电力电子器件作业答案_GHR
《电力电子器件》作业参考答案
第1章绪论
⒈电能变换有哪几种基本形式？进行电能变换有何意义？
所谓“电能变换”是指根据实际需要控制改变电流的性质（AC或DC）或参数（频率、幅值等）。电能变换的基本形式有4大类：AC/DC变换（整流）、DC/AC变换（逆变）、DC/DC变换（斩波）、AC/AC变换（变频）。
进行电能变换的意义：①满足不同用电负载对供电电能性质及质量的要求；
②降低损耗、提高用电效率，节能、节材。
⒉何为电力电子技术？它与“半导体变流技术”是什么关系？
电力电子技术是应用于功率领域的电子技术，它是以电力为对象，应用电力电子器件（即功率半导体器件），通过弱电对强电的控制，实现对电能进行变换及控制的技术。
电力电子技术学科是在半导体变流技术的基础上发展并成熟起来的，半导体变流技术也就是所谓的传统电力电子技术发展阶段，所依赖的器件是以普通晶闸管等半控型器件为代表的第一代电力电子器件，变换电路以相控整流电路及有源逆变电路为主。随着70年代末各种全控型器件及其应用的发展，新型变换电路及控制技术的不断出现和完善，电力电子技术由传统的半导体变流技术迈入现代电力电子技术发展阶段，所依赖的器件是全控型自关断器件（即第二、三代电力电子器件），变换电路的形式多种多样，控制方法不断发展。
⒊电力电子器件发展的三个阶段中，器件具有什么样的特点？
电力电子器件的发展经历了三代（三个发展阶段）：
①、57年普通晶闸管问世到70年代中后期，期间发展的电力电子器件称第一代产品，以普通晶闸管为代表。在结构上，这类器件立足于分立单元胞结构；在功能上，通过控制极只能控制其导通，而不能控制其关断，所以称之为半控型器件；在应用中，开关特性欠佳，适用工作频率较低。
②、自70年代末开始发展起来的器件属第二代产品。第二代电力电子器件的特点是：多元胞并联集成结构；全控型，即通过控制极既能控制其导通，又能控制其关断；开关特性好，适用工作频率高。代表器件有：GTR、GTO、Power MOSFET、IGBT等。
③、80年代中期开始出现的第三代电力电子器件——功率集成电路，特点是把具有不同功能的功率单元、逻辑单元、传感单元、测量单元和保护单元等集成于一体，具有电路的特征，实现了器件与电路的集成，强电与弱电的结合，动力与信息的统一。
⒋电力电子器件如何分类？试述单极型器件的主要优缺点。
根据导通、关断的受控性分类：不可控器件、半控型器件、全控型器件。
按（驱动）控制信号的形式不同分类：电流控制型、电压控制型。
按器件内部载流子参与导电情况分类：双极型、单极型、复合型。
双极型器件是指器件内部电子和空穴两种载流子都参与导电的器件。常见的有：功率二极管、SCR、GTO、GTR等。这类器件的优点是：通态压降低、电流容量大，阻断电压高，适应于大、中容量的变流设备；但是开关速度慢（与单极型相比），适用工作频率低。
单极型器件是指器件内部只有一种载流子（多数载流子）参与导电的器件。常见的有：Power MOSFET和SIT等。这类器件的特点是：输入阻抗高，所需驱动功率小；开关特性好，工作频率高；但是通态电阻较大，电流容量小；适用于高频工作的中小容量设备。
复合型器件也称混合型器件，是指双极型和单极型器件的集成混合。它是用GTR、GTO或SCR 作为主导元件，用MOSFET作为控制元件混合集成后产生的BI-MOS器件。常见的复合型器件是IGBT、SITH和MCT。复合型器件的特点是既具有双极型器件电流密度大、通态压降低的优点，同时又具有单极型器件输入阻抗高、响应速度快、控制简单等优点。
⒌电力电子器件的发展与电力电子技术的发展有何关联？
首先，电力电子技术的发展依赖于电力电子器件及其控制技术的发展和完善，器件的不断发展使得电力电子变换电路及其控制系统不断革新和完善；
另一方面，电力电子技术在生产实践中应用领域的不断拓展，生产对电能变换效率及性能要求的不断提高，又对电力电子器件的发展提出更高的要求，促进了器件制造和控制技术的发展，也导致了各种新型器件的不断涌现。
第2章功率二极管
⒈何为电导调制效应？它对器件运行特性有何影响？什么样的器件内部不可能产生电导调制效应？
电导调制效应是指半导体器件在较大工作电流下，注入并积累在半导体区内的非平衡载流子（也称过剩载流子，一般是少子）大量增加，同时为维持电中性多子浓度也大幅增加，进而导致半导体区的载流子浓度大幅增加、电导率显著增加（电阻率下降）的现象。
一旦器件内部产生强烈的电导调制效应，将大大降低器件的通态电阻，利于降低通态压降和通态损耗。但是，由于器件导通/关断期间的非平衡载流子积累/泄放过程，不利于提高器件的开关速度（尤其对关断过程的影响较大）。
单极性器件是多子导电型器件，其内部不可能产生电导调制效应。
⒉分别画出功率二极管的关断特性和开通特性，标明：反向恢复电流峰值I RM、反
U FP、正向恢复时间t fr，并简要说明。
当给导通的二极管突施反向电压时，电流衰减到0（衰
减速度主要由外施反向电压和主电路感性决定）后，
尚需经历反向恢复时间t rr 才能恢复阻断反向电压的
能力。在t rr期间，在反向电场作用下，由导通时积累在PN结两侧的非平衡载流子向外泄放，形成反向恢复电流i rr（期间向外泄放的非平衡载流子称为反向恢复电荷Q rr，电导调制效应越强烈则Q rr越多，所需i rr越长或反向恢复电流幅值I RM越大）；在t rr后期，i rr随着Q rr的迅速减少而快速衰减，其衰减速率使电路电感（或杂散电感）中产生感应电压并与外施反向电压相叠加，导致二极管承受的分析电压高于外施电压E R。
二极管在开明
第3章 晶闸管 ⒈普通晶闸管正常导通的条件是什么？导通后流过晶闸管的电流由什么决定？ 普通晶闸管的关断条件是什么？如何实现？
晶闸管在导通和阻断状态下其两端电压各为多大？
普通晶闸管的导通条件：承受正向阳极电压（U AK >0），并从门极注入正向触发电流（I G >0）。 导通后流过晶闸管的电流取决于外电路条件。
普通晶闸管的关断条件：使阳极电流降至维持电流值以下。典型实现方法：施加反向阳极电压。 导通状态下，晶闸管两端电压为其通态压降；关断状态下，晶闸管两端电压为外施工作电压。
⒉温度升高时，晶闸管的触发电流、正反向漏电流、维持电流，以及正向转折电压和反向击穿电压如何变化？
当温度升高时，晶闸管的触发电流减小；正反向漏电流增大；维持电流减小；正向转折电压和反向击穿电压均降低。
⒊某晶闸管额定电压为800V ， 额定通态 平均电流为100A ，维持电流为5mA 。 若将其使用在右图所示电路中是否合理 ？ 为什么？ （ 考虑电压安全裕量2倍、 电流安全裕量1.5倍 ）
(a ) 不合理。因为：假设VT 已被触发导通，则流过VT 的电流为：
mA I mA I H k V VT 5450200=<== 故VT 将无法维持其通态而自然关断。
(b ) 合理。假设VT 能正常触发工作，则流过VT 的电流有效值为：
A t d t t d t I VT 14.47sin ]3)sin 2200[()(3
2
200
210
2213
2
20002
21=×=∫=
∫÷=ωωωωππππ
A I A A I AV T VT 15757.171.7014.475.15.1)(=×<=×=× 又因为：VT 工作中承受的最大电压为：
V V V Tm 4.2822002=×= 而V V V Tm 8005652<≈×
所以，VT 工作电流和电压均在安全范围内，用在(b )电路中
⒋调试图示晶闸管电路，在断开开关Q 测量输出电 压d U 是否正确可调时，发现电压表读数不正常，
而闭合Q 后一切正常，请问为什么？（触发控制正常 无问题。）
当开关Q 断开时，相当于负载开路，而电压表内阻很大（几十k Ω以上），所以即使VT 被触发导通，流过VT 的电流极小（小于维持电流值），实际上VT 不能导通，故电压表读数不正常。
当闭合Q 、接入正常负载d R 后，VT 可被正常触发导通，此时电压表读数为负载d R 上的电压。
第4章 门极可关断晶闸管GTO ⒈何为横向压降效应？GTO 器件在结构上作了改进，关断过程中还会产生横向压降效应吗？
当在晶闸管结构的门—阴结上施加反向电压G E ?时，阳极电流的一部分转而横向流过2P 基区自门极流出，形成反向门极电流G I ?。这样，一方面，靠近门极的部分阴极区将出现耗尽层成为断态；而另一方面，由于2P 基区很薄，具有一定的横向体电阻CK R ，当门极负电流G I ?横向流经2P 基区时，在CK R 上产生一定值的横向压降，此横向压降起着与G E ?相反的作用，即阻碍从2P 基区
中反抽空穴载流子，妨碍器件的关断，这种现象即所谓的横向压降效应。
在GTO 中，由于采用了多元胞并联集成结构，大大缩短了各元胞的门—阴极之间的距离，因而显著减小了2P 基区的横向压降效应。但横向压降效应还是存在的。
⒉从器件结构、工艺上的差别，说明为什么GTO 能“自关断”，而普通晶闸管却不能？
虽然从单元结构上看，它们同是P-N-P-N 四层三端器件，但在关断结构和关断机理上，GTO 与普通SCR 存在很大区别。主要有如下三点不同：
⑴ 首先，门—阴极结构不同
普通晶闸管为单元胞结构，不但2P 区薄，而且2P 区横向宽度大，（电流容量越大的器件，管芯面积大，门—阴极间横向距离亦越大），所以当施加反向电压G E ?时，G I ?遭遇横向体电阻CK R 亦大，产生的横向压降很大，致使普通晶闸管不能实现门极控制关断。（甚至可能因电流密度很大导致器件的烧毁。）
GTO 采用了多元胞并联集成结构，大大缩短了门—阴极之间的距离，因而显著减小了2P 基区的横向压降效应。而且反偏压能够施及整个门阴结，有利于反抽门极电荷（2P 基区空穴），为门极
关断创造了有利条件。
⑵ 3J 结的反向击穿耐压不同
GTO 的3J 结具有较高的反向击穿耐压，在门极关断时允许在3J 结上施加较高的反偏电压，这不仅可以有效削弱横向压降效应的影响，而且有利于反抽2P 基区空穴，减小阴极区的关断时间差，缓解关断过程中的电流集中现象，有利于器件安全关断。
⑶ 回路增益21αα+在数值上的差别
通态时，普通晶闸管21αα+比1大许多，即器件饱和程度较深，门极反偏压很难破坏其饱和条件；而GTO 的21αα+虽也大于1，但比普通晶闸管小得多，非常接近于1，即器件处于浅饱和状态，因此当要关断时，适当的G I ?就能使之退出饱和，易于实现门极关断。
⒊在特性参数上，GTO 与普通晶闸管有何异同？
GTO 与普通晶闸管同属P-N-P-N 四层三端器件（单元胞结构一样），因此在特性及参数上具有许多共同处。如：⑴ 阳极伏安特性 ⑵ 门极开通特性 ⑶ H I 和L I ⑷ 通态压降特性
⑸ du/dt 和di/dt 耐量 ⑹ 浪涌电流及t I 2
但由于GTO 在结构、制造工艺上的改进，及其门极可关断特性，使其具有一些与普通晶闸管不
同的应用特性及参数。如
⑴ 正、反向耐压分别单独规定，其反向耐压能力差；
⑵ H I 和L I 的定义虽与普通晶闸管相同，但其值均比普通晶闸管大许多； ⑶ du/dt 和di/dt 耐量的含义也与普通晶闸管相同，但其能力比普通晶闸管大许多；
⑷ 额定电流定义方法及含义不同于普通晶闸管——最大可关断阳极电流ATO I （或TGQM I ）； ⑸ 关断增益off β——用以表征GTO 的门极关断能力； ⑹ 特有的门极关断动态特性及参数。
⒋为什么说GTO 具有比普通晶闸管高的du/dt 和di/dt 耐量？
⑴ GTO 的制造工艺保证了其21αα+较小，因du/dt 引起结电容中位移电流带来的影响小，故
其du/dt 耐量大；
⑵ GTO 制造上采用了多元胞并联集成结构，各门极条均被阴极区包围，所以阴极周界面积大，
门极控制开通时初始导电面积大，所以di/dt 耐量大。
(a )
(b )
⒌试比较GTO 和普通晶闸管在驱动（触发）控制要求上的异同。
⑴ 在开通控制上的异同：
相同点：均要求有强触发的“四度特性”要求。
不同点：① 强驱动脉冲的幅度要求比普通晶闸管高许多（L I 大）
② 导通期内GTO 要求一直有一适当值的正向驱动电流（抗干扰）
③ GTO 要求较平缓的驱动脉冲后沿坡度，而普通晶闸管无所谓。（一旦导通后，
门极反向小尖峰不至于导致普通晶闸管误关断，但GTO 存在这种危险）。
⑵ 关断控制上的不同：
① 普通晶闸管不能自关断，故无需反向驱动设计；
② GTO 不仅需要用符合要求的门极反向驱动信号实现关断，而且还需在阻断期一
直施加适当值的门极反偏压，以保证它的可靠阻断（门极抗干扰）。
⒍对于某特定GTO 器件，使用中应如何提高其阳极电流可关断能力？
（对于某特定的GTO 元件，器件已制造出来，其基本特性及参数已一定，故只能从影响关断的外部因素中考虑：）
⑴ 提高GM I ?及
dt
GR
di
⑵ 良好的散热设计——→降低结温T
⑶ 合理的缓冲电路设计——→降低开关损耗及du/dt 、di/dt
⑷ 合理选用工作频率f ——→f 高则开关损耗所占比例大，结温就高
⑸ 实际工作阳极电流越接近于ATO I ——→关断难，因此可以适当增大电流安全裕量
第5章 功率晶体管GTR
⒈与信号三极管相比，GTR 在结构上有何特点？
与信号三极管相比。GTR 在结构上的特点是：
⑴ 基极与发射极在一个平面上制成叉指状结构，这样可有效减小大电流工作条件下发射极电流
集边效应，增大器件电流容量；
⑵ 集电区引入低掺杂浓度、高电阻率的?N 漂移区，使集电结以+?N PN 结构结合，这样既可
以提高器件的耐压水平，又可获得适当的电流增益； ⑶ 实现薄基区结构，以提高电流增益。
GTR ⒉结构中，?N 半导体层有何特征？其主要作用是什么？
GTR 结构中?N 半导体层的特征是掺杂浓度低，故而具有电阻率高的特点，其作用主要是为了提高器件的耐压水平。
⒊“用作功率开关的GTR ，其稳定导通时的集电极电流由负载主电路条件决定，而与基极驱动电流的大小无关。”，此话对否？
此话可认为是正确的。
因为GTR 稳定导通时，应使其工作在饱和区或准饱和区，此时器件管压降很小（与外电路工作电压相比可忽略），因此流过器件的集电极电流仅取决于外电路工作电压和负载阻抗的大小，而与基极电流的大小无关：L
R CC
V C i ≈
⒋影响GTR 开关特性的外在因素有哪些？
影响GTR 开关特性的外在因素有：
⑴ 正向基极驱动电流1B i ：1B i 大———→d t 和r t 都短
⑵ 反向基极驱动电流3B i ：3B i 大 ——→s t 短 ⑶ 基极驱动电路设计的合理性：
驱动源内阻s R 越小———→d t 和s t 越短 器件饱和深度越浅 ———→s t 越短
⑷ 结温j T ：j T 高———→器件内部少子寿命长———→s t 和f t 越长
⒌GTR 产生二次击穿的原因是什么？
GTR 发生二次击穿的最终因果关系的是由于器件内部局部温度过高。而温度升高的原因一般认为是：当发射结正偏时是由器件内部热不均衡性引起的，而发射结反偏或基极开路时是由一次雪崩击穿引起的。
第6章 功率场效应晶体管Power MOSFET
⒈在器件结构、工艺上，与传统MOS 器件相比，VMOSFET 器件有哪些特点，这些特点能带来什么好处？
⑴ 漏极D 改装在硅片底部： 实现垂直导电的前提，也即增大电流容量的前提
易于实现高集成化，高集成的多元胞并联结构—→可降低ON R 不仅可充分利用硅片面积，且纵向距离(厚度)短—→降低ON R ⑵短沟道结构：减小ON R ，并可获得良好的输出特性线性度。 ⑶设置了?N 区（轻掺杂浓度、高电阻率）： 提高了耐压
减小了G C --→高频特性好
使沟道长度基本稳定，改善相关特性
⒉如何理解功率MOSFET 具有一定的自限流能力？
Power MOSFET 具有一定的自限流能力是因为其通态电阻具有正温度系数，也即其通态电流负温度系数，使器件承受过电流能力很强。在实际使用中，一旦器件电流增大--→j T 上升--→（ON R 正温度系数）--→ON R 增大--→（当在特定外电路工作条件下）--→电流下降，这就是所谓的“自限流”，而当并联运行时则具有一定的自均流能力。
⒊应用功率MOSFET 时应注意哪些事项？
使用Power MOSFET 时应注意：
⑴ ON R 较大--→ON E 大--→低频时不宜，而其开关速度快，开关损耗在整体损耗中所占比例小，因此更适合在高频下使用。
⑵ 为提高开关速度--→首先驱动源内阻R S 应尽量小；对于GS V ±，应从开关速度和通态压降等角度，合理取值。
⑶ 由于极间电容、栅极驱动回路分布参数（T L 、T C ）的存在，易出现栅极寄生振荡，严重时会导致栅极2SiO 击穿，因此驱动控制线应尽量短，且应为绞线式。
⑷ 输入阻抗高（容性?11~910级），应用中应注意防静电击穿，特别地：禁止栅极开路工作！ ⑸ 因存在反并联寄生二极管，Power MOSFET 不具有阻断反向电压的能力；另外还应注意因寄生二极管反向恢复带来的影响。
⒋功率MOSFET 栅极驱动特点有哪些？
Power MOSFET 栅极驱动的特点：
⑴ 电压控制型器件，对驱动源来说负载为纯容性，呈高阻抗，因此驱动时只需要较小的对电容的充、放电电流，所需驱动功率小，驱动电路设计简便。
⑵ GS V +值对器件开通速度及通态电阻有较大影响，通常在保证2SiO 膜不被击穿条件下取较大GS V +为好。
⑶关断时，一定数值的GS V ?可加快栅极电荷泄放，缩短off t ；断态期施加GS V ?可提高栅极抗干扰能力。
⑷栅极电容的充、放电速度决定了器件的开关速度，因此驱动源内阻S R 应尽可能小。 ⑸高频工作下，易在分布参数与栅极电容间形成高频振荡，严重时会导致栅极2SiO 击穿或器件导通状态不稳定，因此驱动控制线应尽量短，且应为绞线式。
第7章 绝缘门极双极型晶体管IGBT ⒈“IGBT 可等效为一只由MOSFET 驱动的GTR 。实用中若将一只MOSFET 与一只GTR 进行外部达林顿连接后使用，其性能与一只IGBT 有何区别？
有区别。将一只MOSFET 与一只GTR 进行外部达林顿连接后使用时：
① 电导调制效应仅存在于GTR 中，而MOSFET 的?
N 区不会产生电导调制效应，故通态电阻大。 ② 其中MOSFET 的管压降即为GTR 的集电结偏压，所以GTR 的集电结永远不会正偏，也就是说GTR 不会饱和，总体通态压降＝GTR 工作压降（线性区）＝MOSFET 通态压降＋GTR 发射结压降。
而IGBT 虽可等效成一只MOSFET 与一只GTR 的达林顿连接，但其中的?
N 区为两者共有，由1J 结作用而使在?
N 区产生强烈电导调制效应，所以IGBT 具有低通态电阻的优点。
③ 开关速度明显低于IGBT 的开关速度。 ④ 没有擎住效应现象，而IGBT 有擎住效应现象。
⒉何为IGBT 的擎住效应？分析动态擎住效应产生的原因及危害。
因集电极电流C I 、
dt
dv 太大等原因导致IGBT 体内寄生晶闸管导通，进而门极失去关断控制作
用的现象，称为IGBT 的擎住效应。
动态擎住效应是指在IGBT 关断的动态过程中产生的擎住效应。产生动态擎住效应的原因通常为IGBT 关断过程中承受了过的的重加dt dv （因快速关断电流造成）或过高的内部结温j T 。
擎住效应是IGBT 失效的主要原因，尤其动态擎住效应发生的几率比静态擎住效应大得多，一旦发生，则门极关断控制失效，极易因过流而烧毁。在逆变器中将造成桥臂直通短路。
⒊IGBT 栅极正向驱动电压的大小对器件工作特性有何影响？
GE V +高，则： ① 导电沟道宽，通态电阻ON R 小，通态压降CES V 低，通态损耗ON E 小；
② 开通时间on t 短，动态开通损耗on e 小；
③ 短路过电流承受能力下降。
⒋试归纳EXB841工作特点。
① 20V 单电源供电，不仅可提供足够的开栅驱动电压，同时还由内部电路产生-5V 负偏压； ② 输入隔离级采用快速光耦TLP550，驱动信号传输延迟小，适用于高频；
③ 具有电流监测和保护功能，过电流识别时间短（约s μ5.1）；一旦确认过电流，采用“慢关断”保护方式，以免在大电流下快速关断时产生过大的重加dt dv 和过电压尖峰，否则极易损坏或产生擎住效应；如果在慢关断保护电路工作时，过电流现象消失，可逐渐恢复正常驱动。
⒌试将
额定电流密度(
2/cm A )
20～30 5～10 50～100 所需驱动功率 大 小 小 驱动方式 电流 电压 电压 饱和压降 低 高 低 有二次击穿现象
无二次击穿现象 有擎住效应现象
其它
无阻断反向电压能力
第8章 其它新型器件（——无） 第9章 电力电子器件保护 ⒈缓冲电路在电力电子器件应用技术中的基本作用有哪些？
⑴ 改变器件开关轨迹，减小器件开关损耗，并使之工作在安全工作区内； ⑵ 减小开通过程中的di/dt ，避免出现开通过程中的热损坏； ⑶ 减小关断过程中的du/dt ，防止器件误导通；
⑷ 软化续流二极管反向恢复特性，降低因反向恢复电流造成的危害。
⒉典型RCD 关断缓冲带路中s C 、s R 、s D 各自起什么作用？选择其参数的基本原则是什么？
s C ：利用电容两端电压不能突变的性质来限制关断过程中功率器件端电压的上升率dv ／dt ，
改变器件的关断轨迹，减小器件关断损耗，因而提高器件工作可靠性。
s R ：减小在器件再次导通时s C 的瞬时放电电流，防止器件在开通初期承受过电流；并在器件导通期间消耗原已经储存在s C 中的能量。
s D ：在关断过程中，s C 充电期，短路s R ，加快负载电流从器件向s C 转移的过程，保证缓冲电路作用的有效发挥。
s C 参数选择原则：
因随着s C 的增加，器件本身的能量损耗降低，但缓冲电路的能量损耗增加，故s C 的选择应该是：在保证器件能量损耗被限制在允许范围内的前提下，s C 宜小些。s C 的耐压水平应与功率器件相当。
s R 参数选择原则：s R 小，则s C 初始放电电流大；s R 大，则s C 放电时间长其阻值大小首先应保证在功率器件导通期内s C 能将其在器件关断前期储存的能量全部释放出来（一般要求ON S S T C R ≤5）
，在此前提下，s R 宜取大值，以减小s C 初始放电电流。s R 功率选择：2
21CC S m S R V C f P ???≥，其中m f 为最高开关工作频率。
s D 参数选择原则：为保证缓冲电路作用的有效发挥，s D 应选用快速恢复二极管，且其正向恢复电压fp V 要小些（以限制器件关断过程中出现的电压峰值P V ），反向恢复电荷也要尽量小（以限制器件关断后期出现的另一个过电流峰值r V ?）。其耐压也应与功率器件耐压水平相当。
⒊影响GTO 关断电压波形中峰值电压P V 大小的因素有哪些？
GTO 关断电压波形中第一个峰值电压P V 值与以下参数有关：
s
⑴ 缓冲电路的杂散电感S L （包括引线电感、S C 和S R 等效电感等）： S L 越大———→P V 越大，尤其大电流时更为明显
⑵ 缓冲电容S C ：
S C 越大———→P V 越小，但S C 大到一定程度后，P V 的减小趋于饱和
⑶ 缓冲二极管S VD 的正向恢复电压FP V ：
FP V 越大—→P V 越大
⑷ 被关断的阳极电流A I ：
A I 越大———→di A /dt 越大———→P V 越大
⒋造成电力电子器件误触发导通的原因主要有哪些？如何避免？
主要原因： ⑴驱动干扰 ⑵过大的
dt
dv ⑶过高的结温
预防措施： ⑴驱动引线尽可能短，驱动电路尽可能靠近器件。这样可有效降低杂散参数，减小由此带来的干扰毛刺。 ⑵合理设计缓冲电路，有效抑制dt dv 。 ⑶合理的散热设计，避免出现过大的温升。
⒌哪些措施可用于预防“桥臂直通短路”过电流？
⑴ 为上下桥臂器件的驱动信号设置足够的开关死区； ⑵ 为上下桥臂器件设置通断逻辑互锁保护电路； ⑶ 采用快速可靠的过电流保护电路；
⑷ 优化电路设计，尽量减小驱动回路和主电路的杂散电感，防止因干扰或du/dt 等造成误导通； ⑸ 必要时可通过串小电感以限制短路电流的上升率，为保护电路赢得作用时间。
⒍分析并阐述EXB841实现IGBT 过电流保护的原理及特点。
原理：EXB841采用“管压降识别过电流保护法”，通过外接二极管VD 7监测IGBT 的通态压降U CE ，一旦U CE 因过电流而超限，将启动内部保护电路工作，强行拉低输出端3脚电平，迫使IGBT 关断。（具体：在IGBT 正常导通时VD 7是导通的，B 点电位被稳定在8V ，VZ 1不通。一旦发生过电流，IGBT 的通态压降U CE 将上升很多、致使VD 7截止，则B 点电位将被充电升高；当B 点电位由8V 上升到13V 时，VZ 1击穿导通并使V 3导通，故C 4通过R 7、V 3放电，E 点电位逐步下降，VD 6导通，D 点电位随之下降，从而使IGBT 栅极电位也逐渐降低，直至关断IGBT 。）
特点：⑴ EXB841采用“慢关断”方式实现对IGBT 过电流保护，避免因快速关断过电流而可能产生危害。（保护关断的速度受C 4放电速度的控制。在器件承受过电流情况下，若按常态快速关断，则因线路电感的作用在器件两端将产生很高的过电压尖峰，极易损坏IGBT 或产生动态擎住效应，因此宜慢速关断。）
⑵ 只要大于1.5μs 的过电流都会使慢关断电路工作。
⑶ 一旦慢关断电路工作，即使过流现象很快消失，由于EXB841输出端3脚恢复正常电
平的速度较慢，可能会影响后续驱动质量。
第10章 电力电子器件串并联技术
⒈电力电子器件串联运行时造成静、动态不均压的主要原因分别是什么？
串联运行时造成静态电压分配不均衡的主要原因有：
⑴ 静态伏安特性不一致，这与器件制造工艺、器件筛选等有关。 ⑵ 器件温升不同，这与散热条件等有关。（扩大静态伏安特性差异） 串联运行时造成动态电压分配不均衡的主要原因有：
⑴ 关断时，因各串联器件关断电荷r Q 不同导致的关断速度不一致。 ⑵ 开通时，各器件d t 不同导致的开通速度不一致。
⒉器件并联运行时应如何保证各并联器件中电流分配的均衡？
静态均流：⑴ 选择通态伏安特性尽量一致的器件并联
⑵ 在各并联器件支路串联均流电阻j R ⑶ 采用适当的均热措施，包括合理的安装布局
动态均流：⑴ 选择开关时间参数一致的器件并联（尤其参数d t ）
⑵ 采用强驱动方式，以减小因d t 差异引起的动态不均流 ⑶ 必要时可采用均流电感或均流电抗器
⒊某电力电子变换电路，若用四支8A 、400V 的功率MOSFET 并联，或用一支30A 、
400V 的功率MOSFET ，都能满足主控器件容量要求。你选用哪一种方案？为什么？
两种方案各有利弊：
⑴ 采用单支30A 、400V 管子的优点是：不象并联方案中那样必需均流措施，电路结构简洁、安装方便；而且单管控制的实现比较方便、简单。缺点是：大容量MOSFET 的价格较高，通态电阻（通态压降、通态损耗）较大。
⑵ 采用四支8A 、400V 管子并联方案的优点是：通态压降和通态损耗较小，价格合理。（即所谓性能价格比高）。缺点是：应采用均流措施，而且电路结构复杂、安装工艺要求高；杂散参数大；驱动控制也比单管时复杂（通常需要强驱动）。
常用电力电子器件特性测试
实验二：常用电力电子器件特性测试 （一）实验目的 （1）掌握几种常用电力电子器件（SCR、GTO、MOSFET、IGBT）的工作特性；（2）掌握各器件的参数设置方法，以及对触发信号的要求。 （二）实验原理 图1.MATLAB电力电子器件模型 MATLAB电力电子器件模型使用的是简化的宏模型，只要求器件的外特性与实际器件特性基本相符。MATLAB电力电子器件模型主要仿真了电力电子器件的开关特性，并且不同电力电子器件模型都具有类似的模型结构。 模型中的电阻Ron和直流电压源Vf分别用来反映电力电子器件的导通电阻和导通时的门槛电压。串联电感限制了器件开关过程中的电流升降速度，模拟器件导通或关断时的动态过程。MATLAB电力电子器件模型一般都没有考虑器件关断时的漏电流。 在MATLAB电力电子器件模型中已经并联了简单的RC串联缓冲电路，在参数表中设置，名称分别为Rs和Cs。更复杂的缓冲电路则需要另外建立。对于MOSFET模型还反并联了二极管，在使用中要注意，需要设置体内二极管的正向压降Vf和等效电阻Rd。对于GTO和IGBT需要设置电流下降时间Tf和电流拖尾时间Tt。 MATLAB的电力电子器件必须连接在电路中使用，也就是要有电流的回路，
但是器件的驱动仅仅是取决于门极信号的有无，没有电压型和电流型驱动的区别，也不需要形成驱动的回路。尽管模型与实际器件工作有差异，但使MATLAB电力电子器件模型与控制连接的时候很方便。MATLAB的电力电子器件模型中含有电感，因此具有电流源的性质，所以在模块参数中还包含了IC即初始电流项。此外也不能开路工作。 含电力电子模型的电路或系统仿真时，仿真算法一般采用刚性积分算法，如ode23tb、ode15s。电力电子器件的模块上，一般都带有一个测量输出端口，通过输出端m可以观测器件的电压和电流。本实验将电力电子器件和负载电阻串联后接至直流电源的两端，给器件提供触发信号，使器件触发导通。 （三）实验内容 （1）在MATLAB/Simulink中构建仿真电路，设置相关参数。 （2）改变器件和触发脉冲的参数设置，观察器件的导通情况及负载端电压、器件电流的变化情况。 （四）实验过程与结果分析 1．仿真系统 Matlab平台 2．仿真参数 （1）Thyristor参数设置： 直流源和电阻参数：
电力电子器件应用指南
目录 电力电子器件应用指南 (1) 晶闸管、二极管主要参数及其含义 (8) 晶闸管、二极管简易测试方法 (11) 中频感应加热电源常见故障与维修 (13) 水冷散热器的安装与使用 (20) 晶闸管水冷散热器重复使用中应注意的问题 (23) 电焊机用晶闸管模块的选择与应用 (25) 电力半导体器件用散热器选择及使用原则 (32) 风冷散热器的选配 (34) 高频晶闸管新特性 (36) 改进的晶闸管高di/dt性能 (39) 门极触发强度对晶闸管开通特性的影响 (42) 晶闸管串、并联配对选择及使用要求 (47) 晶闸管在低温条件下的使用 (52) 功率器件技术与电源技术的现状和发展 (53) 晶闸管保护电路 (60)
电力电子器件应用指南 一、参数说明 1本手册参数表中所给出的数据，I TSM、I2t、dv/dt、di/dt指的是元件所能满足的最小值，Q r、V TM、V TO、r T指元件可满足(不超过)的最大值。 2通态平均电流额定值I TAV（I FAV） I TAV（I FAV）指在双面冷却条件下，在规定的散热器温度时，允许元件流过的最大正弦半波电流平均值。I TAV（I FAV）对应元件额定有效值I RMS=1.57 I TAV。实际使用中，若不能保证散热器温度低于规定值,或散热器与元件接触热阻远大于规定值，则元件应降额使用。 3晶闸管通态电流上升率di/dt 参数表中所给的为元件通态电流上升率的临界重复值。其对应不重复测试值为重复值的2倍以上，在使用过程中，必须保证元件导通期任何时候的电流上升率都不能超过其重复值。 4晶闸管使用频率 晶闸管可工作的最大频率由其工作时的电流脉冲宽度t p，关断时间t q以及从关断后承受正压开始至其再次开通的时间t V决定。f max=1/（t q+t p+t V）。根据工作频率选取元件时必须保证元件从正向电流过零至开始承受正压的时间间隔t H>t q，并留有一定的裕量。随着工作频率的升高，元件正向损耗E pf和反向恢复损耗E pr随之升高，元件通态电流须降额使用。 二、元件的选择 正确地选择晶闸管、整流管等电力电子器件对保证整机设备的可靠性及降低设备成本具有重要意义。元件的选择要综合考虑其使用环境、冷却方式、线路型式、负载性质等因素，在保证所选元件各参数具有裕量的条件下兼顾经济性。由于电力电子器件的应用领域十分广泛，具体应用形式多种多样，下面仅就晶闸管元件在整流电路和单项中频逆变电路中的选择加以说明。
电力电子器件图形符号
P325 计算题： √1．三相半波可控整流电路，变压器二次侧相电压为20Ⅴ，带大电感负载，无续流二极管，试计算α＝45°时的输出电压，画出输出电压u d 的波形，如负载电流为200 A ，求晶闸管所承受的最高电压和晶闸管电流的平均值I T(AV)、有效值I VT 。 解： U d ＝1.17U 2φcos α＝1.17×20×cos45°＝16.5 V U TV ＝√6U 2φ＝√6×20＝49 Ⅴ I d ＝200 A I VT ＝I d /√3＝200/√3＝115.5 A I dVT ＝I d /3＝200÷3＝66.7 A 2．三相桥式全控整流电路如下图所示,已知：U d ＝220V ，R d ＝5Ω，大电感负载。 求：（1）变压器二次侧线电压U 21，及变压器容量S （2）选择晶闸管，并写出型号。（在α＝0°时i 2倍裕量） 解：（1）变压器二次侧线电压U 21及变压器容量S ： U d ＝2.34 U 2φCOS α （α＝0°） U 2φ＝220/(2.34×1) ＝ 94V I d ＝U 2φ／R d ＝44 A I 2＝3 2 I d ＝0.817×44＝35．9≈36 A 所以，变压器的线电压和容量为： U 21＝√3U 2φ＝√3×94＝162.8 S ＝√3U 21＝√3×162.8×36＝10151.2＝10.2 kVA （2）选择晶闸管： I 2＝3 1 I d ＝0.577×44＝25.4A I dT(AV)＝2×57.1VT I ＝2×25.4/1.57 ＝ 32.36 A 取50 A U TM ＝√6 U 2φ＝2.54×94＝230V 取2倍裕量500 V 。 选择晶闸管KP50－5。
电力电子器件大全及使用方法详解(DOC 42页)
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；
电力电子器件
电力电子器件 电力电子器件（Power Electronic Device）是指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。主电路：在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。 电力电子器件的特征 ◆所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。 ◆为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。 ◆由信息电子电路来控制,而且需要驱动电路。 ◆自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。 电力电子器件的功率损耗 断态损耗 通态损耗：是电力电子器件功率损耗的主要成因。 开关损耗：当器件的开关频率较高时，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。分为开通损耗和关断损耗。 电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。 电力电子器件的分类 按照能够被控制电路信号所控制的程度
◆半控型器件：指晶闸管（Thyristor）、快速晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管、双向晶闸管。 ◆全控型器件：IGBT、GTO、GTR、MOSFET。 ◆不可控器件：电力二极管（Power Diode）、整流二极管。 按照驱动信号的性质 ◆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的控制。Thyrister，GTR，GTO。 ◆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。电力MOSFET，IGBT，SIT。 按照驱动信号的波形（电力二极管除外） ◆脉冲触发型：通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。晶闸管，SCR，GTO。 ◆电平控制型：必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在通断状态。GTR，MOSFET，IGBT。 按照载流子参与导电的情况 ◆单极型器件：由一种载流子参与导电。MOSFET、SBD（肖特基势垒二极管）、SIT。 ◆双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电。电力二极管，PN结整流管，SCR，GTR，GTO。 ◆复合型器件：由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。IGBT，MCT。 GTO：门极可关断晶闸管。SITH（SIT）：静电感应晶体管。
电力电子器件的发展及应用
电力电子器件的发展及应用 研1506 苏智清 摘要：本文简单介绍了电力技术的分类, 回顾了电力电子技术及其器件的发展过程, 说明了现在主流的电力电子器件的工作原理、应用范围及其优缺点, 探讨了在本世纪中新型电力电子器件的应用。 关键词：复合型电力电子器件；新型材料的电力电子器件；电力电子器件的应用 1引言 电力电子学是电工学的一个分支，是由电力系统、控制理论与电子学等学科共同发展起来的一个新型边缘性学科。电力电子学的主要特点是具有很强的应用性，同时与其他学科有着很好的交叉融合性，这也是电力电子学的基础理论与应用技术能够在短短几十年间飞速发展的一个相当重要的因素。目前，电力电子技术的应用已经从机械、石化、纺织、冶金、电力、铁路、航空、航海等一系列领域，进一步扩展到汽车、现代通信、家用电器、医疗设备、灯光照明等各个领域。进入 21 世纪，伴随着新理论、新器件、新技术的不断涌现，尤其是与微电子技术的日益融合，电力电子技术作为信息产业和传统产业之间的桥梁，在国民经济中必将占有越来越重要的地位，在各领域中的应用也必将不断得到拓展。 2电力电子器件的发展 2.1半控型器件 上世纪50年代，美国通用电气公司发明世界上第个晶闸管，标志电力电子技术的诞生。此后，晶闸管得到了迅速发展，器件容量越来越大，性能得到不断提高，并产生大量派生器件，如快速晶闸管逆导晶闸管等等。
但是，晶闸管作为半控型器件，只能通过门极导通，不能控制关断。要关断必须通过强迫换相电路，从而装置体积增大，复杂程度提高，效率降低。另外，晶闸管为双极型器件，有少子效应，所以工作频率低，由于这些原因，使得晶闸管的应用受到限制。 虽然晶闸管有以上缺点，但由于它的大电压大电流特性，使在高压直流输电静止无功补偿，大功率和高压变频调速等方面仍占有重要位置。2.2全控型器件 2.2.1门极可关断晶闸管（GTO） GTO有对称，非对称和逆导三种类型。对称GTO通态压降小，抗浪涌能力强，易于提高耐压能力。逆导型GTO是在同一芯片上将GTO与整流二极管反并联制成的集成器件，不能承受反向电压，主要用于中等容量的牵引驱动中。 在当前各种自关断器件中，GTO容量做大，工作最低。GTO是电流控制型器件，因而关断需要很大的反向驱动电流。目前，GTO在低于2000V某些领域被GTR和IGBTDE所替代，但在大功率电力牵引有明显优势。 2.2.2大功率晶体管（GTR） GTR是一种电流控制的双极双结电力电子器件，它既具备晶体管的固有特性，又增加功率容量，因此，由它组成的电路灵活，成熟，开关损耗小，开关时间短，在电源电机控制，通用逆变器等中等容量，中等频率的电路中广泛应用。GTR的缺点驱动电流较大，耐浪涌电流能力差，易受二次击穿损坏。在开关电源GTR渐渐被功率MOSFET和IGBT代替。 2.2.3功率MOSFET
各种电力电子器件技术特点的比较及应用
《电力牵引交流传动及其控制系统》报告——各种电力电子器件技术特点的比较及其应用
电力电子器件及其应用装置已日益广泛，这与近30 多年来电力电子器件与电力电子技术的飞速发展和电力电子的重要作用密切相关。20 世纪80 年代以后，电力电子技术等)的飞速发展，给世界科学技术、经济、文化、军事等各方面带来了革命性的影响。电子技术包含两大部分：信息电子技术(包括：微电子、计算机、通信等)是实施信息传输、处理、存储和产生控制指令；电力电子技术是实施电能的传输、处理、存储和控制，保障电能安全、可靠、高效和经济地运行，将能源与信息高度地集成在一起。 事实表明，无论是电力、机械、矿冶、交通、石油、能源、化工、轻纺等传统产业，还是通信、激光、机器人、环保、原子能、航天等高技术产业，都迫切需要高质量、高效率的电能。而电力电子正是将各种一次能源高效率地变为人们所需的电能，实现节能环保和提高人民生活质量的重要手段，它已经成为弱电控制与强电运行之间、信息技术与先进制造技术之间、传统产业实现自动化、智能化改造和兴建高科技产业之间不可缺少的重要桥梁。而新型电力电子器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命。电力电子器件就好像现代电力电子装置的心脏，它对装置的总价值，尺寸、重量、动态性能，过载能力，耐用性及可靠性等，起着十分重要的作用。因此，新型电力电子器件及其相关新型半导体材料的研究，一直是电力电子领域极为活跃的主要课题之一。 一个理想的功率半导体器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，能导通高的电流密度并具有低的导通压降；在开关状态和转换时，具有短的开、关时间，能承受高的d i/d t 和d u/d t，具有低的开关损耗；运行时具有全控功能和良好的温度特性。自20 世纪50 年代硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标做出了不懈努力，并已取得了世人瞩目的成就。早期的大功率变流器，如牵引变流器，几乎都是基于晶闸管的。到了20 世纪80 年代中期，4.5kV 的可关断晶闸管得到广泛应用，并成为在接下来的10 年内大功率变流器的首选器件，一直到绝缘栅双极型晶体管的阻断电压达到 3.3kV 之后，这个局面才得到改变。与此同时，对GTO 技术的进一步改进导致了集成门极换流晶闸管的问世，它显示出比传统GTO 更加显著的优点。目前的GTO 开关频率大概为500Hz，由于开关性能的提高，IGCT 和功率IGBT 的开通和关断损耗都相对较低，因此可以工作在1~3kHz 的开关频率下。至2005 年，以晶闸管为代表的半控型器件已达到70MW/9000V 的水平，全控器件也发展到了非常高的水平。当前，硅基电力电子器件的水平基本上稳定在109~1010WHz 左右，已逼近了由于寄生二极管制约而能达到的硅材料极限，不难理解，更高电压、更好开关性能的电力电子器件的出现，使在大功率应用场合不必要采用很复杂的电路拓扑，这样就有效地降低了装置的故障率和成本。 1电力电子器件 电力电子器件又称为功率半导体器件，主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）。 电力电子器件目前的制约因素有耐压，电流容量，开关的速度。电力电子器件的分类多种多样。按照电力电子器件的开关控制能力，电力电子器件可分为三类：不可控器件、半控型器件、全控型器件。按照驱动电路加在电力电子器件控
变频器常用电力电子器件
无锡市技工院校 教案首页 课题：变频器常用电力电子器件 教学目的要求：1. 了解变频器中常用电力电子器件的外形和符号2.了解相关电力电子器件的特性 教学重点、难点： 重点：1. 认识变频器中常用电力电子器件 2. 常用电力电气器件的符号及特性 难点：常用电力电气器件的特性 授课方法：讲授、分析、图示 教学参考及教具（含多媒体教学设备）： 《变频器原理及应用》机械工业出版社王延才主编 授课执行情况及分析： 在授课中，主要从外形结构、符号、特性等几方面对变频器中常用的电力电子器件进行介绍。通过本次课的学习，大部分学生已对常用电力电子器件有了一定的认识，达到了预定的教学目标。
板书设计或授课提纲
电力二极管的内部也是一个PN 结，其面积较大，电力二极管引出了两个极，分别称为阳和阴极K 。电力二极管的功耗较大，它的外形有螺旋式和平板式两种。2.伏安特性：电力二极管的阳极和阴极间的电压和流过管子的电流之间的关系称为伏安特性。 如果对反向电压不加限制的话，二极管将被击穿而损坏。（1）正向特性：电压时，开始阳极电流很小，这一段特性 曲线很靠近横坐标。当正向电压大于时，正向阳极电流急剧上升，管子正向导 通。如果电路中不接限流元件，二极管将 被烧毁。
晶闸管的种类很多，从外形上看主要由螺栓形和平板形两种，螺栓式晶闸管容量一般为10~200A；平板式晶闸管用于200A3个引出端分别叫做阳极A、阴极 控制极。 结构 晶闸管是四层（（Ｐ1Ｎ1Ｐ2Ｎ2）三端（Ａ、Ｋ、Ｇ）器件。 晶闸管的导通和阻断控制 导通控制：在晶闸管的阳极A和阴极K间加正向电压，同时在它的门极 正向触发电压，且有足够的门极电流。 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，因此门极所加的触发电压一般为脉冲电压。 管从阻断变为导通的过程称为触发导通。门极触发电流一般只有几十毫安到几百毫安， 管导通后，从阳极到阴极可以通过几百、几千安的电流。要使导通的晶闸管阻断，必须将阳极电流降低到一个称为维持电流的临界极限值以下。 三、门极可关断晶闸管（GTO） 门极可关断晶闸管，具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高、电流大、控制功率大、使用方便和价格低；但它具有自关断能力，属于全控器件。在质量、效率及可靠性方面有着明显的优势，成为被广泛应用的自关断器件之一。 结构：与普通晶闸管相似，也为PNPN四层半导体结构、三端（阳极 ）器件。 门极控制 GTO的触发导通过程与普通晶闸管相似，关断则完全不同，GTO 动电路从门极抽出Ｐ2基区的存储电荷，门极负电压越大，关断的越快。 四、电力晶体管（GTR） 电力晶体管通常又称双极型晶体管（BJT），是一种大功率高反压晶体管，具有自关断能力，并有开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等优点。它被广泛用于交直流电机调速、中频电源等电力变流装置中，属于全控型器件。 工作原理与普通中、小功率晶体管相似，但主要工作在开关状态， 承受的电压和电流数值较大。 五、电力MOS场效应晶体管（P-MOSFET） 电力MOS场效应晶体管是对功率小的电力MOSFET的工艺结构进行改进，在功率上有
电力电子器件的发展
电力电子器件的发展浅析 引言 电子技术被认为是现代科技发展的主力军，电力电子就是电力电子学，又称功率电子学，是利用电子技术对电力机械或电力装置进行系统控制的一门技术性学科，主要研究电力的处理和变换，服务于电能的产生、输送、变换和控制。（电力电子的发展动向）电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。 电力电子器件(Power Electronic Device)又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控创电路中的大功率(通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上)电子器件。广义上电力电子器件可分为电真空器件(Electron Device)和半导体器件(Semiconductor Device)两类。 1 电力电子器件 1.1概述 1957年可控硅(晶闸管)的问世，为半导体器件应用于强电领域的自动控制迈出了重要的一步，电力电子开始登上现代电气传动技术舞台，这标志着电力电子技术的诞生。20世纪60年代初已开始使用电力电子这个名词，进入70年代晶闸管开始派生各种系列产品，普通晶闸管由于其不能自关断的特点，属于半控型器件，被称作第一代电力电子器件。随着理论研究和工艺水平的不断提高，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极性晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展，被称作第二代电力电子器件。80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型第三代电力电子器件异军突起，而进入90年代电力电子器件开始朝着智能化、功率集成化发展，这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。 1.2发展 1.2.1 整流管 整流管是电力电子器件中结构最简单、应用最广泛的一种器件。目前主要有普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管三种类型。电力整流管在改善各种电力电子电路的性能、降低电路损耗和提高电源使用效率等方面发挥着非常重要的作用。目前，人们已通过新颖结构的设计和大规模集成电路制作工艺的运用，研制出集PIN整流管和肖特基整流管
常用电力电子器件
第5章 常用电力电子器件 在开关电源中，电力电子器件是完成电能转换以及主电路拓扑中最为关键的元件。为降低器件的功率损耗，提高效率，电力电子器件通常工作于开关状态，因此又常称为开关器件。电力电子器件种类很多，按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，可以将电力电子器件分为①不可控器件，即二极管；②半控型器件，主要包括晶闸管(SCR)及其派生器件；③全控型器件，主要包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、电力晶体管(GTR)、电力场效应晶体管(电力MOSFET)等。半控型及全控型器件按照驱动方式又可以分为电压驱动型、电流驱动型两类，上述分类见图5-1。 电力电子器件 不可控器件 二极管半控型器件 SCR 全控型器件 IGBT 电力MOSFET GTR GTO 晶闸管 电力电子器件 电压驱动型 电流驱动型 电力MOSFET IGBT SCR GTO 晶闸管GTR 图5-1电力电子器件的分类 随着半导体材料及技术的发展，新型电力电子器件不断推出，传统电力电子器件的性能也不断提高，这成为包括开关电源在内的各种电力电子装置的体积、效率等性能指标不断提高的重要因素。了解和掌握各种电力电子器件的特性和使用方法是正确设计开关电源的基础。 在开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT 和MOSFET 。SCR 在开关电源的输入整流电路及其软起动中有少量应用，GTR 由于驱动较为困难、开关频率较低，也逐渐被IGBT 和MOSFET 所取代。因此这里将主要介绍二极管、IGBT 和MOSFET 的工作原理，主要参数及驱动方法。 5. 1二极管 二极管是最为简单但又是十分重要的一种电力电子器件，在开关电源的输入整流电路、逆变电路、输出高频整流电路以及缓冲电路中均有使用。 1、二极管的基本结构及工作原理 开关电源中应用的二极管除电压、电流等参数与电子电路中的二极管有较大差别外，其基本结构和工作原理是相同的，都是由半导体PN 结构成，即P 型半导体与N 型半导体结合构成，其结构见图5-2。 P 型半导体是在半导体中添加三价元素，因此硅原子外层缺少一个电子形成稳定结构，即形成空穴。N 型半导体是在半导体中添加五价元素，因此它在形成稳定结构后，半导体晶体中能给出一个多余的电子。在纯净的半导体中，空穴和电子成对出现，数量极少，所以导电能力很差。而P 型或N 型半导体中的空穴或自由电子数量大大增加，导电能力大大增强。在P 型半导体中空穴数远远大于自由电子数，因此空穴称为多子，自由电子称为少子。在N 型半导体中则相反，空穴为少子，自由电子为多子。
电力电子元件简介
電力電子元件簡介
Introduction to Power Electronic Devices
C. M. Liaw Department of Electrical Engineering National Tsing Hua University Hsinchu, Taiwan, ROC.
兩段式電熱控制
(應用 Power diode)
AC source Power diode AC source
Load
無段式電熱控制 (應用 SCR)
SCR
P
Load
Firing circuit
Diode: Uncontrolled turn-on and turn-off
SCR: Controlled turn-on and uncontrolled turn-off
不可控制交流輸出電壓 故控制性能較差
可控制交流輸出電壓 故控制性能較佳
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常用功率半導體元件之額定(表二) Voltage/current ratings Switching frequency (speed) Switching time On-state resistance (or on-state voltage/current)
功率半導體元件 功率半導體元件
(A) 閘流體 (Thyristor) 或矽控整流器 (Silicon Controlled Rectifier, SCR) : Controlled turn-on, uncontrolled turn-off (B) 雙向閘流體 (Bidirectional Thyristor 或 TRIAC) (C) GTO (Gate Turn-off Thysistor) (D) 基體閘換向閘流體 (Integrated Gate-Commutated Thyristor, IGCT): It is introduced by ABB in 1997. It is a high-voltage, hard-driven, asymmetrical-blocking GTO with unity gain. The gate drive circuit is built-in on the device module. (E) 功率電晶體 (Power BJT) : Current control device (F) IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): - Combines the conduction characteristic of BJT and the control characteristic of the MOSFET (G) MOS控制閘流體 (MOS -controlled Thyristor, MCT): - Combines the load characteristic of the thyristor and the control characteristic of the MOSFET - Low on-state voltage (H) 功率金氧半電晶體 (Power MOSFET) : Voltage control device (I) 其它
耐壓 耐流
操作 速度
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电力电子基础知识大作业要点
《电力电子技术》课程大作业电力电子技术器件、电路和技术综述 院（系）名称信息工程学院 专业名称电子信息工程技术 学生姓名XXX 学号xxx 指导教师王照平 2015年6月12日
基于电力电子技术器件、电路和技术综述的 1、概述 从广义来讲，电子技术应包含信息电子技术和电力电子技术两大分支，而通常所说的电子技术一般指信息电子技术。 电力电子技术也称为电力电子学，它真正成为一门独立的学科始于1957年第一只晶闸管的问世。在1970年国际电气和电子工程协会（IEEE）电力电子学会上对电力电子技术作了以下定义：“电力电子技术就是有效地使用电力电子器件，应用电路和设计理论及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术。它包括对电压、电流频率和波形的变换。”简言之，电力电子技术就是利用电力电子器件对电能形态进行变换和控制的一门技术。 电力电子技术是电力、电子控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科，它们之间的关系可用倒三角图形描述，如图1-1所示。 图1-1 描述电力电子学的倒三角形 第一，电力电子技术是在电子技术的基础上发展起来的，它们都可可分为器件、电路和应用三个部分，且器件的材料和制造工艺基本相同，只有两者的应用目的有所不同，电
子技术应用于信息的处理（如放大等），电力电子技术应用于电力变换和控制，它所变换的功率可大到数百甚至数千兆瓦，也可以小到几瓦或毫瓦数量级。第二，电力电子技术广泛应用于电器工程，如高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电力系统和电器工程中，它对电器工程的现代化起着重要推动作用。第三，电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱点和强电之间的接口。而控制理论是实现这种接口的一种强有力的纽带,是电力电子技术重要理论依据。所以，也可以认为：电力电子技术是运用控制理论将电子技术应用到电力领域的综合性技术。 2、电力电子常用器件 2.1、电力电子器件概念 可以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。 2.2、电力电子器件分类 按照电力电子器件能够被控制所实现控制的程度分为下列三类： 不可控器件(Power Diode)：不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。 半控型器件（Thyristor）：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断 全控型器件（IGBT,MOSFET)：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。 按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的信号的性质，我们又可以将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型两类： 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的控制。 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。 2.3、不可控器件—电力二极管 2.3.1 电力二极管的工作原理 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。由一个面积较大的PN
电力电子器件图形符号
2 3 1 3 P325 计算题： √1．三相半波可控整流电路，变压器二次侧相电压为 20Ⅴ，带大电感负载，无续流二极管， 试计算 α＝45°时的输出电压，画出输出电压 u d 的波形，如负载电流为 200 A ，求晶闸管所承受的最高电压和晶闸管电流的平均值 I T(AV)、有效值 I VT 。 解： U d ＝1.17U 2φcosα＝1.17×20×cos45°＝16.5 V U TV ＝√6U 2φ＝√6×20＝49 Ⅴ I d ＝200 A I VT ＝I d /√3＝200/√3＝115.5 A I dVT ＝I d /3＝200÷3＝66.7 A 2．三相桥式全控整流电路如下图所示,已知：U d ＝220V ，R d ＝5Ω，大电感负载。 求：（1）变压器二次侧线电压 U 21，及变压器容量 S （2）选择晶闸管，并写出型号。（在 α＝0°时 i 2 倍裕量） 解：（1）变压器二次侧线电压 U 21 及变压器容量 S ： U d ＝2.34 U 2φCOSα （α＝0°） U 2φ＝220/(2.34×1) ＝ 94V I d ＝U 2φ／R d ＝44 A I 2＝ I d ＝0.817×44＝35．9≈36 A 所以，变压器的线电压和容量为： U 21＝√3U 2φ＝√3×94＝162.8 S ＝√3U 21＝√3×162.8×36＝10151.2＝10.2 kVA （2）选择晶闸管： I 2＝ I d ＝0.577×44＝25.4A I ＝2× I V T ＝2×25.4/1.57 ＝ 32.36 A 取 50 A dT(AV) 1.57 U TM ＝√6 U 2φ＝2.54×94＝230V 取 2 倍裕量 500 V 。 选择晶闸管 KP50－5。
常用电力电子器件特性测试
实验二：常用电力电子器件特性测试 （一） 实验目的 （1）掌握几种常用电力电子器件（SCR 、GTO 、MOSFET 、IGBT ）的工作特性； （2）掌握各器件的参数设置方法，以及对触发信号的要求。 （二） 实验原理 A + K ak V _ f _ 图1.MATLAB 电力电子器件模型 MATLAB 电力电子器件模型使用的是简化的宏模型，只要求器件的外特性与实际器件特性基本相符。MATLAB 电力电子器件模型主要仿真了电力电子器件的开关特性，并且不同电力电子器件模型都具有类似的模型结构 。 模型中的电阻Ron 和直流电压源Vf 分别用来反映电力电子器件的导通电阻和导通时的门槛电压。串联电感限制了器件开关过程中的电流升降速度，模拟器件导通或关断时的动态过程。MATLAB 电力电子器件模型一般都没有考虑器件关断时的漏电流。 在MATLAB 电力电子器件模型中已经并联了简单的RC 串联缓冲电路，在参数表中设置，名称分别为Rs 和Cs 。更复杂的缓冲电路则需要另外建立。对于MOSFET 模型还反并联了二极管，在使用中要注意，需要设置体内二极管的正向压降Vf 和等效电阻Rd 。对于GTO 和IGBT 需要设置电流下降时间Tf 和电流拖尾时间Tt 。 MATLAB 的电力电子器件必须连接在电路中使用，也就是要有电流的回路，
但是器件的驱动仅仅是取决于门极信号的有无，没有电压型和电流型驱动的区别，也不需要形成驱动的回路。尽管模型与实际器件工作有差异，但使MATLAB电力电子器件模型与控制连接的时候很方便。MATLAB 的电力电子器件模型中含有电感，因此具有电流源的性质，所以在模块参数中还包含了IC即初始电流项。此外也不能开路工作。 含电力电子模型的电路或系统仿真时，仿真算法一般采用刚性积分算法，如ode23tb、ode15s。电力电子器件的模块上，一般都带有一个测量输出端口，通过输出端m可以观测器件的电压和电流。本实验将电力电子器件和负载电阻串联后接至直流电源的两端，给器件提供触发信号，使器件触发导通。 （三）实验内容 （1）在MATLAB/Simulink中构建仿真电路，设置相关参数。 （2）改变器件和触发脉冲的参数设置，观察器件的导通情况及负载端电压、器件电流的变化情况。 （四）实验过程与结果分析 1．仿真系统 Matlab平台 2．仿真参数 （1）Thyristor参数设置： 直流源和电阻参数：
4.1 典型全控型电力电子器件
典型全控型电力电子器件 教学目的和要求:掌握门极可关断晶闸管的工作原理及特性、电力晶体管的工作 原理，了解电力场控晶体管的特性与参数及安全工作区。掌握电力场控晶体管的 工作原理。掌握绝缘栅双极型晶体管的工作原理、参数特点。了解静电感应晶体 管静电感应晶闸管的工作原理。 重点与难点:掌握电力晶体管、电力场控晶体管、绝缘栅双极型晶体管的工作原 理、参数特点。 教学方法: 借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学 预复习任务:复习上节课学的半控型器件晶闸管的相关知识,对比理解掌握本节课程。内容导入: 门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。 全控型电力电子器件的典型代表：门极可关断晶闸管、电力晶体管、 电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。 一、门极可关断晶闸管 晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。 GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大 功率场合仍有较多的应用。 1. GTO的结构和工作原理 与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门 极。和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。 工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图所示的双晶体管模型来分析。
由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益α1 和α2 。α1+α2=1是器件临界导通的条件。 GTO的关断过程与普通晶闸管不同。关断时，给门极加负脉冲，产生门极电流-I G，此电流使得V1管的集电极电流I Cl被分流，V2管的基极电流I B2减小，从而使I C2和I K减小，I C2的减小进一步引起I A和I C1减小，又进一步使V2的基极电流减小，形成内部强烈的正反馈，最终导致GTO阳极电流减小到维持电流以下,GTO由通态转入断态。 结论： ?GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。 ?GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。 ?多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受d i/d t能力强。 2. GTO的动态特性 开通过程：与普通晶闸管相同 关断过程：与普通晶闸管有所不同 3. GTO的主要参数 （a）开通时间t on （b）关断时间t off （c）最大可关断阳极电流I ATO （d）电流关断增益βoff ——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值I GM之比称为电流关断增益。 βoff一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断
电力电子课后习题答案-部分
2-11试列举你所知道的电力电子器件，并从不同的角度对这些电力电子器件进行分类。目前常用的控型电力电子器件有哪些? 答：1. 按照器件能够被控制的程度，分为以下三类： （1）半控型器件：晶闸管及其派生器件 （2）全控型器件：IGBT,MOSFET，GTO,GTR （3）不可控器件:电力二极管 2. 按照驱动信号的波形（电力二极管除外） （1）脉冲触发型：晶闸管及其派生器件 （2）电平控制型：（全控型器件）IGBT,MOSFET，GTO,GTR 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： （1）单极型器件：电力 MOSFET，功率 SIT,肖特基二极管 （2）双极型器件：GTR,GTO,晶闸管，电力二极管等 （3）复合型器件：IGBT,MCT,IGCT 等 4.按照驱动电路信号的性质，分为两类： （1）电流驱动型：晶闸管，GTO，GTR 等 （2）电压驱动型：电力 MOSFET,IGBT 等 常用的控型电力电子器件：门极可关断晶闸管, 电力晶闸管，电力场效应晶体管，绝缘栅双极晶体管。 2-15 对晶闸管触发电路有哪些基本要求？晶闸管触发电路应满足下列要求： １）触发脉冲的宽度应保证晶闸管的可靠导通； ２）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的3-5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达到1-2A/US。 ３）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠出发区域之内。 ４）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。 2-18 ＩＧＢＴ、ＧＴＲ、ＧＴＯ和电力ＭＯＳＦＥＴ的驱动电路各有什么特点？ IGBT驱动电路的特点是：驱动电路具有较小的输出电阻，IGBT是电压驱动型器件，IGBT 的驱动多采用专用的混合集成驱动器。 GTR驱动电路的特点是：驱动电路提供的驱动电流有足够陡的前沿，并有一定的过冲，这样可加速开通过程，减小开通损耗；关断时，驱动电路能提供幅值足够大的反向基极驱动电流，并加反偏截止电压，以加速关断速度。 GTO驱动电路的特点是：GTO要求其驱动电路提供的驱动电流的前沿应有足够的幅值和陡度，且一般需要在整个导通期间施加正门极电流，关断需施加负门极电流，幅值和陡度要求更高，其驱动电路通常包括开通驱动电路，关断驱动电路和门极反偏电路三部分。 电力MOSFET驱动电路的特点：要求驱动电路具有较小的输入电阻，驱动功率小且电路简单。 2、晶闸管对触发脉冲的要求是要有足够的驱动功率、触发脉冲前沿要陡幅值要高和触发脉冲要与晶闸管阳极电压同步。 1.晶闸管两端并联R、C吸收回路的主要作用有哪些？其中电阻R的作用是什么？ 答：R、C回路的作用是：吸收晶闸管瞬间过电压，限制电流上升率，动态均压作用。R的作用为：使L、C形成阻尼振荡，不会产生振荡过电压，减小晶闸管的开通电流上升率，降低开通损耗。、