电力电子技术全套课件

电力电子技术1、电力电子技术的基本概念电力电子技术是研究电力变换与控制的一门技术。按照美国IEEE电力电子学会的定义，电力电子技术是使用电力电子器件，应用电路和控制理论及分析开发工具，对电能进行变换与控制的一门技术，包括对电压、电流、频率和波形等方面的变换控制。电力电子技术是电气工程三大领域：电力技术、电子技术、控制技术之间的交叉学科，它在电气工程领域中发展最快，也是最具活力的一个分支。根据电力电子技术的应用及发展情况，以及国内外同行的普遍认识，电力电子技术可以定义为：电力电子技术是借助于电力电子器件，利用控制理论，实现电力变换与控制的分支学科。绪

论电力电子技术通常分为电力电子器件制造技术和电力电子器件及电路应用技术两个分支。电力电子器件制造技术包括各种电力电子器件的设计、测试、模型分析、工艺和数字仿真等，是电力电子技术的基础。电力电子器件的电路应用技术也就是变流技术，包括用电力电子器件构成各种电力变换电路并对其进行控制，以构成电力电子装置与系统的技术，是电力电子技术的具体应用。电力电子技术具有以下特点：（1）由信息电子电路形成的小信号控制大功率的电力输出，使电力电子设备成为强弱电电路之间的理想接口。通过电力电子技术，可实现原本采用传统电气工程方法无法实现的相关控制，或者对传统工业装备，将电子技术和计算机技术结合，通过电力电子电路、控制电机、电磁执行元件等，实现传统工业装备的技术改造、产品升级。电力电子技术（2）电力电子装置中，电力电子器件一般都工作于开关状态，电路的损耗低，电能变换的效率高。如果电力电子器件实现软开关，则电路的效率还可以进一步提升。由于器件工作中存在损耗而发热，电力电子器件一般都需要配备相应的散热措施。（3）作为一种实用的电力变换技术，它所涉及的功率范围比较宽，从毫瓦级至兆瓦级以上均有电力电子技术的应用实例。电力电子技术变换形式共有四种，分别为交流（AC）/直流（DC）、交流（AC）/交流（AC）、直流（DC）/直流（DC）、直流（DC）/交流（AC）。交流（AC）/直流（DC）变换，又称为整流，是电力电子技术最早应用的领域，是系统装置获得直流电能的重要手段。直流（DC）/交流（AC）变换，又称为逆变，是整流的逆过程，根据负载对象性质的不同，又可分为有源逆变、无源逆变两种。交流（AC）/交流（AC）变换，该变换可以实现输入电源的频率、相位、幅值的变换，也可以对输入电源实现通断的控制、负载功率的控制等。直流（DC）/直流（DC）变换，又称为斩波电路，它实现直流电源的幅值控制，可以实现升压控制，也可以实现降压控制。

输入

输出

交流（AC）直流（DC）直流（DC）整流斩波交流（AC）交流电力控制逆变2、电力电子技术的发展历史电力电子器件的发展决定着电力电子技术的发展，其发展历程大致分为两个阶段。1956年～1979年是晶闸管及其派生器件（半控型器件）的应用发展阶段，该阶段主要应用为电解电源、电镀电源、电热冶金电源、直流传动电源等；1980年开始至今是多种全控型电力电子器件的发展阶段，该阶段主要应用为大功率交流传动、高精度伺服传动及开关电源等。1904年出现了电子管，它可以在真空中对电子流进行控制，应用于通信与无线电领域。20世纪20年代开始，出现了水银整流器，可以实现大功率的电能控制，用于电化学工业、电气铁路、直流输电、轧钢电机主传动等，但因水银本身的问题，工作环境比较恶劣。这段时期，实施交流电转换为直流电的途径除了采用水银整流器外，还出现了电动机-直流发电机机组，即旋转变流机组。相对于旋转变流机组而言，水银整流器属于静止变流器。1957年美国通用电气公司研制成功的第一个晶闸管问世，1958年获得工业应用，标志着电力电子技术的诞生。晶闸管元件出现后，凭借其优越的电气性能与控制性能，很快取代了水银整流器，在电化学工业、铁道电力机车、轧钢电气主传动、交直流调速、中频感应加热、直流输电、静止无功补偿等方面获得应用。电力电子技术的概念和基础就是伴随着晶闸管及其晶闸管变流技术的发展而建立起来。晶闸管可以通过门极控制其导通，但不能控制其关断，属于半控型器件。晶闸管的关断常通过电网电压或其他外部条件实现，其控制灵活性较低，应用有局限性。晶闸管电路的控制方式是相位控制方式，简称相控方式。20世纪70年代，晶闸管形成了从低电压小电流到高电压大电流的系列产品，容量不断增大，性能不断完善，得到了广泛的应用。逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等派生器件相继问世，其应用领域不断拓展，与其他电力电子器件相比，晶闸管的大功率应用仍占主导地位。普通晶闸管广泛应用于交直流调速、调光、调温等低频（400Hz以下）领域，运用由晶闸管构成的电路对电网电压电流进行控制和变换是一种简便经济的办法。晶闸管装置运行过程中会产生波形畸变，即产生谐波，且功率因数较低，会影响电网的供电质量。目前，晶闸管的制造水平可达12000V/1000A和6500V/4000A。双向晶闸管可视为一对反并联普通晶闸管，常用于交流调压和调功电路，正、负脉冲均可以触发使其导通，其控制电路简单。缺点是换向能力差、触发灵敏度低、关断时间较长，其制造水平为2000V/500A。光控晶闸管是通过光信号触发导通的晶闸管，它具有很强的抗干扰能力、良好的高压绝缘性能和较高的瞬时电压承受能力，被广泛应用于高压直流输电、静止无功补偿等领域。其制造水平为8000V/3600A。逆导晶闸管具有关断时间短、正向压降小、额定结温高、高温特性好等优点，主要应用于中频感应加热。其制造水平为2500V/1600A/1kHz和800V/50A/20kHz范围之间。70年代后期，门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR或BJT）、电力场效应晶体管（MOSFET）等全控型电力电子器件相继出现，电力电子技术的应用领域从小功率领域扩展到大功率领域，应用范围从直流调速扩展到交流调速、电力机车牵引、开关电源、UPS不间断电源等。全控型电力电子器件与晶闸管元件不同，它们可以通过其门极（基极或栅极）施加合适的电信号，使其开通或关断。全控型电力电子器件的开关速度远远超过晶闸管，能够应用于工作频率高的电路，可以获得电路的快速响应，获得负载希望输出的电压、电流波形，这些特质又进一步推动电力电子技术的快速发展。与晶闸管的相控方式不同，全控型电力电子器件可以自主地开通关断，其电路主要采取脉冲宽度调制（PWM）控制方式。PWM控制技术在电力电子变流技术中十分重要，在整流、逆变、变频、斩波等电路中均有应用，PWM控制使得电力电子变换电路的控制性能获得提升，响应速度提高，甚至可以实现之前电力变换电路无法实现的功能，有效地推动了电力电子技术向更多的应用领域延伸。80年代后期，电力场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）等高频电力电子器件的广泛应用，使变流电路的输出波形得到大为改观，电力电子变流装备的体积大大缩小，促进了变频器、开关电源的广泛应用，对改进生产工艺水平、提高产品质量、降低装置能耗等起到了积极的推动作用。电力场效应晶体管（MOSFET）是低压范围内最好的功率开关器件，具有开关速度快、驱动简单、易于并联等优点，广泛应用于高频开关电源、航空电源、小功率UPS及小功率变频器等应用领域。绝缘栅双极晶体管（IGBT）是一种N沟道增强型场控复合器件，它兼有电力MOSFET驱动简单、驱动功率小和双极性GTR的开关速度快、安全工作区宽、饱和压降低、耐压高、通流能力强等优点，是当前电力电子变换与控制的首选器件，也是促进高频电力电子技术快速发展比较理想的基础元件。电力电子器件的发展，其驱动与保护技术也日趋完善，为电力电子装备的更广泛应用奠定了坚实的基础。为完美实施全控型电力电子器件的驱动与保护，许多公司将全控型电力电子器件的驱动、保护电路集成在一起，做成与器件配套的集成驱动电路。为了使电力电子装置结构紧凑、体积减小，众多器件公司把若干个电力电子器件及驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在一起，构成电力电子集成电路（PIC）。目前，电力电子集成电路功率还较小，电压也较低，它所面临的主要问题是高压电路与低电压电路之间的隔离问题、主电路的发热隔离问题、主电路开关器件通断高电压大电流所产生的电磁干扰等瓶颈问题，但这代表着电力电子技术研究与发展的重要方向。功率集成电路的发展，使电力电子技术与微电子技术更紧密地结合在一起，实现了器件与电路的集成，强电与弱电、功率流与信息流的集成，成为机械和电子之间的智能化接口，是机电一体化的基础单元，也使电力电子技术进入全新的智能化时代。伴随着电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率不断提升，电力电子器件的开关损耗也在不断增大，为了减少电力电子变换电路的开关损耗，提升电力电子装置整体效率，软开关技术应运而生。基于谐振原理，可使电力电子器件在零电压或零电流条件下通断，理论上可以使器件的开关损耗降为零，从而提高电路的整体效率。3、电力电子技术的应用电力电子技术的应用领域十分广泛，它不仅应用于机械、石化、冶金、电力、铁路、航空、航海等领域，还在通信、家电、汽车、新能源等领域有着广泛应用。（1）一般工业应用工业生产中大量使用着各种交直流电动机。直流电动机具有良好的调速性能，为其供电的可控直流电源或直流斩波电源为电力电子变流装置。随着电力电子变流技术的迅速发展，交流电机的调速性能可以达到与直流电机的调速性能相媲美的程度。结合交流电机的运行对环境要求不高、变频技术的快速发展，交流电机调速技术得到大量应用，并逐步占据主导地位。应用领域包括大功率的轧钢机、小功率的数控机床伺服系统等，以及矿山牵引传动、大型鼓风机传动、大型电机的软启动等。电化学工业中的电解、电镀，大量使用着大容量的整流电源；冶金工业中的热处理使用了中频、高频感应加热电源等，都是电力电子技术的具体应用。（2）交通运输应用电气化铁道中广泛使用电力电子技术。直流电力机车中采用了整流装置，交流电力机车采用了变频装置。电气化铁道中除了牵引电力传动外，车辆中的各种辅助电源也广泛运用电力电子技术。直流斩波技术也广泛用于铁道车辆。在磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项决定磁悬浮轨道交通能否走向实用的关键技术。电动汽车中依靠电力电子装置实施电力变换和电机的驱动控制，车载蓄电池的充电、放电控制也依靠电力电子装置。电动汽车中的诸多控制电机，也需要变频器和斩波器驱动并实施控制。飞机、船舶需要多种与地面指标要求不同的电源，电梯的高精度运行广泛使用变频驱动等，这些都是电力电子技术应用的场景。（3）电力系统应用电力系统中，高压直流输电、柔性输电技术、无功补偿与谐波抑制等方面均广泛使用了电力电子装置，电力电子技术正在电力系统中发挥巨大的作用，保证着电力系统运行的经济、安全、高效、环保。光伏发电、风力发电等新能源发电的电能均经过电力电子变流装置变换处理，凭借着电力电子技术的广泛应用，当今的电力系统正在发生着深刻的变革。电网智能化是电力系统运行与控制的发展方向，是集电力系统控制、电力变换控制、现代控制理论、无线通信技术、人工智能与大数据技术的集合。电网中的关键装置如：静止无功补偿器（CVC）、静止同步补偿器（STATCOM）、统一潮流控制器（UPFC）、有源电力滤波器（APF）、动态电压调整器（DVR）等，可用于防止电网瞬间停电、瞬时电压跌落、电压闪变等，可以控制电网的电能质量、改善供电效果，这些装置都是智能电网配网自动化中的重要环节。（4）电子装置电源与家用电器应用各种各样的电子装置均需要不同电压等级的直流电源供电。如通信设备中的程控交换机直流电源、计算机电源等。以前，这些设备电源采用的是线性稳压电源，但因线性稳压电源的效率低、体积大。随着电力电子技术的发展，现在均采用体积小、重量轻、效率高的高频开关电源。重要的基站、计算机中心需要配置的不间断电源（UPS），也是典型的电力电子变换装置。家用电器中，节能灯、LED灯等的应用正在普及，因为发光效率高，它们可以在满足同等照度情况下消耗很小的电能，正在逐步取代白炽灯、日光灯，成为照明装备的发展方向。电视机、音箱设备、电磁灶、洗衣机、电冰箱、微波炉等，也都应用了电力电子技术，电力电子技术正在走进大众的生活。总之，电力电子技术的应用十分广泛，涉及到国民经济及人类生活的方方面面，只要人类生产生活使用电能，就必然涉及到电力电子技术的应用。而现代社会的生活，人们每时每刻都离不开电能，电力电子技术是人们高效、方便使用电能的方法与手段。4、课程教材说明教材主要介绍电力电子技术的基本原理与应用，内容将涵盖器件、电路、控制、应用四部分。第一章主要介绍电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数及应用的基本问题，是后续电力电子电路分析的基础。第二章到第五章，介绍电力电子四大变换电路的工作原理、波形分析、参数计算等，是电力电子技术课程核心内容，是课程学习的重点。第六章到第七章，介绍电力电子电路的控制方法，包括PWM控制技术、软开关控制技术。为让读者洞察电力电子技术的实用性，建立学习电力电子技术的兴趣，第八章介绍了电力电子技术的一些具体应用。晶体管与集成电路是模拟与数字电子技术的基础。电力电子器件与功率集成电路、智能功率模块是电力电子技术基础。本章将介绍电力电子器件的基本概念，阐述电力电子器件工作原理、基本特性、主要参数。讨论电力电子器件的驱动、保护、串并联等问题。第一章电力电子器件及应用基础1.1概述1.2电力二极管－不可控器件1.3晶闸管及其派生器件－半控型器件1.4门极可关断晶闸管－全控型器件1.5电力晶体管－全控型器件1.6电力场效应晶体管－全控型器件1.7绝缘栅双极晶体管－全控型器件1.8其他新型电力电子器件1.9电力电子器件的驱动及应用基础1.1.1电力电子器件的基本概念和特征电力电子器件对电能进行变换与控制，与处理信息的电子器件相比：①电力电子器件处理的电功率等级较大，器件承受的电压高，通过的电流大。②电力电子器件工作于开关状态。器件导通时，导通阻抗小，接近于短路，通过的电流由外电路决定。器件关断时，断态阻抗大，通过的电流几乎为零，器件两端电压由外电路决定，可视为开路。③电力电子器件需要配置控制、驱动、保护电路及散热措施等才能构成完整的电力电子系统。控制电路所产生的控制信号通过驱动电路放大，送到电力电子器件的门极（栅极、基极），使器件开通或关断。电力电子器件属于半导体元件，承受过电压、过电流能力弱，需要附设保护电路，以避免损坏。电力电子技术1.1概述④尽管电力电子器件处于开关状态，但是器件工作过程中产生的功率损耗较大。电力电子器件开通时将流过较大的电流，有一定的通态压降，将产生通态损耗；器件关断时将承受较大的电压，流过微小漏电流，将产生断态损耗；器件由断态转为通态（开通过程）或者由通态转为断态（关断过程）将产生开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗。所有这些损耗，将使电力电子器件发热，影响器件的工作特性，需要采取必要的散热措施。1.1.2电力电子器件的类型分类根据电力电子器件被控制信号控制的程度，电力电子器件分成三类。①不控器件。器件不需要外加控制信号决定其开通、关断，器件承受正向电压开通，承受反向电压关断。不控器件以二极管为代表，包括二极管派生器件，如快恢复二极管、肖特基二极管。②半控型器件。控制信号可以控制器件开通，但不可以控制其关断。半控器件以晶闸管（SCR）为代表，包括晶闸管派生器件，如光控晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管等。③全控型器件。控制信号既可以控制器件开通，也可以控制其关断，又称自关断器件。全控型器件种类较多，包括电力晶体管（GTR）、绝缘栅电力场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、门极可关断晶闸管（GTO）。根据器件参与导电的载流子情况分成三类。①单极性器件。只有一种载流子参与导电的器件称为单极性器件，如电力场效应晶体管。②双极性器件。由电子和空穴同时参与导电的器件称为双极性器件，如电力晶体管（GTR）、晶闸管（SCR）、门极可关断晶闸管（GTO）等。③复合型器件。由单极性器件和双极性器件组合而成的电力电子器件称为复合型器件，如绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。根据驱动信号的性质分成两类。①电压驱动型器件。通过控制端（栅极、门极、基极）与公共端之间施加的电压信号使电力电子器件开通或关断的器件称为电压驱动型器件。由于它是用场控原理进行控制的，也称为场控型电力电子器件，如绝缘栅电力场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。②电流驱动型器件。通过控制端（栅极、门极、基极）与公共端之间施加的电流信号使电力电子器件开通或关断的器件称为电流驱动型器件，如电力晶体管（GTR）、晶闸管（SCR）等。电力电子电路的集成化与模块化。早期电力电子产品由电力电子分立器件、驱动电路、保护电路、检测电路组合构成，设计周期长，可靠性差，成本高。随着技术的进步，电力电子技术逐步向模块化、集成化方向发展，其结果是电力电子产品体积减小，可靠性提升，设计周期缩短，减小了互联线路寄生参数对电路运行的影响。纵观电力电子发展历史，电力电子电路经历了功率模块、单片集成模块、智能功率模块的发展历程。功率模块。将数个电力电子器件和快速二极管组合构成标准的功率模块，是电力电子电路最早的集成化与模块化。单片集成模块。将电力电子器件、驱动、控制、保护等电路集成在一块硅片上，构成单片集成模块。单片集成模块结构简单，应用方便。但因传热、隔离等问题，将高电压、大电流功率器件与控制电路集成十分困难，目前也仅应用于小功率电力电子电路中。智能功率模块。智能功率模块IPM采用混合集成方法，将具有驱动、控制、保护、自诊断功能的集成电路与电力电子器件集成在一起，封装在一个绝缘外壳中，形成相对独立、有一定功能的模块。智能功率模块IPM已经在电机驱动系统中得到广泛应用，并正在向高性能、多功能、高集成、大功率方向发展。图为东芝智能功率模块：25A/1200V1.1.3电力电子系统的组成电力电子系统一般由控制电路、驱动电路、检测与反馈电路和以电力电子器件为核心的变换电路（主电路）组成，如图1-1所示。控制电路按照对象的控制要求形成控制信号，通过驱动电路控制电力电子器件开通与关断，完成电力电子系统的功能。主电路工作状态、参数，通过检测与反馈电路获取，并送入控制电路参与系统的控制。驱动电路、检测与反馈电路均可以归入控制电路，此时电力电子系统可以表述为由控制电路及主电路两部分构成。图1-1电力电子系统组成电力电子系统主电路电压高、电流大，而控制电路电压等级低，能够承受的电压、电流均较小。因此控制电路与主电路之间必须采取隔离措施，以保障电力电子系统的运行安全。控制电路与主电路之间隔离一般采取光、磁等方式来传递控制信号。实施控制电路与主电路隔离的电路成为隔离电路。电力电子器件处于开关状态，电力电子电路的状态不断改变，每次改变，电路都处于暂态过程，主电路开关器件上电压、电流会有过冲。电力电子电路工作中，会因负载对象工作使电路过载，器件流过比较大的电流。电力电子器件是半导体器件，承担过电压、过电流能力有限，且价格昂贵，需要给电力电子器件配置保护电路，以保护电力电子器件，保证电力电子系统可靠运行。电力二极管也称为半导体整流二极管，属于出现最早、结构最简单的电力电子器件，至今仍广泛应用于许多电子设备中。1.2.1PN结与电力二极管工作原理电力二极管是由P型半导体和N型半导体结合后形成PN结，在PN结两端焊上引线，便构成二极管。PN结形成及其载流子漂移运动、扩散运动、空间电荷区等概念已经在模拟电路课程中学过。PN结外加正向电压（正向偏置），外加电场与PN结自建电场反向，削弱了内部电场，空间电荷区变窄，外电路中形成流过PN结的正向电流，电流大小由外部电源及回路电阻决定。PN结正向偏置，导通。PN结外加反向电压（反向偏置），外加电场与PN结自建电场同向，增强了内部电场，空间电荷区变宽，在外电路中形成流过PN结反向漏电流，但反向漏电流较小，一般为微安级。PN结反向偏置表现为高阻态，PN结反向偏置，截止。1.2电力二极管－不可控器件PN结承受反向电压能力有限，当施加的反向电压过大时，会造成PN结反向击穿。按照击穿机理，PN结有雪崩击穿、齐纳击穿两种。PN结反偏电流不能限制，反向电流继续增大，会导致PN结热击穿，PN结永久损坏。PN结单向导电性。施加正向电压导通，施加反向电压截止。二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性。模拟电子电路中二极管内部结构为横向结构，电力二极管内部结构为垂直结构，该结构使得电力二极管中流过电流的有效面积增大，可以显著地提升电力二极管的通流能力。PN结正向导通，大电流注入基区，由P区注入并集聚在N区的空穴浓度大幅增加，为维持半导体电中性，电子浓度也增加。大量载流子注入使半导体基片电阻率下降，电导率提升，这就是电导调制效应。电导调制效应使电力二极管正向电流较大时压降也很低，大致为1V左右，电力二极管表现为正向导通的低阻态。PN结空间电荷区中电荷随着外加电压而变化，对外呈现电容效应，称为结电容，又称为微分电容。结电容按照其作用及其产生的机理分为势垒电容和扩散电容。势垒电容描述了PN结空间电荷区随外加电压而产生的电容效应，外加电压越高，势垒电容作用越明显，势垒电容与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。扩散电容描述了积累在P区的电子或N区的空穴随外加电压变化的电容效应，仅在PN结外加正向电压情况下起作用，反向偏置时可以忽略。势垒电容和扩散电容均为非线性电容，它们的存在影响PN结工作频率，尤其在高频情况下，会使PN的单向导电性能变差，甚至无法工作。1.2.2电力二极管结构与基本特性电力二极管的结构和基本原理与信息电子电路中二极管一样，结构上以PN结为基础，在PN结两端焊接上引线再封装而成。外形有螺栓型、平板型和模块型三种，其结构如图1-2所示。电力二极管特性分为静态特性和动态特性。（1）静态特性电力二极管静态特性是流过二极管的电流与施加于二极管两端电压之间的关系，常称为伏安特性。如图1-3所示。图1-2电力二极管外形及基本结构和电气符号图1-3电力二极管的伏安特性电力二极管承受正向电压为零，电流为零；当正向电压较小时，外加电场不足以克服PN结内电场阻力，正向电流较小，电力二极管表现为大电阻；正向电压超过一定数值UTO时，PN结内电场被削弱，正向电流随电压上升迅速增长，二极管电阻迅速下降，相当于开关接通。承受正向电压超过门槛电压UTO后，正向电流随电压线性增长，把正向电流随正向电压线性增长时对应的正向电压称为正向管压降UF。承受反向电压，PN结内电场被加强，扩散运动难以进行，只有少数载流子在反向电压作用下漂移运动形成反向漏电流IR。反向漏电流很小，在一定范围内几乎不随反向电压的增加而增大，但反向漏电流会随温度增加而增大。反向电压增加到一定数值UBR时，其反向电流会急剧增加，电力二极管被反向击穿，UBR称为二极管击穿电压。电力二极管伏安特性具有非线性特性。承受正向电压时呈现低阻态，管压降很低，近似于短路。其中流过的电流取决于外电路电源电压与回路阻抗参数；承受反向电压时呈现高阻态，反向漏电流很小，近似于开路。器件两端电压由外电路决定。实际电路分析时可以视为理想开关。（2）动态特性PN结电容存在，电力二极管在导通与截止状态转换时，将经历一个动态过程，其波形如图1-4所示。图1-4电力二极管的开关动态过程图1-4a为电力二极管由正向偏置转为反向偏置时的动态波形。当处于正向导通的电力二极管外加电压由正向变为反向时，该二极管并不立即关断，而是要经过一个短暂的动态过程，才能恢复其反向阻断能力，进入截止状态。trr称为电力二极管反向恢复时间，td称为延迟时间，tf称为电流下降时间。下降时间tf与延迟时间td的比值称为恢复特性的软度Sr，软度越大则说明恢复特性越软，反向恢复时间越长，同等条件下所产生的反向电压过冲越小，为避免器件关断过电压和降低EMI干扰，使用时应选择软恢复特性的二极管。图1-4b为二极管由零偏转为正向导通过程，其正向电压会因电导调制效应需要大量少子储存，会出现一个电压过冲UFP，在稳定导通前管压降较大，经过一段时间后逐渐趋于稳态压降值，tfr称为正向恢复时间。与反向恢复时间相比，二极管的正向恢复时间很短，影响二极管的开关速度的主要因素是其关断时间。1.2.3电力二极管主要参数电力二极管主要参数包括正向平均电流、正向通态压降、反向重复峰值电压、反向漏电流、浪涌电流和最高允许工作结温等。（1）正向平均电流。指在规定的管壳温度和规定的冷却条件下，电力二极管长期运行允许通过的最大工频正弦半波电流的平均值，也称为电力二极管的额定电流。二极管正向平均电流是按照电流发热效应定义的，使用时按照有效值相等的原则选择二极管电流定额，并留有一定的余量。如二极管正向平均电流是ID（AV），它正常工作时允许通过最大工频正弦半波电流平均值是ID（AV），该电流有效值是1.57ID（AV）。若电力二极管在某电路中流过某种波形电流的有效值为ID，选择电力二极管时应该选择其额定电流（正向平均电流）至少为ID/1.57，实际工程中需要考虑适当余量。（2）正向通态压降。电力二极管在指定温度下，流过指定稳态正向电流时对应的正向压降。（3）反向重复峰值电压。电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，一般确定为电力二极管雪崩击穿电压的2/3。选择电力二极管时，按照实际电路中器件承受的反向电压最大值（峰值）的2～3倍确定所选择的电力二极管的反向重复峰值电压。（4）反向漏电流。电力二极管在承受反向重复峰值电压下流过管子的反向电流。（5）浪涌电流。电力二极管能承受的最大连续一个或者几个工频周期的过电流。（6）最高允许工作结温。结温指电力二极管管芯PN结平均工作温度TJ，最高允许工作结温TJM是指在PN结不致损坏前提条件下所能承受的最高平均温度。一般TJM温度范围为125～175ºC之间。1.2.4电力二极管的主要类型电力二极管主要有普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管三种，器件在电路中作用不一，使用时应根据场合及要求进行选择。（1）普通二极管又称整流二极管，特点是漏电流小、通态压降较高、反向恢复时间较长、正向电压定额及电流定额很高，多用于开关频率不高的整流电路。（2）快恢复二极管的特点是恢复时间很短，简称快速二极管。快恢复二极管从性能上可分为快速恢复（数百ns＜trr＜5μs）和超快速恢复（trr＜100ns）两种类型。（3）肖特基二极管是以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管，肖特基二极管具有反向恢复时间短（10～40ns）和正向通态压降（0.3～0.6V）低的特点，但其漏电流较大，耐压能力较低，多用于200V以下的低压场合。晶闸管（Thyristor，晶体闸流管），又称可控硅整流器（SiliconControlledRectifier，SCR）。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晶闸管产品，1958年商业化。晶闸管具有正向导电可控性，且其性能优于汞弧整流器，它的出现得到了全社会广泛关注，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的新时代。二十世纪六十年代后，晶闸管得到了快速发展，逐步形成晶闸管系列产品，派生出快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、可关断晶闸管等。1980年之后，晶闸管主导地位被其他全控型电力电子器件所取代，但由于晶闸管电压电流的定额范围宽、电压电流容量大，器件工作可靠，价格低廉，在大功率、低频率应用场合仍占有主导地位。1.3晶闸管及其派生器件－半控型器件1.3.1晶闸管的结构及工作原理晶闸管外形、结构及电气符号如图1-5所示。晶闸管的外形和电力二极管类似，有螺栓型和平板型两种，外部引出三个电极：阳极A、阴极K、门极G，阳极和阴极是功率引出端，门极是控制引出端。螺栓型通常用于200A以下的晶闸管，螺栓是晶闸管的阴极，使用时与散热器相连。平板型用于200A以上晶闸管，使用时用两个散热器将器件夹在中间。晶闸管内部为PNPN四层半导体结构，形成三个PN结（J1、J2、J3）。给晶闸管施加正向电压，晶闸管阳极电位高于阴极电位，J2反偏，晶闸管A、K之间阻断，只流过很小漏电流。晶闸管施加反向电压，晶闸管阳极电位低于阴极电位，J1和J3反偏，晶闸管处于阻断状态，仅流过极小反向漏电流。晶闸管门极不施加控制信号，无论晶闸管阳极阴极之间承受正向还是反向电压，其四层结构中3个PN结总有PN结处于反向偏置，器件中只有少数载流子漂移作用形成很小的漏电流，晶闸管呈现阻断状态。晶闸管导通的工作原理可用双晶体管结构模型解释，如图1-6所示。

图1-5晶闸管外形、结构及电气符号图1-6晶闸管等效模型及其工作原理晶闸管内部结构取一斜截面，将晶闸管分成两个晶体管的组合，如图1-6b所示。外电路电源激励下向晶闸管门极注入电流IG，该电流就是晶闸管门极驱动电流。电流IG流入晶体管V2基极，经过V2放大形成集电极电流IC2。该电流成为晶体管V1基极电流，经过V1放大形成集电极电流IC1。IC1和IG全部汇集成晶体管V1的基极电流，如此便形成了强烈的正反馈，最后V1和V2进入饱和工作状态，晶闸管导通。如果撤除门极电流IG，因晶闸管内部已经形成强烈的正反馈，会仍然维持晶闸管的导通状态。让晶闸管关断，需要去掉晶闸管阳极正向电压，或者施加反向电压，或者设法使阳极电流降低于某一数值，晶闸管才能关断。晶闸管开通后，门极驱动信号的有无并不影响晶闸管导通状态。实际使用时，仅给晶闸管施加一个驱动脉冲即可。晶闸管驱动过程常称为触发，产生注入门极触发电流IG的电路称为门极触发电路。晶闸管只能通过门极控制其开通，不能控制其关断，晶闸管被称为半控型器件。设两只晶体管V1、V2共基极电流放大系数分别为

、

，两管的漏电流分别为

、

，按照晶体管工作原理，可以列出方程：联列方程求解可得：当晶体管承受正向电压，门极没有驱动电流，上式中IG=0，低发射极电流情况下（

）的值很小，晶闸管阳极电流

，晶闸管处于正向阻断状态。晶体管承受正向电压，门极注入足量驱动电流IG。足够大的电流流经V2发射极，提高了其电流放大系数

。V2集电极电流IC2是晶体管V1的基极电流，产生足够大的电流流经V1的发射极，提高了晶体管V1的电流放大系数

，产生更大的集电极电流IC1注入晶体管V2的基极，形成更大的电流流经V2的发射极。强力的正反馈迅速进行，当

、

随各自发射极电流增大到使

接近于1时，晶闸管电流IA趋于无穷。晶闸管阳极实际电流由外电路电源电压及回路电阻所确定，为有限值，晶闸管处于导通状态。晶闸管处于导通状态，此时即便门极电流IG=0，晶闸管仍能保持原来的阳极电流而持续导通，即晶闸管一旦导通，其门极便失去了作用。晶闸管的正常导通条件为：晶闸管承受正向电压，同时在门极施加合适的正向触发信号。晶闸管关断条件为：不断减少电源电压、增大回路电阻或者施加反向电压，使晶闸管阳极电流IA减小到某一数值（维持电流）以下时，

、

迅速下降，当

，晶闸管又恢复正向阻断，晶闸管关断。晶闸管在以下几种情况下可能被触发导通：（1）阳极电压升高到很高的数值，造成晶闸管雪崩击穿；（2）阳极电压上升率

过高，其PN结位移电流造成晶闸管被触发；（3）PN结温度较高；（4）光线直接照射硅片产生光电流而触发，即光触发，由此构成的晶闸管被称为光控晶闸管。以上触发导通方式除光触发可以确保控制电路与主电路之间良好绝缘而应用于高压电力设备中，其它触发方式因不可控没有实际意义，无法应用。只有门极触发控制是最精确、最可靠的控制方式。1.3.2晶闸管的基本特性（1）晶闸管的静态特性晶闸管静态特性如图1-7所示，a)为晶闸管阳极伏安特性，b)为晶闸管门极伏安特性。

图1-7晶闸管静态特性

晶闸管阳极伏安特性的第一象限，晶闸管两端施加正向电压被正向偏置。IG=0，晶闸管正向阻断，只有很小的漏电流。外加电压增至正向转折电压Ubo，晶闸管漏电流急剧增大，器件从阻断状态跳变到导通状态，晶闸管开通，称为硬开通。晶闸管导通后，特性类似于二极管正向特性，阳极电流取决于回路电源电压及阻抗大小，阳极与阴极之间电压较小，数值在1V左右。晶闸管门极加上正向触发信号IG＞0，其正向转折电压将随门极触发电流增大而下降。门极触发电流足够大，晶闸管加上正向电压便导通。导通期间，若晶闸管门极电流为零，阳极电流下降至接近于零的某一数值IH以下，晶闸管便又返回到阻断状态。IH称为晶闸管维持电流。晶闸管刚触发导通，去除门极触发信号，晶闸管仍能维持导通状态不变的最小阳极电流IL称为擎住电流。晶闸管被触发导通，其阳极电流大于擎住电流IL，其导通状态不变。晶闸管触发常采用有一定宽度的脉冲电流，不采用直流信号驱动。晶闸管阳极伏安特性第三象限，晶闸管两端施加反向电压，伏安特性类似二极管反向特性，晶闸管反向阻断，只流过极小的反向漏电流。当反向电压超过一定数值时，晶闸管反向击穿，若外电路没有限流措施，其反向漏电流急剧增大，将导致晶闸管发热损坏。晶闸管门极电流从门极流入，从阴极流出，阴极是晶闸管主电路与驱动电路的公共点。图1-7b)是门极阴极伏安特性。从晶闸管内部结构可见，晶闸管门极伏安特性就是PN结伏安特性。针对一批晶闸管，其门极伏安特性可表示为极限低阻抗门极伏安特性曲线、极限高阻抗门极伏安特性曲线、门极最大电流

、门极最大电压

、门极最大耗散功率

所包围的区域。该区域中，根据晶闸管触发导通情况，分成不触发区、不可靠触发区、可靠触发区。晶闸管正常使用，应使给晶闸管触发电压、电流位于可靠触发区内。晶闸管开通关断波形如图1-8所示。开通过程曲线描述晶闸管在合适触发信号作用下晶闸管由阻断变为正向导通的过程；其关断过程曲线描述晶闸管在导通的状态下，外加电压由正向变成反向时晶闸管由导通变为截止的过程。图1-8晶闸管开通关断波形开通过程。晶闸管承受正向电压，在合适触发信号作用下，受制于晶闸管内部正反馈过程的建立及外电路参数影响，晶闸管阳极电流开始上升，阳极与阴极之间电压开始下降。从门极接受到触发信号开始，到阳极电流上升到稳态电流10%为止，这段时间称为延迟时间td。阳极电流从10%上升到稳态电流90%所需的时间称为上升时间tr，晶闸管开通时间ton定义为延迟时间与上升时间之和。ton=td+tr

。普通晶闸管延迟时间为0.5～1.5μs，上升时间为0.5～3μs。延迟时间与晶闸管所施加的触发信号密切相关，门极电流越大、触发脉冲前沿越陡，延迟时间越短。上升时间与晶闸管本身特性及主回路阻抗有关。延迟时间和上升时间都随着阳极电压上升而下降。关断过程。导通的晶闸管施加反向电压使其关断，晶闸管两端电压、电流将呈现一暂态过程，如图1-8所示。t1时晶闸管施加反向电压，因外电路电感作用，阳极电流逐步降到零，持续时间由t1到t2。因电荷存储，晶闸管内部大量未被复合的载流子形成反向恢复电流。反向恢复电流经过最大值后迅速衰减到接近零，持续时间t2到t3，晶闸管恢复对反向电压阻断能力，反向恢复时间为trr=t3-t2。由于外电感，晶闸管阳极反向电流衰减时会在晶闸管上形成尖峰电压URRM，为防止该电压使晶闸管击穿需要采取浪涌吸收措施。反向恢复过程结束后，因载流子复合过程较慢，晶闸管恢复正向电压阻断能力还需要时间，称为正向阻断恢复时间tgr=t4-t3。在正向恢复时间内，若给晶闸管正向电压，它会重新导通，而不受门极控制。实际使用时，应对晶闸管施加足够长时间的反压，使其恢复对正向电压阻断能力，电路才能可靠工作。晶闸管的关断时间定义为trr与tgr之和。toff=trr+tgr

1.3.3晶闸管的主要参数（1）电压定额UDSM、UDRM分别为正向断态不重复峰值电压和正向重复峰值电压，URSM、URRM分别称为反向不重复峰值电压和反向重复峰值电压。不重复峰值电压表示不造成晶闸管正向转折和反向击穿的最大电压，一般不允许重复施加，否则会造成晶闸管永久损坏。重复峰值电压表示晶闸管开通、关断过程中能重复经受的最大瞬时电压。正向重复峰值电压、反向重复峰值电压分别为正向断态不重复峰值电压、反向不重复峰值电压的90%，额定电压定义为正向重复峰值电压、反向重复峰值电压中的最小者，以百为单位进行取整。即：=[min(URRM，UDRM)] 晶闸管是半导体器件，其承受过电压能力较低，电源电压波动、瞬时电流变化等原因所产生的过电压均可能使晶闸管损坏。实际使用过程中，通常按照电路中晶闸管正常工作时峰值电压的2～3倍确定晶闸管的额定电压，以确保有足够的安全裕量。通态电压UTM。是晶闸管通以某一规定倍数额定通态平均电流时的瞬时峰值电压。（2）电流定额通态平均电流。国标规定，在环境温度为40ºC和规定冷却状态下，晶闸管结温稳定且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，称为通态平均电流，也是标称晶闸管额定电流的参数。实际应用时，环境温度、散热条件及工作波形不同，需要根据实际工况选择晶闸管的额定电流。环境温度越低、冷却条件越好，晶闸管稳定工作时结温越低，器件允许通过的电流就越大。通态平均电流是按照正向电流造成器件本身通态损耗的发热效应定义的。使用时，实际波形的电流其有效值必须与通态平均电流所造成的发热效应相等，即根据有效值相等的原则选取晶闸管的电流定额。按照晶闸管通态平均电流的定义，假定正弦半波电流波形的峰值为

，其平均值为：有效值为：由此可见，额定电流（通态平均电流）为100A的晶闸管可以通过电流的有效值为157A。实际分析计算时，按照具体应用电路中电流波形计算出有效值，除以1.57可作为选择晶闸管额定电流的依据，考虑到实际装置工作条件及可能出现的过载情况，一般取1.5～2.0的安全裕量。晶闸管额定电流序列为：1、3、5、10、20、30、50、100、200、300、400、500、600、800、1000A，晶闸管电流定额可以按照该序列进行选择。维持电流

与擎住电流

维持电流

表示晶闸管已经稳定导通，逐步减少阳极电流时，能够维持晶闸管导通状态所需的最小电流，其数值一般在几十至几百毫安。当晶闸管阳极电流低于维持电流时，晶闸管便进入阻断状态。维持电流与结温有关，结温越高，其数值越大。擎住电流

表示晶闸管刚刚由阻断转入导通并去除门极信号后，仍能维持晶闸管导通所需的最小阳极电流。若晶闸管被触发导通时，阳极电流没有达到

就去除门极驱动信号，晶闸管将自动返回阻断状态。感性负载时，阳极电流上升需要时间，对晶闸管门极驱动信号的宽度有一定的要求，以保证晶闸管被可靠触发而导通。对同一晶闸管而言，

是

的2～4倍。（3）动态参数除动态特性中已介绍的开通时间与关断时间外，还有动态参数。断态电压临界上升率（

）。定义为在规定结温和门极开路情况下，不导致晶闸管从断态转入通态的外加电压最大上升率。如果晶闸管在断态时两端所施加的电压上升率为正，处于阻断状态下的J2极会有充电电流（

）流过，该电流称为位移电流，此电流流过J3极会起触发电流作用。若该电压变化率过大，充电电流足够大，就会使晶闸管误导通，实际使用时需要加以限制。通态电流临界上升率（

）。定义为在规定条件下，晶闸管门极触发导通时，器件能够承受而不至于损坏的最大通态平均电流上升率。晶闸管刚开通，若阳极电流上升过快，很大的电流将集中在门极附近小区域内，容易造成晶闸管的过热而损坏。1.3.4晶闸管的派生器件采用不同工艺研制的晶闸管，其内部结构仍为PNPN结构，同属于晶闸管家族成员。其原理及特性如下。（1）快速晶闸管。普通晶闸管开通关断时间较长，允许的电流上升率较小，工作频率较低，一般应用于1kHz以下的变流电路中。对晶闸管管芯结构和制造工艺改进，所生产的快速晶闸管开关时间、电压电流上升率承受能力有明显改善，其关断时间≤50μs，工作频率高于400Hz。高频晶闸管的关断时间≤10μs，工作频率在10kHz以上。与普通晶闸管相比，高频晶闸管额定电压、额定电流均不容易做高，且因工作频率高，选择快速晶闸管与高频晶闸管通态平均电流时，不能忽略开关损耗的发热影响。（2）逆导晶闸管。逆导晶闸管是一个晶闸管与一个二极管反向并联集成在同一硅片上构成的器件，是具备反向导通的晶闸管，其电气符号及伏安特性如图1-9。与普通晶闸管相比，逆导晶闸管具有正向压降小、关断时间短、额定结温高等特点，可用于不需要阻断反向电压的电路中。图1-9逆导晶闸管电气符号及伏安特性（3）双向晶闸管。双向晶闸管具有正反向均可进行控制的特点，相当于两只反向并联的普通晶闸管，其电气符号及伏安特性如图1-10。双向晶闸管有两个主电极

和

，一个门极G。门极使器件在主电极正反两个方向均可触发导通。双向晶闸管在第一、三象限具有对称的伏安特性。广泛应用于交流调压、固态继电器、交流电机调速等领域。由于双向晶闸管流过双向电流，因此双向晶闸管不用平均值而用有效值表征其额定电流。图1-10双向晶闸管电气符号及伏安特性（4）光控晶闸管。光控晶闸管是利用一定的波长的光照信号触发导通的晶闸管，其电气符号及伏安特性如图1-11所示。小功率光控晶闸管只有阳极、阴极两端子，大功率光控晶闸管带有光缆，光缆上装有触发光源的发光二极管或半导体激光器。光控晶闸管正向转折电压随着光照强度增大而降低，器件一旦导通，即使没有光照，也不会自行关断。光触发可保证主电路与控制电路之间的绝缘，能避免电磁干扰，可应用于高压大功率场合，如高压直流输电、高压核聚变装置中。图1-11光控晶闸管电气符号及伏安特性普通晶闸管额定电压高、通态平均电流大、损耗低等，但它属于半控型器件，本身不具备自关断能力，在实施斩波、无源逆变等应用时，需要给电路附加强迫换流电路，电路结构复杂，装置效率低。与普通晶闸管同宗同源的门极可关断晶闸管，它可以触发导通，也可以触发关断，器件具有自关断能力。简称GTO（GateTurn-OffThyristor），既具有普通晶闸管耐压高、电流容量大、耐浪涌冲击电流能力强的优点，还具有自关断能力，只需要提供合适的门极触发信号，可以实现GTO的开通与关断。GTO工作电流可以达到6kA以上，额定电压可以达到6kV以上，主要应用于大功率电力传动系统，如高电压、大容量交流电力传动系统。1.4门极可关断晶闸管－全控型器件1.4.1GTO的结构与工作原理GTO结构和静态特性与普通晶闸管类似，也是PNPN四层半导体结构，外部电极：阳极、阴极、门极，其结构和电气符号如图1-12所示。与普通晶闸管不同，GTO是一种多元功率集成器件，内部包含数量众多的小GTO元，这些小GTO元的阳极共有，阴极、门极在器件内部并联，这种结构设计有利于GTO门极的控制而关断。图1-12GTO结构及电气图形符号与普通晶闸管一样，GTO工作原理也可以利用图1-6双晶体管模型说明，但与普通晶闸管不同：①设计时器件V2的

较大，使V2控制灵敏，GTO容易关断。②GTO导通时，

更接近于1，使得GTO饱和程度不深，接近于临界饱和，为GTO通过门极关断提供了条件。其负面影响是，GTO导通压降比普通晶闸管大。③多元集成结构使每个GTO元阴极面积很小，门极和阴极之间距离大大缩短，P2基区的横向电阻很小，可以从门极抽出更大的电流而迫使GTO关断。与分析导通过程一样，GTO关断过程亦存在一个强烈的正反馈过程，使GTO阳极电流小于擎住电流，GTO不满足维持导通条件而关断。GTO关断时，阳极电流下降，阳极电压上升，关断损耗较大。GTO多元结构对关断有利，对其开通亦有利，比普通晶闸管开通过程快，承受

的能力强。1.4.2GTO的动态特性GTO开通、关断过程中门极电流和阳极电流波形如图1-13所示。图1-13GTO开通关断过程电流波形GTO开通过程与普通晶闸管类似，经过延迟时间

和上升时间

，GTO的开通时间

为

和

之和。开通时间大小取决于元件特性、门极电流上升率、门极脉冲电流幅值。开通时间

为：关断过程与普通晶闸管不同，需要经历抽取大量载流子的存储时间

、阳极电流电流下降时间

、残余载流子复合所需要的尾部时间

。存储时间

定义为从关断过程开始到阳极电流下降到90%为止的时间间隔，存储时间随阳极电流增大而增加。下降时间

定义为阳极电流从90%下降到10%为止的时间间隔。尾部时间

定义为阳极电流从10%减小到维持电流为止的时间间隔。1.4.3GTO主要参数GTO大多参数与普通晶闸管一样，以下为几个不同意义的参数。（1）最大可关断阳极电流GTO阳极电流受制于器件发热及临界饱和条件所决定的最大阳极电流，阳极电流过大，器件处于深度饱和会导致门极关断失败。由门极可靠关断决定的最大阳极电流称为GTO最大可关断阳极电流

，该参数决定GTO额定电流容量。（2）电流关断增益。它定义为GTO被关断的最大阳极电流与门极关断峰值电流的比值。GTO电流关断增益

很低，一般为4～5，对关断门极电流还有一定要求，因此GTO关断控制并不容易。（3）阳极尖峰电压。该电压在下降时间末尾出现的极值电压。它是由缓冲电路中引线电感、二极管正向恢复电压和电容中电感造成。电力晶体管又称巨型晶体管（GiantTransistor，GTR），是一种耐压高、通流能力强的双极型晶体管（BipolarJunctionTransistor，BJT），GTR的开关时间比晶闸管和GTO都短，开关频率较高，具备良好的自关断能力，在高频开关电源、变频调速等场合获得应用。1.5.1GTR的结构和工作原理GTR与普通双极性晶体管结构相同，也是三层半导体材料两个PN结构成，有PNP、NPN两种结构，在大功率场合，主要采用NPN型结构。图1-14a、b分别给出了NPN型GTR内部结构示意及其电气图形符号。图中标注“+”表示高掺杂浓度，“-”表示低掺杂浓度。GTR耐压高、电流大、开关特性好。GTR通常采用由两个晶体管按达林顿接法构成单元结构，采用集成电路工艺将多个单元并联构成。GTR应用中采用共发射极接法，其电流放大系数决定GTR基极电流对集电极电流的控制能力。1.5电力晶体管－全控型器件由于GTR工作电流和功耗大，必须在结构与工艺上采取适当措施，以满足大功率应用要求。与小功率晶体管相比，GTR多一个N－低掺杂浓度漂移区，以提高器件的耐压能力。基极和发射极在一个平面上做成叉指型以减小电流集中和提高器件电流处理能力，GTR导通时，从P区向N－漂移区注入大量少子形成的电导调制效应，可减小通态压降和损耗。图1-14GTR结构及电气图形符号GTR器件由单管、达林顿管和模块三种，单管的电流放大倍数小，驱动不便，达林顿结构可以提高电流放大倍数，但器件的饱和压降增加，开关速度变慢。作为大功率开关，GTR模块具有优势，它是将多个达林顿单元电路集成在同一硅片上，器件集成度、可靠性及性价比得到提升。1.5.2GTR的特性（1）GTR静特性。图1-15为GTR共发射极接法的输出特性，分截止区、放大区、饱和区。GTR开关工作，器件工作在截止区和饱和区，开关过程中要经过放大区。图1-15共发射极接法时GTR输出特性（2）动态特性GTR开通和关断过程的基极电流和集电极电流如图1-16所示关系。GTR的开通需要经过延迟时间

和上升时间

，两者之和为开通时间

GTR的关断需要经过储存时间

和下降时间

，两者之和为关断时间

增大基极驱动电流幅值，提升其驱动信号前沿

，可以显著缩短延迟时间、上升时间，加快GTR的开通过程。图1-16GTR的开关特性GTR关断时，储存时间用于去除GTR饱和导通时基区储存的载流子，降低GTR导通时的饱和深度，可减少储存的载流子数量，可以减小储存时间。增大基极抽取的负电流幅值或者负偏压，也可以缩短储存时间，从而加快关断速度。1.5.3GTR特性参数GTR参数除电流放大倍数、开通时间、关断时间、集电极与发射极间饱和压降外，使用过程中还要关注参数：（1）最高工作电压。GTR集电极施加的电压不仅与器件本身特性，还与其接法有关。实际使用GTR时，为保证安全，器件最高工作电压要比

低，同时还必须设置过电压保护，以确保GTR器件安全。（2）集电极最大允许电流

。通常规定GTR直流电流放大系数下降到规定值1/2～1/3时

值为集电极最大允许电流，实际用50%左右。（3）最大耗散功率

。定义为GTR在最高允许结温时所对应的耗散功率。GTR导通时，电流通过集电极产生功耗将使结温上升，当结温达到允许最大值并稳定时，器件的功耗就是最大耗散功率。1.5.4GTR的二次击穿现象与安全工作区GTR实际使用中，实际允许功耗不仅由

决定，还受二次击穿功率的限制。实际运行情况表明，二次击穿是GTR损坏的主要原因，是影响晶体管变流电路可靠性的主要因素。当集电极电压

逐渐增加到某一数值时，集电极电流

会急剧增加，出现雪崩击穿现象，称为一次击穿现象。一次击穿的特点是

急剧增加，但集电极电压基本不变，一般不会出现GTR的特性变坏。但发生一次击穿时，GTR集电极电流不能被有效限制，

增加到某个临界值时会突然急剧上升，同时伴随集电极电压

的陡然下降，GTR外特性呈现负阻特性，这种现象称为二次击穿现象。二次击穿将导致器件永久损坏，对GTR的危害极大，需要加以保护。由于GTR在工作过程中具有负阻特性，不易实施并联。将不同基极电流情况下的二次击穿临界点连接起来，便构成了二次击穿临界线，体现了GTR的二次击穿功率。由GTR的最大集电极电压

、最大集电极电流

、集电极最大耗散功率

、二次临界功率线

所包围的区域确定了GTR的安全工作区（SafeOperatingArea，SOA），如图1-17所示。图1-17GTR的安全工作区GTR工作结温可高达200ºC，满足高温条件下对器件工作可靠性要求。集电极与发射极间饱和压降约为0.8V，可以保证变流器工作效率。但GTR存在少子存储效应，关断存储时间较长，硬开关时典型开关频率为5kHz，且GTR过载能力较差，有二次击穿现象。很多应用IGBT和MOSFET取代。电力场效应晶体管（PowerMOSFET）是由多数载流子参与导电的电子器件，没有少数载流子存储现象，属于单极性电压控制器件。通过栅极电压控制器件漏极电流，显著优势就是驱动电路简单，驱动电流小，开关速度快，工作频率可达1MHz，是所有全控型器件中工作频率最高的电力电子器件。与GTR相比，它不存在二次击穿现象，安全工作区较大，但其沟道电阻较大，电流容量较小，耐压较低、通态压降较大，导通损耗较大。这些又限制了电力场效应晶体管的使用领域，多用于功率不超过10kW的电力电子变流装置。1.6.1电力场效应晶体管的结构与工作原理MOS场效应晶体管有结型和绝缘栅型，实际应用通常指绝缘栅型，其栅极是由多晶硅制成，与基片之间隔着SiO2薄层，因此栅极与漏极、源极之间绝缘。只要SiO2层不被击穿，栅极对源极、漏极之间阻抗就非常高。结型电力场效应晶体管一般被称为静电感应晶体管。1.6电力场效应晶体管－全控型器件MOSFET的种类和结构。按照导电沟道可分为P沟道和N沟道。栅极电压为零，漏源之间存在导电沟道的器件称为耗尽型。栅极电压大于零或者小于零后漏源之间才存在导电沟道的器件称为增强型。在电力电子技术领域，主要是N沟道增强型场效应晶体管。电力MOSFET导通时只有一种载流子（多子）参与导电，属于单极型晶体管。早期MOSFET采用平面结构（PMOS），导电沟道平行于芯片表面，是横向导电器件。有别于早期MOSFET，电力MOSFET大多采用垂直导电结构，被称为VMOSFET（VerticalMOSFET）。垂直导电结构的电力MOSFET不仅保持原来平面结构的优点，且具有导电沟道短、高电阻漏极漂移区和垂直导电的特点，大幅度提升器件耐压能力、载流能力和开关速度。按照垂直导电结构的差异，电力MOSFET可分为利用V型槽实现导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET。VDMOSFET的电力MOSFET采用多元集成结构，一个器件由多个小MOSFET元组成。图1-18给出的N沟道增强型VDMOSFET单元结构。当漏极接电源正端，源极接电源负端，栅源之间电压为零时，P基区与N漂移区之间形成的PN结J反偏，漏源之间无导电沟道，没有电流通过。图1-18电力MOSFET的结构与电气符号若栅源之间加上正向电压

，因栅极与源极间绝缘，没有栅极电流流过。但栅极电压将P区中空穴推开，将P区中电子（少子）吸引到栅极下面的P区表面。当

达到某数值

时，栅极下P区表面电子浓度将超过空穴浓度，将P型区域反型成N型半导体构成反型层，该反型层形成的N沟道使得PN结J消失，漏极和源极之间有电流流过。

称为电力MOSFET的开启电压，

超过

的数值越多，器件的通流能力越强，漏极电流越大。因器件自身结构所致，漏极与源极之间存在一个与MOSFET反向并联的寄生二极管，使器件在施加反向电压时会导通，使用时需要考虑该寄生二极管的影响。与信息电子电路中MOSFET不同，电力MOSFET多了一个N-漂移区（低掺杂N区），低掺杂区的存在可以使器件承受高电压，该N-漂移区越厚，器件可以承受的电压越大，但由此带来的负作用是器件通态沟道电阻增加、损耗增加。1.6.2电力场效应晶体管基本特性（1）静态特性电力MOSFET的栅源电压

与漏极电流

之间的关系称之为转移特性，如图1-19a)所示。由图可见，当漏极电流较大时，栅源电压

与漏极电流

之间近似成线性关系，其斜率定义为MOSFET的跨导

。栅源电压

与漏极电流

之间的关系曲线称为MOSFET输出特性，如图1-19b)所示。它分为三个区域，分别为截止区、饱和区、非饱和区，电力MOSFET工作时，将在截止区和非饱和区之间转换。电力MOSFET开启电压

为2～4V，但为保证通态时漏源之间沟道电阻、管压降尽可能小，驱动时通常设计>10V。电力MOSFET通态电阻（沟道电阻）具有正温度系数特性，器件并联使用自动均流。MOSFET是场控器件，绝缘栅极输入阻抗很高，等效于一个电容，在栅源之间施加电压时会存在充电电流，电场形成后输入电流为零。因此MOSFET的驱动功率很小。图1-19电力MOSFET的静特性（2）动态特性图1-20给出了MOSFET的开关特性。驱动电源为矩形脉冲电压，因输入电容影响，栅源电压前后沿相应地变缓，如图1-20b)所示。电力MOSFET是单极性器件，依靠多数载流子导电，没有少数载流子的存储效应，其开关速度很高、开关时间很短，一般为10～100ns，比双极性器件的开关时间短很多。图1-20电力MOSFET的开关特性电力MOSFET开通时，给器件输入端加上矩形脉冲电压，由于输入电容

的存在，栅源之间电压按照指数规律上升。定义从输入矩形脉冲电压上升沿开始到栅源之间电压上升到开启电压

为止的时间为开通延迟时间

。此后，随着栅源电压

上升漏极电流

从零开始上升。定义漏极电流

从零上升到稳态值的时间称为上升时间

。电力MOSFET开通时间定义为开通延迟时间

与上升时间

之和。器件关断时，栅源之间的矩形脉冲电压下降为零，栅极输入电容

将通过信号源内阻放电，栅源电压按指数规律下降。定义从输入矩形脉冲电压下降为零开始到漏极电流

开始下降为止的时间为关断延迟时间

。随着栅源电压的下降，器件的导电沟道逐渐变窄，漏极电流

下降。定义漏极电流

从稳态值开始到下降到零为止的时间为下降时间

。电力MOSFET的关断时间定义为关断延迟时间与下降时间之和。电力MOSFET的开关过程与输入电容的充放电关系密切，输入电容

由器件自身结构决定无法改变。为提升器件开关速度，可以通过降低驱动回路内电阻以减少输入回路充放电时间常数，可加快开关过程。1.6.3电力场效应晶体管的主要参数电力场效应晶体管除开启电压

、跨导

、开关时间，还有其它参数。（1）漏源电压

。这是标称电力MOSFET的电压定额，该数值决定于漏源之间的击穿电压。（2）栅极电压

。栅源之间绝缘层很薄，一般超过20V将导致栅源之间的绝缘层击穿。（3）沟道电阻

。定义为在确定的栅极电压下，电力MOSFET从非饱和区进入饱和区时的直流电阻。电力MOSFET的沟道电阻较大，耐压等级越高，沟道电阻越大。沟道电阻决定器件通态损耗，影响器件输出功率，通态压降也大，它具有正温度系数，有利于器件的并联。（4）漏极直流电流

和漏极脉冲电流峰值

。这两个参数标称电力MOSFET电流容量，主要受结温影响。一般漏极脉冲电流峰值

是漏极直流电流

的2～4倍。（5）极间电容。电力MOSFET的三个电极之间存在极间电容，一般厂家提供漏源极短路时的输入电容

，极间电容为非线性电容。漏源之间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定电力MOSFET的安全工作区。电力MOSFET开关速度快、驱动功率小、驱动电路简单、热稳定性好、输入阻抗高，但耐压低、导通压降高、通态损耗高、通流能力小。GTR和GTO耐压高、导通压降低、通流能力强、电压等级高，但开关速度慢、驱动功率大、驱动电路复杂。将GTR和MOSFET两种器件互补组合，便形成一种新型器件－绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor，简称IGBT）。IGBT综合了GTR和MOSFET两种器件的优点，具有耐压高、通流能力强、工作频率高、通态压降低、驱动功率小、无二次击穿、安全工作区宽、热稳定性好等良好的特性，得到了广泛的应用。1.7绝缘栅双极晶体管－全控型器件1.7.1IGBT的结构与工作原理IGBT也是三端器件，分别为栅极G、集电极C、发射极E，图1-21给出了N沟道VDMOSFET和双极性晶体管组合而成的IGBT结构、等效电路图、电气图形符号。与N沟道MOSFET相比，IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成一个大面积的P+N结J1。该结构使IGBT导通时由P+注入区向N－漂移区发射少子，实现了对漂移区电导率的调制，使IGBT具有很强的通流能力，解决了电力MOSFET无法解决的N－漂移区获得高耐压、低通态电阻的矛盾。图1-21IGBT的结构、等效电路和电气符号从结构上看，IGBT相当于一个由N沟道MOSFET驱动的厚基区GTR（PNP型），简化等效电路如图1-21b)所示，等效电路中RN是厚基区GTR基区内的调制电阻。IGBT以GTR为主导元件，是由一个N沟道MOSFET为驱动元件的达林顿结构。IGBT驱动原理与电力MOSFET相同，也是一种场控型器件，其开通、关断由栅极与发射极电压

决定，当

大于开启电压