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第1章 电力电子器件

主要内容：各种二极管、半控型器件-晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，器件的选取原则，典型全控型器件：GTO、电力MOSFET、IGBT，功率集成电路和智能功率模块，电力电子器件的串并联、电力电子器件的保护，电力电子器件的驱动电路。

重点：晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，器件的选取原则，典型全控型器件。

难点：晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数。 基本要求：掌握半控型器件-晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，熟练掌握器件的选取原则，掌握典型全控型器件，了解电力电子器件的串并联，了解电力电子器件的保护。

1 电力电子器件概述

(1) 电力电子器件的概念和特征

主电路（main power circuit）--电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路；

电力电子器件（power electronic device）--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；

广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。

两类中，自20世纪50年代以来，真空管仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、闸流管（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。

电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。

同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：

a. 能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数；

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电力电子技术教案

其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多都远大于处理信息的电子器件。

b. 电力电子器件一般都工作在开关状态；

导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定；

阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定；

电力电子器件的动态特性（也就是开关特性）和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。

作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替

c. 实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。

在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。

d. 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，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。

导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗 阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态损耗

在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗 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，因而通态损耗是器件功率损耗的主要成因

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功率损耗的主要因素

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(2) 应用电力电子器件的系统组成

电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。

控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能。

有的电力电子系统中，还需要有检测电路。广义上往往其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。

主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔离，而通过其它手段如光、磁等来传递信号。

由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行，也往往是非常必要的。

器件一般有三个端子（或称极），其中两个联结在主电路中，而第三端被称为控制端（或控制极）。器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。 (3) 电力电子器件的分类

按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类： a. 半控型器件--通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断

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