第1章电力电子器件
概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。
介绍常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意问题。1.1 电力电子器件概述
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
1）概念:
电力电子器件（Power Electronic Device）
——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。
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。
2）分类:
电真空器件(汞弧整流器、闸流管)
半导体器件(采用的主要材料硅）
3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：
能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。
电力电子器件一般都工作在开关状态。
电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。
电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。
电力电子器件的损耗
主要损耗：通态损耗、断态损耗、开关损耗、关断损耗、开通损耗
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，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。
1.1.2 应用电力电子器件系统组成
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。
图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行
1.1.3 电力电子器件的分类
按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：
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。
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。
按照驱动电路信号的性质，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。
1.1.4 本章学习内容与学习要点
本章内容:
介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。
集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用这三个问题。
学习要点:
最重要的是掌握其基本特性。
掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法。
可能会主电路的其它电路元件有特殊的要求。
1.2 不可控器件—电力二极管
Power Diode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。
1.2.1 PN结与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一样。
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。
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 1.2.1 PN 结与电力二极管的工作原理 PN 结的状态
二极管的基本原理就在于PN 结的单向导电性这一主要特征。
PN 结的反向击穿（两种形式)：雪崩击穿、齐纳击穿，均可能导致热击穿。 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别分为势垒电容CB 和扩散电容CD 。 电容影响PN 结的工作频率，尤其是高速的开关状态。 1.2.2 电力二极管的基本特性
1) 静态特性（主要指其伏安特性）
门槛电压UTO ，正向电流IF 开始明显增加所对应的电压。 与IF 对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF 。 承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。
A
K
A
K
a)
I
K
A
P
N
J b)
c)
A
K
图1-3 电力二极管的伏安特性
2) 动态特性
——二极管的电压-电流特性随时间变化的 ——结电容的存在
图1-4 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为
正向偏置
延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf
恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值tf /td ，或称恢复系数，用Sr 表示。 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。
a)
U RP
R P
f
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。
开通过程：
正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。
正向恢复时间tfr。
电流上升率越大，UFP越高。
1.2.3 电力二极管的主要参数
1) 正向平均电流IF(AV)
额定电流——在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。IF(A V)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。
2）正向压降UF
在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。
3）反向重复峰值电压URRM
对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。
使用时，应当留有两倍的裕量。
4）反向恢复时间trr
trr= td+ tf
5）最高工作结温TJM
结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。
TJM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 C范围之内。
6) 浪涌电流IFSM
指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。
1.2.4 电力二极管的主要类型
1) 普通二极管（General Purpose Diode）
又称整流二极管（Rectifier Diode）
多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路
其反向恢复时间较长
正向电流定额和反向电压定额可以达到很高
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。
2) 快恢复二极管
（Fast Recovery Diode——FRD）
简称快速二极管
快恢复外延二极管
（Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED），其trr更短（可低于50ns），UF也很低（0.9V 左右），但其反向耐压多在1200V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trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。
3. 肖特基二极管(DATASHEET)
以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode ——SBD）。
肖特基二极管的弱点
反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。
反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。
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。
反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。
效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。 1.3 半控器件—晶闸管
1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。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。
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理 晶闸管（Thyristor ）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier ——SCR ）
图1-5 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
外形有螺栓型和平板型两种封装。有三个联接端。
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。 平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
图1-6 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
a) 双晶体管模型 b) 工作原理
A
A
G
G K K b)c)a)
A G
K
K G A P 1
N 1
P 2N 2J 1J 2J 3
按晶体管的工作原理 ，得
式中 α1和α 2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式可得 ：
在低发射极电流下α 是很小的，而当发射极电流建立起来之后，α 迅速增大。
阻断状态：IG=0， α1+α2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。 开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致 α1+α2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA ，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA 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，称为光控晶闸管（Light Triggered Thyristor ——LTT ）。
只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。 1.3.2 晶闸管的基本特性
晶闸管正常工作时的特性总结如下：
承受反向电压时，不论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 。 1.3.2 晶闸管的基本特性 1） 静态特性 （1）正向特性
IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。 正向电压超过正向转折电压Ubo ，则漏电流急剧增大，器件开通。 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。 晶闸管本身的压降很小，在1V 左右。 IG2>IG1>IG （2）反向特性
反向特性类似二极管的反向特性。
反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。
111CBO A c I I I +=α2
22CBO K c I I I +=αG A K I I I +=2
1c c A I I I +=（1-2） （1-1） （1-3） （1-4）
)
(121CBO2
CBO1G 2A ααα+-++=
I I I I （1-5）
当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。2）动态特性
1) 开通过程
延迟时间td (0.5~1.5 μs)
上升时间tr (0.5~3 μs)
开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+ tr （1-6）
2) 关断过程
反向阻断恢复时间trr
图1-7 晶闸管的伏安特性
正向阻断恢复时间tgr
关断时间tq以上两者之和tq=trr+tgr （1-7)
普通晶闸管的关断时间约几百微秒
u
图1-8 晶闸管的开通和关断过程波形
1.3.3 晶闸管的主要参数
1）电压定额
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。
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。
通态（峰值）电压UT
——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。
使用注意
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，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。
2）电流定额
通态平均电流IT(A V）
——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。标称其额定电流的参数。
——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。
维持电流IH
——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。
擎住电流IL
——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。
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。3）动态参数
除开通时间tgt 和关断时间tq 外，还有： 断态电压临界上升率du/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。
——电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 通态电流临界上升率di/dt
——指在规定条件下，晶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，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。 1.3.4 晶闸管的派生器件
1）快速晶闸管（Fast Switching Thyristor —— FST) 有快速晶闸管和高频晶闸管。
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 s 左右。 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。 由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。
2）双向晶闸管（Triode AC Switch ——TRIAC 或Bidirectional triode thyristor ）
a) 电气图形符号 b) 伏安特性
图1-9 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性
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 。 在第Ｉ和第III 象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。 1.3.4 晶闸管的派生器件
3）逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor ——RCT ）
a)
b)
G
T 1
T 2
a) 电气图形符号 b) 伏安特性 图1-10 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性
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。 1.3.4 晶闸管的派生器件
4）光控晶闸管（Light Triggered Thyristor ——LTT ）
a) 电气图形符号 b) 伏安特性
图1-11 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性
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。 光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。 因此目前在高压大功率的场合。 1.4 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，电力电子技术进入了一个崭新时代。
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。 1.4.1 门极可关断晶闸管
门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor —GTO ）是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。
a)
b)
G
T 1
T 2
K
a)
b)
1）GTO 的结构和工作原理 结构：
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。 与普通晶闸管一样，可以用图1-7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。
图1-12 GTO 的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号 工作原理：
GTO 能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别： 设计 α2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于GTO 。 导通时α1+α2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。 多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。 由上述分析我们可以得到以下结论：
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di/dt 能力强 。 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 储存时间ts ，使等效晶体管退出饱和。 下降时间tf
尾部时间tt —残存载流子复合。
通常tf 比ts 小得多，而tt 比ts 要长。 门极负脉冲电流幅值越大，ts 越短。
c)图1-13
A
G K G G K N 1
P 1
N 2
N 2P 2
b)
a)A
G
K
图1-13 GTO 的开通和关断过程电流波形
GTO 的主要参数
许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。 （1）开通时间ton —— 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1~2 s ，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。
—— 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于2 s 。 （2） 关断时间toff
不少GTO 都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联 。 （3）最大可关断阳极电流IATO （4） 电流关断增益 βoff
βoff 一般很小，只有5左右，这是GTO 的一个主要缺点。1000A 的GTO 关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 ——GTO 额定电流。
——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM 之比称为电流关断增益。 1.4.2 电力晶体管
电力晶体管（Giant Transistor ——GTR ，直译为巨型晶体管） 。
耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor ——BJT ），英文有时候也称为Power BJT 。 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。
1） GTR 的结构和工作原理
O
t
i G
i I 90% I 10%
I t 0
t 1
t 2
t 3
t 4
t 5
t 6
a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动 图1-14 GTR 的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 术语用法：
与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。 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 。 在应用中，GTR 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）
β——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= β ib +Iceo （1-10）
单管GTR 的β 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。
2）GTR 的基本特性 (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。
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。
b
c
i i =
β
图1-15 共发射极接法时GTR 的输出特性
(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 。 加快开通过程的办法 。 关断过程
储存时间ts 和下降时间tf ，二者之和为关断时间toff 。 加快关断速度的办法。
GTR 的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO 都短很多 。 3）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，最高工作电压要比BUceo 低得多。 2) 集电极最大允许电流IcM
通常规定为hFE 下降到规定值的1/2~1/3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 。 GTR 的二次击穿现象与安全工作区
一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic 迅速增大。 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 突然急剧上升，电压陡然下降。 常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。
O I < i b 3
U
ce
图1-16 GTR 的开通和关断过程电流波形
安全工作区（Safe Operating Area ——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1-17 GTR 的安全工作区
1.4.3 电力场效应晶体管 电力MOSFET 的种类 分为结型和绝缘栅型
通常主要指绝缘栅型中的MOS 型（Metal Oxide Semiconductor FET ） 简称电力MOSFET （Power MOSFET ）
结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor ——SIT ） 特点——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 。
i b
i 90% I b 10%
I b 90%
I c 10%
I c t 0t 1
t 2
t 3
t 4
t 5
t
I I c
U c U c e
电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW 的电力电子装置 。 电力场效应晶体管
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。 1）电力MOSFET 的结构和工作原理 电力MOSFET 的结构
导电机理与小功率MOS 管相同，但结构上有较大区别。
图1-18 电力MOSFET 的结构和电气图形符号
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 （Vertical MOSFET ）。
按垂直导电结构的差异，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 （Vertical Double-diffused MOSFET ）。 这里主要以VDMOS 器件为例进行讨论。 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。 导电：在栅源极间加正电压UGS
当UGS 大于UT 时，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，漏极和源极导电 。 2）电力MOSFET 的基本特性 (1) 静态特性
漏极电流ID 和栅源间电压UGS 的关系称为MOSFET 的转移特性。 ID 较大时，ID 与UGS 的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs 。 MOSFET 的漏极伏安特性：
截止区（对应于GTR 的截止区） 饱和区（对应于GTR 的放大区） 非饱和区（对应GTR 的饱和区）
工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。 漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。 通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利
G
D P 沟道b)a)G D N 沟道图1-19
图1-19 电力MOSFET 的转移特性和输出特性
a) 转移特性 b) 输出特性
(2) 动态特性 开通过程
开通延迟时间td(on) 上升时间tr
开通时间ton ——开通延迟时间与上升时间之和 关断过程
关断延迟时间td(off) 下降时间tf
关断时间toff ——关断延迟时间和下降时间之和
a) 测试电路 b) 开关过程波形
图1-20 电力MOSFET 的开关过程
up —脉冲信号源，Rs —信号源内阻，RG —栅极电阻，RL —负载电阻，RF —检测漏极电流 MOSFET 的开关速度
24
68a)
b) 截止
I
D A
T U
G /
V U D
/ V G T I
D A i
u
u G S u G u T
MOSFET 的开关速度和Cin 充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻Rs 减小时间常数，加快开关速度。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。开关时间在10~100ns 之间，工作频率可达100kHz 以上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。
3) 电力MOSFET 的主要参数
除跨导Gfs 、开启电压UT 以及td(on)、tr 、td(off)和tf 之外还有：——电力MOSFET 电压定额
(1) 漏极电压UDS
(2) 漏极直流电流ID 和漏极脉冲电流幅值IDM ——电力MOSFET 电流定额 (3) 栅源电压UGS
—— UGS >20V 将导致绝缘层击穿 。
(4) 极间电容
——极间电容CGS 、CGD 和CDS 1.4.4 绝缘栅双极晶体管
两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS 器件
绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor ——IGBT 或IGT ）GTR 和MOSFET 复合，结合二者的优点。
1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO 的地位。
GTR 和GTO 的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。
MOSFET 的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。 1) IGBT 的结构和工作原理
三端器件：栅极G 、集电极C 和发射极E
a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号
图1-21 IGBT 的结构、简化等效电路和电气图形符号
1.4.4 绝缘栅双极晶体管
图1-21a —N 沟道VDMOSFET 与GTR 组合——N 沟道IGBT 。 IGBT 的结构
IGBT 比VDMOSFET 多一层P+注入区，具有很强的通流能力。
a)
发射极栅极
G I C
b )G
c )
简化等效电路表明，IGBT 是GTR 与MOSFET 组成的达林顿结构，一个由MOSFET 驱动的厚基区PNP 晶体管。
RN 为晶体管基区内的调制电阻。 IGBT 的原理
驱动原理与电力MOSFET 基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE 决定。 导通：uGE 大于开启电压UGE(th)时，MOSFET 内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT 导通。
通态压降：电导调制效应使电阻RN 减小，使通态压降减小。
关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET 内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT 关断。
2) IGBT 的基本特性
(1) IGBT 的静态特性
图1-22 IGBT 的转移特性和输出特性
a) 转移特性 b) 输出特性
转移特性——IC 与UGE 间的关系(开启电压UGE(th)) 输出特性
分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。 (2) IGBT 的动态特性
IGBT 的开通过程 与MOSFET 的相似 开通延迟时间td(on) 电流上升时间tr 开通时间ton
uCE 的下降过程分为tfv1和tfv2两段。
tfv1——IGBT 中MOSFET 单独工作的电压下降过程；
tfv2——MOSFET 和PNP 晶体管同时工作的电压下降过程。 IGBT 的关断过程 关断延迟时间td(off ） 电流下降时间 关断时间toff
电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。
tfi1——IGBT 器件内部的MOSFET 的关断过程，iC 下降较快。 tfi2——IGBT 内部的PNP 晶体管的关断过程，iC 下降较慢。
I G E(th )
G
第2章电力电子器件课后复习题 第1部分：填空题 1. 电力电子器件是直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 2. 主电路是在电气设备或电力系统中，直接承担电能变换或控制任务的电路。 3. 电力电子器件一般工作在开关状态。 4. 电力电子器件组成的系统，一般由控制电路、驱动电路、主电路三部分组成， 由于电路中存在电压和电流的过冲，往往需添加保护电路。 5. 按照器件能够被控制的程度，电力电子器件可分为以下三类：不可控器件、半控型器件 和全控型器件。 6．按照驱动电路信号的性质，电力电子器件可分为以下分为两类：电流驱动型和电压驱动型。 7. 电力二极管的工作特性可概括为单向导电性。 8. 电力二极管的主要类型有普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管。 9. 普通二极管又称整流二极管多用于开关频率不高,一般为1K Hz以下的整流电路。其 反向恢复时间较长，一般在5μs以上。 10.快恢复二极管简称快速二极管，其反向恢复时间较短，一般在5μs以下。 11.肖特基二极管的反向恢复时间很短,其范围一般在10～40ns之间。 12.晶闸管的基本工作特性可概括为：承受反向电压时，不论是否触发，晶闸管都不会导 通；承受正向电压时，仅在门极正确触发情况下，晶闸管才能导通；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至维持电流以下。 13.通常取晶闸管的U DRM和U RRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，一般取 为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3 倍。 14.使晶闸管维持导通所必需的最小电流称为维持电流。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称为擎住电流。对同一晶闸管来说，通常I L约为I H的称为2~4 倍。 15.晶闸管的派生器件有：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管。 16. 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微秒左右。 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额不易做高。 17.双向晶闸管可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。 18.逆导晶闸管是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。 19. 光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。光触 发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。
电力电子技术试题（第一章） 一、填空题 1、普通晶闸管内部有 PN结,，外部有三个电极，分别是极极和极。 1、三个、阳极A、阴极K、门极G。 2、晶闸管在其阳极与阴极之间加上电压的同时，门极上加上电压，晶闸管就导通。 2、正向、触发。 3、、晶闸管的工作状态有正向状态，正向状态和反向状态。 3、阻断、导通、阻断。 4、某半导体器件的型号为KP50—7的，其中KP表示该器件的名称为，50表示，7表示。 4、普通晶闸管、额定电流50A、额定电压700V。 5、只有当阳极电流小于电流时，晶闸管才会由导通转为截止。 5、维持电流。 6、当增大晶闸管可控整流的控制角α，负载上得到的直流电压平均值会。 6、减小。 7、按负载的性质不同，晶闸管可控整流电路的负载分为性负载，性负载和负载三大类。 7、电阻、电感、反电动势。 8、当晶闸管可控整流的负载为大电感负载时，负载两端的直流电压平均值会，解决的办法就是在负载的两端接一个。 8、减小、并接、续流二极管。 9、工作于反电动势负载的晶闸管在每一个周期中的导通角、电流波形不连续、呈状、电流的平均值。要求管子的额定电流值要些。 9、小、脉冲、小、大。 10、单结晶体管的内部一共有个PN结，外部一共有3个电极，它们分别是极、极和极。 10、一个、发射极E、第一基极B1、第二基极B2。 11、当单结晶体管的发射极电压高于电压时就导通；低于电 压时就截止。 11、峰点、谷点。 12、触发电路送出的触发脉冲信号必须与晶闸管阳极电压，保证在管子阳极电压每个正半周内以相同的被触发，才能得到稳定的直流电压。 12、同步、时刻。 13、晶体管触发电路的同步电压一般有同步电压和电压。 13、正弦波、锯齿波。 14、正弦波触发电路的同步移相一般都是采用与一个或几个的叠加，利用改变的大小，来实现移相控制。 14、正弦波同步电压、控制电压、控制电压。 15、在晶闸管两端并联的RC回路是用来防止损坏晶闸管的。 15、关断过电压。 16、为了防止雷电对晶闸管的损坏，可在整流变压器的一次线圈两端并接一个或。 16、硒堆、压敏电阻。 16、用来保护晶闸管过电流的熔断器叫。 16、快速熔断器。 二、判断题对的用√表示、错的用×表示（每小题1分、共10分） 1、普通晶闸管内部有两个PN结。（×） 2、普通晶闸管外部有三个电极，分别是基极、发射极和集电极。（×） 3、型号为KP50—7的半导体器件，是一个额定电流为50A的普通晶闸管。（） 4、只要让加在晶闸管两端的电压减小为零，晶闸管就会关断。（×） 5、只要给门极加上触发电压，晶闸管就导通。（×） 6、晶闸管加上阳极电压后，不给门极加触发电压，晶闸管也会导通。（√） 7、加在晶闸管门极上的触发电压，最高不得超过100V。（×） 8、单向半控桥可控整流电路中，两只晶闸管采用的是“共阳”接法。（×） 9、晶闸管采用“共阴”接法或“共阳”接法都一样。（×） 10、增大晶闸管整流装置的控制角α，输出直流电压的平均值会增大。（×） 11、在触发电路中采用脉冲变压器可保障人员和设备的安全。（√） 12、为防止“关断过电压”损坏晶闸管，可在管子两端并接压敏电阻。（×） 13、雷击过电压可以用RC吸收回路来抑制。（×） 14、硒堆发生过电压击穿后就不能再使用了。（×） 15、晶闸管串联使用须采取“均压措施”。（√）
第1章电力电子器件 填空题： 1.电力电子器件一般工作在________状态。 2.在通常情况下，电力电子器件功率损耗主要为________，而当器件开关频率较高时，功率损耗主要为________。 3.电力电子器件组成的系统，一般由________、________、________三部分组成，由于电路中存在电压和电流的过冲，往往需添加________。 4.按内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，电力电子器件可分为________、________、________三类。 5.电力二极管的工作特性可概括为________。 6.电力二极管的主要类型有________、________、________。 7.肖特基二极管的开关损耗________快恢复二极管的开关损耗。 8.晶闸管的基本工作特性可概括为 ____ 正向有触发则导通、反向截止 ____ 。 9.对同一晶闸管，维持电流I H与擎住电流I L在数值大小上有I L________I H。 10.晶闸管断态不重复电压U DRM与转折电压U bo数值大小上应为，U DRM________Ubo。 11.逆导晶闸管是将________与晶闸管________（如何连接）在同一管芯上的功率集成器件。 12.GTO的________结构是为了便于实现门极控制关断而设计的。 13.功率晶体管GTR从高电压小电流向低电压大电流跃变的现象称为________。 14.MOSFET的漏极伏安特性中的三个区域与GTR共发射极接法时的输出特性中的三个区域有对应关系，其中前者的截止区对应后者的________、前者的饱和区对应后者的________、前者的非饱和区对应后者的________。 15.电力MOSFET的通态电阻具有________温度系数。 16.IGBT 的开启电压U GE（th）随温度升高而________，开关速度________电力MOSFET 。 17.功率集成电路PIC分为二大类，一类是高压集成电路，另一类是________。 18.按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的性质，可将电力电子器件分为________和________两类。 19.为了利于功率晶体管的关断，驱动电流后沿应是________。 20.GTR的驱动电路中抗饱和电路的主要作用是________。 21.抑制过电压的方法之一是用________吸收可能产生过电压的能量，并用电阻将其消耗。在过电流保护中，快速熔断器的全保护适用于________功率装置的保护。
第2章 电力电子器件概述 习题 第1部分：填空题 1. 电力电子器件是直接用于（主）电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 2. 主电路是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。 3.处理信息的电子器件一般工作于放大状态，而电力电子器件一般工作在（开关）状态。 4. 电力电子器件组成的系统，一般由（控制电路）、（驱动电路）、（保护电路）、（主电路）四部分组成。 5. 按照器件能够被控制的程度，电力电子器件可分为以下三类：（半控型）、（全控型） 和（不控型）。 6．按照驱动电路信号的性质，电力电子器件可分为以下分为两类：（电流驱动型） 和（电压驱动型） 7. 电力二极管的主要类型有（普通二极管）、（ 快恢复二极管）、（肖特基二极管）。 8. 普通二极管又称整流二极管多用于开关频率不高,一般为（1K ）Hz 以下的整流电路。其反向恢复时间较长，一般在(5us)以上。 9.快恢复二极管简称快速二极管，其反向恢复时间较短，一般在(5us)以下。 10.晶闸管的基本工作特性可概括为：承受反向电压时，不论（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）情况下，晶闸管才能导通；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）。 11.晶闸管的派生器件有：（快速晶闸管）、（双向晶闸管）、（逆导晶闸管）、（光控晶闸管）。 12. 普通晶闸管关断时间（一般为数百微秒），快速晶闸管（一般为数十微秒），高频晶闸管（10us ）左右。高频晶闸管的不足在于其（电压和电流定额）不易提高。 13.（双向晶闸管）可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。 14.逆导晶闸管是将（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。 15. 光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用（一定波长的光照信号）触发导通的晶闸管。光触发保证了主电路与控制电路之间的（绝缘），且可避免电磁干扰的影响。常应用在（高压大功率）的场合。 16. GTO 的开通控制方式与晶闸管相似，但是可以通过在门极（施加负的脉冲电流）使其关断。 17. GTR 导通的条件是：（0CE u >） 且（ 0B i > ）。
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：
2.3 半控型器件—晶闸管 全称晶体闸流管，又称可控硅整流器（SCR）。 1、晶闸管的结构与工作原理 晶闸管结构图、双晶体管模型图、工作原理图和符号图如图1所示，晶闸管的管芯是P1N1P2N2四层半导体，形成3个PN结J1、J2和J3。可等效为PNP和NPN两个三极管。 图1 晶闸管结构图、双晶体管模型图、工作原理图和符号图 晶闸管的工作原理是：门极电流I G↑→I b2↑→I c2(I b1)↑→Ic1↑→I K↑，阳极A、阴极K饱和导通。 2、晶闸管工作特点是： （1）承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 （2）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。 （3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 （4）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。 3、闸管静态特性 晶闸管静态V-I特性曲线图如图2所示。 图2 晶闸管静态V-I特性曲线图 （1）正向特性：I G=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压U bo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。 （2）反向特性：反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。 4、动态特性 晶闸管的开通和关断过程波形如图3所示。 图3晶闸管的开通和关断过程波形 （1）开通过程：延迟时间t d：0.5~1.5?s。上升时间t r：0.5~3?s。开通时间t gt：以上两者之和，t gt=t d+ t r。 （2）关断过程：反向阻断恢复时间t rr，正向阻断恢复时间t gr，关断时间t q是以上两者之和t q=t rr+t gr。普通晶闸管的关断时间约几百微秒。 5、晶闸管的主要参数 （1）电压定额 断态重复峰值电压U DRM：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。
第1章 电力电子器件 1. 使晶闸管导通的条件是什么？ 2. 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？ 3. 图1-43中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为I m ，试计算各波形的电流平均值I d1、I d2、I d3与电流有效值I 1、I 2、I 3。 π4π4π25π4a)b)c)图1-43 图1-43 晶闸管导电波形 4. 上题中如果不考虑安全裕量,问100A 的晶闸管能送出的平均电流I d1、I d2、I d3各为多少？这时，相应的电流最大值I m1、I m2、I m3各为多少? 5．试说明IGBT 、GTR 、GTO 和电力MOSFET 各自的优缺点。 6．快恢复二极管的动态参数有哪些？动态参数对电路工作有什么影响？ 7．什么是晶闸管的关断时间？晶闸管的关断时间受哪些参数的影响？ 8．晶闸管的非正常导通方式有哪些？晶闸管的非正常导通有什么危害？怎样才能阻止晶闸管的非正常导通？ 9．试述晶体管基极驱动电流与晶体管导通压降和晶体管关断时间之间的关系。怎样的晶体管基极读动电流波形能使晶体管既有低的导通压降又有短的关断时间？ 10．什么是晶体管安全工作区？与功率MOSFET 和IGBT 相比，功率晶体管的安全工作区多了什么限制？ 11．功率MOSFET 和IGBT 是电压控制器件，为什么当频率很高时，它们的门极驱动电流仍然很大？ 12．比较功率MOSFET ，IGBT 和功率晶体管的动态和静态特性。 13．为什么要提高器件的开关速度？如果器件工作频率很低，器件的开关速度是否也很重要？为什么？ 14．对于IGBT 单开关电路，其电阻负载为100Ω，电源电压为1000V ，器件关断时间为0.5μS ，要求设计RCD 参数（电阻值与功率、电容值与耐压、二极管的规格），使得关断过程中电压上升率控制在500V/μS 以内，开通器件冲击电流不高于15A ，放电时间在100μS 以内。（提示：电阻负载带有一定感性，在器件关断过程中负载电流可以看作不变，设计参数有一定范围，只要符合要求就行）
2016 电力电子技术 作业：第二章总结 班级：XXXXXX学号：XXXXXXX姓名：XXXXXX
第二章电力电子器件总结 1.概述 不可控器件——电力二极管(Power Diode) GPD FRD SBD 半控型器件——晶闸管(Thyristor) FST TRIAC LTT 典型全控型器件GTO GTR MOSFET IGBT 其他新型电力电子器件MCT SIT SITH IGCT 功率集成电路与集成电力电子模块HVIC SPIC IPM 1.1相关概念 主电路(Main Power Circuit):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(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? 1.2特点 电功率大,一般都远大于处理信息的电子器件? 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(主要对控制信号进行放大)? 功率损耗大,工作时一般都需要安装散热器? 通态损耗,断态损耗,开关损耗(开通损耗关断损耗) 开关频率较高时,可能成为器件功率损耗的主要因素? 电力电子器件在实际应用中的系统组成 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? 关键词电力电子系统电气隔离检测电路保护电路三个端子 1.3电力电子器件的分类 按能够被控制电路信号控制的程度不同可分为半控型器件(开通可控,关断不可控) 全控型器件(开通,关断都可控) 不可控器件(开通,关断都不可控) 按照驱动信号的性质不同可分为电流驱动型电压驱动型 按照驱动信号的波形(电力二极管除外)不同可分为脉冲触发型电平控制型 按照载流子参与导电的情况不同可分为单极型器件(由一种载流子参与导电) 双极型器件(由电子和空穴两种载流子参与导电)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) 关键词控制的程度驱动信号的性质?波形载流子参与导电的情况工作原理基本特性主要参数2不可控器件——电力二极管(Power Diode) 2.1结构与工作原理 电力二极管实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的? PN节(PN junction):采用不同的掺杂工艺,通过扩散作用,将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体(通常是硅或锗)基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结? N型半导体(N为Negative的字头,由于电子带负电荷而得此名):即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体? P型半导体(P为Positive的字头,由于空穴带正电而得此名):即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体? 正向电流IF :当PN结外加正向电压(正向偏置)时,在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流? 反向截止状态:当PN结外加反向电压时(反向偏置)时,反向偏置的PN结表现为高阻态,几乎没有电流流过的状态? 反向击穿:PN结具有一定的反向耐压能力,但当施加的反向电压过大,反向电流将会急剧增大,破坏PN 结反向偏置为截止的工作状态?雪崩击穿齐纳击穿(可以恢复) 热击穿(不可恢复) P-i-N结构
第二讲电力电子器件的概述与电力二极管 2.1 电力电子器件概述 2.1.1 电力电子器件的概念 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（Electron Device）和半导体器件（Semiconductor Device）两类。 电真空器件（Electron Device）：自20世纪50年代以来，真空管（Vacuum Valve）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（Power Semiconductor Device）所采用的主要材料仍然是硅。 2.1.2 电力电子器件的特征 同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征： 1)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毫瓦级，大至兆瓦级, 大多都远大于处理信息的电子器件。 2)电力电子器件一般都工作在开关状态 导通时【通态（On－State）】阻抗（Impedance）很小，接近于短路，管压降（V oltage Across the Tube）接近于零，而电流由外电路决定 阻断时【断态（Off－State）】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（Dynamic Speciality）【也就是开关特性（Switching Speciality）】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 3)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(Driving Circuit)。 4)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
班级姓名学号 第2/9章电力电子器件课后复习题 第1部分：填空题 1. 电力电子器件是直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 2. 主电路是在电气设备或电力系统中，直接承担电能变换或控制任务的电路。 3. 电力电子器件一般工作在开关状态。 4. 电力电子器件组成的系统，一般由控制电路、驱动电路、主电路三部分组成， 由于电路中存在电压和电流的过冲，往往需添加保护电路。 5. 按照器件能够被控制的程度，电力电子器件可分为以下三类：不可控器件、半控型器件 和全控型器件。 6．按照驱动电路信号的性质，电力电子器件可分为以下分为两类：电流驱动型和电压驱动型。 7. 电力二极管的工作特性可概括为单向导电性。 8. 电力二极管的主要类型有普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管。 9. 普通二极管又称整流二极管多用于开关频率不高,一般为1K Hz以下的整流电路。其 反向恢复时间较长，一般在5μs以上。 10.快恢复二极管简称快速二极管，其反向恢复时间较短，一般在5μs以下。 11.肖特基二极管的反向恢复时间很短,其范围一般在10～40ns之间。 12.晶闸管的基本工作特性可概括为：承受反向电压时，不论是否触发，晶闸管都不会导 通；承受正向电压时，仅在门极正确触发情况下，晶闸管才能导通；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至维持电流以下。 13.通常取晶闸管的U DRM和U RRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，一般取 为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3 倍。 14.使晶闸管维持导通所必需的最小电流称为维持电流。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称为擎住电流。对同一晶闸管来说，通常I L约为I H的称为2~4 倍。 15.晶闸管的派生器件有：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管。 16. 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微秒左右。 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额不易做高。 17. 双向晶闸管可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。
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。 GTR：电力晶体管。MCT：MOS控制晶体管。 ITBT：绝缘栅双极晶体管。MOSFET：电力场效应晶体管。 电力二极管 二极管的基本原理——PN结的单向导电性 ◆当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF，这就是PN结的正向导通状态。 ◆当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。 ◆PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。
电力电子技术第五版课后习题答案 第二章 电力电子器件 2. 使晶闸管导通的条件是什么？ 答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或：u AK >0且u GK >0。 3. 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？ 答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。 要使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。 4. 图2-27中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为I m ，试计算各波形的电流平均值I d1、I d2、I d3与电流有效值I 1、I 2、I 3。 π4 π 4 π2 5π4a) b) c) 图1-43 图2-27 晶闸管导电波形 解：a) I d1= π21?π πωω4 )(sin t td I m =π2m I (122+)≈0.2717 I m I 1= ? π π ωωπ 4 2)()sin (21 t d t I m = 2m I π 2143+≈0.4767 I m b) I d2 = π1?π πωω4)(sin t td I m =π m I (122+)≈0.5434 I m I 2 = ? π π ωωπ 4 2)()sin (1 t d t I m = 2 2m I π 2143+≈0.6741I m c) I d3=π21?20 )(π ωt d I m =41 I m I 3 = ? 20 2 )(21 π ωπ t d I m = 2 1 I m 5. 上题中如果不考虑安全裕量,问100A 的晶闸管能送出的平均电流I d1、I d2、I d3各为多少？这时，相应的电流最大值I m1、I m2、I m3各为多少? 解：额定电流I T(AV) =100A 的晶闸管，允许的电流有效值I =157A ，由上题计算结果知 a) I m1≈ 4767 .0I ≈329.35， I d1≈0.2717 I m1≈89.48
新型电力电子器件 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制电路中的大功率(通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上)电子器件。又称功率电子器件。20世纪50年代，电力电子器件主要是汞弧闸流管和大功率电子管。60年代发展起来的晶闸管，因其工作可靠、寿命长、体积小、开关速度快，而在电力电子电路中得到广泛应用。70年代初期，已逐步取代了汞弧闸流管。80年代，普通晶闸管的开关电流已达数千安，能承受的正、反向工作电压达数千伏。在此基础上，为适应电力电子技术发展的需要，又开发出门极可关断晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件，以及单极型MOS功率场效应晶体管、双极型功率晶体管、静电感应晶闸管、功能组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。 各种电力电子器件均具有导通和阻断两种工作特性。功率二极管是二端(阴极和阳极)器件，其器件电流由伏安特性决定，除了改变加在二端间的电压外，无法控制其阳极电流，故称不可控器件。普通晶闸管是三端器件，其门极信号能控制元件的导通，但不能控制其关断，称半控型器件。可关断晶闸管、功率晶体管等器件，其门极信号既能控制器件的导通，又能控制其关断，称全控型器件。后两类器件控制灵活，电路简单，开关速度快，广泛应用于整流、逆变、斩波电路中，是电动机调速、发电机励磁、感应加热、电镀、电解电源、直接输电等电力电子装置中的核心部件。这些器件构成装置不仅体积小、工作可靠，而且节能效果十分明显(一般可节电10%～40%)。 单个电力电子器件能承受的正、反向电压是一定的，能通过的电流大小也是一定的。因此，由单个电力电子器件组成的电力电子装置容量受到限制。所以，在实用中多用几个电力电子器件串联或并联形成组件，其耐压和通流的能力可以成倍地提高，从而可极大地增加电力电子装置的容量。器件串联时，希望各元件能承受同样的正、反向电压；并联时则希望各元件能分担同样的电流。但由于器件的个异性，串、并联时，各器件并不能完全均匀地分担电压和电流。所以，在电力电子器件串联时，要采取均压措施；在并联时，要采取均流措施。 电力电子器件工作时，会因功率损耗引起器件发热、升温。器件温度过高将缩短寿命，甚至烧毁，这是限制电力电子器件电流、电压容量的主要原因。为此，必须考虑器件的冷却问题。常用冷却方式有自冷式、风冷式、液冷式(包括油冷式、水冷式)和蒸发冷却式等。 1. 超大功率晶闸管 晶闸管（SCR）自问世以来，其功率容量提高了近3000倍。现在许多国家已能稳定生产8kV / 4kA的晶闸管。日本现在已投产8kV / 4kA和6kV / 6kA的光触发晶闸管（LTT）。美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。近十几年来，由于自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，（由于它的高电压、大电流特性，它在HVDC、静止无功补偿（SVC）、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍占有十分重要的地位。预计在今后若干年内，晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。 现在，许多生产商可提供额定开关功率36MVA （6kV/ 6kA ）用的高压大电流GTO。传统GTO的典型的关断增量仅为3~5。GTO关断期间的不均匀性引起的"挤流效应"使其在关断期间dv/dt必须限制在500~1kV/μs。为此，人们不得不使用体积大、昂贵的吸收电路。另外它的门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率。但是，高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的dv/dt耐量和有可能在内部集成一个反并二极管，这些突出的优点仍使人们对GTO感到兴趣。到目前为止，在高压（VBR>3.3kV）、大功率（0.5~20 MVA）牵引、工业和电力逆变器中应用得最为普遍的是门控功率半导体器件。目前，GTO的最高研究水平为6in、6kV / 6kA以及9kV/10kA。为了满足电力系统对1GVA以上的三相逆变功率电压源的需
第二讲 开关电源中的主要元器件 元器件是构成开关电源的基础，深入了解关键元器件的性能，对于使用维护乃至设计开 关电源尤为重要。本节将对应用广泛的新型元器件作介绍。 一、 功率开关 晶闸管(SCR)于1956年问世，接着以它为核心的派生器件投入市场，而这些派生器件比SCR具有更高的额定电压和电流，以及更好的开关特性。但是它们均属半控型器件， 所以辅助电路多、效率低、工作频率低。 进入20世纪80年代，由于电力电子技术和微电子技术的应用相结合，而向市场推出了高频化全控功率集成器件。如功率MOS管、绝缘门极晶体管IGBT(或IGT)、静电感应晶体管(SIT)、场控晶闸管(MCT)等。由于这些器件不需另设辅助开关去强迫关断，故称为全控型电子器件。它们具有较高的效率和较高的工作频率，从而使开关电源整机体积变小而重量变轻，达到提高功率密度的目的。 在新一代全控型电力电子器件中，功率MOS管和静电感应晶体管(SIT)属单极型器件，它们只有一种载流子。而IGBT(或IGT)、MCT及功率集成电路(PIC)或智能功率模块(1PM)、智能开关等，为混合型器件。它们是双极型晶体管与MOS管混合，或是晶闸管与MOS器件混合。上述器件除有自关断性能外，还有如下特点： (1)在结构上由无数单元小管并联集成； (2)均为高频器件，工作频率从几千赫兹至几兆赫兹。有的频率已达10MHz以上； (3)应用性能更完善，除了有开关功能之外，有些器件还有放大、PWM调制、逻辑运算等功能。目前，高频开关电源采用的功率器件通常有：功率MOSFET、IGBT、功率MOSFET与 IGBT混合管及功率集成器件。 1、功率MOSFET 场效应管分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管，功率场效应晶体管都是绝缘栅型场效应管。绝缘栅型场效应管是由金属氧化物、半导体组成的场效应晶体管，简称MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，这是一种电压控制的单极型器件。功率MOSFET(VMOSFET，有时也简称VMOS)作为开关器件，其常态都是阻断状态，也就是说都是增强型的MOSFET。VMOSFET分为N沟道和P沟道两种，其中，N沟道VMOSFET的导通电流从漏极D流向源极S，而P沟道VMOSFET的导通电流从源极S流向漏极D，它们的电气图形符号如图3-2-1所示。 图3-2-1 VMOSEFT的图形符号
一、问答题 1、晶闸管的导通条件是什么? 导通后流过晶闸管的电流和负载上的电压由什么决定? 答：条件：晶闸管阳极和阴极间施加正向电压，并在门极和阴极间施加正向触发电压和电流（或脉冲）。 电流由电源和负载阻抗决定，负载上电压由电源电压决定。 2、晶闸管的关断条件是什么?如何实现?晶闸管处于阻断状态时其两端的电压大小由什么决定? 答：（1）条件：使晶闸管的阳极电流I A减小到维持电流I H以下，内部正反馈无法进行，实现晶闸管的关断。（2）增大负载阻抗、减小阳极电压或反向。（3）两端电压大小由电源电压决定。 3、试说明晶闸管有哪些派生器件？ 答：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等。 4、请简述光控晶闸管的有关特征。 答：光控晶闸管是在普通晶闸管的门极区集成了一个光电二极管，光照下，光电二极管电流增加，此电流便可作为门极电触发电流使晶闸管开通。主要用于高压大功率场合。 5、晶闸管触发的触发脉冲要满足哪几项基本要求？ 答：A触发信号有足够的功率。B触发脉冲有一定的宽度，脉冲前沿尽可能陡，使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。C触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。 6、如何防止P-MOSFET因静电感应应起的损坏? 答：它的输入电容是低泄漏电容，当栅极开路时极易受静电干扰而充上超过±20的击穿电压，所以为防止MOSFET因静电感应而引起的损坏 7、GTR对基极驱动电路的要求是什么？ 答：要求： （1）提供合适的正反向基流以保证GTR可靠导通与关断；（2）实现主电路与控制电路隔离；（3）自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切除驱动信号避免损坏GTR；（4）电路简单，工作稳定可靠，抗干扰能力强。 8、与GTR相比P-MOSFET管有何优缺点? 答：GTR是电流型器件，P-MOSFET是电压型器件，与GTR相比，P-MOSFET管的工作速度快，开关频率高，驱动功率小且驱动电路简单，无二次击穿问题，安全工作区宽，并且输入阻抗可达几十兆欧。 P-MOSFET缺点：电流容量低，承受反向电压小。 9、分别说明什么是不可控型、半控型和全控型电力电子器件。
交 流 调 速 系 统 第二讲 现代电力电子器件 主讲人: 2***级自动化本 讲课时间:2007年9月12日 主要内容 ? 第二章 现代电力电子技术 ? 2.4 电力电子器件的分类 ? 2.5 电力二极管 ? 2.6半控型器件--晶闸管 ? 2.7 典型全控型器件 ? 2.8 其他新型电力电子器件 2.4 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： 2.4.1 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 ）及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定 2.4.2 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 绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor--IGBT ） 电力场效应晶体管（Power MOSFET ，简称为电力MOSFET ） 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor--GTO ） 2.4.3 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（Power Diode ） 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 2.4 电力电子器件的分类 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： 2.4.4 电流驱动型和电压驱动型 ? 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 2.4 电力电子器件的分类 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： 2.4.5 单极型器件、双极型器件和复合型器件 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 2.5 电力二极管 不可控器件。 Power Diode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 基本结构和工作原理和普通二极管一样，以半导体PN结为基础，由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装 （2）电力二极管的基本特性 ●PN结的单向导电性：PN结的反向截止状态 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变化而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为 微分电容。 (3) 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别造成的 ●整流二极管: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达到很高，分别可达数千安和数千伏以上 ●快恢复二极管: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 ●肖特基二极管:以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode--SBD），简称为肖特基二极管
第1章电力电子器件 概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。 介绍常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意问题。1.1 电力电子器件概述 1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1）概念: 电力电子器件（Power Electronic Device） ——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 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。 2）分类: 电真空器件(汞弧整流器、闸流管) 半导体器件(采用的主要材料硅） 3）同处理信息的电子器件相比的一般特征： 能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。 电力电子器件一般都工作在开关状态。 电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。 电力电子器件的损耗 主要损耗：通态损耗、断态损耗、开关损耗、关断损耗、开通损耗 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，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。 1.1.2 应用电力电子器件系统组成 电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。 图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成 在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行 1.1.3 电力电子器件的分类 按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：
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。 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。 按照驱动电路信号的性质，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。 1.1.4 本章学习内容与学习要点 本章内容: 介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。 集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用这三个问题。 学习要点: 最重要的是掌握其基本特性。 掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法。 可能会主电路的其它电路元件有特殊的要求。 1.2 不可控器件—电力二极管 Power Diode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。 1.2.1 PN结与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一样。 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。