第一章电力电子器件发展概述
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电力电子器件概述55500
从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。 前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下， 甚至达到20~30ns。 DATASHEET 1 2 3
1.2.4 电力二极管的主要类型
3. 肖特基二极管(DATASHEET)
以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖 特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode ——SBD）。
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件的损耗 通态损耗
主要损耗 断态损耗 开关损耗
开通损耗 关断损耗
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，开关损耗可能成为器件功率损 耗的主要因素。
1.1.2 应用电力电子器件系统组成
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路
和以电力电子器件为核心的主电路组成。
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
其他几种可能导通的情况：
阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光触发
光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘 而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT）。
只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。
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。
PN结的反向击穿（两种形式)
雪崩击穿 齐纳击穿 均可能导致热击穿
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结的电容效应：
PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效 应，称为结电容CJ，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CB和扩散电容CD。 电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关 状态。
1.2.4 电力二极管的主要类型
3. 肖特基二极管(DATASHEET)
以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖 特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode ——SBD）。
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件的损耗 通态损耗
主要损耗 断态损耗 开关损耗
开通损耗 关断损耗
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，开关损耗可能成为器件功率损 耗的主要因素。
1.1.2 应用电力电子器件系统组成
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路
和以电力电子器件为核心的主电路组成。
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
其他几种可能导通的情况：
阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光触发
光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘 而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT）。
只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。
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。
PN结的反向击穿（两种形式)
雪崩击穿 齐纳击穿 均可能导致热击穿
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结的电容效应：
PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效 应，称为结电容CJ，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CB和扩散电容CD。 电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关 状态。
精选第1章 电力电子器件概述资料
5）最高工作结温TJM
结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。 TJM通常在125~175C范围之内。
6) 浪涌电流IFSM
指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过 电流。
14
4、二极管类型
1) 普通二极管（General Purpose Diode）
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。 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有 重要地位。
19
1、晶闸管的结构与工作原理
tgt
以
上
两者
之
和
，
10% 0
uAK
td
tr
t
2) 关断过程
IRM
反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间tgr
O
t
关断时间tq以上两者之和
tq=trr+tgr
trr URRM tgr
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
29
3）门极特性
门极电流 IG 与门极和阴极之间电 压UGK的关系。
雪崩 击穿
断态重复峰值电压 断态不重复峰值电压
晶闸管本身的压降很小，在1V左 右。
正向转折电压
-IA
晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
27
（2）反向特性 IA 反向不重复峰值电压 反向特性类似二极管的反向特
性。
反向重复峰值电压
反向阻断状态时，只有极小的
结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。 TJM通常在125~175C范围之内。
6) 浪涌电流IFSM
指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过 电流。
14
4、二极管类型
1) 普通二极管（General Purpose Diode）
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。 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有 重要地位。
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1、晶闸管的结构与工作原理
tgt
以
上
两者
之
和
，
10% 0
uAK
td
tr
t
2) 关断过程
IRM
反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间tgr
O
t
关断时间tq以上两者之和
tq=trr+tgr
trr URRM tgr
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
29
3）门极特性
门极电流 IG 与门极和阴极之间电 压UGK的关系。
雪崩 击穿
断态重复峰值电压 断态不重复峰值电压
晶闸管本身的压降很小，在1V左 右。
正向转折电压
-IA
晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
27
（2）反向特性 IA 反向不重复峰值电压 反向特性类似二极管的反向特
性。
反向重复峰值电压
反向阻断状态时，只有极小的
第1章 电力电子器件概述(第一部分)(2)
1.1.2 应用电力电子器件的系统组成
1.1.3 电力电子器件的分类 1.1.4 本章内容和学习要点
华东理工大学
1-3
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件
1）概念:
电力电子器件（Power Electronic Device）
——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电 子器件。
主电路（Main Power Circuit）
和控制电 路中附加 一些电路， 以保证电 力电子器 件和整个 系统正常 可靠运行
V1 L R
V2
主电路
电气隔离 图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
华东理工大学
1-7
注重对器件的保护：通常采用吸收（缓冲） 保护电路（ Snubber ）来限制器件的 du/dt 和di/dt，减小由于大电流跃变在引线（寄 生）电感上形成的反电势尖峰，以防器件 过压击穿。 需要驱动与隔离：强、弱电系统之间电气 隔离，不共地，消除相互影响，减小干扰， 提高可靠性。
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，开关损耗可能成为器件功率损 耗的主要因素。
华东理工大学
1-6
1.1.2 应用电力电子器件系统组成
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。 在主电路
控 制 控制电路 电 路 检测 电路 保护 电路 驱动 电路
额定电流 —— 在指定的管壳温度和散热条件下， 其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应 按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留 有一定的裕量。 在工频正弦半波的情况下：
平均值 IF(AV) 有效值 1.57 IF(AV)
电力电子器件综述
电力电子器件综述电力电子器件综述电力电子器件是电力电子技术的基础和核心。
电力电子技术的不断拓扑和发展都是围绕着各种新型电力电子器件的诞生和完善进行的。
“一代电力电子器件带动一代电力电子技术应用”是业界人士普遍的共识，可见其重要。
电力电子技术就是一种采用电力电子器件进行功率变换和控制的技术。
由于电力电子学是以电力（Power）为对象的电子学，因此电力电子器件与微电子器件的区别是“服务对象”不同而导致其功能不同，但都是以半导体材料为基板制作成的电子器件。
电力电子技术的特征是高效和节能，这主要是电力电子器件一般工作在较理想的开关状态，其特点是：导通时压降很低；关断时漏电流很低。
由此可以知道器件本身的功耗与它所控制的功率相比是非常小的，一般可以忽略不计。
1电力电子器件发展过程做电力电子器件所用的材料有锗、硅和碳化硅。
锗在上世纪70年代已经基本不用了，目前绝大部分电力电子器件是采用硅材料做出的。
碳化硅是一种潜力较大的电力电子器件材料，目前正在发展之中。
电力电子器件有近60年的历史，比起一些传统产业，如发电、电机、机床等行业还是比较“年轻”。
但它的发展速度很快，在一些具有里程碑意义的电力电子器件诞生之后，在自动化、传感电子和信息技术的配合下，在工业界掀起了一场又一场的“革命”。
可以说是电力电子器件带着电力电子技术走进了千家万户，走进了国民经济的许多领域。
在半导体器件出现以前，电子器件主要是真空管和离子管等。
1902年Hewitt发明了玻壳汞弧整流二极管；1911年Scohafer发展为铁壳汞弧整流二极管。
由于Langmuir发表了等离子理论，导致Holl在1929年发明了热阴极三极放电管。
1948年，在美国贝尔实验室诞生了世界上第一个锗晶体管，开创了半导体器件的新纪元。
半导体器件无需灯丝加热，其损耗极低，寿命远远高于电子管。
1956年贝尔实验室发表了有关信号电平用的pnpn型开关。
1958年，着眼于电力应用的美国通用电气（GE）公司率先研制出世界上第一个可控硅整流元件（SCR_Silicon Controlled Rectifier）。
第一章电力电子技术综述
i
Vo
3V
1-1分压器、电压跟随器及输出特性
o
可以看出，随着电流增加输出电压线性下降，当输出电流为12mA时，所设计的电源输出电压为零。也就是说，这个电源对负载变化没有调节能力。 理想电压源输出电压不会随输出电流增大而下降，也就是说输出电压对负载变化应该具有100%的调节性能，从电路角度看，即电源等效内阻为零。
随着电子技术的不断发展，新器件不断出现，电力电子技术的发展方向是高频、高效、高功率密度和智能化，最终使人们进入电能变换和频率变换更加自由的时代，并充分发挥其节能、降耗和提高装置工作性能的作用。 功率半导体器件是现代电力电子技术（Modern Power Electronics）的基础，它的应用范围非常广阔，从毫瓦级的个人无线通信设备，到百万千瓦的高压直流输电（High Voltage DC Transmission）系统。
1 DC-AC变换器——逆变器 将直流电源变换成一个交流电源（单相或多相）称之为逆变，这种装置称为逆变器(Inverter)。
图1-4 基本的单相或三相dc-ac变换电路
基本电路如图1-4（a）所示，通过采用一个开关把直流电源变换成低频或高频交流源，输出波形为脉动直流波形，输出波形经过滤波电路整形成希望的波形，一般希望输出为正弦波形。 三相输出通过采用三个开关完成，如图1-4（b）所示。三个开关轮流导通120度，输出三相120度直流脉动波形。 交流电的频率、幅度大小和相位是交流电的三要素，使用电力电子技术如何自由地变换三要素，是DC-AC变换技术研究的主要内容。 DC-AC变换器应用范围很广，如飞机和空间站电源、UPS、闪光灯充电、太阳能发电、交流电机调速、变速恒频电源和感应加热电源等，它们输出交流频率从50Hz到1MHz不等。 DC-AC变换技术将在第6章介绍。
第1章电力电子器件概述97967 119页PPT文档
a) 正向偏置转换为反向偏置
b) 零偏置转换为正向偏置
1-17
1.2.2 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ力二极管的基本特性
关断过程
IF
diF
dt
trr
须经过一段短暂的时间才能重新获 UF
td
tf
得反向阻断能力，进入截止状态。
tF t0
t1 t2
UR
t
diR
关断之前有较大的反向电流出现，
dt
并伴随有明显的反向电压过冲。
IRP URP
1-3
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件
1）概念: 电力电子器件（Power Electronic Device）
——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电 子器件。
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。
2）分类:
1-26
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
A
G
KK
A A
G
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K
K G
A
a)
b)
c)
图1-6 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
外形有螺栓型和平板型两种封装。
有三个联接端。
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。
平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
1-27
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
平板型晶闸管外形及结构
1-28
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
b) 零偏置转换为正向偏置
1-17
1.2.2 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ力二极管的基本特性
关断过程
IF
diF
dt
trr
须经过一段短暂的时间才能重新获 UF
td
tf
得反向阻断能力，进入截止状态。
tF t0
t1 t2
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diR
关断之前有较大的反向电流出现，
dt
并伴随有明显的反向电压过冲。
IRP URP
1-3
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件
1）概念: 电力电子器件（Power Electronic Device）
——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电 子器件。
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。
2）分类:
1-26
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
A
G
KK
A A
G
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K
K G
A
a)
b)
c)
图1-6 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
外形有螺栓型和平板型两种封装。
有三个联接端。
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。
平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
1-27
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
平板型晶闸管外形及结构
1-28
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
电力电子器件的概念和特征同处理信...
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
2008-5-14
作电路分析时，为简单起见往
上海电往力学用院理电子想技术开教关研室来代替
2
《电力电子技术》第1章 电力电子器件 1.1 电力电子器件概述
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
二.晶闸管工作原理：
？
Ic1=α1 IA + ICBO1 Ic2=α2 IK + ICBO2
IK=IA+IG
IA=Ic1+Ic2
（1-1） （1-2）
G
（1-3） （1-4）
A
P1
N1
N1
P2
P2
N2
K
A
IA
PNP
V1
G IG
Ic1
Ic2
R
NPN V2
S
EG
IK
EA
上海电力学院 电子技术教研室
15
《电力电子技术》第1章 电力电子器件 1.2 不可控器件——电力二极管
1.2.4 电力二极管的主要类型
1. 普通二极管（General Purpose Diode） 频率不高容量大
又称整流二极管（Rectifier Diode）
多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中 其反向恢复时间较长，一般在5µs以上，
3. 反向重复峰值电压URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压
2008-5-14
上海电力学院 电子技术教研室
14
《电力电子技术》第1章 电力电子器件 1.2 不可控器件——电力二极管
电力电子器件综合概述PPT课件( 83页)
也加正向电压。
关断条件： 阳极电流IA小于维持电流IH
实现方法：1）减小阳极电源电压或增大阳极回路电阻； 2）将阳极电源反向。
16
晶闸管的结构与工作原理
A
A
P1
N1 N1
G
P2 P2
N2
K
IA
PNP
IB1V1 NhomakorabeaG
I
G
I c1I B2
Ic2
R
V
NPN 2
S
E
I
A
E
K
G
K
IG
IB2
IC2 =IB1
IC1
模块型电力晶体管的内部结构既有单管型，也有达林顿复合型， 其容量范围从30A／450V～800A／1400V不等。
在一个模块的内部有一单元结构、二单元结构、四单元结构和 六单元结构。
39
电力晶体管（GTR）
1. GTR的结构和工作原理
模块型电力晶体管的内部结构既有单管型，也有达林顿复合型， 其容量范围从30A／450V～800A／1400V不等。
第1章 电力电子器件
1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件——电力二极管 1.3 半控型器件——晶闸管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联和并联使用
本章小结
1
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 1.1.2 电力电子电路系统组成 1.1.3 电力电子器件的分类
电主电 压电流
路
关断
反应快、可靠性高、寿命长、功率大、价格低，且具 有节能的特点。
9
电力电子器件的分类
关断条件： 阳极电流IA小于维持电流IH
实现方法：1）减小阳极电源电压或增大阳极回路电阻； 2）将阳极电源反向。
16
晶闸管的结构与工作原理
A
A
P1
N1 N1
G
P2 P2
N2
K
IA
PNP
IB1V1 NhomakorabeaG
I
G
I c1I B2
Ic2
R
V
NPN 2
S
E
I
A
E
K
G
K
IG
IB2
IC2 =IB1
IC1
模块型电力晶体管的内部结构既有单管型，也有达林顿复合型， 其容量范围从30A／450V～800A／1400V不等。
在一个模块的内部有一单元结构、二单元结构、四单元结构和 六单元结构。
39
电力晶体管（GTR）
1. GTR的结构和工作原理
模块型电力晶体管的内部结构既有单管型，也有达林顿复合型， 其容量范围从30A／450V～800A／1400V不等。
第1章 电力电子器件
1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件——电力二极管 1.3 半控型器件——晶闸管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联和并联使用
本章小结
1
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 1.1.2 电力电子电路系统组成 1.1.3 电力电子器件的分类
电主电 压电流
路
关断
反应快、可靠性高、寿命长、功率大、价格低，且具 有节能的特点。
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电力电子器件的分类
第1章 电力电子器件概述54246
从外形上看，主 要有螺栓型和平 板型两种封装。
A
K A
a)
K
A
K
PN
I J
b)
A
K
c)
图1-2 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
10/28/2019 1-13
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结的状态
状态 参数
电流 电压 阻态
正向导通
正向大 维持1V 低阻态
第1章
电力电子器件
1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件——二极管
1.3 半控型器件——晶闸管
1.4 典型全控型器件
1.5 其他新型电力电子器件
1.6 电力电子器件的驱动
1.7 电力电子器件的保护
1.8 电力电子器件的串联和并联使用
本章小结及作业
10/28/2019 1-1
第1章 电力电子器件·引言
10/28/2019 1-24
1.3 半控器件—晶闸管
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理 1.3.2 晶闸管的基本特性 1.3.3 晶闸管的主要参数 1.3.4 晶闸管的派生器件
10/28/2019 1-25
1.3 半控器件—晶闸管·引言
晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流 器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路
和以电力电子器件为核心的主电路组成。
控
制
控制电路
电
检测 电路
保护 电路
V1 LR
在主电路 和控制电 路中附加 一些电路， 以保证电 力电子器 件和整个 系统正常 可靠运行
A
K A
a)
K
A
K
PN
I J
b)
A
K
c)
图1-2 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
10/28/2019 1-13
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结的状态
状态 参数
电流 电压 阻态
正向导通
正向大 维持1V 低阻态
第1章
电力电子器件
1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件——二极管
1.3 半控型器件——晶闸管
1.4 典型全控型器件
1.5 其他新型电力电子器件
1.6 电力电子器件的驱动
1.7 电力电子器件的保护
1.8 电力电子器件的串联和并联使用
本章小结及作业
10/28/2019 1-1
第1章 电力电子器件·引言
10/28/2019 1-24
1.3 半控器件—晶闸管
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理 1.3.2 晶闸管的基本特性 1.3.3 晶闸管的主要参数 1.3.4 晶闸管的派生器件
10/28/2019 1-25
1.3 半控器件—晶闸管·引言
晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流 器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路
和以电力电子器件为核心的主电路组成。
控
制
控制电路
电
检测 电路
保护 电路
V1 LR
在主电路 和控制电 路中附加 一些电路， 以保证电 力电子器 件和整个 系统正常 可靠运行
电力电子器件概述55500共119页PPT资料
uF 2V
0
b) tfr
t
图1-5 电力二极管的动态过程波形
a) 正向偏置转换为反向偏置
b) 零偏置转换为正向偏置
1.2.2 电力二极管的基本特性
关断过程
IF
diF
dt
trr
须经过一段短暂的时间才能重新获 UF
td
tf
得反向阻断能力，进入截止状态。
tF t0
t1 t2
UR
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diR
关断之前有较大的反向电流出现，
A
K A
a)
K
A
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I J
b)
A
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c)
图1-2 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
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结的状态
状态 参数
电流 电压 阻态
正向导通
正向大 维持1V 低阻态
反向截止
几乎为零 反向大 高阻态
反向击穿
反向大 反向大 ——
肖特基二极管的弱点
反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。 反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。
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。 反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。 效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。
1.2.2 电力二极管的基本特性
1) 静态特性
主要指其伏安特性
门槛电压UTO，正向电流 IF开始明显增加所对应的 电压。
与IF对应的电力二极管两 端的电压即为其正向电 压降UF 。
承受反向电压时，只有 微小而数值恒定的反向 漏电流。
电力电子器件概述55500
制其关断。 全控型器件（IGBT,MOSFET)
——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。 不可控器件(Power Diode)
——不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不 需要驱动电路。
1.1.3 电力电子器件的分类
按照驱动电路信号的性质，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 关断的控制。
在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立 起来之后， 迅速增大。
阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍
大于两个晶体管漏电流之和。
开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大
以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋
近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。
1.3.2 晶闸管的基本特性
1） 静态特性
（1）正向特性
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。
PN结的反向击穿（两种形式)
雪崩击穿 齐纳击穿 均可能导致热击穿
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结的电容效应：
PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效 应，称为结电容CJ，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CB和扩散电容CD。 电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关 状态。
1.2.4 电力二极管的主要类型
2) 快恢复二极管 （Fast Recovery Diode——FRD）
简称快速二极管
快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED）， 其trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左 右），但其反向耐压多在1200V以下。
——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。 不可控器件(Power Diode)
——不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不 需要驱动电路。
1.1.3 电力电子器件的分类
按照驱动电路信号的性质，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 关断的控制。
在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立 起来之后， 迅速增大。
阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍
大于两个晶体管漏电流之和。
开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大
以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋
近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。
1.3.2 晶闸管的基本特性
1） 静态特性
（1）正向特性
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。
PN结的反向击穿（两种形式)
雪崩击穿 齐纳击穿 均可能导致热击穿
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结的电容效应：
PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效 应，称为结电容CJ，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CB和扩散电容CD。 电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关 状态。
1.2.4 电力二极管的主要类型
2) 快恢复二极管 （Fast Recovery Diode——FRD）
简称快速二极管
快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED）， 其trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左 右），但其反向耐压多在1200V以下。
第1章 电力电子器件1(湖南大学电气院)
A
G K
IA
光强度
强
弱
O
UAK
a)
b)
光控晶闸管的电气符号和伏安特性
电力电子技术
图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
G KK
A A G 外形a)
A
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K G
A
K 结构b)
电气图c)
返回
➢ 电力电子器件一般工作在开关状态 ➢ 电力电子器件常常需要信息电子电路来控
制 ➢ 电力电子器件的功率损耗通常比信息电子
电路器件的大
电力电子技术
二、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 为三类：
（1）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） （2）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（MOSFET、IGBT） （3）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（二极管）
➢ 平板型封装的晶闸管，两个平面分别是阳极和阴极， 细长端是门极
电力电子技术
2.晶闸管的工作原理
2.1晶闸管的导通实验 A
G K
EA S1
EG S2
➢A、K接正向电压，灯泡不燃亮 ➢A、K接正向电压，G、K接负电压，灯泡不燃亮 ➢A、K接正向电压，G、K接正电压，灯泡燃亮 ➢A、K接负向电压，灯泡不燃亮 ➢A、K接负向电压，无论G、K接何种电压灯泡不燃亮 ➢灯泡燃亮后，撤除G、K间电压或G、K间接负向电压，灯泡仍然燃亮 ➢灯泡燃亮后，撤除A、K间电压或A、K接负向电压，灯泡熄灭
量时，求选择晶闸管的电流定额
IT(AV)
电力电子器件发展概况及应用现状
电力电子器件发展概况及应用现状摘要：本文简单回顾了电力电子技术及其器件的发展过程，先容了现在主流的电力电子器件的工作原理、应用范围及其优缺点，探讨了在21世纪中新型电力电子器件的应用展看。
关键词：电力电子技术；晶闸管；功率集成电路；应用引言电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。
从1958年美国通用电气（GE）公司研制出世界上第一个产业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进进由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。
到了70年代，晶闸管开始形成由低压小电流到高压大电流的系列产品。
同时，非对称晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等晶闸管派生器件相继问世，广泛应用于各种变流装置。
由于它们具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、响应快等优点，其研制及应用得到了飞速发展。
由于普通晶闸管不能自关断，属于半控型器件，因而被称作第一代电力电子器件。
在实际需要的推动下，随着理论研究和工艺水平的不断进步，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，先后出现了GTR、GTO、功率MOSET等自关断、全控型器件，被称为第二代电力电子器件。
近年来，电力电子器件正朝着复合化、模块化及功率集成的方向发展，如IGPT、MCT、HVIC等就是这种发展的产物。
电力整流管整流管产生于本世纪40年代，是电力电子器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。
目前已形成普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管等三种主要类型。
其中普通整流管的特点是：漏电流小、通态压降较高（1 0～1 8V）、反向恢复时间较长（几十微秒）、可获得很高的电压和电流定额。
多用于牵引、充电、电镀等对转换速度要求不高的装置中。
较快的反向恢复时间（几百纳秒至几微秒）是快恢复整流管的明显特点，但是它的通态压降却很高（1 6～4 0V）。
第1章电力电子器件
ton=td+tr
电源电压反向后，从正向电流降为零起到能重新
施加正向电压为止定义为器件的电路换向关断时
间toff。反向阻断恢复时间trr与正向阻断恢复时间 tgr之和。
toff=trr+tgr
1.2.4 晶闸管的主要参数
1、额定电压UTn
（1）正向重复峰值电压UDRM 在控制极断路和正向阻断条件下，可重复加在晶闸管两端 的 正 向峰值 电 压 。 规 定 此电压 为 正向不 重 复峰值 电 压 UDSM的80%。 在控制极断路时，以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。 此电压取反向不重复峰值电压URSM的80%。
GTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳
极电流提供有利条件。
（2）关断过程
当GTO已处于导通状态时，对门极加负的关断脉冲，形 成－IG ，相当于将IC1 的电流抽出，使晶体管N1P2N2 的基 极电流减小，使IC2 和IK 随之减小，IC2 减小又使IA 和IC1 减 小，这是一个正反馈过程。当IC2和IC1的减小使α1+α2<1时， 等效晶体管N1P2N2 和P1N1P2 退出饱和，GTO不满足维持 导通条件，阳极电流下降到零而关断。
1.1 功率二极管
1.1.1 功率二极管的结构和工作原理 1、功率二极管的结构
2、功率二极管的工作原理
由于PN结具有单向导电性，所以二极管是一个正方向单 向导电、反方向阻断的电力电子器件。
1.1.2 功率二极管的伏安特性
ID
U R0 U RSMU RRM
0
I RR I RS
UD
I dD
1.1.3 功率二极管的主要参数
倍的安全裕量。
3、维持电流IH
电源电压反向后，从正向电流降为零起到能重新
施加正向电压为止定义为器件的电路换向关断时
间toff。反向阻断恢复时间trr与正向阻断恢复时间 tgr之和。
toff=trr+tgr
1.2.4 晶闸管的主要参数
1、额定电压UTn
（1）正向重复峰值电压UDRM 在控制极断路和正向阻断条件下，可重复加在晶闸管两端 的 正 向峰值 电 压 。 规 定 此电压 为 正向不 重 复峰值 电 压 UDSM的80%。 在控制极断路时，以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。 此电压取反向不重复峰值电压URSM的80%。
GTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳
极电流提供有利条件。
（2）关断过程
当GTO已处于导通状态时，对门极加负的关断脉冲，形 成－IG ，相当于将IC1 的电流抽出，使晶体管N1P2N2 的基 极电流减小，使IC2 和IK 随之减小，IC2 减小又使IA 和IC1 减 小，这是一个正反馈过程。当IC2和IC1的减小使α1+α2<1时， 等效晶体管N1P2N2 和P1N1P2 退出饱和，GTO不满足维持 导通条件，阳极电流下降到零而关断。
1.1 功率二极管
1.1.1 功率二极管的结构和工作原理 1、功率二极管的结构
2、功率二极管的工作原理
由于PN结具有单向导电性，所以二极管是一个正方向单 向导电、反方向阻断的电力电子器件。
1.1.2 功率二极管的伏安特性
ID
U R0 U RSMU RRM
0
I RR I RS
UD
I dD
1.1.3 功率二极管的主要参数
倍的安全裕量。
3、维持电流IH
电力电子器件的发展概况
现代的电力电子技术无论对改造传统工业（电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等），还是对新建高技术产业（航天、激光、通信、机器人等）至关重要，从而已迅速发展成为一门独立学科领域。
它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门，毫无疑问，它将成为本世纪乃至下世纪重要关键技术之一。
近几年西方发达的国家，尽管总体经济的增长速度较慢，电力电子技术仍一直保持着每年百分之十几的高速增长。
从历史上看，每一代新型电力电子器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命。
以功率器件为核心的现代电力电子装置，在整台装置中通常不超过总价值的20%～30%，但是，它对提高装置的各项技术指标和技术性能，却起着十分重要的作用。
众所周知，一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在截止状态时能承受高电压；在导通状态时，具有大电流和很低的压降；在开关转换时，具有短的开、关时间，能承受高的di/dt和dv/dt，以及具有全控功能。
自从50年代，硅晶闸管问世以后，20多年来，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标做出了不懈的努力，并已取得了使世人瞩目的成就。
60年代后期，可关断晶闸管GTO实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩展到1kHz以上。
70年代中期，高功率晶体管和功率MOSFET问世，功率器件实现了场控功能，打开了高频应用的大门。
80年代，绝缘栅门控双极型晶体管(IGBT) 问世，它综合了功率MOSFET和双极型功率晶体管两者的功能。
它的迅速发展，又激励了人们对综合功率MOSFET和晶闸管两者功能的新型功率器件- MOSFET门控晶闸管的研究。
因此，当前功率器件研究工作的重点主要集中在研究现有功率器件的性能改进、MOS门控晶闸管以及采用新型半导体材料制造新型的功率器件等。
下面就近几年来上述功率器件的最新发展加以综述。
一、功率晶闸管的最新发展1．超大功率晶闸管晶闸管（SCR）自问世以来，其功率容量提高了近3000倍。
第1章 电力电子器件概述1剖析
diR dt
u i UFP
IRP U a) RP iF
恢复特性的软度：下降时间与 延迟时间 的比值tf /td，或称恢复 系数，用Sr表示。
2V 0
uF b) tfr t
图1-5 电力二极管的动态过程波形
a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置
1.2.2
关断过程
电力二极管的基本特性
1.2.4
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 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立
起来之后， 迅速增大。
阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍
大于两个晶体管漏电流之和。
开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大
以致 1+2 趋近于 1 的话，流过晶闸管的电流 IA ，将趋
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。 反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。 效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。
1.3
半控器件—晶闸管
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理 1.3.2 晶闸管的基本特性 1.3.3 晶闸管的主要参数
IF UF tF t0 diF dt td trr t1 tf t2 UR t
须经过一段短暂的时间才能重新获 得反向阻断能力，进入截止状态。 关断之前有较大的反向电流出现， 并伴随有明显的反向电压过冲。
第一章 电力电子器件发展概述
通态导通电阻Ron可表示为：
RON=RCS+RN++RCH+RA+RJ+RD+RN++RCD 式中，RCS为源极阻抗；RCH为沟槽阻抗；RJ为JFET区阻抗；RN+为N+ 衬底阻抗；RA为缓冲区阻抗；RD为N-漂移区阻抗；RCD为漏极阻抗。
1.2.2 “超级结”结构
正如上面所说，在功率半导体器件发展的历史上最重要的 问题就是寻求如何通过新的器件结构和半导体材料来改善耐受 电压和导通压降之间的矛盾。功率MOSFET作为单极型器件， 需要在耐受电压和导通电阻之间做一个综合考虑，同时在不降 低器件性能的前提下减少器件尺寸。
1.2.1 沟槽型MOSFET
沟槽技术最早见于功率放大器和电能转换装置的功率MOSFET，其 在传统的MOS器件基础上做出了三项重大改革：1. 垂直的安装漏极，实 现了垂直导电，将在传统MOS结构中与源极和栅极同时水平安装在硅片 顶部的漏极改装在硅片的底面上，这样充分利用了硅片面积，基本上实 现了垂直传导漏源电流，消除了导通电阻中的JFET区阻抗部分，减小了 RCH部分,为获得大电流容量提供了前提条件。2. 模仿GTR设置了高电阻 率的N-型漂移区，不仅提高了器件的耐压容量，而且降低了结电容，并 使沟道长度稳定。3. 采用双重扩散技术代替光刻工艺控制沟道长度，可 以实现精确的短沟道，降低沟道电阻值，提高工作速度，并使输出特性 具有良好的线性。
近年来，一种被称为“超级结”结构的三维结构概念被用 于MOSFET制造应用，并且在改善导通电阻和耐受电压矛盾方 面获得了显著的效果。这种结构来源于电子科技大学陈星弼院 士的中美发明专利[5]，其主要思想是通过尽量提高功率器件漂 移区浓度，即通过在器件不同维度上引入新的电场来达到对漂 移区载流子的有效中和以获得一定的击穿电压。
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高等电力电子技术
1.2 功率MOSFET
功率MOSFET出现在70年代的晚期，它的出现主要来源于70年代中 期MOS技术的发展，不同于传统的双极性开关管（BJT），MOSFET属 于场效应管器件，是一种单极性电压控制型器件。在导通状态下，仅有 多数载流子工作，所以与电流控制型器件相比，所需的驱动功率非常小， 并且多数载流子导电的功率MOSFET显著减少了开关时间，因而很容易 达到100KHZ以上的开关频率，功率MOSFET是低压（＜200V）范围内 最好的开关器件，但在高压应用方面，其最大的特点是导通电阻随耐压 的2.5次方急剧上升，给高压功率MOSFET的应用带来很大困难。所以对 于MOSFET的技术优化基本都从这一点出发。
高等电力电子技术
1.1.3 电力晶体管
电力晶体管有四种类型：①BJT，②电力MOSFET，③IGBT和④ SIT。其中IGBT和电力MOSFET是最为广泛应用的电力电子器件，大到 直流输电，小到生活中的各种家用电器，到处都可以见到这两种器件的 身影。由于这两种器件主要应用于中等功率场合，相对于功率容量的提 升，各家器件公司主要将发展和竞争重点放在损耗的降低上，纷纷推出 新一代的IGBT和MOSFET器件，其中较为典型的技术优化为沟槽型门极 结构和垂直导电技术的广泛应用， IGBT方面还有场终止技术、空穴阻抗 技术等，功率MOSFET方面的典型代表则为“超级结”技术。新的半导 体材料在这两种器件上的应用则基本停留在实验室阶段。
4
集成门极换向晶闸管的结构与工作原理
5
电力电子器件新材料
6
电力电子集成技术
高等电力电子技术
1.1 电力电子器件发展概述
自从1957年底第一代晶闸管SCR面世以来，电力电子半导体器件发 展迅猛。直到1970年，普通晶闸管开始在工业应用中大量用于电力控制。 1970年后，各种类型的电力电子半导体器件相继出现并逐步商业化。其 中，碳化硅器件正在迅速发展中，而绝大部分实际工业应用的器件都是 用硅材料制作的。
1.1.2 晶闸管
常规应用的晶闸管大致有以下几类：①强迫换流晶闸管，②门关断 晶闸管，③反相导通晶闸管（RCT），④静态导通晶闸管(SITH)，⑤光 触发硅控整流器 (LASCR)， ⑥MOS关断（MTO）晶闸管，⑦集成门极
换流晶闸管（IGCT）和对称门极换流晶闸管（SGCT）。 晶闸管的发展方向同样是增加单管的功率容量，同时增加对器件开
4500V/4000A (Mitsubishi)
200V/500A (Semikron)
200
102
60V/1000A (Semikron)
102
200
500
103
2400 4000 6000
104
电力电子半导体器件应用功率等级分布
功率 100M
10M 1M
直流输电
电力汽车 不间断电源
目前应用范围 未来应用范围
高等电力电子技术
1.1 电力电子器件发展概述
12000
104 7500 6000 5500
3300 2500 1700
103
6500V/600A (Eupec)
12000V/1500A (Mitsubishi) 7500V/1650A
(Eupec)
SCR
6500V/2650A (ABB)
IGBT(market)
高等电力电子技术
1.2.1 沟槽型MOSFET
沟槽技术最早见于功率放大器和电能转换装置的功率MOSFET，其 在传统的MOS器件基础上做出了三项重大改革：1. 垂直的安装漏极，实 现了垂直导电，将在传统MOS结构中与源极和栅极同时水平安装在硅片 顶部的漏极改装在硅片的底面上，这样充分利用了硅片面积，基本上实 现了垂直传导漏源电流，消除了导通电阻中的JFET区阻抗部分，减小了 RCH部分,为获得大电流容量提供了前提条件。2. 模仿GTR设置了高电阻 率的N-型漂移区，不仅提高了器件的耐压容量，而且降低了结电容，并 使沟道长度稳定。3. 采用双重扩散技术代替光刻工艺控制沟道长度，可 以实现精确的短沟道，降低沟道电阻值，提高工作速度，并使输出特性 具有良好的线性。
关的控制度，这一点在IGCT和SGCT以及光触发晶闸管的大量使用中可 以很明显的体现。
IGCT和SGCT是将GTO芯片和门极驱动电路集成在一起，再与其门 极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管和晶闸管两种器件的 优点。传统GTO器件很难关断，必须在门极加一个约为器件额定电流1/3 的驱动电流，并在1内将阴极所有的电流抽出，才能确保其快速关断。而 IGCT关断则是一个很快的瞬态过程，器件完全按晶体管模式关断，从而 保证了完全受控的均匀关断，广泛应用于大功率电流型变流器以及变频 器上。
IGCT(market)
1000V/100A (SanRex)
3300V/1200A Module(Eupec)
2500V/1800A Press-Pack(Fuji)
1700V/2400A Module(Eupec) Power MOSFET
GTO
5500V/2300A (ABB)
6000V/6000A GTO (Mitsubishi) 6000V/6000A IGCT (Mitsubishi IGCT announced) 4800V/5000A (Westcode)
这些器件大致可以分为三类：①功率二极管，②晶闸管，和③晶体 管[1]。随着电力电子器件的应用范围扩大和应用场合要求的提升，对器 件的发展要求也越来越提高，包括①更高的功率容量，②更低的开关损 耗，③更高的开关频率，④更紧凑的封装体积，⑤集成以及模块化设计。 大多在电力电子器件上应用的新技术都是围绕这几点发展方向来展开的。
电动控制
100K
Thyristor
GTO， IGCT
10K
冶炼，
电解等
IGBT和 IGBT模块
晶闸管模块
MOSFET
1K
机器人 汽车
开关电源
100 TRIAC
洗衣机 空调 电冰箱
微波炉
10
10
100
1K
10K
运行频率(Hz)
高频MOSFET
100K
高频供电电源 1M
电力电子半导体器件应用频率分布
高等电力电子技术
高等电力电子技术
教师简介：
➢ 张达敏 ➢ 15659283976 ➢ hqxmzju@ ➢ 实验楼3-202
高等电力电子技术
Advanced Power Electronics
高等电力电子技术
第一章 电力电子半导体器件
基本内容
1
电力电子器件发展概述
2
功率MOSFET3 Nhomakorabea绝缘栅双极型晶体管