<电力电子技术>(第5版) 第1章绪论（第4版为“概述”，无章序号）

<电力电子技术>(第5版) 第1章绪论（第4版为“概述”，无章序号）
<电力电子技术>(第5版) 第1章绪论（第4版为“概述”，无章序号）西安交通大学电气工程学院王兆安

第1章绪论 1.1 什么是电力电子技术 1.2 电力电子技术的发展史 1.3 电力电子技术的应用 1.4 本教材的内容简介

1.1 什么是电力电子技术 ■电力电子技术的概念 ◆可以认为，所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。
☞电力电子技术中所变换的“电力” 有区别于“电力系统”所指的“电力” ，后者特指电力网的“电力” ，前者则更一般些。 ☞电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。

1.1 什么是电力电子技术 ◆具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。
☞电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础。 ☞变流技术则是电力电子技术的核心。表1-1 电力变换的种类输入输出交流（AC）直流（DC）整流直流斩波交流电力控制变频、变相逆变

1.1 什么是电力电子技术 ■电力电子学 ◆美国学者W. Newell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。
图1-1 描述电力电子学的倒三角形

1.1 什么是电力电子技术 ☞电力电子技术和电子学电力电子器件的制造技术和用于信息变换的电子器件制造技术的理论基础（都是基于半导体理论）
是一样的，其大多数工艺也是相同的。电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法也是一致的。 ☞电力电子技术和电力学电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电子学和电力学的主要关系。

1.1 什么是电力电子技术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之中，因此，无论是国内国外，通常都把电力电图1-2 电气工程的双三角形描述子技术归属于电气工程学科。在我国，电力电子与电力传动是电气工程的一个二级学科。图1-2用两个三角形对电气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学科内各二级学科的关系。

1.1 什么是电力电子技术 ☞电力电子技术和控制理论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，控制理论是自动化技术的理论基础，二者密不可分，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。

1.2 电力电子技术的发展史 ■电力电子技术的发展史
图1-3 电力电子技术的发展史 ◆一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。

1.2 电力电子技术的发展史 ◆晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。
☞1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。 ☞20世纪30年代到50年代，水银整流器广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在这一时期，也应用直流发电机组来变流。 ☞1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。

1.2 电力电子技术的发展史 ◆晶闸管时代 ☞晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且
其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。 ☞晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。

1.2 电力电子技术的发展史 ◆全控型器件和电力电子集成电路（PIC） ☞70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管
（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。 ☞采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式，简称斩控方式。 ☞在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起。它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优点。与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了MOSFET和GTO。

1.2 电力电子技术的发展史 ☞把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在一起，构成电力电子集成电路（PIC），这代表了
电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成技术包括以PIC为代表的单片集成技术、混合集成技术以及系统集成技术。 ☞随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率也不断提高。与此同时，软开关技术的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度。

1.3 电力电子技术的应用 ■电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信
系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。 ◆一般工业 ☞工业中大量应用各种交直流电动机，都是用电力电子装置进行调速的。 ☞一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。

1.3 电力电子技术的应用 ☞有些并不特别要求调速的电机为了避免起动时的电流冲击而采用了软起动装置，这种软起动装置也是电力电子装置。
☞电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源。 ☞电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合。图1-4 AB变频器

1.3 电力电子技术的应用 ◆交通运输 ☞电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流
斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术。 ☞电动汽车的电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制。 ☞飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。

1.3 电力电子技术的应用 ◆电力系统 ☞据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能
至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。 ☞直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型的IGBT器件。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。 ☞晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等电力电子装置大量用于电力系统的无功补偿或谐波抑制。在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质量控制，改善供电质量。 ☞在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置。

1.3 电力电子技术的应用图1-6 静止无功发生器（上）和晶闸管投切电容器（下）图1-5 中国南方电网公司安顺换流站

1.3 电力电子技术的应用 ◆电子装置用电源 ☞各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电
源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。 ☞在大型计算机等场合，常常需要不间断电源（Uninterruptible Power Supply__ UPS）供电，不间断电源实际就是典型的电力电子装置。

1.3 电力电子技术的应用 ◆家用电器 ☞电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。
☞空调、电视机、音响设备、家用计算机，不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。 ◆其它 ☞航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。 ☞抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来起动和调速。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。

1.3 电力电子技术的应用总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。 ☞新能源、可再生能源发电比如风
力发电、太阳能发电，需要用电力电子技术来缓冲能量和改善电能质量。当需要和电力系统联网时，更离不开电力电子技术。 ☞核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常常需要一些特种电源，这也是电力电子技术的用武之地。图1-7 风场总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。

1.4 本教材的内容简介 ■本教材的内容

第2章电力电子器件 2.1 电力电子器件概述 2.2 不可控器件——电力二极管 2.3 半控型器件——晶闸管 2.4 典型全控型器件
2.5 其他新型电力电子器件 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块本章小结

引言 ■模拟和数字电子电路的基础 ——晶体管和集成电路等电子器件电力电子电路的基础 ——电力电子器件 ■本章主要内容：
◆对电力电子器件的概念、特点和分类等问题作了简要概述。 ◆分别介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。

2.1 电力电子器件概述 2.1.1 电力电子器件的概念和特征 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类
2.1.4 本章内容和学习要点

2.1.1 电力电子器件的概念和特征 ■电力电子器件的概念
◆电力电子器件（Power Electronic Device）是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 ☞主电路：在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。 ☞广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。

2.1.1 电力电子器件的概念和特征 ■电力电子器件的特征
◆所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。 ◆为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。 ◆由信息电子电路来控制 ,而且需要驱动电路。 ◆自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。

2.1.1 电力电子器件的概念和特征 ☞电力电子器件的功率损耗通态损耗断态损耗开通损耗开关损耗关断损耗
☞通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。 ☞当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。

2.1.2 应用电力电子器件的系统组成 ■电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。
电气隔离图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成

2.1.3 电力电子器件的分类 ■按照能够被控制电路信号所控制的程度 ◆半控型器件
☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。 ☞器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。 ◆全控型器件 ☞目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 ☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。 ◆不可控器件 ☞电力二极管（Power Diode） ☞不能用控制信号来控制其通断。

2.1.3 电力电子器件的分类 ■按照驱动信号的性质 ◆电流驱动型 ☞通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。 ◆电压驱动型
☞仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。 ■按照驱动信号的波形（电力二极管除外） ◆脉冲触发型 ☞通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。 ◆电平控制型 ☞必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。

2.1.3 电力电子器件的分类 ■按照载流子参与导电的情况 ◆单极型器件 ☞由一种载流子参与导电。 ◆双极型器件
☞由电子和空穴两种载流子参与导电。 ◆复合型器件 ☞由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。

2.1.4 本章内容和学习要点 ■本章内容 ◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。 ■学习要点 ◆最重要的是掌握其基本特性。 ◆掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法。 ◆了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。 ◆了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。

2.2 不可控器件——电力二极管 2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二极管的基本特性
2.2.3 电力二极管的主要参数 2.2.4 电力二极管的主要类型

2.2 不可控器件——电力二极管·引言 ■电力二极管（Power Diode）自20世纪50年代初期就获得
应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。 ■在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基二极管，具有不可替代的地位。整流二极管及模块

2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 ■电力二极管是以半导体PN结为基础的, 实际上是由一个面积较大的PN结和两端引
线以及封装组成的。从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。 A K a) I P N J b) c) 图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 基本结构 c) 电气图形符号

2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 ■二极管的基本原理——PN结的单向导电性
◆当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF，这就是PN结的正向导通状态。 ◆当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。 ◆ PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。 ☞按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。 ☞反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。 ☞否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。

2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 ■PN结的电容效应 ◆称为结电容CJ，又称为微分电容
◆按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD ☞势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。 ☞扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。 ◆结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。

2.2.2 电力二极管的基本特性 ■静态特性 ◆主要是指其伏安特性 ◆正向电压大到一定值（门槛电压UTO ），正向电流才开始
明显增加，处于稳定导通状态。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。 ◆承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。 I O F U TO 图2-5 电力二极管的伏安特性

2.2.2 电力二极管的基本特性 ■动态特性 ◆因为结电容的存在，电压—电流特性是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。 ◆由正向偏置转换为反向偏置 ☞电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。 ☞在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。 ☞延迟时间：td=t1-t0 电流下降时间：tf =t2- t1 反向恢复时间：trr=td+ tf 恢复特性的软度： tf /td，或称恢复系数，用Sr表示。 a) IF U F t rr d f 1 2 R RP I i t1:反向电流达最大值的时刻 t0:正向电流降为零的时刻 t2:电流变化率接近于零的时刻 u b) U FP i F u t fr 2V 图2-6 电力二极管的动态过程波形正向偏置转换为反向偏置零偏置转换为正向偏置

2.2.2 电力二极管的基本特性 ◆由零偏置转换为正向偏置 ☞先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。
☞正向恢复时间tfr ☞出现电压过冲的原因:电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大；正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高。 U FP u i F t fr 2V 图2-6 电力二极管的动态过程波形 b) 零偏置转换为正向偏置

2.2.3 电力二极管的主要参数 ■正向平均电流IF(AV)
◆指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 ◆ IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。 ■正向压降UF ◆指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。 ■反向重复峰值电压URRM ◆指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 ◆使用时，应当留有两倍的裕量。

2.2.3 电力二极管的主要参数 ■最高工作结温TJM ◆结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。
◆TJM通常在125～175C范围之内。 ■反向恢复时间trr ■浪涌电流IFSM ◆指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。

2.2.4 电力二极管的主要类型 ■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。
◆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5s以上。 ☞其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。

2.2.4 电力二极管的主要类型 ◆快恢复二极管（Fast Recovery Diode——FRD）
☞恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5s以下）。 ☞快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED），采用外延型P-i-N结构，其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右）。 ☞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。

2.2.4 电力二极管的主要类型 ◆肖特基二极管（Schottky Barrier Diode——SBD） ☞属于多子器件
☞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。 ☞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。

2.3 半控型器件——晶闸管 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 2.3.2 晶闸管的基本特性 2.3.3 晶闸管的主要参数
2.3.4 晶闸管的派生器件

2.3 半控器件—晶闸管·引言 ■晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器
（Silicon Controlled Rectifier——SCR），以前被简称为可控硅。 ■1956年美国贝尔实验室（Bell Laboratories）发明了晶闸管，到 1957年美国通用电气公司（General Electric）开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于1958年使其商业化。 ■由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。晶闸管及模块

2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 ■晶闸管的结构 ◆从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构。
◆引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。 ◆内部是PNPN四层半导体结构。图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号

2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 ■晶闸管的工作原理 ◆按照晶体管工作原理，可列出如下方程：
（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。图2-8 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理

2.3.1 晶闸管的结构与工作原理由以上式（2-1）~（2-4）可得 ◆晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当
(2-5) ◆晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。 ◆在晶体管阻断状态下，IG=0，而1+2是很小的。由上式可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。 ◆如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致 1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，从而实现器件饱和导通。 ◆由于外电路负载的限制，IA实际上会维持有限值。

2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 ■除门极触发外其他几种可能导通的情况 ◆阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应
◆阳极电压上升率du/dt过高 ◆结温较高 ◆光触发 ■这些情况除了光触发由于可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。

2.3.2 晶闸管的基本特性 ■静态特性 ◆正常工作时的特性 ☞当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。
☞当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。 ☞晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。 ☞若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。

2.3.2 晶闸管的基本特性 ◆晶闸管的伏安特性 ☞正向特性
√当IG=0时，如果在器件两端施加正向电压，则晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过。 √如果正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。 √随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低，晶闸管本身的压降很小，在1V左右。 √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IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态，IH称为维持电流。正向转折电压Ubo 正向导通雪崩击穿 O + U A - I H G2 G1 G = bo DSM DRM RRM RSM 图2-9 晶闸管的伏安特性 IG2 >IG1 >IG

2.3.2 晶闸管的基本特性 ☞反向特性 √其伏安特性类似二极管的反向特性。 √晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流通过。
√当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，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。正向转折电压Ubo 正向导通雪崩击穿 O + U A - I H G2 G1 G = bo DSM DRM RRM RSM 图2-9 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG

2.3.2 晶闸管的基本特性 ■动态特性 ◆开通过程 ☞由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间，再加上外电路电感的限制，晶闸管受到触发
后，其阳极电流的增长不可能是瞬时的。 ☞延迟时间td (0.5~1.5s) 上升时间tr (0.5~3s) 开通时间tgt=td+tr ☞延迟时间随门极电流的增大而减小,上升时间除反映晶闸管本身特性外，还受到外电路电感的严重影响。提高阳极电压,延迟时间和上升时间都可显著缩短。阳极电流稳态值的90% 100% 90% 10% u AK t O d r rr gr U RRM I RM i A 阳极电流稳态值的10% 图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形

2.3.2 晶闸管的基本特性 ◆关断过程 ☞由于外电路电感的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流
在衰减时必然也是有过渡过程的。 ☞反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间tgr 关断时间tq=trr+tgr ☞关断时间约几百微秒。 ☞在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。反向恢复电流最大值尖峰电压 90% 10% u AK t O d r rr gr U RRM I RM i A 100% 图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形

2.3.3 晶闸管的主要参数 ■电压定额 ◆断态重复峰值电压UDRM ☞是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向
峰值电压（见图2-9）。 ☞国标规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值电压（即断态最大瞬时电压）UDSM的90%。 ☞断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo。 ◆反向重复峰值电压URRM ☞是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压（见图2-8）。 ☞规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压（即反向最大瞬态电压）URSM的90%。 ☞反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。

2.3.3 晶闸管的主要参数 ◆通态（峰值）电压UT ☞晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。
◆通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。 ■电流定额 ◆通态平均电流 IT(AV） ☞国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 ☞ 按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应来定义的。 ☞一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的原则所得计算结果的1.5~2倍。

2.3.3 晶闸管的主要参数 ◆维持电流IH ☞维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。
◆擎住电流 IL ☞擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。 ☞约为IH的2~4倍 ◆浪涌电流ITSM ☞指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。

2.3.3 晶闸管的主要参数 ■动态参数 ◆开通时间tgt和关断时间tq ◆断态电压临界上升率du/dt
☞在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。 ☞电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。 ◆通态电流临界上升率di/dt ☞在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。 ☞如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。

2.3.4 晶闸管的派生器件 ■快速晶闸管（Fast Switching Thyristor——FST） ◆有快速晶闸管和高频晶闸管。
◆快速晶闸管的开关时间以及du/dt和di/dt的耐量都有了明显改善。 ◆从关断时间来看，普通晶闸管一般为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管则为10s左右。 ◆高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。 ◆由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。

2.3.4 晶闸管的派生器件 ■双向晶闸管（Triode AC Switch——TRIAC或Bidirectional triode thyristor） ◆可以认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。 ◆门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。 ◆双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。 a) b) I O U G = T 1 2 图2-11 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性

2.3.4 晶闸管的派生器件 ■逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor——RCT）
◆是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。 ◆具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电路中。 b) U O I G = K G A a) 图2-12 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性

2.3.4 晶闸管的派生器件 ■光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT）
◆是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。 ◆由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在高压大功率的场合。光强度强弱 b) O U I A A G K AK a) 图2-13 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性

2.4 典型全控型器件门极可关断晶闸管电力晶体管电力场效应晶体管绝缘栅双极晶体管

2.4 典型全控型器件·引言 ■门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。 ■20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。
■典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。电力MOSFET IGBT单管及模块

2.4.1 门极可关断晶闸管 ■晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控型器件。
■GTO的结构和工作原理 ◆GTO的结构 ☞是PNPN四层半导体结构。 ☞是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出个极，但内部则包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO 元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。图2-14 GTO的内部结构和电气图形符号各单元的阴极、门极间隔排列的图形并联单元结构断面示意图电气图形符号

2.4.1 门极可关断晶闸管 ◆GTO的工作原理 ☞仍然可以用如图2-8所示的双晶体管模型来分析，V1、V2的共基极电流增益分别是1、2。1+2=1是器件临界导通的条件，大于1导通，小于1则关断。 ☞GTO与普通晶闸管的不同 √设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断。 √导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。 √多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。图2-8 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理

2.4.1 门极可关断晶闸管 ☞GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时饱和程度较浅。 ☞而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽
出电流，当两个晶体管发射极电流IA和IK的减小使1+2<1时，器件退出饱和而关断。 ☞GTO的多元集成结构使得其比普通晶闸管开通过程更快，承受di/dt的能力增强。

2.4.1 门极可关断晶闸管 ■GTO的动态特性 ◆开通过程与普通晶闸管类似。 ◆关断过程 ☞储存时间ts 下降时间tf 尾部时间tt
☞通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。 ☞门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡， ts就越短。使门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍能保持适当的负电压，则可以缩短尾部时间。 O t i G A I 90% 10% f s d r 1 2 3 4 5 6 抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小时间残存载流子复合所需时间图2-15 GTO的开通和关断过程电流波形

2.4.1 门极可关断晶闸管 ■GTO的主要参数 ◆GTO的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。 ◆最大可关断阳极电流IATO
◆电流关断增益off ☞最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比。 ☞off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。 ◆开通时间ton ☞延迟时间与上升时间之和。 ☞延迟时间一般约1~2s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。 ◆关断时间toff ☞一般指储存时间和下降时间之和，而不包括尾部时间。 ☞储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s。 ■不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电压时，应和电力二极管串联使用。

2.4.2 电力晶体管 ■电力晶体管（Giant Transistor——GTR）按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、
大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor——BJT） ■GTR的结构和工作原理 ◆与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。 ◆最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好。

2.4.2 电力晶体管 ◆ GTR的结构 ☞采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，并采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。
+表示高掺杂浓度，-表示低掺杂浓度图2-16 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动 ◆ GTR的结构 ☞采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，并采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。 ☞ GTR是由三层半导体（分别引出集电极、基极和发射极）形成的两个PN结（集电结和发射结）构成，多采用NPN结构。

2.4.2 电力晶体管 ☞在应用中，GTR一般采用共发射极接法。集电极电流ic与基极电流ib之比为
空穴流电子流 c) E b c i = e =(1+ ) (2-9) 称为GTR的电流放大系数，它反映了基极电流对集电极电流的控制能力。当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为 (2-10) ☞单管GTR的 值比处理信息用的小功率晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可以有效地增大电流增益。图2-16 c) 内部载流子的流动

2.4.2 电力晶体管 ■GTR的基本特性 ◆静态特性 ☞在共发射极接法时的典型输出特性分为截止区、放大区和饱和区三个区域。
☞在电力电子电路中， GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区。 ☞在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，一般要经过放大区。截止区放大区饱和区 O I c i b3 b2 b1 < U ce 图2-17 共发射极接法时 GTR的输出特性

2.4.2 电力晶体管 ◆动态特性 ☞开通过程 √需要经过延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。
√增大基极驱动电流ib的幅值并增大dib/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ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff。 √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。 ☞GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。 i b I b1 b2 cs c 90% 10% t 1 2 3 4 5 off s f on r d 是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。图2-18 GTR的开通和关断过程电流波形

2.4.2 电力晶体管 ■GTR的主要参数 ◆电流放大倍数、直流电流增益hFE、集电极与发射极间漏电流Iceo、
集电极和发射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff ◆最高工作电压 ☞GTR上所加的电压超过规定值时，就会发生击穿。 ☞击穿电压不仅和晶体管本身的特性有关，还与外电路的接法有关。 ☞发射极开路时集电极和基极间的反向击穿电压BUcbo 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压BUceo 发射极与基极间用电阻联接或短路联接时集电极和发射极间的击穿电压BUcer和BUces 发射结反向偏置时集电极和发射极间的击穿电压BUcex 且存在以下关系： ☞实际使用GTR时，为了确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。

2.4.2 电力晶体管 ◆集电极最大允许电流IcM ☞规定直流电流放大系数hFE下降到规定的 1/2~1/3时所对应的Ic。
一半或稍多一点。 ◆集电极最大耗散功率PcM ☞指在最高工作温度下允许的耗散功率。 ☞产品说明书中在给出PcM时总是同时给出壳温 TC，间接表示了最高工作温度。

2.4.2 电力晶体管 ■GTR的二次击穿现象与安全工作区 ◆当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大，
这种首先出现的击穿是雪崩击穿，被称为一次击穿。 ◆发现一次击穿发生时如不有效地限制电流，Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，同时伴随着电压的陡然下降，这种现象称为二次击穿。 ◆出现一次击穿后，GTR一般不会损坏，二次击穿常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变，因而对GTR危害极大。 ◆安全工作区（Safe Operating Area——SOA） ☞将不同基极电流下二次击穿的临界点连接起来，就构成了二次击穿临界线。 ☞GTR工作时不仅不能超过最高电压 UceM，集电极最大电流IcM和最大耗散功率PcM，也不能超过二次击穿临界线。二次击穿功率 SOA O I c cM P SB U ce ceM 图2-19 GTR的安全工作区

2.4.3 电力场效应晶体管 ■分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中
的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称电力MOSFET（Power MOSFET）。 ■电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，它的特点有： ◆驱动电路简单，需要的驱动功率小。 ◆开关速度快，工作频率高。 ◆热稳定性优于GTR。 ◆电流容量小，耐压低，多用于功率不超过 10kW的电力电子装置。

2.4.3 电力场效应晶体管 ■电力MOSFET的结构和工作原理 ◆电力MOSFET的种类 ☞按导电沟道可分为P沟道和N沟道。
☞当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型。 ☞对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为增强型。 ☞在电力MOSFET中，主要是N沟道增强型。

2.4.3 电力场效应晶体管 ◆电力MOSFET的结构 ☞是单极型晶体管。 ☞结构上与小功率MOS管有较大区
结构，所以又称为VMOSFET（Vertical MOSFET），这大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。 ☞按垂直导电结构的差异，分为利用 V型槽实现垂直导电的VVMOSFET （Vertical V-groove MOSFET）和具有垂直导电双扩散MOS结构的DMOSFET （Vertical Double-diffused MOSFET）。 ☞电力MOSFET也是多元集成结构。图2-20 电力MOSFET的结构和电气图形符号内部结构断面示意图 b) 电气图形符号

2.4.3 电力场效应晶体管 ◆电力MOSFET的工作原理 ☞截止：当漏源极间接正电压，栅极和源极间电压为零
时，P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。 ☞导通 √在栅极和源极之间加一正电压UGS，正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子——电子吸引到栅极下面的P区表面。 √当UGS大于某一电压值UT时，使P型半导体反型成N型半导体，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。 √UT称为开启电压（或阈值电压），UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流ID越大。

2.4.3 电力场效应晶体管 ■电力MOSFET的基本特性 ◆静态特性 ☞转移特性 √指漏极电流ID和栅源间电压
UGS的关系，反映了输入电压和输出电流的关系。 √ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率被定义为 MOSFET的跨导Gfs，即 (2-11) 图2-21 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 √是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。

2.4.3 电力场效应晶体管 ☞输出特性 √是MOSFET的漏极伏安特性。
√截止区（对应于GTR的截止区）、饱和区（对应于GTR的放大区）、非饱和区（对应于GTR的饱和区）三个区域，饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再增加，非饱和是指漏源电压增加时漏极电流相应增加。 √工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。 ☞本身结构所致，漏极和源极之间形成了一个与MOSFET反向并联的寄生二极管。 ☞通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。图2-21 电力MOSFET的转移特性和输出特性 b) 输出特性

图2-22 电力MOSFET的开关过程 a)测试电路 b) 开关过程波形
2.4.3 电力场效应晶体管 R s G F L i D u GS p + U E ◆动态特性 ☞开通过程 √开通延迟时间td(on) 电流上升时间tr 电压下降时间tfv 开通时间ton= td(on)+tr+ tfv ☞关断过程 √关断延迟时间td(off) 电压上升时间trv 电流下降时间tfi 关断时间toff = td(off) +trv+tfi ☞MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系，可以降低栅极驱动电路的内阻Rs，从而减小栅极回路的充放电时间常数，加快开关速度。 up为矩形脉冲电压信号源，Rs为信号源内阻，RG为栅极电阻，RL为漏极负载电阻，RF用于检测漏极电流。信号 (a) (b) 图2-22 电力MOSFET的开关过程 a)测试电路 b) 开关过程波形

2.4.3 电力场效应晶体管 ☞不存在少子储存效应，因而其关断过程是非常迅速的。 ☞开关时间在10~100ns之间，其工作频率可
达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。 ☞在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需要一定的驱动功率，开关频率越高，所需要的驱动功率越大。

2.4.3 电力场效应晶体管 ■电力MOSFET的主要参数 ◆跨导Gfs、开启电压UT以及开关过程中的各时间参数。 ◆漏极电压UDS
◆漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM ☞标称电力MOSFET电流定额的参数。 ◆栅源电压UGS ☞栅源之间的绝缘层很薄，UGS>20V将导致绝缘层击穿。 ◆极间电容 ☞ CGS、CGD和CDS。 ◆漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区。

2.4.4 绝缘栅双极晶体管 ■GTR和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较
低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力 MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。绝缘栅双极晶体管（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。

2.4.4 绝缘栅双极晶体管 ■IGBT的结构和工作原理 ◆IGBT的结构 ☞是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。
☞由N沟道VDMOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT，比VDMOSFET多一层P+注入区，实现对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。 ☞简化等效电路表明，IGBT 是用GTR与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。 RN为晶体管基区内的调制电阻。图2-23 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号

2.4.4 绝缘栅双极晶体管 ◆IGBT的工作原理 ☞IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种场控器件。
☞其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的。 √当UGE为正且大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。 √当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。 ☞电导调制效应使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。

图2-24 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性
2.4.4 绝缘栅双极晶体管 ■IGBT的基本特性 ◆静态特性 ☞转移特性 √描述的是集电极电流 IC与栅射电压UGE之间的关系。 √开启电压UGE(th)是 IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压，随温度升高而略有下降。（a）图2-24 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性

图2-24 IGBT的转移特性和输出特性 b) 输出特性
2.4.4 绝缘栅双极晶体管 ☞输出特性（伏安特性） √描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流IC与集射极间电压UCE之间的关系。 √分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。 √当UCE<0时，IGBT为反向阻断工作状态。 √在电力电子电路中，IGBT工作在开关状态，因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。 (b) 图2-24 IGBT的转移特性和输出特性 b) 输出特性

2.4.4 绝缘栅双极晶体管 ◆动态特性 ☞开通过程 √开通延迟时间td(on) 电流上升时间tr 电压下降时间tfv
开通时间ton= td(on)+tr+ tfv √tfv分为tfv1和tfv2两段。 ☞关断过程 √关断延迟时间td(off) 电压上升时间trv 电流下降时间tfi 关断时间toff = td(off) +trv+tfi √tfi分为tfi1和tfi2两段 ☞引入了少子储存现象，因而 IGBT的开关速度要低于电力 MOSFET。图2-25 IGBT的开关过程

2.4.4 绝缘栅双极晶体管 ■IGBT的主要参数 ◆前面提到的各参数。 ◆最大集射极间电压UCES
☞由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所确定的。 ◆最大集电极电流 ☞包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。 ◆最大集电极功耗PCM ☞在正常工作温度下允许的最大耗散功率。

2.4.4 绝缘栅双极晶体管 ◆IGBT的特性和参数特点可以总结如下： ☞开关速度高，开关损耗小。
全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。 ☞通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。 ☞输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。 ☞与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。

2.4.4 绝缘栅双极晶体管 ■IGBT的擎住效应和安全工作区 ◆IGBT的擎住效应 ☞在IGBT内部寄生着一个N-PN+晶体管和作为主开
关器件的P+N-P晶体管组成的寄生晶闸管。其中NPN晶体管的基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加一个正向偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控，这种现象称为擎住效应或自锁效应。 ☞引发擎住效应的原因，可能是集电极电流过大（静态擎住效应），dUCE/dt过大（动态擎住效应），或温度升高。 ☞动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流还要小，因此所允许的最大集电极电流实际上是根据动态擎住效应而确定的。

2.4.4 绝缘栅双极晶体管 ◆ IGBT的安全工作区 ☞正向偏置安全工作区（Forward Biased Safe
Operating Area——FBSOA） √根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。 ☞反向偏置安全工作区（Reverse Biased Safe Operating Area——RBSOA） √根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率dUCE/dt。

2.5 其他新型电力电子器件 2.5.1 MOS控制晶闸管MCT 2.5.2 静电感应晶体管SIT 2.5.3 静电感应晶闸管SITH
2.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT 2.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件

2.5.1 MOS控制晶闸管MCT ■MCT（MOS Controlled Thyristor）是将
MOSFET与晶闸管组合而成的复合型器件。 ■结合了MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程和晶闸管的高电压大电流、低导通压降的特点。 ■由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的 MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。 ■其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。

2.5.2 静电感应晶体管SIT ■是一种结型场效应晶体管。 ■是一种多子导电的器件，其工作频率与电力MOSFET相
■栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，这被称为正常导通型器件，使用不太方便，此外SIT通态电阻较大，使得通态损耗也大，因而SIT还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。

2.5.3 静电感应晶闸管SITH ■可以看作是SIT与GTO复合而成。
■又被称为场控晶闸管（Field Controlled Thyristor——FCT），本质上是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。 ■其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。 ■一般也是正常导通型，但也有正常关断型，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。

2.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT ■是将一个平板型的GTO与由很多个并联的电力 MOSFET器件和其它辅助元件组成的GTO门极驱
动电路采用精心设计的互联结构和封装工艺集成在一起。 ■容量与普通GTO相当，但开关速度比普通的 GTO快10倍，而且可以简化普通GTO应用时庞大而复杂的缓冲电路，只不过其所需的驱动功率仍然很大。 ■目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争。

2.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件 ■硅的禁带宽度为1.12电子伏特（eV），而宽禁带半导体
材料是指禁带宽度在3.0电子伏特左右及以上的半导体材料，典型的是碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石等材料。 ■基于宽禁带半导体材料（如碳化硅）的电力电子器件将具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和射线辐射的能力，许多方面的性能都是成数量级的提高。 ■宽禁带半导体器件的发展一直受制于材料的提炼和制造以及随后的半导体制造工艺的困难。

2.6 功率集成电路与集成电力电子模块 ■基本概念 ◆ 20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。
◆可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。 ◆对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。 ◆将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（Power Integrated Circuit——PIC）。

2.6 功率集成电路与集成电力电子模块 ■实际应用电路 ◆高压集成电路（High Voltage IC——HVIC）
☞一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 ◆智能功率集成电路（Smart Power IC——SPIC） ☞一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片 ◆智能功率模块（Intelligent Power Module——IPM） ☞专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。

2.6 功率集成电路与集成电力电子模块 ■发展现状 ◆功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。
◆以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。 ◆智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。 ◆功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。

本章小结 ■将各种主要电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性和主要参数等问题作了全面的介绍。 ■电力电子器件归类
◆按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况 ☞单极型：肖特基二极管、电力MOSFET和SIT等。 ☞双极型：基于PN结的电力二极管、晶闸管、GTO和 GTR等。 ☞复合型：IGBT、SITH 和MCT等。图2-26 电力电子器件分类“树”

本章小结 ◆按驱动类型 ☞电压驱动型器件 √单极型器件和复合型器件。 √共同特点是：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。
☞电流驱动型器件 √双极型器件。 √共同特点是：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大，驱动电路也比较复杂。 ◆按控制信号的波形 ☞电平控制型器件 √电压驱动型器件和部分电流驱动型器件（如GTR） ☞脉冲触发型器件 √部分电流驱动型器件（如晶闸管和GTO）

本章小结 ■电力电子器件的现状和发展趋势 ◆20世纪90年代中期以来，逐渐形成了小功率（10kW以下）场合以电力MOSFET为主，中、大
功率场合以IGBT为主的压倒性局面，在10MVA以上或者数千伏以上的应用场合，如果不需要自关断能力，那么晶闸管仍然是目前的首选器件。 ◆电力MOSFET和IGBT中的技术创新仍然在继续，IGBT还在不断夺取传统上属于晶闸管的应用领域。 ◆宽禁带半导体材料由于其各方面性能都优于硅材料，因而是很有前景的电力半导体材料。

第3章直流斩波电路 3.1 基本斩波电路 3.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路本章小结

第3章直流斩波电路·引言直流斩波电路（DC Chopper）电路种类将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。
第3章直流斩波电路·引言直流斩波电路（DC Chopper）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。也称为直流--直流变换器（DC/DC Converter）。一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流—交流—直流。电路种类 6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。复合斩波电路——不同结构基本斩波电路组合。多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合。

3.1 基本斩波电路 3.1.1 降压斩波电路 3.1.2 升压斩波电路 3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路
基本斩波电路降压斩波电路升压斩波电路升降压斩波电路和Cuk斩波电路 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路

3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路（Buck Chopper) 电路结构典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。全控型器件
降压斩波电路降压斩波电路（Buck Chopper) 全控型器件若为晶闸管，须有辅助关断电路。电路结构负载出现的反电动势续流二极管典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。

3.1.1 降压斩波电路工作原理 t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。
降压斩波电路 c) 电流断续时的波形 E V + - M R L VD i o u G t O b)电流连续时的波形 T on off 1 2 I 10 20 x a) 电路图工作原理 t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。 t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。动画演示。图3-1 降压斩波电路得原理图及波形

3.1.1 降压斩波电路数量关系电流连续电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。负载电压平均值：（3-1）负载电流平均值：
降压斩波电路数量关系电流连续负载电压平均值：（3-1） ton——V通的时间 toff——V断的时间 a--导通占空比负载电流平均值：（3-2）电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。

3.1.1 降压斩波电路斩波电路三种控制方式第2章2.1节介绍过：电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想。
降压斩波电路此种方式应用最多斩波电路三种控制方式 T不变，变ton —脉冲宽度调制（PWM）。 ton不变，变T —频率调制。 ton和T都可调，改变占空比—混合型。第2章2.1节介绍过：电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想。基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析。分V处于通态和处于断态初始条件分电流连续和断续

3.1.1 降压斩波电路同样可以从能量传递关系出发进行的推导由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变电源只在V处于通态时提供能量，为
降压斩波电路同样可以从能量传递关系出发进行的推导由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变电源只在V处于通态时提供能量，为在整个周期T中，负载消耗的能量为一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。

3.1.1 降压斩波电路负载电流断续的情况： I10=0，且t=tx时，i2=0 tx<toff 电流断续的条件：
降压斩波电路负载电流断续的情况：式（3-7）式（3-6）（3-16） I10=0，且t=tx时，i2=0 tx<toff （3-17）电流断续的条件：输出电压平均值为：（3-18）（3-19）负载电流平均值为：

升压斩波电路升压斩波电路（Boost Chopper） 1) 升压斩波电路的基本原理储存电能电路结构保持输出电压

升压斩波电路工作原理假设L和C值很大。 V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。 V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。动态演示。 a) 电路图 iGE io I1 b) 波形图3-2 升压斩波电路及工组波形

3.1.2 升压斩波电路数量关系设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为
升压斩波电路数量关系设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：（3-20）（3-21）化简得： T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。 ——升压比；升压比的倒数记作b ，即。 b和a的关系：因此，式（3-21）可表示为（3-23）（3-22）

3.1.2 升压斩波电路电容C可将输出电压保持住电压升高得原因：电感L储能使电压泵升的作用
升压斩波电路电压升高得原因：电感L储能使电压泵升的作用电容C可将输出电压保持住如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即：。（3-24）与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。输出电流的平均值Io为： (3-25) 电源电流的平均值Io为： (3-26)

3.1.2 升压斩波电路 2) 升压斩波电路典型应用一是用于直流电动机传动二是用作单相功率因数校正（PFC）电路
升压斩波电路 2) 升压斩波电路典型应用一是用于直流电动机传动二是用作单相功率因数校正（PFC）电路三是用于其他交直流电源中用于直流电动机传动再生制动时把电能回馈给直流电源。电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。动画演示。 a) u t O T E c) u o i 1 2 x on off I 20 o E O t i i i 1 2 I I 20 I 10 10 O t t on off t T b) 图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形 a）电路图 b）电流连续时 c）电流断续时

3.1.2 升压斩波电路数量关系当V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式：当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：
升压斩波电路数量关系当V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式： (3-27) 当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：（3-29）当电流连续时，考虑到初始条件，近似L无穷大时电枢电流的平均值Io，即（3-36）该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压看作是被降低到了。

图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形
升压斩波电路如图3-3c，当电枢电流断续时：当t=0时刻i1=I10=0，令式（3-31）中I10=0即可求出I20，进而可写出 i2的表达式。另外，当t=t2时，i2=0，可求得i2持续的时间tx，即 t O T E c) u o i 1 2 x on off I 20 tx<t0ff 图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形电流断续的条件

3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路升降压斩波电路 (buck -boost Chopper) 电路结构

图3-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形
3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路基本工作原理 V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。 V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。动态演示。 a) o t b) i 1 2 on off I L 图3-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形

3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路数量关系稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即 V处于通态 uL = E
（3-39） V处于通态 uL = E V处于断态 uL = - uo （3-40）所以输出电压为：（3-41）

3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路结论当0<a <1/2时为降压，当1/2<a <1时为升压，故称作升降压斩波电路。也有称之为buck-boost 变换器。图3-4b中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有：（3-42） o t b) i 1 2 on off I L （3-43）由上式得：（3-44）其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。

3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 2) Cuk斩波电路 V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路有电流。
V断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路有电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路 a）电路图 b）等效电路

3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路数量关系优点（与升降压斩波电路相比）：同理：
（3-45） V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1 toff。由此可得：（3-46）（3-46）（3-48）优点（与升降压斩波电路相比）：输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。

图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
电路结构 Speic电路原理 V通态，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同时导电，L1和L2贮能。 V断态，E—L1—C1—VD—负载回路及L2—VD—负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电（C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移）。输入输出关系： a) Sepic斩波电路 b) Zeta斩波电路图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路（3-49）

图3-6 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路
V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能。 V关断后，L1－VD－C1构成振荡回路， L1的能量转移至C1，能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。输入输出关系： b) Zeta斩波电路图3-6 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路（3-50）相同的输入输出关系。Sepic电路的电源电流和负载电流均连续，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。两种电路输出电压为正极性的。

3.2复合斩波电路和多相多重斩波电路电流可逆斩波电路桥式可逆斩波电路多相多重斩波电路

3.2.1 电流可逆斩波电路复合斩波电路——降压斩波电路和升压斩波电路组合构成多相多重斩波电路——相同结构的基本斩波电路组合构成
电流可逆斩波电路复合斩波电路——降压斩波电路和升压斩波电路组合构成多相多重斩波电路——相同结构的基本斩波电路组合构成电流可逆斩波电路斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，又可再生制动。降压斩波电路能使电动机工作于第1象限。升压斩波电路能使电动机工作于第2象限。电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组合。此电路电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第1象限和第2象限。

3.2.1 电流可逆斩波电路电路结构工作过程（三种工作方式) V1和VD1构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第1象限。
电流可逆斩波电路电路结构 V1和VD1构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第1象限。 V2和VD2构成升压斩波电路，电动机作再生制动运行，工作于第2象限。必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路。 a) 电路图工作过程（三种工作方式) 图3-7 电流可逆斩波电路及波形第3种工作方式：一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。当一种斩波电路电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。电路响应很快。

3.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路——两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压。
桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路——两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压。使V4保持通时，等效为图3-7a所示的电流可逆斩波电路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。使V2保持通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限。图3-8 桥式可逆斩波电路

在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成
多相多重斩波电路基本概念在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成多相多重斩波电路一个控制周期中电源侧的电流脉波数相数重数负载电流脉波数

3.2.3 多相多重斩波电路 3相3重降压斩波电路电路结构：相当于由3个降压斩波电路单元并联而成。
多相多重斩波电路 3相3重降压斩波电路电路结构：相当于由3个降压斩波电路单元并联而成。总输出电流为 3 个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的3倍，脉动频率也为3倍。总的输出电流脉动幅值变得很小。所需平波电抗器总重量大为减轻。总输出电流最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比。 t O 1 u 2 3 o i 图3-9 3相3重斩波电路及其波形

3.2.3 多相多重斩波电路当上述电路电源公用而负载为3个独立负载时，则为3相1重斩波电路。
多相多重斩波电路当上述电路电源公用而负载为3个独立负载时，则为3相1重斩波电路。而当电源为3个独立电源，向一个负载供电时，则为1相3重斩波电路。多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用。

本章小结本章介绍了6种基本斩波电路、2种复合斩波电路及多相多重斩波电路。
本章的重点是，理解降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理，掌握这两种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开关电源则是斩波电路应用的新领域，前者的应用在逐渐萎缩，而后者的应用是电力电子领域的一大热点。

第4章逆变电路 4.1 换流方式 4.2 电压型逆变电路 4.3 电流型逆变电路 4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路本章小结

引言 ■逆变的概念 ◆与整流相对应，直流电变成交流电。 ◆交流侧接电网，为有源逆变。 ◆交流侧接负载，为无源逆变，本章主要讲述无源逆变。
■逆变与变频 ◆变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 ◆交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。 ■逆变电路的主要应用 ◆各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。 ◆交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。

4.1 换流方式 4.1.1 逆变电路的基本工作原理 4.1.2 换流方式分类

4.1.1 逆变电路的基本工作原理 a) b) t S i u U 负载 ■以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理
◆ S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。负载 a) b) t S 1 2 3 4 i o u U d 图4-1 逆变电路及其波形举例 ◆当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正；当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，这样就把直流电变成了交流电。 ◆改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。 ◆电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。 ◆阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。

4.1.2 换流方式分类 ■换流 ◆电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。 ◆研究换流方式主要是研究如何使器件关断。
■换流方式分为以下几种 ◆器件换流（Device Commutation） ☞利用全控型器件的自关断能力进行换流。 ☞在采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。 ◆电网换流（Line Commutation） ☞电网提供换流电压的换流方式。 ☞将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。

4.1.2 换流方式分类 ◆负载换流（Load Commutation） ☞由负载提供换流电压的换流方式。
☞负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流，如电容性负载和同步电动机。 ☞图4-2a是基本的负载换流逆变电路，整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性，直流侧串大电感，工作过程可认为id基本没有脉动。 √负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，所以uo接近正弦波。 √注意触发VT2、VT3的时刻t1必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。 a) u ω t O i 1 b) o u VT 4 2 3 图4-2 负载换流电路及其工作波形

4.1.2 换流方式分类 ◆强迫换流（Forced Commutation）
☞设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。 ☞通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流。 ☞分类 √直接耦合式强迫换流：由换流电路内电容直接提供换流电压。 √电感耦合式强迫换流：通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。 ☞直接耦合式强迫换流 √如图4-3，当晶闸管VT处于通态时，预先给电容充电。当S合上，就可使VT被施加反压而关断。 √也叫电压换流。图4-3 直接耦合式强迫换流原理图

4.1.2 换流方式分类 ☞电感耦合式强迫换流 √图4-4a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断，图4-4b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断，注意两图中电容所充的电压极性不同。 √在这两种情况下，晶闸管都是在正向电流减至零且二极管开始流过电流时关断，二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。 √也叫电流换流。图4-4 电感耦合式强迫换流原理图 ■换流方式总结 ◆器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管而言的。 ◆器件换流和强迫换流属于自换流，电网换流和负载换流属于外部换流。 ◆当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭。

4.2 电压型逆变电路 4.2.1 单相电压型逆变电路 4.2.2 三相电压型逆变电路

4.2 电压型逆变电路·引言 ■根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类 ◆电压型逆变电路：直流侧是电压源。
◆电流型逆变电路：直流侧是电流源。 ■电压型逆变电路的特点 ◆直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。 ◆由于直流电压源的钳位作用，输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。 ◆阻感负载时需提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。图4-5 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）

4.2.1 单相电压型逆变电路 a) t O ON b) o U m - i 1 2 3 4 5 6 V VD ■半桥逆变电路 ◆在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点便成为直流电源的中点，负载联接在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。 ◆工作原理 ☞设开关器件V1和V2的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补。 ☞输出电压uo为矩形波，其幅值为Um=Ud/2。 ☞电路带阻感负载，t2时刻给V1关断信号，给V2开通信号，则V1关断，但感性负载中的电流io不能立即改变方向，于是VD2导通续流，当t3时刻io降零时，VD2截止，V2开通，io开始反向，由此得出如图所示的电流波形。图4-6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形

4.2.1 单相电压型逆变电路 ☞V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。 ◆优点是简单，使用器件少；其缺点是输出交流电压的幅值Um仅为Ud/2，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡；因此，半桥电路常用于几kW以下的小功率逆变电源。 a) t O ON b) o U m - i 1 2 3 4 5 6 V VD 图4-6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形

4.2.1 单相电压型逆变电路 ■全桥逆变电路 ◆共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。 ◆两对桥臂交替导通180°。
◆输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，但幅值高出一倍。 ◆在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。 ◆Ud的矩形波uo展开成傅里叶级数得 (4-1) 其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为 (4-2) (4-3) 图4-5 全桥逆变电路

4.2.1 单相电压型逆变电路 ◆移相调压方式 ☞ V3的基极信号比V1落后（0＜＜
180°）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180°-。输出电压是正负各为的脉冲。 ☞工作过程 √t1时刻前V1和V4导通， uo=Ud。 √t1时刻V4截止，而因负载电感中的电流io不能突变，V3不能立刻导通，VD3导通续流，uo=0。 √t2时刻V1截止，而V2不能立刻导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道，uo=-Ud。 √到负载电流过零并开始反向时，VD2和VD3截止，V2和V3开始导通，uo仍为-Ud。 √t3时刻V3截止，而V4不能立刻导通，VD4导通续流，uo再次为零。 ☞改变就可调节输出电压。 a) b) 图4-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式

4.2.1 单相电压型逆变电路 ■带中心抽头变压器的逆变电路 ◆交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。
◆两个二极管的作用也是提供无功能量的反馈通道。 ◆ Ud和负载参数相同，变压器匝比为1：1：1时，uo和io波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。 ◆与全桥电路相比较 ☞比全桥电路少用一半开关器件。 ☞器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高一倍。 ☞必须有一个变压器。图4-8 带中心抽头变压器的逆变电路

4.2.2 三相电压型逆变电路 ■三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。 ■三相桥式逆变电路 ◆基本工作方式是180°导电方式。
◆同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120 °，任一瞬间有三个桥臂同时导通。 ◆每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。假想中点图4-9 三相电压型桥式逆变电路

4.2.2 三相电压型逆变电路 ■工作波形 ◆对于U相输出来说，当桥臂1导通时，uUN’=Ud/2，当桥臂4导通时，uUN’=-Ud/2，uUN’的波形是幅值为Ud/2的矩形波，V、W两相的情况和U相类似。 ◆负载线电压uUV、uVW、uWU可由下式求出 t O a) b) c) d) e) f) g) h) u UN' UN UV i U d VN' WN' NN' 2 3 6 (4-4) ◆负载各相的相电压分别为 (4-5) 图4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形

4.2.2 三相电压型逆变电路 ◆把上面各式相加并整理可求得设负载为三相对称负载，则有uUN+uVN+uWN=0，故可得
t O a) b) c) d) e) f) g) h) u UN' UN UV i U d VN' WN' NN' 2 3 6 ◆把上面各式相加并整理可求得 (4-6) 设负载为三相对称负载，则有uUN+uVN+uWN=0，故可得 (4-7) ◆负载参数已知时，可以由uUN的波形求出U相电流iU的波形，图4-10g给出的是阻感负载下时iU的波形。 ◆把桥臂1、3、5的电流加起来，就可得到直流侧电流id的波形，如图4-10h所示，可以看出id每隔60°脉动一次。图4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形

4.2.2 三相电压型逆变电路 ■基本的数量关系 ◆把输出线电压uUV展开成傅里叶级数得式中，，k为自然数。 ◆输出线电压有效值UUV为
(4-8) 式中，，k为自然数。 ◆输出线电压有效值UUV为 (4-9) 其中基波幅值UUV1m和基波有效值UUV1分别为 (4-10) (4-11)

4.2.2 三相电压型逆变电路 ◆把uUN展开成傅里叶级数得式中，，k为自然数。 ◆负载相电压有效值UUN为
(4-12) 式中，，k为自然数。 ◆负载相电压有效值UUN为 (4-13) 其中基波幅值UUN1m和基波有效值UUN1分别为 (4-14) (4-15) ■为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路，要采取“先断后通”的方法。

4.2.2 三相电压型逆变电路＝0.45×200＝90（V）＝0.637×200＝127.4（V）＝ 1.1×200=220（V）
■例：三相桥式电压型逆变电路，180°导电方式，Ud=200V。试求输出相电压的基波幅值UUN1m和有效值UUN1、输出线电压的基波幅值UUV1m和有效值UUV1、输出线电压中7次谐波的有效值UUV7。解：＝0.45×200＝90（V）＝0.637×200＝127.4（V）＝ 1.1×200=220（V）＝ 0.78×200=156（V） UUV7 =2 Ud/（3.14×7× ）=22.3（V）

4.3 电流型逆变电路 4.3.1 单相电流型逆变电路 4.3.2 三相电流型逆变电路

4.3 电流型逆变电路·引言 ■直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。 ■电流型逆变电路主要特点
◆直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。 ◆交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关，输出电压波形和相位因负载不同而不同。 ◆直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。 ■电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多，换流方式有负载换流、强迫换流。图4-11 电流型三相桥式逆变电路

图4-12 单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路
4.3.1 单相电流型逆变电路 ■电路分析 ◆由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的di/dt。 ◆采用负载换相方式工作的，要求负载电流略超前于负载电压，即负载略呈容性。 ◆电容C和L 、R构成并联谐振电路。 ◆输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。图4-12 单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路

4.3.1 单相电流型逆变电路 ■工作波形分析 ◆在交流电流的一个周期内，有两个稳定导通阶段和两个换流阶段。
◆t1~t2：VT1和VT4稳定导通阶段，io=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压。 ◆在t2时刻触发VT2和VT3开通，开始进入换流阶段。 ☞由于换流电抗器LT的作用， VT1 和VT4不能立刻关断，其电流有一个减小过程，VT2和VT3的电流也有一个增大过程。图4-13 并联谐振式逆变电路工作波形

4.3.1 单相电流型逆变电路载电容电压经两个并联的放电回路同时放电。 √一个回路是经LT1、 VT1、VT3、LT3回到电容C。
☞4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电。 √一个回路是经LT1、 VT1、VT3、LT3回到电容C。 √另一个回路是经LT2、 VT2、VT4、LT4回到 ◆当t=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，直流侧电流Id全部从VT1、VT4转移到VT2、VT3，换流阶段结束。图4-13 并联谐振式逆变电路工作波形

4.3.1 单相电流型逆变电路 ◆晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，t4时刻换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间t，tβ= t5- t4应大于晶闸管的关断时间tq。 ◆为保证可靠换流应在uo过零前t = t5- t2时刻触发VT2、VT3，t为触发引前时间 (4-16) io超前于uo的时间（负载的功率因数角） (4-17) 把t表示为电角度（弧度）可得 (4-18) 图4-13 并联谐振式逆变电路工作波形

4.3.1 单相电流型逆变电路 ■基本的数量关系 ◆io展开成傅里叶级数可得其基波电流有效值Io1为
(4-19) 其基波电流有效值Io1为 (4-20) ◆负载电压有效值Uo和直流电压Ud的关系

4.3.1 单相电流型逆变电路一般情况下值较小，可近似认为cos(/2)≈1，再考虑到式(4-18)可得或
(4-21) ■实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式。 ◆固定工作频率的控制方式称为他励方式。 ◆自励方式存在起动问题，解决方法： ☞先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式。 ☞附加预充电起动电路。

4.3.2 三相电流型逆变电路 ■电路分析 ◆基本工作方式是120°导电方式，每个臂一周期内导电120°，每个时刻上下桥臂组各有一个臂导通。
◆换流方式为横向换流。 ■波形分析 ◆输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各120°的矩形波。 ◆输出电流和三相桥整流带大电感负载时的交流电流波形相同，谐波分析表达式也相同。 ◆输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波，但叠加了一些脉冲。 ◆输出交流电流的基波有效值IU1和直流电流Id的关系为 t O I d i V W u UV U 图5-14 电流型三相桥式逆变电路的输出波形图5-11 电流型三相桥式逆变电路 (4-22)

4.3.2 三相电流型逆变电路 ■串联二极管式晶闸管逆变电路 ◆主要用于中大功率交流电动机调速系统。 ◆电路分析
☞是电流型三相桥式逆变电路，各桥臂的晶闸管和二极管串联使用。 ☞ 120°导电工作方式，输出波形和图4-14的波形大体相同。 ☞采用强迫换流方式，电容C1~ C6为换流电容。 ◆换流过程分析 ☞电容器所充电压的规律：对于共阳极晶闸管，它与导通晶闸管相连一端极性为正，另一端为负，不与导通晶闸管相连的电容器电压为零，共阴极的情况与此类似，只是电压极性相反。图4-15 串联二极管式晶闸管逆变电路

4.3.2 三相电流型逆变电路 ☞等效换流电容概念：图4-16中的换流电容C13就是图4-14中的C3与C5串联后再与C1并联的等效电容。
+ U V W a) b) c) d) VT 1 2 3 VD C 13 I d i = 图4-16 换流过程各阶段的电流路径 ☞等效换流电容概念：图4-16中的换流电容C13就是图4-14中的C3与C5串联后再与C1并联的等效电容。 ☞分析从VT1向VT3换流的过程 √假设换流前VT1和VT2通，C13电压UC0左正右负。 √换流阶段分为恒流放电和二极管换流两个阶段。 √ t1时刻触发VT3导通，VT1被施以反压而关断，Id从VT1换到VT3，C13通过VD1、U相负载、W相负载、VD2、VT2、直流电源和VT3放电，放电电流恒为Id，故称恒流放电阶段，如图4－16b。

4.3.2 三相电流型逆变电路 √uC13下降到零之前，VT1承受反压，反压时间大于tq就能保证可靠关断。
√t2时刻uC13降到零，之后C13反向充电，忽略负载电阻压降，则二极管VD3导通，电流为iV，VD1电流为iU=Id-iV，VD1和VD3同时导通，进入二极管换流阶段。 √随着C13电压增高，充电电流渐小，iV渐大，t3时刻iU减到零，iV=Id，VD1承受反压而关断，二极管换流阶段结束。 √t3以后，进入VT2、VT3稳定导通阶段。 - + U V W a) b) c) d) VT 1 2 3 VD C 13 I d i = 图4-16 换流过程各阶段的电流路径

图4-17 串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形
4.3.2 三相电流型逆变电路 √从VT1向VT3换流的过程中，如果负载为交流电动机，则在t2时刻uC13降至零时，如电机反电动势eVU>0，则VD3仍承受反向电压而不能导通。直到uC13升高到与eVU相等后，VD3才承受正向电压而导通，进入VD3和VD1同时导通的二极管换流阶段。 ◆波形分析 ☞图4-17给出了电感负载时uC13、iU和iV的波形图。 ☞ uC1的波形和uC13完全相同。 ☞ uC3从零变到-UC0，uC5从UC0变到零，变化幅度是C1的一半。 ☞这些电压恰好符合相隔120°后从VT3到VT5换流时的要求，为下次换流准备好了条件。 t O u i U CO C13 C5 C3 - I d V 1 2 3 图4-17 串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形

4.3.2 三相电流型逆变电路 ■负载为同步电动机 ◆其工作特性和调速方式都和直流电动机相似，但没有换向器，因此被称为无换向器电动机。
O w t VT 4 导通 U V W i u dM 1 3 6 5 2 图4-18 无换相器电动机的基本电路 ■负载为同步电动机 ◆其工作特性和调速方式都和直流电动机相似，但没有换向器，因此被称为无换向器电动机。 ◆采用120°导电方式，利用电动机反电势实现换流。 ◆BQ是转子位置检测器，用来检测磁极位置以决定什么时候给哪个晶闸管发出触发脉冲。图4-19 无换相器电动机电路工作波形

4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 4.4.1 多重逆变电路 4.4.2 多电平逆变电路

4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路·引言 ■电压型逆变电路的输出电压是矩形波，电流型逆变电路的输出电流是矩形波，矩形波中含有较多的谐波，对负载会产生不利影响。 ■常常采用多重逆变电路把几个矩形波组合起来，使之成为接近正弦波的波形。 ■也可以改变电路结构，构成多电平逆变电路，它能够输出较多的电平，从而使输出电压向正弦波靠近。

4.4.1 多重逆变电路 ■二重单相电压型逆变电路 ◆两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变压器T1和T2串联起来。 ◆输出波形
☞两个单相的输出u1和u2是180°矩形波。 ☞u1和u2相位错开=60°,其中的3次谐波就错开了3×60°=180，变压器串联合成后，3次谐波互相抵消，总输出电压中不含3次谐波。 ☞ uo波形是120°矩形波，含6k±1次谐波，3k次谐波都被抵消。 ■由此得出的一些结论 ◆把若干个逆变电路的输出按一定的相位差组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量相互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。 ◆多重逆变电路有串联多重和并联多重两种方式，电压型逆变电路多用串联多重方式，电流型逆变电路多用并联多重方式。图4-20 二重单相逆变电路 120° 60° 180° t O 三次谐波 u 1 2 o 图4-21 二重逆变电路的工作波形

4.4.1 多重逆变电路 ■三相电压型二重逆变电路 ◆电路分析 ☞由两个三相桥式逆变电路构成，输出通过变压器串联合成。
☞两个逆变电路均为180°导通方式。 ☞工作时，逆变桥II的相位比逆变桥I滞后30°。 ☞ T1为Δ/ Y联结，线电压变比为，T2一次侧Δ联结，二次侧两绕组曲折星形接法，其二次电压相对于一次电压而言，比T1的接法超前30°，以抵消逆变桥II比逆变桥I滞后的30°，这样uU2和uU1的基波相位就相同。 ☞如果T2和T1一次侧匝数相同，为了使uU2和uU1基波幅值相同，T2和T1二次侧间的匝比就应为。图4-22 三相电压型二重逆变电路

4.4.1 多重逆变电路 U A21 UN U2 -U B22 U1 ( A1 ) t O 3 1 ) ( + U U1 A21 -U B22 U2 UN A1 d 2 图4-23 二次侧基波电压合成相量图 ◆工作波形 ☞T1、T2二次侧基波电压合成情况的相量图如图4-23所示，图中UA1、UA21、UB22分别是变压器绕组A1、A21、B22上的基波电压相量。 ☞由图4-24可以看出，uUN比uU1接近正弦波。图4-24 三相电压型二重逆变电路波形图

4.4.1 多重逆变电路 ◆基本的数量关系 ☞把uU1展开成傅里叶级数得式中，n=6k±1，k为自然数。 ☞uU1的基波分量有效值为
(4-23) 式中，n=6k±1，k为自然数。 ☞uU1的基波分量有效值为 (4-24) n次谐波有效值为 (4-25)

4.4.1 多重逆变电路 ☞输出相电压uUN的基波电压有效值为其n次谐波有效值为
(4-26) 其n次谐波有效值为 (4-27) 式中，n=12k±1，k为自然数，在uUN中已不含5次、7次等谐波。 ◆该三相电压型二重逆变电路的直流侧电流每周期脉动12次，称为12脉波逆变电路，一般来说，使m个三相桥式逆变电路的相位依次错开运行，连同使它们输出电压合成并抵消上述相位差的变压器，就可以构成脉波数为6m的逆变电路。

4.4.2 多电平逆变电路 t O a) b) c) d) e) f) g) h) u UN' UN UV i U d VN' WN' NN' 2 3 6 图4-9 三相电压型桥式逆变电路 ■回顾图4-9三相电压型桥式逆变电路和图4-10的波形，以N’为参考点，输出相电压有Ud/2和-Ud/2两种电平，称为两电平逆变电路。图4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形

4.4.2 多电平逆变电路 ■三电平逆变电路 ◆电路分析 ☞也称中点钳位型（Neutral Point Clamped）逆变电路。
☞每桥臂由两个全控器件串联构成，两者都反并联了二极管，且中点通过钳位二极管和直流侧中点相连。 ◆以U相为例分析工作情况 ☞ V11和V12（或VD11和VD12）导通，V41和V42关断时，UO'间电位差为Ud/2。图4-25 三电平逆变电路 ☞ V41和V42（或VD41和VD42）导通，V11和V12关断时，UO'间电位差为-Ud/2。 ☞ V12和V41导通，V11和V42关断时，UO'间电位差为0。 ☞ V12和V41不能同时导通，iU>0时，V12和VD1导通，iU<0时，V41和VD4导通。

4.4.2 多电平逆变电路 ◆线电压的电平 ☞相电压相减得到线电压。
☞两电平逆变电路的输出线电压有±Ud和0三种电平，三电平逆变电路的输出线电压有±Ud、±Ud/2和0五种电平。 ☞三电平逆变电路输出电压谐波可大大少于两电平逆变电路。 ☞三电平逆变电路另一突出优点：每个主开关器件承受电压为直流侧电压的一半。 ■用与三电平电路类似的方法，还可构成五电平、七电平等更多电平的电路，三电平及更多电平的逆变电路统称为多电平逆变电路。

本章小结 ■讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理 ◆四大类基本变流电路中，AC/DC和DC/AC两类电路更为基本、更为重要。 ■换流方式
◆分为外部换流和自换流两大类，外部换流包括电网换流和负载换流两种，自换流包括器件换流和强迫换流两种。 ◆换流概念在晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重要性有所下降。

本章小结 ■逆变电路分类方法 ◆可按换流方式、输出相数、直流电源的性质或用途等分类。
◆本章主要采用按直流侧电源性质分类的方法，分为电压型和电流型两类。 ◆电压型和电流型的概念用于其他电路，会对这些电路有更深刻的认识，负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路，电容滤波的整流电路可看成为电压型整流电路。 ■与其它章的关系 ◆本章对逆变电路的讲述是很基本的，还远不完整，第7章的PWM控制技术在逆变电路中应用最多，绝大部分逆变电路都是PWM控制的，学完下一章才能对逆变电路有一个较为完整的认识。 ◆逆变电路的直流电源往往由整流电路而来，二都结合构成间接交流变流电路。 ◆此外，间接直流变流电路大量用于开关电源，其中的核心电路仍是逆变电路，这些将在第10章介绍，学完第10章后，对逆变电路及其应用将有更完整的认识。

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