电力电子技术2.1-2.2

1、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。从广义上说，电 力电子器件可分 为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

2、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： 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。 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。 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

3、，电力电子系统是由主电路和控制电路组成的 。 控制电路检测 电路驱动 电路RL主电路V1V2保护 电路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

4、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 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。 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。 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。 （2） 按载流子类型分为三类单极型器件 由一种载流子参与导电的器件，称为单极型器件，如 功率场效应管MOSFET、静电感应晶体管SIT等。双极型器件 由电子和空穴两种载流子参与导电的器件，称为双极 型器件，如PN结整流管、普通晶闸管、电力晶体管等 。混合型器件 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、MCT（MOS控制晶闸管）等。（3）按控制信号的性质不同分类：分为两类 电流控制型器件：采用电流信号来实现其导通或关断控制。

5、如：晶闸管、门极可关断晶闸管、电力晶体管GTR、IGCT（集成 门极换流晶闸管）等。 电流控制型器件的特点是： a在器件体内有电子和空穴两种载流子导电，由导通转向阻断时， 两种载流子在复合过程中产生热量，使器件结温升高。过高的结 温限制了工作频率的提高，因此，电流控制型器件比电压控制型 器件的工作频率低。 b电流控制型器件具有电导调制效应，使其导通压降很低，导通损 耗较小。 c电流控制型器件的控制极输入阻抗低，控制电流和控制功率较大 ，电路也比较复杂。当PN结上流过的正向电流较大时，注入 并积累在低掺杂N区的少子（空穴）浓度将很 大，为了维持半导体的中性条件，其多子浓度 也相应大幅度增加，使得其电阻率明显下降， 也就是电导率大大增加，这就是电导调制效应 。电导调制效应电压控制型器件：采用电压控制（场控原理控制）其 导通或关断。其输入端基本上不流过控制电流信号，用小功率信 号就可驱动其工作。 如：MOSFET管、IGBT管等。 电压控制型器件的特点是： a输入阻抗高，控制功率小，控制线路简单。 b工作频率高。 c工作温度高，抗辐射能力强。主要电力电子器件的特性及其具有代表性的应用领域，详

6、见下表。 器件种类类开关功能器件特性概略应应用领领域 电电力二极管不可控5KV/3KA 400HZ各种整流装置晶闸闸管可控 导导通6KV/6KA 400HZ 8KX/3.5KA 光控SCR炼钢炼钢 厂、轧钢轧钢 厂机、 直流输电输电 、电电解用整流 器 可关断 晶闸闸管自 关 断 型6KV/6KA 500HZ工业业逆变变器、电电力机 车车用逆变变器、无功补补 偿偿器 MOSFET600V/70A 100KHZ开关电电源、小功率UPS 、小功率逆变变器IGBT1200V/1200A 20KHZ 4.5KV/1.2KA 2KHZ各种整流/逆变变器（ UPS、变频变频 器、家电电 ）、电电力机车车用逆变变器 、中压变频压变频 器电力二极管1 电力二极管及其工作原理 （1）电力二极管概述电力二极管也称为半导体整流器（SR），属不可控电力电子 器件，是20世纪最早（50年代）获得应用的电力电子器件，它在 中、高频整流和逆变以及低压高频整流的场合发挥着积极的作用 ，具有不可替代的地位。 （2）电力二极管的结构与工作原理结构基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样，以半 导体PN结为基础。由一

7、个面积较大的PN结和两端引线再加以封装就构成了电力 二极管。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装，如下 图所示。PN结PN结是由N型半导体和P型半导体结合后构成的，如 下图所示。 PN结的形成N型半导体中有大量的电子（多子），P型半导体中有大量的空 穴（多子），在两种半导体的交界处由于电子和空穴的浓度差别， 形成了各区的多子向另一区的扩散运动，其结果是在N型半导体和P 型半导体的分界面两侧分别留下了带正、负电荷的离子。这些不能 移动的正、负电荷称为空间电荷，这个区域称为空间电荷区。空间电荷建立的电场称为内电场，其方向是阻止扩散运动的。另 一方面，内电场又吸引对方区域中的少子向本区运动，即形成漂移 运动。扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾，最终达到动态平 衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的空间电荷区 ，这就是PN结。 PN结的三种工作状态（即二极管的工作原理）PN结的正向导通状态：当给PN结外加正向电压（P正N负）时，外电场方向与内电场方 向相反，外电场削弱内电场，空间电荷区变窄，使多子的扩散运动 大于少子的漂移运动，形成从P区流向N区的正向电流，此时PN结 表现

8、为低电阻，电力二极管电压降只有1V左右。PN结的反向截止状态：当PN结外加反向电压（P负N正）时，外电场与内电场方向相同 ，使内电场增强，空间电荷区变宽，使得少子的漂移运动强于多子 的扩散运动，形成从N区流向P区的反向电流，由于少子的浓度很小 ，只有极小的反向漏电流流过PN结，PN结表现为高电阻。所以PN 结具有单向导电性。二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性。PN结的反向击穿：当反向电压增大到某一值（反向击穿电压） 时，反向电流急剧增大，PN结内部产生雪崩击穿，导致二极管损坏 。 PN结的电容效应PN结的电荷量随外加电压的变化而变化，呈现电容效应，称 为结电容CJ，又称为微分电容。 结电容按其产生的机制和作用的差别分为以下两类： A势垒电容CB：它只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，其作 用越明显。它的大小与PN结的截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。 B扩散电容CD：它仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为结电容的主 要成份，正向电压较高时，扩散电容为结电容的主要成份。注意：结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态 下，可使其单向导电

9、性变差，甚至不能工作，应用时要注意。 （3）造成电力二极管与普通二极管的区别的一些因素：虽然电力二极管与普通二极管的结构、工作原理基本 一样，但使用是不一样的，造成这种区别的因素是： 正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而 额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略。 引线和焊接电阻的压降等都不能忽略。 承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的 电感效应也会有较大影响。 为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大 。 2 电力二极管的特性主要是指其伏安特性和开关特性。 （1）电力二极管的伏安特性： 其伏安特性曲线如图所示。 IF ：正向平均电流 UF ：对应IF时的正向压降 UTO ：门槛电压，为0.60.7V以上 IRR ：反向漏电流 UB ：反向击穿电压 当电力二极管承受的正向电压 大到门槛电压时，就有正向电流 通过，正向电流随外加正向电压 增大而迅速增加，二极管处于正 向导通状态，呈现“低阻态”，此 时管子两端的正向电压称为管压 降，仅1V左右。当二极管承受反向电压时，只 有很小的反向漏电流流过，器件 反向截止，呈现“高阻态”。如果 增加反向电压，达到反向击穿电 压时，反向电流急剧增大，管子 反向击穿。 （2）电力二极管的开关特性：也称动态特性指电力二极管工作状态在通态和断态之间转换时的特性。 1）关断特性：关断：电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态 的过程。关断过程中的电压、电流波形如图所示。 关断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。在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过 冲（由于外电路电感存在）。当原来处于正向导通的电力二极管外加电 压在tF时刻突然从正向变为反向时，正向 电流IF开始下降，下降速率由反向电压和 电路中的电感决定，而管压降由于电导调 制效应基本变化不大。到t0时刻正向电流 降为零，此时器件并没有恢复反向阻断能 力，而是在外加反向电压作用下形成较大 的反向电流。直到t1时刻反向电流IRP（由 URP产生的）达到最大值后，才开始恢复 反向阻断，反向恢复电流迅速减小。到了 t2时刻，电流变化率接近于零，管子两端 的反向电压才

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