电力电子技术西安交通大学王兆安第五版第章-.ppt

(第5版)第1章 绪论（第4版为“概述”，无章序号）西安交通大学 电气工程学院 王兆安2009.11.281第第1章章 绪论绪论 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术 1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 1.4 本教材的内容简介本教材的内容简介21.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术的概念电力电子技术的概念 可以认为，所谓电力电子技术就是应用于可以认为，所谓电力电子技术就是应用于电力电力领域的领域的电子电子技术。技术。电力电子技术中所变换的电力电子技术中所变换的“电力电力”有区别有区别于于“电力系统电力系统”所指的所指的“电力电力”，后者特指电，后者特指电力网的力网的“电力电力”，前者则更一般些。，前者则更一般些。电子技术包括信息电子技术和电力电子技电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。子技术都属于信息电子技术。31.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术具体地说，电力电子技术就是使用具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件电力电子器件 对对电能电能进行进行变换变换和和控制控制的技术。的技术。电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础。础。变流技术则是电力电子技术的核心变流技术则是电力电子技术的核心。输入输入 输出输出 交流交流（AC）直流直流（DC）直流直流（DC）整流整流 直流斩波直流斩波 交流交流（AC）交流电力控制交流电力控制变频、变相变频、变相逆变逆变 表表1-1 电力变换的种类电力变换的种类41.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子学电力电子学 美国学者美国学者W.Newell认为电力电子学是由认为电力电子学是由电力电力学学、电子学电子学和和控制理论控制理论三个学科交叉而形成的。三个学科交叉而形成的。图图1-1 描述电力电子学的倒三角形描述电力电子学的倒三角形51.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术和电子学电力电子技术和电子学 电力电子器件的制造技术和用于信息变换的电子电力电子器件的制造技术和用于信息变换的电子器件制造技术的理论基础（都是基于半导体理论）器件制造技术的理论基础（都是基于半导体理论）是一样的，其大多数工艺也是相同的。是一样的，其大多数工艺也是相同的。电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法也电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法也是一致的。是一致的。电力电子技术和电力学电力电子技术和电力学 电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电子学和电力学的主要关系。子学和电力学的主要关系。61.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术 各种电力电子装置广泛各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电、静止应用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流磁、电加热、高性能交直流电源等之中，因此，无论是电源等之中，因此，无论是国内国外，通常都把电力电国内国外，通常都把电力电 图图1-2 电气工程的双三角形描述电气工程的双三角形描述子技术归属于电气工程学科。在我国，电力电子与电力传子技术归属于电气工程学科。在我国，电力电子与电力传动是电气工程的一个二级学科。图动是电气工程的一个二级学科。图1-2用两个三角形对电用两个三角形对电气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学科内各二级学科的关系。科内各二级学科的关系。71.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术和控制理论电力电子技术和控制理论 控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电控制理论广泛用于电力电子技术中，它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子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实术，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。现这种接口的一条强有力的纽带。另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二者密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基者密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。础元件和重要支撑技术。81.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史图图1-3 电力电子技术的发展史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一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年年美国通用美国通用电气公司研制出第一个电气公司研制出第一个晶闸管晶闸管为标志的。为标志的。91.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。明期。1904年出现了年出现了电子管电子管，它能在真空中对电子流进行控，它能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。力领域的先河。20世纪世纪30年代到年代到50年代年代，水银整流器水银整流器广泛用于电化学广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，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。在电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在这一时期，也应用这一时期，也应用直流发电机组直流发电机组来变流。来变流。1947年美国著名的贝尔实验室发明了年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，晶体管，引发了引发了电子技术的一场革命。电子技术的一场革命。101.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史晶闸管时代晶闸管时代 晶闸管晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且之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础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。的。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不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，属于能使其关断的器件，属于半控型器件半控型器件。对晶闸管电。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式相控方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实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。现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。111.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史全控型器件和电力电子集成电路（全控型器件和电力电子集成电路（PIC）70年代后期，以年代后期，以门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管电力双极型晶体管（BJT）和和电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的为代表的全控型器全控型器件件迅速发展。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）的控制既可使其制既可使其开通开通又可使其又可使其关断关断。采用全控型器件的电路的主要控制方式为采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM）方式。相对于相位控制方式，可称之为方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式斩波控制方式，简称，简称斩控方式斩控方式。在在80年代后期，以年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的为代表的复合复合型器件型器件异军突起。它是异军突起。它是MOSFET和和BJT的复合，综合了两者的优点。的复合，综合了两者的优点。与此相对，与此相对，MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT）和和集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了复合了MOSFET和和GTO。121.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史把把驱动驱动、控制控制、保护电路保护电路和和电力电子器件电力电子器件集成在集成在一起，构成一起，构成电力电子集成电路（电力电子集成电路（PIC），这代表了，这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成技术包括以技术包括以PIC为代表的为代表的单片集成技术单片集成技术、混合集成混合集成技术技术以及以及系统集成技术系统集成技术。随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的电路的工作频率工作频率也不断提高。与此同时，也不断提高。与此同时，软开关技软开关技术术的应用在理论上可以使电力电子器件的的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗开关损耗降为零，从而提高了电力电子装置的降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度功率密度。131.3 电力电子技术的应用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、空调系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。一般工业一般工业 工业中大量应用各种工业中大量应用各种交直流电动机交直流电动机，都是用，都是用电力电子装置进行调速的。电力电子装置进行调速的。一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了年来也采用了变频装置变频装置，以达到节能的目的。，以达到节能的目的。141.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用图图1-4 AB变频器变频器有些并不特别要求调速的电机为有些并不特别要求调速的电机为了避免起动时的电流冲击而采用了了避免起动时的电流冲击而采用了软起动装置，这种软起动装置也是软起动装置，这种软起动装置也是电力电子装置。电力电子装置。电化学工业大量使用直流电源，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量整流电源。电镀装置也需要整流电源。电源。电力电子技术还大量用于冶金工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、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。淬火电源及直流电弧炉电源等场合。151.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用交通运输交通运输 电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中的电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中的直流机车中采用直流机车中采用整流装置整流装置，交流机车采用，交流机车采用变频装置变频装置。直流直流斩波器斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，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，车辆中的各种中的各种辅助电源辅助电源也都离不开电力电子技术。也都离不开电力电子技术。电动汽车的电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱电动汽车的电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其动控制，其蓄电池蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高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，它们也要靠级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器变频器和和斩波器斩波器驱动并控制。驱动并控制。飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。161.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电力系统电力系统 据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。直流输电直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整整流阀流阀和受电端的和受电端的逆变阀逆变阀都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主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要采用全控型的IGBT器件。近年发展起来的器件。近年发展起来的柔性交流输电（柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。也是依靠电力电子装置才得以实现的。晶闸管控制电抗器（晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（晶闸管投切电容器（TSC）、静止静止无功发生器（无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（有源电力滤波器（APF）等电力电子装置大量等电力电子装置大量用于电力系统的用于电力系统的无功补偿无功补偿或或谐波抑制谐波抑制。在配电网系统，电力电子装置。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，以进行还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质电能质量控制量控制，改善供电质量。，改善供电质量。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。充电等都需要电力电子装置。171.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用图图1-5 中国南方电网公司安顺换流站中国南方电网公司安顺换流站图图1-6 静止无功发生器（上）和静止无功发生器（上）和 晶闸管投切电容器（下）晶闸管投切电容器（下）181.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电子装置用电源电子装置用电源 各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电电源供电。通信设备中的程控交换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源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的器件的高频开关电源高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、。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。在大型计算机等场合，常常需要在大型计算机等场合，常常需要不间断电源不间断电源（Uninterruptible Power Supply_ UPS）供电，不供电，不间断电源实际就是典型的电力电子装置。间断电源实际就是典型的电力电子装置。191.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用家用电器家用电器 电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。空调、电视机、音响设备、家用计算机，空调、电视机、音响设备、家用计算机，不少洗衣机、不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。其它其它 航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。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。大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。201.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。新能源、可再生能源发电比如风新能源、可再生能源发电比如风力发电、太阳能发电，需要用电力力发电、太阳能发电，需要用电力电子技术来缓冲能量和改善电能质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量。当需要和电力系统联网 时，更时，更离不开电力电子技术。离不开电力电子技术。核聚变反应堆在产生强大磁场和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。源，这种电源就是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常常需科学实验或某些特殊场合，常常需要一些特种电源，这也是电力电子要一些特种电源，这也是电力电子技术的用武之地。技术的用武之地。图图1-7 风场风场211.4 本教材的内容简介本教材的内容简介本教材的内容本教材的内容22第第2章章 电力电子器件电力电子器件 2.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 2.2 2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.5 2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 2.6 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块功率集成电路与集成电力电子模块 本章小结本章小结 23引言引言模拟和数字电子电路的基础模拟和数字电子电路的基础 晶体管和集成电路等电子器件晶体管和集成电路等电子器件 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：对电力电子器件的对电力电子器件的概念概念、特点特点和和分类分类等问题作等问题作了简要概述了简要概述。分别介绍各种常用电力电子器件的分别介绍各种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、主要参数主要参数以及选择和使用中应注意的以及选择和使用中应注意的一些问题。一些问题。242.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 2.1.2 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 2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 2.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点252.1.1 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概念电力电子器件的概念 电力电子器件（电力电子器件（Power Electronic Device）是指可直接用于处理电能的是指可直接用于处理电能的主电路主电路中，实现电能中，实现电能的变换或控制的的变换或控制的电子器件电子器件。主电路：在电气设备或电力系统中，直接主电路：在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。承担电能的变换或控制任务的电路。广义上电力电子器件可分为电真空器件和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，目前往往专指电力半导体器件。半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。262.1.1 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特征电力电子器件的特征 所能处理所能处理电功率电功率的大小，也就是其承受电压和的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。处理信息的电子器件。为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在在开关状态开关状态。由信息电子电路来控制由信息电子电路来控制,而且需要而且需要驱动电路驱动电路。自身的自身的功率损耗功率损耗通常仍远大于信息电子器件，通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装在其工作时一般都需要安装散热器散热器。272.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征通态损耗通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。是电力电子器件功率损耗的主要成因。当器件的开关频率较高时，当器件的开关频率较高时，开关损耗开关损耗会随之增会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。大而可能成为器件功率损耗的主要因素。通态损耗通态损耗断态损耗断态损耗开关损耗开关损耗开通损耗开通损耗关断损耗关断损耗电力电子器件的功率损耗电力电子器件的功率损耗282.1.2 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力电子器件在实际应用中，一般是由电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路控制电路、驱动驱动电路电路和以电力电子器件为核心的和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成一个系统。组成一个系统。电气隔离电气隔离图图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成电力电子器件在实际应用中的系统组成292.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照能够被控制电路信号所控制的程度按照能够被控制电路信号所控制的程度 半控型器件半控型器件 主要是指主要是指晶闸管（晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。及其大部分派生器件。器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。流决定的。全控型器件全控型器件 目前最常用的是目前最常用的是 IGBT和和Power MOSFET。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。断。不可控器件不可控器件 电力二极管（电力二极管（Power Diode）不能用控制信号来控制其通断。不能用控制信号来控制其通断。302.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照驱动信号的性质按照驱动信号的性质 电流驱动型电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出通过从控制端注入或者抽出电流电流来实现导通或者关断的控制。来实现导通或者关断的控制。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仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压电压信号就可实现导信号就可实现导通或者关断的控制。通或者关断的控制。按照驱动信号的波形（电力二极管除外按照驱动信号的波形（电力二极管除外）脉冲触发型脉冲触发型 通过在控制端施加一个电压或电流的通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲脉冲信号来实现器件的开信号来实现器件的开通或者关断的控制。通或者关断的控制。电平控制型电平控制型 必须通过必须通过持续持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并流信号来使器件开通并维持维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。在导通状态或者关断并维持在阻断状态。312.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照载流子参与导电的情况按照载流子参与导电的情况 单极型器件单极型器件 由一种由一种载流子载流子参与导电。参与导电。双极型器件双极型器件 由由电子电子和和空穴空穴两种载流子参与导电。两种载流子参与导电。复合型器件复合型器件 由单极型器件和双极型器件集成混合而成，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。也称混合型器件。322.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点本章内容本章内容 按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作工作原理原理、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以及选择和使用中应注意的一些问题。一些问题。学习要点学习要点 最重要的是掌握其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掌握电力电子器件的型号命名法型号命名法，以及其，以及其参数参数和和特性特性曲线曲线的使用方法。的使用方法。了解电力电子器件的了解电力电子器件的半导体物理结构半导体物理结构和和基本工作原理基本工作原理。了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。332.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 2.2.1 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 2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型342.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管引言引言电力二极管（电力二极管（Power Diode）自自20世纪世纪50年代初期就获年代初期就获得得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。极管仍然大量应用于许多电气设备当中。在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管快恢复二极管和和肖特基肖特基二极管二极管，具有不可替代的地位。，具有不可替代的地位。整流二极管及模块整流二极管及模块35AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1 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电力二极管是以半电力二极管是以半导体导体PN结结为基础的为基础的,实际上是由一个面积实际上是由一个面积较大的较大的PN结结和和两端引两端引线线以及以及封装封装组成的。组成的。从外形上看，可以有从外形上看，可以有螺栓型螺栓型、平板型平板型等多等多种封装。种封装。图图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a)外形外形 b)基本结构基本结构 c)电气图形符号电气图形符号362.2.1 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二极管的基本原理二极管的基本原理PN结的结的单向导电性单向导电性 当当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自形成自P区流入而从区流入而从N区流出的电流，称为区流出的电流，称为正向电流正向电流IF，这就是这就是PN结的正向导通状态。结的正向导通状态。当当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为结表现为高阻态高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。止状态。PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压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，破坏过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截结反向偏置为截止的工作状态，这就叫止的工作状态，这就叫反向击穿反向击穿。按照机理不同有按照机理不同有雪崩击穿雪崩击穿和和齐纳击穿齐纳击穿两种形式两种形式。反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。结仍可恢复原来的状态。否则否则PN结因过热而烧毁，这就是结因过热而烧毁，这就是热击穿热击穿。372.2.1 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结的电容效应结的电容效应 称为称为结电容结电容CJ，又称为，又称为微分电容微分电容 按其产生机制和作用的差别分为按其产生机制和作用的差别分为势垒电容势垒电容CB和和扩散电扩散电容容CD 势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压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，势垒电容为主。向电压较低时，势垒电容为主。扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。扩散电容为结电容主要成分。结电容影响结电容影响PN结的结的工作频率工作频率，特别是在高速开关的状，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。态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。382.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性静态特性静态特性 主要是指其主要是指其伏安特性伏安特性 正向电压大到一定值（正向电压大到一定值（门槛门槛 电压电压UTO），正向电流才开始），正向电流才开始 明显增加，处于稳定导通状态。明显增加，处于稳定导通状态。与与IF对应的电力二极管两端的对应的电力二极管两端的 电压即为其电压即为其正向电压降正向电压降UF。承受反向电压时，只有承受反向电压时，只有少子少子 引起的微小而数值恒定的引起的微小而数值恒定的反向反向 漏电流漏电流。IOIFUTOUFU图图2-5 电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性392.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V 图图2-6 电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置正向偏置转换为反向偏置 b)零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 动态特性动态特性 因为因为结电容结电容的存在，电压的存在，电压电流特性是随电流特性是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，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并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性开关特性。由正向偏置转换为反向偏置由正向偏置转换为反向偏置 电力二极管并不能立即关断，而是须经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能力，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。进入截止状态。在关断之前有较大的反向电流出现，并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。伴随有明显的反向电压过冲。延迟时间延迟时间：td=t1-t0 电流下降时间电流下降时间：tf=t2-t1 反向恢复时间反向恢复时间：trr=td+tf 恢复特性的软度恢复特性的软度：tf/td，或称恢复系，或称恢复系 数，用数，用Sr表示。表示。t0:正向正向电流降电流降为零的为零的时刻时刻t1:反向电反向电流达最大流达最大值的时刻值的时刻t2:电流变电流变化率接近化率接近于零的时于零的时刻刻402.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置转换为正向偏置由零偏置转换为正向偏置 先出现一个先出现一个过冲过冲UFP，经，经过过一段时间才趋于接近稳态压降一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如的某个值（如2V）。）。正向恢复时间正向恢复时间tfr 出现电压过冲的原因出现电压过冲的原因:电电导调制效应导调制效应起作用所需的大量起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，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在达到稳态导通之前管压降较大；正向电流的上升会因器件大；正向电流的上升会因器件自身的自身的电感电感而产生较大压降。而产生较大压降。电流上升率电流上升率越大，越大，UFP越高。越高。图图2-6 电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形 b)零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 412.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数正向平均电流正向平均电流IF(AV)指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大表示）和散热条件下，其允许流过的最大工工频正弦半波电流频正弦半波电流的平均值。的平均值。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有有效值相等效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。正向压降正向压降UF 指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正稳态正向电流向电流时对应的正向压降。时对应的正向压降。反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有使用时，应当留有两倍两倍的裕量。的裕量。422.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数最高工作结温最高工作结温TJM 结温是指管芯结温是指管芯PN结的平均温度，用结的平均温度，用TJ表示。表示。最高工作结温是指在最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下结不致损坏的前提下所能承受的所能承受的最高平均温度最高平均温度。TJM通常在通常在125175 C范围之内。范围之内。反向恢复时间反向恢复时间trr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工频周期的过电流。432.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用的电力二极管。的电力二极管。普通二极管（普通二极管（General Purpose Diode）又称又称整流二极管（整流二极管（Rectifier Diode），多，多用于开关频率不高（用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。以下）的整流电路中。其其反向恢复时间反向恢复时间较长，一般在较长，一般在5 s以上以上。其其正向电流定额正向电流定额和和反向电压定额反向电压定额可以达到可以达到很高。很高。442.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型快恢复二极管（快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）恢复过程恢复过程很短，特别是很短，特别是反向恢复过程反向恢复过程很短（一很短（一般在般在5 s以下）以下）。快恢复外延二极管快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），采用，采用外延型外延型P-i-N结构结构，其，其反向恢复时间更短（可低于反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也），正向压降也很很低（低（0.9V左右）。左右）。从性能上可分为从性能上可分为快速恢复快速恢复和和超快速恢复超快速恢复两个等两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在在100ns以下，甚至达到以下，甚至达到2030ns。452.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型肖特基二极管（肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD）属于属于多子多子器件器件 优点在于：优点在于：反向恢复时间反向恢复时间很短（很短（1040ns），正向恢），正向恢复过程中也不会有明显的复过程中也不会有明显的电压过冲电压过冲；在反向耐压较低的情；在反向耐压较低的情况下其况下其正向压降正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；因此，也很小，明显低于快恢复二极管；因此，其其开关损耗开关损耗和和正向导通损耗正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率都比快速二极管还要小，效率高。高。弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其正向压降正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场以下的低压场合；合；反向漏电流反向漏电流较大且对较大且对温度温度敏感，因此敏感，因此反向稳态损耗反向稳态损耗不不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。462.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件472.3 2.3 半控器件半控