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单片机第一章电力电子器件n

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精选第1章 电力电子器件概述资料

精选第1章 电力电子器件概述资料
5）最高工作结温TJM
结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。 TJM通常在125~175C范围之内。
6) 浪涌电流IFSM
指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过 电流。
14
4、二极管类型
1) 普通二极管（General Purpose Diode）
1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 1958年商业化。 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有 重要地位。
19
1、晶闸管的结构与工作原理
tgt
以
上
两者
之
和
，
10% 0
uAK
td
tr
t
2) 关断过程
IRM
反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间tgr
O
t
关断时间tq以上两者之和
tq=trr+tgr
trr URRM tgr
普通晶闸管的关断时间
约几百微秒
晶闸管的开通和关断过程波形
29
3）门极特性
门极电流 IG 与门极和阴极之间电 压UGK的关系。
雪崩 击穿
断态重复峰值电压 断态不重复峰值电压
晶闸管本身的压降很小，在1V左 右。
正向转折电压
-IA
晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
27
（2）反向特性 IA 反向不重复峰值电压 反向特性类似二极管的反向特
性。
反向重复峰值电压
反向阻断状态时，只有极小的

单片机第一章电力电子器件n

单片机第一章电力电子器件n

1.1.2 电力电子系统组成
电力电子系统：由控制电路(检测电路、驱动 电路、保护电路)和主电路组成。V(Valve阀)
•控
•制
•控制电
路
•电
•路
•检测 •电路
•保护 电路
•驱动 •电路
•V•1 •L •R
•V•2 •主电路
•在主电 路和控制 电路中附 加一些电 路，以保 证电力电 子器件和 整个系统 正常可靠 运行
2020/11/13
单片机第一章电力电子器件n
1.2.3 电力二极管的主要参数
•1) 正向平均电流IF(AV)
额定电流——在指定的管壳温度和散热条件 下，允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。
使用时应按电流发热效应有效值相等的原则 来选取电流定额，并应留有一定的裕量。
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2020/11/13
1.2.4 电力二极管的主要类型
1) 普通二极管（General Purpose Diode）
又称整流二极管（Rectifier Diode） 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高 DATASHEETPPT文Βιβλιοθήκη 演模板2020/11/13
单片机第一章电力电子器件n
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•电气隔 •图1-1 电力电子系统组离成
2020/11/13
单片机第一章电力电子器件n
1.1.3 电力电子器件的分类
按器件被控程度，分为三类：
半控型器件（Thyristor） ——控制信号可控制其导通不能控制其关断。
全控型器件（IGBT,MOSFET，GTO) ——控制信号既可控制其导通又可控制其关 断，
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第1章 电力电子器件概述 (2)精品

第1章 电力电子器件概述 (2)精品

dt
并伴随有明显的反向电压过冲。
IRP URP
图1-5(b)关断过程
开通过程：
u i
正向压降先出现一个过冲UFP，经 UFP
iF
过一段时间才趋于接近稳态压降的
某个值（如 2V）。
2V
uF
正向恢复时间tfr。 电流上升率越大，UFP越高 。
0
tfr
t
图1-5(b)开通过程
18
1.2.3 电力二极管的主要参数
10
1.2 不可控器件—电力二极管
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 1.2.2 电力二极管的基本特性 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
11
1.2 Po不we可r D控io器de结件构—和电原力理简二单极，管工作·引可言靠，自
20世纪50年代初期就获得应用。
5
1.1电.1力电电子力器电件子的损器耗件的概念和特征
通态损耗
主要损耗 断态损耗 开关损耗
开通损耗 关断损耗
通态损耗是器件功率损耗的主要成因。
器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损 耗的主要因素。
6
1电.1力.2电应子系用统电：力由控电制子电器路件、驱系动统电组路、成保护电路
和以电力电子器件为核心的主电路组成。 在主电路
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，又称自关断器件。 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。
8
1.1.3 电力电子器件的分类
按照驱动电路信号的性质，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 关断的控制。

电力电子器件-电子课件

电力电子器件-电子课件
决定晶闸管的最大电流 管芯半导体结温 流过电流的有效值 （相同的电流有效值条件下，其发热情况相同，选取型号相同）
第一章 电力电子器件
波形系数Kf ：有效值/平均值，反应周期
交流量波形性质。
如果额定电流为100A的晶闸管 其允许通过的电流有效值为1.57×100＝157A
第一章 电力电子器件
选择晶闸管额定电流时，要依据实际波形的电流
有效值与额定电流IT（AV)有效值相等的原则（即管芯结
温一样）进行换算。即：
由于晶闸管的过载能力差，一般选用时取1.5～2倍 的安全裕量。
第一章 电力电子器件
3.通态平均电压UT(AV)
当流过正弦半波的电流为额定电流，并达到稳定 的额定结温时，晶闸管阳极与阴极之间电压降的平均 值，称为通态平均电压。
第一章 电力电子器件
电力电子器件在电力设备或电力系统中，直接 承担电能变换和控制任务的电路称为主电路。
电力电子器件就是可直接用于主电路中实现电 能的变换和控制的电子器件。
电力电子器件则是电力电子电路的基础。 目前常用的电力电子器件都是用半导体材料制 成的，主要分为半控型器件和全控型器件。
第一章 电力电子器件
门极可关断晶闸管实物、图形 和文字符号
GTO在牵引电力机车和斩波器中的应用
第一章 电力电子器件
二、功率晶体管GTR
大功率晶体管（Giant Transistor）简称GTR， 又称为电力晶体管。因为有PNP和NPN两种结构，因此 又称双极型晶体管BJT。
功率晶体管GTR实物、图形和文字符号
第一章 电力电子器件
为晶闸管的额定电压值，用电压等级来表示。
第一章 电力电子器件
2.额定电流IT（AV)
又称为额定通态平均电流。 是指在环境温度小于40℃和标准散热及全导通的条 件下，晶闸管可以连续导通的工频正弦半波电流的平均 值。 晶闸管的额定电流参数系列：1A、5A、10A、20A、 30A、50A、100A、200A、300A。

第1章 电力电子器件概述54332

第1章 电力电子器件概述54332
20
1.2.3 电力二极管的主要参数
6）最高工作结温TJM
结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最
高平均温度。
TJM通常在125~175C范围之内。
21
1.2.4 电力二极管的主要类型
按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能， 特别是反向恢复特性的不同介绍。 1）普通二极管（General Purpose Diode）
27
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
常用晶闸管的结构
晶闸管模块
螺栓型晶闸管
平板型晶闸管外形及结构
28
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
按晶体管的工作原理 ，得：
I c1 1I A ICBO1
（1-1）
Ic2 2 I K ICBO2
IK IA IG I A Ic1 Ic2
二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要 特征。
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
14
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结的电容效应： PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应， 称为结电容CJ，又称为微分电容。 结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB 和扩散电容CD。 电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。
31
1.3.2 晶闸管的基本特性
晶闸管正常工作时的特性总结如下：
承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸 管都不会导通。 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶 闸管才能开通。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到维持电 流IH以下 。

第1章 电力电子器件

第1章 电力电子器件

1.1.1电力电子器件的概念和特征2）同处理信息的电子器件相比的一般特征：◆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。

23通态损耗是器件功率损耗的主要成因。

器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。

主要损耗 通态损耗 断态损耗开关损耗 关断损耗开通损耗1.1.1 电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的损耗4电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。

图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成 控制电路 检测 电路 驱动 电路 R L 主电路V 1 V 2 保护电路 在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行 1.1.2 应用电力电子器件系统组成 电气隔离控制电路1.1.3电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：◆半控型器件☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。

☞器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。

◆全控型器件☞目前最常用的是IGBT和Power MOSFET。

☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。

◆不可控器件☞电力二极管（Power Diode）☞不能用控制信号来控制其通断。

56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。

1.1.3 电力电子器件的分类 按照驱动电路信号的性质，分为两类：1.1.3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。

第1章 电力电子器件概述 (1).


1.2.4
电力二极管的主要类型
2) 快恢复二极管 （Fast Recovery Diode——FRD）
简称快速二极管 快恢复外延二极管
（Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED），其 trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右）， 但其反向耐压多在1200V以下。 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。 前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下， 甚至达到20~30ns。 DATASHEET 1 2 3
UF
U
图1-4 电力二极管的伏安特性
1.2.2
2) 动态特性
电力二极管的基本特性
F
diF dt
——二极管的电压-电流特性随时 间变化的 ——结电容的存在
延迟时间：td= t1- t0,
电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf
UF
tF t0
td
trr t1
tf
t2 UR t
近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
其他几种可能导通的情况：
阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高
光触发
光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘 而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT）。
控 检测 电路
和控制电 路中附加 一些电路， 以保证电 力电子器 件和整个 系统正常 可靠运行
制
控制电路 电 路
V1 L R
保护 电路
驱动 电路
V2
主电路

第1章电力电子器件概述1全解


diR dt
IRP URP
开通过程：
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。
u i
图1-5(b)关断过程
iF
正向压降先出现一个过冲 UFP ，经 UFP
2V 0
uF tfr t
电流上升率越大，UFP越高 。
图1-5(b)开通过程
1-19
1.2.3
电力二极管的主要参数
1) 正向平均电流IF(AV)
额定电流 —— 在指定的管壳温度和散热 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。
1-20
1.2.3
电力二极管的主要参数
2）正向压降UF
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。
P型区
空间电荷区
图1-3 PN结的形成
• 交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子 扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负 空间电荷建立的电场被称为 内电场或自建电场， 空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间 其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区 向另一区的 扩散运动，到对方区内成为少子，在界面 电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的 内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即 两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质 角度不同也被称为 离子。这些不能移动的正、负电荷称为 漂移运动 。 耗尽层、阻挡层或势垒区。 空间电荷。
2V 0
uF b) tfr t
图1-5 电力二极管的动态过程波形
a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置
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电力电子器件的概念、特点和分类等问题。 电力电子器件的工作原理、基本特性、主要 参数以及选择和使用中应注意问题。
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
电力电子器件
1）概念: 电力电子器件（Power Electronic Device）
——直接用于电能的变换或控制主电路。
主电路（Main Power Circuit） ——直接承担电能的变换或控制任务的电路。
缺点：URRM提高，UF也增高 反向漏电流大，温度敏感
1.3 半控器件—晶闸管
晶闸管（Thyristor),可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）
能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大功率的 场合具有重要地位。
பைடு நூலகம்
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
A
G
1.1.3 电力电子器件的分类
按器件被控程度，分为三类：
半控型器件（Thyristor） ——控制信号可控制其导通不能控制其关断。
全控型器件（IGBT,MOSFET，GTO) ——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。 不可控器件 (Power Diode)
——控制信号不能控制其通断。
1.2.3 电力二极管的主要参数
2）正向压降UF 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。
3）反向重复峰值电压URRM
对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值 电压。 使用时，应当留有两倍的裕量。
1.2.4 电力二极管的主要类型
1) 普通二极管（General Purpose Diode）
1.1.3 电力电子器件的分类
按驱动信号性质，分为两类：
电流驱动型
——控制端注入或者抽出电流来实现导通或关断。
电压驱动型
——电压信号实现导通或者关断。
1.1.3 电力电子器件的分类
按参与导电的载流子，分为三类： 单极型 双极型 复合型
1.2 不可控器件—电力二极管
Power Diode 。 应 用 ： 整 流 SR （ Semiconductor Rectifier) 快恢复二极管。应用：中、高频整流和逆变。 肖特基二极管。应用：低压高频整流。
又称整流二极管（Rectifier Diode） 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高 DATASHEET
1.2.4 电力二极管的主要类型
2)、快恢复二极管 （Fast Recovery Diode——FRD）
简称快速二极管trr在5μS以下
快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED），
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
2）电力电子器件一般特征：
处理电功率的能力大。 工作在开关状态。 需要信息电子电路控制。 功率损耗大。
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件的损耗
通态损耗
主要损耗
断态损耗 开关损耗
开通损耗 关断损耗
通态损耗是器件功率损耗的主要成因。
开关频率较高时，开关损耗可能是功率损耗的主要因素。
整流二极管及模块
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
由一个面积较大 的PN结和两端引 线以及封装组成 的。
从外形上看，主 要有螺栓型和平 板型两种封装。
A K
K
A
K
PN
I J
b)
A a)
A
Anode
K
Kathode
c)
图1-2 电力二极管 a) 外形 b) 结构 c) 符号
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
1.2.2 电力二极管的基本特性
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。
与IF对应的电力二极管两 端的电压即为其正向电
压降UF 。
承受反向电压时，只有 微小而数值恒定的反向 漏电流。
I IF
O UTO UF
U
图1-4 电力二极管的伏安特性
1.2.3 电力二极管的主要参数
KK
A A G
a)
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K b)
图1-6 晶闸管
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
第1章 电力电子器件
1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件——二极管 1.3 半控型器件——晶闸管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联和并联使用
第1章 电力电子器件
电子电路的基础 ——— 电子器件 电力电子电路的基础——— 电力电子器件 本章主要内容：
PN结的状态
状态参 数
正向导通
反向截止
反向击穿
电流
正向大
几乎为零
反向大
电压
维持1V
反向大
反向大
阻态
低阻态
高阻态
——
➢基本原理在于单向导电性。
PN结的反向击穿（两种形式)
雪崩击穿
齐纳击穿
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结电容效应：
PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电 容
效应，该效应影响PN结的工作频率。
trr低于50ns， UF也很低（0.9V左右），反向耐压
多在1200V以下。
DATASHEET 1 2 3
1.2.4 电力二极管的主要类型
3) 肖特基二极管(DATASHEET)
以 金 属 和 半 导 体 接 触 形 成 势 垒 （ Schottky Barrier Diode ——SBD）。
优点：trr短（10-40ns) URRM低，UF低 正向功耗小，动态功耗小
1.1.2 电力电子系统组成
电力电子系统：由控制电路(检测电路、驱动 电路、保护电路)和主电路组成。V(Valve阀)
控制电路
控
检测
电路
制 保护
电
电路
驱动
路
电路
V1 LR
V2 主电路
电气隔离 图1-1 电力电子系统组成
在主电路 和控制电 路中附加 一些电路， 以保证电 力电子器 件和整个 系统正常 可靠运行
1) 正向平均电流IF(AV)
额定电流——在指定的管壳温度和散热条件 下，允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。
使用时应按电流发热效应有效值相等的原则 来选取电流定额，并应留有一定的裕量。
1.2.3 电力二极管的主要参数
器件电流额定的选择： 工频正弦半波电流: 额定值：IF(AV)=Im/π, 有效值：If= Im/2 波形系数：Kf = If /IF(AV)= π /2=1.57 有效值与额定值关系式：If =1.57 IF(AV)