1-1電力電子系統：由控制電路、驅動電路、保護電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。圖1-1

電力電子器件在實際應用中的系統組成控制電路檢測電路驅動電路RL主電路V1V2保護電路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正常可靠運行第三節電力半導體器件電氣隔離控制電路1-2不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信號來控制其通斷,因此也就不需要驅動電路。半控型器件（Thyristor）

——通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷。全控型器件（IGBT,MOSFET)——通過控制信號既可控制其導通又可控制其關斷，又稱自關斷器件。電力電子器件的分類按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：｛晶閘管及其派生器件｛絕緣柵雙極晶體管電力效應晶體管門極可關斷晶體管門極可關斷晶體管處理兆瓦級大功率電能電力二極管只有兩個端子1-3單極型

——有一種載流子參與導電。如功率晶體管（GTR）、門極可關斷晶閘管（GTO）。雙極型

——電子和空穴兩種載流子參與導電。如功率場效應晶體管（MODFET）混合型

——單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件。如晶閘管（SCR）電力電子器件的分類

按照器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況，分為三類：1-4

PowerDiode結構和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應用。快恢復二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。不可控器件—功率二極管整流二極管及模塊1-5基本結構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結和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。

電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號

a)外形b)結構c)電氣圖形符號PN結與電力二極管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK1-6

晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號a)外形b)結構c)電氣圖形符號

晶閘管的結構與工作原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝。有三個聯接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。半控器件—晶閘管1-7

晶閘管的結構與工作原理式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由以上式可得：

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

按晶體管的工作原理，得：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）（1-5）1-8

晶閘管的結構與工作原理在低發射極電流下是很小的，而當發射極電流建立起來之后，迅速增大。

阻斷狀態：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和。開通狀態：注入觸發電流使晶體管的發射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA，將趨近于無窮大，實現飽和導通。IA實際由外電路決定。1-9

晶閘管的結構與工作原理陽極電壓升高至相當高的數值造成雪崩效應陽極電壓上升率du/dt過高結溫較高光觸發光觸發可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應用于高壓電力設備中，稱為光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）。只有門極觸發是最精確、迅速而可靠的控制手段。其他幾種可能導通的情況：1-10

晶閘管的基本特性承受反向電壓時，不論門極是否有觸發電流，晶閘管都不會導通。承受正向電壓時，僅在門極有觸發電流的情況下晶閘管才能開通。晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以下。晶閘管正常工作時的特性總結如下：1-11

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。正向電壓超過正向轉折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1）靜態特性圖9.3-4晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG1-12

晶閘管的基本特性反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態時，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，可能導致晶閘管發熱損壞。圖9.3-4晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性1-13結構：與普通晶閘管的相同點：PNPN四層半導體結構，外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點：GTO是一種內部包含數十個甚至數百個共陽極的小GTO元的多元的功率集成器件。GTO元的陰極和門極在器件內部并聯在一起。圖9.3-13GTO的內部結構和電氣圖形符號

a)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形b)并聯單元結構斷面示意圖c)電氣圖形符號1）GTO的結構和工作原理

門極可關斷晶閘管1-14工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖9.3-14所示的雙晶體管模型來分析。

圖9.3-14晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理

1+2=1是器件臨界導通的條件。由P1N1P2和N1P2N2構成的兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益1和2

。

門極可關斷晶閘管1-15GTO能夠通過門極關斷的原因是其與普通晶閘管有如下區別：設計2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO。導通時1+2更接近1，導通時接近臨界飽和，有利門極控制關斷，但導通時管壓降增大。

多元集成結構，使得P2基區橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。

圖9.3-14晶閘管的工作原理

門極可關斷晶閘管1-16GTO導通過程與普通晶閘管一樣，只是導通時飽和程度較淺。GTO關斷過程中有強烈正反饋使器件退出飽和而關斷。多元集成結構還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強。

由上述分析我們可以得到以下結論：

門極可關斷晶閘管1-17功率晶體管功率晶體管（GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管）。耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時候也稱為PowerBJT。

應用20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和功率MOSFET取代。術語用法：1-18與普通的雙極結型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關特性好。通常采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結構。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯而成。功率晶體管1）GTR的結構和工作原理1-19功率晶體管在應用中，GTR一般采用共發射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為

——GTR的電流放大系數，反映了基極電流對集電極電流的控制能力。當考慮到集電極和發射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關系為ic=ib+Iceo

單管GTR的

值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達林頓接法可有效增大電流增益。空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib1）GTR的結構和工作原理1-20功率晶體管

(1)

靜態特性共發射極接法時的典型輸出特性：截止區、放大區和飽和區。在電力電子電路中GTR工作在開關狀態。在開關過程中，即在截止區和飽和區之間過渡時，要經過放大區。截止區放大區飽和區OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖9.4-4共發射極接法時GTR的輸出特性2）GTR的基本特性1-21功率晶體管開通過程延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。加快開通過程的辦法。關斷過程儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關斷時間toff

。加快關斷速度的辦法。GTR的開關時間在幾微秒以內，比晶閘管和GTO都短很多。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖9.4-5GTR的開通和關斷過程電流波形(2)

動態特性1-22功率晶體管前已述及：電流放大倍數（）、直流電流增益hFE()、集射極間漏電流Iceo、集射極間飽和壓降Uces、開通時間ton和關斷時間toff

(此外還有)：（1)

最高工作電壓

3）GTR的主要參數1-23功率晶體管通常規定為hFE下降到規定值的1/2~1/3時所對應的Ic。實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點。

3)

集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率。產品說明書中給PcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。

2)

集電極最大允許電流IcM1-24功率晶體管一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大。只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。

二次擊穿：一次擊穿發生時，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。安全工作區（SafeOperatingArea——SOA）最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceMGTR的安全工作區GTR的二次擊穿現象與安全工作區功率場效應晶體管1-26功率場效應晶體管分為結型和絕緣柵型通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）簡稱功率MOSFET（PowerMOSFET）結型功率場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）

特點——用柵極電壓來控制漏極電流驅動電路簡單，需要的驅動功率小。開關速度快，工作頻率高。熱穩定性優于GTR。電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。功率場效應晶體管1-27功率場效應晶體管功率MOSFET的種類

按導電溝道可分為P溝道和N溝道。

耗盡型——當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道。

增強型——對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道。

功率MOSFET主要是N溝道增強型。一、功率MOSFET的結構和工作原理1-28

功率場效應晶體管截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區與N漂移區之間形成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流流過。導電：在柵源極間加正電壓UGS當UGS大于UT時，P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電。圖9.5-1功率MOSFET的結構和電氣圖形符號功率MOSFET的工作原理1-29

功率場效應晶體管

(1)靜態特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉移特性。ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020305040飽和區非飽和區截止區ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖9.5-2

功率MOSFET的轉移特性和輸出特性

a)轉移特性b)輸出特性2）功率MOSFET的基本特性GSDVGS+-VDS+-n-channel1-30

功率場效應晶體管截止區（對應于GTR的截止區）飽和區（對應于GTR的放大區）非飽和區（對應GTR的飽和區）工作在開關狀態，即在截止區和非飽和區之間來回轉換。圖9.5-2功率MOSFET的轉移特性和輸出特性

a)轉移特性b)輸出特性MOSFET的漏極伏安特性：010203050402468a)10203050400b)1020305040飽和區非飽和區截止區ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A漏源電壓增加時漏極電流不再增加飽和非飽和漏源電壓增加時漏極電流相應增加1-31

功率場效應晶體管開通過程開通延遲時間td(on):從uP前沿時刻到uGS=UT并開始出現iD的這段時間上升時間tr:uGS從開啟電壓上升到MOSFET進入非飽和區的柵壓uGSP的時間開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖9.5-5

功率MOSFET的開關過程a)測試電路b)開關過程波形up—脈沖信號源，Rs—信號源內阻，RG—柵極電阻，RL—負載電阻，RF—檢測漏極電流(2)

動態特性ton=td(on)+tr1-32

功率場效應晶體管關斷過程關斷延遲時間td(off):從脈沖電壓up下降到零時，柵極輸入電容Cin通過信號源內阻RG(》RS)和柵極電阻開始放電，柵極電壓uGS按指數曲線下降，下降到uGSP時，漏極電流iD開始減小的這段時間.下降時間tf:Cin繼續放電，uGS從繼續下降，iD減小，到

uSG<UT時溝道消失，iD下降到零的時間.a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖9.5-5

功率MOSFET的開關過程a)測試電路b)開關過程波形up—脈沖信號源，Rs—信號源內阻，RG—柵極電阻，RL—負載電阻，RF—檢測漏極電流(2)

動態特性1-33

功率場效應晶體管關斷過程關斷時間toff——關斷延遲時間和下降時間之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖9.5-5

功率MOSFET的開關過程a)測試電路b)開關過程波形up—脈沖信號源，Rs—信號源內阻，RG—柵極電阻，RL—負載電阻，RF—檢測漏極電流(2)

動態特性toff=td(off)+tf1-34

功率場效應晶體管

MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關系。可降低驅動電路內阻Rs減小時間常數，加快開關速度。不存在少子儲存效應，關斷過程非常迅速。開關時間在10~100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場控器件，靜態時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率。開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。MOSFET的開關速度1-35

功率場效應晶體管3)功率MOSFET的主要參數

——功率MOSFET電壓定額(1)

漏極電壓UDS

(2)

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM——功率MOSFET電流定額(3)

柵源電壓UGS——UGS>20V將導致絕緣層擊穿。

除跨導Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有：

(4)

極間電容——極間電容CGS、CGD和CDS1-36絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長補短結合而成的復合器件—Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）GTR和MOSFET復合，結合二者的優點。1986年投入市場，是中小功率電力電子設備的主導器件。繼續提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。GTR和GTO的特點——雙極型，電流驅動，有電導調制效應，通流能力很強，開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。

MOSFET的優點——單極型，電壓驅動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單。1-37絕緣柵雙極晶體管1)IGBT的結構和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發射極E圖9.6-1IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內部結構斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號1-38絕緣柵雙極晶體管圖a—N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入區，具有很強的通流能力。簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結構，一個由MOSFET驅動的厚基區PNP晶體管。RN為晶體管基區內的調制電阻。圖9.6-1IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內部結構斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號IGBT的結構1-39絕緣柵雙極晶體管

驅動原理與功率MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。屬于電壓控制型功率器件。導通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。通態壓降：電導調制效應使電阻RN減小，使通態壓降減小。關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。IGBT的原理1-40a)b)O有源區正向阻斷區飽和區反向阻斷區ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加絕緣柵雙極晶體管2)IGBT的基本特性(1)

IGBT的靜態特性圖9.6-2IGBT的轉移特性和輸出特性a)轉移特性b)輸出特性轉移特性——IC與UGE間的關系(開啟電壓UGE(th))輸出特性分為三個區域：正向阻斷區、有源區和飽和區。1-41絕緣柵雙極晶體管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖9.6-4IGBT的開關過程IGBT的開通過程

與MOSFET的相似開通延遲時間td(on):驅動電壓uGE前沿上升至幅值的10%到集電極電流iC上升至幅值的10%的時間電流上升時間tr:集電極電流iC從10%ICM上升90%ICM的時間開通時間ton:

ton=td(on)+tr

(2)

IGBT的動態特性1-42絕緣柵雙極晶體管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖9.6-4IGBT的開關過程IGBT的開通過程

與MOSFET的相似uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。

tfv1——IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程；

tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。(2)

IGBT的動態特性1-43絕緣柵雙極晶體管圖9.6-4IGBT的開關過程關斷延遲時間td(off）:驅動電壓uGE后沿下降至幅值的90%到集電極電流iC下降至幅值的90%的時間電流下降時間:集電極電流iC從90%ICM下降至10%ICM的時間

關斷時間toff:

toff=td(off)+tf

IGBT的關斷過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1-44絕緣柵雙極晶體管圖9.6-4IGBT的開關過程電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT器件內部的MOSFET的關斷過程，iC下降較快。tfi2——IGBT內部的PNP晶體管的關斷過程，iC下降較慢。IGBT的關斷過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1-45絕緣柵雙極晶體管圖9.6-4IGBT的開關過程IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導調制效應的好處，但也引入了少子儲存現象，因而IGBT的開關速度低于電力MOSFET。IGBT的擊穿電壓、通態壓降和關斷時間也是需要折衷的參數。高壓器件的N基區必須有足夠寬度和較高的電阻率，這會引起通態壓降的增大和關斷時間的延長。ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1-46絕緣柵雙極晶體管3)IGBT的主要參數正常工作溫度下允許的最大功耗。(4)

最大集電極功耗PCM管子導通是允許流過的最大持續電流，包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。

(3)

最大集電極電流

由內部PNP晶體管的擊穿電壓確定，通常是柵發極短路時，集射間的耐壓值。(1)

最大集射極間電壓UCES絕緣柵雙極晶體管器件優點缺點應用領域GTR耐壓高，電流大，開關特性好，通流能力強，飽和壓降低開關速度低，電流驅動型需要驅動功率大，驅動電路復雜，存在2次擊穿問題UPS、空調等中小功率中頻場合GTO電壓、電流容量很大，適用于大功率場合，具有電導調制效應，其通流能力很強電流關斷增益小，關斷時門極負脈沖電流大，開關速度低，驅動功率大，驅動電路復雜，開關頻率低高壓直流輸電、高壓靜止無功補償、高壓電機驅動、電力機車地鐵等高壓大功率場合。MOSFET開關速度快，開關損耗小，工作頻率高，門極輸入阻抗高，熱穩定性好，驅動功率小，驅動電路簡單，沒有2次擊穿電流容量小，耐壓低，通態損耗較大，一般適合于高頻小功率場合開關電源、日用電氣、民用軍用高頻電子產品IGBT開關速度高，開關損耗小，通態壓降低，電壓、電流容量較高。門極輸入阻抗高，驅動功率小，驅動電路簡單開關速度不及電力MOSFET，電壓、電流容量不及GTO。電機調速，逆變器、變頻器等中等功率、中等頻率的場合，已取代GTR。應用最廣泛的電力電子器件。

電力電子器件的選用和保護電力電子器件的選用和保護電力電子器件的串聯和并聯使用靜態均壓措施選用參數和特性盡量一致的器件采用電阻均壓，Rp的阻值應比器件阻斷時的正、反向電阻小得多晶閘管的串聯動態均壓措施動態不均壓——由于器件動態參數和特性的差異造成的不均壓。如開通時間或反向恢復時間的偏差引起的分壓不均。動態均壓措施：選擇動態參數和特性盡量一致的器件用RC并聯支路作動態均壓采用門極強脈沖觸發可以顯著減小器件開通時間上的差異2.12.1晶閘管的串聯均流措施:挑選特性參數盡量一致的器件在SCR支路上串聯電抗用門極強脈沖觸發也有助于動態均流當需要同時串聯和并聯晶閘管時，通常采用先串后并的方法聯接晶閘管的并聯在使用電力電子器件時，除了要注意選擇參數合適的器件、設計有效的驅動電路，還要采取必要的措施，進行過電壓保護和過電流保護，同時還要抑制過大的di/dt和du/dt。電力電子器件的保護電力電子裝置可能的過電壓—外因過電壓和內因過電壓外因過電壓主要來自雷擊和系統中的操作過程等外因雷擊過電壓：由雷擊引起操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起。電力電子器件的保護

內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程

1）換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯的二極管在換相結束后不能立刻恢復阻斷，因而有較大