修改稿第2章电力电子器件
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1、v一一 、 电力电子器件的基本模型电力电子器件的基本模型 v二二 、电力二极管、电力二极管 v三、晶闸管三、晶闸管v四、典型全控型器件四、典型全控型器件v 1、门极可关断晶闸管、门极可关断晶闸管 v 2 、 电力晶体管电力晶体管 v 3 、电力场效应晶体管、电力场效应晶体管 v 4 、 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管 v 5 、其它新型电力电子器件、其它新型电力电子器件v五、电力电子器件的驱动与保护五、电力电子器件的驱动与保护 电力半导体器件是电力电子技术及其应用电力半导体器件是电力电子技术及其应用系统的基础。电力电子技术的发展取决于电力系统的基础。电力电子技术的发展取决于电力电子器件的
2、研制与应用。电子器件的研制与应用。 定义：定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件称为电力电子器件制的半导体电子器件称为电力电子器件（Power Electronic Device）。）。 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，本书涉及的器件都是指半导半导体器件两类，本书涉及的器件都是指半导体电力电子器件。体电力电子器件。l 在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象成下图象成下图1.1.11.1.1所示的理想开关模型，它有三个电极，其中所示
3、的理想开关模型，它有三个电极，其中A和和B代表开关的两个主电极，代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。是控制开关通断的控制极。它只工作在它只工作在“通态通态”和和“断态断态”两种情况，在通态时其电两种情况，在通态时其电阻为零，断态时其电阻无穷大。阻为零，断态时其电阻无穷大。 图图1.1.1 电力电子器件的理想开关模型电力电子器件的理想开关模型l1、基本模型：、基本模型：(一一) 按器件的开关控制特性可以分为以下三类：按器件的开关控制特性可以分为以下三类： 不可控器件：不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需要器件本身没有导通、关断控制功能，而需要根据电路条件决定其导通、关断状
4、态的器件称为不可控器件。根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。 如：电力二极管（如：电力二极管（Power Diode）；）；半控型器件：半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断的电力电子器件称为半控型器件。断的电力电子器件称为半控型器件。 如：晶闸管（如：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件等；）及其大部分派生器件等；全控型器件：全控型器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断的器件，称为全控型器件。的器件，称为全控型器件。 如：门极可关断晶闸管（如：门极可关断晶闸管（
5、Gate-Turn-Off Thyristor ）、）、 功率场效应管（功率场效应管（Power MOSFET）和绝缘栅双极型）和绝缘栅双极型 晶体管（晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。）等。 电流控制型器电流控制型器件：件： 此类器件采用此类器件采用电流信号来实现导电流信号来实现导通或关断控制。通或关断控制。 如：晶闸管、门极如：晶闸管、门极可关断晶闸管、功可关断晶闸管、功率晶体管等；率晶体管等； 电压控制半导体器件：电压控制半导体器件： 这类器件采用电压控制这类器件采用电压控制, ,它的通、断，输入控制端基本它的通、断，输入控制端基本上不流过控
6、制电流信号，用小上不流过控制电流信号，用小功率信号就可驱动它工作。功率信号就可驱动它工作。 如：代表性器件为如：代表性器件为 MOSFET管和管和IGBT管。管。器件种类器件种类开关开关功能功能器件特性概略器件特性概略应用领域应用领域电力电力二极管二极管不可不可控控5kV/3kA400Hz5kV/3kA400Hz各种整流装置各种整流装置晶闸管晶闸管可控可控导通导通6kV/6kA400Hz6kV/6kA400Hz8kV/3.5kA8kV/3.5kA光光控控SCRSCR炼钢厂、轧钢机、直流输电、炼钢厂、轧钢机、直流输电、电解用整流器电解用整流器可关断可关断晶闸管晶闸管自关自关断型断型6kV/6kA
7、500Hz工业逆变器、电力机车用逆变工业逆变器、电力机车用逆变器、无功补偿器器、无功补偿器MOSFETMOSFET600V/70A100kHz开关电源、小功率开关电源、小功率UPSUPS、小功、小功率逆变器率逆变器IGBTIGBT1200V1200V/1200A20kHz4.5kV/1.2kA2kHz各种整流各种整流/ /逆变器（逆变器（UPSUPS、变频、变频器、家电）、电力机车用逆变器、家电）、电力机车用逆变器、中压变频器器、中压变频器v一一 、 电力电子器件的基本模型电力电子器件的基本模型 v二二 、电力二极管、电力二极管 v三、晶闸管三、晶闸管v四、典型全控型器件四、典型全控型器件v
8、1、门极可关断晶闸管、门极可关断晶闸管 v 2 、 电力晶体管电力晶体管 v 3 、电力场效应晶体管、电力场效应晶体管 v 4 、 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管 v 5 、其它新型电力电子器件、其它新型电力电子器件v五、电力电子器件的驱动与保护五、电力电子器件的驱动与保护l1 电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理l2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数 （一）电力二极管（一）电力二极管： （1 1）电力二极管（）电力二极管（Power Diode）也称为半）也称为半导体整流器（导体整流器（Semiconductor Rectifier，简称，简称SR），属不可控电力电
9、子器件，是），属不可控电力电子器件，是20世纪最早世纪最早获得应用的电力电子器件。获得应用的电力电子器件。 （2 2）在中、高频整流和逆变以及低压高频）在中、高频整流和逆变以及低压高频整流的场合发挥着积极的作用整流的场合发挥着积极的作用, 具有不可替代具有不可替代的地位。的地位。 基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。以半导体以半导体PNPN结结为基础。为基础。由一个面积较大的由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。结和两端引线以及封装组成。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。 图图2.2.
10、1电力二极管的外形、结构和电气图形符电力二极管的外形、结构和电气图形符 a）外形）外形 b）结构）结构 c）电气图形）电气图形N型半导体和型半导体和P型半导体结合后构成型半导体结合后构成PN结结: 内电场内电场:空间电荷建立的电场空间电荷建立的电场,也称也称自建电场自建电场，其方向是阻止扩散运，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即向本区运动，即漂移运动漂移运动。空间电荷空间电荷:交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的一区的扩
11、散运动扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为负电荷称为空间电荷。空间电荷。空间电荷区空间电荷区:扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷电荷量扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为为空间电荷
