电力电子技术第五版(王兆安)课件

1、第第1章章 绪论绪论 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术 1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 1.4 本教材的内容简介本教材的内容简介1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术的概念电力电子技术的概念 电力电子技术就是应用于电力电子技术就是应用于电力电力领域的领域的电子电子技技术。术。 电力电子技术中所变换的电力电子技术中所变换的“电力电力” 有区别有区别于于“电力系统电力系统”所指的所指的“电力电力” ，后者特指电，后者特指电力网的力网的“电力电力” 。 电子技术包括信息电子技术电子技术包括信息电子技术(模拟

2、电子技术模拟电子技术和数字电子技术和数字电子技术)和电力电子技术两大分支。和电力电子技术两大分支。2/211.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术具体地说，电力电子技术就是使用具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件电力电子器件 对对电能电能进行进行变换变换和和控制控制的技术。的技术。 电力电子器件是电力电子技术的基础。电力电子器件是电力电子技术的基础。 变流技术则是电力电子技术的核心变流技术则是电力电子技术的核心。 输入输入 输出输出 交流交流（AC） 直流直流（DC） 直流直流（DC）整流整流 直流斩波直流斩波 交流交流（AC）交流电力控制交流电力控制变频、变相变频、变相逆变逆变 3

3、/21表表1-1 电力变换的种类电力变换的种类1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子学电力电子学 美国学者美国学者W. Newell认为电力电子学是由认为电力电子学是由电力电力学学、电子学电子学和和控制理论控制理论三个学科交叉而形成的。三个学科交叉而形成的。4/21图图1-1 描述电力电子学的倒三角形描述电力电子学的倒三角形1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术和电子学电力电子技术和电子学 电力电子器件的制造技术的理论和工艺与用于信电力电子器件的制造技术的理论和工艺与用于信息变换的电子器件制造技术相同。息变换的电子器件制造技术相同。电力电子技术和电力学电力电子技

4、术和电力学 电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电 子学和电力学的主要关系。子学和电力学的主要关系。 5/211.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术 电力电子技术与电气工程学科的关系电力电子技术与电气工程学科的关系 隶属于电气工程一级学科隶属于电气工程一级学科 电力电子技术的应用和发展必须依赖其它学科电力电子技术的应用和发展必须依赖其它学科 电力电子技术促进了其他学科的发展电力电子技术促进了其他学科的发展 图图1-2 电气工程的双三角形描述电气工程的双三角形描述6/211.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术和控制理论电力电子

5、技术和控制理论 控制理论使电力电子装置和系统的性能不断满控制理论使电力电子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种需求。足人们日益增长的各种需求。 电力电子技术是弱电和强电之间的接口而控制电力电子技术是弱电和强电之间的接口而控制理论则是实现这种接口的一条强有力的纽带。理论则是实现这种接口的一条强有力的纽带。 控制理论是自动化技术的理论基础，而电力电控制理论是自动化技术的理论基础，而电力电子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。术。 7/211.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史8/21电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史图图1-3

6、 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史 一般认为，电力电子技术的诞生是以一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年年美国通用美国通用电气公司研制出第一个电气公司研制出第一个晶闸管晶闸管为标志。为标志。1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。明期。 电子管电子管(1904) ，在真空中对电子流进行控制，并应用，在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。先河。 水银整流器水银整流器(1930s-

7、1950s)，广泛用于电化学工业、电气广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变电路、周于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在这一时波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在这一时期，也应用期，也应用直流发电机组直流发电机组来变流。来变流。 1947年美国著名的贝尔实验室发明了年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，晶体管，引发了引发了电子技术的一场革命。电子技术的一场革命。 9/211.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展

8、史晶闸管时代晶闸管时代 晶闸管凭借晶闸管凭借其优越的电气性能和控制性能，很快就取其优越的电气性能和控制性能，很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。晶闸管变流技术的发展而确立的。 晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于关断的器件，属于半控型器件半控型器件。对晶闸管电路的控制方。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称式主要是相位控制

9、方式，简称相控方式相控方式。 晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。 这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。10/211.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史全控型器件和电力电子集成电路（全控型器件和电力电子集成电路（PIC） 70年代后期，以年代后期，以门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管电力双极型晶体管（BJT）和和电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的为代表的全控型器全控型器件件迅速发展。迅速发展。 全控型器件的特点是，通过对门极（

10、基极、栅极）的控制既可使其全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通开通又可使其又可使其关断关断。 采用全控型器件的电路的主要控制方式为采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM）方式。相对于相位控制方式，可称之为方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式斩波控制方式，简称，简称斩控方式斩控方式。 在在80年代后期，以年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的为代表的复复合型器件合型器件异军突起。它是异军突起。它是MOSFET和和BJT的复合，综合了两者的优的复合，综合了两者的优点。点。 与此相对，与此相对，M

11、OS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT）和和集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了复合了MOSFET和和GTO。11/211.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史把把驱动驱动、控制控制、保护电路保护电路和和电力电子器件电力电子器件集成在集成在一起，构成一起，构成电力电子集成电路（电力电子集成电路（PIC），这代表了，这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成技术包括以技术包括以PIC为代表的为代表的单片集成技术单片集成技术、混合集成混合集成技术技术以及以及系统集成技术系统集成技术。随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电

12、子随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的电路的工作频率工作频率也不断提高。与此同时，也不断提高。与此同时，软开关技软开关技术术的应用在理论上可以使电力电子器件的的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗开关损耗降为零，从而提高了电力电子装置的降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度功率密度。 12/211.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电力电子技术的应用范围电力电子技术的应用范围 一般工业一般工业 工业中大量应用各种工业中大量应用各种交直流电动机交直流电动机，都是用电力电，都是用电力电子装置进行调速的。一些对调速性能要求不高的大型鼓子装置进行调速的。一些对调速性能要求不高的

13、大型鼓风机等近年来也采用了风机等近年来也采用了变频装置变频装置，以达到节能的目的。，以达到节能的目的。避免调速电机起动时的电流冲击的软起动装置。避免调速电机起动时的电流冲击的软起动装置。 电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源 电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源淬火电源及直流电弧炉电源等场合。感应加热电源淬火电源及直流电弧炉电源等场合。13/211.3 电力电子技术的应用电力电子技术的

14、应用交通运输交通运输 电气化铁道：电气机车中的直流机车中采用电气化铁道：电气机车中的直流机车中采用整流装置整流装置，交流机车采用交流机车采用变频装置变频装置。直流斩波器直流斩波器也广泛用于铁道车也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源辅助电源也也都离不开电力电子技术。都离不开电力电子技术。 电动汽车：电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱电动汽车：电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其动控制，其蓄电池蓄电池的充电也离不开电力电子装置。

15、一台高的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器变频器和和斩波器斩波器驱动并控制。驱动并控制。 飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。14/211.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电力系统电力系统 用户终端：用户终端：发达国家在用户使用的电能中，有发达国家在用户使用的电能中，有60%以以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。 直流输电：直流输电：其送电端的其送电端的整流阀整流阀和受电端的和受电端的逆变阀逆变阀都采都采用晶闸

16、管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型的的IGBT器件。近年发展起来的器件。近年发展起来的柔性交流输电（柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。也是依靠电力电子装置才得以实现的。 电能质量提高：电能质量提高：晶闸管控制电抗器（晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管晶闸管投切电容器（投切电容器（TSC）、静止无功发生器（静止无功发生器（SVG）、有源有源电力滤波器（电力滤波器（APF）等电力电子装置大量用于电力系统等电力电子装置大量用于电力系统的的无功补偿无功补偿或或谐波抑制谐波抑制。 在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网

17、瞬时在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等。停电、瞬时电压跌落、闪变等。 在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置。给蓄电池充电等都需要电力电子装置。 15/211.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用16/21图图1-5 中国南方电网公司安顺换流站中国南方电网公司安顺换流站图图1-6 静止无功发生器（上）和静止无功发生器（上）和 晶闸管投切电容器（下）晶闸管投切电容器（下）1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电子装置用电源电子装置用电源 各种电子装置一般都需要

18、不同电压等级的直流电源供电。各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源高频开关电源。大。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用都采用高频开关电源高频开关电源。 在 大 型 计 算 机 等 场 合 ， 常 常 需 要在 大 型 计 算 机 等 场 合 ， 常 常 需 要 不 间 断 电 源不 间 断 电 源（Uninterruptible P

19、ower Supply_ UPS）供电，不间断电供电，不间断电源实际就是典型的电力电子装置。源实际就是典型的电力电子装置。17/211.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用家用电器家用电器 电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。 空调、电视机、音响设备、家用计算机，空调、电视机、音响设备、家用计算机， 不少洗衣机、不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。其它其它 航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人

20、航天器航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。 抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来起动和调速。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强起动和调速。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。18/211.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。 19/21新能

21、源、可再生能源发电需新能源、可再生能源发电需要用电力电子技术来缓冲能要用电力电子技术来缓冲能量和改善电能质量。当需要量和改善电能质量。当需要和电力系统联网和电力系统联网 时，更离不时，更离不开电力电子技术。开电力电子技术。核聚变反应堆在产生强大磁核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。科学实验是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常需要一或某些特殊场合，常需要一些特种电源。些特种电源。图图1-7 风场风场1.4 本教材的内容简介本教材的内容简介本教材的内容本教材的内容20/21参考书目赵良炳.现代

22、电力电子器件基础.北京:清华大学出版社,1995.丁道宏.电力电子技术.北京:航空工业出版社,1992.张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计.北京:电子工业出版社,1998.李先允,陈刚.电力电子技术习题集.北京:中国电力出版社,2008.网络资源网络资源 http:/ http:/ 初级目标：掌握常用电力电子器件工作原理、基本电路及控制方法。 中级目标：能利用上述知识进行简单电力电子装置设计与开发。 高级目标：综合利用所学知识，设计满足生产实际需要的电力电子装置。学习方法 在掌握电力电子器件和基本电路结构的基础上，利用分段线性分析方法，熟悉电路中主要器件工作波形。 充分利用教学实验，验证电路

23、工作原理和相关器件工作波形。 发挥现代电力电子仿真软件的作用，加强对本课程的感性认识。22/21第第2章章 电力电子器件电力电子器件 2.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 2.2 2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.5 2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 2.6 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块功率集成电路与集成电力电子模块 本章小结本章小结 24/89引言引言模拟和数字电子电路的基础模拟和数字电子电路的基础 晶体管和集成电路等电子器件晶体管和集成电

24、路等电子器件 电力电子电路的基础电力电子电路的基础 电力电子器件电力电子器件本章主要内容：本章主要内容： 概述电力电子器件的概述电力电子器件的概念概念、特点特点和和分类分类。 分别介绍各种常用电力电子器件的分别介绍各种常用电力电子器件的工作原理工作原理、基本特基本特性性、主要参数主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。以及选择和使用中应注意的一些问题。 25/892.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 2.1.1 电力电子器件的概念和特征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电力电子器件的分类 2.

25、1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点26/892.1.1 电力电子器件的概念和特征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的概念 电力电子器件（电力电子器件（Power Electronic Device）是指可是指可直接用于处理电能的直接用于处理电能的主电路主电路中，实现电能的变换或控制中，实现电能的变换或控制的的电子器件电子器件。 主电路：在电气设备或电力系统中，直接承担电能主电路：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。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

26、往专指电力半导体器件件两类，目前往往专指电力半导体器件。 27/892.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征电力电子器件的特征电力电子器件的特征 处理处理电功率电功率的大小（承受电压和电流的能力）一般都的大小（承受电压和电流的能力）一般都远大于处理信息的电子器件，是其最重要的参数，远大于处理信息的电子器件，是其最重要的参数， 为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关开关状态状态。 由信息电子电路来控制由信息电子电路来控制 ,而且需要而且需要驱动电路驱动电路。 自身的自身的功率损耗功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工通常仍远

27、大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装作时一般都需要安装散热器散热器。 28/892.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 通态损耗通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。是电力电子器件功率损耗的主要成因。 当器件的开关频率较高时，当器件的开关频率较高时，开关损耗开关损耗会随之增大而可会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。能成为器件功率损耗的主要因素。 通态损耗通态损耗断态损耗断态损耗开关损耗开关损耗开通损耗开通损耗关断损耗关断损耗电力电子器件的功率损耗电力电子器件的功率损耗29/892.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成电力电子器件实

28、际应用：由电力电子器件实际应用：由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路和以电力电子器件为核心的和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成一个系统。组成一个系统。 电气隔离电气隔离图图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成电力电子器件在实际应用中的系统组成30/892.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照能够被控制电路信号所控制的程度按照能够被控制电路信号所控制的程度 半控型器件半控型器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定 主要是指主要是指晶闸管（晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。及其大部分派生器件。全控型器件全控

29、型器件 通过控制信号既可以控制其导通、关断。通过控制信号既可以控制其导通、关断。 目前最常用的是目前最常用的是 IGBT和和Power MOSFET。 不可控器件不可控器件 电力二极管（电力二极管（Power Diode） 不能用控制信号来控制其通断。不能用控制信号来控制其通断。31/892.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照驱动信号的性质按照驱动信号的性质 电流驱动型电流驱动型 从控制端注入或者抽出从控制端注入或者抽出电流电流来实现器件导通、关断。来实现器件导通、关断。 电压驱动型电压驱动型 在控制端和公共端之间施加一定的在控制端和公共端之间施加一定的电压电压信号实现器信号实现

30、器 件导通或者关断的控制。件导通或者关断的控制。按照驱动信号的波形（电力二极管除外按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ） 脉冲触发型脉冲触发型 在控制端施加一个电压或电流的在控制端施加一个电压或电流的脉冲脉冲信号来实现器信号来实现器件的开通或者关断的控制。件的开通或者关断的控制。 电平控制型电平控制型 通过通过持续持续在控制端施加一定电平的电压或电流信号在控制端施加一定电平的电压或电流信号使器件开通并使器件开通并维持维持导通状态或者关断并维持阻断状态。导通状态或者关断并维持阻断状态。 32/892.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照载流子参与导电的情况按照载流子参与导电的情况 单

31、极型器件单极型器件 由一种由一种载流子载流子参与导电。参与导电。 双极型器件双极型器件 由由电子电子和和空穴空穴两种载流子参与导电。两种载流子参与导电。 复合型器件复合型器件 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。合型器件。 33/892.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点本章内容本章内容 介绍不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其介绍不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的它新型器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主要参数主要参数以及选择以及选择和使用中应注意的一些问题。和使用中应注意的一些问题。学

32、习要点学习要点 掌握其掌握其基本特性基本特性（重点）。（重点）。 掌握电力电子器件的掌握电力电子器件的型号命名法型号命名法，以及其，以及其参数参数和和特性特性曲线曲线的使用方法。的使用方法。 了解电力电子器件的了解电力电子器件的半导体物理结构半导体物理结构和和基本工作原理基本工作原理。 了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。34/892.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要

33、参数 2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型35/892.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管引言引言电力二极管（电力二极管（Power Diode） 自自1950s初期就获得应用，其结构和原理简单，工作初期就获得应用，其结构和原理简单，工作可靠，直到现在仍然大量应用于许多电气设备当中。可靠，直到现在仍然大量应用于许多电气设备当中。 在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管快恢复二极管和和肖肖特基二极管特基二极管。 整流二极管及模块整流二极管及模

34、块36/89AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理电力二极管是以半电力二极管是以半导体导体PN结结为基础的为基础的, ,实际上是由一个面积实际上是由一个面积较大的较大的PN结结和和两端引两端引线线以及以及封装封装组成的。组成的。从外形上看，可以有从外形上看，可以有螺栓型螺栓型、平板型平板型等多等多种封装。种封装。图图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形外形 b) 基本结构基本结构 c) 电气图形符号电气图形符号37/892.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工

35、作原理二极管的基本原理二极管的基本原理PN结的结的单向导电单向导电性性 正向导通：正向导通：PN结外加正向电压（正向偏置）时，形成结外加正向电压（正向偏置）时，形成自自P区流入从区流入从N区流出的电流，称为区流出的电流，称为正向电流正向电流IF。 反向截止：反向截止：当当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，结外加反向电压时（反向偏置）时，PN结表现为结表现为高阻态高阻态，几乎没有电流流过。，几乎没有电流流过。 反向击穿：反向击穿：PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加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，破坏的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反结

36、反向偏置为截止的工作状态。向偏置为截止的工作状态。 按照机理不同有按照机理不同有雪崩击穿雪崩击穿和和齐纳击穿齐纳击穿两种形式两种形式 。 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，定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。结仍可恢复原来的状态。 否则否则PN结因过热而烧毁，这就是结因过热而烧毁，这就是热击穿热击穿。 38/892.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理PN结的电容效应结的电容效应 称为称为结电容结电容CJ，又称为，又称为微分电容微分电容 按其产生机制和作用的差别分为按其产生机制和作用的差别分为势垒电容势垒电

37、容CB和和扩散电扩散电容容CD 势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压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。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。扩散电容为结电容主要成分。 结电容影响结电容影响PN结的结的工作频率工作频率，特别是在高速开关的状，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。态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。

38、39/892.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性静态特性静态特性 主要是指其主要是指其伏安特性伏安特性 正向电压大到一定值（正向电压大到一定值（门槛电压门槛电压UTO ），正向电流才开始明显增加，），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。处于稳定导通状态。 与与IF对应的电力二极管两端的电压对应的电力二极管两端的电压即为其即为其正向电压降正向电压降UF。 承受反向电压时，只有承受反向电压时，只有少子少子 引起引起的微小而数值恒定的的微小而数值恒定的反向漏电流反向漏电流。IOIFUTOUFU图图2-5 电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性40/892.2.2 电力二极管的基

39、本特性电力二极管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V 图图2-6 电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形 正向偏置转换为反向偏置正向偏置转换为反向偏置 a) 零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 动态特性动态特性 因为因为结电容结电容的导致电压的导致电压-电流随时间变化，电流随时间变化，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指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反映通态和断态之间转换过程的开关特性开关特性。 由正向偏置转换为反向偏置由正向偏置转换为反向偏置 电

40、力二极管并不能立即关断，而是须经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，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。进入截止状态。 在关断之前有较大的反向电流出现，并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。伴随有明显的反向电压过冲。 延迟时间延迟时间：td=t1-t0 电流下降时间电流下降时间：tf =t2- t1 反向恢复时间反向恢复时间：trr=td+ tf 恢复特性的软度恢复特性的软度： tf /td，或称恢复系，或称恢复系 数，数，用用Sr表示。表示。t0:正向正向电流降电流降为零的为零的时刻时刻t1:反向电反向电流达

41、最大流达最大值的时刻值的时刻t2:电流变电流变化率接近化率接近于零的时于零的时刻刻41/892.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置转换为正向偏置由零偏置转换为正向偏置 先出现一个先出现一个过冲过冲UFP，经过，经过一段时间才趋于接近稳态压一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如降的某个值（如2V）。）。 正向恢复时间正向恢复时间tfr 出现电压过冲的原因出现电压过冲的原因:电电导调制效应导调制效应起作用所需的大量起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，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在达到稳态导通之前管压降较大；正向电流

42、的上升会因器件大；正向电流的上升会因器件自身的自身的电感电感而产生较大压降。而产生较大压降。电流上升率电流上升率越大，越大，UFP越高。越高。 图图2-6 电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形 b) 零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 42/892.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数正向平均电流正向平均电流IF(AV) 指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大表示）和散热条件下，其允许流过的最大工工频正弦半波电流频正弦半波电流的平均值。的平均值。 IF(A

43、V)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有有效值相等效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。正向压降正向压降UF 指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正稳态正向电流向电流时对应的正向压降。时对应的正向压降。反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用时，应当留有使用时，应当留有两倍两倍的裕量。的裕量。 43/892.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主

44、要参数最高工作结温最高工作结温TJM 结温是指管芯结温是指管芯PN结的平均温度，用结的平均温度，用TJ表示。表示。 最高工作结温是指在最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下结不致损坏的前提下所能承受的所能承受的最高平均温度最高平均温度。 TJM通常在通常在125175 C范围之内。范围之内。反向恢复时间反向恢复时间trr浪涌电流浪涌电流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工频周期的过电流。44/892.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等

45、性能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用的电力二极管。的电力二极管。 普通二极管（普通二极管（General Purpose Diode） 又称又称整流二极管（整流二极管（Rectifier Diode），多，多用于开关频率不高（用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。以下）的整流电路中。 其其反向恢复时间反向恢复时间较长，一般在较长，一般在5 s以上以上 。 其其正向电流定额正向电流定额和和反向电压定额反向电压定额可以达到可以达到很高。很高。 45/892.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型快恢复二极管（快恢复二极管（Fast

46、 Recovery DiodeFRD） 恢复过程恢复过程很短，特别是很短，特别是反向恢复过程反向恢复过程很短很短（一般在（一般在5 s以下）以下） 。 快恢复外延二极管快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED） ，采用，采用外延型外延型P-i-N结构结构 ，其反向恢复时间更短（可低于，其反向恢复时间更短（可低于50ns），），正向压降也很低（正向压降也很低（0.9V左右）。左右）。 从性能上可分为从性能上可分为快速恢复快速恢复和和超快速恢复超快速恢复两个两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在

47、者则在100ns以下，甚至达到以下，甚至达到2030ns。46/892.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型肖特基二极管（肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD） 优点：优点：反向恢复时间反向恢复时间很短（很短（1040ns），正向恢），正向恢复过程中不会有明显的复过程中不会有明显的电压过冲电压过冲；在反向耐压较低；在反向耐压较低的情况下其的情况下其正向压降正向压降也很小，明显低于快恢复二极也很小，明显低于快恢复二极管；因此，其管；因此，其开关损耗开关损耗和和正向导通损耗正向导通损耗都比快速二都比快速二极管还要小，效率高。极管还要小，效率高。 弱点：当所能

48、承受的反向耐压提高时其弱点：当所能承受的反向耐压提高时其正向压降正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的以下的低压场合；低压场合；反向漏电流反向漏电流较大且对较大且对温度温度敏感，因此敏感，因此反反向稳态损耗向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。作温度。47/892.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件48/

49、892.3 2.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管引言引言晶闸管（晶闸管（Thyristor）是）是晶体闸流管晶体闸流管的简称，又称作的简称，又称作可控硅整流器可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被简称为可控硅。，以前被简称为可控硅。 1956年美国贝尔实验室（年美国贝尔实验室（Bell Laboratories）发明了晶闸管，）发明了晶闸管，1957年美国通用电气公司（年美国通用电气公司（General Electric）开发出了世界上第）开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于一只晶闸管产品，并于1958年使其商业化。年使其商业化。其承受的其承受的

50、电压和电流容量电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高，而且工仍然是目前电力电子器件中最高，而且工作可靠，因此在作可靠，因此在大容量大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。的应用场合仍然具有比较重要的地位。晶闸管及模块晶闸管及模块49/892.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构晶闸管的结构 从外形上来看，晶闸管从外形上来看，晶闸管也主要有也主要有螺栓型螺栓型和和平板型平板型两种封装结构两种封装结构 。 引出引出阳极阳极A、阴极阴极K和和门极（控制端）门极（控制端）G三个联三个联接端。接端。 内部是内部是PNPN四层半导四层半导体结构。体结构。 图图2-7 晶闸管

51、的外形、结构和电气图形符号晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形外形 b) 结构结构 c) 电气图形符号电气图形符号 50/892.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理图图2-8 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) 工作原理工作原理 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 按照晶体管工作原理，按照晶体管工作原理，可列出如下方程：可列出如下方程：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）式中式中 1和和 2分别是晶体管分别是晶体管V1和和V2的

52、共基极电流增益；的共基极电流增益；ICBO1和和ICBO2分别是分别是V1和和V2的共基极漏电流。的共基极漏电流。51/892.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶体管的特性是：在低发射极电流下晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当是很小的，而当发射极电流建立起来之后，发射极电流建立起来之后， 迅速增大。迅速增大。在晶体管在晶体管阻断状态阻断状态下，下，IG=0，而，而 1+ 2是很小的。由上式是很小的。由上式可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。漏电流之和。 如果注入触发电流使各个晶体管的发

53、射极电流增大以致如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致 1+ 2趋近于趋近于1的话，流过晶闸管的电流的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）（阳极电流）将将趋近于趋近于无穷大无穷大，从而实现器件，从而实现器件饱和导通饱和导通。由于外电路负载的限制，由于外电路负载的限制，IA实际上会维持实际上会维持有限值有限值。 )(121CBO2CBO1G2AIIII 由以上式（由以上式（2-1）（2-4）可得）可得(2-5)52/892.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理除门极触发外其他几种可能导通的情况除门极触发外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阳极电压升高

54、至相当高的数值造成雪崩效应雪崩效应 阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高过高 结温结温较高较高 光触发光触发这些情况除了这些情况除了光触发光触发由于可以保证控制电路与由于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主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。只之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。只有有门极触发门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。是最精确、迅速而可靠的控制手段。 53/892.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性静态特性静态特性 正常工作时的特性正常工作时的特性 当晶闸管承受当晶闸管承受反向电压反向电压时，不

55、论门极是否有触发电时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通流，晶闸管都不会导通 。 当晶闸管承受当晶闸管承受正向电压正向电压时，仅在时，仅在门极门极有有触发电流触发电流的的情况下晶闸管才能开通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，不论门极晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通 。 若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一电流降到接近于零的某一数值以下数值以下。 54/8

56、92.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 正向特性正向特性 当当IG=0时，在器件两端施加正时，在器件两端施加正向电压，则晶闸管处于正向向电压，则晶闸管处于正向阻断状态阻断状态，只有很小的正向，只有很小的正向漏电流流过。漏电流流过。 如果正向电压超过临界极限即如果正向电压超过临界极限即正向转折电压正向转折电压Ubo，则漏电流，则漏电流急剧增大，器件急剧增大，器件开通开通 。 随着随着门极电流幅值门极电流幅值的增大，的增大，正正向转折电压向转折电压降低，晶闸管本降低，晶闸管本身的压降很小，在身的压降很小，在1V左右。左右。 如果门极电流为零，并且阳极如果门极

57、电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数电流降至接近于零的某一数值值IH以下，则晶闸管又回到以下，则晶闸管又回到正正向阻断向阻断状态，状态，IH称为称为维持电流维持电流。 图图2-9 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向转正向转折电压折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+55/892.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性反向特性反向特性 其伏安特性类似其伏安特性类似二极管二极管的的反向特性。反向特性。 晶闸管处于反向阻断状态晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的时，只有极小的反向漏电流反向

58、漏电流通通过。过。 当反向电压超过一定限度，当反向电压超过一定限度，到到反向击穿电压反向击穿电压后，外电路如后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。剧增大，导致晶闸管发热损坏。 图图2-9 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG正向正向转折转折电压电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+56/892.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性动态特性动态特性 开通过程开通过程 阳极电流的增长不可能是阳极电流的增长不可能是瞬瞬时：时：晶闸管内部的晶闸管内部的正反

59、馈过程正反馈过程需需要时间；要时间；外电路电感外电路电感的限制的限制 延迟时间延迟时间td (0.51.5 s) 上升时间上升时间tr (0.53 s) 开通时间开通时间tgt=td+tr 延迟时间随延迟时间随门极电流门极电流的增大的增大而减小而减小,上升时间除反映晶闸管上升时间除反映晶闸管本身特性外，还受到本身特性外，还受到外电路电感外电路电感的严重影响。提高的严重影响。提高阳极电压阳极电压,延延迟时间和上升时间都可显著缩短。迟时间和上升时间都可显著缩短。 图图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的90%100%90%10%uAKttO

60、0tdtrtrrtgrURRMIRMiA阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的10%57/892.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性关断过程关断过程 由于由于外电路电感外电路电感的存在，原的存在，原处处于导通状态的晶闸管当外加电压突于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。在衰减时必然也是有过渡过程的。 反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr 关断时间关断时间tq=trr+tgr 关断时间约几百微秒。关断时间约几百微秒。 在在正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间内如果内如果重重新对