电力电子技术第一章

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1、第1章电力电子器件1.1电力电子器件概述1.2电力二极管1.3晶闸管及其派生器件1.4门极可关断晶闸管1.5电力晶体管1.6功率场效应晶体管1.7绝缘栅双极性晶体管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1.1.2电力电子器件的基本类型1.1.3电力电子器件的模块化与集成化1.1.4电力电子器件的应用领域1.1.1电力电子器件的概念和特征1.概念主电路在电气设备中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。电力电子器件直接用于处理电能的主电路中，以开关方式实现电能的变换或控制的电子器件。广义上可分为：电真空器件和半导体器件两类，目前专指功率半导体器件。1.1

2、.1电力电子器件的概念和特征2.特征承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。为了减小损耗、提高效率，工作在开关状态。由信息电子电路来控制，并且需要驱动电路。自身的功率损耗远大于微电子器件，一般需要安装散热器。1.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件在实际应用中的系统组成1.1.2电力电子器件的基本类型1.1.2电力电子器件的基本类型1.1.2电力电子器件的基本类型单极型器件：没有少数载流子的注入和存储，开关过程中不存在两种载流子的复合问题，因而工作频率很高。双极型器件：由于具有电导调制效应，使其导通压降低、导通损耗小。电流型器件：输入阻抗低，驱动功率较大，电路也

3、较复杂。电压型器件：输入阻抗很高，驱动功率小，驱动电路简单。1.1.3电力电子器件的模块化与集成化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。最初是单管结构、分立器件，结构松散、体积大、可靠性差、成本高；电力电子器件的模块化与集成化：结构紧凑、体积小、可靠性高、成本低1.1.3电力电子器件的模块化与集成化功率模块由若干功率开关器件与快速二极管组合而成单片集成式模块功率器件、驱动、保护等电路集成于一个硅片智能功率模块将具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片再与电力电子器件集成表1-1电力电子器件类型名称出现时间电气符号

4、分立器件不可控器件电力二极管(PowerDiode)1955半控型器件晶闸管(Thyristor)1958全控型器件电流控制器件门极可关断晶闸管(GTO)1964电力晶体管(GTR)1975电压控制器件电力场效应晶体管(PowerMOSFET)1975绝缘栅双极型晶体管(IGBT)1985MOS控制晶闸管(MCT)1992集成门极换流晶闸管(IGCT)1996集成模块功率集成模块(PIC)19811.1.4电力电子器件的应用领域电力电子器件允许的开关频率与允许功率范围及主要应用领域1.2电力二极管PowerDiode，自20世纪50年代初期获得应用，也被称为半导

5、体整流器；其基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的，都以半导体PN结为基础，实现正向导通、反向截止的功能；结构和原理简单，工作可靠，广泛应用于电力电子设备当中。1.2电力二极管1.2.1PN结的工作原理1.2.2电力二极管的结构与基本特性1.2.3电力二极管的主要参数1.2.4电力二极管的主要类型1.2.1PN结的工作原理二极管的基本原理——PN结的单向导电性正向导通状态：正向偏置时，表现为低阻态；反向截止状态：反向偏置时，表现为高阻态，只有漏电流；反向击穿：当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结的反向截止工作状态。雪崩击穿和齐纳击穿，可恢

6、复；热击穿，PN结因过热而烧毁。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)AK1.2.2电力二极管的结构与基本特性结构：电力二极管是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。外形：螺栓型、平板型等多种封装。1.2.2电力二极管的结构与基本特性1.2.2电力二极管的结构与基本特性1.2.2电力二极管的结构与基本特性静态伏安特性：正向电压大于门槛电压UTO时，正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与IF对应的电压即为其管压降UF。承受反向电压时，只有少子引起微小的反向漏电流。I0IFUTOUFU电力二极管

7、的伏安特性静态特性：主要指其伏安特性；动态特性：反映开通或关断过程中电压—电流随时间变化的动态特性。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1.2.2电力二极管的结构与基本特性动态特性：开通和关断过程反向恢复（关断）过程须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。关断之前有较大的反向电流，并伴随有明显的反向电压过冲。反向恢复时间：trr=td+tf延迟时间td，电流下降时间tf1.2.2电力二极管的结构与基本特性正向恢复过程先出现一个过冲UFP，经过