主要內(nèi)容：電力電子技術(shù)的根本概念、學(xué)科地位、根本內(nèi)容和開(kāi)展歷史、電力電子技

術(shù)的應(yīng)用范圍和開(kāi)展前景、本課程的任務(wù)與要求。

1什么是電力電子技術(shù)

電子技術(shù)一信息電子技術(shù)、電力電子技術(shù)；

信息電子技術(shù)——模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)；

電力電子技術(shù)——應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和

控制的技術(shù)。

目前所用的電力電子器件均用半導(dǎo)體制成，故也稱電力半導(dǎo)體滯件。

電力電子技術(shù)變換的“電力”，可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW,也可小到數(shù)W甚至1W以下

信息電子技術(shù)主要用于信息處理，電力電子技術(shù)主要用于電力變換

電力----交流和直流兩種

從公用電網(wǎng)直接得到的電力是交流，從蓄電池和干電池得到的電力是直流。

電力變換通常可分為四大類，即交流變直流、直流變交流、直流變直流和交流變交流。

進(jìn)行電力變換的技術(shù)稱為變流技術(shù).

表0-1電力變換的種類

輸入交流宜流交流直流

輸出直流直流交流交流

種類在流整流直流斬波交流交流電力控制變頻、變相逆變

電力電子技術(shù)的兩個(gè)分支：電力電子器件制造技術(shù)、變流技術(shù)(電力電子器件的應(yīng)用

技術(shù))

變流技術(shù)：包括用電力電了器件構(gòu)成各種電力變換電路和對(duì)這些電路進(jìn)行控制的技術(shù),

以及由這些電路構(gòu)成電力電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術(shù)。"變流''不只指交直流之間的變

換，也包括上述的直流變直流和交流變交流的變換。

電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的根底，其理論根底是半導(dǎo)體物理

變流技術(shù)是電力電子技術(shù)的核心，其理論根底是電路理論

“電力電子技術(shù)''和”電力電子學(xué)”兩個(gè)名詞的關(guān)系

電力電子學(xué)(PowerElectronics)這一，名稱60年代出現(xiàn)

1974年，美國(guó)的W.Newell用圖51的倒三角形對(duì)電力電子學(xué)進(jìn)行了描述，被全世界

普遍接受

圖0-1描述電力電子學(xué)的倒三角形

“電力電子學(xué)”和“電力電子技術(shù)''是分別從學(xué)術(shù)和工程技術(shù)兩個(gè)不同的角度來(lái)稱呼的，

其實(shí)際內(nèi)容并沒(méi)有很大的不同。

電力電子技術(shù)和電子學(xué)的關(guān)系

電子學(xué)——電子器件和電子電路兩大分支，分別與電力電子器件和電力電子電路相對(duì)

應(yīng)

電力電子器件的制造技術(shù)和電子器件制造技術(shù)的理論根底是一樣的，其大多數(shù)工藝也

是相同的。特別是現(xiàn)代電力電子器件的制造大都使用集成電路制造工藝，采用微電子制造

技術(shù)，許多設(shè)備都和微電子器件制造設(shè)備通用，這說(shuō)明二者同根同源。

電力電子電路和電子電路的許多分析方法也是一致的，只是二者應(yīng)用目的不同，前者

用于電力變換和控制，后者用于信息處理。廣義而言，電子電路中的功率放大和功率輸出

局部也可算做電力電子電路。此外，電力電子電路廣泛用于包括電視機(jī)、計(jì)算機(jī)在內(nèi)的各

種電子裝置中，其電源局部都是電力電子電路

在信息電子技術(shù)中，半導(dǎo)體器件既可處于放大狀態(tài)，也可處于開(kāi)關(guān)狀念；而在電力電

子技術(shù)中為防止功率損耗過(guò)大，電力電子器件總是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，這是電力電子技術(shù)的

一個(gè)重要特征。

(1)電力電子技術(shù)與電氣工程的關(guān)系

電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，這就是電力電子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系

“電力學(xué)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)在我國(guó)已不太應(yīng)用，可用“電工科學(xué)”或“電氣工程”取代之

各種電力電子裝置廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、靜止無(wú)功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、交直流

電力傳動(dòng)、電解、勵(lì)磁、電加熱、高性能交直流電源等電力系統(tǒng)和電氣工程中，因此，通

常把電力電子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科。電力電子技術(shù)是電氣工程學(xué)科中的一個(gè)最為活潑

的分支。電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步給電氣工程的現(xiàn)代化以巨大的推動(dòng)力，是保持電氣工程

恬力的重要源泉。

(2)電力電子技術(shù)與控制理論的關(guān)系

控制理論廣泛用于電力電子技術(shù)中，它使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿足人們?nèi)?/p>

益增長(zhǎng)的各種需求。

電力電子技術(shù)可以看成是弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，是弱電和強(qiáng)電之間的接口。而控制理

論那么是實(shí)現(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶。

控制理論和自動(dòng)化技術(shù)密不可分，而電力電子裝置那么是自動(dòng)化技術(shù)的根底元件和重

要支撐技術(shù)。

(3)21世紀(jì)電力電子技術(shù)的前景

電力電子技術(shù)是20世紀(jì)后半葉誕生和開(kāi)展的一門嶄新的技術(shù)

可以預(yù)見(jiàn)，在21世紀(jì)電力電子技術(shù)仍將以迅猛的速度開(kāi)展

以計(jì)算機(jī)為核心的信息科學(xué)將是21世紀(jì)起主導(dǎo)作用的科學(xué)技術(shù)之一

電力電子技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制一起，將和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同成為未來(lái)科學(xué)技術(shù)的兩大支柱

把計(jì)算機(jī)的作用比做人的大腦。那么，可以把電力電子技術(shù)比做人的消化系統(tǒng)和循環(huán)

系統(tǒng)。消化系統(tǒng)對(duì)能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換(把電網(wǎng)或其他電源提供的“粗電”變成適合于使用的“精

電”)，再由以心臟為中心的循環(huán)系統(tǒng)把轉(zhuǎn)換后的能量傳送到大腦和全身。電力電子技術(shù)

連同運(yùn)動(dòng)控制一起，還可比做人的肌肉和四肢，使人能夠運(yùn)動(dòng)和從事勞動(dòng)

電力電子技術(shù)在21世紀(jì)中將會(huì)起著十分重要的作用，有著十分光明的未來(lái)。

2電力電子技術(shù)的開(kāi)展史

電力電子器件的開(kāi)展對(duì)電力電子技術(shù)的開(kāi)展起著決定性的作用，因此，電力電子技術(shù)

的開(kāi)展史是以電力電子器件的開(kāi)展史為綱的。

(1)電力電子技術(shù)的誕生

以1957年美國(guó)通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管為標(biāo)志

電力電子技術(shù)的史前期或黎明期

晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期，用于電力變換的電子技術(shù)已經(jīng)存在

1904年出現(xiàn)了電子管，它能在真空中對(duì)電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無(wú)線電，從

而開(kāi)了電子技術(shù)之先河

后來(lái)出現(xiàn)了水銀整流器，其性能和晶閘管很相似。在30年代到50年代，是水銀整流

器開(kāi)展迅速并大量應(yīng)用的時(shí)期。它廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用

直流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)，甚至用于直流輸電。

這一時(shí)期，各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)開(kāi)展成熟并廣為應(yīng)用。

在晶閘管出現(xiàn)以后的相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)，所使用的電路形式仍然是這些形式。

這一時(shí)期，把交流變?yōu)橹绷鞯姆椒ǔy整流器外，還有開(kāi)展更早的電動(dòng)機(jī)一直流發(fā)

電機(jī)組，即變流機(jī)組。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組相對(duì)應(yīng)，靜止變流器的稱呼從水銀整流器開(kāi)始而沿

用至今。

1947年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造了晶體管，引發(fā)了電子技術(shù)的一場(chǎng)革命

最先用于電力領(lǐng)域的半導(dǎo)體器件是硅二極管

(2)晶閘管

1957年開(kāi)始，晶閘管出現(xiàn)后，由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使之很快就取代了

水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，并且其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。電化學(xué)工業(yè)、鐵道電氣機(jī)車、

鋼鐵工業(yè)(軋鋼用電氣傳動(dòng)、感應(yīng)加熱等)、電力工業(yè)(直流輸電、無(wú)功補(bǔ)償?shù)?的迅速

開(kāi)展也有力地推動(dòng)了晶閘管的進(jìn)步。電力電子技術(shù)的概念和根底就是由于晶閘管及晶閘管

變流技術(shù)的開(kāi)展而確立的

晶閘管是通過(guò)對(duì)門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，因而屬于半控型器

件

對(duì)晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外

部條件來(lái)實(shí)現(xiàn)

(3)全控型器件

70年代后期開(kāi)始

門極可關(guān)斷晶閘管(GT0)、電力雙極型晶體管(BJT)和電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

(Power-MOSFET)為代表

全控型器件的特點(diǎn)是，通過(guò)對(duì)門極(基極、柵極)的控制既可使其開(kāi)通又可使其關(guān)斷

開(kāi)關(guān)速度普遍高于晶閘管，可用于開(kāi)關(guān)頻率較高的電路

這些優(yōu)越的特性使電力電子技術(shù)的面貌煥然一新，把電力電子技術(shù)推進(jìn)到一個(gè)新的開(kāi)

展階段

和晶閘管電路的相位控制方式相對(duì)應(yīng)，采用全控型器件的電路的主要控制方式為脈沖

寬度調(diào)制(PWM)方式。PWM控制技術(shù)在電力電子變流技術(shù)中占有十分重要的位置，它在逆

變、斬波、整流、變頻及交流電力控制中均可應(yīng)用。它使電路的控制性能大為改善，使以

前難以實(shí)現(xiàn)的功能也得以實(shí)現(xiàn)，對(duì)電力電子技術(shù)的開(kāi)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

復(fù)合型器件和功率集成電路

80年代后期開(kāi)始

復(fù)合型器件：

以絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)為代表

IGBT是MOSFET和BJT的復(fù)合

它把MOSFET的驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)和BJT通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點(diǎn)

集于一身，性能十分優(yōu)越，使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件

與IGBT相對(duì)應(yīng),MOS控制晶閘管(MCT)和集成門極換流晶閘管(1GCT)都是MOSFET

和GTO的復(fù)合，它們也綜合了MOSFET和GTO兩種器件的優(yōu)點(diǎn)。

模塊：為了使電力電子裝置的結(jié)構(gòu)緊湊、體積減小，常常把假設(shè)干個(gè)電力電子器件及

必要的輔助元件做成模塊的形式，這給應(yīng)用帶來(lái)了很大的方便

功率集成電路：把驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)電路和功率器件集成在一起，構(gòu)成功率集成電路

(PIOo目前其功率都還較小，但代表了電力電子技術(shù)開(kāi)展的一個(gè)重要方向

(4)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電子電路的工作頻率也不斷提高

同時(shí)，電力電子器件的開(kāi)關(guān)損耗也隨之增大。為了減小開(kāi)關(guān)損耗，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)便應(yīng)運(yùn)

而生

零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)和零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)就是軟開(kāi)關(guān)的最根本形式

理論上講采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可使開(kāi)關(guān)損耗降為零，可以提高效率

也使得開(kāi)關(guān)頻率可以進(jìn)一步提高，從而提高了電力電子裝置的功率密度

3電力電子技術(shù)的應(yīng)用

(1)一般工業(yè)

工業(yè)中大量應(yīng)用各種交直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)有良好的調(diào)速性能，給其供電的可控

整流電源或直流斬波電源都是電力電了裝置。近年來(lái)，由于電力電了變頻技術(shù)的迅速開(kāi)展,

使得交流電機(jī)的調(diào)速性能可與直流電機(jī)相媲美，交流調(diào)速技術(shù)大量應(yīng)用并占據(jù)主導(dǎo)地位。

大至數(shù)千kW的各種軋鋼機(jī)，小到幾百W的數(shù)控機(jī)床的伺服電機(jī)，以及礦山牽引等場(chǎng)合都廣

泛采用電力電子交直流調(diào)速技術(shù)。一些對(duì)調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)等近年來(lái)也采用

了變頻裝置，以到達(dá)節(jié)能的目的。還有些不調(diào)速的電機(jī)為了防止起動(dòng)時(shí)的電流沖擊而采用

了軟起動(dòng)裝置，這種軟起動(dòng)裝置也是電力電子裝置。

電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍

裝置也需要整流電源。

電力電子技術(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高頻、中頻感應(yīng)加熱電源、淬火電源及直流電

弧爐電源等場(chǎng)合。

(2)交通運(yùn)輸

電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。電氣機(jī)車中的直流機(jī)車中采用整流裝置，交流

機(jī)車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來(lái)的磁懸浮列車中，電力電子

技術(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機(jī)傳動(dòng)外，車輛中的各種輔助電源也都離不開(kāi)電力電子

技術(shù)。

電動(dòng)汽車的電機(jī)靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)動(dòng)控制，其蓄電池的充電也離不開(kāi)

電力電子裝置。一臺(tái)高級(jí)汽車中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠變頻器和斬波器驅(qū)動(dòng)并控

制。

飛機(jī)、船舶需要很多不同要求的電源，因此航空和航海都離不開(kāi)電力電子技術(shù)。

如果把電梯也算做交通運(yùn)輸，那么它也需要電力電子技術(shù)。以前的電梯大都采用直流

調(diào)速系統(tǒng)，而近年來(lái)交流變頻調(diào)速已成為主流。

(3)電力系統(tǒng)

電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中有著非常廣泛的應(yīng)用。據(jù)估計(jì)，興旺國(guó)家在用戶最終使用

的電能中，有.60%以上的電能至少經(jīng)過(guò)一次以上電力電子變流裝置的處理。電力系統(tǒng)在通

向現(xiàn)代化的進(jìn)程中，電力電子技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，如果離開(kāi)電力電

子技術(shù)，電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化就是不可想象的。

直流輸電在長(zhǎng)距離、大容量輸電時(shí)有很大的優(yōu)勢(shì)，其送電端的整流閥和受電端的逆變

閥都采用晶閘管變流裝置。近年開(kāi)展起來(lái)的柔性交流輸電(FACTS)也是依靠電力電子裝置

才得以實(shí)現(xiàn)的。

無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制對(duì)電力系統(tǒng)有重要的意義。晶閘管控制電抗器(TCR)、晶閘管投

切電容器(TSC)都是重要的無(wú)功補(bǔ)償裝置。近年來(lái)出現(xiàn)的靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)、有源

電力濾波器(APF)等新型電力電子裝置具有更為優(yōu)越的無(wú)功功率和諧波補(bǔ)償?shù)男阅?。在?/p>

電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行電

能質(zhì)量控制，改善供電質(zhì)量。

在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電

子裝置。

(4)電子裝置用電源

各種電子裝置一般都需要不同電壓等級(jí)的直流電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所

用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻開(kāi)關(guān)電源。大型

計(jì)算機(jī)所需的工作電源、微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開(kāi)關(guān)電源。在各種電子

裝置中，以前大量采用線性穩(wěn)壓電源供電，由于高頻開(kāi)關(guān)電源體積小、重量輕、效率高，

現(xiàn)在已逐漸取代了線性電源。因?yàn)楦鞣N信息技術(shù)裝置都需要電力電子裝置提供電源，所以

可以說(shuō)信息電子技術(shù)離不開(kāi)電力電子技術(shù)。

(5)家用電器

照明在家用電器中占有十分突出的地位。由于電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、

可節(jié)省大量能源，通常被稱為“節(jié)能燈”，它正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。

變頻空調(diào)器是家用電器中應(yīng)用電力電子技術(shù)的典型例子。電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計(jì)

算機(jī)等電子設(shè)備的電源局部也都需要電力電子技術(shù)。此外，有些洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐

等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。

電力電子技術(shù)廣泛用于家用電器使得它和我們的生活變得十分貼近。

(6)其他

不間斷電源(UPS)在現(xiàn)代社會(huì)中的作用越來(lái)越重要，用量也越米越大，在電力電子產(chǎn)

品中已占有相當(dāng)大的份額。

航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器中為了人的生存和工作，也離不

開(kāi)各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)。

傳統(tǒng)的發(fā)電方式是火力發(fā)電、水力發(fā)電以及后來(lái)興起的核能發(fā)電。能源危機(jī)后，各種

新能源、可再生能源及新型發(fā)電方式越來(lái)越受到重視。其中太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電的開(kāi)展

較快，燃料電池更是備受關(guān)注。太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電受環(huán)境的制約，發(fā)出的電力質(zhì)量較

差，常需要儲(chǔ)能裝置緩沖，需要改善電能質(zhì)量，這就需要電力電子技術(shù)。當(dāng)需要和電力系

統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時(shí).，也離不開(kāi)電力電子技術(shù)。

為了合理地利用水力發(fā)電資源，近年來(lái)抽水儲(chǔ)能發(fā)電站受到重視。其中的大型電動(dòng)機(jī)

的起動(dòng)和調(diào)速都需要電力電子技術(shù)。超導(dǎo)儲(chǔ)能是未來(lái)的一種儲(chǔ)能方式，它需要強(qiáng)大的直流

電源供電，這也離不開(kāi)電力電子技術(shù)。

核聚變反響堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)和注入能量時(shí)，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是

電力電子裝置?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)或某些特殊場(chǎng)合，常常需要一些特種電源，這也是電力電子技術(shù)

的用武之地。

以前電力電子技術(shù)的應(yīng)用偏重于中、大功率?，F(xiàn)在，在IkW以下，甚至兒十W以下的

功率范圍內(nèi)，電力電子技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣，其地位也越來(lái)越重要。這已成為一個(gè)重要

的開(kāi)展趨勢(shì)，值得引起人們的注意。

總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。從人類對(duì)宇宙和大自然的探索，到國(guó)民經(jīng)

濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，再到我們的衣食住行，到處都能感受到電力電子技術(shù)的存在和巨大魅力。

這也激發(fā)了一代又一代的學(xué)者和工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)、研究電力電子技術(shù)并使其飛速開(kāi)展。

電力電子裝置提供應(yīng)負(fù)載的是各種不同的直流電源、恒頻交流電源和變頻交流電源，

因此也可以說(shuō)，電力電子技術(shù)研究的也就是電源技術(shù)。

電力電子技術(shù)對(duì)節(jié)省電能有重要意義。特別在大型風(fēng)機(jī)、水泵采用變頻調(diào)速方面，在

使用量十分龐大的照明電源等方面，電力電子技術(shù)的節(jié)能效果十分顯著，因此它也被稱為

是節(jié)能技術(shù)。

電力電子器件

主要內(nèi)容：各種二極管、半控型器件-品閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、

動(dòng)態(tài)參數(shù)，器件的選取原那么，典型全控型器件：GTO、電力MOSFET、IGBT,功率集成

電路和智能功率模塊，電力電子器件的串并聯(lián)、電力電子器件的保護(hù)，電力電子器件的驅(qū)

動(dòng)電路。

重點(diǎn)：晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)，器件的選取原那

么，典型全控型器件。

難點(diǎn)：晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)。

根本要求：掌握半控型器件.晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參

數(shù)，熟練掌握器件的選取原那么，掌握典型全控型器件，了解電力電子器件的串并聯(lián)，了

解電力電子器件的保護(hù)。

1電力電子器件概述

⑴電力電子器件的概念和特征

主電路(mainpowercircuit)-電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承當(dāng)電能的變換或控制任

務(wù)的電路；

電力電子器件(powerelectronicdevice)--可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能

的變換或控制的電子器件；

廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類。

兩類中，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，真空管僅在頻率很高［如微波)的大功率高頻電源

中還在使用，而電力半導(dǎo)體器件已取代了汞弧整流器(MercuryArcRectifier),閘流管

(Thyratron)等電真空器件，成為絕對(duì)主力。因此，電力電子器件目前也往往專指電力半

導(dǎo)體器件。

電力半導(dǎo)體器件所采用的主要材料仍然是硅。

同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征：

a.能處理電功率的大小，即承受電壓和電流的能力，是最重要的參數(shù)；

其處理電功率的能力小至亳瓦級(jí)，大至兆瓦級(jí)，大多都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。

b.電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)；

導(dǎo)通時(shí)(通態(tài))阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，而電流由外電路決定；

阻斷時(shí)(斷態(tài))阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決

定；

電力電子器件的動(dòng)態(tài)特性(也就是開(kāi)關(guān)特性)和參數(shù)，也是電力電子器件特性很重要

的方面，有些時(shí)候甚至上升為第一位的重要問(wèn)題。

作電路分析時(shí)，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)往往用理想開(kāi)關(guān)來(lái)代替

c.實(shí)用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制。

在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對(duì)控制電路的信號(hào)進(jìn)行放大，這就是

電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路。

d.為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過(guò)高而損壞，不僅在器件封裝上講究

散熱設(shè)計(jì)，在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器。

導(dǎo)通時(shí)器件上有一定的通態(tài)壓降，形成通態(tài)損耗

阻斷時(shí)器件上有微小的新態(tài)漏電流流過(guò)，形成斷態(tài)損耗

在器件開(kāi)通或關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗，總稱開(kāi)關(guān)損耗

對(duì)某些器件來(lái)講，驅(qū)動(dòng)電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一

通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小，因而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因

器件開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素

⑵應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成

電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。

控制電路按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電力電子器

件的通或斷，來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。

有的電力電子系統(tǒng)中，還需要有檢測(cè)電路。廣義上往往其和驅(qū)動(dòng)電路等主電路之外的

電路都?xì)w為控制電路，從而粗略地說(shuō)電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成的。

主電路中的電壓和電流一般都較大，而控制電路的元器件只能承受較小的電壓和電流,

因此在主電路和控制電路連接的路徑上，如驅(qū)動(dòng)電路與主電路的連接處，或者驅(qū)動(dòng)電路與

控制信號(hào)的連接處，以及主電路與檢測(cè)電路的連接處，一般需要進(jìn)行電氣隔離，而通過(guò)其

它手段如光、磁等來(lái)傳遞信號(hào)。

由于主電路中往往有電壓和電流的過(guò)沖，而電力電子器件一般比主電路中普通的元器

件要昂貴，但承受過(guò)電壓和過(guò)電流的能力卻要差一些，因此，在主電路和控制電路中附加

一些保護(hù)電路，以保證電力電子器件和整個(gè)電力電子系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行，也往往是非常必

要的。

器件一般有三個(gè)端子(或稱極)，其中兩個(gè)聯(lián)結(jié)在主電路中，而第三端被稱為控制端(或

攔制極)。器件通斷是通過(guò)在其控制端和一個(gè)主電路端子之間加一定的信號(hào)來(lái)控制的，這個(gè)

主電路端子是驅(qū)動(dòng)電路和主電路的公共端，一般是主電路電流流出器件的端子。

⑶電力電子器件的分類

按照器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，分為以下三類：

a.半控型器件-通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷

晶閘管(Thyristor)及其大局部派生器件

器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定

b.全控型器件-通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件

是絕緣柵雙極晶體管(Insulated-GateBipolarTransistor-IGBT)

電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(PowerMOSFET,簡(jiǎn)稱為電力MOSFET)

門極可關(guān)斷晶閘管(Gate-Turn-OffThyristor-GTO)

c.不可控器件-不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷，因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路

電力二極管(PowerDiode)

只有兩個(gè)端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的

按照驅(qū)動(dòng)電路加在器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：

電流驅(qū)動(dòng)型-通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制

電壓驅(qū)動(dòng)型-僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者

關(guān)斷的控制

電壓驅(qū)動(dòng)型器件實(shí)際上是通過(guò)加在控制端上的電壓在器件的兩個(gè)主電路端子之間產(chǎn)生

可控的電場(chǎng)來(lái)改變流過(guò)器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱為場(chǎng)控器件，或場(chǎng)效應(yīng)器件

按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類：

單極型器件--由一種載流子參與導(dǎo)電的器件

雙極型器件-由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件

復(fù)合型器件--由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件

2不可控器件-電力二極管

PowerDiode結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用

快恢復(fù)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(chǎng)

合，具有不可替代的地位

(1)PN結(jié)與電力二極管的工作原理

根本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣

以半導(dǎo)體PN結(jié)為根底

由一個(gè)面積較大的PN結(jié)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

圖

1-1電

力二

極管

的外

形、結(jié)

構(gòu)和

電氣

圖形

符號(hào)

a)外形b)結(jié)構(gòu)0電氣圖形符號(hào)

PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài),PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?/p>

PN結(jié)的反向擊穿：

有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導(dǎo)致熱擊穿。

PN結(jié)的電容效應(yīng)：

PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ,又稱為微分電容。

結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差異分為勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD

勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。

勢(shì)壘電容的人小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層厚度成反比

而擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為

主正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分

結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開(kāi)關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰?/p>

差，甚至不能工作，應(yīng)用時(shí)應(yīng)加以注意。

造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素：

正向?qū)〞r(shí)要流過(guò)很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注入水平較高，

電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略

引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響

承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應(yīng)也會(huì)有較大影響

為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大

(2)電力二極管的根本特性

a靜態(tài)特性

主要指其伏安特性

當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一定值(門檻電壓UTO),正向電流才開(kāi)始明顯增加,

處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當(dāng)

電力二極管承受反向電壓時(shí)，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。

b動(dòng)態(tài)特性

動(dòng)態(tài)特性-因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，此過(guò)程中的電

壓?電流特性是隨時(shí)間變化的

開(kāi)關(guān)特性-反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程

關(guān)斷過(guò)程：

須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)

在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖

(3)電力二極管的主要：

a.正向平均電流IF(A三

額定電流一

--在指定的管殼溫度(其允許流過(guò)的最大工頻

正弦半波電流的平均值

正向平均電流是按照?:按有效值相等的原那么

來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留心

當(dāng)用在頻率較高的場(chǎng)合圖1-2反向恢復(fù)過(guò)程中電流引電壓波形

當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時(shí)，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小

b.正向壓降UF

指電力二極管在指定溫改下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降

有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過(guò)某一瞬態(tài)正向大電流時(shí)器件的最大瞬時(shí)正向壓

降

c.反向重復(fù)峰值電壓URRM

指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最頂峰值電壓

通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3

使用時(shí)，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最頂峰值電壓的兩倍來(lái)選定

d.最高工作結(jié)溫TJM

結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示

最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度

TJM通常在125-175℃范圍之內(nèi)

e.反向恢復(fù)時(shí)間trr

tiT=td+tf,關(guān)斷過(guò)程中，電流降到0起到恢復(fù)反響阻斷能力止的時(shí)間

f.浪涌電流IFSM

指電力二極管所能承受電大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。

(4)電力二極管的主要類型

按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹

在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)合的不同要求，選擇不同類型的電力二極管

性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差異造成的

a.普通二極管(GeneralPurposeDiode)

又稱整流二極管(RectifierDiode)

多用于開(kāi)關(guān)頻率不高(1kHz以下)的整流電路中

其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5s以上，這在開(kāi)關(guān)頻率不高時(shí)并不重要

正向電流定額和反向電壓定額可以到達(dá)很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上

b.快恢復(fù)二極管(FastRecoveryDiode-FRD)

恢復(fù)過(guò)程很短特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短(5s以下)的二極管，也簡(jiǎn)稱快速二極管

工藝上多采用了摻金措施

有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)

有的采用改良的PiN結(jié)構(gòu)

采用外延型PiN結(jié)構(gòu)的的快恢復(fù)外延二極管(FastRecoveryEpitaxialDiodes--FRED),

其反向恢復(fù)時(shí)間更短1可低于50ns),正向壓降也很低(0.9V左右)，但其反向耐壓多在400V

以下

從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更

長(zhǎng)，后者那么在100ns以下，甚至到達(dá)20?30ns。

c.肖特基

以金屬和

BarrierDiode-

b)

20世紀(jì)80年優(yōu)以來(lái)，由于工藝的開(kāi)展得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用

肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)：

反向恢復(fù)時(shí)間很短(10-40ns)；

正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖；

在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管；

其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。

肖特基二極管的弱點(diǎn)：

當(dāng)反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于200V以下；

反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制

其工作溫度。

3半控型器件.?晶閘管

根本要求：掌握半控型器件.晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參

數(shù)，熟練掌握器件的選取原那么。

重點(diǎn)，晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理.、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)，器件的選取原那

么。

難點(diǎn)：晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)。

品閘管(Thyristor)：晶體閘流管，可控硅整流器(SiliconControlledRectifier-SCR)

1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室(BellLaboratories)創(chuàng)造了晶閘管

1957年美國(guó)通用電氣公司(GeneralElectricCompany)開(kāi)發(fā)出第一只晶剛管產(chǎn)品

1958年商業(yè)化

開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速開(kāi)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代

20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)始被性能更好的全控型器件取代

能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場(chǎng)合具有重要地位

晶閘管往往專指晶閘管的一種根本類型-普通晶閘管

廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件

(1)晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1-4晶閘管的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和模塊外形

a)晶閘管外形b)內(nèi)部結(jié)構(gòu)0電氣圖形符號(hào)d)模塊外形

外形有螺栓型和平板型兩種封裝

引出陽(yáng)極A、陰極K和門極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端

對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便

平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間

Icl=piIA+ICBOI(1-1)

Ic2邛2IK+ICBO2(1-2)

IK=IA+IG(1-3)

1A=1CI+1C2(1-4)

圖1-5晶閘管工作條件的實(shí)驗(yàn)電路圖1-6晶閘管的雙晶體管模型

式中pl和（32分別是晶體管VI和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是VI

和V2的共基極漏電流。

晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下a是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后，a

迅速增大。

阻斷狀態(tài)：IG=。，al+a2很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)品體管漏電流之和

開(kāi)通（門極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致al+a2趨近于1的話,

流過(guò)晶閘管的電流IA（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。1A實(shí)際由外電路決定。

其他幾種可能導(dǎo)通的情況：

陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)

陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高

結(jié)溫較高

光直接照射硅片，即光觸發(fā)

光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外，其

它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐，稱為光控晶閘管（LightTriggeredThyristor-LTT）

只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段

（2）晶閘管的根本特性

a.靜態(tài)特性：

承受反向電壓時(shí)，不管門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通；

承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通；

晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用；

要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。

晶閘管的伏安特性：

第I象限的是正向特性；

第IH象限的是反向特性；

匕=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過(guò)，正向

電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ub。，那么漏電流急劇增大，器件開(kāi)通；

隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低；

導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿；

晶閘管本身的壓降很小，在IV左右；

導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，那么

晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維持電流。

晶閘管上施加反向電壓時(shí)，伏安特性類似二極管的反向特性。

h

晶閘管的門極觸發(fā)電流從門

極流入晶閘管，從陰極流出，

陰極是晶閘管主電路與控制

電路的公共端,。

門極觸發(fā)電流也往往是通過(guò)

觸發(fā)電路在門極和陰極之間施加

觸發(fā)電壓而產(chǎn)生的。

晶閘管的門極和

陰極之間是PN結(jié)J3,

其伏安特性稱為門極

伏安特性。為保證可

靠、平安的觸發(fā)，觸發(fā)

電路所提供的觸發(fā)電

壓、電流和功率應(yīng)限

制在可靠觸發(fā)區(qū)。

b.動(dòng)態(tài)特性

1）開(kāi)通過(guò)程

延遲時(shí)間td：門極

電流階躍時(shí)刻開(kāi)始，到

陽(yáng)極電流上升到穩(wěn)態(tài)

值的10%的時(shí)間；

圖1-8晶閘管的動(dòng)態(tài)過(guò)程及相應(yīng)的損耗

上升時(shí)間lr：陽(yáng)極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間；

開(kāi)通時(shí)間tgt：以上兩者之和，tgt=td+tr(1-6)

普通晶閘管延遲時(shí)間為0.5-1.5ps,上升時(shí)間為0.5-32。

2)關(guān)斷過(guò)程

反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間；

正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電E的阻斷能力還需要一段時(shí)間；

在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)ǎ?/p>

實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢夏其對(duì)正向電

壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。

關(guān)斷時(shí)間tq：trr與tgr之和,即tq=trr+tgr(1-7)

普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。

(3)晶閘管的主要參數(shù)

a.電壓定額

1)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM

在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。

2)反向重復(fù)峰值電壓URRM

在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。

3)通態(tài)(峰值)電壓UTM

晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。

通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，額定電

壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶間管所承受峰值電壓的2?3倍，

b.電流定額

1)通態(tài)平均電流IT(AV)(額定電流)

晶閘管在環(huán)境溫度為40(C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流

過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。

使用時(shí)應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原那么來(lái)選取晶閘管

應(yīng)留一定的裕量，一般取1.5-2倍

正弦半波電流平均值hm,電流有效值廳和電流最大值三者的關(guān)系為：

,7(4V)='T—f)=-^2-(1.1)

2兀Jo九

小…2,3=勺(1.2)

各種有直流分量的電流波形，其電流波形的有效值/與平均值之比，稱為這個(gè)電流

的波形系數(shù)，用K/表示。因此，在正弦半波情況下電流波形系數(shù)為：

Kf=———=-^>=1.57(1.3)

/T(4V)2

所以，晶閘管在流過(guò)任意波形電流并考慮了平安裕量情況下的額定電流/〃也的計(jì)算公

式為：

1T(AV)=(L5~(1.4)

在使用中還應(yīng)注意，當(dāng)晶閘管散熱條件不滿足規(guī)定要求時(shí)，那么元件的額定電流應(yīng)立

即降低使用，否那么元件會(huì)由于結(jié)溫超過(guò)允許值而損壞。

2)維持電流IH

使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流

一般為幾十到兒百毫安，與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，那么IH越小

3)擎住電流II

晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流

對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的2~4倍

4)浪涌電流ITSM

指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流

c.動(dòng)態(tài)參數(shù)

除開(kāi)通時(shí)間小和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有：

a.)斷態(tài)電壓臨界上升率dii/dt

指在額定結(jié)溫和門極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大

上升率

在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)電容的J2結(jié)會(huì)有充

電電流流過(guò)，被稱為位移電流。此電流流經(jīng)J3結(jié)時(shí)，起到類似門極觸發(fā)電流的作用。如果

電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通

b.)通態(tài)電流臨界上升率di/dt

指在規(guī)定條件下，品閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率

如果電流上升太快，那么晶閘管剛一開(kāi)通，便會(huì)有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)

域內(nèi)，從而造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞

(4)晶閘管的派生器件

a.快速晶閘管(FastSv/itchingThyristor—FST)

包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管，有快速晶閘管和高頻品閘管

管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改良，開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善

普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10”左右

高頻晶閘管的缺乏在于其電壓和電流定額都不易做高

由于工作頻率較高，選擇通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)

b.雙向晶閘管(TriodeACSwitch-TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor)

可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘

管的集成

有兩個(gè)主電極T1和T2,一個(gè)門極G

正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向

圖1-9雙向晶間管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性

a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性

晶閘管在第I和第HI象限有對(duì)稱的伏安特性

與一對(duì)反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡(jiǎn)單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器

(SolidStateRelay-SSR)和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多

通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。

c.逆導(dǎo)品閘管(ReverseConductingThyristor-RCT)

將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件

具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)

逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個(gè)，一個(gè)是晶閘管電流，一個(gè)是反并聯(lián)一極管的電流

/

強(qiáng)理弱

斤七_(dá)

%

a)b)

圖1-10逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性圖1-11光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性

a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性

d.光控晶閘管(LightTriggeredThyristor—LTT)

又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管

小功率光控晶閘管只有陽(yáng)極和陰極兩個(gè)端子

大功率光控晶閘管那么還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導(dǎo)體

激光器

光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可防止電磁干擾的影響，因此目前在

高壓大功率的場(chǎng)合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位。

4典型全控型器件

根本要求：掌握典型全控型器件

重點(diǎn)：典型全控型器件

門極可關(guān)斷晶閘管——在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，信息電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在各自開(kāi)展的根底上相結(jié)合——

高頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，從而將電力電子技術(shù)又帶入了

一個(gè)嶄新時(shí)代

典型代表——門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體

管

(1)門極可關(guān)斷晶閘管

門極可關(guān)斷晶閘管(Gate-Turn-OffThyristor-----GTO)

晶閘管的一種派生器件

可以通過(guò)在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷

GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合

仍有較多的應(yīng)用

(2)電力晶體管

電力晶體管(GiantTransistor——GTR,直譯為巨型晶體管)

耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管(BipolarJunctionTransistor------BJT),英文有時(shí)

候也稱為PowerBJT,在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個(gè)名稱等效。

應(yīng)用：

20世紀(jì)80年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力

MOSFET取代；

a.GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理

與普通的雙極結(jié)型晶體管根本原理是一樣的

主要特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好

通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)

采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成

一般采用共發(fā)射極接法，集電極電流ic與基極電流ib之比為

(1-9)

(——GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力)

當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為

ic=pib+Iceo(1-10)

產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中通常給直流電流增益hFE——在直流工作情況下集電極電流與基極電流

之比。一般可認(rèn)為。邛hFE

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(dá)林頓接法可有效增

大電流增益

b.GTR的根本特性

(1)靜態(tài)特性

共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)、放

大區(qū)和飽和區(qū)

在電力電子電路中GTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即

工作在截止區(qū)或飽和區(qū)

在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡

時(shí)，要經(jīng)過(guò)放大區(qū)

(2)動(dòng)態(tài)特性

開(kāi)通過(guò)程

延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr,二者之和為開(kāi)通時(shí)

間ton

圖1.13GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形

Id主要是由發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電產(chǎn)生的。增大ib的幅值并增大

dib/dt,可縮短延遲時(shí)間，同時(shí)可縮短上升時(shí)間，從而加快開(kāi)通過(guò)程

關(guān)斷過(guò)程

儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間if,二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff

ts是用來(lái)除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時(shí)間的主要局部

減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減小儲(chǔ)存的載流子，或者增大基極抽取負(fù)電流Ib2的幅值和

負(fù)偏壓，可縮短儲(chǔ)存時(shí)間，從而加快關(guān)斷速度

負(fù)面作用是會(huì)使集電極和發(fā)射極間的飽和導(dǎo)通壓降Uces增加，從而增大通態(tài)損耗

GTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多

c.GTR的主要參數(shù)

前已述及：電流放大倍數(shù)（、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(kāi)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff

此外還有：

1）最高工作電壓

GTR上電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿

擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)

BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>BUceo

實(shí)際使用時(shí)，為確保平安，最高工作電壓要比BUceo低得多

2）集電極最大允許電流1CM

通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/27/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic

實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)

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(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中給PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫Tc,間接表示了最高工作溫度

d.GTR的二次擊穿現(xiàn)象與平安工作區(qū)

一次擊穿：

集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿；

只要Ic不超過(guò)限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。

二次擊穿：

一次擊穿發(fā)生時(shí)Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降，

常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。

平安工作區(qū)（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。

圖1-14GTR的平安工作區(qū)

（3）電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

也分為結(jié)型和絕緣柵型（類似小功率FieldEffectTransistor——FET）

但通常主要指絕緣柵型中的MOS型(MetalOxideSeiniuonduulorFET)

簡(jiǎn)稱電力MOSFET(PowerMOSFET)

結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管(StaticInductionTransistor------SIT)

特點(diǎn)一用柵極電壓來(lái)控制漏極電流

驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小

開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高

熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR

電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)IOkW的電力電子裝置

a.電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

電力MOSFET的種類

按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道

耗盡型——當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道

增強(qiáng)型——對(duì)于N(P)溝道器件，柵極電壓大于(小于)零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道

電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型

電力MOSFET的結(jié)構(gòu)

導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子(多子)參與導(dǎo)電，是單極型晶體管

導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別

小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?/p>

電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET(VerticalMOSFET)——大

大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力

按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，又分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直

導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET(VerticalDouble-diffusedMOSFET)

這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論

電力MOSFET的多元集成結(jié)構(gòu)

國(guó)際整流器公司(InternationalRectifier)的HEXFET采用了六邊形單元

西門子公司(Siemens)的SIPMOSFET采用了正方形單元

摩托羅拉公司(Motorola)的TMOSs

PYDD

采用了矩形單元按“品”字形排列TG

電力MOSFET的工作原理

截止：漏源極間加正電源，柵源極

間電壓為零

P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN

結(jié)J1反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)圖1-15電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGSa)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號(hào)

柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電

流流過(guò)。但柵極的正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開(kāi)，而將P區(qū)中的少子——電子吸引

到柵極下面的P區(qū)外表

當(dāng)UGS大于UT（開(kāi)啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下P區(qū)外表的電子濃度將超過(guò)空穴

濃度，使P型半導(dǎo)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(jié)J1消失,