、变频等功能，广泛应用于电力系统、工业控制、交通运输等领域。
3. 电力电子器件的分类电力电子器件根据其功能和工作原理的不同，可以分为以下几类：3.1 整流器整流器是一种将交流电转换为直流电的电力电子器件。
它使用半导体器件（如二极管、晶闸管等）将交流电的负半周或正半周去除，使输出电流呈现单向流动的特点。
整流器广泛应用于电力系统、工业设备以及电子产品中。
3.2 逆变器逆变器是一种将直流电转换为交流电的电力电子器件。
它通过控制半导体开关器件（如晶闸管、IGBT等）的开关状态，使直流电通过电路产生交流电输出。
逆变器广泛应用于可再生能源发电系统、电动车充电桩、家用电器等领域。
3.3 变频器变频器是一种可控制交流电频率的电力电子器件。
它通过调节半导体开关器件的开关频率，可以实现对交流电输出频率的调节。
变频器广泛应用于交通运输、工业生产等领域，如交流电机调速控制、电动车驱动系统等。
3.4 开关电源开关电源是一种通过开关器件在输入端和输出端之间进行快速切换来实现电能转换的电力电子器件。
开关电源具有高效率、小体积、稳定性好的特点，广泛应用于电子产品、通信设备等领域。
4. 电力电子器件的应用电力电子器件在电力系统、工业生产、交通运输、家用电器等领域都有广泛的应用。
在电力系统中，电力电子器件被用作电网稳定器、无功补偿装置、电力质量调节器等，提高电力系统的稳定性和效率。
在工业生产中，电力电子器件被用于电机调速、电力负荷控制、短路电流限制等，提高生产效率和质量。
电力电子器件概述PPT
2.3 半控型器件—晶闸管·引言
晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整 流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）
1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 1958年商业化。 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代 。 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量 的场合具有重要地位。
增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋
近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。
2.3.1 晶闸管的结构与工作原理
其他几种可能导通的情况：
阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光触发
光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电 力设备中，称为光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT）。
结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高 平均温度。 TJM通常在125~175C续一个或几个工频 周期的过电流。
2.2.4 电力二极管的主要类型
按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能， 特别是反向恢复特性的不同介绍。
2 I G I CBO1 I CBO2
IA
1 ( 1 2 )
（2-10）
在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来
之后， 迅速增大。(形成强烈正反馈，维持器件自锁导通
，不再需要触发电流)
阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于
两个晶体管漏电流之和。
电力电子器件原理
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轨道交通
在城市轨道交通中，电力电子器 件用于实现牵引供电和信号控制 。
在磁悬浮列车中，电力电子器件 可以实现高效的电机控制和能量 回收。
在高速铁路中，电力电子器件用 于实现列车牵引和供电系统的控 制。
在轨道交通的自动化和智能化方 面，电力电子器件也发挥着重要 的作用。
05 电力电子器件的未来发展
智能化与网络化的趋势
智能化
随着人工智能技术的发展，电力电子器件的智能化成为一种趋势。智能化能够提高电力电子系统的自适应性、可 靠性和容错性，实现更加高效和智能的能源管理。
网络化
通过互联网和物联网技术，将电力电子器件与智能终端、云计算等相互连接，实现远程监控、数据采集和智能控 制等功能。网络化的电力电子器件能够提高能源利用效率和可再生能源的接入能力，促进能源的可持续发展。
热特性
最大结温
指电力电子器件在工作过程中所允许的最高结温， 超过此温度将导致器件性能下降或损坏。
热阻
指电力电子器件在工作过程中因温度升高而产生 的热量传导阻力。
散热设计
为确保电力电子器件的正常工作，需要采取有效 的散热措施，如散热片、风冷或液冷等。
安全工作区
安全工作区
指在规定的电源电压和负载电流范围内，电力电子器件能够安全、可靠地工作 而不会发生损坏或性能下降的区域。
新材料与新工艺的应用
新材料
随着科技的发展，新型材料如碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN） 等在电力电子器件中的应用越来越广泛。这些新材料具有更高 的热导率、禁带宽度和击穿场强等特点，能够提高电力电子器 件的效率和可靠性。
新工艺
新型工艺技术如薄膜工艺、微纳加工技术等在电力电子器件 制造中逐渐得到应用。这些新工艺能够减小器件尺寸、降低 制造成本和提高集成度，为电力电子器件的发展提供了新的 可能性。
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整流二极管及模块
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
基本结构和工作 原理与信息电子 电路中的二极管 一样。
由一个面积较大 的PN结和两端引 线以及封装组成 的。
从外形上看，主 要有螺栓型和平 板型两种封装。
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。
1.1.4 本章学习内容与学习要点
本章内容:
介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以 及选择和使用中应注意的一些问题。 集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串、并联使 用这三个问题。
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。 可能会主电路的其它电路元件有特殊的要求。
A
K A
a)
K
A
K
PN
I
J
b)
A
K
c)
图1-2 电力二极管的外形、结构和电气 图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结的状态
状态参 数
电流 电压 阻态
正向导通
正向大 维持1V 低阻态
反向截止
几乎为零 反向大 高阻态
反向击穿
反向大 反向大 ——
uF 2V
0
b) tfr
t
图1-5 电力二极管的动态过程波形
a) 正向偏置转换为反向偏置
b) 零偏置转换为正向偏置
1.2.2 电力二极管的基本特性
关断过程
IF
diF
dt
trr
须经过一段短暂的时间才能重新获 UF
td
tf
得反向阻断能力，进入截止状态。
tF t0
t1 t2
电真空器件 (汞弧整流器、闸流管)
半导体器件 (采用的主要材料硅）
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：
能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子 器件。 电力电子器件一般都工作在开关状态。 电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件， 一般都要安装散热器。
制其关断。 全控型器件（IGBT,MOSFET)
——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。 不可控器件(Power Diode)
——不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不 需要驱动电路。
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。
➢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（两种形式）
雪崩击穿 齐纳击穿 均可能导致热击穿
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
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。 电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关 状态。
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）
——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。
2）分类:
第1章
电力电子器件
1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件——二极管
1.3 半控型器件——晶闸管
1.4 典型全控型器件
1.5 其他新型电力电子器件
1.6 电力电子器件的驱动
1.7 电力电子器件的保护
1.8 电力电子器件的串联和并联使用
本章小结及作业
第1章 电力电子器件·引言
电子技术的基础
——— 电子器件：晶体管和集成
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
1.2 不可控器件—电力二极管·引 言
➢ 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。
电力电子电路的基础
——— 电力电子器件
本章主要内容：
概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。 介绍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问题。
1.1 电力电子器件概述
1.1.1 电力电子器件的概念和特征 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
路和控
制电路
控
制
控制电路
电
检测 电路
保护 电路
V1 LR
中附加 一些电 路，以 保证电 力电子 器件和
驱动
路
电路
V2
主电路
整个系 统正常 可靠运
电气隔离
行
图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
1.1.3 电力电子器件的分类
按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：
半控型器件（Thyristor） ——通过控制信号可以控制其导通而不能控
2) 动态特性
F
diF
dt
trr
——二极管的电压-电流特性随时 UF
td
tf
间变化的
tF t0
t1 t2
UR
t
diR
——结电容的存在
dt
延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1
u
IRP a)
URP
i
UFP
iF
反向恢复时间：trr= td+ tf
恢复特性的软度：下降时间与 延系迟数时，间用S的r表比示值。tf /td，或称恢复
1.2.2 电力二极管的基本特性
1) 静态特性
主要指其伏安特性
门槛电压UTO，正向电流 IF开始明显增加所对应的 电压。
与IF对应的电力二极管两 端的电压即为其正向电 压降UF 。
承受反向电压时，只有 微小而数值恒定的反向 漏电流。
I IF
O UTO UF
U
图1-4 电力二极管的伏安特性
1.2.2 电力二极管的基本特性
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件的损耗 通态损耗
主要损耗 断态损耗 开关损耗
开通损耗 关断损耗
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。
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