电力电子器件的原理及其使用方法
赵迎春 电气0902 电气工程工程自动化 能源与动力工程 2010年10月31日
电力电子器件是一类在电气设备或电力系统中，直接用于主电路（直接承担电能的变换或控制任务的电路实现电能变换或控制的电子器件。相对于系统中的控制电路，主电路中的器件要承受较高的电压，流过较大的电流。
电力电子器件也是指应用半导体工艺可承受或控制一定功率的是半导体元件，主要有硅流二极管、晶闸管、双极性功率二极管、功率场效应晶体管和绝缘基极的功率晶体管（IGBT ）。这些器件正沿着功率化、速度化、模块化和智能化方面发展。
电力电子器件是电力电子技术的基础，它的理论基础是半导体物理。
一、电力电子器件的特征
1、处理功率的范围较大
电力电子器件的直接用于处理电能的电路中，其处理电功率的容量范围较大，小到毫瓦级，大到兆瓦级，因此承受电压和电流的能量是其重要的参数。
2、一般工作在工作状态
电力电子器件直接对电能进行处理，其处理的电功率较大，减少器件自身损耗可以提高系统工作可靠性与工作效率，因此电力电子器件一般工作在开关状态。
3、采用信息电子电路进行控制
电力电子器件何时开通，何时关断则通常需要信息电子电路给出开关状态切换的控制信息，即电力电子器件的开关由控制电路进行控制。
4、采取保护措施
电力电子器件通常价格昂贵，同时，由于电力电子器件直接用于处理电能的主电路中，器件的损坏将导致整个电气设备或系统崩溃，从而造成严重损失，因此要采取一定措施保证电力电子器件可靠工作。通常，对电力电子器件的保护措施有过热、过流、过压保护等。
二、电力电子器件的分类
1、按控制能力分类
（1）不可控制器件 开通与关断由其所在的电路决定，如二极管
（2）半控器件 开通由控制信号控制，关断由所在电路决定，如晶闸管
（3）全控器件 开通与关断均由控制的信号控制，如三极管
2、按载流子类型分类
（1）单极型 通过半导体器件的电流由器件内部的电子或空穴作为载体，只有电子或只
有空穴参与导电
（2）双极型 同时有电子和空穴参与导电
（3）复合型 由单极与双极型器件复合而成
3、按制造材料分类
（1）硅半导体器件 现在很常见
（2）碳化硅器件 正处于开发阶段
三、电力电子器件的发展历程
电力电子技术先后经历了整流时代、逆变时代和变频时代，因此各个时期有不同的电力电子器件，代表如下:
1876年出现了硒整流管
1904年出现了可控制真空中电子流的真空管
1911年出现了水银封于管内的金属封装水银整流计
1948年贝尔实验室发明了晶体管
1953年出现了锗功率二极管
1957年开发出第一支晶闸管
20世纪70~80年代，出现了可断晶体管(GTO)、电力双极型晶体管(GTR)、电力场效应晶体管 20世纪80年代，出现了电感应晶体管(SIT)、静电感应式晶闸管、MOS 晶闸管
20世纪90年代，实现功率模块化
现在，功率半导体器件(PIC)
四、电力电子器件的原理（电力半导体器件的原理）
1、半导体技术的发展史
（1）半导体是一种介于绝缘体与良导体之间的材料
（2）半导体是于1839年被发现的，但其真正的应用是在上世纪中期
（3）半导体发现使人类从微电子时代进入光电子时代
2、半导体器件与半导体工作的基本原理
（1）PN 结
PN 结是将P 型和N 型办独特通过一定的掺杂工艺结合而成 。P 区的空穴浓度大，大量的空穴将通过交界面向N 区扩散，同时N 区的电子浓度大，电子将向P 区扩散。两类多数载流子的扩散运动形成扩散电流，方向从P 区流向N 区。交界面两侧分别留下不能移动的正负离子，在一边P 区内留下带负电的
离子，在另一边N 区内留下带正电的施主杂质离子，形成空间电荷层。在正负空间电荷层之间建立一定的电位差和内电场，电场方向由N 区指向P 区。内电场将削弱扩散运动，直至扩散电流等于漂移电流，达到动态平衡。在动态平衡下，交界面的正负空间电荷区就是PN 结
（2）二极管—最简单的半导体器件
二极管是由P 型导体与N 型导体构成在交界面上形PN 成结，它具有单向导通性，即必须是正电加在P 极，负电加在N 极，才会导通。二极管根据结构不同可分为点接触、面接触型和平面型，它们各自根据PN 面积的大小，分别适用于各种不同类型的电路
二极管的一个重要特性是它的伏安特性，也就是导通性的原理
①外加正向电压较小时，外电场不足以客服内电场对多子扩散的阻力，PN 结仍处于截止状态 ②正向电压大于“开启电压”后，i 随u 增大迅速上升
③外加反向电压，PN 结处于截止状态，反向电流很小
④反向电压大于“击穿电压”后，反向电流急速增加
（３）晶体管
它具有电流放大作用，是电子电路核心元件，它是在一块半导体基片上制作两个相距很近的ＰＮ结，排列方式有ＰＮＰ和ＮＰＮ两种
（４）ＭＯＳ晶体管
它是一种单极型晶体管，只有一个ＰＮ结在零偏压的状态下，它才是导通的，它有耗尽型和增强型两种，其特点是输出电流是由输入电压控制的，可近似认为输入电流极小或为零，这样就使得它具有很高的输入阻抗
（５）晶闸管
它是由三个ＰＮ结组成，相当于三端口
（6）集成电路
自1958年美国德克萨斯仪器公司（TI ）、仙童公司独立发明了第一块半导体集成电路以来，微电子产业已经成为当代高新技术的产业群的核心。它的发展一直遵循著名的摩尔定律，即：每18个月芯片集成度大体增长一倍，而价格下降一倍。它经历了三次大的变革，分别是：
第一次，以加工制造为主体的IC 产业发展的初级阶段
第二次，ＦＯＵＮＤＲＹ公司于ＩＣ公司的崛起
第三次，９０年代，ＩＣ产业进入以竞争为导向的高级阶段，集中精力转向ＣＰＵ的开发，对半导体工业做了重大结构调整
五、电力电子器件的使用
从上个世纪中期研制的普通晶闸管到后来有各种优异功能的电力电子器件，电力电子器件成功地体现了其在电力电子技术中的基础地位，在对电路控制中起到了不可替代的作用，因此它的应用领域也越来越广。
1、 在电力系统中的使用
（1） 大型发电机的静止励磁控制
（2） 水力、风力发电机的变速恒频励磁
（3） 发电厂风起、水泵的变速调速
2、在输配电中的使用
在输配电过程中，经常会考虑到升降压等措施来提高用电效率，电力电子器件的发展对其提供了高压大功率设备
3、在输电系统中的使用
电力电子器件在其中使用，有柔性交流输电技术、高压直流输电技术和静止无功补偿器
（1） 有柔性交流输电技术采用ＩＧＢＲ等可关断器件组成的ＦＡＣＴＳ元件
（2） 高压直流输电技术采用由多个三相桥变换器并联组成的复合结构变换器
（3） 静止补偿器易晶闸管为基本元件的固态开关快速、频繁地控制电抗器和电容器来改变输电导纳
4、在现代通讯中的使用
高频开关电源主要用于满足计算机、通信和数字信息处理系统需求的电源产品，它的特点是高性能、高效率、高可靠性和高功率密度。
变频调速技术及其应用是现代通讯中的一个重要组成部分，它加快了通讯技术的发展
5、其他应用
电车控制、节能与照明、利用自然能源发电、环境保护
六、电力电子器件未来的发展重点
（1）能源
（2）环保：在能源的环保中储能问题、能量转换问题、能量输配的问题、避免污染的装置等都与之有关
（3）信息与通讯:主要是设备的不断发展，性能要求不断加大
（4）生命科学：在生命医学方面，有很多医学工程上都用到电力电子，如人工心脏的开关电源
（5）生产：生产的全面自动化
（7）交通:在航天、航空、地线、电动汽车等方面
电力电子器件的原理及其使用方法
赵迎春 电气0902 电气工程工程自动化 能源与动力工程 2010年10月31日
电力电子器件是一类在电气设备或电力系统中，直接用于主电路（直接承担电能的变换或控制任务的电路实现电能变换或控制的电子器件。相对于系统中的控制电路，主电路中的器件要承受较高的电压，流过较大的电流。
电力电子器件也是指应用半导体工艺可承受或控制一定功率的是半导体元件，主要有硅流二极管、晶闸管、双极性功率二极管、功率场效应晶体管和绝缘基极的功率晶体管（IGBT ）。这些器件正沿着功率化、速度化、模块化和智能化方面发展。
电力电子器件是电力电子技术的基础，它的理论基础是半导体物理。
一、电力电子器件的特征
1、处理功率的范围较大
电力电子器件的直接用于处理电能的电路中，其处理电功率的容量范围较大，小到毫瓦级，大到兆瓦级，因此承受电压和电流的能量是其重要的参数。
2、一般工作在工作状态
电力电子器件直接对电能进行处理，其处理的电功率较大，减少器件自身损耗可以提高系统工作可靠性与工作效率，因此电力电子器件一般工作在开关状态。
3、采用信息电子电路进行控制
电力电子器件何时开通，何时关断则通常需要信息电子电路给出开关状态切换的控制信息，即电力电子器件的开关由控制电路进行控制。
4、采取保护措施
电力电子器件通常价格昂贵，同时，由于电力电子器件直接用于处理电能的主电路中，器件的损坏将导致整个电气设备或系统崩溃，从而造成严重损失，因此要采取一定措施保证电力电子器件可靠工作。通常，对电力电子器件的保护措施有过热、过流、过压保护等。
二、电力电子器件的分类
1、按控制能力分类
（1）不可控制器件 开通与关断由其所在的电路决定，如二极管
（2）半控器件 开通由控制信号控制，关断由所在电路决定，如晶闸管
（3）全控器件 开通与关断均由控制的信号控制，如三极管
2、按载流子类型分类
（1）单极型 通过半导体器件的电流由器件内部的电子或空穴作为载体，只有电子或只
有空穴参与导电
（2）双极型 同时有电子和空穴参与导电
（3）复合型 由单极与双极型器件复合而成
3、按制造材料分类
（1）硅半导体器件 现在很常见
（2）碳化硅器件 正处于开发阶段
三、电力电子器件的发展历程
电力电子技术先后经历了整流时代、逆变时代和变频时代，因此各个时期有不同的电力电子器件，代表如下:
1876年出现了硒整流管
1904年出现了可控制真空中电子流的真空管
1911年出现了水银封于管内的金属封装水银整流计
1948年贝尔实验室发明了晶体管
1953年出现了锗功率二极管
1957年开发出第一支晶闸管
20世纪70~80年代，出现了可断晶体管(GTO)、电力双极型晶体管(GTR)、电力场效应晶体管 20世纪80年代，出现了电感应晶体管(SIT)、静电感应式晶闸管、MOS 晶闸管
20世纪90年代，实现功率模块化
现在，功率半导体器件(PIC)
四、电力电子器件的原理（电力半导体器件的原理）
1、半导体技术的发展史
（1）半导体是一种介于绝缘体与良导体之间的材料
（2）半导体是于1839年被发现的，但其真正的应用是在上世纪中期
（3）半导体发现使人类从微电子时代进入光电子时代
2、半导体器件与半导体工作的基本原理
（1）PN 结
PN 结是将P 型和N 型办独特通过一定的掺杂工艺结合而成 。P 区的空穴浓度大，大量的空穴将通过交界面向N 区扩散，同时N 区的电子浓度大，电子将向P 区扩散。两类多数载流子的扩散运动形成扩散电流，方向从P 区流向N 区。交界面两侧分别留下不能移动的正负离子，在一边P 区内留下带负电的
离子，在另一边N 区内留下带正电的施主杂质离子，形成空间电荷层。在正负空间电荷层之间建立一定的电位差和内电场，电场方向由N 区指向P 区。内电场将削弱扩散运动，直至扩散电流等于漂移电流，达到动态平衡。在动态平衡下，交界面的正负空间电荷区就是PN 结
（2）二极管—最简单的半导体器件
二极管是由P 型导体与N 型导体构成在交界面上形PN 成结，它具有单向导通性，即必须是正电加在P 极，负电加在N 极，才会导通。二极管根据结构不同可分为点接触、面接触型和平面型，它们各自根据PN 面积的大小，分别适用于各种不同类型的电路
二极管的一个重要特性是它的伏安特性，也就是导通性的原理
①外加正向电压较小时，外电场不足以客服内电场对多子扩散的阻力，PN 结仍处于截止状态 ②正向电压大于“开启电压”后，i 随u 增大迅速上升
③外加反向电压，PN 结处于截止状态，反向电流很小
④反向电压大于“击穿电压”后，反向电流急速增加
（３）晶体管
它具有电流放大作用，是电子电路核心元件，它是在一块半导体基片上制作两个相距很近的ＰＮ结，排列方式有ＰＮＰ和ＮＰＮ两种
（４）ＭＯＳ晶体管
它是一种单极型晶体管，只有一个ＰＮ结在零偏压的状态下，它才是导通的，它有耗尽型和增强型两种，其特点是输出电流是由输入电压控制的，可近似认为输入电流极小或为零，这样就使得它具有很高的输入阻抗
（５）晶闸管
它是由三个ＰＮ结组成，相当于三端口
（6）集成电路
自1958年美国德克萨斯仪器公司（TI ）、仙童公司独立发明了第一块半导体集成电路以来，微电子产业已经成为当代高新技术的产业群的核心。它的发展一直遵循著名的摩尔定律，即：每18个月芯片集成度大体增长一倍，而价格下降一倍。它经历了三次大的变革，分别是：
第一次，以加工制造为主体的IC 产业发展的初级阶段
第二次，ＦＯＵＮＤＲＹ公司于ＩＣ公司的崛起
第三次，９０年代，ＩＣ产业进入以竞争为导向的高级阶段，集中精力转向ＣＰＵ的开发，对半导体工业做了重大结构调整
五、电力电子器件的使用
从上个世纪中期研制的普通晶闸管到后来有各种优异功能的电力电子器件，电力电子器件成功地体现了其在电力电子技术中的基础地位，在对电路控制中起到了不可替代的作用，因此它的应用领域也越来越广。
1、 在电力系统中的使用
（1） 大型发电机的静止励磁控制
（2） 水力、风力发电机的变速恒频励磁
（3） 发电厂风起、水泵的变速调速
2、在输配电中的使用
在输配电过程中，经常会考虑到升降压等措施来提高用电效率，电力电子器件的发展对其提供了高压大功率设备
3、在输电系统中的使用
电力电子器件在其中使用，有柔性交流输电技术、高压直流输电技术和静止无功补偿器
（1） 有柔性交流输电技术采用ＩＧＢＲ等可关断器件组成的ＦＡＣＴＳ元件
（2） 高压直流输电技术采用由多个三相桥变换器并联组成的复合结构变换器
（3） 静止补偿器易晶闸管为基本元件的固态开关快速、频繁地控制电抗器和电容器来改变输电导纳
4、在现代通讯中的使用
高频开关电源主要用于满足计算机、通信和数字信息处理系统需求的电源产品，它的特点是高性能、高效率、高可靠性和高功率密度。
变频调速技术及其应用是现代通讯中的一个重要组成部分，它加快了通讯技术的发展
5、其他应用
电车控制、节能与照明、利用自然能源发电、环境保护
六、电力电子器件未来的发展重点
（1）能源
（2）环保：在能源的环保中储能问题、能量转换问题、能量输配的问题、避免污染的装置等都与之有关
（3）信息与通讯:主要是设备的不断发展，性能要求不断加大
（4）生命科学：在生命医学方面，有很多医学工程上都用到电力电子，如人工心脏的开关电源
（5）生产：生产的全面自动化
（7）交通:在航天、航空、地线、电动汽车等方面