1、绪论 1 什么是电力电子技术 2 电力电子技术的发展史 3 电力电子技术的应用 1.什么是电力电子技术什么是电力电子技术?(信息信息)电子技术电子技术:如数电、模电如数电、模电,用于用于信息信息处理处理,弱电弱电电子技术电子技术 电力电力电子技术：电子技术：用于用于电力电力变换变换(功率范围W-GW)电力电子技术的概念电力电子技术的概念 电力电子技术就是应用于电力电子技术就是应用于电力电力领域的领域的电子电子技术技术。具体地说，电力电子技术就是使用具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件电力电子器件 对对电能电能进行进行变换变换和和控制控制的技术。的技术。1.什么是电力电子技术什么是电力电子
2、技术 通常，把电力电子技术分为通常，把电力电子技术分为电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术和和变流技术。变流技术。为什么这样分呢？为什么这样分呢？因为，如果没有因为，如果没有电力电子器件制造技术，就无法生产出电力电子器件制造技术，就无法生产出组成电力电子电路的器件，所以组成电力电子电路的器件，所以 电力电子器件的电力电子器件的制造技术制造技术是电力电子技术的是电力电子技术的基础基础。变流技术变流技术则是电力电子技术的则是电力电子技术的核心核心。那什么是变流技术呢？需先了解我们所用的电力。那什么是变流技术呢？需先了解我们所用的电力。电力分为交流和直流两种。问：何为交流电？何为直流电？交流：大
3、小和方向都随时间变化；直流：方向则不随时间而变化我们这门课学习哪个呢？一般的市电是多少？一般的市电是多少？哪些是交流电呢？哪些是交流电呢？哪些是直流电哪些是直流电？输入输入 输出输出 交流交流（AC）直流直流（DC）直流直流（DC）整流整流 直流斩波直流斩波 交流交流（AC）交流电力控制交流电力控制变频、变相变频、变相逆变逆变 表1-1 电力变换的种类 从公用电网直接得到的电力是交流的，从蓄电池和干电池得到的电流是直流的，而得到的这些电力往往不能直接满足要求(如手机需充电器，将220成+5V(弱电)，各品牌不兼容)，需要进行电力变换。电力变换分为四类：交流变直流，称为整流。(如电瓶蓄电，模电学
4、过？画半波整流电路与波形)直流变交流，称为逆变。(蓄电池的直电逆变成交电，如电动汽车)直流变直流，称为斩波。一种规格直流变为另一种直流。交流变交流，有交流调压、变频或变相。进行以上电力变换的技术均称为变流技术。（书）1.什么是电力电子技术什么是电力电子技术对应电力电子学电力电子学 美国学者美国学者W.Newell认为电力电子学是由认为电力电子学是由电力电力学学、电子学电子学和和控制理论控制理论三个学科交叉而形成的。三个学科交叉而形成的。图1-1 描述电力电子学的倒三角形电子学电子学科分为科分为电子器件电子器件(二极管、晶体管、场效应管等)和和电子电子电路电路两大分支，与之对应，两大分支，与之对
5、应，电力电子电力电子应该分为应该分为电电力电子器件力电子器件(晶闸管等)和电力电子电路和电力电子电路。电力电子器件电力电子器件制造制造技术和技术和电子器件电子器件制造技术的理论基础制造技术的理论基础是一样的，是一样的，电力电子电路电力电子电路和和电子电路电子电路的许多分析方法也的许多分析方法也是一致的，只是两者是一致的，只是两者应用的目的不同应用的目的不同。前者用于。前者用于电力变电力变换和控制换和控制，后者用于，后者用于信息处理信息处理。在信息电子技术中，半导体器件既可处于在信息电子技术中，半导体器件既可处于放大放大状态，也状态，也可处于可处于开关开关状态状态（以晶体管输出特性曲线为例），而
6、而电力电子技术中为电力电子技术中为避免功率损耗过大，电力电子器件总是工作在避免功率损耗过大，电力电子器件总是工作在开关状态开关状态，这是电力电子技术的一个重要这是电力电子技术的一个重要特征特征。电力电子技术和控制理论电力电子技术和控制理论 控制理论广泛应用与电力电子技术中，使电力电子装置和系统的控制理论广泛应用与电力电子技术中，使电力电子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种需求性能不断满足人们日益增长的各种需求(如变频电器就是控制与电力电子完美结合)电力电子技术是电力电子技术是弱电弱电和和强电强电之间的接口，而控制理论之间的接口，而控制理论则是实现这种接口的一条强有力的纽带。则是实现这种
7、接口的一条强有力的纽带。控制理论是自动化技术的理论基础，而控制理论是自动化技术的理论基础，而电力电子装置电力电子装置则是自动化技术的基础元件和重要则是自动化技术的基础元件和重要支撑支撑技术，技术，如电动车的使用(电瓶DC-电机DC，自动调速,没有电，有自控技术也没用)。电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术，可以预见，21世纪电力电子技术仍将以迅猛的速度发展。通常，电力电子技术被比作“消化系统”（它可对电进行转换，把电网或其他电源提供的“粗电”变成适合使用的“精电”），即只要需要电的地方就离不开电力电子技术。2.电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史 一般认为，电力电子技术的
8、诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志。它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，开了电子技术的先河。它把水银封于管内，利用对蒸气的点弧对大电流进行控制，在30-50年代大量应用发明于美国贝尔实验室，引发电子技术的一场革命主要是半控型器件，通过门极控制开通却不能关断，需靠外部条件关断，限制了发展整流70年代后期，全控型器件将电力电子技术推进到一个新的发展阶段逆变。20th80年代后出现集成型，-变频代表电力电子技术问世2.电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史晶闸管出现前，用于电力变换的电子技术就已经存在了用于电力变换的电子技术就已经存在了，这时期可称为电力电子
9、技术的史前期史前期或黎明期。或黎明期。电子管电子管(1904)，在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无，在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。水银整流器水银整流器(1930s-1950s)，广泛用于电化学工业、电气铁道直流变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。这一时期，电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。这一时期，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。为
10、应用。1947年美国著名的贝尔实验室发明了年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，晶体管，引发了电子技术的引发了电子技术的一场革命。一场革命。2.电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史晶闸管时代晶闸管时代 晶闸管凭借晶闸管凭借其优越的电气性能和控制性能，很快就取其优越的电气性能和控制性能，很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速扩大。速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管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变流技术的发展而确立的。的发展而确立的。晶闸管是通过对晶闸管是通过对门极门极的控制能够使其导
11、通而的控制能够使其导通而不能不能使其使其关断的器件，属于关断的器件，属于半控型器件半控型器件。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。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。2.电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史全控型器件和电力电子集成电路（全控型器件和电力电子集成电路（PIC）70年代后期，以门极可关断晶闸管（年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的）为代表的全控型器全控型器件件迅
12、速发展。迅速发展。全控型器件的特点是，通过对全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。其开通又可使其关断。在在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合）为代表的复合型器件异军突起。它是型器件异军突起。它是MOSFET和和BJT的复合，综合了两者的优点。的复合，综合了两者的优点。与此相对，与此相对，MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管）和集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了）复合了MOSFET和和GTO。2.电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史为了使电力
13、电子装置的结构紧凑、体积减小，常把为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常把驱动驱动、控制控制、保护电路保护电路和和电力电子器件电力电子器件集成在一起，构成集成在一起，构成电力电力电子集成电路（电子集成电路（PIC），这代表了电力电子技术发展的，这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。一个重要方向。随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率工作频率也不断提高，也不断提高，开关损耗开关损耗也随之增大。为了减少也随之增大。为了减少开关损耗，开关损耗，软开关技术软开关技术应运而生，零电压开关应运而生，零电压开关(ZVS)与零与零电流开关
14、电流开关(ZCS)成为软开关的最基本形式。从理论上讲成为软开关的最基本形式。从理论上讲软软开关技术开关技术可使可使开关损耗开关损耗降为零，从而提高了电力电子装降为零，从而提高了电力电子装置的置的功率密度功率密度。3.电力电子技术的应用电力电子技术的应用 电力电子技术的应用范围十分广泛，它不仅用于一般工业，也电力电子技术的应用范围十分广泛，它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家电中也广泛应用。统等，在照明、空调等家电中也广泛应用。一般工业一般工业 工业中大量应用各种工业中大量
15、应用各种交直流电动机交直流电动机。直流电动机通过市电可控整流整流或电池斩波斩波电源实现良好的调速(刮胡刀)，近年来，变频技术的发展使交流调速大量应用并占据主导地位。如轧钢机、伺服电机、矿山牵引等都广泛应用都广泛应用电力电子电力电子交直流交直流调速调速技术。技术。电化学工业大量使用电化学工业大量使用直流电源直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源整流电源。电镀电镀装置装置也需要整流电源整流电源 电力电子技术还大量用于电力电子技术还大量用于冶金冶金工业中的高频或中频感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。应加热电源淬火电源及直流电弧炉电源等场合。3.电力电子技术的
16、应用电力电子技术的应用交通运输交通运输 电气化铁道：电气机车中的直流机车中采用电气化铁道：电气机车中的直流机车中采用整流装置整流装置，交流机车采用交流机车采用变频装置变频装置。直流斩波器直流斩波器也广泛用于铁道车也广泛用于铁道车辆。在辆。在磁悬浮列车磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源辅助电源(蓄电池蓄电池)也也都离不开电力电子技术。都离不开电力电子技术。电动汽车电动汽车：电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱：电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其动控制，其蓄电池蓄电池的充电也
17、离不开电力电子装置。一台高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，它们也要靠级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器变频器和和斩波器斩波器驱动并控制。驱动并控制。电汽车(充电-整流，再逆变，交流-调速)飞机、船舶和电梯飞机、船舶和电梯(变频调速变频调速)都离不开电力电子技术。都离不开电力电子技术。3.电力电子技术的应用电力电子技术的应用电力系统电力系统 用户终端：用户终端：发达国家在用户使用的电能中，有有60%以上的以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置电力电子变流装置的处理。直流输电：直流输电：在长距离、大容量输电时有较大优势，其送电端的整流阀整流阀和受电端的逆变阀
18、逆变阀都采用晶闸管变流装置，晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型的全控型的IGBT器件。器件。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置电力电子装置才得以实现的。电能质量提高：电能质量提高：晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等电力电子装置大量用于电力系统的无功补偿或谐波抑制。在在配电网系统配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等。停电、瞬时电压跌落、闪变等。在在变电所变电所中，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
19、需要电力电子装置。电力电子装置。3.电力电子技术的应用电力电子技术的应用图1-5 中国南方电网公司安顺换流站图1-6 静止无功发生器（上）和 晶闸管投切电容器（下）3.电力电子技术的应用电力电子技术的应用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。各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。（照相机一般是3.7V，手机电池5v，笔记本输入电压19v左右）通信设备中的程控交换机所用的通信设备中的程控交换机所用的直流电源直流电源以前用以前用晶闸管晶闸管整整流电源，现在已改为采用流电源，现在已改为采用全控型全控型器件的高频开关电源。大器件的高频开关电源。大型
20、计算机所需的工作电源、型计算机所需的工作电源、微型计算机微型计算机内部的电源现在也内部的电源现在也都采用高频开关电源。都采用高频开关电源。（高频开关电源体积小、重量轻，效率高）（高频开关电源体积小、重量轻，效率高）在大型计算机等场合，常常需要在大型计算机等场合，常常需要不间断电源（不间断电源（UPS）供电，供电，不间断电源实际就是不间断电源实际就是典型的电力电子装置典型的电力电子装置。这样这样：信息电子技术离不开电力电子技术。信息电子技术离不开电力电子技术。3.电力电子技术的应用电力电子技术的应用家用电器家用电器 照明照明-节能灯：节能灯：由于采用电力电子照明电源，体积小、由于采用电力电子照明
21、电源，体积小、发光效率高、可节省大量能源，它正在逐步取代传统的发光效率高、可节省大量能源，它正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。白炽灯和日光灯。空调空调(变频变频)、电视机、家用计算机，、电视机、家用计算机，不少洗衣机不少洗衣机(智能)、冰箱冰箱(变频变频)、微波炉等电器也应用了电力电子技术。、微波炉等电器也应用了电力电子技术。其它其它 航天飞行器航天飞行器中的各种电子仪器需要中的各种电子仪器需要电源电源，载人航天器，载人航天器中为了人生存和工作，也离不开各种电源，这些都必需采中为了人生存和工作，也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。用电力电子技术。抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电
22、子技术来抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来起动和调速。起动和调速。超导储能超导储能是未来的一种储能方式，它需要强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。3.电力电子技术的应用电力电子技术的应用新能源：可再生能源发电需要用电力电子技术来缓冲能量和改善电能质量。当需要和电力系统联网 时，更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，常需要一些特种电源。图1-7 风场总之，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
23、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。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，可以这样说，电力电子技术研究的是电源技术，有电源的地方就离不开电力电子技术。电力电子技术是电气、电子等电类专业的一门必电力电子技术是电气、电子等电类专业的一门必修的修的专业（基础）课专业（基础）课，在整个课程体系中有重要，在整个课程体系中有重要地位地位,是一门是一门考试课考试课，闭卷，闭卷，平时分数：期末分数平时分数：期末分数=6:4=6:4，平时包括学习态度、，平时包括学习态度、上课表现、作业、实验表现、实验报告书写等上课表
24、现、作业、实验表现、实验报告书写等学习要求：上课认真听，课后勤复习学习要求：上课认真听，课后勤复习课程性质及关联课程性质及关联前修课程：电路和电子技术基础后续课程：晶闸管调速的检测与维护(电力拖动和自动控制系统）参考书目王兆安王兆安，黄俊.电力电子技术（第五版）.北京：机械工业出版社，2009,。李先允,陈刚.电力电子技术习题集.北京:中国电力出版社,2008.网络资源网络资源 http:/ 初级目标：掌握常用电力电子器件电力电子器件工作原理、基本电路及控制方法。中级目标：能利用上述知识进行简单电力电子装置设计与开发。高级目标：综合利用所学知识，设计满足生产实际需要的电力电子装置。思考：思考：
25、信息信息电子技术电子技术的基础的基础?电子器件：二极管、晶体管、放大电路等电子器件：二极管、晶体管、放大电路等 电力电子技术的基础电力电子技术的基础?电力电子器件电力电子器件 补充：补充：电力电子器件概述电力电子器件概述 1、电力电子器件的概念、电力电子器件的概念2、电力电子器件的特征、电力电子器件的特征3、电力电子器件的分类、电力电子器件的分类1、电力电子器件的概念、电力电子器件的概念电力电子器件的概念电力电子器件的概念 电力电子器件电力电子器件（Power Electronic Device）又称为又称为功率功率半导体器半导体器件，是指在电能变换与控制的电路中，件，是指在电能变换与控制的电
26、路中，实现电能的变换或实现电能的变换或控制控制的电子器件。的电子器件。广义上，电力电子器件可分为广义上，电力电子器件可分为电真空器件电真空器件和和半导体器半导体器件件两类，目前主要指采用两类，目前主要指采用硅硅材料做成的材料做成的电力半导体器件电力半导体器件。所能处理的功率怎么样？问：电力电子器件用什么材料做成的？它是用来做什么的？电力电子器件与前修课程所学器件有什么不同呢？2、电力电子器件的、电力电子器件的特征特征 1）所能处理所能处理电功率电功率一般都一般都远大于远大于处理信息的电子器件处理信息的电子器件 电功率是其最重要的参数，其处理电功率的能力小到电功率是其最重要的参数，其处理电功率的
27、能力小到瓦，大到兆瓦瓦，大到兆瓦。2）由于处理的电功率较大，为了减小本身的损耗，提高效率，由于处理的电功率较大，为了减小本身的损耗，提高效率，电力电子电力电子器件一般都工作在器件一般都工作在开关状态开关状态。导通时（通态）阻抗很小，接近短路导通时（通态）阻抗很小，接近短路(I很大很大)，管压降接近，管压降接近0(P=0)；阻断；阻断时（断态）阻抗很大，接近断路，电流几乎为时（断态）阻抗很大，接近断路，电流几乎为0(P=0).与普通晶体管的与普通晶体管的饱和和截止状态类似。在数电中，虽然也工作在开关状态，但其目的是饱和和截止状态类似。在数电中，虽然也工作在开关状态，但其目的是利用利用开关状态（开
28、关状态（0,1）表示不同的信息）表示不同的信息。？3）实际应用中，实际应用中，电力电子器件往往需要由信息电子电电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制路来控制。由于电力电子器件所处理的由于电力电子器件所处理的电功率较大电功率较大，因此，普通的信息电子，因此，普通的信息电子电路信号一般不能直接控制电力电子器件的导通或关断，需要一定电路信号一般不能直接控制电力电子器件的导通或关断，需要一定的的中间电路中间电路对信号进行适当的对信号进行适当的放大放大才能控制。才能控制。4）功率损耗）功率损耗远大于远大于信息电子器件信息电子器件，在其工作时一般，在其工作时一般需要安需要安装散热器装散热器。尽管电力电子
29、器件工作在开关状态，但其自身的尽管电力电子器件工作在开关状态，但其自身的功耗通常功耗通常仍远大仍远大于于信息电子器件信息电子器件，为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过，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，不仅在器件高而损坏，不仅在器件封装上封装上比较比较讲究散热讲究散热设计，还在其设计，还在其工作时工作时一一般都还需般都还需安装散热器安装散热器。这是因为电力电子器件在。这是因为电力电子器件在导通或阻断状态导通或阻断状态下，下，并不是理想的短路或断路并不是理想的短路或断路,而是存在而是存在功率功率损耗损耗。通态损耗通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。是电力电子器件功率
30、损耗的主要成因。（因为断态漏电流很小）但但：当器件的：当器件的开关频率较高开关频率较高时，时，开关损耗会随之增大，开关损耗会随之增大，很可能成为器件很可能成为器件功率损耗的主要因素。功率损耗的主要因素。通态损耗：导通时器件上有一定的通态压降加之数值较大的通态电流断态损耗：阻断时器件上有微小的断态漏电流加之数值较大的断态电压开关损耗开通损耗：断态到通态转换中产生的损耗。关断损耗：通态到断态转换中产生的损耗。电力电子器件的功率损耗3、电力电子器件的分类、电力电子器件的分类根据电力电子器件的根据电力电子器件的受控方式受控方式分为 不可控器件不可控器件 不能用不能用控制信号控制信号来控制其通断的电力电
31、子器件，来控制其通断的电力电子器件，如如电力二极管、单结晶体管电力二极管、单结晶体管，其基本特性与信息电子电路中的二极管，其基本特性与信息电子电路中的二极管一样，不需要驱动电路，一样，不需要驱动电路，其其导通与关断完全由其所在主电路中承受的导通与关断完全由其所在主电路中承受的电电压和电流压和电流决定决定。半控型器件半控型器件三端器件三端器件 通过通过控制信号控制信号可控制其导通而可控制其导通而不能不能控制其控制其关断关断的电力电子器件。的电力电子器件。器件的器件的关断由其所在主电路中承受的电压和电流决定，关断由其所在主电路中承受的电压和电流决定，此类器件主要是指此类器件主要是指晶闸管晶闸管（T
32、hyristor）及其大部分派生器件。及其大部分派生器件。全控型器件全控型器件（又称自关断器件）（又称自关断器件）三端器件三端器件 通过控制信号可以通过控制信号可以控制控制其其导通、关断导通、关断的电力电子器件的电力电子器件。此类器件品种很多，目前最常用的是此类器件品种很多，目前最常用的是 IGBT(绝缘栅双极绝缘栅双极晶体管晶体管)和和Power MOSFET(电力场效应管电力场效应管)，在处理兆瓦级大，在处理兆瓦级大功率电能的场合，功率电能的场合，GTO(门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管)应用也比较多。应用也比较多。3、电力电子器件的分类、电力电子器件的分类按照参与导电的按照参与导电的载流
33、子载流子情况，分为情况，分为 单极型器件单极型器件 由一种由一种载流子载流子参与导电，参与导电，如Power MOSFET(电力场效应晶电力场效应晶体管体管)。双极型器件双极型器件 由由自由电子自由电子和和空穴空穴两种载流子参与导电，两种载流子参与导电，如电力二极管、GTO(门极可关断晶闸管)、GTR功率晶体管。复合型器件复合型器件 由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件，合型器件，如IGBT(绝缘栅双极晶体管)。信息电子技术中，按参与导电的载流子分为类哪几类？载流子有哪些？3、电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照驱动信号的性质按照
34、驱动信号的性质 电流驱动型电流驱动型器件 即即从控制端注入或者抽出从控制端注入或者抽出电流电流来实现器件导通、关断。来实现器件导通、关断。电压驱动型电压驱动型器件 仅仅在在控制端和公共端控制端和公共端之间施加一定的之间施加一定的电压电压信号便可实现信号便可实现器件导通或者关断的控制。器件导通或者关断的控制。信息电子技术中，按驱动信号的类型，我们也分了两类，是哪里两类？代表是什么？按照驱动信号的波形按照驱动信号的波形 脉冲触发型脉冲触发型 即在控制端施加一个电压或电流的即在控制端施加一个电压或电流的脉冲脉冲信号来实现器信号来实现器件的开通或者关断的控制。件的开通或者关断的控制。电平控制型电平控制
35、型 通过通过持续持续在控制端施加一定电平的电压或电流信号使在控制端施加一定电平的电压或电流信号使器件开通并器件开通并维持维持导通状态或者关断并维持阻断状态。导通状态或者关断并维持阻断状态。习题1、电力电子器件在使用中必须要加散热器。（）2、电力电子器件是一种能够同时承受高电压和大电流的半导体器件。（）3、电力电子器件在导通状态时可以承受大电流。（）4、常用可控电力电子器件有3个电极。（）5、电力电子器件在导通状态时可以承受高电压。（）本书学习内容及要点本书学习内容及要点项目一项目一 调光控制电路调光控制电路 器件：器件：晶闸管晶闸管(半控半控)、单结晶体管、单结晶体管 变流技术：变流技术：单相
36、单相整流整流项目二项目二 三相直流电源控制电路三相直流电源控制电路 变流技术：变流技术：三相三相整流整流项目三项目三 电风扇无级调速控制电路电风扇无级调速控制电路 器件：器件：晶闸管派生晶闸管派生双向晶闸管双向晶闸管 变流技术：变流技术：交流调压交流调压项目四项目四 开关电源控制电路开关电源控制电路 器件：器件：全控器件全控器件GTR,MOSFET,IGBT 变流技术：变流技术：斩波斩波项目五项目五 不间断电源不间断电源 器件：器件：GTO 变流技术：变流技术：逆变逆变项目一项目一 调光控制电路调光控制电路http:/ 调光电路在日常生活中应用非常广泛，常见的调光电路就是简易调光灯，旋转调光旋
37、钮就可以调节灯泡的亮度，其本质是改变通过灯泡的电流大小(所加电压大小)来达到调节亮度的目的。调光的方法有可变电阻调光法、调压器调光法、脉冲占空比调光法、晶闸管相控调光法、PWM调光法等。本项目主要讲授晶闸管相控调光法进行调设计。晶闸管相控调光是通过控制晶闸管触发脉冲，改变晶闸管导通时间来改变电路输出电压，使加在灯泡两端的电压发生改变，从而实现调光。学习任务学习任务 一、器件学习：一、器件学习：1、电力二极管、电力二极管（补充）（补充）2、单结晶体管、单结晶体管 3、晶闸管、晶闸管 二、变流技术：二、变流技术：单相整流单相整流 1 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 1）电力二极管的工作原
38、理电力二极管的工作原理 2）电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 3）电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 4）电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型也被称为半导体半导体整流器整流器(SR),1950s初期获得应用，其结构和原理简单，简单，工作可靠工作可靠，具有具有整流整流、续流、隔离和保护、续流、隔离和保护等作用。其主要类型有普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管。直到现在仍然大量应用于许多电气设备当中大量应用于许多电气设备当中,特别是其中的快恢复二极管快恢复二极管和和肖特基二极管肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，以及低压高频
39、整流的场合，具有不可替代的地位。具有不可替代的地位。整流二极管及模块电力二极管（Power Diode）AKAKa)IKAPNJb)c)AK1）电力二极管的工作原理电力二极管的工作原理电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的，都以半导都以半导体体PN结结为基础的，为基础的，但要注意散热散热。从外形上看从外形上看，主要有，主要有螺栓型螺栓型(安装方便)、平板型平板型(散热好)两种封装。两种封装。它它实际上是由一个面积较大的实际上是由一个面积较大的PN结结和和两端引线两端引线(阳极阳极A和和阴极阴极K)封装而成。图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)基
40、本结构 c)电气图形符号1）电力二极管的工作原理电力二极管的工作原理电力电力二极管的基本原理二极管的基本原理 扩散扩散和漂移漂移运动形成了PN结 PN结的单向导电性结的单向导电性 正向导通正向导通：PN结外加正向电压（结外加正向电压（A+,K-正向偏置正向偏置）时，形成自）时，形成自P区区流入、流入、N区流出的电流，称为区流出的电流，称为正向电流正向电流IF。此时，此时，PN结表结表现为低阻态，现为低阻态，IF较大，导通压降在较大，导通压降在1V左右左右 反向截止反向截止：当当PN结外加反向电压（反向偏置）时，结外加反向电压（反向偏置）时，PN结表现为结表现为高高阻态阻态，几乎没有几乎没有电流
41、流过。电流流过。当增大反向电压会怎样？当增大反向电压会怎样？反向击穿：反向击穿：PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，进而击穿。过大，反向电流将会急剧增大，进而击穿。按照机理不同有按照机理不同有雪崩击穿（雪崩击穿（一次击穿一次击穿）和和齐纳击穿齐纳击穿（二次击穿二次击穿）两种形式两种形式。反向击穿（反向击穿（雪崩击穿雪崩击穿）发生时，若采取了措施将反）发生时，若采取了措施将反向电流限制在一定范围内，向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态，结仍可恢复原来的状态，若不限制，当反向电流和反向电压的乘积超过若不
42、限制，当反向电流和反向电压的乘积超过PN结耗散结耗散功率，就会因热量散发不出去而导致功率，就会因热量散发不出去而导致PN结温度上升，直结温度上升，直至过热而烧毁，这就是至过热而烧毁，这就是热击穿热击穿（齐纳击穿）（齐纳击穿）。PN结的电容效应结的电容效应 PN结中的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应结中的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为称为结电容结电容CJ，又称为，又称为微分电容微分电容 按其产生机制和作用的差别分为按其产生机制和作用的差别分为势垒电容势垒电容CB和和扩散电扩散电容容CD。势垒电容只在外加电压变化时才起作用势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压，外加电压频率越
43、高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正当正向电压较低时，就以势垒电容为主。向电压较低时，就以势垒电容为主。扩散电容仅在正向偏置时起作用扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，。正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。扩散电容为结电容主要成分。结电容影响结电容影响PN结的结的工作频率工作频率，特别是在，特别是在高速开关的状高速开关的状态态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。2）电力电力二极管二极管的基本特性的基本特性(为静态特性和动态特性)1）静态特性静态特性 主要是指其主要是指其伏安特性。如
44、图伏安特性。如图 当所加正向电压大到一定值（当所加正向电压大到一定值（门槛门槛电压或死区电压电压或死区电压UTO），正向电流才开），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。始明显增加，处于稳定导通状态。与与IF对应的电力二极管两端的电压即对应的电力二极管两端的电压即为其为其正向电压降正向电压降UF。当当承受反向电压时，只有承受反向电压时，只有少子少子 引引起的微小而数值恒定的起的微小而数值恒定的反向漏电流反向漏电流。IOIFUTOUFU图1.2 电力二极管的伏安特性2）动态特性）动态特性 因为结电容的存在，电力二极管在零偏置、正向偏置和反向偏置这三个状态之间转换时，必然经历一个过渡过程。在这
45、些过渡过程中，PN结的一些区域需要一定时间来调整其带电状态，因而其电压-电流特性不能用前面的伏安特性来描述，而是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性过程的开关特性。这个概念虽然由电力二极管引出，但可以推广到其他各种电力电子器件。2）电力二极管的基本特性）电力二极管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRdiFdtdiRdt电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置 2）动态特性 由正向偏置转换为反向偏置时的动态过程波形如图 tF时刻外加电压由突然正向改为反向电压，电力二极管并
46、不能立即关断，而是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，并伴随有明显的反向电压过冲。延迟时间：td=t1-t0 电流下降时间：tf=t2-t1 反向恢复时间：trr=td+tf 恢复系 数，Sr=tf/tdt0:正向电流降为零的时刻t1:反向电流达最大值的时刻t2:电流变化率接近于零的时刻UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置转换为正向偏置 电力二极管的正向电压也会先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。这一动态过程时间称为正向恢复时间tfr 。出现电压过冲的原因:电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的
47、时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大；正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高。电力二极管的动态过程波形 b)零偏置转换为正向偏置 电力二极管的状态电力二极管的状态可概括为下表：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 电流电流大大几乎为几乎为0大大电压电压约约1V高高高高阻态阻态低阻态低阻态高阻态高阻态3）电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1）正向平均电流正向平均电流IF(AV)在指定的管壳温度（简称壳温，用在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件表示）和散热条件下，其允许流过的最大下，其允许流过的最大工频正
48、弦半波电流工频正弦半波电流的平均值。的平均值。通常通常IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，而发热效是按照电流的发热效应来定义的，而发热效应由应由电流有效值电流有效值决定，决定，使用时应按使用时应按有效值相等有效值相等的原则来的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量选取电流定额，并应留有一定的裕量。2）正向管压降正向管压降UF 指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正稳态正向电流向电流时对应的正向压降，通常时对应的正向压降，通常约为约为1V。3）反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压指对电力二极管
49、所能重复施加的反向最高峰值电压。通常是通常是雪崩击雪崩击穿电压的穿电压的2/3。使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电反向最高峰值电压的压的两倍两倍来选定来选定此项参数此项参数。4）最高工作结温最高工作结温TJM 结温是指管芯结温是指管芯PN结的平均温度，用结的平均温度，用TJ表示。表示。最高工作结温是指在最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的结不致损坏的前提下所能承受的最高平均最高平均温度温度。TJM通常在通常在125175 C范围之内。范围之内。5）反向恢复时间反向恢复时间trr 电力二极管从导通到阻断的过程中，二极管
50、中会流过一定的负电流。从电力 二极管电流下降到零开始，直至再次回到零所需时间称为反向恢复时间，它的存在限制了电力二极管的开关工作频率。它的存在限制了电力二极管的开关工作频率。6）浪涌电流浪涌电流IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期工频周期的过电流的过电流，通常可达正常工作电流的，通常可达正常工作电流的6倍以上。倍以上。4）电力二极管的主要）电力二极管的主要类型类型 电力二极管在许多电力电子电路中都有广泛的应用，可作电力二极管在许多电力电子电路中都有广泛的应用，可作整流、整流、续流续流元件，还可在变流电路中起元件，还可在变流电路中起钳
