作者：蒋渭忠
出版社：电子工业出版社
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电力电子技术应用教程试读：
前言
电力电子技术是一种用大功率半导体开关器件完成能量变换、传输和控制的技术。基于这类器件和这种技术建立的各类电源装置，在技术和经济指标两方面都远优越于传统的旋转式变换装置，因而从20世纪70年代以来取得了惊人的发展，已在各种应用领域内全面取代旋转变流器。近年来，随着新型器件的开发与性能的提高，出现了更多高性能的电力变流装置。这不仅促进了电力电子学自身的发展，而且影响着半导体材料技术、大规模集成电路技术、自动控制技术、信息传递与处理技术及电路拓扑技术的进步。总之，电力电子技术是一门有着广阔应用前景，发展方兴未艾的技术。
电力电子技术的一个主要方面是应用各类电力电子开关器件来建立电能变换装置，因此，它应包含器件、主电路、控制及系统等内容。本教材将以建立系统为目标，介绍器件性能、主电路拓扑结构和分析方法，以及相应的控制电路设计思想。其中，包括传统的晶闸管及其变换装置，也包括近年来流行的全控器件和由它们构成的斩控式和谐振式变换装置。由于篇幅和学时所限，这部分内容在大学本科和专科教学中可适当删减，但可供有关科技人员自学时选用。
为便于多层次的学生和科技人员学习参考，本教材加强了电路工作物理过程的分析，删减了对电路方程的数学推导过程，同时增加了各类变流器系统设计的基本方法介绍。全书共分8章。第1章介绍用电力电子器件实现能量变换的基本物理机理，学科发展的历史、现状和前景，以及本教材的基本分析方法。第2章分不控、半控和全控等器件，介绍常用电力电子器件应用特性及使用过程中的共性技术。第3章～第6章按变换形式分类，依次介绍相控整流、直流电能转换、逆变和谐振软开关变换电路的基本电路拓扑和控制方法。各章并配有一定数量的思考题和习题。第7章介绍了电力公害的类型、产生的原因及抑制的措施。第8章简单介绍电力电子线路MATLAB仿真的基本概念和常用方法。
本教材由蒋渭忠负责全书的统稿与编撰工作，徐维、张永春、邵春声担任本书副主编，编写了相关章节，张兵参与了本书的编撰工作，在这里也对在本教材编写过程中提出宝贵意见的同志表示衷心的感谢！
限于编著者对本学科知识的了解深度和水平，书中内容难免有不当和谬误之处，请读者批评、指正。
第1章 绪论
1.1 概述
电力电子技术就是应用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。电能有交流电和直流电之分。电力变换是指电能的四大基本变换：交流／直流（AC/DC）、直流/交流（DC/AC）、直流/直流（DC/DC）和交流/交流（AC/AC）的变换，如表1-1所示。电能变换包含在两种电能之间，或对同一种电能的一个或多个参数（如电压、电流、频率、波形和相位等）进行变换。而控制则包括三个方面的内容：①对电力变换，亦即对电能形态变换的控制；②对电能传送流动方向的控制；③对电能质量指标的控制，包括电量的大小、频率、波形和相位等。表1-1 电力变换和种类
电力电子技术这门新兴学科的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。早期的电力变换是以晶闸管为核心组成的变流电路，沿用电力电子技术史前期的水银整流器所用的相控整流电路及周波变换电路，实现AC/DC整流变换和AC/AC交交频率变换。随后，就开创了“晶闸管及其应用”的传统电力电子技术时代，实现了两种电能之间或同一电能电气参数的变换，达到了电能“粗加工”需求（此时期对电能质量指标的要求还不是很严格）。然而晶闸管这类半控型器件，一则只能通过控制信号控制其导通而不能控制其关断，控制起来不尽如人意；二则开关速度难以提高，一般情况下低于400Hz，大大限制了其应用范围；三则由于相控运行方式使电网和负载都产生严重的谐波，使电路功率因数下降，对电网产生“电力公害”。
电力电子学（Power Electronics）这一名称是在20世纪60年代出现的。1974年，美国的W.Newell用图1-1所示的倒三角形对电力电子学进行了描述，认为电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术两个不同的角度来称呼的，其实际内容并没有很大的不同。图1-1 描述电力电子学的倒三角形
电力电子技术和电子学的关系是显而易见的。如图1-1所示，电子学可分为电子器件和电子电路两大分支，这分别与电力电子器件和电力电子电路相对应。电力电子器件的制造技术和电子器件制造技术的理论基础是一样的，其大多数工艺也是相同的。特别是现代电力电子器件的制造大都使用集成电路制造工艺，采用微电子制造技术，许多设备都和微电子器件制造设备通用，这说明两者同根同源。电力电子电路和电子电路的许多分析方法也是一致的，只是两者应用目的不同，前者用于电力变换和控制，后者用于信息处理。广义而言，电子电路中的功率放大和功率输出部分也可算做电力电子电路。此外，电力电子电路广泛用于包括电视机、计算机在内的各种电子装置中，其电源部分都是电力电子电路。在信息电子技术中，半导体器件既可处于放大状态，也可处于开关状态；而在电力电子技术中，为避免功率损耗过大，电力电子器件总是工作在开关状态，这是电力电子技术的一个重要特征。
电力电子技术广泛用于电气工程中，这就是电力电子学和电力学的主要关系。“电力学”这个术语在我国已不太应用，这里可用“电工科学”或“电气工程”取代之。各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电力系统和电气工程中，因此，通常把电力电子技术归属于电气工程学科。电力电子技术是电气工程学科中的一个最为活跃的分支。电力电子技术的不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力，是保持电气工程活力的重要源泉。
控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实现这种接口的一条强有力的纽带。另外，控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。
20世纪70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）和电力场效应晶体管（P-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。到20世纪80年代后期，以绝缘栅双极晶体管（IGBT）为代表的复合型器件相继出现：IGBT是MOSFET和GTR的复合；MOS控制晶闸管（MCT）是MOSFET和SCR的复合；门极换流晶闸管（IGCT）是MOSFET和GTO的复合，这些都是综合了两管的优点而研制出来的新型器件。全控型器件的出现和迅速发展，特别是20世纪80年代以后出现的场控自关断器件（IGBT、P-MOSFET、IGCT等）集高频、高电压和大电流于一身的优良性能，使电力电子技术从低频（传统）电力电子技术进入高频（现代）电力电子技术的发展时期。
现代电力电子技术与传统电力电子技术相比，最令人鼓舞的是，现代电力电子技术的发展和推广应用，可以克服甚至消除由传统电力电子技术带来的负面影响，服务于人类，造福于人类，给人类创造日益增长的社会效益和经济效益。
1.2 传统电力电子技术
1957—1980年，传统电力电子技术曾创造过一段辉煌的历史。首先以它的优良性能（历史观点）淘汰了水银整流器、旋转变流机组，接着是饱和电抗器，全球有关专业人员先后跨入晶闸管（又称可控硅）时代。那个年代，神奇的可控硅，优势突出：用晶闸管组成的装置与旋转式变流机组相比，无噪声，无磨损；与水银整流器相比，无毒，使用维护方便。由于晶闸管的导通可以控制，通过改变控制角的大小能够控制负载上的电压和电流，具备弱电控制强电输出的特点，于是使以晶闸管为核心的电力电子技术成为弱电控制强电的技术，横跨“电力”、“电子”和“控制”三大领域。用晶闸管作为功率开关器件组成的各种装置和设备，按其功能可分成如下四类。（1）整流器：把交流电压变成固定或可调的直流电压。（2）逆变器：把固定的直流电压变成固定或可调的交流电压。（3）斩波器：把固定的直流电压变成可调的直流电压。（4）交流调压器或周波变换器：把固定的交流电压或频率变成可调压或可调频的交流电压。
从而实现了四大基本变换：AC/DC、DC/AC、DC/DC和AC/AC的变换。此外，还开发了静止无功补偿器（SVC），在节能降耗方面也取得了令人振奋的成绩。然而正如前述，由于晶闸管自身的先天不足：半控型器件，工作频率低和采用移相控制方式，使得整机体积大，功率因数低，网侧及负载上的谐波严重，给电网和用电设备正常运行带来的危险不可忽视。由于上述原因，由晶闸管及其变流电路形成的传统电力电子技术经过多年的发展已处于停滞阶段。随着工业生产的发展，迫切要求新一代电力电子器件和变换技术出现，以取代传统的电力电子技术。
1.3 现代电力电子技术
从20世纪70年代后期，特别是80年代以后，各种高速、全控型器件先后问世，并获得高速发展，如可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（P-MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、静电感应晶体管（SIT）、静电感应晶闸管（SITH）、MOS控制晶闸管（MCT）和门极换流晶闸管（IGCT）等。变流装置中的晶闸管被这些新型全控型器件取代，结构先进紧凑的变流电路及其控制系统随之出现。新型的变流装置具有功率增益高，控制灵活，动态特性好，效率高等优点。
随着集成工艺的提高，20世纪80年代中期开发出功率集成电路（Power Integrated Circuit，PIC）和智能功率模块（Intelligent Power Module，IPM），这是微电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合而成的新一代高频化、全控型的功率集成电路，从而使电力电子技术由传统的电力电子技术跨入现代电力电子技术的新时代。
现代电力电子技术的主要特点有：（1）集成化。与传统电力电子器件基于分立方式不同，几乎所有的全控型器件都是由许多单元胞器件并联而成的。例如，一个40A的P-MOSFET由上万个单元并联而成，而一个300A的SITH含有约5万个单元。（2）高频化。随着器件集成化的实现，工作速度有了很大的提高。例如，高电压大电流的GTO，其工作频率为1～2kHz，GTR可达2～5kHz，IGBT的工作频率可达20kHz，P-MOSFET可达数百kHz，而SIT则可达10MHz以上。（3）全控化。由半控型的晶闸管到全控型的电力电子器件，是电力电子器件在功能上的重大突破。无论是双极型器件的GTO、GTR、SITH或单极型器件P-MOSFET、SIT，还是混合型器件IGBT、MCT等都实现了全控化，从而避免了采用晶闸管关断时所需要的强迫换流电路。（4）PWM控制方式。和晶闸管采用移相控制相对应，采用全控型器件组成的电路主要控制方式为PWM控制方式。现在PWM技术已成为电力变换的核心技术，在逆变、斩波、变频、整流及交流电力控制中均可应用。（5）控制技术数字化与智能化。目前电力电子器件正向着大容量、高频、易驱动和智能化方向发展。功率集成电路PIC和智能模块IPM，集电力电子器件、驱动电路、传感器和诊断、保护、控制电路于一身。智能化的功率集成电路的应用预示着电力电子技术与计算机控制技术已密不可分，自然结合在一起，走向一体化的时机已逐步成熟。（6）高效率与软开关技术。高频全控型器件的应用带来开关频率大幅度提高，取得了装置小型化与轻量化的直接效果。然而开关频率的提高又带来了开关损耗和开关噪声的增加，电路效率严重下降，电磁干扰增大。针对这些问题，发明了软开关技术，主要解决电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高，变换器的运行效率也得到提高。
基于上述六大特点，现代电力电子技术应用领域将会有更大的延伸和扩展。现在经过变换处理后再供用户使用的电能占全国总发电量的百分比值的高低，已成为衡量一个国家技术进步的主要标志之一。据有关资料所述，1995年发达国家中有75%左右的电能是经过电力电子技术变换或控制后再使用的。据预测，2000年以后，将有95%的电能须经变换处理后再使用。而美国预计到21世纪二三十年代，由发电站生产的全部电能都将经过变换处理后再供负载使用。
如此说来，未来的电能都要经过电力电子技术加工处理，将“粗电”变成“精电”后才能使用了。为什么呢?理由有三：
1.节能的需要
带风机、水泵等负载的三相交流异步电动机，每年耗电量为发电总量的1/3以上。如果直接由电网供电，而用挡板、阀门调节风量、水量至50%额定值，则电能的利用效率将低于50%；如果采用电力电子技术变压变频供电，通过调节电动机的转速来改变风量、流量，则电能的利用效率可维持在90%左右，这将节省大量的能源。
还有耗电量占发电量的10%～15%的电气照明，采用高频电力变换器（又称电子镇流器）对荧光灯供电，在同样的光通量下，其耗电量可减小到白炽灯的1/6。
2.节材的需要
高频变换装置的功率密度随频率的提高而提高。高频逆变装置将工频50Hz交流电升频至20kHz后再给负载供电，可使电能变换设备成10～20倍地缩小体积和重量，使钢、铜原材料的消耗量大大减小。
3.使用电设备获得更大的经济效益的需要
在电力系统中，公用电网提供的电源是频率固定的单相或三相交流电源。而用电设备的类型、功能千差万别，对电能的电压、频率要求各不相同。比如说，许多高新技术设备要由恒压恒频的正弦波交流不间断电源UPS供电，而通信设备大都需要48V低压直流电源，现在广泛应用的交流电动机变频调速则由三相交流变压变频电源供电。为了满足一定的生产工艺和流程的需求，确保产品质量，提高劳动效率，降低能耗，提高经济效益，供电电源的电压、频率，甚至波形、相位都必须严格满足各种用电设备的不同要求。因此，由公用电源或其他电源提供的“粗电”，必须经过适当的加工处理变成“精电”后再供负载使用，使用电设备处于理想的最佳工况，才能使用电设备获得更大的经济效益。
1.4 电力电子技术展望
电力电子技术是由电力、电子和控制三门学科交叉而形成的。就其内容而言，包含器件、电路与控制三个方面。电力电子技术的发展总是以器件的开发和性能的改善为先导，对电力电子技术的发展起着决定性的作用。因此，在这里，先从电力电子器件谈起。
1.电力电子器件
电力电子器件发展迅猛，推动电力电子技术从传统电力电子技术进入现代电力电子技术阶段，目前仍处在一个所谓“动态变革”之中。现在电力电子器件的发展趋势有三个方面：（1）向实用化的全控型器件在大功率、易驱动、高频率和高电流密度方向继续发展。（2）器件的模块化、集成化和智能化。在一个芯片上集成一个系统，包括器件驱动电路，传感器和自诊断、检测、保护和控制电路，推动电力电子技术跃入功率集成电力电子技术新阶段。（3）器件材料的更新。当今电力电子器件都以硅作为基础材料，其垄断地位目前仍在维持。但某些新型材料如碳化硅、金刚石等的采用，已预示着新一代器件将出现。新器件类似于MOSFET，有高得多的功率和开关频率，低导通压降，耐高温等优良性能。其中最令人瞩目的材料是金刚石。有关资料说明，与硅器件相比，金刚石P-MOSFET器件的功率可提高10个数量级，频率提高50倍，导通压降降低一个数量级，最高结温可达600℃。
2.变换电路
变换电路离不开四大基本变换，在电力电子装置中，可以是单一变换，也可以是包含两种以上的变换。传统电力电子技术所用的相控电路适用于晶闸管，现代电力电子技术所用的PWM电路、软PWM电路适用于各种全控型器件和功率集成电路PIC、智能功率模块IPM。
3.控制技术
微电子技术与电力电子技术的结合。信息电子技术已经融入电力电子技术领域形成一个整体，计算机控制技术已在电力电子技术中生根、开花、结果。现在电力电子装置的控制不仅依赖硬件电路，而且可以利用软件编程，既方便又灵活，使各种新颖、复杂的控制策略和方案得以实现。新的控制理论及基于神经元网络和模糊逻辑数字的智能控制技术，都在变换电路的控制中得到应用。
电力电子技术的应用范围十分广泛，而且越来越广。相关行家认为电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电源、恒频交流电源和变频交流电源。因此也可以说，电力电子技术研究的就是电源技术。这种提法在20世纪以前无可非议，因为电力电子装置不管用在哪里，都是一台电能变换装置——电源。然而跨入21世纪后，电力电子技术不仅在电源技术方面继续为人类创造巨大的经济效益，还将在电力系统中作为电力电子补偿控制器，控制电能的传送流动方向，向电网输出所要求的补偿电压或电流，或改变并联接入、串联接入交流电网的等效阻抗，从而改善电力系统的运行特性和运行经济性。这类应用涉及高压、大功率开关电路和十分复杂的控制技术，它将在今后几十年导致电力系统革命性变革，并推动电力电子技术的继续发展和进步。
1.5 本教材的内容简介和使用说明
本教材的内容可分为三大部分：
第一部分是电力电子器件，即第2章。这部分主要介绍各种电力电子器件的基本结构、工作原理、主要参数、应用特性和有关选择使用知识。本章内容从应用角度出发，基本上不涉及制造工艺。学习的重点是以普通二极管、普通晶闸管、GTO、GTR、P-MOSFET和IGBT六种器件为主。要求掌握各种功率器件通、断控制原理和处于通、断状态的条件。
第二部分是以传统电力电子技术为主的四大基本变换（AC/DC、DC/DC、DC/AC、AC/AC）电路，包括第3～5章。这部分内容是全书的基础部分。第3章相位控制变换电路，包括整流与有源逆变两大内容，整流技术简要分析了单相整流与三相整流，有源逆变分析了有源逆变原理；第4章直流/直流变换电路，分析了DC/DC变换的拓扑结构，分析了带隔离的DC/DC变换电路，讲解了脉宽调制的原理；第5章交流逆变变换电路，分析了基本的交流逆变电路的原理。
第三部分是现代电力电子技术相关内容，包括第6～8章。这部分内容结合现代电力电子技术、工程实践和仿真技术。第6章谐振软开关变换电路，是现代电力电子技术的核心技术，分析了典型的软开关电路的工作原理；第7章电力公害及其抑制对策，现代电子产品对于电磁特性有了更明确的要求，本章讨论了公害的种类、起因，分析了对策；第8章电力电子MATLAB仿真，从器件级、典型环节和变换器级进行了讨论，给出具体的使用实例，对于学生学习与实践具有指导意义。
为了便于读者学习，在每章的最后给出小结，对全章的重点和要点进行总结。仔细阅读小结内容，有助于对全章内容的把握。
本教材在编写时力求做到科学性、先进性、系统性、完整性和实用性，遵循由浅入深、深入浅出、循序渐进、宜于教学的原则，内容丰富完整，便于自学。
第2章 电力电子器件
2.1 功率二极管
功率二极管（Power Diode）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（Semiconductor Rectifier，SR），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。图2-1给出了功率二极管的外形、结构和电气图形符号。图2-1 功率二极管的外形、结构和电气图形符号
2.1.1 PN结与功率二极管工作原理
完全纯净的半导体在常温下可以激发出少量自由电子和相应数量的空穴，这两种不同极性的带电粒子统称为载流子，空穴的出现是半导体区别于导体的一个显著特点。
在纯净半导体内掺入微量杂质如五价元素后，在晶体中出现多余电子使自由电子数远大于空穴数，此类材料称为N型半导体；同样，在半导体中掺入三价元素后，晶体中出现多余空穴，此类材料称为P型半导体。N型半导体中的电子与P型半导体中的空穴称为多数载流子，简称多子，另一类称为少数载流子，简称少子。这种有不同极性载流子参与导电的器件统称为双极型器件。根据掺入杂质的多少可控制多子的浓度。但不管掺入多少杂质，半导体中正、负电荷总量均相等且保持电中性。
现将一种半导体基片（N型或P型）通过扩散或合金工艺，在其上形成相反导电类型，这两部分即形成PN结。PN结在交界面处由于空穴与电子浓度的差异，使载流子从高浓度向低浓度扩散。图2-2（a）所示即为PN结形成原理，P区的空穴扩散到N区，N区中的电子扩散到P区，在交界面出现空间电荷区，形成由N区指向P区的内电场。内电场在阻止多子继续扩散的同时又帮助少子向各自的对方漂移。在一定温度下，扩散与漂移达到动态平衡，空间电荷达到稳定值。图2-2 PN结形成原理与功率二极管的伏安特性
PN结是半导体器件的核心，掌握PN结的性质是分析器件的基础。PN结的主要特性是单向导电性，当PN结外加正向电压（P正N负）时，外电压产生的外电场削弱内电场，使扩散大于漂移，空间电荷减少，PN结变窄，使正向电流不断流过，称为正向导通。此时PN结表现为低阻，其电压降只有1V左右。PN结加上反向电压（P负N正）时，外电压加强内电场，从而强烈阻止PN结两边的多子扩散，使PN结变宽，仅有少子通过漂移形成极小的反向漏电流，PN结表现为高阻，称为反向阻断，这就是PN结的单向导电特性。由PN结组成的二极管是结构最简单，应用最广的电子器件，是许多其他器件的基本组成部分。
功率二极管是允许流过的电流较大，承受电压较高的二极管，为缩小体积和减少连线，除单管结构外已有模块结构，即把几个管子集成为一个器件。由于流过电流较大，故其引线与焊接电阻的影响较明显。为了提高反向耐压，必须降低掺杂浓度，导致正向压降增大。任何电子器件耐压性能的提高都是牺牲其他性能指标来达到的。
功率二极管本身消耗功率，发热多，使用时必须十分重视管子的散热，应安装传热良好的散热器。目前功率电子器件常用的散热器冷却方式有自冷、风冷、液冷和沸腾冷（热管）四种。功率二极管的正常运行，在很大程度上取决于散热器的合理选配，以及器件与散热器之间的装配质量。
功率二极管的伏安特性如图2-2（b）所示，当外加正向电压大于U（门槛电压），即克服PN结内电场后管子才开始导通，正向导通TO后其压降基本不随电流变化。反向工作时，当反向电压增大到U（击穿电压），使PN结内电场达到雪崩击穿强度时，反向漏电流DI剧增，导致二极管击穿损坏。用于工频整流的功率二极管也称为RR整流管，国产型号为ZP，主要参数说明如下。（1）额定正向平均电流I（额定电流）：管子长期运行在规定散F热条件下，允许流过工频正弦半波时的最大平均电流，将此电流值称为规定二极管系列的电流等级，即为管子的额定电流。I受发热限制，F因此在使用中按有效值相等来选取管子电流定额。对应额定电流I，F其有效值为1.57I。F（2）反向重复峰值电压U（额定电压）：管子反向能重复施RRM加的最高峰值电压，此值通常为击穿电压U的2/3。B（3）正向平均电压U：在规定条件下，管子流过额定正弦半波F电流时，管子两端的正向平均电压，也称为管压降，此值比直流压降小。（4）反向漏电流I：对应于反向重复峰值电压时的漏电流。RR
ZP系列参数列于表2-1中。由于工作于工频，故动态参数不标出。表2-1 部分功率二极管主要性能参数
功率二极管在电力电子交流电路中起着不同的作用，在交直流变换中作为整流器件，在电感滤波及具有电感元件的电路中作为续流器件，在逆变电路中用于反向充电和能量传输，在各类交流器中用于隔离、钳位、保护和高频整流。随着高频全控型电力电子器件的大量应用，功率二极管的工作频率可高达几百kHz，要求二极管能快速地在导通与阻断之间转换。用在高频场合的二极管称为快恢复二极管，也称开关二极管，对此类二极管的要求是：正向瞬态压降小，反向恢复时间短，反向恢复电荷少以及具有软恢复特性。
开关二极管可分四种工作状态：静态为正向导通和反向阻断，动态为开通过程和关断过程。二极管工作状态转换的特性称为开关特性，现将关断特性与开通特性分析如下。（1）关断特性。图2-3（a）所示为开关二极管转换电路。当S从“1”位置立即倒向“2”时，由于PN结内存在大量载流子需要排出和复合，所以反向阻断能力的恢复需要经过一段时间，在未恢复阻断之前二极管相当于短路状态。其关断过程如图2-3（b）所示，t时刻开f关S倒向“2”，导通的二极管突加反压U，正向电流以di/dt的速率减Rf小，t时二极管电流降为零，电流变化率的大小为-U/L，L为电路电0R感。t时结内Q电荷已被抽走，反向电流达最大值I，在此以前二11RM极管仍为正偏，t时刻后管子开始恢复反向阻断，反向恢复电流迅速1减小，其di/dt值较大，在电感L中产生较高电动势，此电动势与电源rr电压叠加，使二极管承受很高的反向电压U。RM
t时刻（反向电流降为10%I时）后，反向恢复电流i逐渐减小2RM为零，电荷Q也被抽空，二极管承受静态反向电压U，关断结束。2Rt-t时间定义为反向恢复时间，用t表示，是开关管的重要参数。反20rr向恢复时间很短的二极管称为快恢复二极管（Fast Recovery Diode，FRD）。图2-3 二极管转换电路与开关特性
影响反向恢复过程长短的主要因素是反向恢复电荷的大小，其值为
Q小则t短，这是快恢复二极管与整流管的根本区别。t与QRrrrrR的大小随开关前的正向电流、反向电流上升，结温的增加而增加。在反向恢复期间，二极管消耗的能量由Q与电感L的储能来决定。为了R减小损耗应选择Q小的二极管。反向恢复电流的下降速度过大，则R会使反向恢复电压U过高，有时会出现强烈振荡致使管子损坏。通M常用软、硬恢复的概念来表示di/dt对反向特性的影响，特性的软硬波（亦称柔度系数）S定义为r
S大为软恢复，此类管子的反向峰值电压U值也小，如S=0.3rRMr属硬恢复器件，S=0.8属软恢复器件。r（2）开通特性。当图2-3（a）中所示开关S从“2”突然倒向“1”时，必须先将原先变厚的空间电荷释放，当正向电压上升到门槛电压U以上时，PN结才会有正向电流流过。二极管的开通特性如TO图2-3（c）所示，在开通过程中，二极管两端会出现几伏到几十伏的正向峰值电压U，它比稳态的管压降大得多，且需要经过开通时间fp（正向恢复）t后才恢复正常，因此限制了正向电流上升率和开关速fr度。通常正向恢复时间t比反向恢复时间t小。frrr
二极管开通过程中呈现的电感现象（电流滞后电压）除内部结构原因外，还与引线长度、器材封装采用磁性材料等因素有关，因此开通时二极管电流上升率越大，峰值电压U就越高，正向恢复时间tfpfr也越长。另外，结温升高时U、t值也会增大。fpfr
目前市场供应的开关二极管除上述PN结构外，还有一种PIN结二极管，其构造是在PN结中夹一层本征半导体。在同样容量时，PIN管具有开通电压低，反向恢复时间短以及耐压高的优点，不足之处是PIN管具有硬恢复特性，而PN结结构的管子具有软恢复特性，可根据不同要求进行选择。还有一类称为肖特基二极管，常用SBD表示，它是通过金属与半导体接触构成的，其反向恢复时间极小且与反向di/dt值无关，正向压降小，典型值为0.55V，但反向漏电流较大，电压不易做高，因此多用在便携式低压整流装置中。
20世纪90年代末出现同步整流，在高频整流时用MOS管代替肖特基二极管。其优点是效率可提高到90%以上，价格比肖特基管下降约50%，管子通态电阻比肖特基管减少1/2～1/3，工作频率可达1MHz，特别适合便携式低电压电源，极有发展前途。几种不同类型的功率二极管参数列于表2-1中。
2.1.2 功率二极管的主要类型
电力二极管在许多电力电子电路中都有着广泛的应用。在后面的章节中将会看到，电力二极管可以在交流、直流变换电路中作为整流元件，也可以在电感元件的电能需要适当释放的电路中作为续流元件，还可以在各种变流电路中作为电压隔离、钳位或保护元件。在应用时，应根据不同场合的不同要求，选择不同类型的电力二极管。下面按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用的电力二极管。当然，从根本上讲，性能上的不同都是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的，只不过这些结构和工艺差别不是本书所关心的主要问题，有兴趣的读者可以参考有关专门论述半导体物理和器件的文献。
1.普通二极管
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）的整流电路中。其反向恢复时间较长，一般在5μs以上，这在开关频率不高时并不重要，在参数表中甚至不列出这一参数。但其正向电流定额和反向电压定额却可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。
2.快恢复二极管
恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5μs以下）的二极管称为快恢复二极管（Fast Recovery Diode，FRD），简称快速二极管。工艺上多采用了掺金措施，结构上有的采用结型结构，也有的采用对此加以改进的i结构。特别是采用外延型i结构的所谓快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial Diodes，FRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。不管是什么结构，快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20～30ns。
3.肖特基二极管
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），简称为肖特基二极管。肖特基二极管在信息电子电路中早就得到了应用，但直到20世纪80年代以来，由于工艺的发展才得以在电力电子电路中广泛应用。与以结为基础的电力二极管相比，肖特基二极管的优点在于：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；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管。因此，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。肖特基二极管的弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时，其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场合；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。
2.2 可关断晶闸管
门极可关断晶闸管（Gate Turn off Thyristor，GTO）是一种通过门极来控制器件导通和关断的电力半导体器件。GTO既具有普通晶闸管的优点（耐压高，电流大，耐浪涌能力强，价格便宜），同时又具有GTR的优点（自关断能力，无须辅助关断电路，使用方便）。GTO是目前应用于高压、大容量场合中的一种大功率开关器件。
目前GTO的生产水平已达到6000V、6000A，频率为1kHz。其研制水平可达到9000V、8000A。GTO广泛应用于电力机车的逆变器、电网动态无功补偿和大功率直流斩波调速等领域。
2.2.1 SCR的原理与特性
晶闸管全称晶体闸流管，曾称可控硅（Silicon Controlled Rectifier，SCR）。1957年问世后逐步形成新兴的电力电子学科。晶闸管在20世纪六七十年代获得迅速发展，除器件的性能与电压、电流容量不断提高外，还派生出快速晶闸管、可关断晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管、双向晶闸管等，形成晶闸管系列。普通晶闸管应用最广，本书如不特别说明，所述晶闸管即为普通晶闸管。
晶闸管是一种功率四层半导体器件，有三个引出极，阳极（A）、阴极（K）、门极（G），常用的有螺栓式与板式，外形与符号如图2-4所示。晶闸管是电力电子器件，工作时发热大，必须安装散热器。图2-4（a）所示为小电流塑封式，电流稍大时也要紧固在散热板上，图2-4（b），（c）所示为螺栓式，使用时必须紧固在散热器上，图2-4（d）所示为平板式，使用时由两个彼此绝缘的散热器把其紧夹在中间。图2-5所示为晶闸管散热器，图2-5（a）所示适用于螺栓式，图2-5（b），（c）所示适用于平板式，平板式两面散热效果好，电流在200A以上的管子都采用平板式结构。图2-4 晶闸管的外形与符号图2-5 晶闸管散热器及外形
晶闸管内部结构如图2-6所示，管芯由四层半导体（P、N、P、112N）组成，形成三个PN结（J、J、J）。在管子的阳极与阴极之间2123加上反向电压时，J、J结处于反向阻断状态；当加上正向电压时J122结处于反向阻断状态，管子仍不导通。若此时门极与阴极间加上正向电压u使门极G流入一定大小的电流I，晶闸管就会像二极管一样正gg向导通。由此可见，晶闸管与二极管一样具有单向导电特性，电流只能从阳极流向阴极。与二极管不同的是，晶闸管具有正向阻断特性，当加正向电压时管子还不能导通，必须同时加上门极电压，有足够的门极电流流入后才能使晶闸管正向导通。因此，晶闸管具有正向导通的可控特性，这种以电流输入来控制导通的器件称为电流控制器件。晶闸管通入门极电流I使其导通的过程称为触发，管子一旦触发导通g后门极就失去控制作用。这种门极可触发导通但无法使其关断的器件称为半控器件。要使已导通的晶闸管恢复阻断，可降低阳极电源电压或增加阳极回路电阻，使流过管子的阳极电流I减小，当I减至一定aa值（一般为几十毫安）时，I会突然降为零，之后即使再调高电压或a减小电阻，电流也不会增大，说明管子已恢复正向阻断。当门极断开时，能维持管子导通所需的最小阳极电流称为维持电流I，因此管子H关断的条件是I＜I。aH图2-6 晶闸管的内部结构
晶闸管为什么有上述特性?现进一步从内部结构来分析。晶闸管由四层半导体交替叠成，可等效看成由两个晶体管VT（P-N-P）1112与VT（N-P-N）组成，如图2-7所示。2122图2-7 晶闸管的工作原理
当管子阳极加上正向电压后，要使管子正向导通的关键是使J结2反向失去阻挡作用。从图2-7（d）可见，当Q打开时VT管的集电极1电流I即为VT管的基极电流I；VT管集电极电流I又是VT的基极c12b22g1电流I；当Q合上时有足够的门极电流I流入，通过两管的电流放大b1g立即形成强烈的正反馈，过程为
瞬时使两管饱和导通，也就是晶闸管导通。
设VT、VT管共基接法的电流放大倍数为a，a，流过J结的12122反向漏电流为I，由图2-7（b），（d）可见，VT管流过J结的电流c012为aI，VT管流过J结的电流为aI，流过J结总电流为1a222k2
当门极流入电流I时，阴极电流为g
将式（2-3）代入式（2-4）得
由晶体管知识可知，共基电流放大倍数a随发射极电流增大而逐渐增大，当I增大到一定值使两管发射极电流也相应增大，致使g（a+a）增大到接近1时，式（2-4）中管子阳极电流I将急剧增大变12a为不可控，此时I值由电源电压值E与负载电阻R来决定，晶闸管正aad向导通压降约为1.5V。由于正反馈的作用，导通的管子即使门极电流降为零或负值，也不能使管子关断，只有设法使管子的阳极电流I减a小到维持电流I以下，此时a和a也相应减小，导致内部正反馈无法H12维持时晶闸管才恢复阻断。
2.2.2 晶闸管的伏安特性与主要参数
1.晶闸管的伏安特性
晶闸管伏安特性如图2-8所示，当I=0时，晶闸管正向电压U增ga大到正向转折电压U前，器件处于正向阻断状态，其正向漏电流随BOU电压的增高而逐渐增大，当U达到U时，管子突然从阻断状态转aaBO为导通。导通后器件的特性与整流二极管正向伏安特性相似。当通入门极电流I且其足够大时，正向转折电压降至极小，使晶闸管像整流g二极管一样，一加上正向阳极电压就导通，这种导通称为触发导通。当已导通的管子其阳极电流I减小到I（维持电流）时，管子又从导aH通返回正向阻断，晶闸管只能稳定工作在阻断与导通两个状态。图2-8 晶闸管伏安特性
晶闸管加反向阳极电压时，只流过很小的反向漏电流；当反向电压升高到U时管子反向击穿损坏，U称为反向击穿电压。RORO
综上所述，可得出如下结论。（1）门极断开时，晶闸管的正向漏电流比一般硅二极管的反向漏电流稍大，且随着管子正向阳极电压的升高而增大。当阳极电压升到足够大U时，会使晶闸管导通，称为正向转折或“硬开通”。多BO次“硬开通”会损坏管子，晶闸管通常不允许这样工作。（2）晶闸管加上正常阳极电压后，还必须加上触发电压U产生g足够的触发电流I，才能使晶闸管一加正向电压即从阻断状态转为导g通状态，称为触发导通。如I不够大，管子还不会导通，但此时正向g漏电流随I的增大而显著增加。由于正反馈的作用，晶闸管只能稳定g工作在“阻断”与“导通”（对内部晶体管来说是饱和导通）两个状态，中间状态不能停留，具有双稳开关特性。晶闸管像接触器一样，可以用很小的门极电流（毫安级）控制具有很大阳极电流（几十至几百安培）的晶闸管导通。晶闸管阻断时漏电流小，导通时压降小，是一种理想的无触点功率开关元件。（3）晶闸管一旦触发导通后，门极完全失去控制作用。要关断已经导通的晶闸管，必须使阳极电流I小于维持电流I，对于电阻负aH载，只要使管子阳极电压降为零即可。为了保证晶闸管可靠与迅速地关断，通常在管子阳极电压降为零之后，加一段时间的反向电压。
对于晶闸管的三个电极，可从外观判断，也可用万用表来测量并粗测其好坏。根据器件内部的三个PN结可知，阳极与阴极间、阳极与门极间的正反向电阻均应在数百千欧姆以上，门极与阴极间的电阻通常为几十到几百欧姆，因器件内部门极阴极间有旁路电阻，故通常正反向阻值相差很小。注意：在测门极与阴极间的电阻时，不能使用万用表的高阻（10k）挡，以防表内高压电池击穿门极的PN结。至于器件能否可靠触发导通，可用直流电源串联电灯与晶闸管，当门极与阳极接触一下后，如管子导通灯亮，则说明管子是可触发的。
2.晶闸管的主要特性参数（1）额定电压UTn
从图2-8所示伏安特性可见，当门极断开器件处于额定结温时，正向阻断曲线出现漏电流显著增加的电压U为正向不重复峰值电DSM压，同理U为反向不重复峰值电压；它们各乘以0.9所得的值RSMU与U为正向与反向重复峰值电压。器件的额定电压U即为DRMRRMTnU与U中较小值。DRMRRM
由于晶闸管工作温度可能升高，在使用中会出现各种不可避免的瞬时过电压，因此在选用管子的额定电压时，应比工作电路中加在管子上的最大瞬时电压值U大2～3倍，即TM（2）额定电流IT（AV）
I也称为额定通态平均电流。在室温40℃和规定的冷却条T（AV）件下，器件在电阻负载流过正弦半波（导通角不小于170°）电路中，结温不超过额定结温时所允许的最大通态平均电流值，将此值靠取相近电流等级，即为器件的额定电流I。T（AV）
和其他电气设备一样，限制晶闸管最大电流的是温度。而晶闸管芯（三个PN结）的温度称为结温，结温的高低由发热与散热两方面所决定。造成管子发热的原因是管子功耗，它主要有以下三部分：
① 导通损耗是引起发热的主因，为了减少导通损耗可选用导通压降小的管子。
② 正反向阻断损耗。
③ 开关过程中的损耗（高频时考虑）。
后两部分损耗引起发热较小。晶闸管散热决定器件与散热器的接触、散热器的大小与冷却方式（自冷、风冷、水冷、沸腾冷却）以及冷却介质的流速与环境温度。因此，根据晶闸管发热与散热的条件不同，其允许的通态平均电流也不一样。
晶闸管额定电流以通态平均电流来标定，而发热应由流过电流的有效值来决定。为此，可根据管子额定电流I换算出额定有效T（AV）电流I（此值制造厂不提供）。在实际使用时，不论流过管子的电流Tn波形如何，导通角多大，只要其最大电流有效值I≤I，散热冷却TmTn符合规定，则晶闸管的发热与温升就能限制在允许范围。
各种有直流分量（成分）的电流波形都有一个电流平均值（一个周期内电流波形面积的平均），也就是直流电流表的读数值；也都有一个有效值（均方根值）。电流波形的有效值与平均值之比称为该波形的波形系数，用K表示。例如整流电路直流输出负载电流i的波形fd系数为
式中 I——负载电流有效值；
I——负载电流平均值。d
流过晶闸管电流的波形系数为
式中 I——晶闸管电流有效值；T
I——晶闸管电流平均值。aT
根据晶闸管额定电流I的定义，流过管子的为正弦半波电T（AV）流波形，如正弦半波电流峰值为I，则m
因此在额定状态时，管子电流波形系数为
这说明额定电流为100A的管子，其额定有效电流为KI≈fT（AV）1.57×100A=157A。
不同电流波形有不同的波形系数，表2-2列出四种常用电流波形的波形系数K值与额定电流为100A晶闸管在流过表中波形时允许通f过的平均值。表中计算说明，额定电流为100A的晶闸管，只有在正弦半波（额定情况）时，其波形系数K才为1.57，允许流过最大平均f电流为100A，在其他波形时都不是100A，这在选用晶闸管时必须注意。表2-2 四种波形的K值与100A晶闸管允许电流平均值f
由于晶闸管的电流过载能力极小，在选用时要至少考虑1.5～2倍的电流裕量，即1.57I=I≥（1.5～2）I（I为流过管子的T（AV）TnTmTm最大有效电流）
所以（3）门极触发电流（Gate Trigger Current）与门极触发电压（Gate Trigger Voltage）
在室温下施加6V正向阳极电压，使管子完全导通所必须的最小门极电流，称为门极触发电流I，对应的门极触发电压为U。同GTGT一生产厂家制造出的同一型号的晶闸管，由于门极特性的差异，其触发电流与电压可能相差很大。触发电流电压值太小，会使管子工作时易受干扰，造成误触发；触发电流电压值太大，会导致触发功率增大而引起触发困难。为此，出厂的晶闸管都规定了最大与最小触发电流电压的范围。例如，100A合格的晶闸管，其触发电压电流分别不应超过3.5V、250mA，也不应小于0.15V、1mA，门极正向脉冲极限峰值电压不允许超过10V，反向脉冲极限峰值电压不允许越过5V，正向脉冲极限峰值电流不能超过2A。
需要指出，在技术数据中所给出的最大触发电压和最大触发电流不是指允许值，而是指该型号的所有晶闸管都能触发导通所需的最小触发电压和电流，而且该触发电流是直流值。在实际应用时，多采用脉冲电流来触发。因此，触发脉冲电流幅值允许达5倍的常规触发电流。
U、I值受温度影响很大，在冬天使用管子时，U、I值GTGTGTGT会增大，使用时要注意。（4）通态平均电压UT（AV）
在规定环境温度和标准散热条件下，管子流过额定正弦半波电流时，阳极、阴极之间的平均电压称为通态平均电压，简称管压降，其标准值分组列于表2-3中，U值小管子功耗也小。T（AV）表2-3 晶闸管通态平均电压组别（5）维持电流（Holding Current）和掣住电流（Latching Current）
在标准室温且门极断开时，管子从较大通态电流降至刚能保持导通的最小阳极电流称为维持电流I。额定电流大的管子其I值也大，HH结温降低时I会增大。同型号的管子其I各不相同，I大的管子容易HHH关断。
晶闸管加上触发脉冲使其开通的过程中，当脉冲消失时要保持管子维持导通所需的最小阴极电流值称为掣住电流I，如管子在开通过L程中阳极电流I未上升到I值，则当触发脉冲除去后管子又会恢复阻aL断。通常对同一管子来说，I比I要大好几倍。LH（6）晶闸管的开通时间与关断时间
晶闸管在导通与阻断两个工作状态之间的转换并不是瞬时完成的，当工作在较高频率时，必须考虑管子的开通与关断时间。普通晶闸管的开通时间t在6μs左右，快速晶闸管可达1μs。开通时间与门极gt触发脉冲前沿上升的陡度与幅值的大小、器件的结温、开通前的电压、开通后的电流以及负载电路的时间常数（L/R）有关，电感性负载时可达几十至几百微秒。为了缩短开通时间常采用触发脉冲前沿陡、幅度大的窄脉冲来触发，称为强触发。
关断时间t（Turn off Time）。在额定结温时，管子从切断正向g电流到恢复正向阻断能力，这段时间称为晶闸管关断时间t，它与管g子结温、关断前阳极电流及所加电压的大小有关。普通晶闸管的t在g几十到几百微秒，对于工频电路完全可以不考虑开关时间。当工作在中频或高频时，必须选用快速晶闸管，其关断时间可短至1μs。
3.国产晶闸管的型号
按国家有关部门规定，晶闸管的型号及其含义如下。
例如，KP100-12G表示额定电流为100A，额定电压为1200V，管压降（通态平均电压）为1V的普通型晶闸管。
有的制造厂采用老型号3CT□／□。例如，3CT100/800表示额定电流为100A，额定电压为800V的可控硅整流元件，即现在定名的晶闸管。3CTK为快速管，3CTS为双向管。KP型晶闸管主要特性参数列于表2-4中。表2-4 KP型晶闸管主要特性参数
2.2.3 GTO的工作原理
GTO结构原理与普通晶闸管相似，为PNPN四层三端半导体器件，其结构、等效电路及符号如图2-9所示。图中A、G和K分别表示GTO的阳极、门极和阴极。其等效电路中的PNP和NPN晶体管共基极电流放大系数为a和a。12
GTO的外部引出三个电极，但内部却包含数百个共阳极的小GTO，这些小GTO称为GTO元。GTO元的阳极是共有的，门极和阴极分别并联在一起。这是为实现门极控制关断所采取的特殊设计。
GTO的开通原理与普通晶闸管相同。在如图2-9（b）所示的等效电路中，当阳极加正向电压，门极同时加正向触发信号时，在等效晶体管PNP和NPN内形成如下正反馈过程：图2-9 GTO的结构、等效电路及符号
随着晶体管NPN的发射极电流和PNP发射极电流的增加，221112a和a也增大。当a+a＞1时，两个等效晶体管均饱和导通，GTO则1212完成了导通过程。
与普通晶闸管不同的是，GTO导通时，总的放大系数a+a仅稍12大于l，使GTO处于临界饱和状态，为用门极负信号去关断阳极电流提供了可能性。
GTO的关断机理及关断方式说明如下。图2-10所示为GTO关断过程等效电路。关断GTO时，将开关S闭合，门极加上负偏置电压E，G晶体管PNP的集电极电流I被抽出，形成门极负电流I。由于I112C1GC1的抽走，使PNP晶体管的基极电流减小，进而使I也减小，引起122C2I进一步下降。如此循环，最后导致GTO的阳极电流消失而关断。C1
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