第二章：电力电子器件

第2章电力电子器件2.1电力电子器件概述2.2功率二极管2.3晶闸管2.4典型全控型器件2.5其他新型电力电子器件电子技术的基础

介绍各种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的一些问题简要概述电力电子器件的概念、特点和分类等本章主要内容：

电力电子器件电力电子技术的基础电子器件：晶体管和集成电路

电力电子器件2.1电力电子器件的概述2.1.1电力电子器件的概念和特征2.1.2应用电力电子器件的系统组成2.1.3电力电子器件的分类

一.电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念电力电子器件（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主电路（mainpowercircuit）——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电真空器件

(汞弧整流器、闸流管等电真空器件)

半导体器件

(采用的主要材料仍然是硅)能处理的电功率大，即器件承受电压和电流的能力大。电力电子器件一般都工作在开关状态。实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。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。

电力电子器件的特征主要损耗通态损耗：导通时器件上有一定的通态压降断态损耗：阻断时器件上有微小的断态漏电流流过开关损耗：开通损耗：在器件开通的转换过程中产生的损耗关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损耗

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

电力电子器件的损耗二.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检测电路驱动电路RL主电路V1V2图2-1电力电子器件在实际应用中的系统组成三.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：半控型器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）3）不可控器件功率二极管（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。通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断。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全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。不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。

按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：

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：

1)

电流驱动型

1)

单极型器件电力电子器件的分类2)

电压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2)

双极型器件3)

复合型器件由一种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件2.2功率二极管2.2.1功率二极管的结构与原理2.2.2功率二极管的基本特性2.2.3功率二极管的主要类型一.功率二极管结构与原理

结构、符号与外形基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结为基础，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，主要有塑封、螺栓型和平板型三种封装图2-2电力二极管的外形、结构和电气图形符号

a)外形b)结构c)电气图形符号工作原理

PN结的正向导通状态电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。

PN结的反向截止状态

PN结的单向导电性。

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。功率二极管结构与原理二.功率二极管的基本特性静态伏安特性图2-3功率二极管的伏安特性

当功率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对应的功率二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当功率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。三.功率二极管的主要类型1.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达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。2.快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）功率二极管的主要类型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，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。

工艺上多采用了掺金措施、改进的PiN结构等2.3

晶闸管

2.3.1晶闸管及其工作原理

2.3.2晶闸管的基本特性

2.3.3晶闸管的主要参数

2.3.4晶闸管的派生器件晶闸管（Thyristor）：硅晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管1957年美国通用电气公司（GE）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能承受的电压和电流容量大，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基本类型——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

一.晶闸管及其工作原理1.晶闸管外型、结构及符号外形有塑封式、螺栓型和平板型三种封装形式引出阳极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图2-4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

阻断特性

①正向阻断

UAK为正，IG=0②反向阻断

UAK为负，

图2-5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2.

晶闸管的工作原理正向转折现象

Ic1=1IA

（1-1）

Ic2=2IK

（1-2）

IK=IA+IG

（1-3）

IA=Ic1+Ic2

+

Ic0

（1-4）

式中1和2分别是晶体管V1和V2的电流增益；

Ic0

是漏电流。由以上式（1-1）~（1-4）可得

（1-5）图2-6晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理当：IG

=0时1和2很小IA=IK≈IC0正向阻断

当UAK↑→IC0

↑→1、2↑→IA↑

当1+2≈1时IA急剧增大当UAK达到某一电压，使晶闸管由阻断转状态为导通状态。称为正向转折现象

晶闸管的工作原理门级控制开通原理IG

→Ib2→IC2=Ib1→IC1

↓

形成正反馈工作过程，很快使两个晶体管都转为饱和导通状态，晶闸管开通。当S闭和，形成门级电流晶闸管的工作原理晶闸管的关断

由式：当：1+2«1，晶闸管便可恢复关断。通常规定：能维持晶闸管导通的最小电流称为维持电流IH使主电路电流IA<IH可实现关断晶闸管的工作原理

几点结论：具有单向导电性，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。在承受正向电压时，可通过门极控制开通。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III象限的是反向特性图2-8晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG二.晶闸管的基本特性晶闸管的伏安特性1)正向特性

IG=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。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1V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，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。晶闸管的伏安特性2)反向特性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。

晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性

动态特性

晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的基本特性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。上升时间tr：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）普通晶闸管延迟时为0.5~1.5s，上升时间为0.5~3s。晶闸管的开通和关断过程波形动态特性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压的阻断能力还需要一段时间关断时间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。晶闸管的开通和关断过程波形动态特性1.电压定额三.晶闸管的主要参数——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。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闸管所承受峰值电压2～3倍。——

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。——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。1)

断态重复峰值电压UDRM2)

反向重复峰值电压URRM3)

通态（峰值）电压UTM2.电流定额1)

通态平均电流ITa

——晶闸管在环境温度为40C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。称为晶闸管的额定电流。

——使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管。应留一定的裕量，一般取1.5~2倍。晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2)

维持电流

IH

——使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安，与结温有关。结温越高，则IH越小。3)

掣住电流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阳极电流，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3.动态参数晶闸管的主要参数——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。——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，则晶闸管刚一开通，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。(2)通态电流临界上升率di/dt

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。(1)断态电压临界上升率du/dt

除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：如何选择晶闸管？

晶闸管电流定额可按下式计算选择：

在实际应用中，选择晶闸管时，应从额定电压和额定电流两方面共同计算选择。

由于晶闸管承受瞬间过电压能力较差，因此选择晶闸管额定电压时，应留有充分的安全裕量，可按下式计算选择：三.晶闸管的派生器件1.快速晶闸管（FastSwitchingThyristor——FST)包括所有专为快速应用(400HZ以上)而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管。管芯结构和制造工艺进行了改进，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10s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，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。2.双向晶闸管（Bidirectionaltriodethyristor）双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性电气图形符号伏安特性晶闸管的派生器件

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，所以双向晶闸管在第Ｉ和第III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（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。3.逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor）

逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性电气图形符号伏安特性晶闸管的派生器件

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，一个是反并联二极管的电流。4.光控晶闸管（LightTriggeredThyristor）图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)伏安特性晶闸管的派生器件

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。大功率光控晶闸管则还带有光缆，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，且可避免电磁干扰的影响，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。典型全控型器件

门极可关断晶闸管

电力晶体管

功率场效应管

绝缘栅双极晶体管2.4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发展的基础上相结合——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、功率场效应管、绝缘栅双极晶体管。典型全控型器件2.4.1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，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。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)电气图形符号门极可关断晶闸管术语用法：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。

电力晶体管1.

GTR的结构和工作原理GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动

a)内部结构断面示意图b)电气图形符号c)内部载流子的流动电力晶体管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。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。td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。图

GTR的开通和关断过程电流波形电力晶体管关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff

。ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。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。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。GTR的开通和关断过程电流波形电力晶体管3.GTR的二次击穿现象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。电力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（MetalOxideSemiconductorFET）简称功率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）2.4.3功率场效应管

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。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。1.功率MOSFET的结构和工作原理

功率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沟道增强型功率场效应管功率MOSFET的结构功率场效应管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。电力MOSFET的多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。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TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列

电力MOSFET的结构和电气图形符号功率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

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区表面。当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，漏极和源极导电。功率MOSFET的结构和电气图形符号功率场效应管MOSFET的开关速度

MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速。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。功率场效应管2.4.4绝缘栅双极晶体管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。

绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT）

GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性。

1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,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。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图2-22IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号绝缘栅双极晶体管IGBT的结构N沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT（N-IGBT）IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1。——使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。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的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号绝缘栅双极晶体管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。导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。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。绝缘栅双极晶体管IGBT的特点可以总结如下：绝缘栅双极晶体管(1)

开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当。(2)

相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。(3)

通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。(4)

输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。(5)与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力