电力电子教案(第四版)

主要内容：电力电子技术的根本概念、学科地位、根本内容和开展历史、电力电子技

术的应用范围和开展前景、本课程的任务与要求。

1什么是电力电子技术

电子技术一信息电子技术、电力电子技术；

信息电子技术——模拟电子技术和数字电子技术；

电力电子技术——应用于电力领域的电子技术，使用电力电子器件对电能进行变换和

控制的技术。

目前所用的电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体滞件。

电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW,也可小到数W甚至1W以下

信息电子技术主要用于信息处理，电力电子技术主要用于电力变换

电力----交流和直流两种

从公用电网直接得到的电力是交流，从蓄电池和干电池得到的电力是直流。

电力变换通常可分为四大类，即交流变直流、直流变交流、直流变直流和交流变交流。

进行电力变换的技术称为变流技术.

表0-1电力变换的种类

输入交流宜流交流直流

输出直流直流交流交流

种类在流整流直流斩波交流交流电力控制变频、变相逆变

电力电子技术的两个分支：电力电子器件制造技术、变流技术(电力电子器件的应用

技术)

变流技术：包括用电力电了器件构成各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术,

以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。"变流''不只指交直流之间的变

换，也包括上述的直流变直流和交流变交流的变换。

电力电子器件的制造技术是电力电子技术的根底，其理论根底是半导体物理

变流技术是电力电子技术的核心，其理论根底是电路理论

“电力电子技术''和”电力电子学”两个名词的关系

电力电子学(PowerElectronics)这一，名称60年代出现

1974年，美国的W.Newell用图51的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界

普遍接受

图0-1描述电力电子学的倒三角形

“电力电子学”和“电力电子技术''是分别从学术和工程技术两个不同的角度来称呼的，

其实际内容并没有很大的不同。

电力电子技术和电子学的关系

电子学——电子器件和电子电路两大分支，分别与电力电子器件和电力电子电路相对

应

电力电子器件的制造技术和电子器件制造技术的理论根底是一样的，其大多数工艺也

是相同的。特别是现代电力电子器件的制造大都使用集成电路制造工艺，采用微电子制造

技术，许多设备都和微电子器件制造设备通用，这说明二者同根同源。

电力电子电路和电子电路的许多分析方法也是一致的，只是二者应用目的不同，前者

用于电力变换和控制，后者用于信息处理。广义而言，电子电路中的功率放大和功率输出

局部也可算做电力电子电路。此外，电力电子电路广泛用于包括电视机、计算机在内的各

种电子装置中，其电源局部都是电力电子电路

在信息电子技术中，半导体器件既可处于放大状态，也可处于开关状念；而在电力电

子技术中为防止功率损耗过大，电力电子器件总是工作在开关状态，这是电力电子技术的

一个重要特征。

(1)电力电子技术与电气工程的关系

电力电子技术广泛用于电气工程中，这就是电力电子学和电力学的主要关系

“电力学”这个术语在我国已不太应用，可用“电工科学”或“电气工程”取代之

各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电、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气工程中，因此，通

常把电力电子技术归属于电气工程学科。电力电子技术是电气工程学科中的一个最为活泼

的分支。电力电子技术的不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力，是保持电气工程

恬力的重要源泉。

(2)电力电子技术与控制理论的关系

控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电子装置和系统的性能不断满足人们日

益增长的各种需求。

电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。而控制理

论那么是实现这种接口的一条强有力的纽带。

控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置那么是自动化技术的根底元件和重

要支撑技术。

(3)21世纪电力电子技术的前景

电力电子技术是20世纪后半叶诞生和开展的一门崭新的技术

可以预见，在21世纪电力电子技术仍将以迅猛的速度开展

以计算机为核心的信息科学将是21世纪起主导作用的科学技术之一

电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱

把计算机的作用比做人的大脑。那么，可以把电力电子技术比做人的消化系统和循环

系统。消化系统对能量进行转换(把电网或其他电源提供的“粗电”变成适合于使用的“精

电”)，再由以心脏为中心的循环系统把转换后的能量传送到大脑和全身。电力电子技术

连同运动控制一起，还可比做人的肌肉和四肢，使人能够运动和从事劳动

电力电子技术在21世纪中将会起着十分重要的作用，有着十分光明的未来。

2电力电子技术的开展史

电力电子器件的开展对电力电子技术的开展起着决定性的作用，因此，电力电子技术

的开展史是以电力电子器件的开展史为纲的。

(1)电力电子技术的诞生

以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志

电力电子技术的史前期或黎明期

晶闸管出现前的时期，用于电力变换的电子技术已经存在

1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从

而开了电子技术之先河

后来出现了水银整流器，其性能和晶闸管很相似。在30年代到50年代，是水银整流

器开展迅速并大量应用的时期。它广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用

直流电动机的传动，甚至用于直流输电。

这一时期，各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经开展成熟并广为应用。

在晶闸管出现以后的相当一段时期内，所使用的电路形式仍然是这些形式。

这一时期，把交流变为直流的方法除水银整流器外，还有开展更早的电动机一直流发

电机组，即变流机组。和旋转变流机组相对应，静止变流器的称呼从水银整流器开始而沿

用至今。

1947年美国贝尔实验室创造了晶体管，引发了电子技术的一场革命

最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管

(2)晶闸管

1957年开始，晶闸管出现后，由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了

水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速扩大。电化学工业、铁道电气机车、

钢铁工业(轧钢用电气传动、感应加热等)、电力工业(直流输电、无功补偿等)的迅速

开展也有力地推动了晶闸管的进步。电力电子技术的概念和根底就是由于晶闸管及晶闸管

变流技术的开展而确立的

晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，因而属于半控型器

件

对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，晶闸管的关断通常依靠电网电压等外

部条件来实现

(3)全控型器件

70年代后期开始

门极可关断晶闸管(GT0)、电力双极型晶体管(BJT)和电力场效应晶体管

(Power-MOSFET)为代表

全控型器件的特点是，通过对门极(基极、栅极)的控制既可使其开通又可使其关断

开关速度普遍高于晶闸管，可用于开关频率较高的电路

这些优越的特性使电力电子技术的面貌焕然一新，把电力电子技术推进到一个新的开

展阶段

和晶闸管电路的相位控制方式相对应，采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲

宽度调制(PWM)方式。PWM控制技术在电力电子变流技术中占有十分重要的位置，它在逆

变、斩波、整流、变频及交流电力控制中均可应用。它使电路的控制性能大为改善，使以

前难以实现的功能也得以实现，对电力电子技术的开展产生了深远的影响。

复合型器件和功率集成电路

80年代后期开始

复合型器件：

以绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)为代表

IGBT是MOSFET和BJT的复合

它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点

集于一身，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术的主导器件

与IGBT相对应,MOS控制晶闸管(MCT)和集成门极换流晶闸管(1GCT)都是MOSFET

和GTO的复合，它们也综合了MOSFET和GTO两种器件的优点。

模块：为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把假设干个电力电子器件及

必要的辅助元件做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便

功率集成电路：把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路

(PIOo目前其功率都还较小，但代表了电力电子技术开展的一个重要方向

(4)软开关技术

随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率也不断提高

同时，电力电子器件的开关损耗也随之增大。为了减小开关损耗，软开关技术便应运

而生

零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)就是软开关的最根本形式

理论上讲采用软开关技术可使开关损耗降为零，可以提高效率

也使得开关频率可以进一步提高，从而提高了电力电子装置的功率密度

3电力电子技术的应用

(1)一般工业

工业中大量应用各种交直流电动机。直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控

整流电源或直流斩波电源都是电力电了装置。近年来，由于电力电了变频技术的迅速开展,

使得交流电机的调速性能可与直流电机相媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位。

大至数千kW的各种轧钢机，小到几百W的数控机床的伺服电机，以及矿山牵引等场合都广

泛采用电力电子交直流调速技术。一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用

了变频装置，以到达节能的目的。还有些不调速的电机为了防止起动时的电流冲击而采用

了软起动装置，这种软起动装置也是电力电子装置。

电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电镀

装置也需要整流电源。

电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频、中频感应加热电源、淬火电源及直流电

弧炉电源等场合。

(2)交通运输

电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流

机车采用变频装置。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子

技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子

技术。

电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开

电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控

制。

飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海都离不开电力电子技术。

如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子技术。以前的电梯大都采用直流

调速系统，而近年来交流变频调速已成为主流。

(3)电力系统

电力电子技术在电力系统中有着非常广泛的应用。据估计，兴旺国家在用户最终使用

的电能中，有.60%以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。电力系统在通

向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。可以毫不夸张地说，如果离开电力电

子技术，电力系统的现代化就是不可想象的。

直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变

阀都采用晶闸管变流装置。近年开展起来的柔性交流输电(FACTS)也是依靠电力电子装置

才得以实现的。

无功补偿和谐波抑制对电力系统有重要的意义。晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投

切电容器(TSC)都是重要的无功补偿装置。近年来出现的静止无功发生器(SVG)、有源

电力滤波器(APF)等新型电力电子装置具有更为优越的无功功率和谐波补偿的性能。在配

电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电

能质量控制，改善供电质量。

在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电

子装置。

(4)电子装置用电源

各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所

用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型

计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。在各种电子

装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，

现在已逐渐取代了线性电源。因为各种信息技术装置都需要电力电子装置提供电源，所以

可以说信息电子技术离不开电力电子技术。

(5)家用电器

照明在家用电器中占有十分突出的地位。由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、

可节省大量能源，通常被称为“节能灯”，它正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。

变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子。电视机、音响设备、家用计

算机等电子设备的电源局部也都需要电力电子技术。此外，有些洗衣机、电冰箱、微波炉

等电器也应用了电力电子技术。

电力电子技术广泛用于家用电器使得它和我们的生活变得十分贴近。

(6)其他

不间断电源(UPS)在现代社会中的作用越来越重要，用量也越米越大，在电力电子产

品中已占有相当大的份额。

航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器中为了人的生存和工作，也离不

开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。

传统的发电方式是火力发电、水力发电以及后来兴起的核能发电。能源危机后，各种

新能源、可再生能源及新型发电方式越来越受到重视。其中太阳能发电、风力发电的开展

较快，燃料电池更是备受关注。太阳能发电和风力发电受环境的制约，发出的电力质量较

差，常需要储能装置缓冲，需要改善电能质量，这就需要电力电子技术。当需要和电力系

统联网时.，也离不开电力电子技术。

为了合理地利用水力发电资源，近年来抽水储能发电站受到重视。其中的大型电动机

的起动和调速都需要电力电子技术。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流

电源供电，这也离不开电力电子技术。

核聚变反响堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是

电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常常需要一些特种电源，这也是电力电子技术

的用武之地。

以前电力电子技术的应用偏重于中、大功率。现在，在IkW以下，甚至儿十W以下的

功率范围内，电力电子技术的应用也越来越广，其地位也越来越重要。这已成为一个重要

的开展趋势，值得引起人们的注意。

总之，电力电子技术的应用范围十分广泛。从人类对宇宙和大自然的探索，到国民经

济的各个领域，再到我们的衣食住行，到处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅力。

这也激发了一代又一代的学者和工程技术人员学习、研究电力电子技术并使其飞速开展。

电力电子装置提供应负载的是各种不同的直流电源、恒频交流电源和变频交流电源，

因此也可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。

电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速方面，在

使用量十分庞大的照明电源等方面，电力电子技术的节能效果十分显著，因此它也被称为

是节能技术。

电力电子器件

主要内容：各种二极管、半控型器件-品闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、

动态参数，器件的选取原那么，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，器件的选取原那

么，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。

根本要求：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那么，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

⑴电力电子器件的概念和特征

主电路(mainpowercircuit)-电气设备或电力系统中，直接承当电能的变换或控制任

务的电路；

电力电子器件(powerelectronicdevice)--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(MercuryArcRectifier),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；

其处理电功率的能力小至亳瓦级，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新态漏电流流过，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

⑵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

拦制极)。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。

⑶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

晶闸管(Thyristor)及其大局部派生器件

器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定

b.全控型器件-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

是绝缘栅双极晶体管(Insulated-GateBipolarTransistor-IGBT)

电力场效应晶体管(PowerMOSFET,简称为电力MOSFET)

门极可关断晶闸管(Gate-Turn-OffThyristor-GTO)

c.不可控器件-不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路

电力二极管(PowerDiode)

只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的

按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：

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

电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生

可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件，或场效应器件

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

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--由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件

2不可控器件-电力二极管

PowerDiode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用

快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场

合，具有不可替代的地位

(1)PN结与电力二极管的工作原理

根本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样

以半导体PN结为根底

由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的

从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装

图

1-1电

力二

极管

的外

形、结

构和

电气

图形

符号

a)外形b)结构0电气图形符号

PN结的反向截止状态,PN结的单向导电性；

PN结的反向击穿：

有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。

PN结的电容效应：

PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ,又称为微分电容。

结电容按其产生机制和作用的差异分为势垒电容CB和扩散电容CD

势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。

势垒电容的人小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比

而扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为

主正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分

结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变

差，甚至不能工作，应用时应加以注意。

造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素：

正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，

电导调制效应不能忽略

引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响

承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响

为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大

(2)电力二极管的根本特性

a静态特性

主要指其伏安特性

当电力二极管承受的正向电压大到一定值(门槛电压UTO),正向电流才开始明显增加,

处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当

电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。

b动态特性

动态特性-因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电

压•电流特性是随时间变化的

开关特性-反映通态和断态之间的转换过程

关断过程：

须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态

在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲

(3)电力二极管的主要：

a.正向平均电流IF(A三

额定电流一

--在指定的管壳温度(其允许流过的最大工频

正弦半波电流的平均值

正向平均电流是按照।:按有效值相等的原那么

来选取电流定额，并应留心

当用在频率较高的场合图1-2反向恢复过程中电流引电压波形

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

b.正向压降UF

指电力二极管在指定温改下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降

有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压

降

c.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顶峰值电压

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顶峰值电压的两倍来选定

d.最高工作结温TJM

结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示

最高工作结温是指在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℃范围之内

e.反向恢复时间trr

tiT=td+tf,关断过程中，电流降到0起到恢复反响阻断能力止的时间

f.浪涌电流IFSM

指电力二极管所能承受电大的连续一个或几个工频周期的过电流。

(4)电力二极管的主要类型

按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍

在应用时，应根据不同场合的不同要求，选择不同类型的电力二极管

性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差异造成的

a.普通二极管(GeneralPurposeDiode)

又称整流二极管(RectifierDiode)

多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路中

其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要

正向电流定额和反向电压定额可以到达很高，分别可达数千安和数千伏以上

b.快恢复二极管(FastRecoveryDiode-FRD)

恢复过程很短特别是反向恢复过程很短(5s以下)的二极管，也简称快速二极管

工艺上多采用了掺金措施

有的采用PN结型结构

有的采用改良的PiN结构

采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管(FastRecoveryEpitaxialDiodes--FRED),

其反向恢复时间更短1可低于50ns),正向压降也很低(0.9V左右)，但其反向耐压多在400V

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纳秒或更

长，后者那么在100ns以下，甚至到达20〜30ns。

c.肖特基

以金属和

BarrierDiode-

b)

20世纪80年优以来，由于工艺的开展得以在电力电子电路中广泛应用

肖特基二极管的优点：

反向恢复时间很短(10-40ns)；

正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；

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；

其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。

肖特基二极管的弱点：

当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下；

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。

3半控型器件.•晶闸管

根本要求：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那么。

重点，晶闸管的结构、工作原理.、伏安特性、主要静态、动态参数，器件的选取原那

么。

难点：晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数。

品闸管(Thyristor)：晶体闸流管，可控硅整流器(SiliconControlledRectifier-SCR)

1956年美国贝尔实验室(BellLaboratories)创造了晶闸管

1957年美国通用电气公司(GeneralElectricCompany)开发出第一只晶刚管产品

1958年商业化

开辟了电力电子技术迅速开展和广泛应用的崭新时代

20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代

能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位

晶闸管往往专指晶闸管的一种根本类型-普通晶闸管

广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件

(1)晶闸管的结构与工作原理

图1-4晶闸管的外形、内部结构、电气图形符号和模块外形

a)晶闸管外形b)内部结构0电气图形符号d)模块外形

外形有螺栓型和平板型两种封装

引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端

对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便

平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间

Icl=piIA+ICBOI(1-1)

Ic2邛2IK+ICBO2(1-2)

IK=IA+IG(1-3)

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

图1-5晶闸管工作条件的实验电路图1-6晶闸管的双晶体管模型

式中pl和（32分别是晶体管VI和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是VI

和V2的共基极漏电流。

晶体管的特性是：在低发射极电流下a是很小的，而当发射极电流建立起来之后，a

迅速增大。

阻断状态：IG=。，al+a2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个品体管漏电流之和

开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致al+a2趋近于1的话,

流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。1A实际由外电路决定。

其他几种可能导通的情况：

阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应

阳极电压上升率du/dt过高

结温较高

光直接照射硅片，即光触发

光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其

它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor-LTT）

只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段

（2）晶闸管的根本特性

a.静态特性：

承受反向电压时，不管门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；

承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通；

晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；

要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。

晶闸管的伏安特性：

第I象限的是正向特性；

第IH象限的是反向特性；

匕=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向

电压超过临界极限即正向转折电压Ub。，那么漏电流急剧增大，器件开通；

随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低；

导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿；

晶闸管本身的压降很小，在IV左右；

导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，那么

晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。

晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。

h

晶闸管的门极触发电流从门

极流入晶闸管，从阴极流出，

阴极是晶闸管主电路与控制

电路的公共端,。

门极触发电流也往往是通过

触发电路在门极和阴极之间施加

触发电压而产生的。

晶闸管的门极和

阴极之间是PN结J3,

其伏安特性称为门极

伏安特性。为保证可

靠、平安的触发，触发

电路所提供的触发电

压、电流和功率应限

制在可靠触发区。

b.动态特性

1）开通过程

延迟时间td：门极

电流阶跃时刻开始，到

阳极电流上升到稳态

值的10%的时间；

图1-8晶闸管的动态过程及相应的损耗

上升时间lr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间；

开通时间tgt：以上两者之和，tgt=td+tr(1-6)

普通晶闸管延迟时间为0.5-1.5ps,上升时间为0.5-32。

2)关断过程

反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间；

正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电E的阻断能力还需要一段时间；

在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通；

实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢夏其对正向电

压的阻断能力，电路才能可靠工作。

关断时间tq：trr与tgr之和,即tq=trr+tgr(1-7)

普通晶闸管的关断时间约几百微秒。

(3)晶闸管的主要参数

a.电压定额

1)断态重复峰值电压UDRM

在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。

2)反向重复峰值电压URRM

在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。

3)通态(峰值)电压UTM

晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。

通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电

压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶间管所承受峰值电压的2〜3倍，

b.电流定额

1)通态平均电流IT(AV)(额定电流)

晶闸管在环境温度为40(C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流

过的最大工频正弦半波电流的平均值。

使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原那么来选取晶闸管

应留一定的裕量，一般取1.5-2倍

正弦半波电流平均值hm,电流有效值厅和电流最大值三者的关系为：

,7(4V)='T—f)=-^2-(1.1)

2兀Jo九

小…2,3=勺(1.2)

各种有直流分量的电流波形，其电流波形的有效值/与平均值之比，称为这个电流

的波形系数，用K/表示。因此，在正弦半波情况下电流波形系数为：

Kf=———=-^>=1.57(1.3)

/T(4V)2

所以，晶闸管在流过任意波形电流并考虑了平安裕量情况下的额定电流/〃也的计算公

式为：

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

在使用中还应注意，当晶闸管散热条件不满足规定要求时，那么元件的额定电流应立

即降低使用，否那么元件会由于结温超过允许值而损坏。

2)维持电流IH

使晶闸管维持导通所必需的最小电流

一般为几十到儿百毫安，与结温有关，结温越高，那么IH越小

3)擎住电流II

晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流

对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍

4)浪涌电流ITSM

指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流

c.动态参数

除开通时间小和关断时间tq外，还有：

a.)断态电压临界上升率dii/dt

指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大

上升率

在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个电容的J2结会有充

电电流流过，被称为位移电流。此电流流经J3结时，起到类似门极触发电流的作用。如果

电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通

b.)通态电流临界上升率di/dt

指在规定条件下，品闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率

如果电流上升太快，那么晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区

域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏

(4)晶闸管的派生器件

a.快速晶闸管(FastSv/itchingThyristor—FST)

包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频品闸管

管芯结构和制造工艺进行了改良，开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善

普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10”左右

高频晶闸管的缺乏在于其电压和电流定额都不易做高

由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应

b.双向晶闸管(TriodeACSwitch-TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor)

可认为是一对反并联联接的普通晶闸

管的集成

有两个主电极T1和T2,一个门极G

正反两方向均可触发导通，所以双向

图1-9双向晶间管的电气图形符号和伏安特性

a)电气图形符号b)伏安特性

晶闸管在第I和第HI象限有对称的伏安特性

与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器

(SolidStateRelay-SSR)和交流电机调速等领域应用较多

通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。

c.逆导品闸管(ReverseConductingThyristor-RCT)

将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件

具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点

逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联一极管的电流

/

强理弱

斤七_

%

a)b)

图1-10逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性图1-11光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性

a)电气图形符号b)伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性

d.光控晶闸管(LightTriggeredThyristor—LTT)

又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管

小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子

大功率光控晶闸管那么还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体

激光器

光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可防止电磁干扰的影响，因此目前在

高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。

4典型全控型器件

根本要求：掌握典型全控型器件

重点：典型全控型器件

门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。

20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自开展的根底上相结合——

高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了

一个崭新时代

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

(1)门极可关断晶闸管

门极可关断晶闸管(Gate-Turn-OffThyristor-----GTO)

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

(2)电力晶体管

电力晶体管(GiantTransistor——GTR,直译为巨型晶体管)

耐高电压、大电流的双极结型晶体管(BipolarJunctionTransistor------BJT),英文有时

候也称为PowerBJT,在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。

应用：

20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力

MOSFET取代；

a.GTR的结构和工作原理

与普通的双极结型晶体管根本原理是一样的

主要特性是耐压高、电流大、开关特性好

通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构

采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成

一般采用共发射极接法，集电极电流ic与基极电流ib之比为

(1-9)

(——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力)

当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为

ic=pib+Iceo(1-10)

产品说明书中通常给直流电流增益hFE——在直流工作情况下集电极电流与基极电流

之比。一般可认为。邛hFE

单管GTR的值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增

大电流增益

b.GTR的根本特性

(1)静态特性

共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放

大区和饱和区

在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即

工作在截止区或饱和区

在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡

时，要经过放大区

(2)动态特性

开通过程

延迟时间td和上升时间tr,二者之和为开通时

间ton

图1.13GTR的开通和关断过程电流波形

Id主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。增大ib的幅值并增大

dib/dt,可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程

关断过程

储存时间ts和下降时间if,二者之和为关断时间toff

ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要局部

减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和

负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度

负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加，从而增大通态损耗

GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多

c.GTR的主要参数

前已述及：电流放大倍数（、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和

压降Uces、开通时间ton和关断时间toff

此外还有：

1）最高工作电压

GTR上电压超过规定值时会发生击穿

击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关

BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>BUceo

实际使用时，为确保平安，最高工作电压要比BUceo低得多

2）集电极最大允许电流1CM

通常规定为hFE下降到规定值的1/27/3时所对应的Ic

实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点

3）集电极最大耗散功率PcM

最高工作温度下允许的耗散功率

产品说明书中给PcM时同时给出壳温Tc,间接表示了最高工作温度

d.GTR的二次击穿现象与平安工作区

一次击穿：

集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿；

只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。

二次击穿：

一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降，

常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。

平安工作区（SafeOperatingArea------SOA）

最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。

图1-14GTR的平安工作区

（3）电力场效应晶体管

也分为结型和绝缘栅型（类似小功率FieldEffectTransistor——FET）

但通常主要指绝缘栅型中的MOS型(MetalOxideSeiniuonduulorFET)

简称电力MOSFET(PowerMOSFET)

结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管(StaticInductionTransistor------SIT)

特点一用栅极电压来控制漏极电流

驱动电路简单，需要的驱动功率小

开关速度快，工作频率高

热稳定性优于GTR

电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过IOkW的电力电子装置

a.电力MOSFET的结构和工作原理

电力MOSFET的种类

按导电沟道可分为P沟道和N沟道

耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道

增强型——对于N(P)沟道器件，栅极电压大于(小于)零时才存在导电沟道

电力MOSFET主要是N沟道增强型

电力MOSFET的结构

导通时只有一种极性的载流子(多子)参与导电，是单极型晶体管

导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别

小功率MOS管是横向导电器件

电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET(VerticalMOSFET)——大

大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力

按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直

导电双扩散MOS结构的VDMOSFET(VerticalDouble-diffusedMOSFET)

这里主要以VDMOS器件为例进行讨论

电力MOSFET的多元集成结构

国际整流器公司(InternationalRectifier)的HEXFET采用了六边形单元

西门子公司(Siemens)的SIPMOSFET采用了正方形单元

摩托罗拉公司(Motorola)的TMOSs

PYDD

采用了矩形单元按“品”字形排列TG

电力MOSFET的工作原理

截止：漏源极间加正电源，栅源极

间电压为零

P基区与N漂移区之间形成的PN

结J1反偏，漏源极之间无电流流过图1-15电力MOSFET的结构和电气图形符号

导电：在栅源极间加正电压UGSa)内部结构断面示意图b)电气图形符号

栅极是绝缘的，所以不会有栅极电

流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子——电子吸引

到栅极下面的P区外表

当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区外表的电子浓度将超过空穴

浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失,