第1章电力电子器件

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1、1第第1章章 电力电子器件电力电子器件2能处理电能处理电功率功率的能力，一般远大于处理信息的电子的能力，一般远大于处理信息的电子器件。器件。电力电子器件一般都工作在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电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制由信息电子电路来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要一般都要安装散热器安装散热器。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）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：3低频时，低频时，通态损耗通态损耗是器件功率

2、损耗的主要成因。是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，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可能成为器件功率损耗的主要因素耗的主要因素。主要损耗主要损耗通态损耗通态损耗断态损耗断态损耗开关损耗开关损耗关断损耗关断损耗开通损耗开通损耗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 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗4电力电子系统：由电力电子系统：由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路、保护电路保护电路 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组成。图图1-1 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控控制制

3、电电路路检测检测电路电路驱动驱动电路电路RL主电路主电路V1V2保护保护电路电路在主电路在主电路和控制电和控制电路中附加路中附加一些电路，一些电路，以保证电以保证电力电子器力电子器件和整个件和整个系统正常系统正常可靠运行可靠运行1.1.2 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电气隔离控制电路控制电路51.1.3 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

4、流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。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，又可以控制其关断。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。 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，因此不需要驱动电路。不能用控制信号来控制其通断，因此不需要驱动电路。 器件的导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压器件的导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。和电流决定的。61.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照

5、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来实现导通或者关断的控制。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信号就可实现导通或者关断的控制。可实现导通或者关断的控制。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信号来实现器件的开通或者关断的控制。器件的开通或者关断的控制。 电平控制型电平控制型 必须

6、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电压或电流信号来使器件开通并维持维持在导通状态或者关断在导通状态或者关断并维持在阻断状态。并维持在阻断状态。 71.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 状态状态参数参数正向导通正向导通反向截止反向截止反向击穿反向击穿电流电流正向大正向大几乎为零几乎为零反向大反向大电压电压维持维持1V反向大反向大反向大反向大阻态阻态低阻态低阻态高阻态高阻态 PN结的状态 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。8电力二极管与信息电子二极管在半导体物理结构和电力二极管与信息电子二极管

7、在半导体物理结构和工作原理方面的不同之处：工作原理方面的不同之处：l电力二极管的电力二极管的垂直导电结构垂直导电结构使得硅片中通使得硅片中通过电流的有效面积增大，可以显著提高二过电流的有效面积增大，可以显著提高二极管的极管的通流能力通流能力。l由于掺杂浓底低，低掺杂浓度就可以承受由于掺杂浓底低，低掺杂浓度就可以承受很高的电压而不致被击穿，因此很高的电压而不致被击穿，因此低掺杂低掺杂N区区越厚，电力二极管能够承受的反向电压就越厚，电力二极管能够承受的反向电压就越高越高。电力二极管在电力二极管在P区和区和N区之间多了一层低掺杂区之间多了一层低掺杂N区，区，也称为漂移区。因此，电力二极管的结构也称为

8、也称为漂移区。因此，电力二极管的结构也称为P-i-N结构。结构。9电力二极管与信息电子二极管在半导体物理结构和电力二极管与信息电子二极管在半导体物理结构和工作原理方面的不同之处：工作原理方面的不同之处：l 电导调制效应电导调制效应使得电力二极管在正向电流较大时使得电力二极管在正向电流较大时压降仍然很低压降仍然很低，维持在，维持在1V左右，所以正向偏置的左右，所以正向偏置的电力二极管表现为低阻态。电力二极管表现为低阻态。低掺杂低掺杂N区由于掺杂浓度低而具有的高电阻率对于电力二区由于掺杂浓度低而具有的高电阻率对于电力二极管的正向导通是不利的，这个矛盾是通过电导调制效极管的正向导通是不利的，这个矛盾

9、是通过电导调制效应来解决的。应来解决的。电导调制效应：电导调制效应：l当当PN结上流过的正向电流较小时，二极管的电阻主要是作结上流过的正向电流较小时，二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂为基片的低掺杂N区的欧姆电阻，其阻值较高且为常量，因区的欧姆电阻，其阻值较高且为常量，因而管压降随正向电流的上升而增加。而管压降随正向电流的上升而增加。l当当PN结上流过的正向电流较大时，由结上流过的正向电流较大时，由P区注入并积累在低区注入并积累在低掺杂掺杂N区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体的电中性区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体的电中性条件，其多子浓度也相应大幅度增加，使得其电阻率明显条件，其多子

10、浓度也相应大幅度增加，使得其电阻率明显下降，也就是电导率大大增加，这就是电导调制效应。下降，也就是电导率大大增加，这就是电导调制效应。101.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理除门极触发外其他几种可能导通的情况除门极触发外其他几种可能导通的情况 阳极电压升高至相当高的数值造成阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应雪崩效应 阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高过高 结温结温较高较高 光触发光触发这些情况除了这些情况除了光触发光触发由于可以保证控制电路与由于可以保证控制电路与主电路之间的主电路之间的良好绝缘良好绝缘而而应用于高压电力设备应用于高压电力设备中中之外，其它都因不

11、易控制而难以应用于实践。之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。只有只有门极触发门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。是最精确、迅速而可靠的控制手段。光触发也属于门极触发光触发也属于门极触发 111.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性静态特性静态特性正常工作时的特性正常工作时的特性 当晶闸管承受当晶闸管承受反向电压反向电压时，不论门极是时，不论门极是 否有触发电流，晶闸管都不会导通否有触发电流，晶闸管都不会导通 。 当晶闸管承受当晶闸管承受正向电压正向电压时，仅在时，仅在门极门极有有 触发电流触发电流的情况下晶闸管才能开通的情况下晶闸管才能开通 。 导通条件导通条件121.