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第2章 电力电子器件 2.1 电力电子器件概述 1 电力电子器件的概念 定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体器件称为电力电子器件。 （能够完成电能变换和控制的电路称为电力电子电路） 电真空器件（如汞弧整流器） 半导体器件（主要采用半导体材料硅） 本课程所涉及的器件都是指半导体电力电子器件。 电力电子器件是电力电子技术及其应用系统的基础。熟悉和掌握电力电子器件的结构、原理、特性和使用方法，是学好电力电子技术的基础。 2 电力电子器件的基本模型与特征 （1）基本模型 在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象成如下图所示的理想开关的模型，它有三个电极，其中A和B代表开关的两个主电极，K是控制开关通、断的控制极。它只工作在“通态”和“断态”两种情况下，通态时其电阻为零，断态时其电阻为无穷大。 （2）基本特征 在通常情况下，电力电子器件具有如下特征： 1） 电力电子器件一般都工作在开关状态。 用理想开关模型来代替。 导通时（通态）：阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，流过它的电流由外电路决定； 阻断时（断态）：阻抗很大，接近于断路，流过它的电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定。 2） 电力电子器件的开关状态由外电路（驱动电路）来控制。 驱动电路：指用来控制电力电子器件导通和关断的电路。 3） 在实际应用中，电力电子器件与理想开关模型有较大的差别，即器件在工作时会产生很大的功率损耗。 为保证不因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，在其工作时一般都要安装散热器。 电力电子器件在工作时产生的功率损耗主要有以下三类： ①通态损耗：器件导通时，其电阻并不为零而使它有一定的通态压降，形成通态损耗。 ②断态损耗：阻断时，器件电阻并非无穷大，而使它有微小的断态漏电流流过，形成断态损耗。 ③开关损耗：器件在开通或关断的转换过程中产生的开通功率损耗和关断功率损耗。 通常：断态损耗很小，因而通态损耗成为器件功率损耗的主要原因。但当器件开关频率较高时，开关损耗随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。 3 应用电力电子器件的系统组成 从宏观角度来说，电力电子电路也称为电力电子系统，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的一个系统。如下图所示。 广义上，人们往往将主电路以外的其他电路都归为控制电路，所以，也可以说，电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。 1）主电路：进行电能的变换和控制的电路。 特 点：电路中的电流和电压一般都较大。 2）控制电路：按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或关断，来完成整个系统的功能。 特 点：电路中的电流和电压较小。 3）检测电路：对主电路或应用现场的信号进行检测，并转换为控制电路所能接收的信息。 4）驱动电路：将控制电路传递的小功率信息（电压、电流） 转换为可以被主电路所接收的信息。 5）保护电路：用于保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠工作。 因为主电路中有电压和电流的冲击，而电力电子器件一般比主电路中的普通器件昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，所以保护电路的存在是非常必要的。 6）电气隔离：将主电路和控制电路等进行安全隔离，而通过光、磁等来传递信号。 因为主电路中电流和电压较大，而控制电路中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需要进行电气隔离。例如：驱动电路与主电路的连接处、与控制信号的连接处，主电路与检测电路的连接处。 4 电力电子器件的分类 （1）按照器件的开关控制特性分类：分为三类 ①不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而是需要根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。 如：电力二极管。 ②半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断的电力电子器件称为半控型器件。 如：晶闸管及其大部分派生器件。 ③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的器件，称为全控型器件。 如：门极可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管GTR、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。 （3）按控制信号的性质不同分类：分为两类 ①电流控制型器件：采用电流信号来实现其导通或关断控制。 如：晶闸管、门极可关断晶闸管、电力晶体管GTR、IGCT（集成门极换流晶