【正文】 幾十納秒 a) IF td trr tf IRP t1 t2 UF UR t dtdiFtF t0 dtdiRURP 在關(guān)斷之前有較大的反向電流，伴隨明顯的反向電壓過沖。 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性 UII FU FU TO0I FtrrtfI RPU RPt0 t1t2d i /d tRd i /d tFU RttiFU FP2Vt fr0U F(a) (b ) (c)圖 14 電力二極管的伏安特性 電力二極管 靜態(tài)特性 伏安特性 只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。 PN結(jié)反向擊穿 施加 PN結(jié)反 向電壓過大 反向電流 急劇增大 破壞 PN結(jié)的反向截止狀態(tài) 電力二極管 PN結(jié)的工作原理 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性 電力二極管的主要參數(shù) 電力二極管的主要類型 AKAKa )IKAP NJb )c ) 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性 UII FU FU TO0I FtrrtfI RPU RPt0 t1t2d i /d tRd i /d tFU RttiFU FP2Vt fr0U F(a) (b ) (c)圖 14 電力二極管的伏安特性 電力二極管 靜態(tài)特性 伏安特性 正向電壓為零，電流為零。 電力電子器件概述 電力電子器件的概念和特征 電力電子器件的基本類型 電力電子器件的模塊化與集成化 電力電子器件的應用領(lǐng)域 電力電子器件的基本類型 半控型器件 全控型器件 通過控制信號可控制 其導通而 不 能 控制其關(guān)斷 ｛ 晶閘管 及其派生器件 關(guān) 斷 主 電 路 電 流 電 壓 通過控制信號即可控制 其導通又 能 控制其關(guān)斷 ｛ 絕緣柵雙極晶體管 電力場效應晶體管 門極可關(guān)斷晶閘管 自關(guān)斷器件 門極可關(guān)斷晶閘管 處理兆瓦級 大功率電能 不能 用 控制信號控制 其通斷， 不需要 驅(qū)動電路 電力二極管 不控型器件 主 電 路 ｛ 通 斷 電 流 電 壓 只有兩個端子 2. 按照驅(qū)動電路加在 電力電子 器件上驅(qū)動信號的性質(zhì) 電流驅(qū)動型 電壓驅(qū)動型 通 斷 單極型器件 由一種載流子參與導電的器件 雙極型器件 由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件 復合型器件 單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件 電力電子器件的模塊化與集成化 電力電子器件 最初是單管結(jié)構(gòu)、分立器件 電力電子設(shè)備 電力電子器件及其散熱器、驅(qū)動、保護等電路 結(jié)構(gòu)松散、體積大、可靠性差、成本高 電力電子器件的模塊化與集成化 結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠性高、成本低 功率模塊 由若干功率開關(guān)器件與快速二極管組合而成 單片集成式模塊 功率器件、驅(qū)動、保護等電路集成于一個硅片 智能功率模塊 將具有驅(qū)動、自保護、自診斷功能的集成芯片 再度與電力電子器件集成 表 11 電力電子器件 類 型 名稱 中文名稱 英文名稱 分立 器件 不可控器件 電力二極管 Power Diode 半控型器件 晶閘管 (可控硅 ) Thyristor (SCR) 全 控 型 器 件 電流控制器件 電力晶體管 (雙極型晶體管 ) GTR (BJT) 門極可關(guān)斷晶閘管 GTO 電壓控制器件 電力場效應晶體管 Power MOSFET 絕緣柵雙極型晶體管 IGBT 場控晶閘管 MCT 靜電感應晶體管 SIT 靜電感應晶閘管 SITH 集成模塊 功率模塊 Power Module 單片集成模塊 System on a Chip 智能功率模塊 IPM 以上各種類型器件的特點為： 電力電子器件的應用領(lǐng)域 電力電子器件 應用廣泛 電力電子器件允許的開關(guān)頻率與允許功率范圍及主要應用領(lǐng)域 1 0 1 0 0 1 k 1 0 k 1 0 0 k 1 M1 0 01 k1 0 k1 0 0 k1 M1 0 M1 0 0 Mf / H zP / V A1 0 MGTO（機車、地鐵、SVG等）SCR（高壓直流輸電、靜止無功補償?shù)雀邏侯I(lǐng)域）GTR（UPS、空調(diào)、冰箱等）I G B T （ 電 機 調(diào) 速 、 逆 變 器 、變 頻 器 等 中 等 功 率 范 圍 ）M O S F E T （ 開 關(guān) 電 源 、日 用 電 器 、 汽 車 電 子 等 ） 電力二極管 結(jié)構(gòu)和原理簡單工作可靠 現(xiàn)在仍大量應用于許多電氣設(shè)備 電力二極管 （半導體整流管） 20世紀 50年代初獲得應用 應用 快恢復二極管 肖特基二極管 斬波、逆變 高頻低壓儀表、 開關(guān)電源 PN結(jié)的工作原理 電力二極管在本質(zhì)上是一個 PN節(jié)，只是加上電極引線、管殼封裝。 2）電力電子器件因處理電功率較大，為了減小本身的損 耗、提高效率，一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。 電力電子器件（ Power Electronic Device) 直接用于處理電能的主電路中，以開關(guān)方式實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。利用諧振原理，使電力電子器件在零電壓或零電流的條件下開通、關(guān)斷，理論上可將開關(guān)損耗降至零并抑制電磁干擾。有源電力濾波器 電力變換電路的發(fā)展 高功率因數(shù)整流電路，采用自關(guān)斷器件、 PWM控制。 20世紀 70年代以前，整流電路占有主導地位； 20世紀 80年代以后，逆變電路的應用日益廣泛，但整流電路仍然占有重要地位。包括電壓、電流、頻率、波形等方面的變換、控制。 直流 電力 交流 交流變交流 直流變直流（斬波） 直流變交流（逆變） 交流變直流（整流） 電力變換 兩大分支 電力電子技術(shù) 電力電子器件 制造技術(shù) 變流技術(shù) 變流 技術(shù) 電力電子器件構(gòu)成各種電力變換電路 { 對這些電路進行控制的技術(shù) 變流技術(shù)（電力電子器件應用技術(shù)） —— 電力電子技術(shù)的核心 電力電子器件制造技術(shù) — 電力電子技術(shù)的基礎(chǔ) 相互支持、相互促進 與其他學科的關(guān)系 電子學 電力學 控制理論 電力電子技術(shù) 圖 01描述電力電子學的倒三角形 邊緣學科 與電子學的關(guān)系 器件、電路 電力電 子器件制造技術(shù) 電子器件 制造技術(shù) 理論基礎(chǔ)、材料、制造工藝 分析方法、分析軟件 電子電路 電力電子 電路 電力電子電路 —— 電力變換 電子電路 —— 信息處理 信息電子電路器件 開關(guān)狀態(tài) 放大狀態(tài) 電力電子電路器件 開關(guān)狀態(tài) 功率損耗 電力電子技術(shù)廣泛用于電力工程 與電力學的關(guān)系 電力電子技術(shù) 高 壓 直 流 輸 電 靜 止 無 功 補 償 交 直 流 電 力 傳 動 電 解 電 鍍 電 加 熱 電 力 機 車 牽 引 電力工程 高性能交直流電源 與控制理論的關(guān)系 控制理論 電力電子技術(shù) 弱電和強電接口 弱電控制強電 實 現(xiàn) 紐 帶 2. 電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史 電力電子 器件的發(fā)展 電力變換 電路的發(fā)展 控制 技術(shù)的發(fā)展 20世紀 70年代 低壓小電流、高壓大電流晶閘管系列化 派生型晶閘管：雙向、逆倒、光控 半控型器件 1958 工業(yè)用晶閘管問世、電力電子技術(shù)誕生 80年代后期 以 IGBT為代表的復合型器件異軍突起 MOSFET與 GTR復合 驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快；通態(tài)壓降小、載流能力大；主導器件 電力電子器件的發(fā)展 20世紀 70年代后期 全控型器件迅速發(fā)展 GTO、 GTR、 MOSFET 可通可斷、開關(guān)速度高于晶閘管 全控型器件 全控復合型器件 功率集成模塊 把若干個電力電子器件及必要的輔助元件、電路模塊化，便于應用。 原因？ 整流電路、逆變電路應用最為廣泛。功率因數(shù)可以達到 1，基本不消耗無功功率、不產(chǎn)生諧波。 電力變換電路的發(fā)展 新型電力變換電路：諧振型逆變電路 性能更佳 晶閘管電路 相位控制方式；全控型器件 PWM控制方式；就異步電動機而言，矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制；就控制理論而言，自適應控制、模糊控制。 電力電子器件是功率半導體器件。 3）電力電子器件在實際應用中往往由信息電子電路來控 制。 PN節(jié)的工作原理已經(jīng)在模擬電子技術(shù)課程中涉及，不再展開討論。 正向電壓較小，正向電流很小，幾乎為零。 正向電流 IF對應的電力二極管兩端的電壓 UF為其正向電壓降。 注意：電流、電壓反向問題 過沖 正偏壓時，正向偏壓降約為 1V左右；導通時，二極管看成是理想開關(guān)元件，因為它的開通時間很短； 但在關(guān)斷時，它需要一個反向恢復時間（ reverserrecovery time） 。 正向壓降 UF 電力二極管在正向電流導通時二極管上的正向壓降。 電力二極管的主要類型 普通二極管 (整流二極管） 多用于開關(guān)頻率 不高（ 1kHz以下） 的整流電路中 反向恢復時間長 一般在 5181。 缺點：漏電流很大、耐壓低。 RN P NP N PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a) b)圖 17 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b工作原理 ) 產(chǎn)生注入門極的觸發(fā)電流 IG的電路 觸發(fā) 門極觸發(fā)電路 對晶閘管的驅(qū)動 反向截止 正向阻斷 晶閘管工作原理如以下方程所示 Ic1 = a1IA + ICBO1 (11) Ic2 = a2IK + ICBO2 (12) IK = IA + IG (13) IA = IC1 + IC2 (14) a1和 a2分別是晶體管 V1和 V2 的共基極電流增益； ICBO1和 ICBO2分別是 V1和 V2的共基極漏電流。 開通（門極觸發(fā)）： 注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致 ?1+?2趨近于 1的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，實現(xiàn)飽和導通。 3) 晶閘管一旦導通 ， 門極就失去控制作用 。 隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。 IH稱為 維持 電流。 0UA KIAIHIG 2IG 1IG= 0UD BUD S MUD R MUR R MUR S MILUR B0UA KIAIHIG 2IG 1IG= 0UD BUD S MUD R MUR R MUR S MILUR B晶閘管的靜態(tài)參數(shù) UDB、 URB 正向轉(zhuǎn)折電壓和反向擊穿電壓； UDSM、 UDRM 正向斷態(tài)不重復峰值電壓和重復峰值電壓 ； U