电力电子器件——电气工程讲坛

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1、第二讲电力电子器件1-1同济大学张文豪主要内容1.电力电子器件概述2.不可控器件——二极管3.半控型器件——晶闸管4.典型全控型器件本讲小结及作业1-21、电力电子器件概述电子技术的基础———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：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。1-31电力电子器件概述1.1电力电子器件的概念和特征1.2应用电力电子器件的系统组成1.3电力电子器件的分类1-41.1电力电子器件的概念和特征1）概念:电力电子器件（PowerElectronicDevice）——可直接

2、用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路（MainPowerCircuit）——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: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）仍然1-5电力电子器件1.1电力电子器件的概念和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。1-63）同处理信息的电子器件相比的一般特征：1.1.1电力电子器件的概念和特征通态损耗是器件功率损耗的主要成

3、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。1-7主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗电力电子器件的损耗1.1.2应用电力电子器件系统组成1-8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。图1-1电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路在主电路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电气隔离控制电路1.1.3电力电子器件的分类半控型器件（Thyristor）——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（IGTO，IGBT

4、,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(PowerDiode)——不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。1-9按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：1.1.3电力电子器件的分类电流驱动型——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。1-10按照驱动电路信号的性质，分为两类：1.2不可控器件—电力二极管1.2.1PN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（略）1-1

5、11.2不可控器件—电力二极管·引言PowerDiode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。1-12整流二极管及模块1.2.1PN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。1-13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AKAKa)IKAPNJb)c)AK1.2.1PN结与电力二极管的工作原理状态

6、参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态——1-14PN结的状态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。反向击穿——雪崩击穿、齐纳击穿（留作思考）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。1.2.2电力二极管的基本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。1-15图1-4电力二极管的伏安特性1)静态特性IOIFUTOUFU1.2.2电力二

7、极管的基本特性2)动态特性——二极管的电压-电流特性随时间变化的——结电容的存在1-16b)UFPuiiFuFtfrt02Va)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt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。1.2.2电力二极管的基本特性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