电力电子技术之电力电子器件概述.ppt

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1、电力电子技术第二章电力电子器件电力电子学诞生以来，半导体学科被分为两个分支：一是以集成电路为核心的微电子学，另一是以大功率半导体器件为代表的电力电子学。前者单元器件功率越来越小，后者则越来越大。伴随着应用领域拓展，集成电路功率化、功率器件集成化的发展趋势，两个分支又被有机地结合起来，于是出现了功率集成电路（PIC），它使得微电子技术和电力电子技术相辅相成，将信息与功率合成一体。1.电力电子器件的概念电力电子器件（PowerElectronicDevice）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：

2、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。广义上电力电子器件可分为真空器件和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。2.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。☞通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。☞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

3、件功率损耗的主要因素。通态损耗断态损耗开关损耗开通损耗关断损耗☞电力电子器件的功率损耗3.应用电力电子器件的系统组成电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。图2-1电力电子器件在实际应用中的系统组成根据开关功能将功率半导体器件分为三类：不可控器件：只依据加在主电极之间的电压极性来决定其导通或关断状态。电力二极管（PowerDiode）半控型（导通可控）器件：从关断状态到导通状态是可控的，而从导通到关断状态的转换由主电路状态决定。晶闸管（Thyristor）全控型（导通与关断

4、可控）器件：由关断到导通及由导通到关断的状态转换皆是可控的，也称为可关断器件。IGBT和PowerMOSFET4.电力电子器件的分类按照驱动信号的性质分类：◆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。按照驱动信号的波形（电力二极管除外）分类：◆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。◆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导通状态或

5、者关断并维持在阻断状态。按照载流子参与导电的情况分类：◆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。AKAKa)IKAPNJb)c)AK实际应用中，小容量二极管采用两端引出线的引线型，中等容量电力二极管多为螺栓型，大容量则采用平板型。电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)基本结构c)电气图形符号5.不可控器件——电力二极管（1）二极管的基本原理——PN结的单向导电性◆当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自P

6、区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF，这就是PN结的正向导通状态。◆当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。◆PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。◆PN结的电容效应称为结电容CJ，又称为微分电容。按其产生机制和

7、作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD。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。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。扩散电容仅在正向偏置时起作用。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。（2）电力二极管的基本特性静态特性◆主要是指其伏安特性◆正向电压大到一定值（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，

8、只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。IOIFUTOUFU电力二极管的伏安特性t2:电流变化率接近于零的时刻a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt电力二极管的动态过程波形正向偏置转换为反向偏置动态特性◆因为结电容的存