电力电子技术全册配套最完整精品课件1.ppt

1、电力电子技术全册配套最完整电力电子技术全册配套最完整 精品课件精品课件1 2 电力电子技术电力电子技术 电子教案电子教案 绪绪 论论 3 目目 录录 引言引言 1.什么是电力电子技术什么是电力电子技术 2. 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史 3. 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 4. 本教材的内容简介和使用说明本教材的内容简介和使用说明 4 引引 言言 什么是电力电子技术？ 它的发展经历了哪些阶段？ 目前主要应用在哪些领域？ 5 1.1.什么是电力电子技术什么是电力电子技术 电子技术电子技术: 信息电子技术信息电子技术 电力电子技术电力电子技术 信息电子技术信息电子技术模拟电子技

2、术和数字电子技术 电力电子技术电力电子技术应用于电力领域的电子技术，使用电力 电子器件对电能进行变换和控制的技术 目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件 电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也 可小到数W甚至1W以下 信息电子技术主要用于信息处理，电力电子技术主要用于电 力变换 6 变流技术变流技术 电力交流和直流两种 从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流 电力变换四大类 交流变直流、直流变交流、直流变直流和交流变交流 进行电力变换的技术称为变流技术变流技术 表0-1 电力变换的种类 输入 输出 交流直流 直流整流直流斩波 交流 交流电力控制

3、变频、变相 逆变 7 电力电子技术两个分支电力电子技术两个分支 变流技术（电力电子器件应用技术）变流技术（电力电子器件应用技术） 用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制 的技术，及构成电力电子装置和电力电子系统的技术 电力电子技术的核心核心，理论基础是电路理论 电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术 电力电子技术的基础基础，理论基础是半导体物理 8 “电力电子技术电力电子技术”和和“电力电子学电力电子学” 电力电子学电力电子学 (Power Electronics) 名称60年代出现 1974年，美国的W. Newell用图0-1的倒三角形对电力电 子学进行了描述，被全世界普遍接受 图

4、0-1 描述电力电子学的倒三角形 “电力电子学电力电子学”和“电力电子电力电子 技术技术”分别从学术和工程技术 的角度来称呼，实际内容没有 很大不同 电力电力 电子技术电子技术 电子学电子学电力学电力学 控制控制 理论理论 连续、离散 电路、器件 静止器、旋转电机 9 电力电子技术和电子学的关系电力电子技术和电子学的关系 电子学电子学电子器件电子器件 对应对应 电力电子器件电力电子器件 电子电路电子电路 电力电子电路电力电子电路 电力电子器件制造技术和电子器件制造技术的理论基 础是一样的，大多数工艺也相同 现代电力电子器件制造大都使用集成电路制造工艺， 采用微电子制造技术，许多设备都和微电子器

5、件制造设备 通用，说明二者同根同源 10 电力电子技术和电子学的关系电力电子技术和电子学的关系 器件的工作状态器件的工作状态 信息电子，既可放大，也可开关 电力电子，为避免功率损耗过大，总在开关状态 电力电子技术的一个重要特征 电力电子电路和电子电路电力电子电路和电子电路 许多分析方法一致，仅应用目的不同 广义而言，电子电路中的功放和功率输出也可算做电力 电子电路 电力电子电路广泛用于电视机、计算机等电子装置中， 其电源部分都是电力电子电路 11 电力电子技术与电气工程的关系电力电子技术与电气工程的关系 主要关系：电力电子技术广泛用于电气工程中主要关系：电力电子技术广泛用于电气工程中 电力电子

6、装置广泛用于高压直流输电、静止无功补电力电子装置广泛用于高压直流输电、静止无功补 偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、 电加热、高性能交直流电源等电力系统和电气工程电加热、高性能交直流电源等电力系统和电气工程 通常把电力电子技术归属于电气工程学科通常把电力电子技术归属于电气工程学科 电气工程学科中一个最为活跃的分支，其不断进步电气工程学科中一个最为活跃的分支，其不断进步 给电气工程的现代化以巨大的推动力给电气工程的现代化以巨大的推动力 12 电力电子技术与控制理论的关系电力电子技术与控制理论的关系 控制理论广泛用于电力电子技术，使电力电子

7、控制理论广泛用于电力电子技术，使电力电子 装置和系统的性能满足各种需求装置和系统的性能满足各种需求 电力电子技术可看成电力电子技术可看成“弱电控制强电弱电控制强电”的技术，的技术， 是是“弱电和强电的接口弱电和强电的接口”，控制理论是实现该，控制理论是实现该 接口的强有力纽带接口的强有力纽带 控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子 装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术 13 21世纪电力电子技术的前景世纪电力电子技术的前景 20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术，21世纪仍 将以迅猛的速度发展 以计算机为核

8、心的信息科学将是21世纪起主导作用的科 学技术之一，而电力电子技术和运动控制一起，将和计 算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱 计算机的作用比做人脑。电力电子技术可比做人的消化 系统和循环系统。消化系统对能量进行转换（把电网等 的“粗电”变成“精电”），再由循环系统把转换后的 能量传送到大脑和全身。电力电子技术连同运动控制一 起，可比做人的肌肉和四肢，使人能够运动和从事劳动 21世纪中将会起十分重要的作用，有十分光明的未来 14 2. 2. 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史 电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决 定性的作用，因此，电

9、力电子技术的发展史是以电定性的作用，因此，电力电子技术的发展史是以电 力电子器件的发展史为纲的。力电子器件的发展史为纲的。 电力电子技术的诞生电力电子技术的诞生 1957年美国通用电气公司研制出第一个 晶闸管为标 志 15 电力电子技术的史前期或黎明期电力电子技术的史前期或黎明期 晶闸管出现前的时期，用于电力变换的电子技术已经存在闸管出现前的时期，用于电力变换的电子技术已经存在 1904年出现了电子管，能在真空中对电子流进行控制，年出现了电子管，能在真空中对电子流进行控制， 并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河 后来出现了水银整流器，其性能和

10、晶闸管很相似。在后来出现了水银整流器，其性能和晶闸管很相似。在 30年代到年代到50年代，是水银整流器发展迅速并大量应用年代，是水银整流器发展迅速并大量应用 的时期。它广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电的时期。它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动，甚至用于直流输电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电 16 电力电子技术的史前期或黎明期电力电子技术的史前期或黎明期 各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展 成熟并广为应用。在晶闸管出现以后的相当一段时期内，成熟并广为应用。在晶闸管出现以后的相当

11、一段时期内， 所使用的电路形式仍然是这些形式所使用的电路形式仍然是这些形式 交流电变为直流电的方法除水银整流器外，还有发展更早交流电变为直流电的方法除水银整流器外，还有发展更早 的电动机的电动机直流发电机组，即变流机组。和旋转变流机组直流发电机组，即变流机组。和旋转变流机组 相对应，静止变流器的称呼从水银整流器开始并沿用至今相对应，静止变流器的称呼从水银整流器开始并沿用至今 1947年美国贝尔实验室发明晶体管，引发了电子技术的一年美国贝尔实验室发明晶体管，引发了电子技术的一 场革命场革命 最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管 17 晶闸管（晶闸管（195

12、7年开始年开始） 晶闸管因电气性能和控制性能优越，很快取代了水银整流器和晶闸管因电气性能和控制性能优越，很快取代了水银整流器和 旋转变流机组，且其应用范围也迅速扩大。电化学工业、铁道旋转变流机组，且其应用范围也迅速扩大。电化学工业、铁道 电气机车、钢铁工业（轧钢用电气传动、感应加热等）、电力电气机车、钢铁工业（轧钢用电气传动、感应加热等）、电力 工业（直流输电、无功补偿等）的迅速发展也有力地推动了晶工业（直流输电、无功补偿等）的迅速发展也有力地推动了晶 闸管的进步。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管的进步。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的闸管变

13、流技术的发展而确立的 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，因而属于件，因而属于半控型半控型器件器件 对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式 晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现 18 复合型器件和功率集成电路复合型器件和功率集成电路 80年代后期开始 复合型器件复合型器件：以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表 IGBT是MOSFET和BJT的复合 它集MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通 态压降小、载流能

14、力大的优点于一身，性能十分优越， 使之成为现代电力电子技术的主导器件 与IGBT相对应，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换 流晶闸管（IGCT）都是MOSFET和GTO的复合，它们也 综合了MOSFET和GTO两种器件的优点。 19 复合型器件和功率集成电路复合型器件和功率集成电路 模块：模块：为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常 常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件 做成模块的 形式，这给应用带来了很大的方便 功率集成电路：功率集成电路：把驱动、控制、保护电路和功率器件集 成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前其功率都还 较小，但代 表了电力电子技术发展的一个重要方向 20

15、3. 3. 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 1）一般工业）一般工业 直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源 或直流斩波电源都是电力电子装置 近年来电力电子变频技术的迅速发展，使交流电机的调速 性能可与直流电机媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地 位。几百W到数千kW的变频调速装置，软起动装置等 电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都 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、淬火电源及直流电弧炉电源等场合 需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源 21 3. 3. 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 2）交通运输）交通运输 电气化铁道中广泛

16、采用电力电子技术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整流装置，交流机车采用变电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变 频装置。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮频装置。直流斩波器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，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术外，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术 22 3. 3. 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换和驱动控电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变

17、换和驱动控 制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级制，其蓄电池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，它们也要靠变频器和斩波器汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器 驱动并控制驱动并控制 飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海 都离不开电力电子技术都离不开电力电子技术 如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子技如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子技 术。以前的电梯大都采用直流调速系统，而近年来交流术。以前的电梯大都采用直流调速系统，而近年来交流 变频调速已成为主流变频调速已成为主

18、流 23 3. 3. 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 3）电力系统）电力系统 电力电子技术在电力系统中有非常广泛的电力电子技术在电力系统中有非常广泛的 应用。据估计，发达国家在用户最终使用的电能中有应用。据估计，发达国家在用户最终使用的电能中有60% 以上至少经过一次电力电子变流装置的处理。电力系统在以上至少经过一次电力电子变流装置的处理。电力系统在 通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。毫通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。毫 不夸张地说，离开电力电子技术，电力系统的现代化是不不夸张地说，离开电力电子技术，电力系统的现代化是不 可想象的可想象的 直流输电在长距离、

19、大容量输电时有很大的优势，其送电直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电 端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置。近端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置。近 年发展起来的柔性交流输电（年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子也是依靠电力电子 装置才得以实现的装置才得以实现的 24 3. 3. 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 无功补偿和谐波抑制无功补偿和谐波抑制对电力系统有重要的意义。晶闸管控控 制电抗器（制电抗器（TCR）、）、晶闸管投切电容器（晶闸管投切电容器（TSC）都是重要都是重要 的无功补偿装置。近年来出现的静止无功发生器（的无功补偿装置

20、。近年来出现的静止无功发生器（SVG）、）、 有源电力滤波器（有源电力滤波器（APF）等新型电力电子装置具有更为优等新型电力电子装置具有更为优 越的无功功率和谐波补偿的性能。在配电网系统，电力电越的无功功率和谐波补偿的性能。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，以进行电能质量控制，改善供电质量等，以进行电能质量控制，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蓄电池充电等都需要电力电子装置 25 3. 3

21、. 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 4）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 器件的高频开关电源。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高频开关电源。在各种电 子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开 关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了线性 电源。因为各种信息技术装置都需要电力电子装置提供电 源，所以可以说信息电子技术离不开电力电子技术。 26 3. 3. 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 5）家用电器）家用电器

22、照明在家用电器中有十分突出的地位。由于 电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源， 通常被称为“节能灯”，正逐步取代传统的白炽灯和日光 灯 变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例 子之一。电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电 源部分也都需要电力电子技术。此外，有些洗衣机、电冰 箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。 电力电子技术广泛用于家用电器使得它和我们的生 活变得十分贴近。 27 3. 3. 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 6）其他）其他 不间断电源（不间断电源（UPS）在现代社会中的作在现代社会中的作 用越来越重要，用量也越来越大。目前，用越来越重要，用量也

23、越来越大。目前，UPS在在 电力电子产品中已占有相当大的份额电力电子产品中已占有相当大的份额 航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人 航天器中为了人的生存和工作，也离不开各种电航天器中为了人的生存和工作，也离不开各种电 源，这些都必需采用电力电子技术源，这些都必需采用电力电子技术 28 3. 3. 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 传统的发电方式是火力发电、水力发电以及后来兴起的核传统的发电方式是火力发电、水力发电以及后来兴起的核 能发电。能源危机后，各种新能源、可再生能源及新型发能发电。能源危机后，各种新能源、可再生能源及新型发 电方式越来越受到

24、重视。其中太阳能发电、风力发电的发电方式越来越受到重视。其中太阳能发电、风力发电的发 展较快，燃料电池更是备受关注。太阳能发电和风力发电展较快，燃料电池更是备受关注。太阳能发电和风力发电 受环境的制约，发出的电力质量较差，常需要储能装置缓受环境的制约，发出的电力质量较差，常需要储能装置缓 冲，需要改善电能质量，这就需要电力电子技术。当需要冲，需要改善电能质量，这就需要电力电子技术。当需要 和电力系统联网时，也离不开电力电子技术。和电力系统联网时，也离不开电力电子技术。 29 3. 3. 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 为了合理地利用水力发电资源，近年来抽水储能发电站为了合理地利用水力发电

25、资源，近年来抽水储能发电站 受到重视。其中的大型电动机的起动和调速都需要电力受到重视。其中的大型电动机的起动和调速都需要电力 电子技术。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强电子技术。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。 核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容 量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。科学实验量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。科学实验 或某些特殊场合，常常需要一些特种电源，这也是电力或某些特殊场合，常常需要一些特种电源，这也是电

26、力 电子技术的用武之地。电子技术的用武之地。 30 3. 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范围十分广泛。从人类对宇宙总之，电力电子技术的应用范围十分广泛。从人类对宇宙 和大自然的探索，到国民经济的各个领域，再到我们的衣和大自然的探索，到国民经济的各个领域，再到我们的衣 食住行，到处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅力。食住行，到处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅力。 这也激发了一代又一代的学者和工程技术人员学习、研究这也激发了一代又一代的学者和工程技术人员学习、研究 电力电子技术并使其飞速发展。电力电子技术并使其飞速发展。 以前电力电子技术的应用偏重于

27、中、大功率。现在，在以前电力电子技术的应用偏重于中、大功率。现在，在 1kW以下，甚至几十以下，甚至几十W以下的功率范围内，电力电子技术以下的功率范围内，电力电子技术 的应用也越来越广，其地位也越来越重要。这已成为一个的应用也越来越广，其地位也越来越重要。这已成为一个 重要的发展趋势，值得引起人们的注意。重要的发展趋势，值得引起人们的注意。 31 3. 3. 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电 源、恒频交流电源和变频交流电源，因此也可以源、恒频交流电源和变频交流电源，因此也可以 说，电力电子技术研究的也就是

28、电源技术。说，电力电子技术研究的也就是电源技术。 电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大 型风机、水泵采用变频调速方面，在使用量十分型风机、水泵采用变频调速方面，在使用量十分 庞大的照明电源等方面，电力电子技术的节能效庞大的照明电源等方面，电力电子技术的节能效 果十分显著，因此它也被称为是节能技术。果十分显著，因此它也被称为是节能技术。 32 表表0-1 0-1 电力变换的种类电力变换的种类 输 入 输 出 交 流直 流 直 流整 流直流斩波 交 流 交流电力控制 变频、变相 逆 变 返回返回 33 图图0-1 0-1 描述电力电子学的倒三角形描述

29、电力电子学的倒三角形 返回返回 电力电力 电子技术电子技术 电子学电子学电力学电力学 控制控制 理论理论 连续、离散 电路、器件 静止器、旋转电机 电力电子技术 电子教案 第第2 2章章 电力电子器件电力电子器件 35 第第1章章 电力电子器件电力电子器件 引言引言 1.11.1电力电子器件概述电力电子器件概述 1.21.2不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 1.31.3半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件 1.5 1.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 1.6 1.6 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动 1.7 1.7 电力电子器件

30、的保护电力电子器件的保护 1.8 1.8 电力电子器件的串联和并联使用电力电子器件的串联和并联使用 小结小结 36 引引 言言 电子技术的基础电子技术的基础 电子器件：晶体管和电子器件：晶体管和 集成电路集成电路 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： 简要概述电力电子器件的概念、特点和分类等简要概述电力电子器件的概念、特点和分类等 问题问题 介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特 性性, 主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题 37 1.11.1电力电

31、子器件概述电力电子器件概述 1.11.1电力电子器件概述电力电子器件概述 1.1.1 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 1.1.2 1.1.2 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 1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 1.1.4 1.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点 38 1.11.1电力电子器件概述电力电子器件概述 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 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 电力电子器件电力电子器

32、件（power electronic device） 可直接用于处理电能的主电路中，实现电 能的变换或控制的电子器件 39 1.1.1 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 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。 两类中，自20世纪50年代以来，真空管仅在 频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在 使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器 （Mercury Arc Rectifier）、闸流管 （Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。 因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导 体器件。 电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。 40 1.1.1

33、 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 同处理信息的电子器件相比，电力 电子器件的一般特征： (1) 能处理电功率的大小，即承受电 压和电流 的能力，是最重要的参数 其处理电功率的能力小至毫瓦级，大 至兆瓦级, 大多都远大于处理信息的电 子器件。 41 1.1.1 1.1.1 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) 电力电子器件一般都工作在开关状态电力电子器件一般都工作在开关状态 导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接 近于零，而电流由外电路决定 阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎 为零，而管子两端电压由外电路决定 电力电子器件的动态特

34、性（也就是开关特性）和参 数，也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时 候甚至上升为第一位的重要问题。 作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替 42 1.1.1 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 (3) 实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电 路来控制。 在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路 对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器 件的驱动电路驱动电路。 (4)为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温 度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计， 在其工作时一般都要安装散热器。 导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗 43 1.1.1 电力电子器

35、件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断 态损耗 在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和 关断损耗，总称开关损耗 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是 造成器件发热的原因之一 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态 损耗是器件功率损耗的主要成因 器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可 能成为器件功率损耗的主要因素 44 1.1.2 1.1.2 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 1.1.2 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 电力电子系统电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力 电子器件为核心的主

36、电路组成 n 图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成 控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过 驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断， 来完成整个系统的功能 控 制 电 路 检测 电路 驱动 电路 RL 主电路 V1 V2 45 1.1.2 1.1.2 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 有的电力电子系统中，还需要有检测电路。广义上 往往其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制 电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控 制电路组成的。 主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的 元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路 和控制电路连接的路径上，如驱动电

37、路与主电路的 连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及 主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔电气隔 离离，而通过其它手段如光、磁等来传递信号。 46 1.1.2 1.1.2 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 由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子 器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过 电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和 控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件 和整个电力电子系统正常可靠运行，也往往是非常必 要的。 器件一般有三个端子（或称极或管角），其中两个联 结在主电路中，而第三端被称为控制端（或控制极）。 器件通断是通过

38、在其控制端和一个主电路端子之间加 一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和 主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。 47 1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 1.1.3 电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电路信号所控制的程 度，分为以下三类： (1) 半控型器件通过控制信号可以控制 其导通而不能控制其关断 晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流 决定 48 1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 (2) 全控型器件全控型器件通过控制信号既可通过控制信号既可 控

39、制其导通又可控制其关断，又称自关断控制其导通又可控制其关断，又称自关断 器件器件 绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT） 电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称为电 力MOSFET） 门 极 可 关 断 晶 闸 管 （ G a t e - T u r n - O f f Thyristor GTO） 49 1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 (3) 不可控器件不可控器件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， 因此也就不需要驱动电路因此也就不需要驱动电路 电力二极管（Power Diod

40、e） 只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中 承受的电压和电流决定的 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号 的的 性质，分为两类：性质，分为两类： 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 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 50 1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压 在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改 变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场 控器件，或场效应器件 按照器件内部电子和空穴

41、两种载流子参与导电的按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的 情况分为三类：情况分为三类： 单极型器件由一种载流子参与导电的器件 双极型器件由电子和空穴两种载流子参与 导电的器件 复合型器件由单极型器件和双极型器件集 成混合而成的器件 51 1.1.4 1.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点 介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以 及选择和使用中应注意的一些问题，然后集中讲述 电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用这三个 问题。 最重要的是掌握其基本特性 掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特 性曲线的使用方法，这是在实际中正确应用电力电 子器件的两个基本要求 由于电力

42、电子电路的工作特点和具体情况的不同， 可能会对与电力电子器件用于同一主电路的其它电 路元件，如变压器、电感、电容、电阻等，有不同 于普通电路的要求 52 1.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 1.21.2不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 1.2.1 PN1.2.1 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 1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 1.2.3 1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 1.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型 53 1.21.2不可控器件不可控器件电力二极管电力二

43、极管 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 54 1.2.1 PN1.2.1 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 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PN结为基础 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 A K AK a) I KA PN J b) c) 55 1.2.1

44、 PN1.2.1 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 N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。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 扩散运动扩散运动，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、负电荷称为空间电荷空间电荷。空间电荷建立 的电场被称为内电场内电场或自建电场自建电场，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）向本区运动，即漂移运动漂移运动。扩散运动和 漂移运动既相互联系又是一对矛盾，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

45、电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所 强调的角度不同也被称为耗尽层耗尽层、阻挡层阻挡层或势垒区势垒区。 56 1.2.1 PN1.2.1 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结的正向导通状态结的正向导通状态 电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍 然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表 现为低阻态 图1-3 PN结的形成 - 。 - 。 - 。 - 。 - 。 - 。 - 。 - 。 - 。 - 。 - 。 - 。 - 。 - 。 - 。 + + + + + + + + + + + + + + + +- +- +- +- +- 空间电荷区P型区N型区 内电

46、场 57 1.2.1 PN1.2.1 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结的反向截止状态结的反向截止状态 PN结的单向导电性 二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一 主 要特征 PN结的反向击穿结的反向击穿 有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿 PN结的电容效应：结的电容效应： PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应电容效应，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 作用的差别分为势垒电容势垒电容CB和扩散电容扩散电容CD 58 1.2.1 PN1.2.1 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 势垒电容只在

47、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。势垒电容的大小 与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比 而扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时， 当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高 时，扩散电容为结电容主要成分 结电容影响PN结的工作频率，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， 应用时应加以注意。 59 1.2.1 PN1.2.1 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 造成电力二极管和信息电子电路中的普通造成电力二极管和信息电子电路中的普通 二极管区别的一些因素：二极管区别的一些因素： 正向导通时要流过很大的电流，其

48、电流密度较 大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调 制效应不能忽略 引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响 承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器 件自身的电感效应也会有较大影响 为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向 压降较大 60 1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 图1-4 电力二极管的伏安特性 I O I F U TO U F U 61 1.2.2 1.2.2 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（电力二极管伏安特性图电力二极管伏安特性图） 主要指其伏安特性 当电

49、力二极管承受的正向电压大到一定值（门 槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定 导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电 压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电 压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电 流。 2. 动态特性动态特性 动态特性动态特性因结电容的存在，三种状态之间的 转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电 流特性是随时间变化的 1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 开关特性开关特性反映通态和断态之间的转换过程 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 在关断之前有较大的反向电流出现，

50、并伴随有明 显的反向电压过冲 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 b) UFP u i iF uF tfrt0 2V a) IF UF tFt0 trr tdtf t1t2t UR URP IRP diF dt diR dt 1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 b) U FP u i iF u F tfrt0 2V a) IF U F tFt0 trr tdtf t1t2t U R U RP IRP diF dt diR dt 延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时