电力电子课件（丘东元版）2 电力电子器件1.pptVIP

2010 第2章 电力电子器件(I) 丘东元 目 录 2.1　电力电子器件概述 2.2　不可控器件——电力二极管 2.3　半控型器件——晶闸管 2.1　电力电子器件概述 2.1.1 电力电子器件的概念和特征 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类 2.1.1 电力电子器件的概念和特征 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 电力电子器件的概念 电力电子器件（Power Electronic Device）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（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 2.1.1 电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的广义分类 电真空器件。目前真空管仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源中使用。 半导体器件。电力半导体器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、闸流管（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。 电力电子器件的特征 (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。 电力电子器件的特征 (2) 一般工作在开关状态 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，为简单起见往往用理想开关来代替。 电力电子器件的特征 (3) 需要驱动电路 实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制； 普通的信息电子电路信号一般不能直接控制电力电子器件的导通或关断； 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。 电力电子器件的特征 (4) 电力电子器件功率损耗大，需散热设计 为保证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。 电力电子器件的功率损耗 2.1.2 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 2.1.3 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： 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的电压和电流决定 2.1.3 电力电子器件的分类 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 Transistor — IGBT） 电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称为电力MOSFET） 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor — GTO） 2.1.3 电力电子器件的分类 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受的电压和电流决定的 2.1.3 电力电子器件的分类 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质（除电力二极管）： 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。 2.1.3 电力电子器件的分类 按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ） 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者关断并维持在阻断状态。 2.1.3 电力电子器件的分类 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况 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 2.1.4 电力电子器件的发展趋势 更高的功率容量 更低的开关损耗 更高的开关频率 更紧凑的封装体积 集成以及模块化设计 电力电子器件应用功率等级分布 电力电子器件应用频率范围分布 2.2 不可控器件 — 电力二极管 2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二极管的基本