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电力电子器件及电力二极管

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电力电子技术(第4版)第3讲 电力电子器件

电力电子技术(第4版)第3讲 电力电子器件
过程快，承受di/dt能力强 。
电力电子技术
第1章：
电力电子器件
⑵ GTO的动态特性
iG
开通过程：与普通晶闸管相同 关断过程：与普通晶闸管有所不同 储存时间 t s ，使等效晶体退出饱 和 。 下降时间 t f ，
O t
尾部时间 t —残存载流子复
t
iA IA 90%合。
10%IA 0
电力电子器件
③最大可关断阳极电流 I A T O ——GTO额定电流。 ④ 电流关断增益off ——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电 流最大值IGM 之比称为电流关断增益。
o ff
I ATO I GM
off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。
1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 电力电子技术
A 强 G K O U AK 光强度 弱
a)
b)
因此目前在高压大功率 的场合。
图1-10 光控晶闸管的电气 图形符号和伏安特性
a) 电气图形符号 b) 伏安特性
电力电子技术
第1章：
电力电子器件
1.6
典型全控型器件
1.6.0 引言
门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。
20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时 代。
第1章：
电力电子器件
1.6.2
术语用法：
电力晶体管
电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为 巨型晶体管） 。
耐 高 电 压 、 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管 （ Bipolar Junction Transistor——BJT），英文有时候也称 为Power BJT。 应用:

电力电子器件分类

电力电子器件分类

■按照能够被控制电路信号所控制的程度
◆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。

■按照驱动信号的性质
◆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。

■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。

■按照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。

◆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。

电力电子器件

电力电子器件

3.电路如图所示 VT承受正向门级电压，画出负载R上的电压波
5.判断下列图形中何时灯亮，何时不亮？ (1)u2为直流电源，上+下－，S未闭合前灯泡亮不亮？ 答：不亮。晶闸管虽具有上+、下－导通的条件，但没有触发 电流，所以不能导通。 （2）u2为直流电源，上+、下－，S闭合后灯泡亮不亮？S闭合 后又断开了，灯泡亮不亮？ 答：S闭合后灯泡亮。S闭合后又断开了灯泡照常亮。 （3）u2为直流电源，上－、下+，S未闭合前灯泡亮不亮？S 闭合后又断开了灯泡亮不亮？ 答：不亮。u2上－、下+，不具备导通的条件。S闭合也不会亮。
IG2
IG1 IG=0 Ubo +UA
的反相漏电流流过。
当反向电压达到反向击穿电 压后，可能导致晶闸管发热
击穿
损坏。
-IA
• 1.1 使晶闸管导通的条件是什么？ 答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受 正向阳极电压，并在门极注入正向触发电 流。 • 1.2 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样 才能使晶闸管由导通变为关断？ 答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的 电流大于能保持晶闸管导通的最小电流 （即维持电流）。 要使晶闸管由导通变为关断，可通过外加 反向阳极电压或减小负载电流的办法，使 流过晶闸管的电流降到维持电流值以下。
UA IA 正向 导通IHOIG2IG1 IG=0 Ubo +UA
随着门极电流幅值的增大， 正向转折电压降低。 晶闸管本身的压降很小， 在1V左右。
击穿
-IA
晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
（2）反向特性
反向特性类似二极管的反向 特性。 反向阻断状态时，只有极小
IA 正向 导通
IH UA O

电力电子第五版第2讲_3

电力电子第五版第2讲_3
i
F
u
F
t fr
图2-6 电力二极管的动态过程波形 b) 零偏置转换为正向偏置
t
24
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。
2
2.1 电力电子器件概述
2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 电力电子器件的概念和特征 应用电力电子器件的系统组成 电力电子器件的分类 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
■电力电子器件的概念 ◆电力电子器件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电真空器件 和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器 件。
■另一方面，空间电荷区形成由N区到P区的内电场，内电场一边阻碍多
子扩散运动，一边帮助少子漂移运动。
多子扩散运动因内电场而减弱（停止）， 少子漂移运动因内电场而加强（进行）。 最终，扩散运动和漂移运动达到动态平衡， 空间电荷区达到稳定值。
PN结是半导体的核心，掌握它的性质是分析 器件的基础，它的特点是单向导电性。
◆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。
6
2.1.1 电力电子器件的概念和特征

电子行业电力电子器件综合概述

电子行业电力电子器件综合概述

电子行业电力电子器件综合概述1. 引言电力电子器件是电子行业中的重要组成部分，用于控制和转换电能。

随着电力需求的不断增长，电力电子器件的应用范围也在不断扩大。

本文将对电力电子器件进行综合概述，包括其定义、分类、应用以及未来发展趋势等内容。

2. 电力电子器件的定义电力电子器件是指用于控制和转换电能的电子元件。

它可以将交流电转换为直流电，也可以将电能转换成其他形式，如机械能、光能等。

电力电子器件具有变流、变压、变频等功能，广泛应用于电力系统、工业控制、交通运输等领域。

3. 电力电子器件的分类电力电子器件根据其功能和工作原理的不同，可以分为以下几类：3.1 整流器整流器是一种将交流电转换为直流电的电力电子器件。

它使用半导体器件（如二极管、晶闸管等）将交流电的负半周或正半周去除，使输出电流呈现单向流动的特点。

整流器广泛应用于电力系统、工业设备以及电子产品中。

3.2 逆变器逆变器是一种将直流电转换为交流电的电力电子器件。

它通过控制半导体开关器件（如晶闸管、IGBT等）的开关状态，使直流电通过电路产生交流电输出。

逆变器广泛应用于可再生能源发电系统、电动车充电桩、家用电器等领域。

3.3 变频器变频器是一种可控制交流电频率的电力电子器件。

它通过调节半导体开关器件的开关频率，可以实现对交流电输出频率的调节。

变频器广泛应用于交通运输、工业生产等领域，如交流电机调速控制、电动车驱动系统等。

3.4 开关电源开关电源是一种通过开关器件在输入端和输出端之间进行快速切换来实现电能转换的电力电子器件。

开关电源具有高效率、小体积、稳定性好的特点，广泛应用于电子产品、通信设备等领域。

4. 电力电子器件的应用电力电子器件在电力系统、工业生产、交通运输、家用电器等领域都有广泛的应用。

在电力系统中，电力电子器件被用作电网稳定器、无功补偿装置、电力质量调节器等，提高电力系统的稳定性和效率。

在工业生产中，电力电子器件被用于电机调速、电力负荷控制、短路电流限制等，提高生产效率和质量。

第9章--电力二极管、电力晶体管和晶闸管的应用简介

第9章--电力二极管、电力晶体管和晶闸管的应用简介

目录目录.............................................................................................................................................................................. 第9章电力二极管、电力晶体管和晶闸管的应用简介 . 09.1 电力二极管的应用简介 09.1.1 电力二极管的种类 09.1.2 各种常用的电力二极管结构、特点和用途 09.1.3 电力二极管的主要参数 09.1.4 电力二极管的选型原则 (1)9.2 电力晶体管的应用简介 (2)9.2.1 电力晶体管的主要参数 (2)9.2.2 电力晶体管的选型原则 (2)9.3 晶闸管的应用简介 (3)9.3.1 晶闸管的种类 (3)9.3.2 各种常用的晶体管结构、特点和用途 (3)9.3.3 晶闸管的主要参数 (4)9.3.4 晶闸管的选型原则 (5)9.4 总结 (6)第9章电力二极管、电力晶体管和晶闸管的应用简介9.1 电力二极管的应用简介电力二极管（Power Diode）在20世纪50年代初期就获得应用，当时也被称为半导体整流器；它的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管相同，都以半导体PN结为基础，实现正向导通、反向截止的功能。

电力二极管是不可控器件，其导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。

电力二极管实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。

9.1.1 电力二极管的种类电力二极管主要有普通二极管、快速恢复二极管和肖特基二极管。

9.1.2 各种常用的电力二极管结构、特点和用途名称结构特点、用途实例图片整流二极管多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。

其反向恢复时间较长，一般在5s以上，其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。

电力电子技术-电力电子器件的原理与特性

Vo RL
IR
Vo
VS +
-
IZ
DZ
RL
(a)整流
(b)续流
(c)限幅
(d)钳位
图2.6 二极管的整流、续流、限幅、钳位和稳压应用
(e)稳压
本章内容
2.3 晶闸管（SCR）
2. 3 晶闸管
一、名称 ➢晶闸管 （Thyristor） ➢可控硅
（SCR）
二、外形与符号 ➢螺栓式结构 (<200A) ➢平板式结构 (>200A)
• N型半导体： 掺入微量5价元素（磷、锑、鉮等）
自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。 • P型半导体：
掺入微量3价元素（硼、镓、铟等） 空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。
半导体基础知识
器件原理
• PN结（异型半导体接触现象） • （1）扩散运动（多数载流子）
自由电子由 N区 向 P区 空 穴由 P区 向 N区 （2）漂移运动（少数载流子） 与扩散运动相反
三、SCR的工作原理（续）
（2）按晶体管原理可得：
IA
2 I G I CBO1 I CBO2 1 ( 1 2 )
其中： α1、α2分别是晶 体管T1、T2的共基极电 流增益； ICBO1、ICBO2分 别是晶体管T1、T2的共 基极漏电流。
❖双极型器件：有两种载流子参与导电，如二 极管、 晶闸管、GTO、GTR、IGCT、SITH等。
❖复合型器件：由MOSFET与晶体管、晶闸管复 合而成，如IGBT、IPM、MCT等。
➢ 按门极驱动信号的种类（电流、电压）分类： ❖电流控制型器件 如晶闸管、GTO、GTR、 IGCT、SITH等
❖电压控制型器件 如MOSFET、IGBT、IPM、 SIT、MCT等

电力电子习题答案

第2章电力电子器件与信息电子电路中的二极管相比，电力二极管具有怎样的结构特点才能使它具有耐受高电压和大电流的能力解：1. 电力二极管是垂直导电结构，使得硅片中通过电流的有效面积增大，提高通流能力 2.电力二极管在P区和N区多了一层低掺杂区，可以承受很高的电压而不致被击穿；3.具有电导调制效应。

使晶闸管导通的条件是什么答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正相阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。

或者U AK >0且U GK>0维持晶闸管导通的条件是什么怎样才能使晶闸管由导通变为关断答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。

图2－27中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为Im , 试计算各波形的电流平均值I d1,I d2,I d3与电流有效值I1，I2，I3解:a) Id1= Im I1==b) Id2== Im I2= Imc) Id3== Im I3== Im.上题中如果不考虑安全裕量,问100A的晶阐管能送出的平均电流Id1、Id2、Id3各为多少这时,相应的电流最大值Im1,Im2,Im3各为多少解:额定电流I T(AV)=100A的晶闸管,允许的电流有效值I=157A,由上题计算结果知a) Im1=I/=, ≈≈89.48Ab) Im2=I/ = Id2= =c) Im3=2I=314 Id3= =和普通晶闸管同为PNPN结构,为什么GTO能够自关断,而普通晶闸管不能答: GTO之所以能够自行关断,而普通晶闸管不能,是因为GTO与普通晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同：l)GTO 在设计时2α较大,这样晶体管V2控制灵敏,易于GTO 关断;2)GTO 导通时21αα+的更接近于l,普通晶闸管5.121≥+αα,而GTO 则为05.121≈+αα，GTO 的饱和程度不深,接近于临界饱和,这样为门极控制关断提供了有利条件;3)多元集成结构使每个GTO 元阴极面积很小, 门极和阴极间的距离大为缩短,使得P2极区所谓的横向电阻很小, 从而使从门极抽出较大的电流成为可能。

电力电子器件

◆从关断时间来看，普通晶闸管一般为数百微秒，快速
晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管则为10s左右。
◆高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。
◆由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的 通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。
2.3.4 晶闸管的派生器件
I
■双向晶闸管（Triode AC
2.3.3 晶闸管的主要参数
■电压定额 ◆断态重复峰值电压UDRM ☞是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器 件上的正向峰值电压。 ☞国标规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值 电压（即断态最大瞬时电压）UDSM的90%。 ☞断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo。 ◆反向重复峰值电压URRM ☞是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器 件上的反向峰值电压。 ☞规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压 （即反向最大瞬态电压）URSM的90%。 ☞反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。
电子器件
2.6 功率集成电路与集成电力电子模块
■基本概念 ◆ 20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多
个器件封装在一个模块中，称为功率模块。 ◆可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。 ◆对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，
从而简化对保护和缓冲电路的要求。 ◆将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自
时间短、高温特性好、额 定结温高等优点，可用于 不需要阻断反向电压的电 路中。
K G
A
I O
IG=0 U
a)
b)
图2-12 逆导晶闸管的电气图形符号 和伏安特性
a) 电气图形符号 b) 伏安特性
2.3.4 晶闸管的派生器件
■光控晶闸管（Light

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。
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