【正文】 第 2章 電力電子器件 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 典型全控型器件 其他新型電力電子器件 功率集成電路與集成電力電子模塊 本章小結 引言 ■ 模擬和數(shù)字電子電路的基礎 —— 晶體管和集成電路等電子器件 電力電子電路的基礎 —— 電力電子器件 ■ 本章主要內(nèi)容： ◆ 對電力電子器件的 概念 、 特點 和 分類 等問題作了簡要概述 。 ◆ 分別介紹各種常用電力電子器件的 工作原理 、基本特性 、 主要參數(shù) 以及選擇和使用中應注意的一些問題。 電力電子器件概述 電力電子器件的概念和特征 應用電力電子器件的系統(tǒng)組成 電力電子器件的分類 本章內(nèi)容和學習要點 電力電子器件的概念和特征 ■ 電力電子器件的概念 ◆ 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 電子器件 。 ? 主電路：在電氣設備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控制任務的電路。 ? 廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導體器件兩類，目前往往專指電力半導體器件。 電力電子器件的概念和特征 ■ 電力電子器件的特征 ◆ 所能處理 電功率 的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)，一般都遠大于處理信息的電子器件。 ◆ 為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在 開關狀態(tài) 。 ◆ 由信息電子電路來控制 ,而且需要 驅動電路 。 ◆ 自身的 功率損耗 通常仍遠大于信息電子器件，在其工作時一般都需要安裝 散熱器 。 電力電子器件的概念和特征 ? 通態(tài)損耗 是電力電子器件功率損耗的主要成因。 ? 當器件的開關頻率較高時， 開關損耗 會隨之增 大而可能成為器件功率損耗的主要因素。 通態(tài)損耗 斷態(tài)損耗 開關損耗 開通損耗 關斷損耗 ? 電力電子器件的功率損耗 應用電力電子器件的系統(tǒng)組成 ■ 電力電子器件在實際應用中，一般是由 控制電路 、 驅動 電路 和以電力電子器件為核心的 主電路 組成一個系統(tǒng)。 電氣隔離 控制電路檢 測電 路保 護電 路驅 動電 路RLV1V2主 電 路圖 21 電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成 電力電子器件的分類 ■ 按照能夠被控制電路信號所控制的程度 ◆ 半控型器件 ? 主要是指 晶閘管（ Thyristor） 及其大部分派生器件。 ? 器件的關斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。 ◆ 全控型器件 ? 目前最常用的是 IGBT和 Power MOSFET。 ? 通過控制信號既可以控制其導通，又可以控制其關斷。 ◆ 不可控器件 ? 電力二極管（ Power Diode） ? 不能用控制信號來控制其通斷。 電力電子器件的分類 ■ 按照驅動信號的性質 ◆ 電流驅動型 ? 通過從控制端注入或者抽出 電流 來實現(xiàn)導通或者關斷的控制。 ◆ 電壓驅動型 ? 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)導通或者關斷的控制。 ■ 按照驅動信號的波形（電力二極管除外 ） ◆ 脈沖觸發(fā)型 ? 通過在控制端施加一個電壓或電流的 脈沖 信號來實現(xiàn)器件的開通或者關斷的控制。 ◆ 電平控制型 ? 必須通過 持續(xù) 在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號來使器件開通并 維持 在導通狀態(tài)或者關斷并維持在阻斷狀態(tài)。 電力電子器件的分類 ■ 按照載流子參與導電的情況 ◆ 單極型器件 ? 由一種 載流子 參與導電。 ◆ 雙極型器件 ? 由 電子 和 空穴 兩種載流子參與導電。 ◆ 復合型器件 ? 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成， 也稱混合型器件。 本章內(nèi)容和學習要點 ■ 本章內(nèi)容 ◆ 按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的順序，分別介紹各種電力電子器件的 工作原理 、 基本特性 、 主要參數(shù) 以及選擇和使用中應注意的一些問題。 ■ 學習要點 ◆ 最重要的是掌握其 基本特性 。 ◆ 掌握電力電子器件的 型號命名法 ，以及其 參數(shù) 和 特性曲線 的使用方法。 ◆ 了解電力電子器件的 半導體物理結構 和 基本工作原理 。 ◆ 了解某些主電路中對其它電路元件的特殊要求。 不可控器件 —— 電力二極管 PN結與電力二極管的工作原理 電力二極管的基本特性 電力二極管的主要參數(shù) 電力二極管的主要類型 不可控器件 —— 電力二極管 引言 ■ 電力二極管（ Power Diode） 自 20世紀 50年代初期就獲得 應用，但其結構和原理簡單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二 極管仍然大量應用于許多電氣設備當中。 ■ 在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少 的，特別是開通和關斷速度很快的 快恢復二極管 和 肖特基 二極管 ，具有不可替代的地位。 整流二極管及模塊 A K A K a) I K A P N J b) c) A K PN結與電力二極管的工作原理 ■ 電力二極管是以半 導體 PN結 為基礎的 , 實際上是由一個面積 較大的 PN結 和 兩端引 線 以及 封裝 組成的。 從外形上看，可以有 螺栓型 、 平板型 等多 種封裝。 圖 22 電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號 a) 外形 b) 基本結構 c) 電氣圖形符號 PN結與電力二極管的工作原理 ■ 二極管的基本原理 —— PN結的 單向導電性 ◆ 當 PN結外加正向電壓（正向偏置）時，在外電路上則形成自 P區(qū)流入而從 N區(qū)流出的電流，稱為 正向電流 IF，這就是 PN結的正向導通狀態(tài)。 ◆ 當 PN結外加反向電壓時（反向偏置）時，反向偏置的PN結表現(xiàn)為 高阻態(tài) ，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止狀態(tài)。 ◆ PN結具有一定的反向耐壓能力，但當施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞 PN結反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫 反向擊穿 。 ? 按照機理不同有 雪崩擊穿 和 齊納擊穿 兩種形式 。 ? 反向擊穿發(fā)生時，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)， PN結仍可恢復原來的狀態(tài)。 ? 否則 PN結因過熱而燒毀，這就是 熱擊穿 。 PN結與電力二極管的工作原理 ■ PN結的電容效應 ◆ 稱為 結電容 CJ，又稱為 微分電容 ◆ 按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為 勢壘電容 CB和 擴散電容 CD ? 勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。在正向偏置時，當正向電壓較低時，勢壘電容為主。 ? 擴散電容僅在正向偏置時起作用。正向電壓較高時，擴散電容為結電容主要成分。 ◆ 結電容影響 PN結的 工作頻率 ，特別是在高速開關的狀態(tài)下，可能使其單向導電性變差，甚至不能工作。 電力二極管的基本特性 ■ 靜態(tài)特性 ◆ 主要是指其 伏安特性 ◆ 正向電壓大到一定值（ 門檻 電壓 UTO ），正向電流才開始 明顯增加，處于穩(wěn)定導通狀態(tài)。 與 IF對應的電力二極管兩端的 電壓即為其 正向電壓降 UF。 ◆ 承受反向電壓時，只有 少子 引起的微小而數(shù)值恒定的 反向 漏電流 。 I O I F U TO U F U 圖 25 電力二極管的伏安特性 電力二極管的基本特性 a) IF U F t F t 0 t rr t d t f t 1 t 2 t U R U RP I R P d i F d t d i R d t u b) U FP i i F u F t fr t 0 2V 圖 26 電力二極管的動態(tài)過程波形 a) 正向偏置轉換為反向偏置 b) 零偏置轉換為正向偏置 ■ 動態(tài)特性 ◆ 因為 結電容 的存在，電壓 — 電流特性是隨時間變化的，這就是電力二極管的動態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉換過程的開關特性 。 ◆ 由正向偏置轉換為反向偏置 ? 電力二極管并不能立即關斷，而是須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)。 ? 在關斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。 ? 延遲時間 ： td=t1t0 電流下降時間 ： tf =t2 t1 反向恢復時間 ： trr=td+ tf 恢復特性的軟度 ： tf /td，或稱恢復系 數(shù)，用 Sr表示。 t0:正向電流降為零的時刻 t1:反向電流達最大值的時刻 t2:電流變化率接近于零的時刻 電力二極管的基本特性 U FP u i i F u F t fr t 0 2V ◆ 由零偏置轉換為正向偏置 ? 先出現(xiàn)一個 過沖 UFP，經(jīng)過 一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降 的某個值（如 2V）。 ? 正向恢復時間 tfr ? 出現(xiàn)電壓過沖的原因 :電 導調制效應 起作用所需的大量 少子需要一定的時間來儲存， 在達到穩(wěn)態(tài)導通之前管壓降較 大；正向電流的上升會因器件 自身的 電感 而產(chǎn)生較大壓降。 電流上升率 越大， UFP越高。 圖 26 電力二極管的動態(tài)過程波形 b) 零偏置轉換為正向偏置 電力二極管的主要參數(shù) ■ 正向平均電流 IF(AV) ◆ 指電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用 TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大 工頻正弦半波電流 的平均值。 ◆ IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，使用時應按 有效值相等 的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。 ■ 正向壓降 UF ◆ 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 時對應的正向壓降。 ■ 反向重復峰值電壓 URRM ◆ 指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓。 ◆ 使用時，應當留有 兩倍 的裕量。 電力二極管的主要參數(shù) ■ 最高工作結溫 TJM ◆ 結溫是指管芯 PN結的平均溫度，用 TJ表示。 ◆ 最高工作結溫是指在 PN結不致?lián)p壞的前提下所能承受的 最高平均溫度 。 ◆ TJM通常在 125～ 175?C范圍之內(nèi)。 ■