电力电子技术 教学课件 作者 程显吉 第1章　电力电子器件.ppt

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1、第1章　电力电子器件主编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.电力电子器件电力电子器件是指那些直接承担电能变换和控制任务的电子器件。电力电子器件目前主要指电力半导体器件。电力半导体器件所采用的主要材料是硅。1.1　电力电子器件概述2.电力电子器件的特征同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征如下：1)电力电子器件一般都工作在开关状态。2)电力电子器件的开关状态往往需要由外电路来控制。3)电力电子器件最重要的参数是其承受电压和电流的能力，其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级。通常电力电子器件断态时

2、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。1.1　电力电子器件概述1.1.2　电力电子器件的应用系统组成电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、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一个系统，广义上把主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。电力电子系统的组成如图1⁃1所示。1.主电路图1-1　电力电子系统的组成2.控制电路控制电路由信息电子电路组成，按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去

3、控制主电路中电力电子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。在有的电力电子系统中，还要求主电路有检测电路。1.1　电力电子器件概述1.1.3　电力电子器件的分类电力电子器件的分类方法很多，常见的有以下几种。1.根据开关特性分类(1)不可控器件　这种器件通常为两端器件，不能用控制信号来控制其通断，如整流二极管、肖特基势垒二极管等。(2)半控型器件　这种器件通常为三端器件，只能控制其开通而不能控制其关断，如普通晶闸管(SCR)及其大部分派生器件。(3)全控型器件　这种器件为三端器件。1.1　电力电子器件概述2.根据器件内参与导电的载流子

4、分类(1)双极型　凡由自由电子和空穴两种载流子参与导电的称为双极型器件，如普通晶闸管(SCR)、电力晶体管(GTR)等。(2)单极型　只有一种载流子参与导电的称为单极型器件，如电力场效应晶体管(MOSFET)。(3)混合型　由单极型和双极型两种器件组成的复合型器件称为混合型器件，如IGBT、MOS控制晶闸管(MCT)等。3.根据控制信号分类(1)电流控制型　这种器件一般由控制端的电流变化来控制器件的开通或关断，有时又称为电流驱动型。(2)电压控制型　这种器件的开通和关断由电压信号进行控制，如电力MOSFET和IGBT等。1.2　电力二

5、极管1.2.1　电力二极管的结构与工作原理1.电力二极管的结构电力二极管的外形、结构和电气图形符号如图1⁃2所示。从外形上看，电力二极管主要有螺栓形和平板形两种封装结构。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　电力二极管2.电力二极管的工作原理电力二极管的基本结构是一个面积较大的PN结，当它外加正向电压(P正N负)时，有从P向N的正向电流流过，此时PN结呈现为低电阻，电力二极管电压降只有1V左右，这种状态称为正向导通。当PN结加反向电压(P负N正)时，有极小的反向漏电流流过PN结，PN

6、结呈现为高电阻，这种状态称为反向截止。即电力二极管具有单向导电性。1.2　电力二极管1.2.2　电力二极管的特性与参数1.电力二极管的伏安特性图1⁃3a所示是电力二极管的伏安特性曲线。当电力二极管承受的正向电压大到一定值(门槛电压UTO)时，正向电流IF开始迅速增加，电力二极管正向导通。正向导通时其管压降UF仅为1V左右，且不随电流的大小而变化。当电力二极管承受反向电压时，只有很小的反向漏电流IRR，电力二极管反向截止。但当反向电压增大到UB时，PN结内产生雪崩击穿，反向电流急剧增大，可导致二极管击穿损坏。1.2　电力二极管2.电力二

7、极管的开关特性(1)关断特性　电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态关断特性波形如图1-3b所示。(2)开通特性　电力二极管由零偏置转换为正向偏置通态过程的开通特性波形如图所示。图1-3　电力二极管的特性a)伏安特性曲线　b)关断特性波形　c)开通特性波形1.2　电力二极管3.电力二极管的主要参数(1)正向平均电流IF（AV）电力二极管长期运行在规定管壳温度和散热条件下，允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值定义为额定正向平均电流。(2)正向压降UF在规定的条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的正向平均电压(又称管压降)。(

8、3)反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，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此项参数。(4)最高工作结温TJM器件中PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。