第2章 电力电子器件的基本特性

1200V/1200A— 20kHz
4.5kV/1.2kA— 2kHz
炼钢厂、轧钢机、直流输电、 电解用整流器
工业逆变器、电力机车用逆变 器、无功补偿器
开 关 电 源 、 小 功 率 UPS 、 小 功 率逆变器
各种整流/逆变器（UPS、变频 器、家电）、电力机车用逆变 器、中压变频器
第一章、电力电子器件
1、电力二极管的伏安特性
特性曲线:
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。
图2.2.2 电力二极管的 伏安特性曲线
1.2.2 电力二极管的特性与参数
电力二极管的主要类型：
（1）普通二极管：普通二极管又称整流管（Rectifier Diode），多用于开关频率在１KHZ以下的整流电路中， 其反向恢复时间在５us以上，额定电流达数千安，额定 电压达数千伏以上。
（2）快恢复二极管：反向恢复时间在５us以下的称为快恢复 二极管（Fast Recovery Diode简称FDR）。快恢复二极 管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者 反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在100ns以下，其 容量可达1200V/200A的水平, 多用于高频整流和逆变电 路中。
动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子） 向本区运动，即漂移运动。
空间电荷:交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另 一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了
带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、 负电荷称为空间电荷。

图2-12 射极接地NPN型晶体管的静特性
图2-13 射极接地型晶体管电路图
小型晶体管最主要功能是作为线性放大器来使用，而功率 晶体管的主要是用于开关，充分发挥其功耗小、无触点的 优点。 图2-15为双极型晶体管的开关动特性。该特性对其它器件如 MOSFET、IGBT、SCR、GTO均适用。因为，它们都要考 虑电荷蓄积时间造成开关时间滞后的问题，不同的元件只 是滞后时间大小不同而已。图中输入信号为基极电流，输 出波形是指集电极电流与时间的关系。
图2-22 IGBT兼有BJT和MOS的优点
由图2-24（a）的IGBT的等效电路可见，IGBT是 以BJT为主导元件、MOS为驱动元件的达林顿结 构器件。其电路图符号如图2-24（b）所示。
图2-22 IGBT等效电路
2.2.4 晶闸管 1 普通晶闸管
晶闸管是四层（PNPN）三端（AKG）器件。A是阳极， K为阴极，G为门极。它有三个PN结J1、J2、J3。在一 般情况下，由于器件存在着反向PN结，因而，无论是承 受正压还是反压，器件均不能导通。
下面再解释一下图2-8（c），如果在PN结上 加与图2-7相反极性的电压，则在结合面上电 位壁垒将大大提高，该结合面仿佛变成了一 个电容器，使得电流不可能再流通。当然， 严格的说，也有接近0的微安级漏电流流过， 此电流称为反向电流。
2.2.3 电力晶体管
电力晶体管根据产生主电流载流子不同分为双极 型和单极型两类。前者载流子为空穴和电子，后 者只是电子（或空穴）。 单极型晶体管是在控制极加上电压形成电场，进行 电流控制。这类晶体管又称场效应晶体管（field effect transistor）简称FET，在后面章节还要详述。
2.4 电力电子器件的模块化
模块是在单个元件基础上发展起来的新器件， 它是有若干个半导体芯片按不同的用途和目的 进行接线后，封装成一个块状整体。90年代已 经开始普及，除少数超大功率器件外，一般中 小功率器件均模块化。其优点是外部接线简单， 抗干扰能力增强。

电压过冲原因
1)电导调制效应起作用所需大量
少子需要一定时间储存，达到稳
态导通前管压降较大。
2)正向电流的上升因器件自身的
电感而产生较大压降。电流上升
率越大, UFP越高。
第1章第31页
2.2.3 电力二极管的主要参数
1) 正向平均电流IF(AV) （额定电流）
2）正向压降UF 3）反向重复峰值电压URRM（额定电压） 4）反向恢复时间trr
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2.2.4 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。
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（一般在5µs以上） – 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，
第1章第37页
3. 肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode --
SBD） 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管。
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。 正向压降明显低于快恢复二极管（0.55V）。 效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速 二极管小。
GTO,晶闸管
◆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导通 状态或者关断并维持在阻断状态。
IGBT和Power MOSFET等电压型器件，GTR
2.1.3 电力电子器件的分类
■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。

第二章电力电子器件前面学习了不可控器件-电力二极管、半控型器件-晶闸管2.4 典型全控型器件全控型器件的特点：通过门极的控制既可以使其开通，也可以使其关断。

全控型电力电子器件的典型代表：门极可关断、电力晶体管、电力场效应晶体管（就是通常所说的电力MOSFET/MOS管）、绝缘栅双极晶体管（通常所说的IGBT）。

全控型器件实际上发展很快，不止这些，简要学习这几种典型全控型器件的基本原理，对以后理解和使用其他全控型器件有帮助。

门极可关断晶闸管——顾名思义，它是晶闸管家族中的一种，它的出现是比较早的。

50年代后期，出现了晶闸管，从而诞生了一门崭新的学科—电力电子学，60年代初，门极可关断晶闸管出现了，但全控型器件真正的发展，是到20世纪80年代以后。

在20世纪50年代后期到70年代，以晶闸管为中心的半控型器件，占据着电力电子学的舞台。

正是因为晶闸管的出现，才产生了电力电子学，他得到了迅速发展。

到80年代以后，全控型器件逐渐成为主流，某种程度上来说，取代了半控型器件晶闸管的中心位置，当然，半控型器件晶闸管也很重要，但不占据主要位置了。

由于全控型器件的发展，使电力电子装置的性能更完善、控制更方便，对电力电子学的发展起到了很重要的作用。

这门课主要是介绍各种电路，各种电路是以各种电力电子器件为基础的。

各种器件里，我们介绍了很多，有三种器件在本课中占主导地位，一种是半控型晶闸管，虽然它在电力电子学中不再占中心位置，但仍然用处很大，还是很重要的一种器件，很多电路会使用它。

另外两种就是电力MOSFET，在小功率场合用得最多，再就是IGBT （绝缘栅双极晶体管），在中大功率场合占主流位置，它也是重点介绍的器件。

从门极可关断晶闸管入手。

* 一般说GTO ，不说门极可关断晶闸管* 顾名思义，它是晶闸管的一种派生器件，是晶闸管家族中的一种，但它和晶闸管有很大区别。

晶闸管有很多种，主导是普通晶闸管，除此之外，还有快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管，都属于半控型器件，而GTO 虽然是晶闸管的一种，但被划到全控型器件中去了。