作者：MiTu_-_

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前言

本帖以及续贴是作为个人从2—6章的学习笔记，属于个人理解，仅供参考。
本帖所用到的教材是：

名称：电力电子技术（第二版）
作者：王立夫 金海明
出版社：北京邮电大学出版社

2.1 电力电子器件概述

1. 特征

• 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。
• 因为其处理的电工率较大，为了减少本身的损耗、提高效率，电力电子器件一般都工作于开关状态；而模拟电子电路中，电子器件一般工作在线性放大状态；在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。
• 实际应用中，电力电子器件往往需要有信息电子电路来控制。此时需要对这些中间电路进行适量的放大才能正常工作，这就是所谓的电力电子器件的驱动电路。
• 由于损耗，一般都需要装散热器。

2. 分类（按照控制程度）

• 不可控器件。不能被控制信号控制，也就不需要驱动电路。电力二极管属于不可控器件。在阳极加正向电压时，二极管导通；加方向电压时，二极管关断。其导通和关断完全由主电路的电压和电流决定。
• 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。主要指晶闸管。器件的关断完全由主电路的电压和电流决定。
• 全控型器件。通过控制信号控制导通和关断。主要有：门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（电力MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。

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2.2 电力二极管（Power Diode）

1.结构

  电力二极管的基本结构和原理与信息电子电路中的二极管一样，都是具有一个PN 结的两端器件，所不同的是电力二极管的PN 结面积较大。
  电力二极管的外形、结构和电气符号,如图所示。从外部结构看，电力二极管可分成管芯和散热器两部分。这是因为管子工作时要通过大电流，而PN 结有一定的正向电阻，因此，管芯会因损耗而发热。为了冷却管芯，还需装配散热器。一般２００A 以下的电力二极管采用螺栓式，２００A 以上则采用平板式。

2.基本特性

静态特性

  电力二极管的静态特性主要指其伏安特性。如图所示。当电力二极管承受的正向电压大于某一值时（门槛电压U_TO）时，正向电流开始明显增大，二极管导通，处于稳定导通状态；当二极管承受反向电压时，只有微小的漏电流。

动态特性

  简单来说就是，在零偏置（外加电压为零）、正向偏置和方向偏置这3个状态转换时，PN结需要时间来调整这些状态，那么电压-电流特性就不能用前面的伏安特性来描述，它是随时间变化的。

3.功能

• 在AC-DC变换电路中作为整流元件。
• 在电感元件的电能需要适当释放的电路中作为续流元件。
• 在各种变流电路只能作为电压隔离、钳位或保护元件。

4.类型

• 普通二极管
• 快速恢复二极管
• 肖特基二极管

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2.3 晶闸管（SCR）

1.结构与工作原理

结构

晶闸管是一种4层半导体3个PN结的三端大功率电力电子器件。如图所示：

从外形看，晶闸管有螺栓型和平板型两种封装结构。

• 对于螺栓型封装，通常螺栓是阳极，制成螺栓状是为了与散热器紧密联结，且安装方便，另一侧较粗的端子为阴极，细端子为门极。螺栓型结构散热效果较差，一般用于200A以下容量的元件。
• 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间，两个平面分别是阳极和阴极，引出的细长端子为门极。平板型封装散热效果好于螺栓型结构，可用于200A以上容量的元件。

工作原理

  晶闸管内部是PNPN四层半导体结构，分别形成J₁、J₂、J₃ 三个PN结。
  当门极不加电压时，无论AK之间加正电压还是负电压，总有若干个PN结承受反向电压，导致晶闸管不导通。称为晶闸管的正向阻断状态。
  当门极加电压时，为了说明晶闸管的工作原理，可将晶闸管的4层结构等效为由 P₁N₁P₂ 和 N₁P₂N₂ 两个晶体管 V₁ 和 V₂ 构成的，如图所示。

  可以看出，这两个晶闸管的连接特点：一个晶闸管的集电极电流就是另一个晶体管的基极电流。
  当GK之间加正向电压是，AK之间也加正向电压，电流 I_G 流入晶体管V₂的基极，产生集电极电流 I_C2 ，它构成晶体管 V₁的基极电流，放大了的集电极电流 I_C1 ，进一步增大 V₂ 的基极电流，如此形成强烈的正反馈，使 V₁ 和 V₂ 很快进入饱和导通状态，即晶闸管导通状态。
  此时，若去掉外加的门极电流，晶闸管因内部的正反馈会仍然维持导通状态。所以晶闸管的关断是不可控的。
  若要使晶闸管关断，①必须去掉阳极所加的正向电压，②或者给阳极施加反向电压，③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一下，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 I_G 的电路被称为门极触发电路。
  由晶闸管的工作原理可得：

2.基本特性

静态特性

  在加门极触发电流的情况下，如果正向电压超过临界值U_bo，则漏电流会急剧增大，压降变小，则处于正向导通状态。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 I_H 以下，晶闸管又回到正向阻断状态，I_H 为维持电流。如果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，则反向电流急剧增大，导致晶闸管发热造成永久性损坏。

动态特性

3.主要参数（计算）

1）电压参数

• 额定电压 U_R
    由于晶闸管在工作中可能会遇到一些意想不到的瞬时过电压，为了确保管子安全运行，在选用晶闸管时，应该使其额定电压为正常工作工作电压峰值 U_M 的 2 ~ 3 倍，以作为安全裕量。
  

2）电流参数

• 通态平均电流 I_T(AV) （额定电流）
  
• 正弦半波电流有效值 I
  
    晶闸管有效值与通态平均电流（额定电流）的比值 I / I_T(AV) = π / 2 = 1.57，（正弦半波平均值与有效值之比为 1 ：1. 57）。
    在实际电路中，由于晶闸管的热容量小，过载能力低，因此在实际选择时，一般取 1. 5 ~ 2 倍的安全裕值。故已知电路中某晶闸管实际承担的某波形电流有效值为 I，则可由下式选择晶闸管的额定电流：
  

4.派生器件

• 快速晶闸管 (FST)
• 逆导晶闸管 (RCT)
• 双向晶闸管 (TRIAC)
• 光控晶闸管 (LTT)

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2.4 门极可关断晶闸管（GTO）

  门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor，GTO），严格地讲也是晶闸管的一种派生器件，但通过在门极施加足够大的负的脉冲电流可以使其关断，因为属于全控型器件。它的开关性能虽然比绝缘栅双极晶体管、电力场效应管差，但其具有一般晶闸管的耐高压、电流容量大以及承受浪涌能力强的优点。因此，GTO成为大、中容量变流装置中的一种主要开关器件。

1.结构和工作原理

  GTO和普通晶闸管一样，是PNPN四层半导体结构。它的内部和普通晶闸管有着本质的区别，GTO内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元素，这些小GtO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。这种特殊结构是为了便于实现门极控制开关而设计的。所以GTO是一种多元的功率集成器件。下图为GTO内部结构示意图：

与普通晶闸管一样，GTO的工作原理任然可以用晶闸管的双晶体管模型来分析：
1）当GTO阳极加正向电压时，门极加正向触发信号，管子导通，导通过程与普通晶闸管的正反馈过程相同。
2）GTO与普通晶闸管不同的是：

• 在设计器件时使得α₂较大，这样晶闸管 V₂ 控制灵敏，使得GTO易于关断。
• GTO导通时的 α₁ + α₂ 更接近于1，这样使GTO导通时饱和程度不深，更接近于临界饱和，从而为门极控制关断提供了有利条件；当然，负面影响是导通时管压降增大了。
• 多元集成结构使每个GTO元阴极面积很小，门极和阴极间的距离大为缩短，使得P2基区所谓的横向电阻很小，从而使从门极抽出较大的电流成为可能。

3）所以，GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，有同样的正反馈过程，只不过导通饱和程度较浅。而GTO关断时，在门极加反向电流信号，管中的 I_C1 由门极抽出，此时 VT₂ 三极管的基极电流减少，使 I_C1 进一步减少，如此也形成强烈的正反馈，最后导致其阳极电流消失而关断。

普通晶闸管之所以不能自关断，是因为不能从远离门极的阴极的区域内抽出足够大的门极电流。

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2.5 电力晶体管（GTR）

  电力晶体管（Giant Transistor，GTR）直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction，BJT），所以有时候也称为 Power BJT。在电力电子技术的范围内，GTR 和 BJT 这两个名称是等效的。它与晶体管不同，具有线性放大特性，但在电力电子应用中却工作在开关状态，从而减小功耗。GTR 可通过基极控制其开通和关断，是典型的自关断器件。

1.GTR的结构和工作原理

  GTR和普通双极结型晶体管基本原理是一样的。但是对 GTR 来说，最主要的特性是耐高压、电流大、开关特性好，而不像小功率的用于信息处理的双极结型晶体管那样注重单管电流放大系数、线性度、频率响应以及噪声和温漂等性能参数。因此，GTR通常采用至少由两个晶体管按达灵顿接法组成的单元结构，同 GTO 一样采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。单管的 GTR 结构与普通的双极结型晶体管是类似的。GTR是由三层半导体形成的两个 PN 结构成，有 PNP 和 NPN 这2种类型，但 GTR 多采用NPN 型。下面是 NPN 型GTR 的内部结构示意图。

  从图中可以看出，与信息电子电路中的普通双极结型晶体管相比，GTR 多了一个 N 漂移区，是用来承受高电压的。而且GTR 导通时也是靠从 P 区向 N 漂移区注入大量的少子形成的电导调制效应来减少通态电压和损耗的。
  在应用中，GTR 一般采用共发射极接法，如上图（c）所示，给出了在此接法下 GTR 内部主要载流子流动情况示意图。集电极电流 i_c 与基极电流 i_b 的比值为

2.GTR的基本特性

静态特性

动态特性

3.GTR的类型

• 单管 GTR
• 达灵顿 GTR
• GTR 模块

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2.6 电力场效应晶体管（Power MOSFET）

  这里主要讲的是绝缘栅型中的 MOS型，简称电力 MOSFET（Power MOSFET），或者称为 MOS 管或 MOS。电力 MOSFET 是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的第一个显著特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小；第二个显著特点是开关速度快、工作频率高。另外，电力 MOSFET 的热稳定性优于 GTR，但是电力 MOSFET 电流容量小，耐压低，一般适用于小功率电力电子装置。

1.电力 MOSFET 的结构和工作原理

  电力场效应管的种类和结构有许多种，按导电沟道可分为 P 沟道和 N 沟道，按导电沟道的产生过程又有耗尽型和增强型之分，按垂直导电结构又可分为 V 型槽 VVMOSFET 和双扩散 VDMOSFET。这里主要以 N沟道增强型 VDMOSFET 器件为例进行讨论。
  电力场效应晶体管也是采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的 MOSFET 组成。以下是它的结构示意图：

  电力场效应晶体管有 3 个端子漏极 D、源极 S 和栅极 G。当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止状态。如果在栅极和源极之间加一正向电压 U_GS，并且使 U_GS 大于或等于管子的开启电压 U_T，则管子开通，在漏源极流过电流 I_D。U_GS 超过 U_T 越大，导电能力越强，漏极电流越大。

2.电力 MOSFET 的基本特性

静态特性

电力 MOSFET 静态特性主要是指转移特性和输出特性。
1）转移特性
  电力 MOSFET 的转移特性表示漏极电流 I_D 与栅源之间电压 U_GS 的关系，它反映了输入电压和输出电流的关系，如下图所示。

图中 U_T 为开启电压，只有当 U_GS 大于· U_T 时才会出现导电沟道，产生漏极电流 I_D。 I_D 较大时，I_D 与 U_GS 的关系近似线性。转移特性可表示器件的放大能力，并且是与 GTR 中的电流增益 β 相似。由于电力 MOSFET 是压控器件，因此用跨导这一参数来表示。跨导定义为

2）输出特性
  输出特性即是漏极的伏安特性，即特性曲线，如上图所示。由图可见，输出特性分为截止、饱和与非饱和 3 个区域，这里饱和、非饱和的概念与 GTR 不同。饱和是指漏极电流 I_D 不随漏源电压 U_DS 的增加而增加，也就是基本保持不变；非饱和是指在 U_GS 一定时，漏源电压 U_DS 增加时，漏极电流 I_D 随 U_DS 也相应增加。电力 MOSFET 工作在开关状态，即在截止区与非饱和区之间来回转换。

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2.7 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

   GTR 和 GTO 是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，通流能力很强、通态压降低，但开关速度慢、所需驱动功率大、驱动电路复杂。而电力场效应管是单级型电压控制器件，其开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、所需驱动功率小和驱动电路简单，但是通流能力弱，并且通态压降高。将上述两种器件取长补短适当结合，构成一种新型复合器件，即绝缘栅双极型晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor，IGBT 或 IGT），综合了 GTR 和 MOSFET 的优点，因而具有良好的特性。

1. IGBT的结构和工作原理

  IGBT 也是一种三端器件，它们分别是栅极 G、集电极 C和发射极 E。其内部结构图如下所示

  IGBT等效为一个 N 沟道 MOSFET 和一个 PNP 型晶体三极管构成的复合管，导电以 GTR 为主，R_N 是GTR 厚基区内的调制电阻。IGBT 的开通和关断均由栅极电压控制。当栅极加正电压时，N 沟道场效应管导通，并为晶体三极管提供基极电流，使得 IGBT 开通。当栅极加反向电压时，场效应管导电沟道消失，PNP 型晶体管基极电流被切断，IGBT 关断。

2. IGBT的基本特性

静态特性

  IGBT 的静态特性主要包括转移特性和输出特性。它的转移特性与电力 MOSFET 的转移特性类似。开启电压 U_GE(th) 是 IGBT 能实现电导调制而导通的最低栅射电压。它的输出特性分为三个区域，即正向阻断区、有源区和饱和区，这分别与 GTR 的截止区、放大区和饱和区相对应。在电力电子电路中，IGBT 工作在开关状态，因此是在正向阻断区和饱和区之间交替转换。

动态特性

  IGBT的开通过程与电力 MOSFET 相似，因为 IGBT 在开通过程中，大部分时间作为 MOSFET 来运行。其开通过程从驱动电压 u_GE 的前沿上升至其幅值 10%的时刻开始，到集电极电流 I_C 上升至其幅值 10%的时刻止，这段时间称为开通延迟时间 t_d(on)。此后从 10% I_CM 到 90% I_CM 这段时间，称为电流的上升时间 t_ri。IGBT 的关断过程也类似。

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2.8 其他新型电力电子器件

• 静电感应晶体管 SIT
• 静电感应晶闸管 SITH
• MOS 控制晶闸管 MCT
• 集成门极换流晶闸管 IGCT
• 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件
• 功率集成电路和集成电力电子模块

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2.9 电力电子器件的保护

  在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，还必须采用合适的保护措施。

1.过电压的产生及过电压的保护

过电压的产生原因

  电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。
1）外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：

• 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，电网侧的操作过电压会由供电变压器电磁感应耦合，或由变压器绕组之间存在的分布电容静电感应耦合过来。
• 雷击过电压：由雷击引起的过电压。

2）内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：

• 换相过电压：由于晶闸管或者与全控型器件反并联的续流二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，而当恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。
• 关断过电压：全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。

过电压保护措施

  过电压保护措施一般采用器件限压和 RC 阻容吸收等方法。国电压保护的措施及配置位置如下图所示:

  抑制外因过电压的措施中，采用 RC 过电压抑制电路是最为常见的，其典型连接方式如下图：

2.过电流的保护

  过电流分过载和短路两种情况。下图给出了各种过电流保护措施及其配置位置。
   RC 过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（通常供电网一侧称为网侧，电力电子电路一侧称为阀侧），或电力电子电路的直流侧。当发生瞬时过电压时，利用电容两端电压不能突跳和储能的原理，对过电压加以限制。

   其中快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是较为常用的措施。一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。
   通常，各种过流保护选择整定的动作顺序是：

• 电子保护电路首先动作；
• 直流快速断路器整定在电子保护电路动作之后；
• 过流继电器整定在过载时动作；
• 快速熔断器作为最后的短路保护。

   采用快速熔断器（简称快熔）是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。

3.缓冲电路

   电力电子器件的缓冲电路也称为吸收电路，它在电力电子器件应用技术中起着主要的保护作用，其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、du / dt 或者过电流 di / dt ，减小器件的开关损耗。保护电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。

• 关断缓冲电路又称为 du / dt 抑制电路，用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制 du / dt ，减小关断损耗。
• 开通缓冲电路又称为 di / dt 抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和 di / dt，减小器件的开通损耗。

   下图给出了 IGBT 的缓冲电路有和开关过程的电压和电流波形：

   缓冲电路的主要作用可归纳为如下：

• 抑制过渡过程中器件的电压和电流，将开关动作轨迹限定在安全区之内；
• 防止因过大的 di / dt 和 du / dt 造成器件的误触发，甚至导致器件的损坏；
• 抑制开关过渡过程中电压和电流的重叠现象，以减少器件的开关损耗；
• 再多个器件串联的高压电路中起一定的均压作用。

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2.10 电力电子器件的串并联

  对于大型的电力电子装置，当单个器件的电压或电流额定值满足不了要求时，或者考虑降低装置的成本时，需要将几个电力电子器件串联或者并联起来使用。由于各个器件之间在静、动态特性方面难免会存在一定的差异，它们串、并联组合使用在一起应用时，就会因这些差异导致某些器件的损坏。因此需要采取一定措施加以保护。

1. 器件的串联与均压

  当单个器件的额定电压小于实际需要时，可以用多个同型号的器件相串联起来。
  两个同型号的晶闸管串联后，在正、反向阻断时，各器件虽然流过的电流相同，但由于器件特性的分散性，各器件所承受的电压却不相等。这种由于器件静态特性不同而造成的均压问题称为静态不均压问题。
  解决静态不均压问题，首先应选择特性和参数比较一致的器件，此外可采用每个器件并联电阻来均压，如下图所示的 R_P 。

  R_P 的阻值应比任何一个器件阻断时的正、反向电阻小得多，这样才能使每个晶闸管分担的电压决定于均压电阻 R_P 的分压。但 R_P 值过小会产生损耗过大，R_P 数值一般按下式估算：

其中，U_R 为晶闸管的额定电压；I_DRM 为断态重复峰值电流。

  均值电阻功率可按下式估算：

其中，U_m 为器件承受的正反向峰值电压；n_S 为串联的元件个数；K_Rp 为系数，单相取 0.25，三相取 0.45， 直流取 1。

  上述的均压电阻 R_P 只能在静态时起作用。而在动态过程中，为了使各器件在开关过程中均压，应在晶闸管两端并联电容 C。同时，为了防止器件导通瞬时电容放电引起 di / dt 过大损坏晶闸管，应在电容支路串入一个电阻，如上图的 R 和 C 所示。

  晶闸管采取均压措施后，为保证更加安全，其必须降低额定值使用。选择晶闸管的额定电压，一般按下式计算：

2. 器件的并联与均流

  当单个器件的额定电流小于实际需要时，可以用多个同型号的器件并联起来。
  同上，要解决静态不均流问题，首先应选择特性和参数比较一致的器件，此外可采用每个器件支路串联电阻或电感来均流。
  在动态过程中，也会产生不均流问题，称为动态不均流。解决方法是在器件支路中串入电感。如下图所示：

  电感均流的优点是：损耗小，适合大容量器件并联，同时电感能抑制 di / dt 上升率；缺点是：体积大、笨重和制作不方便。
  晶闸管并联与串联一样，也必须降低电流的额定值使用。选择晶闸管的额定电流，一般按下式计算：

其中，I_T 为电路中流过的电流有效值；n_P 为并联器件数。

  在电力电子装置同时需要器件串、并联时，一般采取先串后并的方式。

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