緒論和二極管

歡迎各位新同學好學力行河南理工大學明德任責緒論好學力行河南理工大學明德任責內(nèi)容提要什么是電力電子技術？電力電子技術有什么用？電力電子技術的過去、現(xiàn)在和將來與電力電子技術相關的企業(yè)、期刊和職業(yè)規(guī)劃教材內(nèi)容？怎么學？怎么考？緒論§1電力電子技術的概念1.電力電子與信息電子

電力電子技術（PowerElectronicTechnology）是利用電力電子器件構(gòu)成的電路系統(tǒng)對電能進行變換和控制的技術。這種變換包括對電壓、電流、頻率和波形等方面的變換。

電力電子技術屬于電子技術的一個分支，主要應用于電力等領域。緒論§1電力電子技術的概念信息電子技術——信息處理電力電子技術——電力變換電子技術：一般即指信息電子技術，廣義而言，也包括電力電子技術。模擬電子技術電子技術信息電子技術電力電子技術數(shù)字電子技術電力電子技術使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術，即：應用于電力領域的電子技術。目前電力電子器件均用半導體制成，故也稱電力半導體器件。電力電氣器件的特點：功率大；

信息電子放大態(tài)損耗小無需散熱

電力電子開關態(tài)損耗大需散熱電力電子器件概述好學力行河南理工大學明德任責緒論§1電力電子技術的概念2.電力電子技術的兩大分支

電力電子器件應用技術（變流技術）

用電力電子器件構(gòu)成電力變換電路和對其進行控制的技術，以及由這些電路構(gòu)成電力電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術。變流技術是電力電子技術的核心，理論基礎是電路理論。

電力電子器件制造技術

它是電力電子技術的基礎，其理論基礎是半導體物理。緒論§1電力電子技術的概念2.電力電子技術的主要分支---變流技術

電力——電源，交流和直流兩種

從公用電網(wǎng)直接得到的是交流，從蓄電池和干電池得到的是直流。

電力變換的基本類型

進行電力變換的技術稱為變流技術。緒論§1電力電子技術的概念3.電力電子裝置的基本結(jié)構(gòu)

緒論§1電力電子技術的概念4.電力電子技術是一門交叉學科

緒論§2電力電子技術的應用一般工業(yè)：交直流電機驅(qū)動、電化學工業(yè)、冶金工業(yè)交通運輸：電氣化鐵道、電動汽車、航空、航海電力系統(tǒng)：高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補償電子裝置電源：為信息電子裝置提供動力家用電器：氣體放電燈（“節(jié)能燈”）、變頻空調(diào)其他：

UPS、航天飛行器、新能源發(fā)電裝置緒論緒論緒論緒論緒論緒論緒論總之，電力電子技術的應用范圍十分廣泛，激發(fā)人們學習、研究電力電子技術并使其飛速發(fā)展。電力電子裝置提供給負載的是各種不同的電源，因此可以說，電力電子技術就是研究電源技術。電力電子技術對節(jié)省電能有重要意義。特別在大型風機、水泵采用的變頻調(diào)速，在使用量十分龐大的照明電源等方面，因此它也被稱為是節(jié)能技術。也稱為半導體變流技術。緒論§3電力電子技術的發(fā)展緒論§3電力電子技術的發(fā)展發(fā)展趨勢：

高頻化、模塊化、綠色化；依賴于：

新材料、新器件、新拓撲、新的控制理論等；未來：電力電子技術是電能變換技術,是把粗電變?yōu)榫姷募夹g。能源是人類社會的永恒話題，電能是最優(yōu)質(zhì)的能源。因此，電力電子技術將青春永駐。緒論§3電力電子技術的發(fā)展國內(nèi)電力電子學科情況：浙大（擁有國內(nèi)唯一的電力電子國家實驗室，有汪槱生院士、徐德鴻、錢照明和呂征宇等）西安交通大學（西交的電力電子與能源研究中心在國內(nèi)處于領先水平，有電力電子知名專家王兆安、劉進軍和楊旭等）南京航空航天大學（有航空電源航空科技重點實驗室，嚴仰光、阮新波）合肥工業(yè)大學和中國礦業(yè)大學（有電力電子與電力傳動國家重點學科)緒論§3電力電子技術的發(fā)展電力電子與電力傳動學科的研究內(nèi)容：電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用：如各種諧波補償、有源濾波裝置，不間斷電源設備(UPS)，電動汽車的驅(qū)動與控制系統(tǒng)，各種變頻器(包括變頻空調(diào))，太陽能、風能及各種再生能源的應用。

高頻開關電源技術：所有的信息系統(tǒng)與通信設備都需要使用開關電源，小到各種便攜數(shù)碼產(chǎn)品，還有現(xiàn)在時興的各種平板電視，大到服務器系統(tǒng)、通信基站機房、及航空設施等；緒論§4與電力電子技術相關的企業(yè)、期刊和職業(yè)規(guī)劃企業(yè)：

國外：西門子、三菱、瑞典ABB等；

國內(nèi)：利德華福、華飛等；期刊：IEEETransactiononPowerElectronics中國電機工程學報，電工技術學報電力電子技術職業(yè)規(guī)劃：

考研、讀博、從業(yè)；§5教材內(nèi)容Ch1電力電子器件Ch2整流電路（不可控整流、相控整流、PWM整流、觸發(fā)電路等）Ch3直流直流變換電路（直接DC-DC變換、帶變壓器隔離的DC-DC變換及諧振型DC-DC變換）Ch4逆變電路（電壓型、電流型等）Ch5交流-交流變換電路（交流調(diào)壓、交交變頻、矩陣變換器等）Ch6變流器的工程設計（晶閘管整流器的參數(shù)計算、保護、變頻器選型等）緒論緒論學習方法：1）重視基本概念、基本方法和基本技能；2）仿真和實驗相結(jié)合；3）重視波形分析。課程安排：

課堂：40學時（1-3周，4-11周）；

實驗：8學時（穿插教學周內(nèi)）§6學習方法、課程安排及考核緒論課程學習要求：上課認真聽講，不遲到，不早退，有事要請假。上課要有教材、一個記錄本和一支筆。實驗要提前預習。按時提交作業(yè)?！?學習方法、課程安排及考核課程地位：專業(yè)基礎課；考研專業(yè)課。小結(jié)重點：1）掌握電力電子技術的概念以及與

信息電子技術的區(qū)別；2）了解電力電子技術的發(fā)展情況；3）了解電力電子技術的應用。緒論仿真軟件電力電子繪圖軟件礦井通風機變頻控制系統(tǒng)高壓變頻器高壓變頻器礦井通風機電力電子技術河南理工大學電氣學院朱藝鋒Email:zyfny@PowerElectronicsTechnology第一章電力電子器件好學力行河南理工大學明德任責內(nèi)容提要1.1電力二極管（POWERDIODE）1.2晶閘管（THYRISTOR） 1.3全控型電力電子器件 1.4其他類型電力電子器件第一章電力電子器件好學力行河南理工大學明德任責概述1.概念:電力電子器件（PowerElectronicDevice）

——可直接用于主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。主電路（MainPowerCircuit）

——電氣設備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控制任務的電路。電力電子器件概述好學力行河南理工大學明德任責2.電力電子系統(tǒng)組成：由控制電路、驅(qū)動電路、保護電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。圖2-1電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個系統(tǒng)正?？煽窟\行控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2保護電路驅(qū)動電路控制電路

主電路電氣隔離電力電子器件概述好學力行河南理工大學明德任責

3.主要內(nèi)容

介紹常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應注意問題。

以二極管、晶閘管、MOSFET和IGBT為重點。1-371.1.1

PN結(jié)與電力二極管的工作原理1.1.2電力二極管的基本特性1.1.3電力二極管的主要參數(shù)1.1.4電力二極管的主要類型§1.1電力二極管自20世紀50年代初期就獲得應用，是應用最早的電力電子器件。目前，電力二極管仍然大量應用于許多電氣設備當中。1.外形結(jié)構(gòu)等§1.1電力二極管1.1.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，主要有塑封型、螺栓型和平板型三種封裝。2.工作原理---PN結(jié)的特性

單向?qū)щ娦裕簎AK>0.7V可以導通，加反向電壓截止

；

反向擊穿性：一次擊穿和二次熱擊穿；PN結(jié)的電容效應：

PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，

呈現(xiàn)電容效應（結(jié)電容）；

1.1.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理§1.1電力二極管電導調(diào)制效應：

當PN結(jié)上流過的正向電流較大時，注入并積累在低摻雜N區(qū)的少子空穴濃度將很大，為了維持半導體電中性條件，其多子濃度也相應大幅度增加，使得其電阻率明顯下降，也就是電導率大大增加，這就是電導調(diào)制效應。電導調(diào)制效應使得PN結(jié)在正向電流較大時管壓降仍然很低，維持在lV左右（硅二極管約為0.7V，鍺二極管約0.3V）。問題：電力二極管為何可以承受比信息電子中二極管更大的電流和反向電壓？（垂直導電結(jié)構(gòu)、低濃度摻雜N區(qū)，P-I-N結(jié)構(gòu)）1.1.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理§1.1電力二極管§1.1電力二極管1.1.2電力二極管的開關特性1.靜態(tài)特性（伏安特性）

正向特性：

反向特性；

門檻電壓：

通態(tài)壓降；

2.動態(tài)特性由于結(jié)電容的存在，

開通和關斷有一個

過程。

b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt電力二極管的動態(tài)過程波形a)正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置（關斷過程）b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置(開通過程)延遲時間：td電流下降時間：tf反向恢復時間：trr=td+tf恢復特性的軟度：tf/td，或稱恢復系數(shù)，用Sr表示?！?.1電力二極管1.1.2電力二極管的開關特性b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt反向恢復過程中，出現(xiàn)有反向電流過沖IRP和反向電壓過沖URP；開通過程中也有一個電壓過沖UFP，而后降到一個通態(tài)壓降值穩(wěn)定下來。電流上升率越大，UFP越高。相應的定義一個正向恢復時間tfr?！?.1電力二極管1.1.2電力二極管的開關特性1.1.3

電力二極管的主要參數(shù)1）正向平均電流IF(AV)

---額定電流§1.1電力二極管2）正向壓降UF3）反向重復峰值電壓URRM4）反向恢復時間trr5）最高工作結(jié)溫TJM結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。范圍為125~175

C。6)

浪涌電流IFSM：短時間的過電流；1)普通二極管（GeneralPurposeDiode）又稱整流二極管（RectifierDiode）多用于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電路其反向恢復時間較長（5μ以上）正向電流定額和反向電壓定額可以達到數(shù)千安和數(shù)千伏；按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復特性的不同介紹。1.1.4

電力二極管的主要類型§1.1電力二極管簡稱快速二極管（5μ以下）但其反向耐壓多在1200V以下。從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者trr為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到20~30ns。2)快恢復二極管（FastRecoveryDiode——FRD）§1.1電力二極管1.1.4

電力二極管的主要類型3）

肖特基二極管以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD）。肖特基二極管的優(yōu)點反向恢復時間很短（10~40ns）。效率高，其開關損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。肖特基二極管的弱點反向耐壓提高時正向壓降會提高，多用于200V以下。反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴格地限制其工作溫度?！?.1電力二極管1.1.4

電力二極管的主要類型§1.1電力二極管小結(jié)重點：1）掌握PN結(jié)的特性；2）掌握電力二極管的靜態(tài)特性圖和

開關動態(tài)特性圖；反向恢復時間；3）了解電力二極管的參數(shù)及分類。1.2.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理1.2.2

晶閘管的基本特性1.2.3

晶閘管的主要參數(shù)1.2.4.

晶閘管的派生器件§1.2晶閘管晶閘管·引言1956年美國貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管。1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品，促進了電力電子技術的迅速發(fā)展和廣泛應用。20世紀80年代以來，開始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位。晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）§1.2晶閘管1.2.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理外形有塑封型、螺栓型和平板型三種封裝。四層三結(jié)三端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間?！?.2晶閘管螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)§1.2晶閘管1.2.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖1-4晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b)工作原理§1.2晶閘管1.2.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理開通正反饋,撤去iG仍然導通。若要關斷，需從外電路采取措施減小IA至接近于零的某一數(shù)值以下。物理分析：§1.2晶閘管1.2.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理數(shù)學分析：b1和b2分別是晶體管Vl和V2的共基極電流放大倍數(shù)，隨發(fā)射極的電流增加而迅速增大。時關斷，接近1時導通。綜上，得出晶閘管的幾點結(jié)論：晶閘管具有單向?qū)щ姾涂煽亻_通的開關特性。當晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通。

晶閘管要導通工作，應具備兩個條件：從主回路看，晶閘管應承受正向陽極電壓；從控制回路看，應有符合要求的正向門極電流。§1.2晶閘管1.2.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理(3)晶閘管一旦導通，門極便失去控制作用，移除觸發(fā)電流或是從門極抽取電流，都不會使晶閘管關斷。因此，晶閘管為半控器件。門極觸發(fā)電流常采用脈沖形式。觸發(fā)脈沖的寬度與晶閘管的開通特性及負載性質(zhì)有關。(4)欲使導通的晶閘管關斷，需從主回路采取措施，使晶閘管陽極電流下降至維持電流之下，通常還要施加一定時間的反向電壓?！?.2晶閘管1.2.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理1.2.2晶閘管的基本特性（1）正向特性IG=0時，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAILIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1.靜態(tài)特性圖1-6晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG§1.2晶閘管反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。當反向電壓達到反向擊穿電壓后，可能導致晶閘管發(fā)熱損壞。圖2-9晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAILIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性§1.2晶閘管1.2.2晶閘管的基本特性1)

開通過程延遲時間td(0.5~1.5

s)上升時間tr(0.5~3

s)開通時間:

ton=td+tr2)

關斷過程反向阻斷恢復時間trr正向阻斷恢復時間tgr關斷時間:tq=trr+tgr普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒。2.動態(tài)特性圖1-7晶閘管的開通和關斷過程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiAtiGtgt關斷條件？§1.2晶閘管1.2.3

晶閘管的主要參數(shù)斷態(tài)重復峰值電壓UDRM

——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓。反向重復峰值電壓URRM

——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。*通態(tài)（峰值）電壓UT——晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。（管壓降）通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。

UR=(2～3)UM

使用注意：1）電壓定額—額定電壓§1.2晶閘管通態(tài)平均電流IT(AV）：在環(huán)境溫度為40

C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標稱其額定電流的參數(shù)。

使用時應按有效值相等的原則來選取晶閘管。維持電流IH

：使晶閘管維持導通所必需的最小電流。擎住電流IL：晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍。*浪涌電流ITSM：指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復性最大正向過載電流。2）電流定額—額定電流§1.2晶閘管通態(tài)電流平均值（額定電流）：有效值：有效值與通態(tài)平均值之間的關系：1.5～2是安全系數(shù),計算出的數(shù)值取標準值。如1A、5A、10A、20A、30A、50A、100A、200A、300A等.§1.2晶閘管

圖中列出兩個不同的電流波形，分別流經(jīng)額定電流為

ITa=100A的晶閘管，求其允許電流平均值。可計算出其他兩例允許平均電流分別為141和90.7A（a）（b）π2π1.一個額定電流為100A的晶閘管能承受工頻矩形半波的最大平均電流是多少？2.在實際電路中，當需要晶閘管承受最大平均值為100A的工頻矩形半波電流，則晶閘管的額定電流應選擇多大？§1.2晶閘管

除開通時間ton和關斷時間tq外，還有：*斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

——指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。電壓上升率過大，使充電電流（CJ）足夠大，就會使晶閘管誤導通。*通態(tài)電流臨界上升率di/dt——指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。（通流面由局部到整體的擴展。）3）動態(tài)參數(shù)§1.2晶閘管

晶閘管型號命名法據(jù)JB1144—75規(guī)定，KP型普通晶閘管的型號和含義為：KP

-

晶閘管普通型晶閘管（另有K-快速型，S—雙向型）額定通態(tài)平均電流IF系列從1~1000

A內(nèi)分14個規(guī)格。額定電壓UD等級，

1000

V級差為100

V；1000

~3000

V級差為200

V。通態(tài)平均電壓UF組別（小于100A不標）分9級，用A~

I表示0.4~1.2V，級差0.1V例如KP100－12G表示IF