电力电子技术基础1—器件
电力电子技术ppt(1)
表1－1 晶闸管的正反向重复峰值电压标准等级 正反向 重复峰 值电压 / V 100 200 300 400 500 600 700 正反向 重复峰 值电压 / V 800 900 1000 1200 1400 1600 1800 正反向重 复峰 值电压 / V 2000 2200 2400 2600 2800 3000
电力电子技术
第一章 电力电子器件
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第一章 电力电子器件
第一节 电力电子器件概述 第二节 电力二极管 第三节 晶闸管的结构与工作原理
第四节 晶闸管的派生器件
第五节 全控型电力电子器件 第六节 半导体功率器件的选择 本章小结
1.1
电力电子器件概述
电力电子器件是电力电子技术及其应用系统的基础。
电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件 称为电力电子器件（Power Electronic Device ）。广义上 电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，本书涉 及的器件都是半导体电力电子器件 。
级 别 1 2 3 4 5 6 7
级 别 8 9 10 12 14 16 18
级 别 20 22 24 26 28 30
表1-2 晶闸管正向通态平均电压的组别
正向 通态 平均 电压 V 组别 代号 正向 通态 平均 电压 V 组别 代号
UT（AV） 0.4＜UT（AV）≤0.5 0.5＜UT（AV）≤0.6 0.6＜UT（AV）≤0.7 ≤0.4
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。
1.3.1 晶闸管的结构
目前常用的大功率的晶闸
管,外形结构有螺栓式和平 板式两种,如图1-4所示。
电力电子技术及其应用
电力电子技术及其应用概述：电力电子技术是电气工程领域中的一个重要分支，它通过研究和应用电子器件和电力系统，实现对电能的调节、变换和控制。
电力电子技术的发展为电力系统的可靠性、效率和可持续性提供了重要支持，广泛应用于能源转换、电力传输和分配、电动车辆和可再生能源等领域。
一、电力电子器件：电力电子器件是电力电子技术的基础，主要包括晶体管、二极管、功率模块等。
晶体管是电力电子领域最常用的器件之一，它能够实现电能的开关和放大。
功率模块则是由多个晶体管和二极管组成的集成电路，具有高功率密度和高效率的特点。
这些器件的研发和应用为电力电子技术的发展奠定了坚实的基础。
二、电力电子转换技术：电力电子转换技术是电力电子技术的核心内容，它通过将电能从一种形式转换为另一种形式，实现对电力系统的控制和调节。
常见的电力电子转换技术包括直流-直流变换、直流-交流变换和交流-交流变换。
直流-直流变换器能够将直流电压的大小和极性进行调节，广泛应用于电力系统的稳压和稳流控制。
直流-交流变换器则能够将直流电能转换为交流电能，实现交流电力系统的接入和调节。
交流-交流变换器则能够实现交流电能的频率和相位的调节，适用于电力系统的调频和调相控制。
三、电力电子应用：电力电子技术在现代社会中的应用非常广泛，主要体现在以下几个方面：1. 能源转换：电力电子技术在能源转换中发挥着重要作用。
通过电力电子转换装置，可以将不同形式的能源转换为电能，进而实现能源的传输和分配。
同时，电力电子技术还能够实现对能源的储存和再利用，提高能源的利用效率。
2. 电力传输和分配：电力电子技术在电力传输和分配中起到了关键作用。
通过电力电子装置，可以实现对电力系统的控制和调节，提高电力系统的稳定性和可靠性。
同时，电力电子技术还能够实现对电力系统的保护和故障处理，提高电力系统的安全性和可操作性。
3. 电动车辆：电力电子技术在电动车辆领域的应用日益广泛。
通过电力电子转换装置，可以实现对电动车辆电能的调节和控制，提高电动车辆的性能和效率。
电力电子技术
电力电子技术当今社会的发展离不开电力电子技术的支持。
电力电子技术是指将电力电子器件和电力电路拓扑应用到电力领域中的技术，主要应用于电力变换、电力传输、电力质量控制和电能利用等领域。
本文将介绍电力电子技术的基础原理、应用及发展趋势。
一、电力电子技术的基础原理电力电子技术的基础是电力电子器件。
电力电子器件指的是能够控制电能流动的器件，包括二极管、晶闸管、可控硅、绝缘栅双极性晶体管（IGBT）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等。
这些器件的特点在于其能够实现对电源电压、电流、频率、相位等参数的控制，从而实现电力电子产品的精准控制和调节。
电力电子器件的基本工作原理是控制电压和电流的方向和大小。
比如，晶闸管通过改变电压斩波角的方式，控制电流通过电路的情况；可控硅则通过控制正半周的电压斩波角和反半周的通导角度来控制电流通过电路的情况；IGBT则通过控制集电极电流和栅电极电压的方式，控制集电极电压和电流的大小。
二、电力电子技术的应用电力电子技术的应用越来越广泛，其主要应用领域包括以下几个方面：1、电力传输和变换在电力传输和变换中，电力电子技术能够实现变压器的比例变换、功率因数控制，减小电路开关的能量损耗，从而达到提高效率、控制电流、保护系统的目的。
常见的应用包括变频调速、变压器、稳压电源等。
2、电力控制电力电子技术可以实现电力控制，如调节电压、电机控制、电池充放电控制等。
电力电子技术还可以实现提高功率计量的准确性和反映电力质量的指标，如电流谐波、功率因数等。
3、新能源应用随着新能源的广泛应用，电力电子技术在太阳能、风能等新能源领域也有了广泛应用。
例如，太阳能光电池的控制可以用到电力电子技术，能够实现太阳能光电池的效率和输出电压的调节。
4、电力质量控制电力电子技术可以帮助实现电力传输过程中的质量控制。
例如，电力电子技术可以帮助实现通过控制谐波电流降低电网电流的谐波污染；通过控制谐波电压稳定电网的电压。
《电力电子技术基础》课程复习(打印版)
1) 电流驱动型 2) 电压驱动型
通过从控制端注入或抽出电流，来实现开通、 关断控制。GTR、GTO
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， IGBT，MOSFET。
3、按器件内部参与导电的载流子情况
1) 单极型器件 2) 双极型器件 3) 复合型器件
由一种载流子参与导电的器件，如MOSFET 由电子和空穴两种载流子参与导电，如：GTR 由单极型器件和双极型器件集成混合成，IGBT
尾部
时间
时间
O
¾ 关断过程（与晶闸管不同） ①储存时间ts: 抽取饱和导通时储
存的大量载流子，退出饱和。
②下降时间tf: 双晶体管已退至放
大区，阳极电流逐渐减小。
③尾部时间tt: 残存载流子复合。
t
iA
IA 90% IA
td tr
储存 时间
ts tf
tt
10% IA
0t t
t
0
1
2
t t tt
3
4
5
电压和电 流决定的。
4
《电力电子技术基础》课程复习
河南科技大学《电力电子技术》课件
第1章 绪论
1.1 什么是电力电子技术
一、电力电子技术的定义
信息电子技术
用于信息处理; 器件一般工作于放大状态，也可开关状态。
电力电子技术
主要用于电力(电能)变换; 器件处于开关状态。
• 电力电子技术: 使用电力电子器件 对电能进行变换 和控制的技术。即应用于电力领域的电子技术。
5
《电力电子技术基础》课程复习
河南科技大学《电力电子技术》课件
第2章 电力电子器件
2.1 电力电子器件概述
《电力电子技术》第2章 电力电子器件
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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
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
10/89
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。
(完整)《电力电子技术》复习资料
电力电子技术第五版复习资料第1章绪论1 电力电子技术定义：是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，是应用于电力领域的电子技术,主要用于电力变换。
2 电力变换的种类（1）交流变直流AC-DC：整流（2）直流变交流DC—AC：逆变（3)直流变直流DC—DC:一般通过直流斩波电路实现（4）交流变交流AC-AC：一般称作交流电力控制3 电力电子技术分类:分为电力电子器件制造技术和变流技术。
第2章电力电子器件1 电力电子器件与主电路的关系(1）主电路:指能够直接承担电能变换或控制任务的电路.(2）电力电子器件:指应用于主电路中，能够实现电能变换或控制的电子器件.2 电力电子器件一般都工作于开关状态，以减小本身损耗。
3 电力电子系统基本组成与工作原理（1）一般由主电路、控制电路、检测电路、驱动电路、保护电路等组成。
（2）检测主电路中的信号并送入控制电路,根据这些信号并按照系统工作要求形成电力电子器件的工作信号。
（3）控制信号通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或关断.（4）同时,在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证系统正常可靠运行.4 电力电子器件的分类根据控制信号所控制的程度分类(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的电力电子器件。
如SCR晶闸管。
（2)全控型器件：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。
如GTO、GTR、MOSFET 和IGBT.（3）不可控器件:不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。
如电力二极管.根据驱动信号的性质分类(1）电流型器件：通过从控制端注入或抽出电流的方式来实现导通或关断的电力电子器件。
如SCR、GTO、GTR.（2)电压型器件：通过在控制端和公共端之间施加一定电压信号的方式来实现导通或关断的电力电子器件。
如MOSFET、IGBT。
根据器件内部载流子参与导电的情况分类（1）单极型器件：内部由一种载流子参与导电的器件。
电力电子技术-电力电子器件的原理与特性
IR
Vo
VS +
-
IZ
DZ
RL
(a)整流
(b)续流
(c)限幅
(d)钳位
图2.6 二极管的整流、续流、限幅、钳位和稳压应用
(e)稳压
本章内容
2.3 晶闸管（SCR）
2. 3 晶闸管
一、名称 ➢晶闸管 （Thyristor） ➢可控硅
（SCR）
二、外形与符号 ➢螺栓式结构 (<200A) ➢平板式结构 (>200A)
• N型半导体： 掺入微量5价元素（磷、锑、鉮等）
自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。 • P型半导体：
掺入微量3价元素（硼、镓、铟等） 空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。
半导体基础知识
器件原理
• PN结（异型半导体接触现象） • （1）扩散运动（多数载流子）
自由电子由 N区 向 P区 空 穴由 P区 向 N区 （2）漂移运动（少数载流子） 与扩散运动相反
三、SCR的工作原理（续）
（2）按晶体管原理可得：
IA
2 I G I CBO1 I CBO2 1 ( 1 2 )
其中： α1、α2分别是晶 体管T1、T2的共基极电 流增益； ICBO1、ICBO2分 别是晶体管T1、T2的共 基极漏电流。
❖双极型器件：有两种载流子参与导电，如二 极管、 晶闸管、GTO、GTR、IGCT、SITH等。
❖复合型器件：由MOSFET与晶体管、晶闸管复 合而成，如IGBT、IPM、MCT等。
➢ 按门极驱动信号的种类（电流、电压）分类： ❖电流控制型器件 如晶闸管、GTO、GTR、 IGCT、SITH等
❖电压控制型器件 如MOSFET、IGBT、IPM、 SIT、MCT等
《电力电子技术》复习资料
《电力电子技术》复习资料一 电力电子器件1. 要点：① 半控器件：晶闸管（SCR ）全控器件：绝缘栅双极型晶体管（IGBT ）、电力晶体管（GTR ）、 门极关断晶闸管（GTO ）、电力场效应管（MOSEFT ） 不可控器件：电力二极管各器件的导通条件、关断方法、电气符号及特点。
②注意电流有效值与电流平均值的区别： 平均值：整流后得到的直流电压、电流。
有效值：直流电压、电流所对应的交流值。
波形系数：K f =有效值/平均值 。
③电力电子技术器件的保护、串并联及缓冲电路： du /dt ：关断时，采用阻容电路（RC ）。
di/dt ：导通时，采用电感电路。
二 整流电路1. 单相半波电路：① 注意电阻负载、电感负载的区别： ② 有效值与平均值的计算：平均值：整流后得到的直流电压、电流。
21cos 0.452d U U α+=d d U I R=有效值：直流电压、电流所对应的交流值。
U U =U I R = 波形系数：电流有效值与平均值之比。
f dIk I =② 注意计算功率、容量、功率因数时要用有效值。
③ 晶闸管的选型计算：Ⅰ求额度电压：2TM U =，再取1.5~2倍的裕量。
Ⅱ 求额度电流（通态平均电流I T （AV ）） 先求出负载电流的有效值（f d I k I =）； →求晶闸管的电流有效值（I T =I ）；→求晶闸管的电流平均值（()/T AV T f I I k =），再取1.5~2倍裕量。
2. 单相全桥电路负载：①注意电阻负载、电感负载和反电动势负载的区别： ② 电阻负载的计算：α移相范围：0~π负载平均值：整流后得到的直流电压、电流。
（半波的2倍）21cos 0.92d U U α+=d d U I R=负载有效值：直流电压、电流所对应的交流值。
U U =U I R = 晶闸管:电流平均值I dT 、电流有效值I T :dT d12I I =T I =③ 电感负载的计算：Ⅰ加续流二极管时，与电阻负载相同。
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t
O
t
trr
URRM t gr
开通过程（特性图) 延迟时间 td ：门极电流阶跃时刻开始，到阳极 电流上升到稳态值的10%的时间
上升时间 tr ：阳极电流从 10% 上升到稳态值的 90%所需的时间
开通时间ton以上两者之和，
ton=td+ tr
（1-6）
普 通 晶 闸 管 延 迟 时 间 为 0.5~1.5s ， 上 升 时 间 为 0.5~3s
反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损 耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度
电力电子技术基础
——PD的分类 肖特基二极管的优点
反向恢复时间很短（10~40ns）
其正向压降也很小，明显低于快恢复二极 管
其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极 管还要小，效率高
适用频率：1MHz
——SCR的特性 晶闸管的阳极伏安特性
该特性表示阳阴极之间的电压UAK与阳极电流IA之间的关系。 第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性
IA 正向 导通
URSM URRM -U A
IH O
IG2
IG1
IG=0 +UA
UDRM Ubo UDSM
雪崩 击穿
- IA
IG2>IG1>IG
（1）正向特性
iA 100% 90%
10% uAK 0 td tr t
IRM
O
t
trr
URRM t gr
——SCR的主要参数
1. 电压定额 1) 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。 2) 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。 规定：重复频率为50次/s，电压持续时间为10ms以内。 3)额定电压——通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标 值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一 定裕量 , 一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰 值电压2~3倍 4) 通态（峰值）电压UTM——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。
图1-5 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
此时若撤掉外加门极电流IG，由于内部已形成了正反馈，并且反馈电 流IC1>>IG，V1、V2可以相互维持导通。
——SCR的结构和工作原理
SCR为半控器件：通过门极只能使SCR触发导通，而不能控 制其关断。 如何使SCR关断：设法使阳极电流IA减小到小于维持电流IH （接近于零的某一数值），解除正反馈；A-K间施加反压。
——SCR的结构和工作原理
晶体管的触发导通正反馈原理 ：V1实际上为V2构成了正反馈电路， 在A-K间加正向电压情况下，若外电路向门极注入电流IG：
IG
IB2
IB2
IC2 (IB1 ) IC1
如此不断地对电流放大，形
成强烈的正反馈，很快使
V1、V2进入饱和导通状态， 即晶闸管导通，A-K间压降约1V 左右。此过程称作门极触发。
电力电子技术基础
——SCR的主要参数
i
Im IT(AV) 0
t
——SCR的主要参数
电流平均值的定义
1 Id T
电流有效 值的定义 波形系数 的定义
T
0
1 i (t )dt 2
2
0
i (t )d (t )
2
1 I 2
2
0
(i(t )) d (t )
I Kf Id
电力电子技术基础 2) 关断过程（改变A-K极的电压极性）
反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电 流衰减至接近于零的时间 正向阻断恢复时间 tgr ：由于载流子复合慢，晶闸管 要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间 在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正 向电压，晶闸管会重新正向导通而不受门极电流 控制而导通，即误导通 实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向 电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能 力，电路才能可靠工作 关断时间toff：trr与tgr之和，即 toff=trr+tgr （1-7) 普通晶闸管的关断时间约几百微秒。
IF t rr U
F
td
tf t
I RP
U
RP
电力电子技术基础
——动态特性参数
IF
t rr
U
F
td
tf t
I RP
U
RP
反向电流延迟时间：td , 反向电流下降时间：tf 反向恢复时间：trr= td+ tf
电力二极管的主要参数
电力电子技术基础
电力电子二极管（General Purpose Diode）
IA
正向 导通
UA
URSM URRM
IH
O
IG2
IG1
IG=0
UDRM Ubo +UA UDSM
雪崩 击穿
-IA
2. 电流定额
——SCR的主要参数
1) 通态平均电流 IT(AV) -----额定电流
允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。额定
电流本来应按照正向电流造成的发热效应来定义。实
际选管时，需要考虑工作电流有效值（发热损耗）是 否会超过允许的定额。 器件的发热与有效值有关，晶闸管的通态平均电 流IT(AV)对应着一个有效值 I。 由于整流电路的形式和带负载性质不同，导通角 不同，流过晶闸管的电流波形不一样。 使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等 的原则来选取晶闸管的电流额定值，并留一定的 裕量，一般取1.5~2倍
Fundamentals of Power Electronics Technology
电力电子技术基础
第二部分
电力电子器件
6
1.1
功率二极管
电力二极管的结构和工作原理
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
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。
（2）反向特性
位于第III象限，反向特性类似 二极管的反向特性。 反向阻断状态时，只有极小的
URSMURRM
IA 正向 导通
IH O
IG2
IG1 IG=0 UDRM Ubo +UA UDSM
反相漏电流流过。
当反向电压达到反向击穿电压 后（雪崩击穿），外电路如无
UA
雪崩 击穿
限制措施，则反向漏电流急剧
A
K A I P J b) N K
K A a)
A
K
c)
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 ——
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
I IF
O UTO
UF
U
图1-3a 电力二极管的伏安特性
反向击穿电压
电力二极管的基本特性
——动态特性
主要反映电力二极管通态和断态之间转 换过程的开关特性
开关特性：PN结上存储有空间电荷和两种载流子，形成电荷 存储效应及结电容，直接影响着二极管的动态开关特性 原处于正向导通状态的二极管的外加电压突然从正向变为反 向时，二极管不能立即关断，而是经过短暂的时间才能重新 获得反向阻断能力，进入截止状态。
IG=0 时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，
只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限 即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通
随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿 晶闸管本身的压降很小，在1V左右
导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接 近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断 状态。IH称为维持电流。（伏安特性图）
增大，可能导致晶闸管发热损 坏。
-IA
图1-6 晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
晶闸管的门极伏安特性
晶闸管的门极触发信号是作用于G-K之间的， 触发电流是从门极流入，从阴极流出的。阴极是晶闸管主电路
与控制电路的公共端。从晶闸管的结构图可以看出，门极和阴
极之间是一个PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性。该特性 表示门极电压UGK与门极电流IG之间的关系。为保证可靠、安 全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在 器件所要求的范围内。
又称整流二极管（Rectifier Diode）
多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中
其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关 频率不高时并不重要 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分 别可达数千安和数千伏以上
电力电子技术基础
——PD的分类 2. 快恢复二极管（Fast Recovery Diode—— FRD）
均可能导致热击穿
电力二极管的基本特性
——静态特性
主要指其伏安特性
门槛电压 UTO，当电力二
极管承受的正向电压大到一定 值（ UTO ），正向电流IF才开 始明显增加，处于稳定导通状 态 与 IF 对应的电力二极管两端的 电压即为其 正 向 电 压 降 UF ,0.7~1.2V。 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Is。
i
Im IT(AV) 0
I T ( AV ) 1 T 1 i (t )dt T 0 2