电力电子技术总结-电力电子器件1

电力电子器件的概念和特征

1、主电路（main power circuit）

在电气设备或电力系统中，直接承担电能的

2、电力电子器件（power electronic device）变换或控制任务的强电电路。

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。

3、同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：

（1）能处理的电压或电流较大，主电路功率可达MW，远大于处理信息的电子器件。

(2) 电力电子器件一般都工作在开关状态，为了处理大功率，减小本身损耗，提高效率。

(3) 需要驱动与隔离。强弱电系统之间需要电气隔离，光、磁等隔离，不共地，减小干扰，消除相互影响，提高可靠性。

(4) 注重对器件的保护。通常采用吸收缓冲保护电路来限制du/dt或者di/dt,以防大电流产生大的反电动势尖峰，器件过压击穿。

(5) 注重器件的功率损耗和散热问题。因为电力电子器件本身的功耗远大于电子器件，为防止损坏，常安装散热器、风冷或水冷等。

电力电子器件发热的主要原因有哪些呢？

通态损耗：导通时有较小的通态压降，较大的通态电流；

断态损耗：阻断时有较小的阻断漏电流，较大的断态电压；

开关损耗：包括开通损耗和关断损耗；开关过程中的电压、电流均较大，且随着开关频率的升高而增大。通常关断损耗大于开通损耗，是人们主要考虑的因素之一。

电力电子器件的常见三种分类

1、按照器件能够被控制信号所控制的程度，分以下三类：

半控型器件: 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。

全控型器件: 可控制其导通又可控制其关断。

绝缘栅双极晶体管（IGBT）、电力场效应晶体管(MOSFET) 、门极可关断晶闸管（GTO）

不可控器件: 不能用控制信号来控制其通断,不需要驱动电路。

电力二极管（Power Diode）

2、按照器件工作的驱动信号的性质，分为两类：

电流驱动型（简称流控）

通过在控制端注入或抽出电流来实现导通或关断。

电压驱动型（简称压控）

通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号来实现导通或者关断。

3、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：

单极型器件：由一种载流子参与导电的器件，MOSFET

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、双极型器件集成混合而成的器件。

电力二极管

主要关心的参数：

（1）正向通态压降UF 0.7V—1.2V，通常取1V

（2）反向漏电流Is 数十μA ~ 数十mA

（3）反向击穿电压重要参数，雪崩击穿

PN结上存储有空间电荷和两种载流子，形成电荷存储效应及结电容，直接影响电力二极管的动态特性。

a)图中

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 恢复特性的软度：Sr = tf /td

b)图中

正向恢复时间tfr：

电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。

正向PN结的电导调制效应：

当PN结外加正向电压后，正向电流较大时，通过正向PN结两侧载流子存储量或电导率自动调节，使得压降随正向电流增大而增加较少，基本维持在1V左右，此时正向偏置PN结表现低阻态，通态压降很低。

反向恢复时间较长：trr 正向恢复时间较短：tfr

电力二极管的主要参数

1. 正向平均电流IF(AV) （额定电流）

在指定的管壳温度（简称壳温，用TC 表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

选取电流定额应考虑的因素：

正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有裕量。

在频率较高的场合，开关损耗造成的发热不能忽略；

当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小。

2. 正向压降UF ：1V左右

指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。

3. 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，通常是其雪崩击穿电压UB的2/3；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压的2倍来选定。

4.最高工作结温TJM

是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM 通常在125~175C范围之内。

5.反向恢复时间trr

6.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工频周期的过电流。

电力二极管的主要类型

在应用时，根据不同场合的不同要求，选择不同类型的电力二极管。

1. 普通二极管（General Purpose Diode）

(1) 又称整流二极管（Rectifier Diode）；

(2) 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中；

(3) 其反向恢复时间较长，一般在5s以上；

(4) 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数KA和数KV以上。

2. 快恢复二极管（Fast Recovery Diode——FRD）

(1) 恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（5μs以下）;

(2) 工艺上多采用了掺金措施;

(3) 有的采用PN结型结构，有的采用改进的PiN结构；

采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管，其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。

从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百ns或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。

3.肖特基二极管

优点：(1) 反向恢复时间很短（10~40ns）;

(2) 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲;

(3) 在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管;

(4) 其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管小，效率高

缺点：(1) 反向耐压提高，则其正向压降也会剧增，多用于200V以下

(2) 反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。

未完待续······

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