任务一 电力电子器件

电力电子器件（Power Electronic Device）又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）的电子器件。

同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征如下：

（1）能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。

（2）电力电子器件一般都工作在开关状态。

（3）电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。

（4）电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。电力电子系统由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成如图1-1-1所示。

图1-1-1 电力电子系统的组成

控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能。

有的电力电子系统中，还需要有检测电路，对主电路某些参数进行检测并加以控制。

主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此，在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔离，而通过其他手段，如光、磁等来传递信号。

由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行，这往往是非常必要的。

器件一般有三个端子（或称极），其中两个连接在主电路中，而第三端称为控制端（或控制极）。器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。

按照器件能够被控制的程度，电力电子器件分为以下三类。

（1）半控型器件——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。例如，晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件就是半控型器件，器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定。

（2）全控型器件——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称为自关断器件。例如，绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT）、电力场效应晶体管（Power MOSFET，电力MOSFET）、门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor，GTO）等。

（3）不可控型器件——不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路。例如，电力二极管（Power Diode），只有两个端子，器件的通和断由其在主电路中承受的电压和电流来决定。

按照驱动电路信号的性质，分为以下两类。

（1）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。

（2）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。

一个理想的功率半导体器件，应该具有好的静态和动态特性，在截止状态时能承受高电压且漏电流要小；在导通状态时，能流过大电流和很低的管压降；在开关转换时，具有短的开、关时间；通态损耗、断态损耗和开关损耗均要小，同时能承受高的dI/dt和dU/dt，以及具有全控功能。