配套课件-电力电子技术

1、绪论 1 什么是电力电子技术 2 电力电子技术的发展史 3 电力电子技术的应用 1. 什么是电力电子技术? ( 信息)电子技术:如数电、模电,用于信息处理,弱电电子技术 电力电子技术：用于电力变换(功率范围W-GW) 电力电子技术的概念 电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。 具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件 对电能进行变换和控制的技术。 1.什么是电力电子技术 通常，把电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术。 为什么这样分呢？ 因为，如果没有电力电子器件制造技术，就无法生产出组成电力电子电路的器件，所以 电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础。 变流技术则是电力电子

2、技术的核心。 那什么是变流技术呢？需先了解我们所用的电力。电力分为交流和直流两种。问：何为交流电？何为直流电？交流：大小和方向都随时间变化；直流：方向则不随时间而变化我们这门课学习哪个呢？一般的市电是多少？ 哪些是交流电呢？ 哪些是直流电？ 输入 输出 交流（AC） 直流（DC） 直流（DC）整流 直流斩波 交流（AC）交流电力控制变频、变相逆变 表1-1 电力变换的种类 从公用电网直接得到的电力是交流的，从蓄电池和干电池得到的电流是直流的，而得到的这些电力往往不能直接满足要求(如手机需充电器，将220成+5V(弱电)，各品牌不兼容)，需要进行电力变换。电力变换分为四类： 交流变直流，称为整流

3、。 (如电瓶蓄电，模电学过？画半波整流电路与波形) 直流变交流，称为逆变。(蓄电池的直电逆变成交电，如电动汽车) 直流变直流，称为斩波。一种规格直流变为另一种直流。 交流变交流，有交流调压、变频或变相。 进行以上电力变换的技术均称为变流技术。（书）1. 什么是电力电子技术对应电力电子学 美国学者W. Newell认为电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。图1-1 描述电力电子学的倒三角形电子学科分为电子器件(二极管、晶体管、场效应管等)和电子电路两大分支，与之对应，电力电子应该分为电力电子器件(晶闸管等)和电力电子电路。 电力电子器件制造技术和电子器件制造技术的理论基础是

4、一样的，电力电子电路和电子电路的许多分析方法也是一致的，只是两者应用的目的不同。前者用于电力变换和控制，后者用于信息处理。在信息电子技术中，半导体器件既可处于放大状态，也可处于开关状态（以晶体管输出特性曲线为例），而电力电子技术中为避免功率损耗过大，电力电子器件总是工作在开关状态，这是电力电子技术的一个重要特征。电力电子技术和控制理论 控制理论广泛应用与电力电子技术中，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 (如变频电器就是控制与电力电子完美结合) 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。 控制理论是自动化技术的理论基础，而电力电子装

5、置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术，如电动车的使用(电瓶DC-电机DC，自动调速,没有电，有自控技术也没用)。 电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术，可以预见，21世纪电力电子技术仍将以迅猛的速度发展。通常，电力电子技术被比作“消化系统”（它可对电进行转换，把电网或其他电源提供的“粗电”变成适合使用的“精电”），即只要需要电的地方就离不开电力电子技术。2. 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1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志。它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，开了电子技术的先河。它把水银封于管内，利用对蒸气的点弧对大

6、电流进行控制，在30-50年代大量应用发明于美国贝尔实验室，引发电子技术的一场革命主要是半控型器件，通过门极控制开通却不能关断，需靠外部条件关断，限制了发展整流70年代后期，全控型器件将电力电子技术推进到一个新的发展阶段逆变。20th80年代后出现集成型，-变频代表电力电子技术问世2. 电力电子技术的发展史晶闸管出现前，用于电力变换的电子技术就已经存在了，这时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。 电子管(1904) ，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先河。 水银整流器(1930s-1950s)，广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直

7、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、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。 1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。 2.电力电子技术的发展史晶闸管时代 晶闸管凭借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，属于半控型器件。 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。2.电力电子技术的发展史全控型器件和电力电

8、子集成电路（PIC） 70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。 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又可使其关断。 在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起。它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优点。 与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了MOSFET和GTO。2. 电力电子技术的发展史为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在一起，构成电力电子

9、集成电路（PIC），这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。 随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率也不断提高，开关损耗也随之增大。为了减少开关损耗，软开关技术应运而生，零电压开关(ZVS)与零电流开关(ZCS)成为软开关的最基本形式。从理论上讲软开关技术可使开关损耗降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度。 3. 电力电子技术的应用 电力电子技术的应用范围十分广泛，它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家电中也广泛应用。 一般工业 工业中大量应用各种交直流电动机。直流电动机通过市电可控整流或电池斩波电源实现良好的

10、调速(刮胡刀)，近年来，变频技术的发展使交流调速大量应用并占据主导地位。如轧钢机、伺服电机、矿山牵引等都广泛应用电力电子交直流调速技术。 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 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。3. 电力电子技术的应用交通运输 电气化铁道：电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源(蓄电池)也都离不开电力电子技术。 电动汽车：电机依靠电力电子

11、装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池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，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制。电汽车(充电-整流，再逆变，交流-调速) 飞机、船舶和电梯(变频调速)都离不开电力电子技术。3.电力电子技术的应用电力系统 用户终端：发达国家在用户使用的电能中，有60%以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：在长距离、大容量输电时有较大优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型的IGBT器件。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。 电能质量提高：晶闸管控制电

12、抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等电力电子装置大量用于电力系统的无功补偿或谐波抑制。 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。 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。 3. 电力电子技术的应用图1-5 中国南方电网公司安顺换流站图1-6 静止无功发生器（上）和 晶闸管投切电容器（下）3. 电力电子技术的应用电子装置用电源 各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。（照相机一般是3.7V，手机电池5v，笔记本输入电压19v左右） 通信设备中的程控交换

13、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高频开关电源。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都采用高频开关电源。（高频开关电源体积小、重量轻，效率高） 在大型计算机等场合，常常需要不间断电源（UPS）供电，不间断电源实际就是典型的电力电子装置。这样：信息电子技术离不开电力电子技术。3. 电力电子技术的应用家用电器 照明-节能灯：由于采用电力电子照明电源，体积小、发光效率高、可节省大量能源，它正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。 空调(变频)、电视机、家用计算机， 不少洗衣机(智能) 、冰箱(变频) 、微波炉等电器也应用了电力电子技术。其它 航天飞行器中的各种

14、电子仪器需要电源，载人航天器中为了人生存和工作，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。3. 电力电子技术的应用新能源：可再生能源发电需要用电力电子技术来缓冲能量和改善电能质量。当需要和电力系统联网 时，更离不开电力电子技术。核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常需要一些特种电源。图1-7 风场总之，电力电子技术的应用范围十分广泛，从人类对宇宙和大自然的探索，到国民经济的各个

15、领域，再到我们的衣食住行，到处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅力。电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电源、恒频交流电源和变频交流电源，因此，可以这样说， 电力电子技术研究的是电源技术，有电源的地方就离不开电力电子技术。电力电子技术是电气、电子等电类专业的一门必修的专业（基础）课，在整个课程体系中有重要地位,是一门考试课，闭卷， 平时分数：期末分数=6:4，平时包括学习态度、上课表现、作业、实验表现、实验报告书写等学习要求：上课认真听，课后勤复习课程性质及关联前修课程：电路和电子技术基础后续课程：晶闸管调速的检测与维护(电力拖动和自动控制系统）参考书目王兆安，黄俊. 电力电子技术（第五

16、版）.北京：机械工业出版社，2009,。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 / /学习目标初级目标：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。思考：信息电子技术的基础? 电子器件：二极管、晶体管、放大电路等 电力电子技术的基础? 电力电子器件 补充： 电力电子器件概述 1 、电力电子器件的概念2 、电力电子器件的特征3 、电力电子器件的分类1 、电力电子器件的概念电力电子器件的概念 电力电子器件（Power Electronic

17、 Device）又称为功率半导体器件，是指在电能变换与控制的电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 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，目前主要指采用硅材料做成的电力半导体器件。 所能处理的功率怎么样？问：电力电子器件用什么材料做成的？ 它是用来做什么的？电力电子器件与前修课程所学器件有什么不同呢？2 、电力电子器件的特征 1）所能处理电功率一般都远大于处理信息的电子器件 电功率是其最重要的参数，其处理电功率的能力小到瓦，大到兆瓦。 2）由于处理的电功率较大，为了减小本身的损耗，提高效率，电力电子器件一般都工作在开关状态。 导通时（通态）阻抗很小，接近短路(I很大)，管压降

18、接近0(P=0)；阻断时（断态）阻抗很大，接近断路，电流几乎为0 (P=0) .与普通晶体管的饱和和截止状态类似。在数电中，虽然也工作在开关状态，但其目的是利用开关状态（0,1）表示不同的信息。 ？ 3） 实际应用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 由于电力电子器件所处理的电功率较大，因此，普通的信息电子电路信号一般不能直接控制电力电子器件的导通或关断，需要一定的中间电路对信号进行适当的放大才能控制。 4）功率损耗远大于信息电子器件，在其工作时一般需要安装散热器。 尽管电力电子器件工作在开关状态，但其自身的功耗通常仍远大于信息电子器件，为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而

19、损坏，不仅在器件封装上比较讲究散热设计，还在其工作时一般都还需安装散热器。这是因为电力电子器件在导通或阻断状态下，并不是理想的短路或断路,而是存在功率损耗。 通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。（因为断态漏电流很小）但：当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增大，很可能成为器件功率损耗的主要因素。 通态损耗：导通时器件上有一定的通态压降加之数值较大的通态电流断态损耗：阻断时器件上有微小的断态漏电流加之数值较大的断态电压开关损耗开通损耗：断态到通态转换中产生的损耗。关断损耗：通态到断态转换中产生的损耗。电力电子器件的功率损耗3 、电力电子器件的分类根据电力电子器件的受控方式分为 不可控器件

20、 不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件， 如电力二极管、单结晶体管，其基本特性与信息电子电路中的二极管一样，不需要驱动电路，其导通与关断完全由其所在主电路中承受的电压和电流决定。半控型器件三端器件 通过控制信号可控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。 器件的关断由其所在主电路中承受的电压和电流决定， 此类器件主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。全控型器件（又称自关断器件） 三端器件 通过控制信号可以控制其导通、关断的电力电子器件。 此类器件品种很多，目前最常用的是 IGBT (绝缘栅双极晶体管)和Power MOSFET(电力场效应管)，在处理兆瓦级大功率电能的场合

21、，GTO(门极可关断晶闸管)应用也比较多。3 、电力电子器件的分类按照参与导电的载流子情况，分为 单极型器件 由一种载流子参与导电， 如Power MOSFET(电力场效应晶体管) 。 双极型器件 由自由电子和空穴两种载流子参与导电，如电力二极管、 GTO(门极可关断晶闸管) 、GTR功率晶体管。 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， 如IGBT (绝缘栅双极晶体管)。 信息电子技术中， 按参与导电的载流子分为类哪几类？ 载流子有哪些？ 3、 电力电子器件的分类按照驱动信号的性质 电流驱动型器件 即从控制端注入或者抽出电流来实现器件导通、关断。 电压驱动型器件 仅

22、在控制端和公共端之间施加一定的电压信号便可实现器件导通或者关断的控制。 信息电子技术中，按驱动信号的类型，我们也分了两类，是哪里两类？代表是什么？按照驱动信号的波形 脉冲触发型 即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 通过持续在控制端施加一定电平的电压或电流信号使器件开通并维持导通状态或者关断并维持阻断状态。 习题1、电力电子器件在使用中必须要加散热器。（ ）2、电力电子器件是一种能够同时承受高电压和大电流的半导体器件。（ ）3、电力电子器件在导通状态时可以承受大电流。（）4、常用可控电力电子器件有3个电极。（ ）5、电力电子器件在导通状态时可以承受

23、高电压。（ ）本书学习内容及要点项目一 调光控制电路 器件：晶闸管(半控)、单结晶体管 变流技术：单相整流项目二 三相直流电源控制电路 变流技术：三相整流项目三 电风扇无级调速控制电路 器件：晶闸管派生双向晶闸管 变流技术：交流调压项目四 开关电源控制电路 器件：全控器件GTR, MOSFET, IGBT 变流技术：斩波项目五 不间断电源 器件：GTO 变流技术：逆变项目一 调光控制电路/v_show/id_XNDQ3ODg3NjA4.html#paction 调光电路在日常生活中应用非常广泛，常见的调光电路就是简易调光灯，旋转调光旋钮就可以调节灯泡的亮度，其本质是改变通过灯泡的电流大小(所加

24、电压大小)来达到调节亮度的目的。 调光的方法有可变电阻调光法、调压器调光法、脉冲占空比调光法、晶闸管相控调光法、PWM调光法等。本项目主要讲授晶闸管相控调光法进行调设计。 晶闸管相控调光是通过控制晶闸管触发脉冲，改变晶闸管导通时间来改变电路输出电压，使加在灯泡两端的电压发生改变，从而实现调光。学习任务 一、器件学习： 1、电力二极管（补充） 2、单结晶体管 3、晶闸管 二、变流技术： 单相整流 1 不可控器件电力二极管 1）电力二极管的工作原理 2）电力二极管的基本特性 3）电力二极管的主要参数 4） 电力二极管的主要类型也被称为半导体整流器(SR), 1950s初期获得应用，其结构和原理简单

25、，工作可靠，具有整流、续流、隔离和保护等作用。其主要类型有普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管。 直到现在仍然大量应用于许多电气设备当中,特别是其中的快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。 整流二极管及模块电力二极管（Power Diode） AKAKa)IKAPNJb)c)AK1） 电力二极管的工作原理电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的，都以半导体PN结为基础的，但要注意散热。 从外形上看 ，主要有螺栓型(安装方便)、平板型(散热好)两种封装。它实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线(阳极A和阴极K)

26、 封装而成。图1-2 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1） 电力二极管的工作原理电力二极管的基本原理 扩散和漂移运动形成了PN结 PN结的单向导电性 正向导通： PN结外加正向电压（A+,K-正向偏置）时，形成自P区流入、N区流出的电流，称为正向电流IF。 此时，PN结表现为低阻态，IF较大，导通压降在1V左右 反向截止： 当PN结外加反向电压（反向偏置）时，PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过。 当增大反向电压会怎样？ 反向击穿： 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，进而击穿。 按照机理不同有雪崩击穿

27、（一次击穿）和齐纳击穿（二次击穿）两种形式 。 反向击穿（雪崩击穿）发生时，若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，若不限制，当反向电流和反向电压的乘积超过PN结耗散功率，就会因热量散发不出去而导致PN结温度上升，直至过热而烧毁，这就是热击穿（齐纳击穿）。PN结的电容效应 PN结中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 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，就以势垒电容为主。 扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向

28、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。2） 电力二极管的基本特性(为静态特性和动态特性)1）静态特性 主要是指其伏安特性。如图 当所加正向电压大到一定值（门槛电压或死区电压UTO ），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。 与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。 当承受反向电压时，只有少子 引起的微小而数值恒定的反向漏电流。IOIFUTOUFU图1.2 电力二极管的伏安特性2）动态特性 因为结电容的存在，电力二极管在零偏置、正向偏置和反向偏置这三个状态之间转换时，必然经历一个过渡过

29、程。在这些过渡过程中，PN结的一些区域需要一定时间来调整其带电状态，因而其电压-电流特性不能用前面的伏安特性来描述，而是随时间变化的，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。这个概念虽然由电力二极管引出，但可以推广到其他各种电力电子器件。2 ）电力二极管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRdiFdtdiRdt电力二极管的动态过程波形 正向偏置转换为反向偏置 2）动态特性 由正向偏置转换为反向偏置时的动态过程波形如图 tF时刻外加电压由突然正向改为反向电压，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

30、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。 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 恢复系 数，Sr= tf /tdt0:正向电流降为零的时刻t1:反向电流达最大值的时刻t2:电流变化率接近于零的时刻UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置转换为正向偏置 电力二极管的正向电压也会先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。这一动态过程时间称为正向恢复时间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；

31、正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高。 电力二极管的动态过程波形 b) 零偏置转换为正向偏置 电力二极管的状态可概括为下表： 状态参数 正向导通 反向截止 反向击穿 电流大几乎为0大电压约1V高高阻态低阻态高阻态3） 电力二极管的主要参数1）正向平均电流IF(AV) 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。 通常IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，而发热效应由电流有效值决定，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）正向管压降UF 指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的

32、稳态正向电流时对应的正向压降，通常约为1V。3）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。通常是雪崩击穿电压的2/3。 使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定此项参数。 4）最高工作结温TJM 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 最高工作结温是指在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125175C范围之内。5）反向恢复时间trr 电力二极管从导通到阻断的过程中，二极管中会流过一定的负电流。从电力 二极管电流下降到零开始，直至再次回到零所需时间称为反向恢复时间，它的存在限制了电力二极管的开关工作频率。6

33、）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，通常可达正常工作电流的6倍以上。4 ）电力二极管的主要类型 电力二极管在许多电力电子电路中都有广泛的应用，可作整流、续流元件，还可在变流电路中起钳位或元件保护的作用。各种电力二极管的特性不完全相同，应用时，应根据不同场合的要求选择不同类型的管子，下面介绍几种常用的电力二极管。 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）的整流电路中。 特点：反向恢复时间较长，一般在5s以上(这在开关频率不高时并不重要，在参数表中甚至不列

34、出这一参数) 。 但其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高（分别可达数千安和数千伏），多应用于开关速度不高的整流或逆变电路中。 快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD） 特点： 反向恢复过程很短（5s以下），正向压降也很低(0.9v左右)，但反向耐压多在1200V以下,即其承受电压和电流的最高值不及普通电力二极管。 工艺上多采用了掺金措施，结构上有的采用PN结构类型，也有的采用改进的PiN结构(是在开发出pn结构以后所发展出的一种改进型结构，即是在p型半导体和n型半导体之间，特意加上一层较厚的本征层（i型层）而构成的一种特殊形式的pn结)， 不管是什么结构，FRD从性能上

35、可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD）特点： 反向恢复时间很短（1040ns），正向恢复过程中不会有明显的电压过冲； 在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管。 因此，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。 不足：当所能承受的反向耐压提高时，其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场合； 反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。因此，主要用于低电压、低

36、功耗、高频低流的开关电源、仪表设备中。电力二极管的测试及使用注意事项 由于电力二极管的内部结构为PN结，因此用万用表的R100挡测量阳极A和阴极K两端的正、反向电阻，可以判断电力二极管的好坏。一般电力二极管的正向电阻在几十欧至几百欧，而反向电阻在几千欧至几十千欧以上为好的；若正、反向电阻都为零或都为无穷大，说明电力二极管已经损坏。 注意：严禁用兆欧表测试电力二极管。 2、单结晶体管单结晶体管，是具有一个PN结的三端负阻器件，由于只有一个PN结，故称为单结晶体管，其内部结构示意图如图1-3（a）示。单结晶体管是在一个低掺杂浓度的N型硅棒上利用扩散工艺形成一个高掺杂浓度P区，在P区与N区接触面形成

37、PN结，就构成单结晶体管。其等效电路如图1-3（b）。 （b）等效电路 （c）电气符号 它有三个电极：从P型半导体引出的电极为发射极E，从N型半导体的两端引出两个电极分别为基极b1和基极b2，b1和b2之间的N型区域可以等效为一个纯电阻，即基区电阻Rbb,该电阻的阻值随着发射极电流的变化而改变。单结晶体管又因有两个基极，故也称为双基极二极管，其电路符号如图所示。1）单结晶体管的特性单结晶体管具有负阻特性。所谓“负阻特性”是指输入电压增大到某一数值后，输入电流愈大，输入端的等效电阻愈小的特性。对于单结晶体管来说就是当发射极电流增加时，发射极电压反而减小的特性，如图1-4所示。 单结晶体管特性曲线

38、单结晶体管特性曲线测试电路如图：（1）截止区AP段 电压Ubb通过单结晶体管等效电路中的rbl和rb2分压，得A点电位UA ，可表示为 其中 为分压比，取值一般为0.30.9。当 UE从零开始逐渐增大，但小于 UA时，单结晶体管的PN结反向偏置，只有很小的反向漏电流。当UE 等于UA 时，发射极电流 IE等于0，即伏安特性中与纵轴的交点。当 UE继续增大，PN结开始正偏，当UE 大于 UA的值达到PN结导通压降时，PN结导通，即等效二极管VD导通，此时， UE 到达峰值点P点，单结晶体管由截止状态进入导通状态，（2）负阻区PV段 当 UE达到UP 时，发射极电流增大，大量的空穴载流子从发射极端

39、流入到b1的硅片中，使得基极电阻rbl减小，导致UA电位下降， UE也跟着下降，这时PN结承受更大的正偏电压，使得rbl进一步减小，当发射极电流增大到一定的程度到达V点，b1的硅片的载流子浓度趋于饱和，基极电阻rbl减至最小，A点电位UA也最小， UE也最小.在此区域中， UE电压减小，发射极电流IE 增大，根据欧姆定律规律，此区域称为伏安特性曲线的负阻区。（3）饱和区VN段当硅片中的载流子浓度达到饱和后，若发射极电流 IE要继续增大，则必须增大电压 UE ，单结晶体管工作在饱和导通状态。小结：当UE达到UP时，单结晶体管导通进入负阻区，当UE低于Uv时，管子饱和不通。2) 单结晶体管的型号国

40、产单结晶体管型号主要有BT31、BT33、BT35等， B表示半导体；T为特种管；BT表示特种晶体管；3表示电极数为3个；最后一位表示单结晶体管耗散功率.3) 单结晶体管检测（可略）（1）管脚判别方法 先判断单结晶体管发射极e 方法：把万用表置于R100挡或R1K挡，黑表笔接假设的发射极，红表笔接另外两极，当出现两次低电阻时，黑表笔接的就是单结晶体管的发射极。 再判断单结晶体管第一基极b1和第二基极b2 判断方法：把万用表置于R100挡或R1K挡，用黑表笔接发射极，红表笔分别接另外两极，两次测量中，电阻大的一次，红表笔接的就是b1极。应当说明的是，上述判别b1、b2的方法，不一定对所有的单结晶

41、体管都适用，有个别管子的eb1间的正向电阻值较小。复习： 不可控器件1、电力二极管的工作原理、符号及基本特性2、单结晶体管的特性、符号及其工作情况3、 半控型器件晶闸管教学目的：了解晶闸管的结构，掌握其工作原理、 基本特性和主要参数。教学重点：掌握晶闸管导通的条件、基本特性和 主要参数。教学难点：理解晶闸管工作原理和正向导通特性1）概述 1957年美国通用电气公司开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于1958年使其商业化,开启晶闸管时代。晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，也称作可控硅整流器，简称可控硅,广泛应用于各种变流装置中，是一种较为理想的大功率变流器件。 特点：可用弱电信号控

42、制其导通(弱电控制强电)，但不能控制其关断，故晶闸管称为半控型器件。注意：由于是半控器件，关断不方便，20世纪80年代开始被全控型器件所替代，但因其承受的电压和电流仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，故在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。？3、 半控型器件晶闸管2）常用晶闸管 从外形主要有螺栓式、平板式和塑封式，螺栓式晶闸管安装方便，但散热效果差（10A200A）；平板式晶闸管安装麻烦，但散热效果好（200A以上）；塑封式晶闸管主要用于10A以下的小电流。72/21螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管塑封型晶闸管观察：外形上，与电力二极管的不同？3）晶闸管的结构晶闸管的外形 图

43、结构图 从结构上看，(电力二极管是两层半导体而)晶闸管的管心是P1N1P2N2四层半导体，形成三个PN结J1、J2和J3，引出三个极：阳极A、阴极K和门极G。 门极很重要吗？思考：加什么电压，才能导通？电气符号晶闸管的内部等效电路： 当正向电压加于AK极之间J2结反偏，晶闸管中流过很小的漏电流，此状态称为正向阻断。 当反向电压加于AK极之间，J1和J3结反偏，晶闸管也只流过很小的漏电流，此状态称为反向阻断。以上两种电源接法，晶闸管仅流过很小电流，属于阻断状态。思考：若加正、反向电压，它会不会像电力二极管那样导通、截止？怎么才能导通呢？必须门极有正的控制信号加入且正向阻断，晶闸管才能导通。 晶闸

44、管可看作是一个“可控的二极管”。晶闸管PNPN四层结构可看成由PNP和NPN两个晶体管互连构成 如果有门极电流IG注入晶体管V2的基极，便产生集电极电流IC2，它也是V1的基极电流IB1，使V1导通产生IC1，它又流入V2的基极，如此形成强烈的正反馈，最后V1和V2都进入饱和导通，即晶闸管导通，有较大的阳极电流IA.内部强烈的正反馈可以维持导通状态。即晶闸管导通后，门极就不起控制作用了。4）工作原理（从管子自身工作机理）导通后，S断开，会截止？当IG=0，为什么晶闸管不通？/v_show/id_XNDQ3ODg3Njg4.html?from=y1.2-1-87.4.11-1.1-1-2-10-

45、0 通过以下实验电路得到。4）工作原理图（a），（b），（c）阳极和阴极间加反向电压，即反向阻断时，无论门极和阴极间加什么电压或不加，灯均不亮，晶闸管截止；图（d）正向阻断，但门极和阴极间没电压，灯不亮，晶闸管截止；图（e）阳极和阴极之间加正向电压，门极和阴极间加反向电压，灯不亮，晶闸管截止；图（f）阳极和阴极之间加正向电压，门极和阴极之间也加正向电压，灯亮，晶闸管导通；思考： (1)晶闸管导通后，如果把电源Eg撤掉，灯会熄灭吗？ (2)如何让灯熄灭？图（a）去掉触发电压Eg，指示灯亮，晶闸管仍导通；图（b）门极和阴极之间加反向电压，指示灯亮，晶闸管仍导通； 可见，导通后，门极对晶闸管已失去控

46、制作用。图（c）去掉触发电压，将电位器RP阻值加大，晶闸管阳极电流减小，当电流减小到一定值时，指示灯熄灭，晶闸管关断。如何关断晶闸管？还是通过实验电路得到晶闸管关断实验灯为什么会亮？有较大电流流过关断还有其它方法吗？关断措施： 可去掉阳极所加的正向电压 可给阳极施加反压 可设法使流过晶闸管的电流降低接近于0的某一数值（维持电流IH）以下 以上方法均可关断晶闸管。 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雪崩效应 结温较高 光触发光直接照射硅片这些情况除了光触发，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之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。 只有门

47、极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。（如进教室） 晶闸管如何正常导通？晶闸管导通要具备下列两个条件： 1.阳极与阴极之间加有正向电压，即正向阻断； 2.门极与阴极之间加正向电压(触发脉冲,要有一定触发力度)。这两个条件必须同时满足，缺一不可。晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理 按照晶体管工作原理，可列出如下方程：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）式中1(IC1/IA)和2 (IC2/IK)分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。晶体管的特性是：在低发射极电流下， 很小。IG=0时，晶闸管处于阻断状态

48、，1+2很小。由上式可看出，此时流过晶闸管的电流IA只是稍大于两个晶体管漏电流之和。 当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1(1.15)，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，从而实现器件饱和导通。注意：由于外电路负载的限制，IA实际上不会无穷大，而是会维持有限值。 由以上式（1-1）（1-4）可得(1-5)晶闸管基本特性 正常工作时的特性 当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通 。 当晶闸管承受正向电压时，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，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通 。

49、 若要使已导通的晶闸管关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值（维持电流IH）以下。 小结：/v_show/id_XNDQ3ODg3Njg4.html?from=y1.2-1-87.4.11-1.1-1-2-10-0 5） 晶闸管的基本特性(伏安特性和动态特性)（1）晶闸管的伏安特性 正向特性 当IG=0时，在器件两端加正向电压，则晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过。当正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件实现”硬导通”(不可控，多次硬导通会损坏管子，应避免接近Ubo) 当IG注入时，门极电流越大，正向转折电压便越小，导

50、通后，晶闸管两端电压降低，约在1V左右。 要关断，需先使IG =0，且阳极电流降至维持电流IH(接近于零的小电流)以下，则晶闸管可回到正向阻断状态。还可加反向电压或切断电源. 晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+反向特性 其伏安特性类似二极管的反向特性。 晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流通过。 当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压（可高达几百伏）后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管被反向击穿而烧毁。 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O

51、+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+5）晶闸管的基本特性（2）动态特性 1）开通过程 由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间，再外电路电感的限制，使阳极电流的增长不可能是瞬时的。即开通时间包括延迟时间和上升时间。 延迟时间td ：阳极电流上升到稳态值的10%所用时间(普通型为0.51.5s) 上升时间tr ：阳极电流从10%上升到稳态值的90%(认为就开通了)所用时间(普通型为0.53s) 开通时间 ton=td+tr晶闸管的开通和关断过程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA观察图，晶闸管可以瞬间开通吗？为什

52、么？注意 延迟时间td随门极电流的增大而减小,上升时间tr除反映晶闸管本身特性外，还受到外电路电感的严重影响。 想要缩短延迟时间和上升时间，可提高阳极电压。2）关断过程 原处于导通状态的晶闸管，当外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。 反向(阻断)恢复时间trr：从iA降为0到反向恢复电流衰减到接近于0的时间。 在反向恢复过程结束后，由于载流子复合过程比较慢，晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间（正向阻断恢复时间tgr ），在正向阻断恢复时间内若重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会正向导通，而不受门极电流控制而导通。 故在应用中，需对晶闸管施加足够时间

53、的反向电压，电路工作才能可靠。 关断时间toff=trr+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100%反向恢复电流最大值尖峰电压90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA问：能像开关一样马上关断吗？为了正确地选择和使用晶闸管，还必须了解它的电压、电流等主要参数的意义。晶闸管的主要参数有以下几项：1断态重复峰值电压UDRM 是在门极断路而结温为额定值时，重复加在器件上的正向峰值电压。 国际规定重复频率为50Hz，每次持续时间不超过10ms。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%。断态重复峰值电

54、压UDRM也应低于正向转折电压Ubo。2反向(reverse)重复峰值电压URRM 是在控制极断路时，可以重复加在晶闸管元件上的反向峰值电压，用符号URRM表示。按规定此电压为反向转折电压URSM的80%。1.3.5晶闸管主要参数6）晶闸管的主要参数3额定电压 将UDRM 和URRM 中的较小值按百位取整后作为该晶闸管的额定值。通常标准电压等级规定为：电压在1000V以下，每100V为一级，电压在1000V以上，每200V为一级。 选择普通晶闸管额定电压的原则应为管子在正常工作时所承受峰值电压的23倍。4.通态平均电流 IT(AV) ：在环境温度为40和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载的单相

55、工频正弦半波、导通角不小于170的电路中，当结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流。 以正弦半波为例，设流过晶闸管的正弦半波电流的峰值为 Im，根据电流平均值和有效值的定义有电流平均值电流有效值（方均根）晶闸管电流波形系数Kf：为电流波形的有效值与平均值之比，即额定电流的选择原则 在规定的室温和冷却条件下，所选管子的额定电流有效值应大于等于管子在电路中实际通过的最大电流有效值，考虑元件过载能力，实际选择时应有1.52倍的安全裕量。即其中 为流过晶闸管最大电流的有效值. 利用波形系数Kf可得通态平均电流 应满足5维持电流IH 指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。当晶

56、闸管的正向电流小于这个电流时，晶闸管将自动关断。6.擎住电流IL 它是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常7）晶闸管的型号根据国家有关规定，晶闸管型号表示形式如图：95/21序号含义1K表示闸流特性2用字母表示器件类型，P表示普通反向阻断型、S表示双向晶闸管、G表示可关断晶闸管、K表示快速开关型3用数字表示额定通态平均电流，一般情况下为1A、5A、10A、20A、30A、50A、100A、200A、300A、400A、500A、600A、800A、1000A等4用数字表示额定电压等级，1000V以下每100V一个等级（1、2、3、4、5、6、

57、7、8、9）,1000V以上每200V一个等级（10、12、14、16、18等）5通平均电压组别，额定电流100A以下不标，100A以上有9个组别，用大写字母A-I表示0.4-1.2V范围。每0.1V为1级例题某晶闸管应用电路以220V交流电压供电，要求流过晶闸管电流的有效值为30A，请问如何选择合适的晶闸管？ 解：晶闸管额定电压选择 可取800V， 晶闸管额定电流取30A。因此，按照晶闸管参数列表可选额定电压为800V，额定电流为30A的晶闸管。8） 晶闸管的派生器件快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST） 有常规的快速晶闸管和高频晶闸管。 从关断时间来看，普通晶

58、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。 a)b)IOUIG=0GT1T2双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor） 可以认为是一对反并联连 接的普通晶闸管的集成。 门极使器件在正反电压两个方向均可触发导通，在第和第III象限有对称的伏安特性。 注意：双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。图2-11 双向晶闸管的电

59、气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性 a)KGAb)UOIIG=0逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。 具有正向压降小、关断时间短、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。 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 AGKa)AK光强度强弱b)OUIA光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT） 是利用一定波长的光照信号触发门极导通的晶闸管。 由于采

60、用光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前应用在高压大功率的场合。 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 半控型器件就介绍这么多。晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，也称作可控硅整流器，简称可控硅,广泛应用于各种变流装置中，是一种较为理想的大功率变流器件。 特点：可用弱电信号控制其导通，但不能控制其关断，故晶闸管称为半控型器件。复习： 半控型器件晶闸管晶闸管如何正常导通？晶闸管导通要具备下列两个条件： 1.阳极与阴极之间加有正向电压，即正向阻断； 2.门极与阴极之间加正向电压(触发脉冲,要有一定触发力