北京交通大学+电力电子技术+第02章+电力电子器件的原理与特性

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1、电力电子技术PowerElectronicsTechnologySpring2006电气工程学院陈洛忠Chenlzh@dq.njtu.edu.cn51687064----601(o)第二章电力电子器件的原理与特性本章内容2.1电力电子器件概述2.2电力（功率）二极管2.3晶闸管（SCR）2.4电力场效应晶体管（电力MOSFET）2.5绝缘栅双极晶体管（IGBT）要求及重点要求：了解电力电子器件（Powerelectronicdevice）的发展、分类与应用理解和掌握功率二极管、SCR、MOSFET和IGBT

2、等常用器件的工作原理、电气特性和主要参数重点：各种电力电子器件原理、性能上的不同点，各自应用的场合2.1电力电子器件概述电子技术采用电子器件，包括晶体管和集成电路电力电子技术采用电力电子器件主电路（mainpowercircuit）：电力电子系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路电力电子器件（powerelectronicdevice）：可直接用于电力电子主电路中、实现电能变换或控制的电子器件与电子器件相比，电力电子器件的一般特征：处理电功率的能力强,一般远大于处理信息的电子器件所能处理的电功率，即承受电压

3、和电流的能力，是最重要的参数一般都工作在开关状态驱动功率较大工作时能耗较大主要损耗通态损耗：导通（相当于普通晶体管饱和导通）时器件上有一定的通态压降断态损耗：阻断（相当于普通晶体管管截止）时器件上有微小的断态漏电流流过开关损耗开通损耗：在器件开通（阻断→开通）过程中产生的损耗关断损耗：在器件关断（开通→阻断）过程中产生的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，因而通态损耗是造成器件功率损耗的主要原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

4、功率损耗的主要因素电力电子器件的特征（与普通半导体器件相比）功率远大于信息电子器件，从mW~MW，因此电压和电流等级是其最重要的参数工作在开关状态（相当于普通晶体管的饱和与截止状态），因而开关特性也是很重要的参数，有时甚至是最重要的参数需要用驱动电路驱动需要装散热器散热电力电子器件的发展第一代电力电子器件无关断能力的SCR第二代电力电子器件有关断能力的GTO、GTR等第三代电力电子器件性能优异的复合型器件如IGBT和智能器件IPM(IntelligentPowerModule)等电力电子器件的发展目标和评价标准

5、70年代—大容量（电压、电流）80年代—高频化（功率、频率）90年代—高性能化（大容量、高频率、易驱动、低损耗）评价标准：功率容量、开关速度、通态压降、驱动功率、驱动信号现在—集成化、模块化、智能化电力电子器件的分类按其开关控制性能分类：不控型器件:无控制极，器件的导通与关断完全由其在主电路中承受的电压和电流决定，正偏置导通、反偏置关断。如电力二极管(PowerDiode)半控型器件：控制极（门极）只能控制器件导通而不能控制其关断，器件的关断完全由其在主电路中承受的电压和电流决定。如晶闸管（Thyristor）

6、全控型器件：通过控制极（门极或基极或柵极）是否施加驱动信号、既能控制管子导通又能控制管子关断。如如GTO、GTR、MOSFET、IGBT、IGCT、IPM电力电子器件的分类按器件内部载流子参与导电的种类分类：单极型器件：只有一种载流子参与导电，如MOSFET、SIT等双极型器件：有电子和空穴两种载流子参与导电，如SCR、GTO、GTR等复合型器件：由单极型器件和双极型器件集成，如由MOSFET与晶体管、晶闸管复合而成，构成IGBT等单极型器件：开关时间短、输入阻抗高（电压控制型）电流具有负的温度特性，二次击穿的

7、可能性很小通态压降高、电压和电流定额较小双极型器件：通态压降较低、阻断电压高、电流容量大复合型器件：既有电流密度高、导通压降低的优点，又有输入阻抗高、响应速度快的优点按驱动电路加在器件控制端和公共端信号的性质分类：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。如晶闸管、GTO、GTR、IGCT、SITH等电压驱动型：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。如MOSFET、IGBT、IPM、SIT、MCT等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

8、、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。特性：驱动功率远小于电流控制型器件驱动电路简单功率器件工作频率高电力电子器件的应用决定应用场合的基本因素输出容量工作频率应用举例高压输电电力牵引开关电源2.2功率二极管工作原理（基本与普通二极管相同）PN结：正向导通反向截止电流到零关断外形与符号有螺栓型和平板型两种封装电力