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1、第第1章章 电力电子器件电力电子器件1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述1.2 不可控器件不可控器件二极管二极管1电子技术的基础电子技术的基础 电子器件：晶体管和集成电路电子器件：晶体管和集成电路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念概念、特点特点和分类分类等问题。介绍常用电力电子器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主主要参数要参数以及选择和使用中应注意问题。第第1章章 电力电子器件电力电子器件引言引言2 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 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
2、力电子器件的分类电力电子器件的分类 本章内容和学习要点本章内容和学习要点 电力电子器件概述电力电子器件概述31 1）概念）概念:电力电子器件电力电子器件（Power Electronic Device）可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路（主电路（Main Power Circuit）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。2 2）分类）分类:电真空器件电真空器件 (汞弧整流器、闸流管)半导体器件半导体器件 (采用的主要材料硅）仍然 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电力电子器件4能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件
3、。电力电子器件一般都工作在开关状态开关状态。电力电子器件往往需要需要由信息电子电路来控制控制。电力电子器件自身的功率损耗功率损耗远大大于信息电子器件，一般都要安装散热器。电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：）同处理信息的电子器件相比的一般特征：5通态损耗通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗6电力电子系统电力电子系统：由控制电路控制电路、驱动电路
4、驱动电路、保护电路保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成。图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行 应用电力电子器件系统组成应用电力电子器件系统组成电气隔离控制电路7半控型器件（半控型器件（Thyristor）通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件全控型器件（IGBT,MOSFET)通过控制信号既可控制其导通又可控制其关 断，又称自关断器件。不可控器件不可控器件(Power Diode)不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。电
5、力电子器件的分类电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：8电流驱动型电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者 关断的控制。(接触过没？)电压驱动型电压驱动型 仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。(接触过没？)电力电子器件的分类电力电子器件的分类 按照驱动电路信号的性质，分为两类：按照驱动电路信号的性质，分为两类：9本章内容本章内容:介绍各种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和使用中应注意的一些问题。集中讲述电力电子器件的驱动驱动、保护保护以及以及串、并联串
6、、并联使用使用这三个问题。学习要点学习要点:最重要的是掌握其基本特性基本特性。掌握电力电子器件的型号命名法命名法，以及其参数和特参数和特性曲线的使用方法性曲线的使用方法。可能会主电路的其它电路元件有特殊的要求特殊的要求。本章学习内容与学习要点本章学习内容与学习要点10 PN 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 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管11 Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖
7、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。不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管引言引言整流二极管及模块12基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)结构 c)电气图形符号1.2.1 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AKAKa)IKAPNJb)c)AK13 正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态二极管的基本原理就在于PN结的单向
8、导电性这一主要特征。PN结的反向击穿（两种形式)雪崩击穿齐纳击穿均可能导致热击穿1.2.1 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结的状态状态参数14PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电电容容效效应应，称为结电容结电容CJ，又称为微分电容微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势势垒垒电电容容CB和扩散电容扩散电容CD。电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。1.2.1 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：15主要指其伏安特性伏安特性门门槛槛电电压压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。与IF对应的电力二极管两端的电
9、压即为其正正向向电电压降压降UF。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。图1-4 电力二极管的伏安特性 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1)静态特性静态特性IOIFUTOUFU162)动态特性动态特性 二二极极管管的的电电压压-电电流流特特性性随随 时间变化的时间变化的 结电容的存在结电容的存在 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性b)UFPuiiFuFtfrt02Va)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图1-5 电力二极管的动态过程波形 a)正向偏置转换为反向偏置 b)零偏置转换为正向偏置延迟时间：td=t1-t0,电流下降时间：
10、tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示。17正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。正向恢复时间tfr。电流上升率越大，UFP越高。UFPuiiFuFtfrt02V图1-5(b)开通过程 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 开通过程开通过程：关断过程关断过程须经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。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。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图1-5(b
11、)关断过程18额额定定电电流流在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有有效效值值相相等等的的原原则则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1)正向平均电流正向平均电流IF(AV)19在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。3）反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。4）反向恢复时间）反向恢复时间trr trr=td+tf 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2）正向压降正向压降U
12、F20结温结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM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。6)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工频周期的过电流。电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数5）最高工作结温）最高工作结温TJM211)普通二极管普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路其反向恢复时间较长正向电流定额和反向电压定额可以达到很高DATASHEET按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向
13、恢复特性的不同介绍。电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型22简称快速二极管快恢复外延二极管快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短（可低于50ns），UF也很低（左右），但其反向耐压多在1200V以下。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。DATASHEET 1 2 3 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型2)快恢复二极管快恢复二极管 （Fast Recovery DiodeFRD）23肖特基二极管的弱点弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优点优点反向恢复时间很短（1040ns）。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型3.肖特基二极管肖特基二极管(DATASHEET)以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode SBD）。24