电力电子器件介绍
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
电力电子器件大全及使用方法详解
电力电子器件大全及使用方法详解一、二极管二极管是一种常见的电力电子器件，它可以实现电流的整流功能。
二极管具有单向导电性，即只有当正向电压施加在二极管上时，电流才能够流过二极管。
二极管常用于交流电转直流电的整流电路中。
使用方法：将二极管的正极连接到正电压，负极连接到负电压即可。
需要注意的是，二极管具有正向电压降(Vf)，在正向导通状态下会有一定的电压降，需要根据实际需求选择合适的二极管。
二、晶闸管晶闸管是一种可控硅器件，具有正向导通和反向封锁两种状态。
晶闸管通过控制门极电流来实现正向导通状态，控制门极电流为零时处于反向封锁状态。
晶闸管常用于高功率电流的开关和整流电路中。
使用方法：将晶闸管的端子正确连接，再通过控制晶闸管的门极电流来控制其导通和封锁状态。
在选择晶闸管时，需要考虑其额定电压和额定电流是否满足实际需求。
三、功率场效应管(MOSFET)功率场效应管是一种电压控制的开关器件，具有低导通电阻、快速开关速度和高电压容忍等优点。
功率MOSFET广泛应用于直流-直流转换器、交流-直流变换器和电源开关等电力电子领域。
使用方法：将功率MOSFET的源极与负极连接，漏极与负载连接，控制其栅极电压来控制其导通和截止状态。
在选择功率MOSFET时，需要考虑其额定电压、额定电流和导通电阻等参数是否满足实际需求。
四、IGBTIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种中压、大功率的开关器件，它具有MOSFET和晶闸管的优点。
IGBT可以实现高压和高电流的控制，广泛应用于电力电子变换器、交流调速器和逆变器等领域。
使用方法：将IGBT的集电极与源极连接，发射极与负载连接，通过控制栅极电压来控制IGBT的导通和截止状态。
在选择IGBT时，需要考虑其额定电压、额定电流和导通电阻等参数是否满足实际需求。
总结：电力电子器件包括二极管、晶闸管、功率MOSFET和IGBT等，它们在电力电子领域中具有重要的应用。
电力电子器件基础知识
1.电力电子器件制造技术 是电力电子技术的基础，其理论基础是半导体物理。
3.控制技术——电力电子技术的关键
电力变换分四大类 交流变直流——整流（AC-DC变换器） 直流变交流——逆变（DC-AC变换器） 直流变直流——斩波（DC-DC变换器） 交流变交流——交交变换（AC-AC变换器）
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。
2）根据驱动信 号的类型
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。
二、晶闸管的导通和关断条件
〔简单描述〕晶闸管SCR相当于一个半可控的、可开不可关的单向开关。
图1-3 晶闸管的工作条件的试验电路
〔解释〕 当SCR的阳极和阴极电压UAK<0，即EA下正上负，无论门极G加什么电压，SCR始终处于关断状态； UAK>0时，且EGk>0，SCR才能导通。 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原来的状态，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的维持流。
3）根据内部导 电载流子分
单极型 ——器件内只有一种载流子（多数载流子）参与导电过程的半导体器件
双极型 ——器件内电子和空穴两种载流子都参与导电过程的半导体器件
混合型 ——是指单极型和双极型器件的集成混合
电子行业电力电子器件相关资料
电子行业电力电子器件相关资料1. 介绍电力电子器件是电子行业中的重要组成部分，主要用于控制和转换电力。
它们在电力传输、变换和分配中发挥着关键的作用。
本文档将介绍电力电子器件的主要类型、工作原理、应用领域以及相关的技术资料。
2. 电力电子器件的类型电力电子器件广泛应用于各个领域，包括能源转换、电力传输、电机控制等。
以下是一些常见的电力电子器件类型：2.1 变流器变流器是将交流电转换为直流电或将直流电转换为交流电的装置。
主要包括整流器和逆变器两种类型。
整流器将交流电转换为直流电，逆变器将直流电转换为交流电。
2.2 逆变器逆变器是将直流电转换为交流电的装置。
它通常用于交流电到直流电的转换，例如太阳能电池板和风力发电机输出的直流电转换为交流电以供家庭和工业使用。
2.3 储能器储能器是一种能够存储电能并在需要时释放的装置。
它通常用于平衡电力的供应和需求之间的不匹配，以及在电力系统中储存和释放能量。
2.4 整流器整流器是将交流电转换为直流电的装置。
它常用于将交流电转换为直流电以供稳定的电力需求。
2.5 逆变器逆变器是将直流电转换为交流电的装置。
它常用于将直流电转换为交流电以供各种电力设备使用。
3. 电力电子器件的工作原理电力电子器件的工作原理基于不同的电力转换和控制原理。
以下是一些常见的电力电子器件及其工作原理：3.1 变流器的工作原理变流器将交流电转换为直流电或将直流电转换为交流电，其工作原理基于开关器件的使用。
开关器件在不同的状态下打开和关闭，从而控制电流的流动。
逆变器将直流电转换为交流电，其工作原理也基于开关器件的使用。
开关器件通过调整开关频率和占空比来实现对输出波形的控制。
3.3 储能器的工作原理储能器通过将电能存储在电容或电感器中，并在需要时释放，实现对电力系统的能量平衡。
其工作原理基于能量的存储和释放。
整流器将交流电转换为直流电，其工作原理基于半导体器件的整流特性。
半导体器件只允许电流在一个方向上流动，从而实现对交流电的整流。
电力系统中的电力电子器件及其应用
电力系统中的电力电子器件及其应用在当今高度依赖电力的社会中，电力系统的稳定运行和高效发展至关重要。
电力电子器件作为电力系统中的关键组成部分，正发挥着日益重要的作用。
它们的出现和应用，为电力系统的优化、控制和能源转换带来了革命性的变化。
电力电子器件是一种能够对电能进行高效控制和转换的半导体器件。
常见的电力电子器件包括二极管、晶闸管、晶体管（如 MOSFET 和IGBT）等。
这些器件具有不同的特性和性能，适用于各种不同的电力系统应用场景。
二极管是最简单的电力电子器件之一，它只允许电流单向通过。
在电力系统中，二极管常用于整流电路，将交流电转换为直流电。
例如，在电源适配器中，二极管将交流市电整流为直流电，为电子设备提供稳定的电源。
晶闸管则是一种具有可控导通特性的器件。
通过施加合适的触发信号，可以控制晶闸管的导通和关断。
晶闸管在电力系统中的应用非常广泛，如用于高压直流输电系统中的换流器、无功补偿装置等。
通过控制晶闸管的导通角，可以实现对交流电压和电流的调节，从而达到控制无功功率和提高电能质量的目的。
MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是现代电力电子系统中常用的晶体管器件。
它们具有开关速度快、导通电阻小、驱动功率低等优点。
MOSFET 适用于高频、小功率的应用场景，如开关电源、电动汽车充电器等。
IGBT 则在中大功率的电力变换领域表现出色，如变频器、新能源发电系统中的逆变器等。
在电力系统中，电力电子器件的应用范围十分广泛。
首先，在发电环节，可再生能源的开发和利用离不开电力电子技术。
例如，太阳能光伏发电系统中，通过电力电子逆变器将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电并并入电网。
风力发电系统中，电力电子变流器用于控制风机转速，实现最大功率跟踪，同时将风机发出的交流电转换为符合电网要求的电能。
在输电环节，高压直流输电技术凭借其输电距离远、输电容量大、损耗低等优势，成为了远距离大容量输电的重要手段。
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。
电力电子器件概述
1.4.1 门极可关断晶闸管
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。 DATASHEET
32
1.4.1 门极可关断晶闸管
25
12.）3 双晶向闸晶管闸的管派（生Tr器io件de AC Switch——TRIAC
或Bidirectional triode thyristor）
可认为是一对反并联联 接的普通晶闸管的集成。 T1
有两个主电极T1和T2，
一个门极G。
G
T2
I O
IG =0 U
在第Ｉ和第III象限有对
a)
b)
电压降低。
雪崩
击穿
晶闸管本身的压降很小，在1V左右。
IA 正向 导通
IH
IG2 IG1 IG=0
O
U UDRM bo+UA
UDSM
正向不可重复峰值电压UDSM ，正向 可重复峰值电压UDRM
-IA
晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
13
反向特性
IA 正向 导通
反向特性类似二极管的反
向特性。
- URSMURRM
闸管为半控型器件。 (4) 为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一
定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或 反向的方法来实现。
10
2. 晶闸管的工作原理
A
P1
N1
N1
G
P2
P2
N2
K
A
IA
电力电子器件
电力电子器件电力电子器件(Pｏｗer EｌectroｎｉｃDeviｃe）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。
主电路：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。
电力电子器件的特征◆所能处理电功率的大小,也就是其承受电压和电流的能力,是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。
◆为了减小本身的损耗，提高效率,一般都工作在开关状态。
◆由信息电子电路来控制，而且需要驱动电路。
◆自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。
电力电子器件的功率损耗断态损耗通态损耗:是电力电子器件功率损耗的主要成因。
开关损耗:当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。
分为开通损耗和关断损耗。
电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。
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:指晶闸管（Ｔｈyrｉstor）、快速晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管、双向晶闸管。
◆全控型器件：IＧBT、ＧＴO、GTR、MＯSFEＴ。
◆不可控器件:电力二极管(Ｐｏwer Dioｄe)、整流二极管。
按照驱动信号的性质◆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。
Ｔhyrｉｓteｒ,GTR，GTO。
◆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。
电力MOSFET，IGBT，SＩT。
按照驱动信号的波形(电力二极管除外)◆脉冲触发型：通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。
晶闸管,SＣR,GTO。
◆电平控制型:必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在通断状态。
GTR,ＭOSFEＴ,IGBT。
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。
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P区
N区
converteam 作者：周宇
电力电子器件介绍
一、PN结的形成
在交界面，由于两种载流子的浓度差，出 现扩散运动。 converteam 作者：周宇
电力电子器件介绍
一、PN结的形成 耗尽层
空间电荷区
在交界面，由于扩散运动,经过复合,出现空
间电荷区
converteam 作者：周宇
电力电子器件介绍
注意
空杂穴质-半-导--体多中子，;多子的浓度决定于掺杂原子的浓度； 电子----少子少.子的浓度决定于温度。
converteam 作者：周宇
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1.1.3 PN结
采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作 在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。PN结 具有单向导电性。
一、PN结的形成
0.4 0.8
converteam 作者：周宇
UBE(V)
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2. 输出特性
此区域满4 足IC=IB 称为线性3 区（放大 区）。 2
IC(mA )
IICC只=1与I0B0。IB有A 关， 80A 60A 40A
1
20A
IB=0
3 69
converteam 作者：周宇
12 UCE(V)
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1.1.2 杂质半导体
一、N型半导体
在纯净的硅晶体 中掺入五价元素 （如磷），使之取 代晶格中硅原子的 位置，就形成了N 型半导体。
电子----多子; 空穴----少子.
converteam 作者：周宇
电力电子器件介绍
1.1.2 杂质半导体 二、P型半导体
在纯净的硅晶体 中掺入三价元素 （如硼），使之取 代晶格中硅原子的 位置，就形成了P 型半导体。
集电极 c
b
基极
P N P
e
发射极
PNP型
converteam 作者：周宇
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• 双极型功率晶体管BJT的容量水平已达 1.8kV／lkA，频率为20kHz。
converteam 作者：周 宇
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• 双极型功率晶体管的工作原理
• 以NPN型双极型功率晶体管为例，若外电 路电源使UBC<0,则集电结的PN结处于反偏 状态；UBE>0,则发射结的PN结处于正偏状 态。此时晶体管内部的电流分布为：
-
+
-
+
-
+
-
பைடு நூலகம்
在外电场作用下，电子的定向移动形成电流
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+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流
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总结
1.本征半导体中载流子为电子和空穴; 2.电子和空穴成对出现,浓度相等; 3.由于热激发可产生电子和空穴,因此半导 体的导电性和温度有关,对温度很敏感。
converteam 作者：周 宇
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• BJT的开关响应特性
converteam 作者：周 宇
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二、 晶体管的电流放大作用
放大是对模拟信号最基本的处理。晶体管是放大电路的核 心元件，它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失 真的放大输出，放大的对象是变化量。
晶体管工作在放大状 态的外部条件是发射结 正向偏置且集电结反向 偏置。晶体管的放大作 用表现为小的基极电流 可以控制大的集电极电 流。
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二、PN结的单向导电性
1. PN结外加正向电压时处于导通状态
加正向电压是指P端加正电压，N端加负电压， 也称正向接法或正向偏置。
converteam 作者：周宇
电力电子器件介绍
外电场
内电场
外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变 窄，形成较大c的onve扩rteam散作电者：流周宇。
电力电子器件介绍
电力电子器件介绍
2020/11/27
电力电子器件介绍
1.1.1 本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
一、半导体
导电特性处于导体（低价元素构成）和绝 缘体（高价元素构成）之间，称为半导体，如 锗、硅等，均为四价元素。
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共价键
价电子共有化，形成共价键的晶格结构
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1.1.1 本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
一、半导体 二、本征半导体的导电情况
金属导电是由于其内部有自由电子存在(载流子), 在外电场的作用下,自由电子定向移动,形成电流.
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空穴
自由电子
半导体中有两种载流子:自由电子和空穴
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+
-
+
-
+
-
+
-
+
功率二极管的工作原理
• 由于PN结具有单向导电性，所以二极管 是一个正方向单向导电、反方向阻断的 电力电子器件。
converteam 作者：周宇
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1. 功率二极管的特性
(1) 功率二极管的伏安特性
• 二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必 须克服一定的门坎电压Uth(又称死区电压)，当外 加电压小于门坎电压时，正向电流几乎为零。硅 二极管的门坎电压约为0.5V，当外加电压大于Uth 后，电流会迅速上升。当外加反向电压时，二极 管的反向电流IS是很小的，但是当外加反向电压 超过二极管反向击穿电压URO后二极管被电击穿， 反向电流迅速增加。
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2. 晶闸管的工作原理 • IG↑→Ib2↑→IC2(Ib1)↑→IC1↑
converteam 作者：周 宇
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此1区00域A中 : IUBB=8E00<,I死CA=区ICE电O, 压，60称A为截 止区40。A
20A IB=0 12 UCE(V)
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输出特性三个区域的特点:
(1) 放大区：发射结正偏，集电结反偏。
即： IC=IB , 且 IC = IB
(2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。
converteam 作者：周宇
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§1.3 双极型晶体管
converteam 作者：周宇
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§1.3 双极型晶体管
一、晶体管的结构和类型
发射区 基区 集电区
NPN型
e 发射极
c
集电极
发射结 b
集电结
基极
converteam 作者：周宇
发射极箭头的方向 为电流的方向
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1.2 半导体二极管
converteam 作者：周宇
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1.2 半导体二极管
将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了 半导体二极管。由P区引出的电极为阳极（A） ，由N区 引出的电极为阴极（ K ）。
阳极 P N 阴极
二极管的符号：
converteam 作者：周宇
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一、PN结的形成
PN结
当扩散电流等于漂移电流时，达到动态 平衡，形成PNc结onve。rteam 作者：周宇
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总结
1.由于扩散运动形成空间电荷区和内电场;
2.内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移;
3.当扩散电流等于漂移电流时，达到动态 平衡，形成PN结。
converteam 作者：周宇
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2. 输出特性
4 3 2
IC(mA
) 此区域中UC1E00UBAE,
集电结正偏，
IB>IC，UCE800.3VA 称为饱和区。
60A
40A
1
20A
IB=0
3 69
converteam 作者：周宇
12 UCE(V)
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2. 输出特性 IC(mA )
4 3
2
1
3 69
converteam 作者：周宇
2. PN结外加反向电压时处于截止状态
外电场和内电场的共同作用，使耗尽层变 宽，形成很小的conv漂erte移am 电作者流：周。宇
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三、PN结的伏安特性
正向特性 反向特性 反向击穿
PN结的电流方程为
其中， IS 为反向饱和conv电ertea流m ，作者：U周T宇≈26mV，
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1.4 晶闸管
• 晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通 晶闸管也称为可控硅SCR,普通晶闸管是一 种具有开关作用的大功率半导体器件。目 前，晶闸管的容量水平已达8kV／6kA。
converteam 作者：周宇
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1.4.1 晶闸管的结构和工作原理
1. 晶闸管的结构
③额定功耗PZM PZM 等于稳定电压UZ与最大稳定电流IZM （或 IZmax ） 的乘积。
converteam 作者：周宇
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3. 稳压管的稳压条件 必须工作在反向击穿状态；
流过稳压管的电流在IZ和IZM之间 。 注意！
稳压管正向工作时和二极管的特性完全相同。
converteam 作者：周宇
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特殊二极管
1. 光电二极管是一种将光能转换为电能的半 导体器件，其结构与普通二极管相似，只是管 壳上留有一个能入射光线的窗口。
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2. 发光二极管是一种将电能转换为光能 的半导体器件。它由一个PN结构成,当发 光二极管正偏时，注入到N区和P区的载 流子被复合时，会发出可见光和不可见光。