电力电子技术教案电力电子器件

《电力电子技术教案电力电子器件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力电子技术教案电力电子器件（202页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、PE N E C 电 力 电 子 技 术 电 子 教 案第 1章 电 力 电 子 器 件 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 2页 第 1章 电 力 电 子 器 件 引 言1.1 电 力 电 子 器 件 概 述1.2 不 可 控 器 件 电 力 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

2、 保 护 1.8 电 力 电 子 器 件 的 串 联 和 并 联 使 用 小 结 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 3页 引 言 电 子 技 术 的 基 础 电 子 器 件 ： 晶 体 管 和 集 成 电 路 电 力 电 子 电 路 的 基 础 电 力 电 子 器 件 本 章 主 要 内 容 ：简 要 概 述 电 力 电 子 器 件 的 概 念 、 特 点 和 分 类 等 问 题介 绍 各 种 常 用 电 力 电 子 器 件 的 工 作 原 理 、

3、基 本 特 性 ,主 要 参 数 以 及 选 择 和 使 用 中 应 注 意 的 一 些 问 题 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 4页 1.1 电 力 电 子 器 件 概 述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 西安交通大学电力电

4、子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 5页 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 路电 力 电 子 器 件 （ power electronic device） 可 直 接 用 于 处 理 电 能 的 主 电路 中 ， 实 现 电 能 的 变 换 或 控

5、制 的 电 子 器 件 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 6页 1.1.1 电 力 电 子 器 件 的 概 念 和 特 征 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 。两 类 中 ， 自 20世 纪 50年 代 以 来 ， 真 空 管 仅 在频 率 很 高 （ 如 微 波 ） 的 大 功 率 高 频 电 源 中 还 在使 用 ， 而 电 力 半 导 体 器 件 已 取 代 了 汞 弧 整 流 器

6、（ Mercury Arc Rectifier） 、 闸 流 管（ Thyratron） 等 电 真 空 器 件 ， 成 为 绝 对 主 力 。因 此 ， 电 力 电 子 器 件 目 前 也 往 往 专 指 电 力 半 导体 器 件 。电 力 半 导 体 器 件 所 采 用 的 主 要 材 料 仍 然 是 硅 。 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 7页 1.1.1 电 力 电 子 器 件 的 概 念 和 特 征 同 处 理 信 息 的 电 子 器 件

7、 相 比 ， 电 力电 子 器 件 的 一 般 特 征 ： (1) 能 处 理 电 功 率 的 大 小 ， 即 承 受 电压 和 电 流 的 能 力 ， 是 最 重 要 的 参 数其 处 理 电 功 率 的 能 力 小 至 毫 瓦 级 ， 大至 兆 瓦 级 , 大 多 都 远 大 于 处 理 信 息 的 电子 器 件 。 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 8页 1.1.1 电 力 电 子 器 件 的 概 念 和 特 征 (2) 电 力 电 子 器 件

8、 一 般 都 工 作 在 开 关 状 态导 通 时 （ 通 态 ） 阻 抗 很 小 ， 接 近 于 短 路 ， 管 压 降 接近 于 零 ， 而 电 流 由 外 电 路 决 定阻 断 时 （ 断 态 ） 阻 抗 很 大 ， 接 近 于 断 路 ， 电 流 几 乎为 零 ， 而 管 子 两 端 电 压 由 外 电 路 决 定电 力 电 子 器 件 的 动 态 特 性 （ 也 就 是 开 关 特 性 ） 和 参数 ， 也 是 电 力 电 子 器 件 特 性 很 重 要 的 方 面 ， 有 些 时候 甚 至 上 升 为 第 一 位 的 重 要 问 题 。作 电 路 分 析 时 ， 为 简 单 起 见

9、 往 往 用 理 想 开 关 来 代 替 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 9页 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 。(4)为 保 证

10、不 致 于 因 损 耗 散 发 的 热 量 导 致 器 件 温 度 过 高 而 损 坏 ， 不 仅 在 器 件 封 装 上 讲 究 散 热 设 计 ，在 其 工 作 时 一 般 都 要 安 装 散 热 器 。导 通 时 器 件 上 有 一 定 的 通 态 压 降 ， 形 成 通 态 损 耗 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 10页 1.1.1 电 力 电 子 器 件 的 概 念 和 特 征 阻 断 时 器 件 上 有 微 小 的 断 态 漏 电 流

11、流 过 ， 形 成 断态 损 耗 在 器 件 开 通 或 关 断 的 转 换 过 程 中 产 生 开 通 损 耗 和关 断 损 耗 ， 总 称 开 关 损 耗 对 某 些 器 件 来 讲 ， 驱 动 电 路 向 其 注 入 的 功 率 也 是造 成 器 件 发 热 的 原 因 之 一 通 常 电 力 电 子 器 件 的 断 态 漏 电 流 极 小 ， 因 而 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 会 随 之 增 大 而 可能 成 为 器 件 功 率 损 耗 的 主 要 因 素 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中

12、心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 11页 1.1.2 应 用 电 力 电 子 器 件 的 系 统 组 成1.1.2 应 用 电 力 电 子 器 件 的 系 统 组 成电 力 电 子 系 统 ： 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 图 1-1 电 力 电 子 器 件 在 实 际 应 用 中 的 系 统 组 成控 制 电 路 按 系 统 的 工 作 要 求 形 成 控 制 信 号 ， 通 过驱 动 电 路 去 控 制 主

13、电 路 中 电 力 电 子 器 件 的 通 或 断 ，来 完 成 整 个 系 统 的 功 能 控制电路 检 测电 路驱 动电 路 RL主 电 路V1V2 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 12页 1.1.2 应 用 电 力 电 子 器 件 的 系 统 组 成 有 的 电 力 电 子 系 统 中 ， 还 需 要 有 检 测 电 路 。 广 义 上往 往 其 和 驱 动 电 路 等 主 电 路 之 外 的 电 路 都 归 为 控 制电 路 ， 从 而 粗

14、 略 地 说 电 力 电 子 系 统 是 由 主 电 路 和 控制 电 路 组 成 的 。 主 电 路 中 的 电 压 和 电 流 一 般 都 较 大 ， 而 控 制 电 路 的元 器 件 只 能 承 受 较 小 的 电 压 和 电 流 ， 因 此 在 主 电 路和 控 制 电 路 连 接 的 路 径 上 ， 如 驱 动 电 路 与 主 电 路 的连 接 处 ， 或 者 驱 动 电 路 与 控 制 信 号 的 连 接 处 ， 以 及主 电 路 与 检 测 电 路 的 连 接 处 ， 一 般 需 要 进 行 电 气 隔离 ， 而 通 过 其 它 手 段 如 光 、 磁 等 来 传 递 信 号 。

15、 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 13页 1.1.2 应 用 电 力 电 子 器 件 的 系 统 组 成 由 于 主 电 路 中 往 往 有 电 压 和 电 流 的 过 冲 ， 而 电 力 电 子器 件 一 般 比 主 电 路 中 普 通 的 元 器 件 要 昂 贵 ， 但 承 受 过电 压 和 过 电 流 的 能 力 却 要 差 一 些 ， 因 此 ， 在 主 电 路 和控 制 电 路 中 附 加 一 些 保 护 电 路 ， 以 保 证 电 力

16、电 子 器 件和 整 个 电 力 电 子 系 统 正 常 可 靠 运 行 ， 也 往 往 是 非 常 必要 的 。 器 件 一 般 有 三 个 端 子 （ 或 称 极 或 管 角 ） ， 其 中 两 个 联结 在 主 电 路 中 ， 而 第 三 端 被 称 为 控 制 端 （ 或 控 制 极 ） 。器 件 通 断 是 通 过 在 其 控 制 端 和 一 个 主 电 路 端 子 之 间 加一 定 的 信 号 来 控 制 的 ， 这 个 主 电 路 端 子 是 驱 动 电 路 和主 电 路 的 公 共 端 ， 一 般 是 主 电 路 电 流 流 出 器 件 的 端 子 。 西安交通大学电力电子与新

17、能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 14页 1.1.3 电 力 电 子 器 件 的 分 类1.1.3 电 力 电 子 器 件 的 分 类 按 照 器 件 能 够 被 控 制 电 路 信 号 所 控 制 的 程度 ， 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

18、的 电 压 和 电 流决 定 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 15页 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 件绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 （ Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）电 力 场 效 应 晶 体 管 （ Power MOSFET， 简 称 为电 力 MO

19、SFET）门 极 可 关 断 晶 闸 管 （ Gate-Turn-Off Thyristor GTO） 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 16页 1.1.3 电 力 电 子 器 件 的 分 类(3) 不 可 控 器 件 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 （ Power Diode） 只 有 两 个 端 子 ， 器 件 的 通 和 断 是 由 其 在 主 电 路 中承

20、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 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C

21、第 1章 第 17页 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 按 照 器 件 内 部 电 子 和 空 穴 两 种 载 流 子 参 与 导 电 的情 况 分 为 三 类 ：单 极 型 器 件 由 一 种 载 流 子 参 与 导 电 的 器 件双 极 型 器 件 由 电 子 和 空 穴 两 种 载

22、 流 子 参 与导 电 的 器 件复 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 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 18页 1.1.4 本 章 内 容 和 学 习 要 点 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 ， 然 后 集 中 讲 述电 力 电 子 器 件 的 驱 动 、 保 护 和 串

23、、 并 联 使 用 这 三 个问 题 。 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 ， 这 是 在 实 际 中 正 确 应 用 电 力 电子 器 件 的 两 个 基 本 要 求 由 于 电 力 电 子 电 路 的 工 作 特 点 和 具 体 情 况 的 不 同 ，可 能 会 对 与 电 力 电 子 器 件 用 于 同 一 主 电 路 的 其 它 电路 元 件 ， 如 变 压 器 、 电 感 、 电 容 、 电 阻 等 ， 有 不 同于 普 通 电 路 的 要 求 西安交通

24、大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 19页 1.2 不 可 控 器 件 电 力 二 极 管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 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能

25、源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 20页 1.2 不 可 控 器 件 电 力 二 极 管 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 快 恢 复 二 极 管 和 肖 特 基 二 极 管 ， 分 别 在 中 、 高 频 整 流 和 逆 变 ， 以 及 低 压 高频 整 流 的 场 合 ， 具 有 不 可 替 代 的 地 位 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE

26、 N E C 第 1章 第 21页 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 以 半 导 体 PN结 为 基 础 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 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A K A Ka) I KA P NJb)c) 西安交通大学电力

27、电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 22页 1.2.1 PN结 与 电 力 二 极 管 的 工 作 原 理 N型 半 导 体 和 P型 半 导 体 结 合 后 构 成 PN结 。 交 界 处 电子 和 空 穴 的 浓 度 差 别 ， 造 成 了 各 区 的 多 子 向 另 一 区 的扩 散 运 动 ， 到 对 方 区 内 成 为 少 子 ， 在 界 面 两 侧 分 别 留下 了 带 正 、 负 电 荷 但 不 能 任 意 移 动 的 杂 质 离 子 。 这 些不 能

28、移 动 的 正 、 负 电 荷 称 为 空 间 电 荷 。 空 间 电 荷 建 立的 电 场 被 称 为 内 电 场 或 自 建 电 场 ， 其 方 向 是 阻 止 扩 散运 动 的 ， 另 一 方 面 又 吸 引 对 方 区 内 的 少 子 （ 对 本 区 而言 则 为 多 子 ） 向 本 区 运 动 ， 即 漂 移 运 动 。 扩 散 运 动 和漂 移 运 动 既 相 互 联 系 又 是 一 对 矛 盾 ， 最 终 达 到 动 态 平衡 ， 正 、 负 空 间 电 荷 量 达 到 稳 定 值 ， 形 成 了 一 个 稳 定的 由 空 间 电 荷 构 成 的 范 围 ， 被 称 为 空 间

29、电 荷 区 ， 按 所强 调 的 角 度 不 同 也 被 称 为 耗 尽 层 、 阻 挡 层 或 势 垒 区 。 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 23页 1.2.1 PN结 与 电 力 二 极 管 的 工 作 原 理 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 图 1-3 P

30、N结 的 形 成-。 -。 -。-。 -。 -。-。 -。 -。-。 -。 -。-。 -。 -。 + + + + + + + + + + +- +- +- +- +-空 间 电 荷 区P型 区 N型 区内 电 场 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 24页 1.2.1 PN结 与 电 力 二 极 管 的 工 作 原 理 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

31、 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 C J， 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 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N

32、E C 第 1章 第 25页 1.2.1 PN结 与 电 力 二 极 管 的 工 作 原 理 势 垒 电 容 只 在 外 加 电 压 变 化 时 才 起 作 用 ， 外 加 电 压频 率 越 高 ， 势 垒 电 容 作 用 越 明 显 。 势 垒 电 容 的 大 小与 PN结 截 面 积 成 正 比 ， 与 阻 挡 层 厚 度 成 反 比 而 扩 散 电 容 仅 在 正 向 偏 置 时 起 作 用 。 在 正 向 偏 置 时 ，当 正 向 电 压 较 低 时 ， 势 垒 电 容 为 主 ； 正 向 电 压 较 高时 ， 扩 散 电 容 为 结 电 容 主 要 成 分 结 电 容 影 响 PN结

33、 的 工 作 频 率 ， 特 别 是 在 高 速 开 关的 状 态 下 ， 可 能 使 其 单 向 导 电 性 变 差 ， 甚 至 不 能 工作 ， 应 用 时 应 加 以 注 意 。 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 26页 1.2.1 PN结 与 电 力 二 极 管 的 工 作 原 理 造 成 电 力 二 极 管 和 信 息 电 子 电 路 中 的 普 通二 极 管 区 别 的 一 些 因 素 ：正 向 导 通 时 要 流 过 很 大 的 电 流

34、 ， 其 电 流 密 度 较大 ， 因 而 额 外 载 流 子 的 注 入 水 平 较 高 ， 电 导 调制 效 应 不 能 忽 略引 线 和 焊 接 电 阻 的 压 降 等 都 有 明 显 的 影 响承 受 的 电 流 变 化 率 di/dt较 大 ， 因 而 其 引 线 和 器件 自 身 的 电 感 效 应 也 会 有 较 大 影 响为 了 提 高 反 向 耐 压 ， 其 掺 杂 浓 度 低 也 造 成 正 向压 降 较 大 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C

35、第 1章 第 27页 1.2.2 电 力 二 极 管 的 基 本 特 性 1.2.2 电 力 二 极 管 的 基 本 特 性 图 1-4 电 力 二 极 管 的 伏 安 特 性 I OIF U TO U F U 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 28页 1.2.2 电 力 二 极 管 的 基 本 特 性 1. 静 态 特 性 （ 电 力 二 极 管 伏 安 特 性 图 ）主 要 指 其 伏 安 特 性 当 电 力 二 极 管 承 受 的 正 向 电

36、压 大 到 一 定 值 （ 门 槛电 压 UTO） ， 正 向 电 流 才 开 始 明 显 增 加 ， 处 于 稳 定 导通 状 态 。 与 正 向 电 流 IF对 应 的 电 力 二 极 管 两 端 的 电 压UF即 为 其 正 向 电 压 降 。 当 电 力 二 极 管 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 。 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

37、 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 29页 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 图 1-5 电 力 二 极 管 的 动

38、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 b)UFPui iFuFtfr t02Va)IFUF tF t0 trrtd tft1 t2 tURURPIRPdiFdt diRdt 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 30页 1.2.2 电 力 二 极 管 的 基 本 特 性 b)UFPui iFuFtfr t02Va)IFUF tF t0 trrtd tft1 t2 tURURPI

39、RPdiFdt diRdt 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 恢 复 特 性 的 软 度 ： 下 降 时 间 与 延 迟 时 间 的 比 值 tf /td， 或 称 恢 复 系 数 ， 用 Sr表 示正 向 偏 置 转 换 为 反 向 偏 置 零 偏 置 转 换 为 正 向 偏 置 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 31页 1.2.2 电

40、力 二 极 管 的 基 本 特 性 开 通 过 程 ： 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。电 导 调 制 效 应 起 作 用 需 一 定 的 时 间 来 储 存 大 量少 子 ， 达 到 稳 态 导 通 前 管 压 降 较 大正 向 电 流 的 上 升 会 因 器 件 自 身 的 电 感 而 产 生 较大 压 降 。 电 流 上 升 率 越 大 ， U FP越 高 西安交通大学电力电

41、子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 32页 1.2.3 电 力 二 极 管 的 主 要 参 数 1. 正 向 平 均 电 流 IF(AV) 额 定 电 流 在 指 定 的 管 壳 温 度 （ 简 称 壳 温 ， 用 TC表 示 ） 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 值正 向 平 均 电 流 是 按 照 电 流 的 发 热 效 应 来 定 义 的 ，因 此 使 用 时 应 按 有 效 值 相 等 的 原

42、则 来 选 取 电 流 定额 ， 并 应 留 有 一 定 的 裕 量 。当 用 在 频 率 较 高 的 场 合 时 ， 开 关 损 耗 造 成 的 发 热往 往 不 能 忽 略当 采 用 反 向 漏 电 流 较 大 的 电 力 二 极 管 时 ， 其 断 态损 耗 造 成 的 发 热 效 应 也 不 小 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 33页 1.2.3 电 力 二 极 管 的 主 要 参 数 2. 正 向 压 降 UF指 电 力 二 极 管 在

43、指 定 温 度 下 ， 流 过 某 一 指 定 的 稳态 正 向 电 流 时 对 应 的 正 向 压 降有 时 参 数 表 中 也 给 出 在 指 定 温 度 下 流 过 某 一 瞬 态正 向 大 电 流 时 器 件 的 最 大 瞬 时 正 向 压 降 3. 反 向 重 复 峰 值 电 压 URRM指 对 电 力 二 极 管 所 能 重 复 施 加 的 反 向 最 高 峰 值 电压通 常 是 其 雪 崩 击 穿 电 压 U B的 2/3使 用 时 ， 往 往 按 照 电 路 中 电 力 二 极 管 可 能 承 受 的反 向 最 高 峰 值 电 压 的 两 倍 来 选 定 西安交通大学电力电子与

44、新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 34页 1.2.3 电 力 二 极 管 的 主 要 参 数 4. 最 高 工 作 结 温 TJM结 温 是 指 管 芯 PN结 的 平 均 温 度 ， 用 TJ表 示最 高 工 作 结 温 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 125175C范 围 之 内 5. 反 向 恢 复 时 间 trrtrr= td+ tf ， 关 断 过 程 中 ， 电 流 降 到 0起 到

45、 恢 复 反响 阻 断 能 力 止 的 时 间 6. 浪 涌 电 流 IFSM指 电 力 二 极 管 所 能 承 受 最 大 的 连 续 一 个 或 几 个 工频 周 期 的 过 电 流 。 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 35页 1.2.4 电 力 二 极 管 的 主 要 类 型 1.2.4 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

46、的 不 同 介 绍在 应 用 时 ， 应 根 据 不 同 场 合 的 不 同 要 求 选 择 不 同类 型 的 电 力 二 极 管性 能 上 的 不 同 是 由 半 导 体 物 理 结 构 和 工 艺 上 的 差别 造 成 的 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 36页 1.2.4 电 力 二 极 管 的 主 要 类 型 1. 普 通 二 极 管 （ General Purpose Diode）又 称 整 流 二 极 管 （ Rectifier Dio

47、de）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 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 37页 1.2.4 电 力 二 极 管 的 主 要 类 型 2. 快 恢 复 二 极

48、管 （ Fast Recovery Diode FRD）恢 复 过 程 很 短 特 别 是 反 向 恢 复 过 程 很 短 （ 5s以 下 ） 的 二 极 管 ， 也 简 称 快 速 二 极 管工 艺 上 多 采 用 了 掺 金 措 施有 的 采 用 PN结 型 结 构有 的 采 用 改 进 的 PiN结 构 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 38页 1.2.4 电 力 二 极 管 的 主 要 类 型 采 用 外 延 型 PiN结 构 的 的 快 恢

49、 复 外 延 二 极 管 （ Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED） ， 其 反 向恢 复 时 间 更 短 （ 可 低 于 50ns） ， 正 向 压 降 也 很 低（ 0.9V左 右 ） ， 但 其 反 向 耐 压 多 在 400V以 下 从 性 能 上 可 分 为 快 速 恢 复 和 超 快 速 恢 复 两 个 等 级 。前 者 反 向 恢 复 时 间 为 数 百 纳 秒 或 更 长 ， 后 者 则 在100ns以 下 ， 甚 至 达 到 2030ns。 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新

50、能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 39页 1.2.4 电 力 二 极 管 的 主 要 类 型 3. 肖 特 基 二 极 管以 金 属 和 半 导 体 接 触 形 成 的 势 垒 为 基 础 的 二 极 管称 为 肖 特 基 势 垒 二 极 管 （ Schottky Barrier DiodeSBD） ， 简 称 为 肖 特 基 二 极 管20世 纪 80年 代 以 来 ， 由 于 工 艺 的 发 展 得 以 在 电 力电 子 电 路 中 广 泛 应 用 肖 特 基 二 极 管 的 弱 点当 反 向 耐 压 提 高 时 其 正 向 压 降 也 会 高 得

51、 不 能 满 足要 求 ， 因 此 多 用 于 200V以 下反 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 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 40页 1.2.4 电 力 二 极 管 的 主 要 类 型 肖 特 基 二 极 管 的 优 点反 向 恢 复 时 间 很 短 （ 1040ns）正 向 恢 复 过 程 中 也 不 会 有 明

52、显 的 电 压 过 冲在 反 向 耐 压 较 低 的 情 况 下 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 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 41页 1.3 半 控 器 件 晶 闸 管1.3 半 控 型 器 件 晶 闸 管 1.3.1 晶 闸 管 的 结 构 与 工 作 原 理 1.3.2 晶 闸 管 的 基 本 特 性

53、 1.3.3 晶 闸 管 的 主 要 参 数 1.3.4 晶 闸 管 的 派 生 器 件 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 42页 1.3 半 控 型 器 件 晶 闸 管 晶 闸 管 （ Thyristor） ： 晶 体 闸 流 管 ， 可 控 硅 整 流 器（ Silicon Controlled RectifierSCR）1956年 美 国 贝 尔 实 验 室 （ Bell Lab） 发 明 了 晶 闸 管1957年 美 国 通 用 电 气 公

54、司 （ GE） 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 性 能 更 好 的 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 晶 闸 管 往 往 专 指 晶 闸 管 的 一 种 基 本 类 型 普 通 晶 闸 管 广义 上 讲 ， 晶 闸 管 还 包 括 其 许 多 类 型 的 派 生 器 件 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西

55、安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 43页 1.3.1 晶 闸 管 的 结 构 与 工 作 原 理 外 形 有 螺 栓 型 和 平 板 型 两 种 封 装 引 出 阳 极 A、 阴 极 K和 门 极 （ 控 制 端 ） G三 个 联 接 端 对 于 螺 栓 型 封 装 ， 通 常 螺 栓 是 其 阳 极 ， 能 与 散 热 器 紧密 联 接 且 安 装 方 便 平 板 型 封 装 的 晶 闸 管 可 由 两 个 散 热 器 将 其 夹 在 中 间 图 1-6 晶 闸 管 的 外 形 、 结 构

56、 和 电 气 图 形 符 号a) 外 形 b) 结 构 c) 电 气 图 形 符 号 A AGG K K b) c)a) AG K K GAP1N1P2N2 J1J2J3 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 44页 1.3.1 晶 闸 管 的 结 构 与 工 作 原 理 RNPNPNPAGS KEGIG EAIKIc2Ic1IAV1 V2P1AG K N1P2P2N1N2a) b)图 1-7 晶 闸 管 的 双 晶 体 管 模 型 及 其 工 作 原

57、理a) 双 晶 体 管 模 型 b) 工 作 原 理Ic1=1 IA + ICBO1 （ 1-1）Ic2=2 IK + ICBO2 （ 1-2） 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 45页 1.3.1 晶 闸 管 的 结 构 与 工 作 原 理 IK=IA+IG （ 1-3） IA=Ic1+Ic2 （ 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

58、基 极 漏 电 流 。 由 以 上式 （ 1-1） （ 1-4） 可 得 （ 1-5） 晶 体 管 的 特 性 是 ： 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 。 )(1 21 CBO2CBO1G2A IIII 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 46页 1.3.1 晶 闸 管 的 结 构 与 工 作 原 理 阻 断 状 态 ： IG=0， 1+2很 小 。 流 过 晶

59、闸 管 的漏 电 流 稍 大 于 两 个 晶 体 管 漏 电 流 之 和 开 通 （ 门 极 触 发 ） ： 注 入 触 发 电 流 使 晶 体 管的 发 射 极 电 流 增 大 以 致 1+2趋 近 于 1的 话 ， 流过 晶 闸 管 的 电 流 IA（ 阳 极 电 流 ） 将 趋 近 于 无 穷 大 ，实 现 饱 和 导 通 。 I A实 际 由 外 电 路 决 定 。 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 47页 1.3.1 晶 闸 管 的 结 构

60、 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 直 接 照 射 硅 片 ， 即 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 之 外 ， 其 它 都 因 不 易控 制 而 难 以 应 用 于 实 践 ， 称 为 光 控 晶 闸 管 （ Light Triggered ThyristorLTT） 只 有 门 极 触 发 （ 包 括 光 触 发 ）

61、 是 最 精 确 、 迅 速 而 可 靠的 控 制 手 段 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 48页 1.3.2 晶 闸 管 的 基 本 特 性 1. 静 态 特 性承 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 的情 况 下 晶 闸 管 才 能 开 通晶 闸 管 一 旦 导 通 ， 门 极 就 失 去 控 制 作 用要 使

62、 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 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 49页 1.3.2 晶 闸 管 的 基 本 特 性 晶 闸 管 的 伏 安 特 性 第 I象 限 的 是 正 向 特 性 第 III象 限 的 是 反 向 特 性 正 向导 通雪 崩击 穿 O +UA-UA -IAIAIH IG2 IG1 IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图 1-8 晶 闸 管

63、 的 伏 安 特 性IG2IG1IG 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 50页 1.3.2 晶 闸 管 的 基 本 特 性 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

64、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 ） 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 51页 1.

65、3.2 晶 闸 管 的 基 本 特 性 晶 闸 管 上 施 加 反 向 电 压 时 ， 伏 安 特 性 类 似 二 极 管 的反 向 特 性 晶 闸 管 的 门 极 触 发 电 流 从 门 极 流 入 晶 闸 管 ， 从 阴 极流 出 阴 极 是 晶 闸 管 主 电 路 与 控 制 电 路 的 公 共 端 门 极 触 发 电 流 也 往 往 是 通 过 触 发 电 路 在 门 极 和 阴 极之 间 施 加 触 发 电 压 而 产 生 的 晶 闸 管 的 门 极 和 阴 极 之 间 是 PN结 J3， 其 伏 安 特 性 称为 门 极 伏 安 特 性 。 为 保 证 可 靠 、 安 全 的 触

66、发 ， 触 发电 路 所 提 供 的 触 发 电 压 、 电 流 和 功 率 应 限 制 在 可 靠触 发 区 。 （ 伏 安 特 性 图 ） 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 52页 1.3.2 晶 闸 管 的 基 本 特 性2. 动 态 特 性 图 1-9 晶 闸 管 的 开 通 和 关 断 过 程 波 形 100%90%10%uAK ttO0 td tr trr tgrURRMIRMiA 西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作制作制作 PE N E C 第 1章 第 53页 1.3.2 晶 闸 管 的 基 本 特 性 1) 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