電力電子教案(第四版)

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)容和開展歷史、電力電子技

術(shù)的應(yīng)用范圍和開展前景、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MW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?？煞譃樗拇箢?，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，美國的W.Newell用圖51的倒三角形對電力電子學(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)兩個不同的角度來稱呼的，

其實際內(nèi)容并沒有很大的不同。

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

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)，也可處于開關(guān)狀念；而在電力電

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

一個重要特征。

(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)”這個術(shù)語在我國已不太應(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、靜止無功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、交直流

電力傳動、電解、勵磁、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

論那么是實現(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶。

控制理論和自動化技術(shù)密不可分，而電力電子裝置那么是自動化技術(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)后半葉誕生和開展的一門嶄新的技術(shù)

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

以計算機(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)和運動控制一起，將和計算機(jī)技術(shù)共同成為未來科學(xué)技術(shù)的兩大支柱

把計算機(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)

連同運動控制一起，還可比做人的肌肉和四肢，使人能夠運動和從事勞動

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

2電力電子技術(shù)的開展史

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

的開展史是以電力電子器件的開展史為綱的。

(1)電力電子技術(shù)的誕生

以1957年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管為標(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，它能在真空中對電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無線電，從

而開了電子技術(shù)之先河

后來出現(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

器開展迅速并大量應(yīng)用的時期。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

直流電動機(jī)的傳動，甚至用于直流輸電。

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

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

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

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

用至今。

1947年美國貝爾實驗室創(chuàng)造了晶體管，引發(fā)了電子技術(shù)的一場革命

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、感應(yīng)加熱等)、電力工業(yè)(直流輸電、無功補(bǔ)償?shù)?的迅速

開展也有力地推動了晶閘管的進(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)的開展而確立的

晶閘管是通過對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

部條件來實現(xiàn)

(3)全控型器件

70年代后期開始

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

(Power-MOSFET)為代表

全控型器件的特點是，通過對門極(基極、柵極)的控制既可使其開通又可使其關(guān)斷

開關(guān)速度普遍高于晶閘管，可用于開關(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)到一個新的開

展階段

和晶閘管電路的相位控制方式相對應(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

前難以實現(xiàn)的功能也得以實現(xiàn)，對電力電子技術(shù)的開展產(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)動功率小、開關(guān)速度快的優(yōu)點和BJT通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點

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。

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)用帶來了很大的方便

功率集成電路：把驅(qū)動、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)開展的一個重要方向

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

而生

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

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

也使得開關(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)用各種交直流電動機(jī)。直流電動機(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，由于電力電了變頻技術(shù)的迅速開展,

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)，以及礦山牽引等場合都廣

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

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)為了防止起動時的電流沖擊而采用

了軟起動裝置，這種軟起動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

弧爐電源等場合。

(2)交通運輸

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。在未來的磁懸浮列車中，電力電子

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

技術(shù)。

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

電力電子裝置。一臺高級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電力電子技術(shù)。

如果把電梯也算做交通運輸，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，興旺國家在用戶最終使用

的電能中，有.60%以上的電能至少經(jīng)過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。可以毫不夸張地說，如果離開電力電

子技術(shù)，電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化就是不可想象的。

直流輸電在長距離、大容量輸電時有很大的優(yōu)勢，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。近年開展起來的柔性交流輸電(FACTS)也是依靠電力電子裝置

才得以實現(xiàn)的。

無功補(bǔ)償和諧波抑制對電力系統(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)都是重要的無功補(bǔ)償裝置。近年來出現(xiàn)的靜止無功發(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)越的無功功率和諧波補(bǔ)償?shù)男阅堋Ｔ谂?/p>

電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時停電、瞬時電壓跌落、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關(guān)電源。大型

計算機(jī)所需的工作電源、微型計算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關(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。因為各種信息技術(shù)裝置都需要電力電子裝置提供電源，所以

可以說信息電子技術(shù)離不開電力電子技術(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

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)代社會中的作用越來越重要，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)電方式越來越受到重視。其中太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電的開展

較快，燃料電池更是備受關(guān)注。太陽能發(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.，也離不開電力電子技術(shù)。

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

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

電源供電，這也離不開電力電子技術(shù)。

核聚變反響堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場和注入能量時，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)實驗或某些特殊場合，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)用也越來越廣，其地位也越來越重要。這已成為一個重要

的開展趨勢，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。從人類對宇宙和大自然的探索，到國民經(jīng)

濟(jì)的各個領(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，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)

動電路。

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

么，典型全控型器件。

難點：晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動態(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，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，大至兆瓦級，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關(guān)狀態(tài)；

導(dǎo)通時(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(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；

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

的方面，有些時候甚至上升為第一位的重要問題。

作電路分析時，為簡單起見往往用理想開關(guān)來代替

c.實用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。

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

電力電子器件的驅(qū)動電路。

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

散熱設(shè)計，在其工作時一般都要安裝散熱器。

導(dǎo)通時器件上有一定的通態(tài)壓降，形成通態(tài)損耗

阻斷時器件上有微小的新態(tài)漏電流流過，形成斷態(tài)損耗

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

對某些器件來講，驅(qū)動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

器件開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗會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，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器

件的通或斷，來完成整個系統(tǒng)的功能。

有的電力電子系統(tǒng)中，還需要有檢測電路。廣義上往往其和驅(qū)動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)動電路與主電路的連接處，或者驅(qū)動電路與

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

它手段如光、磁等來傳遞信號。

由于主電路中往往有電壓和電流的過沖，而電力電子器件一般比主電路中普通的元器

件要昂貴，但承受過電壓和過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電力電子系統(tǒng)正?？煽窟\行，也往往是非常必

要的。

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

攔制極)。器件通斷是通過在其控制端和一個主電路端子之間加一定的信號來控制的，這個

主電路端子是驅(qū)動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所控制的程度，分為以下三類：

a.半控型器件-通過控制信號可以控制其導(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-通過控制信號既可控制其導(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)

電力場效應(yīng)晶體管(PowerMOSFET,簡稱為電力MOSFET)

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

c.不可控器件-不能用控制信號來控制其通斷，因此也就不需要驅(qū)動電路

電力二極管(PowerDiode)

只有兩個端子，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)動電路加在器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)，分為兩類：

電流驅(qū)動型-通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制

電壓驅(qū)動型-僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者

關(guān)斷的控制

電壓驅(qū)動型器件實際上是通過加在控制端上的電壓在器件的兩個主電路端子之間產(chǎn)生

可控的電場來改變流過器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱為場控器件，或場效應(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

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

a)外形b)結(jié)構(gòu)0電氣圖形符號

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壘電容CB和擴(kuò)散電容CD

勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。

勢壘電容的人小與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起作用。在正向偏置時，當(dāng)正向電壓較低時，勢壘電容為

主正向電壓較高時，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要流過很大的電流，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),正向電流才開始明顯增加,

處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流IF對應(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，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。

b動態(tài)特性

動態(tài)特性-因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個過渡過程，此過程中的電

壓?電流特性是隨時間變化的

開關(guān)特性-反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程

關(guān)斷過程：

須經(jīng)過一段短暫的時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

來選取電流定額，并應(yīng)留心

當(dāng)用在頻率較高的場合圖1-2反向恢復(fù)過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，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，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降

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

降

c.反向重復(fù)峰值電壓URRM

指對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，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)時間trr

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

f.浪涌電流IFSM

指電力二極管所能承受電大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。

(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，應(yīng)根據(jù)不同場合的不同要求，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)

多用于開關(guān)頻率不高(1kHz以下)的整流電路中

其反向恢復(fù)時間較長，一般在5s以上，這在開關(guān)頻率不高時并不重要

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

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)兩個等級。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更

長，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，由于工藝的開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：

反向恢復(fù)時間很短(10-40ns)；

正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖；

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：

當(dāng)反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，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)、動態(tài)參

數(shù)，熟練掌握器件的選取原那么。

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

么。

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

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

1956年美國貝爾實驗室(BellLaboratories)創(chuàng)造了晶閘管

1957年美國通用電氣公司(GeneralElectricCompany)開發(fā)出第一只晶剛管產(chǎn)品

1958年商業(yè)化

開辟了電力電子技術(shù)迅速開展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代

20世紀(jì)80年代以來，開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d)模塊外形

外形有螺栓型和平板型兩種封裝

引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端

對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，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驗電路圖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)射極電流建立起來之后，a

迅速增大。

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

開通（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,

流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，實現(xiàn)飽和導(dǎo)通。1A實際由外電路決定。

其他幾種可能導(dǎo)通的情況：

陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)

陽極電壓上升率du/dt過高

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，不管門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通；

承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通；

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，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，正向

電壓超過臨界極限即正向轉(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，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

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.動態(tài)特性

1）開通過程

延遲時間td：門極

電流階躍時刻開始，到

陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)

值的10%的時間；

圖1-8晶閘管的動態(tài)過程及相應(yīng)的損耗

上升時間lr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間；

開通時間tgt：以上兩者之和，tgt=td+tr(1-6)

普通晶閘管延遲時間為0.5-1.5ps,上升時間為0.5-32。

2)關(guān)斷過程

反向阻斷恢復(fù)時間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間；

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

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

實際應(yīng)用中，應(yīng)對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢夏其對正向電

壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。

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

普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒。

(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，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，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，額定電

壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作時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)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流

過的最大工頻正弦半波電流的平均值。

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

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，那么元件的額定電流應(yīng)立

即降低使用，否那么元件會由于結(jié)溫超過允許值而損壞。

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)信號后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流

對同一晶閘管來說，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)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流

c.動態(tài)參數(shù)

除開通時間小和關(guān)斷時間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，相當(dāng)于一個電容的J2結(jié)會有充

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

電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(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，那么晶閘管剛一開通，便會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，開關(guān)時間以及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)平均電流時不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)

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

可認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘

管的集成

有兩個主電極T1和T2,一個門極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和伏安特性

a)電氣圖形符號b)伏安特性

晶閘管在第I和第HI象限有對稱的伏安特性

與一對反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡單，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)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點

逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個，一個是晶閘管電流，一個是反并聯(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和伏安特性圖1-11光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性

a)電氣圖形符號b)伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性

d.光控晶閘管(LightTriggeredThyristor—LTT)

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

小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個端子

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：典型全控型器件

門極可關(guān)斷晶閘管——在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。

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

一個嶄新時代

典型代表——門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(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，因而在兆瓦級以上的大功率場合

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

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

應(yīng)用：

20世紀(jì)80年代以來，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、開關(guān)特性好

通常采用至少由兩個晶體管按達(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，ic和ib的關(guān)系為

ic=pib+Iceo(1-10)

產(chǎn)品說明書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工作在開關(guān)狀態(tài)，即

工作在截止區(qū)或飽和區(qū)

在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡

時，要經(jīng)過放大區(qū)

(2)動態(tài)特性

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

圖1.13GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形

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

dib/dt,可縮短延遲時間，同時可縮短上升時間，從而加快開通過程

關(guān)斷過程

儲存時間ts和下降時間if,二者之和為關(guān)斷時間toff

ts是用來除去飽和導(dǎo)通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時間的主要局部

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

負(fù)偏壓，可縮短儲存時間，從而加快關(guān)斷速度

負(fù)面作用是會使集電極和發(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的開關(guān)時間在幾微秒以內(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、開通時間ton和關(guān)斷時間toff

此外還有：

1）最高工作電壓

GTR上電壓超過規(guī)定值時會發(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

實際使用時，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時所對應(yīng)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(chǎn)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

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，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿；

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(fā)生時Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升，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)

簡稱電力MOSFET(PowerMOSFET)

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

特點一用柵極電壓來控制漏極電流

驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小

開關(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)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道

增強(qiáng)型——對于N(P)溝道器件，柵極電壓大于(小于)零時才存在導(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，漏源極之間無電流流過圖1-15電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號

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

柵極是絕緣的，所以不會有柵極電

流流過。但柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，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（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區(qū)外表的電子濃度將超過空穴

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,