第1章电力电子器件；主要内容：各种二极管、半控型器件-晶闸管的结构、；重点：晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态；难点：晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态；1电力电子器件概述；(1)电力电子器件的概念和特征；主电路（mainpowercircuit）--电；电力电子器件（powerelectronicde；广义上电力电子器件可分为电真空器件和半
电力电子器件
主要内容：各种二极管、半控型器件-晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，器件的选取原则，典型全控型器件：GTO、电力MOSFET、IGBT，功率集成电路和智能功率模块，电力电子器件的串并联、电力电子器件的保护，电力电子器件的驱动电路。
重点：晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，器件的选取原则，典型全控型器件。
难点：晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数。
1 电力电子器件概述
(1) 电力电子器件的概念和特征
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和半导体器件两类。
两类中，自20世纪50年代以来，真空管仅在频率很高（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。
电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。
同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：
a. 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。
b. 电力电子器件一般都工作在开关状态；
电力电子技术教案
导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定；
阻断时（断态）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（也就是开关特性）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
c. 实用中，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。
d. 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。
导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗
阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态损耗
在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一 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
(2) 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。
控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能。
有的电力电子系统中，还需要有检测电路。广义上往往其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。
主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔离，而通过其它手段如光、磁等来传递信号。
由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行，也往往是非常必要的。
器件一般有三个端子（或称极），其中两个联结在主电路中，而第三端被称为控制端（或控制极）。器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。
(3) 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：
a. 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
电力电子技术教案
b. 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
是绝缘栅双极晶体管（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）
c. 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
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： 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
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
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：
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 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） 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
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，主要有螺栓型和平板型两种封装
图1-1 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
PN结的反向截止状态，PN结的单向导电性；
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：
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电力电子器件及驱动和保护
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*1.7.4SpecificationofIGBT——正常工作温度下允许的最大功耗。最大集电极功耗PCM——包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。最大集电极电流——由内部PNP晶体管的击穿电压确定。最大集射极间电压UCES*1.8其它新型电力电子器件静电感应晶体管SIT静电感应晶闸管SITH集成门极换流晶闸管IGCT电子注入增强栅晶体管IEGT功率模块与功率集成电路*Staticinductiontransistor---SIT结型场效应晶体管---70年代诞生多子导电，频率与MOSFET相当，甚至更高，容量更大，适用于高频大功率场合。在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。缺点：栅极不加信号导通，加负偏压关断，为正常导通型器件，使用不太方便。通态电阻较大，通态损耗也大，还未得到广泛应用。*Staticinductionthyristor---SITH诞生于1972年；SITH是双极型器件，有电导调制效应，通态压降低、通流能力强；特性与GTO类似，开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件；?一般是正常导通型，也有正常关断型；电流关断增益较小，应用范围还有待拓展。*Integratedgate-commutatedthyristor20世纪90年代后期出现，结合IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍；可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大；目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。*可控性驱动信号额定电压、电流工作频率饱和压降二极管不可控无最大有高有低小晶闸管半控脉冲电流（开通）最大最低小GTO全控正、负脉冲电流大较低中BJT全控正电流中中小IGBT全控正电压较大较高较小MOSFET全控正电压小最高大常用电力半导体开关器件性能对比*1.9电力电子器件的驱动要求驱动电路是主电路与控制电路之间的接口。不同电力电子器件有不同的驱动要求，根据触发信号的不同可分为电流驱动型电路和电压驱动型电路。驱动电路与主电路之间的需要隔离，常采用变压器隔离和光耦器件隔离。*1.9.1晶闸管的触发要求触发脉冲应有足够的宽度。一般采用强触发方式，强触发电流峰值可达电平触发电流的3－5倍左右，触发脉冲平台部分电流略大于额定触发电流以保证晶闸管可靠导通。对触发脉冲前沿陡度也有要求。晶闸管关断时，可在门极加5V左右的负电压以保证可靠关断和一定的抗干扰能力。IIMt1t2t3t4*1.9.2GTO的驱动要求GTO的开通控制与普通晶闸管相似，但对其触发脉冲前沿的幅值和陡度要求更高。一般需要在器件整个导通期间施加正向门极电压。驱动电路应包括门极开通电路、关断电路和反向偏置电路。OttOuGiG*1.9.3GTR的驱动要求驱动电流波形前沿要陡，以减少开通损耗。触发时基极电流幅值可达基极饱和电流幅值的二倍。导通期间要有恰当的基极电流，使它刚好达到饱和状态，以维持低的通态损耗，但又不进入深饱和区。关断后，应给基-射极提供一4~6V的反向偏置电压，以提高GTR关断时集电极的正向阻断能力tOib*1.9.4电力MOSFET的驱动要求电压驱动型器件，有高输入阻抗，所需驱动功率较小，驱动电路相对较简单。要求驱动电路能向栅极提供器件开通所需的10－15V驱动电压，器件关断时需要的一定幅值的负偏压，一般为－5V~-15V。驱动电压不能太高，如果超过20V，即使电流被限制到很小值，栅源极间的氧化层也很容易被击穿。专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。*1.9.5IGBT的驱动要求驱动电压脉冲要有足够陡的上升沿和下降沿，可使IGBT快速开通和关断，减小开关时间，从而减小开关损耗。低阻抗输出特性。有足够的的驱动功率，使IGBT不致退出饱和而损坏；驱动电压一般在15V－20V。关断过程中，栅极施加反偏电压，有利于器件快速关断，一般反偏电压取－2V——－10V。常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。*1.10电力电子器件的串并联技术晶闸管串联晶闸管并联*晶闸管的串联问题：器件电压分配不均匀。静态不均压：串联器件流过的漏电流相同，但静态伏安特性的分散性，各器件分压不等；动态不均压：器件动态参数和特性差异造成的不均压。目的：晶闸管额定电压小于要求时，需串联。*晶闸管的串联静态均压措施：选用参数和特性尽量一致的器件；电阻均压，电阻阻值比器件阻断时正、反向电阻小得多。baRCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2动态均压措施：选择动态参数和特
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