1、电力电子基础电力电子基础第 一 讲主讲教师：王念春东南大学远程教育 电力电子基础 绪 论IEEE（ 国际电气和电子工程师协会）对电力电子技术 (或电力电子学 )的表述为： 有效地使用电力半导体器件 ， 应用电路和设计理论以及分析开发工具 ， 实现对电能的高效能变换和控制的一门技术 ， 它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换 。 从 1957年美国通用电气公司 (GE)开发出第一只晶闸管产品开始，近 50年来由于电力电子器件的飞速发展，加上现代控制理论与微处理器技术的进步，可以说电力电子技术已将我们带入一个更加节能、更加环保的绿色时代。 一、电力电子器件的发展 关于电力电子器件的发展分类方法有
2、很多，从1957年世界上第一只晶闸管在美国诞生，到现在，功率半导体器件的发展已形成了四代产品：1第一代产品。 以晶闸管及其各种派生器件为代表，由普通晶闸管衍生出快速晶闸管、逆导晶闸管(RCT) 、 双向晶闸管 (TRIAC) 、 不对称晶闸管(ASCR) 等，形成一个 SCR 家族。特点为：不具备自关断能力；由于这一原因，需要在主回路上采取措施（主要是要加入电感与电容，构成复杂的辅助换流关断电路）强迫关断，这样造成装置的体积过大，目前这类器件在大功率的变流装置中仍有应用。其最大电流定额可达到 8000A 以上，电压额定可达到 12kV。 现在研制的光控晶闸管，其额定值可达 8kV， 4000A
3、。 国外发达国家除大容量的晶闸管和特殊品种外， 一般产品已停止生产。2第二代产品 。以具备自关断能力为代表，主要代表器件有： 门极可判断晶闸管（ GTO）。 1964年，美国第一次试制成功了参数为 500V/10A的 GTO， 但在此后的近 10年内， GTO的容量一直停留在较小水平，只在汽车点火装置和电视机行扫描电路中进行试用。自 70年代中期开始， GTO的研制取得突破是七十年代中期发展起来的， 它使半导体电力电子技术进入了自关断阶段，前几年国外产品已达到 6kV/6000A/1kHz水平。 GTO具有高导通电流密度，高耐压及高阻断、较高 dv/d t与di/dt耐量等特点，因而在大容量变
4、流器中得到广泛的应用。由于它的门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率，以及需要一个庞大的吸收电路，又限制了其应用范围。在超大功率应用场合， 门极可关断晶闸管（ GTO） 现在已经发展为逆阻断型晶闸管（ GCT） 或集成门极换流晶闸管（ IGCT）。与 GTO比较， IGCT的优点为：关断电流分布均匀、容许瞬态损耗大、可省略吸收电路、通断延迟时间仅为 GTO的1/10，因而可提高开关频率、延迟时间的分散性小，容易串并联、总损耗为 GTO的一半、关断门极电荷仅为 1/2 等。这两种用来制造电压源 PWM逆变器和电流源 PWM逆变器的器件目前都可以在市场上找到，目前火车电力机车的牵引变流器已开始采用
5、 IGCT器件。 巨型晶体管（ GTR）。 出现于七十年代，现有产品的水平为 1800V/800A/2kHz、1400V/600A/5kHz、 600V/3A/100kHz。 它在开关电源、电机驱动、通用逆变器等中等频率和中等功率容量的电路中广泛应用。其缺点是存在二次击穿、安全区易受各种参数影响、过流能力低等问题。它的开关速度比 GTO提高了一个数量级， 80年代未出现的通用变频调速器，其功率器件大多采用 GTR， 变频调速器的出现，给不少行业带来了革命性的影响 节能降耗，稳定工艺等，充分体现了科学技术是第一生产力的论断。 功率 MOSFET场效应晶体管（ MOSFET）。 是多子导电的功率
6、MO SFET， 其结构较复杂。该器件显著减小了开关时间，很容易达到 100kHz的开关频率，冲破了电力电子装置中 20kHz的长期障碍，目前的产品已达到 60V/200A/2MHz和500V/50A/100kHz。 功率 MOSFET是低电压 ( 100V)范围内最好的功率开关器件，但在高电压时其最大缺点是导通电阻随耐压的 2.5次方急剧上升，给高功率应用带来很大的困难。八十年代开发出 VVMOS(V型槽结构 )、 VDMOS(垂直双扩散结构 )、 DMOS(双扩散结构 )，才使其从中小功率向大功率扩展， 各大公司相继投产高耐压、大电流、开关速度快的高功率 MOSFET， 一举打破了双极型功
7、率器件独占市场的局面。九十年代末期功率 MO SFET产业界纷纷将开发能力转向采用 1m工艺的沟槽栅(Trench gate)MOSFET研制，不断推出新产品扩大市场。 1998年国际整流器公司宣布用于开关电源的功率 MO SFET， 其结构采用 CooMOS工艺技术，其晶体管性能比当时现有的器件高 5倍。沟槽结构功率 FET缩小了器件元胞体积，增强了器件的雪崩击穿能力，有效地减小了导通电阻，降低了驱动电压。这类器件现在广泛应用于 各种移动信息终端和电源电路中。现在沟槽结构功率 MOSFET 的产品型号规格超过 100种，漏源额定电压为 2 5、 55、 100、 150、 200V， 其低导通电阻最小分别为 3、 5.5、 8、 9、 20、 40m。生产该种产品的厂家包括：飞利浦、英特西尔、TEMIC半导体、硅电子器件、快捷半导体、通用半导体、三菱电机、日立、 APT、 国际整流器公司、 IR公司、摩托罗拉等。 MOSFET还有一主要优点，它的导通电阻 RON具有正温度系数，具有自动均流能力，因些它的并联问题比其它功率器件的并联问题要简单一些。
