本教材的课内教学学时为48～56学时（包含实验，每个实验2学时），本课程设置学时 较少的院校，课堂教学内容可适当删减。 在学习本课程前，学生应学过“电路”和“电子技术基础”两门课程，并已能熟练掌握 示波器等电子仪器的使用方法。“电力拖动自动控制系统”是本课程的后续课程之一，对电 力拖动有兴趣的同学可以选学这门课程。

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 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被称为主电路 （PowerCircuit）。电力电子器件（PowerElectronicDevice）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。同我们在学寸电子技术基础时广泛接触的处理信 息的电子器件一样，广义上电力电子器件也可分为电真空器件和半导体器件两类。但是，自 20世纪50年代以来，除了在频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在使用真空管外， 基于半导体材料的电力电子器件已逐步取代了以前的汞弧整流器（MercuryArcRectitier）、 闻流管（Thyralron）等电真空器件，成为电能变换和控制领域的绝对主力。因此，电力电 子器件目前也往往专指电力半导体器件。与普通半导体器件一样，目前电力半导体器件所采 用的主要材料仍然是硅。 由于电力电子器件直接用于处理电能的主电路，因而同处理信息的电子器件相比，它 般具有如下的特征： 1）电力电子器件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。其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，一般都远大于处理信息的电子器 件。 2）因为处理的电功率较大，所以为了减小本身的损耗，提高效率，电力电子器件一般 都工作在开关状态。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；就像普通晶体管的饱和与截止状态一样。因而，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，有些时候基至上升为第位的重 要问题。而在模拟电子电路中，电子器件一般都工作在线性放大状态，数字电子电路中的电 子器件虽然一般也工作在开关状态，但其目的是利用开关状态表示不同的信息。正因为如 此，也常常将一个电力电子器件或者外特性像一个开关的几个电力电子器件的组合称为电力 电子开关，或称电力半导体开关。作电路分析时，为简单起见也往往用理想开关来代替。广 义上讲，电力电子开关有时候也指由电力电子器件组成的在电力系统中起开关作用的电气装 置，这在第4章中将有适当的介绍。 3）在实际应用当中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。由于电力电子器

形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力 电子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功 能。因此，从宏观的角度讲，电力电子电路也被称 为电力电子系统。在有的电力电子系统中，需要检 测主电路或者应用现场中的信号，再根据这些信号 并按照系统的工作要求来形成控制信号，这就还需 要有检测电路。广义上人们往往将检测电路和驱动 电路这些主电路以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

还应该说明的是，电力电子电路的工作特点和具体情况的不同，可能会对与电力电子器 件用于同一主电路的其他电路元件，如变压器、电感、电容、电阻等，有不同于普通电路的 要求，本书不专门设章节介绍这全问题，但将在讲述各种具体电路时在适当的地方加以讨 论

电力二极管（PowerDiode）自20世纪50年代初期就获得应用，当时也被称为半导体 整流器（SemiconductorRectifierSR），并已开始逐步取代汞弧整流器。虽然是不可控器 件，但其结构和原理简单，工作可靠，所以，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气 设备当中，特别是快恢复二极管和肖特基二极管，仍分别在中、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。 1.2.1PV结与电力二极管的工作原理 电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的外墙外保温标准规范范本，都是以半导体 面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的

荷但不能任意移动的杂质离子。 不能移动的正、负电荷被称为空间电荷。空间 的电场被称为内电场或自建电场，

较小时，二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂V区的欧姆电阻，其阻值较高且为常量， 因而管压降随正向电流的上升而增加；当PN结上流过的正向电流较大时，注入并积累在低 渗杂N区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体电中性条件，其多子浓度也相应大幅度 增加，使得其电阻率明显下降，也就是电导率大大增加，这就是电导调制效应。电导调制效 应使得PV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。 当PN结外加反向电压时（反向偏置），外加电场与PN结自建电场方向相同，使得少 子的漂移运动大于多子的扩散运动，形成漂移电流，在内部造成空间电荷区变宽，而在外电 路上则形成自N区流人而从P区流出的电流，称之为反向电流IR。但是少子的浓度很小， 在温度一定时漂移电流的数值趋于恒定，被称为反向饱和电流Is：一般仅为微安数量级 因此反向偏置的PNV结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。 这就是PNV结的单问导电性，二极管的基本原理就在于PN结的单尚导电性这个主要特 征。 PN结具有一定的反尚耐压能力，但当施加的反尚电压过大，反尚电流将会急剧增天 破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。反向击穿按照机理不同有雪崩击 穿和齐纳击穿两种形式。反向击穿发生时，只要外电路中来取了措施，将反向电流限制在 定范围内，则当反向电压降低后PN结仍可恢复原来的状态。但如果反向电流末被限制往， 使得反向电流和反向电压的乘积超过了PV结容许的耗散功率，就会因热量散发不出去而导 致PN结溢度上升，直至过热而烧毁，这就是热击穿。 PN结中的电荷量随外加电压而变化，皇现电容效应，称为结电容CI，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C=和扩散电容CD。势垒电容只在外 加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN 结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比，而扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置 时，当正询电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。结 电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至 不能工作，应用时应加以注意。 由于电力二极管正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注 人水平较高，电导调制效应不能忽略，两且其引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响；再 加上其承受的电流变化率diA较太，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较太影响

此外，为了提高反问耐压，其掺杂浓度低也造成正向压 降较大。这些都使得电力二极管与信息电子电路中的普 通二极管有所区别。在下面的工作特性和具体参数中我 门将会注意到这一点。 1.2.2电力二极管的基本特性 1，静态特性 电力二极管的静态特性主要是指其伏安特性，如图 14所示。当电力二极管承受的正向电压大到一定值 （门槛电压UT)），正向电流才开始明显增加，处于稳定 导通状态。与正向电流I对应的电力二极管两端的电

1.2.4电力二极管的主要类型

晶阐管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（SiliconControllec Rectifier一SCR），以前被简称为可控硅。在电力二极管开始得到应用后不久，1956年美 国贝尔实验室（BellLaboratories）发明了晶闸管，到1957年美国通用电气公司（General ElectricCompany）开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于1958年使其商业化。由于其开 通时刻可以控制，而且各方面性能均明显胜过以前的汞弧整流器，因而立即受到普遍欢迎 从此开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的薪新时代，其标志就是以晶闸管为代表的电 力半导体器件的广泛应用，有人称之为继晶体管发明和应用之后的文一次电子技术革命。自 20世纪80年代以来，晶阐管的地位开始被各种性能更好的全控型器件所取代，但是由于其

能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量 的应用场合仍然具有比较重要的地位。 晶闸管这个名称往往专指晶闸管的一种基本类型一一普通晶闸管。但从广义上讲，晶闸 管还包括其许多类型的派生器件。本节将主要介绍普通晶闸管的工作原理、基本特性和主要 参数，然后对其各种派生器件也作一简要介绍。

栓型和平板型两种封装结构，均引出 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，做成螺栓状是为了能 与散热器紧密联接且安装方便。另 侧较粗的端子为阴极，细的为门极。 平板型封装的晶闸管可由两个散热器 将其夹在中间，其两个平面分别是阳 极和阴极，引出的细长端子为门极。 晶闸管内部是PNPN四层半导体 结构，分别命名为Pi、N1、P2、N2 四个区。P, 区引出阳极A，N, 区引出

，P2区引出门极G。四个区形成JI、J2、J3三个PN结。如果正向电压（阳极高于阴 加到器件上，慰L，处于反向偏臀状态，器件A、K两端之间处于阻断状态。只能流过

电路注人门极的电流IG，晶闸管亩于内部已形成了强烈的正反馈会仍然维持导通状态。而 若要使晶闸管关断，必须去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加反压，或者设法使流过 晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下，晶闸管才能关断。所以，对晶闸管的驱动过 程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流IG的电路称为门极触发电路。也正是由于 通过其门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件。 按照晶体管工作原理，可列出如下方程：

I= aIA+Ic8O I2 = αz Ik + IcB02 Ik = IA+ IG Ia = Ie + l2

晶阐管的开通和关断的动态过程的物理机理是很复杂的，这里只能对其过程作一简单

跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%，这段时间称为延退时间td，与此同时晶闸 管的正向压降也在减小。阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间称为上升时间t， 开通时间t即定义为两者之和，即

tet = td+ t

普通晶闸管延迟时间为0.5～1.5us，上升时间为0.5～3us。其延退时间随门极电流的 增大而碱小。上升时间除反映晶闸管本身特性外，还受到外电路电感的严重影响。延迟时间 和上升时间还与阳极电压的大小有关。提高阳极电压可以增大晶体管V2的电流增益α2，从 而使正反馈过程加速，延迟时间和上升时间都可显著缩短。 （2）关断过程原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，由于外电 路电感的存在，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。阳极电流将逐步衰减到零，然 后同电力极管的关断动态过程类似，在反方向会流过反向恢复电流，经过最大值IM后， 再反方向衰减。同样，在恢复电流快速衰减时，由于外电路电感的作用，会在晶闸管两端引 起反向的尖峰电压URRM。最终反向恢复电流衰减至接近于零，晶闸管恢复其对反向电压的

阻断能力，从正向电流降为零，到反向恢复电流衰减至接近于零的时简，就是晶闻管的反向 阻断恢复时间tr。反向恢复过程结束后，由于载流子复合过程比较慢，晶闸管要恢复其对 正向电压的阻断能力还需要一段时间，这叫做正向阻断恢复时间t效。在正向阻断恢复时间 内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导 通。所以实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向 电压的阻断能力，电路才能可靠工作。晶闸管的电路换向关断时间t。定义为t与t之和 即

普通晶闻管的关断时间药儿百微秒，

[.3.3晶闸管的主要参数

ta = t + tg

通所需的最小电流。对同一晶闻管来说，遵常约为H的2～4倍。 （4）浪涌电流I1SM浪涌电流是指由于电路异常情况引起的使结温超过额定结温的不 重复性最大正向过载电流。浪涌电流有上下两个级，这个参数可用来作为设计保护电路的依 据。 3.动态参数 除开通时间t和关断时简t。外，还有： （1）断态电压临界上升率du/dt这是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。如果在阻断的晶闸管两端所施加的电压具有正 可的上升率，则在阻断状态下相当子一个电容的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。使用中实际电压上升率必须低于此临界值。 （2）通态电流临界上升率di/dt这是指在规定条件下，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。 1.3.4晶闸管的派生器件 1.快速晶闸管(FastSwitchingThyristor一一FST) 快速晶闸管包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有常规的快速晶闸管和工作在更高 频率的高频晶闸管，可分别应用于400Hz和10kHz以上的斩波或逆变电路中。由于对普通 晶闸管的管芯结构和制造工艺进行了改进，快速晶闸管的开关时间以及du/dt和di/dt的 耐量都有了明显改善。从关断时间来看，普通晶闸管一般为数百微秒。快速晶阐管为数十微 秒，而高晶闸管则为10us左右。与普通晶闸管相比，高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，选择快速晶闸管和高频晶闸管的通态平均电流时不 能忽略其开关损耗的发热效应。

1.3.4晶闻管的派生器件

为GTR的电流放大系数，它反映了基极电流对集电极电流的控制能力。当考虑到集日 发射极间的漏电流I..时，i和ih的关系为

e = Bip + Iceo

要是由发射结势垒电容和集电结 增大基极驱动电流的幅值

可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I,的蝠值和负偏压，可以缩短储存

时间，从而加快关断速度。当然，微小导通时的饱和 深度的负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通 压降U增加，从而增大通态损耗，这是一对矛盾。 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 除了前面述及的一些参数，如电流放大倍数β、 直流电流增益1FE、集电极与发射极间漏电流Iceo 集电极和发射极间饱和压降U.、开通时间t和关 断时间t以外，对GTR主要关心的参数还包括： （1）最高工作电压GTR上所加的电压超过规 定值时，就会发生击穿。击穿电压不仅和晶体管本身 的特性有关，还与外电路的接法有关。有发射极开路

时集电极和基极间的反向击穿电压BUcbo；基极开路时集电极和发射极间的击穿电压BUces； 发射极与基极间用电阻联接或短路联接时集电极和发射极间的击穿电压BUcer和BUos，以 及发射结反向偏置时集电极和发射极间的击穿电压BUcex。这些击穿电压之间的关系为 BUctx>BUcex>BUs>BUr>BUeoo实际使用GTR时，为了确保安全，最高工作电压要 比BU低得多。 （2）集电极最大允许电流IcM通常规定直流电流放大系数hFE下降到规定值的1/2~ 1/3时，所对应的I。为集电极最大允许电流。实际使用时要留有较大裕量，只能用到IM的 半或稍多一点。 （3）集电极最大耗散功率PcM这是指在最高工作温度下允许的耗散功率。产品说明书 中在给出卫时总是同时给出壳温Tc、间接表示了最高工作温度。

4.GTR的二次击穿现象与安全工作区

1.4.3电力场效应晶体管

[Metal Oxide Semiconductor FET), 简称电力 MOSFET (Power MOSFET)或者更精

1.电力MOSFET的结构和工作原理

MOSFET是电压控制型器件，其输人阻抗极高，输入电流非常小，

由于电力MOSFET本身结构所致GBT标准规范范本，在其漏极和源极之间形成了个与之反向并联的寄 生二极管，它与MOSFET构成了一个不可分割的整体，使得在漏、源极间加反向电压时器 件导通。因此，使用电力MOSFET时应注意这个寄生二极管的影响。 电力MOSEE工的通态电阻具有正温度系数，这一点对器件并联时的均流有利

Eon = td(on) + t)

当脉冲电压u下降到零时，栅极输人电容C.通过信号源内阻R。和栅极电阻Rc（》 R。）开始放电，栅极电压uGs按指数曲线下降，当下降到Ucsp时，漏极电流iD才开始减 小，这段时间称为关断延迟时间ti（of)。此后，Cin继续放电，ucs从UGsp继续下降，ip减 小，到uGs

toff = talof) + tf

从上面的开关过程可以着出，MOSFET的开关速度和其输人电容的充放电有很大关系。 使用者鼠然无法降低C的值，但可以降低栅极驱动电路的内阻R：：从而减小栅极回路的充 放电时间常数，加快开关速度。通过以上讨论还可以看出，由于MOSFET只靠多子导电， 不存在少子诺存效应，因而其关断过程是非常迅速的。MOSFET的开关时间在10～100ns 之间，其工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。 电力MOSFET是场控器件，在静态时几乎不需要输人电流。但是，在开关过程中需要 对输人电容充放电，仍需要一定的驱动功率。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 除前面已涉及到的跨导Gs、开启电压Ur以及开关过程中的各时间参数td(on)、t, td(of)和t：之外，电力MOSFET还有以下主要参数： （1）漏极电压UDS这是标称电力MOSFET电压定额的参数。 （2）漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM这是标称电力MOSFET电流定额的参 数。 （3）栅源电压Ucs栅源之间的绝缘层很薄，「Ucs|>20V将导致绝缘层击穿。 （4）极间电容MOSFET的三个电极之间分别存在极间电容CGS、CGD和CDSo一般生 产厂家提供的是漏源极短路时的输入电容Cis、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss 它们之间的关系是

前面提到的输人电容可以近似用Cis代替。这些电容都是非线性的。 漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作 区。一般来说广播电视影视标准，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点。在实际使用中， 仍应注意留适当的裕量。