以下电力电子技术知识点整理及题目均基于 赵莉华 电力电子技术 #31532;2 & #29256; 北京 机械工业出版社, 2015. Print. 普通高等教育电气工程自动化系列规划教材 Pu Tong Gao Deng Jiao Yu Dian Qi Gong Cheng Zi Dong Hua Xi Lie Gui Hua Jiao Cai. 旨在为四川大学电气工程及其自动化专业的电力系统分析课程提供一个知识纲要性质的文本，以供课程平时学习及期末复习使用。考点及考试范围主要参考王顺亮老师的讲课内容，由于历年考试范围不同，其覆盖范围可能与实际考试范围有所出入。

由于转换整理工程量较大，可能存在失误，如笔记存在任何问题，可联系博客主QQ：1277492713进行反馈。

---

一、电力电子器件概述

1. 概念、理想状态与损耗

现在常用的电力电子器件都是半导体器件，主要使用硅作为材料。由于电力电子器件直接用于处理电能，其特征包括：

1. 处理功率远大于一般信息类器件，一般可从毫瓦级到兆瓦级；

2. 工作在开关状态（区别于模电中一般工作在放大区），处理功率大，减少本身损耗；

3. 需要信息电力电路做控制，同时还需要驱动放大电路以匹配强弱电功率；

4. 器件损耗大，必须要做好散热设计并安装散热器。

注意，2中说减少本身损耗是相较于放大区而言的，但实际上高频开关带来的发热仍然是可观的，所以才会有4。

理想的电力电子开关有如下特征：

1. 当开关关断时，能够承受足够高的端电压，且漏电流为0（即理想开路）；

2. 当开关导通时，能流过大电流，且导通压降为0（即理想短路）；

3. 小信号也能触发电力电子开关导通与关断，且开关时间为零；

4. 反复开关不老化。

在非理想状态下，电力电子器件的主要损耗来自于：

1. 通态损耗，这是由于非理想电力电子器件有一定的导通压降（0.5-1V）；

2. 断态损耗，这是由于非理想电力电子器件漏电流不为0，但实际由于这部分损耗较小，可以忽略；

3. 开关损耗，高关联于电力电子器件的开关频率。

一般而言，通态损耗是器件功率损耗的主要原因，但当开关频率较高时，开关损耗可能成为主要损耗。

2. 器件分类

主要分类如下：

分类依据	类型名	说明	对应的常见器件
可控程度	不可控 半控 全控	不可控制，通断由主电路决定 可控制开通，关断由外部决定 开通和关断均可控制	功率二极管 晶闸管及派生器件 MOSFET IGBT GTO等
驱动信号性质 （强调是什么类型的电气量）	电压控制 电流控制	在控制端和公共端间加电压实现控制 向控制端注入或抽出电流实现控制	MOSFET IGBT SCR GTO GTR
驱动信号波形 （强调驱动信号的波形形状）	电平驱动型 脉冲触发型	驱动信号为I而持续信号 驱动信号为脉冲信号	GTR IGBT MOSFET 晶闸管及派生器件
载流子类型	单极型 双极型 复合型	多子导电，只一种载流子导电 少子导电，两种载流子导电 由前两者组合而成	MOSFET SCR GTR GTO IGBT

**对于载流子类型这一部分，要注意：**对于单极型而言，由于只有一种载流子参与导电，故开关速度快，输入阻抗高，且电阻有正温度系数，不易产生局部热点和二次击穿，但通态压降更大，电压和电流额定值更小，故只适宜低功率高频率的场景；而双极型导通压降低，阻断电阻高，电压和电流额定值更大，容量也更大，故适用于大功率、低开关频率的设备。而复合型同时综合了单双极型的优势。

二、电力二极管 Power Diode

主要用于整流、续流和隔离，除普通二极管外，还有常用的快恢复和肖特基二极管，其工作的基本原理是PN结的单向导电性。

1. 特殊工作效应

(1) 电导调制效应

PN结流过较小电流时，二极管呈阻性，管压降会随着电流上升；流过较大电流时，电阻率会急剧下降，从而使二极管保持一定的管压降，并呈现低阻状态，这使得器件可以流过较大电流。

(2) 电容效应

由于PN结的空间电荷区本质是一个平板电容器，所以会对外呈现一定的电容，这个电容称为结电容。在工作频率较高，结电容不可忽略时，结电容和电路的杂散电感引起的高频震荡会影响电路正常工作，同时也会降低PN结的单向导电性。

2. 基本工作特性和参数

(1) 静态特性（伏安特性）

主要关注门槛电压 $U_{TO}$ 和正向压降 $U_F$，分别对应二极管的导通电压和导通时二极管上的压降。反向时，认为二极管只有极小的漏电流。

(2) 动态特性

主要考虑二极管在开通和关断过程中的特性，这是由于二极管结电容的存在，开通和关断都不能瞬间完成，进而限制了二极管的开关频率。

(I) 开通过程

主要表现为正向压降会出现过冲$U_{FP}$，经过一段时间后趋于稳态的某个值。这实际上是和电导调制效应有关的，在少子存储的一定时间内，二极管导通电阻较大，从而体现出较大的管压降；二极管在开通时也表现为明显的电感效应，电流上升越快，电压过冲越大。所以在实际运用中，一般要给二极管串联感性负载来减缓电流变化，防止过冲电压过大。

称从二极管开通初期到达到稳态所用的时间为正向恢复时间$t_{fr}$。

(II) 关断过程

关断过程的特点是，首先会出现较大的反向电流，再紧接着伴随较大的反向电压过冲。电流过冲是因为空间电荷区窄，二极管电阻较小，使得反向漂移电流很大，经过延迟时间$t_d$后，空间电荷区变宽，才使得二极管逐渐恢复阻断能力，在经过下降时间$t_f$后，二极管才截止。而出现电压过冲则是因为电路内的杂散电感，使得电流快速下降的过程中，反向过冲电压$U_{RP}$也随之增大。

称延迟时间$t_d$和电流下降时间$t_f$之和为反向恢复时间$t_{rr}$，其中，$t_{rr}$是指正向电流从过零到反向电流下降到峰值的25%的时间间隔。

定义恢复系数 $Sr=\frac{t_f}{t_d}$，用于表明恢复特性的软度，软度系数越大，反向恢复越平缓，有利于减小过电压和 EMI，但不意味着越大越好，还要兼顾恢复时间和损耗。

(3) 主要参数

要注意，二极管的参数主要用于衡量二极管使用过程中是否会被过压击穿和过热烧毁，以及其他时间上的开关特性，所以一般提到电压相关参数是考虑瞬时值，电流相关参数是考虑有效值（虽然标定为平均值，但实际起作用的是有效值，所以一般需要换算，见$I_F$)

(I) 正向平均电流$I_F$

长期运行时，在指定的壳温和散热条件下，结温稳定且不超过允许的最高工作结温，所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值，即为正向平均电流。将此电流值取规定系列的电流等级值，即为元件的额定电流

**这里要注意，正向平均电流是按照发热条件定义的，所以使用时应该以有效值相等为原则选取并留足裕量。**即，对于额定电流为$I_{F(AV)}$的二极管，其允许流过的电流有效值为$1.57I_{F(AV)}$，其中这里允许流过的电流的有效值与其是什么波形无关。

(II) 正向压降$U_F$

在指定温度下，流过额定的稳态正向平均电流时对应的正向压降。由于$U_F$影响二极管的发热和损耗，故一般选取$U_F$较小的管子来降低导通损耗。

(III) 反向重复峰值电压$U_RRM$

二极管能重复施加的反向最高峰值电压，通常是雪崩击穿电压UB的 2/3，是二极管的额定电压。

(IV) 最高工作结温$T_{JM}$

在PN结不损坏前提下所能承受的最高平均温度$T_{JM}$ ，通常在125C-175°C.

(V) 反向恢复时间$t_{rr}$

见2(2)(II)

(VI) 浪涌电流$I_{FSM}$

指功率二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。一般用额定正向平均电流的倍数和相应的浪涌时间（工频周波数）来规定。

3. 分类

主要依据反向恢复特性不同做分类。

1. 普通二极管

多用于频率不高（1kHz以下）的整流电路，特点是反向恢复时间长（5微秒以上），但正向额定电流和反向额定电压都较高。

2. 快恢复二极管

反向恢复过程较短，可以分别做到百纳秒级别甚至百纳秒以下的恢复速度。

3. 肖特基二极管

以金属和半导体接触形成的势垒为基础，特点是反向恢复时间很短（10-40ns），正向无明显的电压过冲，反向耐压较低时正向压降小，从而使得开关损耗和正向导通损耗较快恢复二极管小，但缺点是反向耐压提高时正向压降会高的无法接受，且反向漏电流较大，对温度敏感。因此，肖特基二极管一般用于 200V 以下的低压场合。

三、电力晶体管 GTR

三端器件，分别为基极、集电极和发射极（bce），分为PNP和NPN两种结构，常用的为NPN型的GTR.

GTR一般分为单管型，达林顿管型和模块型，最常用的是GTR模块，通过将许多达林顿单元电路集成制作在同一个硅片上，来大大提高器件的集成度和可靠性。

1. 工作特性

(1) 静态工作特性

即$I_c - U_{ce}$曲线图，分为截止区、放大区和饱和区，GTR在开关过程中，会在截止区和饱和区之间过渡，其中一般会经过放大区。

(2) 动态工作特性

开通过程需要经过延迟时间$t_d$和上升时间$t_r$,和为开通时间$t_{on}$

增大基极驱动电流$i_b$的幅值并增大$\frac{di_b}{dt}$，可以缩短延迟时间，同时也可以缩短上升时间，从而加快开通过程。

关断过程需要经过储存时间$t_s$ 和下降时间$t_f$ ，二者之和为关断时间 $t_{off}$。

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Ib2的幅值和负偏压，可以缩短储存时间，从而加快关断速度。

2. 主要参数

一般参数包括电流放大倍数、直流电流增益、集射漏电流、饱和管压降和开通/关断时间；极限参数包括最高工作电压，集电极连续直流电流额定值$I_c$、集电极允许最大电流$I_{CM}$和集电极最大耗散功率$P_{CM}$.

实际使用时一般对极限参数都取有较大的裕量。

3. 二次击穿与安全工作区

GTR存在二次击穿现象，一般一次击穿不会损坏GTR,工作特性也不变，但在一次击穿之后若不能有效限制电流，就会使集电极电流急剧上升，电压陡然下降，造成器件永久性损坏。安全工作区由下图类似的曲线标定。

四、电力场效应晶体管 Power MOSFET

是电压控制电平驱动型器件，驱动电路简单驱动功率小，开关速度快工作频率高，但相应的电流容量和耐压较小，只适合于低压低功率的设备。

分为N沟道/P沟道，增强型/耗尽型，Power MOSFET主要使用N沟道增强型。

特性包含$I_D-U_{GS}$转移特性和$I_D-U_{DS}$输出特性，定义转移特性曲线的斜率为跨导 $G_{fs}$

MOSFET有三个工作区：截止区，饱和区和非饱和区，分别对应GTR的截止区，放大区和饱和区。MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。

MOSFET同样有开通和关断时间，主要与其输入电容的充放电有关，可以通过降低栅极驱动电路的内阻$R_s$，从而减小栅极回路充放电的时间常数，进而加快开关速度。

五、绝缘栅双极型晶体管IGBT

将增强型NMOS的栅极与PNP型晶体管的基极相连，两者的源极和集电极相连得到，这是一个由GTR和MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。

IGBT由于开启和关断会包含MOSFET和PNP两端开启和关断曲线，所以整体开关速度要低于MOSFET；另外要注意IGBT的擎住效应/自锁效应，这是IGBT内部结构存在一个寄生NPN晶体管的原因，他会和主PNP构成晶闸管，一旦导通就会导致栅极失去对集电极电流的控制作用。

IGBT也常与反并联快速二极管封装在一起，成为逆导器件。