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第2章电力电子器件与变换电路1讲课资料

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电力电子技术第二章电力电子器件课件

电力电子技术第二章电力电子器件课件

2.2.3 晶闸管基本特性
1. 晶闸管静态伏安特性
图2.4 晶闸管的伏安特性
2.2.3 晶闸管基本特性
1) 正向伏安特性 晶闸管在门极开路(IG=0)的情况下，在阳极与阴极间施加 一定的正向阳极电压，器件也仍处于正向阻断状态，只有 很小的正向漏电流流过。 外加的阳极正向电压在其转折电压以下时，只要在门极注 入适当的电流(一般为毫安级)，器件也会立即进入正向导 通状态 。
图2.5 晶闸管门极伏安特性
2.2.3 晶闸管基本特性
2. 晶闸管动态特性 1) 晶闸管开通过程
第一阶段：延迟阶段。所需时间为延迟时间td。从门极 电流iG阶跃时刻开始，到阳极电流iA上升到稳态电流的 10％所需的时间。在这一期间，晶闸管的正向压降略有 减小。 第二阶段：上升阶段。此阶段所需时间为上升时间tr。 阳极电流从稳态值的10％上升到90％所需的时间。在该 阶段，伴随着阳极电流迅速增加，器件两端的压降uAK 也迅速下降。 第三阶段：扩散阶段。所需时间为扩散时间tex。它是阳 极电流上升到90%之后载流子在整个芯片面积上分布的 过程，最终使iA上升到100%稳态值，器件压降达到稳 定值。
2.2.3 晶闸管基本特性
4) 断态电压临界上升率du/dt 因此过高的du/dt，会产生对J2结过大的充 电电流，可能造成晶闸管的误导通。
图2.8 位移电流产生示意图
2.2.3 晶闸管基本特性
5) 晶闸管的动态损耗 晶闸管在低频运行时，由于主要工作于稳定阻断 或导通状态，其开、关过程时间相对较短，该阶 段产生的损耗可以忽略。该阶段的损耗主要是由 通态压降与阳极电流，以及阻断电压和断态漏电 流产生的静态损耗。这种损耗是晶闸管低频运行 时结温升高的主要因素。 然而，晶闸管在高频运行时，晶闸管开关过程时 间占了很大成分，开关过程中晶闸管的压降和电 流值都较大，产生的损耗更是不容忽略的，这部 分损耗称作动态损耗。

第2章 电力电子器件2 180页PPT文档

第2章 电力电子器件2 180页PPT文档
25
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
■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。
4
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
■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。
N型区
图3 PN结的形成
PN结 外加电场
方向相反
PN结 自建电场
多子的扩散运动>少子的漂移运动
扩散电流
形成自P区流 入从N区流出 的电流
造成空间电 荷区变窄
正向电流
IF
外加电压升高 自建电场削弱 扩散电流增加
PN结的正向导通状 态
PN结流过 的正向电流
较小 电阻值较高且为常数 较大 电阻率下降电导率增加
定的
17
N型半导体和P型半导体结合后构成PN结
内电场
。- 。- 。。- 。- 。。- 。- 。。- 。- 。。- 。- 。-
P型区
-+ -+ -+ -+ -+
空间电荷区

第2章电力电子器件与变换电路1-文档资料72页

第2章电力电子器件与变换电路1-文档资料72页

光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体 器件。也有可见光和不可见光（如远红外光）之分。 其外形与发光管类似。
光电二极管在反向电压作用下工作。当无光照时, 和普通二极管一样, 其反向电流很小, 称为暗电流。 当有光照时, 产生的反向电流称为光电流。照度E越 强，光电流也越大。光电流很小, 一般只有几十微安, 应用时必须放大。
A
G
P1 N1 P2 N2
J1
J2 J3
K
工作原理 : 1. uak<0; 2. uak>0, uG=0; 3. uak>0, uG>0; 4. 门极作用; 5. IA=0
关键词： 正反馈，饱和
44
2.4.3 晶闸管的工作原理
■ 正常工作时的特性 总结如下： ☞当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，
按功率大
小分： 普通三极管 电力三极管
35
2.3.4 三极管的外形—电力三极管（GTR）
36
2.3.5 电力三极管（GTR）的常见结构
1．达林顿GTR
达林顿结构由两个或多个晶体管复合而成，可以 是PNP型也可以是NPN型，其性质由驱动管来决定。 如图4-2，图中：V1为驱动管、V2为输出管 。
二极管是以半导体PN结和两端引线以及封装组成的。 二极管主要特点：单向导电性。 主要分为：电子学上的小功率半导体二极管；
电力电子学上的功率型电力二极管。
2.2.1 二极管的主要结构：
(a) 点接触型: 结面积小、结电容小、正向电流小。用于 检波等高频电路。
(b) 面接触型 结面积大、正向电流大、结电容大，用于 工频大电流整流电路。
半导体：有的物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半 导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。

电力电子技术2122资料讲解

电力电子技术2122资料讲解

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 的反向电压才降到外加反向电压UR，二极 管完全恢复反向阻断能力。
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。
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。
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
控
检测 电路
制 保护
电
电路
驱动
路
电路
V1 LR
V2 主电路
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。

第2章电力电子器件与变换电路1共72页

第2章电力电子器件与变换电路1共72页

C V1 B
V2
E
C V1 B
V2
E
C
B VD1 V1 V2
B2
E
达林顿GTR a)NPN型 b)PNP型 c)实用达林顿电路
37
2.3.5 电力三极管（GTR）的常见结构
2. GTR模块
GTR模块:它将GTR管芯、稳定电阻R1、R2，加速二极管
VD1以及续流二极管VD2等构成一个单元，根据不同用途 将几个单元电路组装在—个外壳之内构成模块。
可见光发光二极管也称为LED，符号如 图所示。发光颜色目前有红色、绿色、橙 色、黄色、白色等。发光二极管的电特性 与普通二极管一样，伏安特性曲线也类似， 同样具有单向导电性。但正向导通电压比 普通二极管高，红色的导通电压在1.6~1.8V 间，绿色的为2V左右。
符号
28
2.2.4 特殊二极管——光电二极管
■1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管，1957年美国通用 电气公司开发出了世界上第一只晶闸管，并于1958年使其商业化。
■由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的， 而且工作可靠，因此在大容量的场合仍然具有比较重要的地位。
晶闸管及模块 42
2.4.2 晶闸管的结构
3
概述
概述：
由前一章我们知道，电力电子器件又称为电力电子开关、功
率开关、或开关器件，那么它与我们常见的电力开关有什么 不同呢？
电力开关：
构成材料：金属（铜等）、机械结构 工作原理：借助外力或电磁力，使触头接通或断开。 工作频率：不能频繁操作，无法用频率描述（<0.01Hz） 应用场合：用于电路的接通或断开，不能改变电能的性质。 特 点： 接通后，接通电阻为零，无电压降落；

电力电子器件概述ppt92页

电力电子器件概述ppt92页

1-31
2.3.1 晶闸管的结构与工作原理
阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍
大于两个晶体管漏电流之和。 开通状态：注入触发电流，晶体管的发射极电流增大，
迅速增大，1+2趋近于1，流过晶闸管的电流IA将
趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。
1-32
2.3.1 晶闸管的结构与工作原理
1-18
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结的状态
状态 参数
电流 电压 阻态
正向导通
正向大 维持1V 低阻态
反向截止
几乎为零 反向大 高阻态
反向击穿
反向大 反向大 ——
➢PN结的反向击穿（两种形式)
雪崩击穿 齐纳击穿 均可能导致热击穿（不可恢复）
1-19
2.2.2 电力二极管的基本特性
1. 静态特性
主要指其伏安特性
门槛电压UTO，正向电流 IF开始明显增加所对应的 电压。 正向电压降UF 反向漏电流
I IF
O UTO UF
U
图2-4 电力二极管的伏安特性
1-20
2.2.2 电力二极管的基本特性
2) 动态特性
关断过程
IF
diF
dt
trr
UF
td
tf
延时后进入截止状态。
tF t0
关断前有较大的反向电流，并伴有明显的
空间电荷区
变宽
＋＋＋
P
＋＋＋ N
＋＋＋
内电场
外电场
I
E
R
1-16
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
基本结构和工作 原理与信息电子 电路中的二极管 一样。

电力电子技术-第二章 电力电子器件2.12.2

电力电子技术-第二章 电力电子器件2.12.2

第二章电力电子器件电子技术（模拟电子电路和数字电子电路）*电力电子技术就是实现电能的变换和控制*一般电路分为一次电路和二次电路，一次电路是主电路，二次电路是控制电路，电力电子器件通常在一次电路/主电路中。

*电真空器件：晶闸管问世前的水银整流器（汞弧整流器）都属于此类→基本淘汰了半导体器件：现在使用的，基本都是半导体器件，所以通常把电力电子器件也叫电力半导体器件。

（如手机里的芯片，也是用硅制作的集成电路）*信息电路的电子器件，能处理各种不同的信息，能放大、变换，但处理电功率的能力都不大，流过的电流，承受的电压都比较小，主要用来处理信息（微弱的信号），而一般电力电子器件，处理电功率的能力远大于信息的电子器件。

*处理信息的电子器件，有很多器件在模拟电路中，可能工作在放大状态，而电力电子器件，一般都是开关状态，若放大状态，管子承受的电压比较高，电流比较大，损耗比较大，发热会损坏。

所以，一般要么电压高，电流很小；要么电流大，而通态压降低，损耗不会太大。

*电力电子器件一般都有一个门极或控制极，通过信息电路来控制。

（电力电子器件的驱动，需要控制电路来控制，所以。

）*电力电子器件即使不工作在放大状态，损耗相对来说也比较大，会发热，所以要安装散热器，防止器件烧坏。

（书P11）损耗的组成：●通态损耗：管子处于导通时的损耗，管子有管压降，流过比较大的电流，例：100A的电流流过管子，有1V的管压降，100W的损耗就会发热，就要安装散热器。

●断态损耗：断开时的损耗，理想情况下，断开时，应该是没有电流流过，没有损耗，但实际上，存在漏电流，漏电流一般比较小，所以断态损耗所占比例比较小。

（任何情况下，所占比重都不大）●开关损耗：开通或关断过程中的损耗，任何电力电子开关，开通或断开都不是瞬时完成，有一个过程，例：从断到通，电压从高到低，电流从小到大，在这个过程中，电流和电压都不高也不低，两个想乘，数值也不小，所以开关损耗的功率比较大，时间非常短。

电力电子技术课件 第2章

电力电子技术课件 第2章



控制方式：相位控制 触发角 输出直流电压平均值
1
第2章
相控整流电路
整流电路的分类：

按器件组成：不可控、半控、全控 按电网、交流电相数：单相、三相、多相

按接线方式：半波、全波
2
第2章
相控整流电路
整流电路形式繁杂，重点掌握：

电路拓扑
控制策略


工作原理、波形分析
数量关系
3
第2章
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7
平均值Ud越接近零，输出的直流电流平均值也越小。
18

为避免Ud太小，在整流电路的负载两端并联续流二极管
T a) u1 u2 VT id uVT iVD ud
R
L
VDR R u2 b) O ud c) O id d) O i VT e) O iVD f) O uVT g) O
R
t1
t
t
Id
3) α<ωt<α+θ区域

t
0
t
16
1 1 1 Ud u2d(t ) 2π uR d(t ) 2π uLd(t ) 2π
1 L 0 uL d(t ) 2π 0 di 0 2π
Ud UR
电感元件的一个重要特性：在稳态条件下，电感两端 的电压平均值恒等于零。换言之，在一个周期内，电 感储存的能量等于释放的能量。
sin 2 IVT I 2 2 4
晶闸管在工作中可能承受的最大正、反向电压为电源 电压的峰值
11
变压器二次侧有功功率、视在功率、功率因数
P I R UI

第二章 电力电子器件53751 210页PPT

第二章 电力电子器件53751 210页PPT

1、结构 2、工作原理 3、特性 4、参数
2.2 电力二极管
2.2.1 电力二极管及其工作原理 2.2.2 电力二极管的特性与参数
2.2.1 电力二极管及其工作原理
一、电力二极管：
1、电力二极管（Power Diode）也称为半导 体整流器（Semiconductor Rectifier，简称 SR），属不可控电力电子器件，是20世纪最早 获得应用的电力电子器件。
二极管反向恢复过程示意图
（2）开通特性：如图（b）所示
电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。
图2.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形
电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于 接近稳态压降的某个值（如 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复 时间tfr。 电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量非平衡少子，达到
扩散电容仅在正向偏置时起作用，多数载流子 运动引起。
在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容 为主；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，应用时应加以注意。
势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。 当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子 薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结 中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。 势垒电容的示意图如下。
2.1.1 电力电子器件的 基本模型与特性
一、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 象成下图2.1.1所示的理想开关模型，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，在通态时其电 阻为零，断态时其电阻无穷大。导通、截止两种瞬态。

电力电子技术(第5版)(王兆安,刘进军)第2章 电力电子器件

电力电子技术(第5版)(王兆安,刘进军)第2章 电力电子器件

-
V
+ + + + + + n +
p -
-
+
+
Wo W
17/89
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
■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。
u i UFP
iF
u
2V 0
F
t fr
b) 零偏置转换为正向偏置
t
图2-6 电力二极管的动态过程波形
22/89
2.2.3 电力二极管的主要参数
■正向平均电流IF(AV) ◆指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称 壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工 频正弦半波电流的平均值。 ◆ IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有 效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。 ■正向压降UF ◆指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正 向电流时对应的正向压降。 ■反向重复峰值电压URRM ◆指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。
能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电

电力电子技术课件-第2章、电力电子器件

电力电子技术课件-第2章、电力电子器件

20
2.2.2 电力二极管的基本特性
IF
UF
d iF
dt
trr
td
tf
t1:反向电 流达最大 值的时刻
tF t0
t0:正向 电流降 为零的 时刻
u i U
FP
t1 t 2
UR
t
d iR
dt
IR UPRP a)
i
F
t2:电流变 化率接近 于零的时 刻
u
2V
F
0
b)
t
fr
t
图2-6 电力二极管的动态过程波形
用Sr表示。
21
2.2.2 电力二极管的基本特性
◆开通过程：由零偏置转换为 正向偏置 ☞先出现一个过冲UFP，经 过一段时间才趋于接近稳态 压降的某个值（如2V）。 ☞正向恢复时间tfr ☞出现电压过冲的原因:电
导调制效应起作用所需的大量 少子需要一定的时间来储存， 在达到稳态导通之前管压降较 大；正向电流的上升会因器件 自身的电感而产生较大压降。
2
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 2.1.4 本章内容和学习要点
3
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
1）概念: 电力电子器件（Power Electronic Device）
——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电 子器件。
J
b) K
A
c)
a)
图1-2 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
电力二极管在本质 上是一个PN节， 只是加上电极引线、 管壳封装。PN节 的工作原理已经在 模拟电子技术课程 中涉及，不再展开 讨论。

《电力电子技术》PPT第2章

《电力电子技术》PPT第2章

《电力电子技术》PPT第2章2.4电力电子器件的模块化模块是在单个元件基础上发展起来的新器件，它是有若干个半导体芯片按不同的用途和目的进行接线后，封装成一个块状整体。

90年代已经开始普及，除少数超大功率器件外，一般中小功率器件均模块化。

其优点是外部接线简单，抗干扰能力增强。

2.5 智能电力电子模块（IPM）IPM（IntelligentPowerModule）智能电力电子模块是功率集成电路PIC（PowerIntegratedCircuits）的一种。

一类称为高压集成电路，简称HVIC，它是横向高耐压电力半导体器件与控制电路的单片集成；另一类即IPM，它是纵向电力半导体器件与控制电路保护电路以及传感器电路等多功能集成。

由于高度集成化使模块结构十分紧凑，避免了由于分布参数、保护延迟等带来的一系列技术难题，使变频器的可靠性得到进一步提高。

IPM的智能化表现为可以实现控制、保护、接口三大功能，构成混合式电力集成电路。

2.6全控型电力电子器件的比较1电压、电流的比较图2-45电压、电流的比较2性能的比较200200200200125150最高工作结温（℃）中等高高高低中等di/dt高高高高低中等du/dt中等低低很低中等高门栅极驱动功耗100200×10320×103501050最大开关速度（kHz）10倍额定值5倍额定值5倍额定值5倍额定值10倍额定值3倍额定值浪涌电流耐压量100～500306604030正向导通电流密度（A/cm2）220200100～12400～1003500400正向电流范围（A）500～450050～150050～1000200～2500500～9000100～1400正向阻断电压范围（V）500～450000200～2500500～6500<50反向电压阻断能力（V）导通/关断导通/关断阻断阻断阻断阻断常态电压电压电压电压电流电流控制方式S.ITHS.ITVDMOSIGBTGTOBJT器件名称2.7电力电子器件的相关技术1串并联技术图2-47直流输电用晶闸管变换装置的一个模块（桥式电路的一个臂）该模块均衡电路由以下几部分构成。

优选电力电子器件和电力变换基本电路结构教案

优选电力电子器件和电力变换基本电路结构教案
——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。 ➢ 全控型器件（IGBT,MOSFET)
——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断(自关断器件) ➢ 不可控器件(Power Diode)
——不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。
按照驱动信号的性质，分为两类：
➢ 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。
速度；
➢ 关断过程非常迅速，开关时间在10~100ns之间， 工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件 中最高的；
D
G S
N沟道
D
G S
P沟道
2.1.4 典型全控型器件—IGBT
绝缘栅双极晶体管 — IGBT
C
G
E
➢ GTR和GTO的优点——双 特点：
极型，电流驱动，通流能力 ➢ GTR和MOSFET复合，取GTR和GTO 通
➢晶闸管的一种派生器件； ➢可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断； ➢GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆
瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。 ➢由于是电流驱动，开关频率不高。
电力晶体管 —— GTR
➢耐高电压、大电流的双极结型晶体管； ➢20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但
的某一数值以下 。
2.1.4 典型全控型器件
➢ 门极可关断晶闸管 —— GTO ➢ 电力晶体管 —— GTR ➢ 电力场效应晶体管 —— 电力MOSFET ➢ 绝缘栅双极晶体管 —— IGBT
IGBT单管及模块
电力MOSFET
2.1.4 典型全控型器件—GTO，GTR
门极可关断晶闸管 —— GTO
目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。

电力电子器件与变换电路(2)

电力电子器件与变换电路(2)
➢ 应用场合：电路的接通或断开，或电能变换。 ➢ 特点： 接通后，接通电阻不为零，有一定电压降落；
断开后，电阻不为无穷大，存在一定漏电流。
9
2.1 半导体的基本知识
2.1.1 导体、半导体和绝缘体 导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都
是导体，如铁、铜、铝等。
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶 瓷、塑料和石英。
数载流子。
15
2.1.5 PN结
1 . PN结的形成
内电场越强，漂移运动
漂移运动 越强，扩散运动越弱
内电场
扩散和漂移 这一对相反的 运动最终达到 动态平衡，空 间电荷区的厚 度固定不变。
形成空间电荷区 扩散运动
扩散的结果使 空间电荷区变宽。
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2.1.5 PN结
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2.1.5 PN结
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2 .2 半导体二极管及电力二极管
2.2.3 二极管的单向导电性
1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ） 时， 处于正向导通状态，正向电阻较小，正向电流较大。
2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ） 时， 处于反向截止状态，反向电阻较大，反向电流很小。
3. 外加电压大于反向击穿电压，二极管被击穿，失去单向 导电性，二极管损坏。
断开后，电阻为无穷大，没有漏电流。
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概述
电力开关类型：
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概述
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概述
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概述
电磁接触器
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概述
电力电子开关：
➢ 构成材料：半导体材料，有内阻，集成结构。 ➢ 工作原理：借助控制电压或电流，使开关接通或断开。 ➢ 工作频率：能频繁操作，不同的器件，工作频率不同，如：

电力电子技术之电力电子器件概述PPT模版(92页)

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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。
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。
5. 不可控器件 —— 电力二极管
1.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：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。
动态特性
◆因为结电容的存在，电压—电流特性 是随时间变化的，这就是电力二极管的动态 特性，并且往往专指反映通态和断态之间转 换过程的开关特性。
◆由正向偏置转换为反向偏置
电力二极管并不能立即关断，而是须经 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。
导调制效应起作用所需的大量
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。 A
A K
K
A PN K
I
J
b)
A
K
a)
c)
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
（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区流入而从N区流出的电流，称为正向电流
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P 型硅
阳极 D 阴极
阴极引线
( b) 面接触型
( d) 符号
20
2 .2 半导体二极管及电力二极管
电力二极管的结构示意图
A
K A
a)
K
A
K
PN
I J
b)
A
K
c)
图2-2 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
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2 .2 半导体二极管及电力二极管
二极管的外形：
2.2.3 二极管的单向导电性
1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ） 时， 处于正向导通状态，正向电阻较小，正向电流较大。
2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ） 时， 处于反向截止状态，反向电阻较大，反向电流很小。
3. 外加电压大于反向击穿电压，二极管被击穿，失去单向 导电性，二极管损坏。
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2.2.2 二极管的伏安特性：
特点：非线性
I
正向特性
反向击穿 电压U(BR)
反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。
P– + N
反向特性
外加电压大于反向击穿 电压二极管被击穿，失去 单向导电性。
硅0.6~0.8V 导通压降 锗0.2~0.3V
U
硅管0.5V, 死区电压 锗管0.1V。
外加电压大于死区电 压二极管才能导通。
➢ 应用场合：电路的接通或断开，或电能变换。 ➢ 特点： 接通后，接通电阻不为零，有一定电压降落；
断开后，电阻不为无穷大，存在一定漏电流。
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2.1 半导体的基本知识
2.1.1 导体、半导体和绝缘体 导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都
是导体，如铁、铜、铝等。
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶 瓷、塑料和石英。
（或锑）而形成，也称为 电子型半导体。
+5
自由电子
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2.1 半导体的基本知识
➢ 掺入五价元素后自由电子数目大量增加，自由电子
导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半 导体 或 N型半导体。
➢ 掺杂浓度越大，自由电子数目越多，导电能力越强。 ➢ 在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数
载流子。
断开后，电阻为无穷大，没有漏电流。
4
概述
6
概述
7
概述电磁接触器8源自概述电力电子开关：
➢ 构成材料：半导体材料，有内阻，集成结构。 ➢ 工作原理：借助控制电压或电流，使开关接通或断开。 ➢ 工作频率：能频繁操作，不同的器件，工作频率不同，如：
晶闸管：50Hz ~ 几kHz IGBT: 5kHz ~ 50kHz MOSFET: 几kHz ~几MHz
束缚电子
+4
+4
Ge
Si
+4
+4
共价键结构 形成共价键后，每个原子最外层电子是八个，构成稳定结构。 在绝对零度以下，本征半导体中无活跃载流子，不导电
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2.1 半导体的基本知识
半导体掺杂 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就
会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂使半导 体的某种载流子浓度大大增加。 2.1.3 N型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷
电力电子与现代生活
Power Electronics Technology and Modern Life
1
电力电子与现代生活
第2章 电力电子器件与变换电路
第2章 电力电子器件与变换电路
第一部分 电子器件与电力电子器件
2.1 半导体基本知识 2.2 半导体二极管及电力二极管 2.3 半导体三极管及电力三极管 2.4 半控型器件——晶闸管 2.5 门极可关断晶闸管GTO 2.6 电力场效应管 （电力MOSFET ） 2.7 绝缘栅极晶体管 IGBT
(c) 平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大 可小，用于高频整流和开关电路中。
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2 .2 半导体二极管及电力二极管
二极管的结构示意图
金属触丝 N型锗片
阳极引线
阴极引线
( a) 点接触型 外壳
铝合金小球 N型硅
阳极引线
PN结 金锑合金
底座
阳极引线 二氧化硅保护层
N型硅 阴极引线
(c ) 平面型
3
概述
概述：
➢由前一章我们知道，电力电子器件又称为电力电子开关、功
率开关、或开关器件，那么它与我们常见的电力开关有什么 不同呢？
电力开关：
➢构成材料：金属（铜等）、机械结构 ➢工作原理：借助外力或电磁力，使触头接通或断开。 ➢工作频率：不能频繁操作，无法用频率描述（<0.01Hz） ➢应用场合：用于电路的接通或断开，不能改变电能的性质。 ➢ 特 点： 接通后，接通电阻为零，无电压降落；
➢ 二极管是以半导体PN结和两端引线以及封装组成的。 ➢ 二极管主要特点：单向导电性。 ➢ 主要分为：电子学上的小功率半导体二极管；
电力电子学上的功率型电力二极管。
➢ 2.2.1 二极管的主要结构：
(a) 点接触型: 结面积小、结电容小、正向电流小。用于 检波等高频电路。
(b) 面接触型 结面积大、正向电流大、结电容大，用于 工频大电流整流电路。
13
2.1 半导体的基本知识
2.1.4 P 型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的三价元
素，如硼(或铟)而形成，也称为 空穴型半导体。
+3
空穴
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2.1 半导体的基本知识
➢ 掺入三价元素后空穴数目大量增加，空穴导电成为这
种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半 导体。
➢ 在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少
半导体：有的物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半 导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。
半导体的导电机理不同于其它物质，其特点为： • 当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。 • 往纯净半导体中掺入某些杂质，会使其导电能力明显改变。
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2.1 半导体的基本知识
2.1.2 本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 用的最多的半导体是硅和锗，最外层电子（价电子）都是四个。
状态 参数
电流 电压 阻态
正向导通
正向大 维持1V 低阻态
反向截止
几乎为零 反向大 高阻态
反向击穿
数载流子。
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2.1.5 PN结
1 . PN结的形成
内电场越强，漂移运动
漂移运动 越强，扩散运动越弱
内电场
扩散和漂移 这一对相反的 运动最终达到 动态平衡，空 间电荷区的厚 度固定不变。
形成空间电荷区 扩散运动
扩散的结果使 空间电荷区变宽。
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2.1.5 PN结
17
2.1.5 PN结
18
2 .2 半导体二极管及电力二极管