July 28, 2007 自动化专业英语教程 教学课件 Email : wanghongwen@hebut.edu.cn http: // www.hebut.edu.cn

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 1. 课文内容简介：主要介绍专业课《电力电子技术》中大功率二极管、晶闸管、双向可控硅、门极可关断晶闸管、电力金属氧化物半导体（MOS）场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物半导体控制的晶闸管、集成门极换向晶闸管的电路符号、伏安控制特性、特点和适用场合等内容。 2. 温习《电力电子技术》中概述、第一章“晶闸管”等内容。 3. 生词与短语 converter n. 转换器，换流器，变流器 matrix n. 模型，矩阵 diode n. 二极管，半导体二极管 thyristor n. 晶闸管 triac n. 三端双向晶闸管

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 GTO 门极可关断晶闸管 BJT 双极结型晶体管 power MOSFET 电力MOS场效应晶体管 SIT 静态感应晶体管 IGBT 绝缘栅双极型晶体管 MCT MOS控制晶闸管 IGCT 集成门极换向晶闸管 rectification n. 整流 feedback n. 反馈 freewheeling n. 单向传动 snubber n. 缓冲器，减震器 intrinsic adj. 固有的，体内的，本征 forward biased 正向偏置 conduction n. 导电，传导 emitter n. 发射极

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 reverse biased 反向偏置 leakage current 漏电流 threshold n. 门限，阈限，极限 breakdown n. 击穿，雪崩 recovery n. 恢复 schottky diode 肖基特二极管 workhorse n. 重载，重负荷 thyratron n. 闸流管 breakover n. 导通 latching current 闭锁电流 holding current 保持电流 phase controlled 相控的 asymmetric adj. 不对称的 force commutated 强制换向

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 SMPS 开关电源 BLDM 无刷直流电动机 stepper motor 步进电动机 hybrid n. 混合 saturation n. 饱和 4.难句翻译 [1] Power diodes provide uncontrolled rectification of power and are used in applications such as electroplating, anodizing, battery charging, welding, power supplies (DCand AC), and variable-frequency drives. 电力二极管提供不可控的整流电源，这些电源有很广的 应用，如：电镀、电极氧化、电池充电、焊接、交直流 电源和变频驱动。

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 [2] A gate turn-off thyristor (GTO), as the name indicates, is basically a thyristor-type device that can be turned on by a small positive gate current pulse, but in addition，has the capability of being turned off by a negative gate current pulse． 门极可关断晶闸管，顾名思义，是一种晶闸管类型的器件。同其他晶闸管一样，它可以由一个小的正门极电流脉冲触发，但除此之外，它还能被负门极电流脉冲关断。 [3] Such a gate current pulse of very short duration and very large di/dt has small energy content and can be supplied by multiple MOSFETs in parallel with ultra-low leakage inductance in the drive circuit. 这样一个持续时间非常短、di/dt非常大、能量又较小的门极电流脉冲可以由多个并联的MOSFET来提供，并且驱动电路中的漏感要特别低。

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 5.参考译文 A 功率半导体器件 功率半导体器件构成了现代电力电子设备的核心。它们 以通-断开关矩阵的方式被用于电力电子转换器中。开关式功 率变换的效率更高。 现今的功率半导体器件几乎都是用硅材料制造，可分类 如下： 二极管 晶闸管或可控硅 双向可控硅 门极可关断晶闸管 双极结型晶体管 电力金属氧化物半导体场效应晶体管

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 静电感应晶体管 绝缘栅双极型晶体管 金属氧化物半导体控制的晶闸管 集成门极换向晶闸管 二极管 电力二极管提供不可控的整流电源，这些电源有很广的 应用，如：电镀、电极氧化、电池充电、焊接、交直流电源 和变频驱动。它们也被用于变换器和缓冲器的回馈和惯性滑 行功能。典型的功率二极管具有P-I-N结构，即它几乎是纯半 导体层（本征层），位于P-N结的中部以阻断反向电压。

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 Anode Cathode Forward conduction drop Reverse leakage current Avalanche breakdown +IA -IA -VA 图 1-4A-1 二极管符号和伏安特性

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 正向偏置条件下，二极管可用一个结偏置压降和连续变化的 电阻来表示，这样可画出一条斜率为正的伏安特性曲线。典 型的正向导通压降为1.0伏。导通压降会引起导通损耗，必须 用合适的吸热设备对二极管进行冷却来限制结温上升。在反 向偏置条件下，由于少数载流子的存在，有很小的泄漏电流 流过，泄漏电流随电压逐渐增加。如果反向电压超过了临界 值，叫做击穿电压，二极管雪崩击穿，雪崩击穿指的是当反 向电流变大时由于结功率损耗过大造成的热击穿。 电力二极管分类如下: 标准或慢速恢复二极管 快速恢复二极管 肖特基二极管

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 晶闸管 闸流管或可控硅一直是工业上用于大功率变换和控制的 传统设备。50年代后期，这种装置的投入使用开辟了现代固 态电力电子技术。术语“晶闸管”来自与其相应的充气管等效 装置，闸流管。通常，晶闸管是个系列产品的总称，包括可 控硅、双向可控硅、门极可关断晶闸管、金属氧化物半导体 控制的晶闸管、集成门极换向晶闸管。晶闸管可分成标准或 慢速相控型，快速开关型，电压回馈逆变器型。逆变器型现 已淘汰。 图1-4A-2给出了晶闸管符号和它的伏安特性曲线。基本 上，晶闸管是一个三结P-N-P-N 器件，器件内P-N-P 和N-P- N 两个三极管按正反馈方式连接。

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 +IA -VA Cathode Anode Latching current Holding Forward Condution drop IG3>IG2>IG1 IG3 IG2 IG1 IG=0 +VA -IA Reverse Leakage Avalanche breakdown Breakover voltage Gate 图 1-4A-2 晶闸管符号和伏安特性

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 晶闸管可阻断正向和反向电压（对称阻断）。当阳极为 正时，晶闸管可由一个短暂的正门极电流脉冲触发导通；但 晶闸管一旦导通，门极即失去控制晶闸管关断的能力。晶闸 管也可由阳极过电压、阳极电压的上升率（dv/dt）、结温的 上升、PN结上的光照等产生误导通。 在门电流IG = 0时，如果将正向电压施加到晶闸管上， 由于中间结的阻断会产生漏电流；如果电压超过临界极限 （转折电压），晶闸管进入导通状态。随着门极控制电流IG 的增加，正向转折电压随之减少，最后，当门极控制电流 IG= IG3时，整个正向阻断区消失，晶闸管的工作状态就和 二极管一样了。在晶闸管的门极出现一个最小电流，即阻塞 电流，晶闸管将成功导通。

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 在导通期间，如果门极电流是零并且阳极电流降到临界 极限值以下，称作维持电流，晶闸管转换到正向阻断状态。 相对反向电压而言，晶闸管末端的P-N 结处于反向偏置状 态。现在的晶闸管具有大电压（数千伏）、大电流（数千 安）额定值。 双向可控硅 双向可控硅有复杂的复结结构，但从功能上讲，它是在 同一芯片上一对反并联的相控晶闸管。图1-4A-3给出了双向 可控硅的符号。在电源的正半周和负半周双向可控硅通过施 加门极触发脉冲触发导通。在Ⅰ+工作方式，T2端为正，双 向可控硅由正门极电流脉冲触发导通。在Ⅲ-工作方式，T1 端为正，双向可控硅由负门极电流脉冲触发导通。

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 双向可控硅比一对反并联 的晶闸管便宜和易于控制，但 它的集成结构有一些缺点。由 于少数载流子效应，双向可控 硅的门极电流敏感性较差，关 断时间较长。由于同样的原 因，重复施加的dv/dt 额定值较 低，因此用于感性负载比较困 难。双向可控硅电路必须有精 心设计的RC 缓冲器。双向可控 硅用于电灯的亮度调节、加热 控制、联合型电机驱动、50/60 赫兹电源频率的固态继电器。 Gate T2 T1 图 1-4A-3 双向可控硅符号

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 门极可关断晶闸管 门极可关断晶闸管，顾名思义，是一种晶闸管类型的器 件。同其他晶闸管一样，它可以由一个小的正门极电流脉冲 触发，但除此之外，它还能被负门极电流脉冲关断。GTO 的关断能力来自由门极转移P-N-P 集电极的电流，因此消除 P-N-P／N-P-N 的正反馈效应。GTO 有非对称和对称电压阻 断两种类型，分别用于电压回馈和电流回馈变换器。 GTO 的阻断电流增益定义为阳极电流与阻断所需的负门极电流之 比，典型值为4或5，非常低。这意味着6000安培的GTO 需 要1,500安培的门极电流脉冲。

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 但是，脉冲化的门极电 流和与其相关的能量非常 小，用低压电力MOS场效应 晶体管提供非常容易。GTO 被用于电机驱动、静态无功 补偿器和大容量AC/DC 电 源。大容量GTO的出现取代 了强迫换流、电压回馈的可 控硅换流器。图1-4A-4给出 了GTO的符号。 图 1-4A-4 GTO 符号 Gate Anode Cathode K G

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 电力MOS场效应晶体管 与以前讨论的器件不同，电力MOS场效应晶体管是一种 单极、多数载流子、“零结”、电压控制器件。图1-4A-5给出 了N型MOS场效应晶体管的符号。 Gate Drain D Integral Inverse diode Source S VGS VDS 图 1-4A-5 MOSFET 符号

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 感应，允许在漏极和源极之间流过由多数载流子（电子）组 成的电流。虽然栅极阻抗在稳态非常高，有效的栅—源极电 容在导通和关断时会产生一个脉冲电流。MOS场效应晶体管 有不对称电压阻断能力，如图所示内部集成一个通过所有的 反向电流的二极管。二极管具有慢速恢复特性，在高频应用 场合下通常被一个外部连接的快速恢复二极管旁路。 虽然对较高的电压器件来说，MOS场效应晶体管处于导 通时损耗较大，但它的导通和关断时间非常小，因而开关损 耗小。它确实没有与双极性器件相关的少数载流子存储延迟 问题。虽然在静态MOS场效应晶体管可由电压源来控制，通 常的做法是在动态由电流源驱动而后跟随一个电压源来减少 开关延迟。

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 MOS场效应晶体管在低压、小功率和高频（数十万赫 兹）开关应用等领域得到极其广泛的应用。譬如开关式电 源、无刷直流电机、步进电机驱动和固态直流继电器。 绝缘栅双极型晶体管 在20世纪80年代中期出现的绝缘栅双极型晶体管是功率 半导体器件发展历史上的一个重要里程碑。它们在中等功率 （数千瓦到数兆瓦）的电力电子设备上处处可见，被广泛用 于直流/交流传动和电源系统。它们在数兆瓦功率级取代了双 极结型晶体管，在数千瓦功率级正在取代门极可关断晶闸 管。IGBT 基本上是混合的MOS 门控通断双极性晶体管，它 综合了MOSFET 和BJT 的优点。它的结构基本上与MOSFET 的结构相似，只是在MOSFET 的N+漏极层上的集电极加了一 个额外的P+层。

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 G 图 1-4A-6 IGBT 符号 IGBT有MOSFET 的高输入阻抗和像BJT 的导通特性。 如果门极电压相对于发射极为正，P 区的N 型沟道受到感 应。这个P-N-P 晶体管正向偏置的基极—发射极结使IGBT 导通并引起 N－区传导性调制，这使得导通压降大大低于 MOSFET 的导通压降。在导通条件下，在IGBT 的等效电路 中，驱动器MOSFET 运送大部分的端子电流。由寄生N-P- N 晶体管引起的与晶闸管相似的阻塞作用通过有效地减少 P+层电阻系数和通过MOSFET 将大部分电流转移而得到预 防。

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 IGBT通过减小门极电压到零或负电压来关断，这样就切 断了P 区的导通通道。IGBT比BJT 或MOSFET 有更高的电 流密度。IGBT 的输入电容(Ciss)比MOSFET 的要小得多。 还有，IGBT的门极—集电极电容与门极—发射极电容之比更 低，给出了改善的密勒反馈效应。 金属氧化物半导体控制的晶闸管 金属氧化物半导体控制的晶闸管(MCT)，正像名字所说 的那样，是一种类似于晶闸管，通过触发进入导通的混合器 件，它可以通过在MOS 门施加一个短暂的电压脉冲来控制 通断。MCT 具有微单元结构，在那里同一个芯片上数千个 微器件并联连接。单元结构有点复杂。

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 图 1-4A-7 MCT 符号 G C 图1-4A-7 给出了MCT 的符号。它由一个相对于阳极的 负电压脉冲触发导通，由一个相对于阳极的正电压脉冲控制 关断。MCT 具有类似晶闸管的P-N-P-N 结构，在那里P-N-P 和N-P-N 两个晶体管部件连接成正反馈方式。但与晶闸管不 同的是MCT只有单极（或不对称）电压阻断能力。如果MCT 的门极电压相对于阳极为负，在P 型场效应晶体管中的P 沟 道受到感应，使N-P-N 晶体管正向偏置。这也使 P-N-P 晶体 正向偏置，由正反馈效应MCT进入饱和状态。在导通情况 下，压降为1伏左右（类似于晶闸管）。

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 如果MCT 的门极电压相对于阳极为正，N 型场效应晶 体管饱和并将P-N-P 晶体管的发射极-基极短路。这将打破晶 闸管工作的正反馈环，MCT关断。关断完全是由于再结合效 应因而MCT 的关断时间有点长。MCT 有限定的上升速率， 因此在MCT 变换器中必须加缓冲器电路。最近，MCT 已用 于“软开关”变换器中，在那不用限定上升速率。尽管电路结 构复杂，MCT的电流却比电力 MOSFET、BJT和IGBT的 大，因此它需要有一个较小的死区。1992年在市场上可见到 MCT，现在可买到中等功率的MCT。MCT的发展前景尚未 可知。

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 集成门极换向晶闸管 集成门极换向晶闸管是当前电力半导体家族的最新成 员，由ABB 在1997年推出。图1-4A-8给出了IGCT 的符号。 基本上，IGCT是一个具有单位关断电流增益的高压、大功 率、硬驱动不对称阻塞的GTO。这表示具有可控3,000安培 阳极电流的4,500 V IGCT需要3,000安培负的门极关断电 流。这样一个持续时间非常短、di/dt非常大、能量又较小的 门极电流脉冲可以由多个并联的MOSFET来提供，并且驱动 电路中的漏感要特别低。 A G 图 1-4A-8 IGCT 符号

P1U4A Power Semiconductor Devices 第一部分第四单元课文A 功率半导体器件 门驱动电路内置在IGCT模块内。IGCT内有一对单片集 成的反并联二极管。导通压降、导通时电流上升率di/dt 、门 驱动器损耗、少数载流子存储时间、关断时电压上升率dv/dt 均优于GTO 。IGCT更快速的通断时间使它不用加缓冲器并 具有比GTO 更高的开关频率。多个IGCT可以串联或并联用 于更大的功率场合。IGCT已用于电力系统连锁电力网安装 （100兆伏安）和中等功率（最大5兆瓦）工业驱动。

P1U4B Power Electronic Converters 第一部分第四单元课文B 电力电子变换器 1. 课文内容简介：主要介绍专业课《电力电子技术》中整流器、逆变器、斩波器、周波变换器的作用、工作原理、基本电路结构等内容。 2. 温习《电力电子技术》中整流电路、逆变电路、斩波电路、交-交变频电路等内容。 3. 生词与短语 rectifier n. 整流器 chopper n. 斩波器 inverter n. 逆变器 cycloconverter n. 周波变换器 electrochemical adj. 电化学的 VAR 静态无功功率 harmonics n. 谐波

P1U4B Power Electronic Converters 第一部分第四单元课文B 电力电子变换器 lagging n. 滞后，迟滞 power factor 功率因数 configuration n. 轮廓，格局 voltage-fed inverter 电压源型逆变器 current-fed inverter 电流源型逆变器 stiff voltage source 恒压源 stiff current source 恒流源 Thevenin impedance 戴维南电路等效阻抗 filter n. 滤波器 isolation transformer 隔离变压器 buck chopper 降压式变压器 boost chopper 升压式变压器 quadrant n. 象限 duty ratio 占空比，功率比

P1U4B Power Electronic Converters 第一部分第四单元课文B 电力电子变换器 4.难句翻译 [1] The efficiency of the rectifiers is very high, typically in the vicinity of 98%, because device conduction loss is low and switching loss is practically negligible. 由于器件开通时损耗低，且其开关损耗几乎可忽略不计，故该类整流器的效率很高，典型值约为98％。 [2] A variable voltage source can be converted to a variable current source by connection a large inductance in series and controlling the voltage within a feedback current control loop. 通过串联大电感，可变电压源可以在电流反馈控制回路的控制下转换为可变电流源。

P1U4B Power Electronic Converters 第一部分第四单元课文B 电力电子变换器 5.参考译文 B 电力电子变换器 电力电子变换器能将电力从交流转换为直流（整流 器），直流转换为直流（斩波器），直流转换为交流（逆变 器），同频率交流转换为交流（交流控制器），变频率交流 转换为交流（周波变换器）。它们是四种类型的电力电子变 换器。变换器被广泛用于加热和灯光控制，交流和直流电 源，电化学过程，直流和交流电极驱动，静态无功补偿，有 源谐波滤波等等。 整流器 整流器可将交流转换成直流。整流器可由二极管、可控 硅、GTO、 IGBT、IGCT等组成。二极管和相控整流器是电 力电子设备中份额最大的部分，它们的主要任务是与电力系 统连接。

P1U4B Power Electronic Converters 第一部分第四单元课文B 电力电子变换器 由于器件开通时损耗低，且其开关损耗几乎可忽略不计，故 该类整流器的效率很高，典型值约为98％。但是，它们的缺 点是在电力系统中产生谐波，对其他用户产生供电质量问 题。此外，晶闸管变换器给电力系统提供了一个滞后的低功 率因数负载。 二极管整流器是最简单、可能也是最重要的电力电子电 路。因为功率只能从交流侧流向直流侧，所以它们是整流 器。最重要的电路配置包括单相二极管桥和三相二极管桥。 常用的负载包括电阻性负载、电阻-电感性负载、电容-电阻 性负载。图1-4B-1给出了带RC负载的三相二极管桥式整流 器。

P1U4B Power Electronic Converters 第一部分第四单元课文B 电力电子变换器 图 1-4B-1 带RC负载的三相桥式整流器 ua ub uc La VD1 VD3 VD5 VD4 VD6 VD2 Ud CF R Lb Lc N Id

P1U4B Power Electronic Converters 第一部分第四单元课文B 电力电子变换器 逆变器 逆变器是从一侧接受直流电压，在另一侧将其转换成交流 电压的装置。根据应用情况，交流电压和频率可以是可变的或 常数。逆变器可分成电压源型和电流源型两种。电压源型逆变 器在输入侧应有一个刚性的电压源，即，电源的戴维南电路等 效阻抗应该为零。如果电源不是刚性的，再输入侧可接一个大 电容。直流电压可以是固定的或可变的，可从电网或交流发电 机通过一个整流器和滤波器得到。电流注入或电流源型逆变 器，像名字所表示的那样，在输入侧有一个刚性的直流电流 源，与电压源型逆变器需要一个刚性的电压源相对应。通过串 联大电感，可变电压源可以在电流反馈控制回路的控制下转换 为可变电流源。这两种逆变器都有着广泛的应用。它们使用的 半导体器件可以是IGBT、电力MOSFET和IGCT等等。 图1-4B-2给出了一种三相桥式电压源型逆变器的常见电 路。

P1U4B Power Electronic Converters 第一部分第四单元课文B 电力电子变换器 AC 图 1-4B-2 带电感负载的三相桥式电压型逆变器 Load c a n b C Ud Lr Ia Id

P1U4B Power Electronic Converters 第一部分第四单元课文B 电力电子变换器 斩波器 斩波器将直流电源转换成另一个具有不同终端参数的直 流电源。它们被广泛用于开关式电源和直流电机启动。其中 一些斩波器，尤其是电源中的斩波器，有一个隔离变压器。 斩波器经常在不同电压的直流系统中用作连接器。 降压和升压斩波器是两种基本的斩波器结构。分别称作 Buck 斩波器和Boost 斩波器。但是，要清楚降压斩波器也是 升流斩波器，反之亦然，因为输入功率一定等于输出功率。 降-升压斩波器既可降压也可升压。所有这些斩波器在电路结 构上可有一、二、四象限的变化。 图1-4B-3给出了降压斩波器的电路结构，它是一种电压 降、电流升斩波器。双位开关由电路开关S和二极管组成。 开关S以1/Ts 的频率通断，导通时间为τ。电压波形如图 1-4B-4所示。

P1U4B Power Electronic Converters 第一部分第四单元课文B 电力电子变换器 波器 topology S Us VD Uo Io + _ Is u1 图 1-4B-4 降压斩波器的电压波形 Us Uo

P1U4B Power Electronic Converters 第一部分第四单元课文B 电力电子变换器 因此平均输出电压为 平均电流为 D为占空比，变化范围是0~1。Is为直流电源输出的平均 电流。 周波变换器 周波变换器是一种变频器，它将频率固定的交流电转换 成不同频率的交流电，具有一步变换过程。相控晶闸管变换 器很容易被扩展为周波变换器。自控式交流开关，通常由 IGBT 组成，很容易被用作高频链接周波变换器。晶闸管相 控周波变换器被广泛用于大功率工业应用。

P1U4B Power Electronic Converters 第一部分第四单元课文B 电力电子变换器 fi fo DC a) High frequency fi fo b) 图 1-4B-5 频率变换方案 a) 直流链接 b) 高频链接

P1U4B Power Electronic Converters 第一部分第四单元课文B 电力电子变换器 对驱动交流电机的工业用周波变换器而言，输入的 50/60赫兹交流电在输出侧被转换成可变频、变压的交流电 来驱动电机。输出频率可从零（整流器工作）到一个上限值 之间变化，上限值总是低于输入频率（降频周波变换器）， 功率流可以是可逆的用于四象限电机速度控制。在变速恒频 系统中，输入功率由与可调速涡轮机连接的同步发电机提 供。如果同步发电机励磁可调，则同步发电机电压可调，但 输出频率总是正比于涡轮机速度。周波变换器的作用是调解 输出频率恒定（通常60或400赫兹）。图1-4B-5给出了变频 转换框图。图1-4B-5a 一般用于先将输入交流整流，然后通 过逆变器转换成可变频交流。图1-4B-5b，输入交流先通过 升频周波变换器转换成高频交流，再由降频周波变换器转换 成可变频交流。