【正文】 電力電子技術(shù) 共享資源課 第 2章 電力電子器件 主講教師：施 金 良 電力電子技術(shù) 共享資源課 電力電子器件概述 不可控器件 — 電力二極管 半控型器件 — 晶閘管及其派生器件 全控型器件 功率模塊與功率集成電路 電力電子器件驅(qū)動與保護電路 電力電子器件的串聯(lián)與并聯(lián)運行 本章小結(jié) 第 2章 電力電子器 件 電力電子技術(shù) 共享資源課 電力電子器件概述 電力電子器件 (Power Electronic Device)是指可直接用于處理電能的 主電路中 ， 實現(xiàn)電能的變換或控制的大功率 (通常指電流為數(shù)十至數(shù)千安 ， 電壓為數(shù)百伏以上 )的電子器件 。 可以認為是由電子技術(shù)手段控制的工作于 開關(guān)狀態(tài)的電力器件 。 各種電力電子器件均具有導通和阻斷兩種工作特性 。 這些器件構(gòu)成裝 置不僅體積小 、 工作可靠 ， 而且節(jié)能效果十分明顯 (一般可節(jié)電 10%～ 40%)。 不可控型 、 半控型和全控型器件 雙極型 、 單極型和混合型器件 電流控制型和電壓控制型器件 電力電子器件概述 電力電子技術(shù) 共享資源課 1. 不可控型、半控型和全控型器件 1) 不可控型器件：電力二極管 不可控型器件是指不能用控制信號來控制其通斷的電力電子器件。這種器件只有兩個端子，導通和關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。 2) 半控型器件：普通晶閘管 由于這類器件通過控制信號只能控制其開通而不能控制其關(guān)斷。半控型器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。普通晶閘管及其大部分派生器件屬于這一類。 3) 全控型器件：大功率三極管， IGBT， MOSFET等 由于這類器件通過控制信號既可以控制其開通，又可以控制其關(guān)斷，故被稱為全控型器件。這類器件品種很多，目前最常用的是 IGBT和電力MOSFET，在處理兆瓦級大功率電能的場合，門極可關(guān)斷晶閘管 (GTO)應(yīng)用也較多。 電力電子器件概述 電力電子技術(shù) 共享資源課 2. 雙極型、單極型和混合型器件 眾多電力電子器件又可分為雙極型、單極型和混合型三種類型。凡由一種載流子參與導電的稱為單極型器件，如電力 MOSFET、靜電感應(yīng)晶體管(SIT)等。凡由電子和空穴兩種載流子參與導電的稱為雙極型器件，如 PN結(jié)整流管、普通晶閘管、電力晶體管等。由單極型和雙極型兩種器件組成的復(fù)合型器件稱為混合型器件，如 IGBT和 MOS控制晶閘管 (MCT)等。圖 為電力電子器件“樹。 圖 電力電子器件“樹” 電力電子器件概述 電力電子技術(shù) 共享資源課 3. 電流控制型和電壓控制型器件 1) 電流控制型器件 如果是通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導通或者關(guān)斷的控制，這類電力電子器件被稱為電流控制型電力電子器件或者電流驅(qū)動型電力電子器件。 2) 電壓控制型器件 如果是僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導通或者關(guān)斷的控制，這類電力電子器件被稱為電壓控制型電力電子器件或者電壓驅(qū)動型電力電子器件。 電力電子器件概述 電力電子技術(shù) 共享資源課 電力電子器件的使用特點 從使用角度出發(fā)，主要可從以下五個方面考察電力電子器件的性能特點。 (1)導通壓降。電力電子器件工作在飽和導通狀態(tài)時仍產(chǎn)生一定的管耗，管耗與器件導通壓降成正比。 (2)運行頻率。受到開關(guān)損耗和系統(tǒng)控制分辨率的限制，器件的開關(guān)時間越短，器件可運行的頻率越高。 (3)器件容量。器件容量包括輸出功率、電壓及電流等級、功率損耗等參數(shù)。 (4)耐沖擊能力。這主要是指器件短時間內(nèi)承受過電流的能力。半控型器件的耐沖擊能力遠高于全控型器件。 (5)可靠性。這主要是指器件防止誤導通的能力。 電力電子器件概述 電力電子技術(shù) 共享資源課 電力電子器件的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 目前電力電子器件的種類和發(fā)展歷史如圖 。電力電子器件的主要性能指標為電壓、電流和工作頻率三個參數(shù)，通過對這三項參數(shù)的比較即可明白每種器件的應(yīng)用范圍。 圖 電力電子器件的種類和發(fā)展歷史 電力電子器件概述 電力電子技術(shù) 共享資源課 ? 單管的輸出功率 圖 。 圖 單個器件輸出頻率與工作頻率的關(guān)系 電力電子器件概述 電力電子技術(shù) 共享資源課 2. 電流與電壓的等級 幾種全控型器件的電壓與電流等級的比較曲線如圖 。 圖 幾種全控型器件的電壓和電流等級的比較曲線 電力電子器件概述 電力電子技術(shù) 共享資源課 3. 功率損耗 圖 1000V級器件功率損耗與工作頻率的關(guān)系曲線。 圖 1000V級器件功率損耗與工作頻率的關(guān)系 電力電子器件概述 電力電子技術(shù) 共享資源課 實踐證明，各種器件以自己的某種優(yōu)勢占領(lǐng)一定范圍的應(yīng)用領(lǐng)域，但與其他器件會有競爭，因此用戶可有更多的選擇。最終各種器件在競爭的基礎(chǔ)上形成互補的局面。各種電力電子器件壽命的周期曲線如圖 。 圖 各種器件壽命的周期曲線 電力電子器件概述 電力電子技術(shù) 共享資源課 不可控型器件 — 電力二極管 電力二極管 (Power Diode)自 20世紀 50年代初期就獲得應(yīng)用，當時也被稱為半導體整流器 (Semiconductor Rectifier， SR)。雖然是不可控型器件，但其結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，所以直到現(xiàn)在，電力二極管仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當中，特別是快恢復(fù)二極管和肖特基二極管分別在中、高頻整流和逆變以及低壓高頻整流的場合具有不可替代的地位。 電力二極管 電力電子技術(shù) 共享資源課 電力二極管的工作原理和基本特性 電力二極管的基本結(jié)構(gòu)都是以半導體 PN結(jié)為基礎(chǔ)。電力二極管實際上是由一個面積較大的 PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。圖 管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號。從外形上看，電力二極管主要有螺栓型和平板型兩種封裝。 圖 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 電力二極管 電力電子技術(shù) 共享資源課 電力二極管的基本特性包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性。靜態(tài)特性主要是指其伏安特性，如圖 。其與微電子電路中的二極管的伏安特性是一樣的。 圖 電力二極管的伏安特性 電力二極管 電力電子技術(shù) 共享資源課 1. 開通特性 電力二極管在開通初期會出現(xiàn)較高的瞬態(tài)壓降，經(jīng)過一定時間后才能處于穩(wěn)定狀態(tài)，并具有很小的管壓降。圖 性曲線。 (a) 管壓降隨時間變化的曲線 (b) 電力二極管開通電流波形 圖 電力二極管的正向恢復(fù)特性 電力二極管 電力電子技術(shù) 共享資源課 2. 關(guān)斷特性 正在導通的電力二極管突然加一反向電壓時，反向阻斷能力的恢復(fù)也需要經(jīng)過一段時間。在未恢復(fù)阻斷能力之前，電力二極管相當于短路狀態(tài)，這是一個很重要的特性。其反向恢復(fù)過程中的電流和電壓波形如圖 圖 反向恢復(fù)過程中電流和電壓波形 電力二極管 電力電子技術(shù) 共享資源課 電力二極管的主要參數(shù) 額定電流 ID(AV) 電力二極管長期運行時在額定結(jié)溫和規(guī)定的冷卻條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值稱為電力二極管的正向平均電流 ID(AV) ，即額定電流。 2. 額定電壓 UDE 額定電壓 UDE是指對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓，通常是其雪崩擊穿電壓 UB的 2～ 3倍。 3. 正向壓降 UF 正向壓降 UF是指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降。 4. 浪涌電流 IFSM 浪涌電流 IFSM是指電力二極管所能承受的最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。 電力二極管 電力電子技術(shù) 共享資源課 電力二極管的主要類型 電力二極管在許多電力電子電路中都有著廣泛的應(yīng)用。電力二極管可以在 AC/DC變換電路中作為整流元件，也可以在電感元件的電能需要適當釋放的電路中作為續(xù)流元件，還可以在各種變流電路中作為電壓隔離、鉗位或保護元件。下面介紹幾種常用的電力二極管。 1. 普通二極管 普通二極管 (Conventional Diode)又稱整流二極管 (Rectifier Diode)，多用于開關(guān)頻率不高 (1kHz以下 )的整流電路中