绪论
电力电子技术与信息电子技术的重要区别：信息电子技术中半导体器件既可以处于放大状态，也可以处于开关状态；电力电子技术中，为避免损耗功率过大，电力电子器件总是工作在开关状态。
电力电子器件
概述
电气设备、电力系统中，直接承担电能变换或控制任务的电路被称为主电路(main power circuit)
电力电子器件(power electronic devive,以下简称PED)是指可以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。
PED的主要特征：
- 处理功率级的电压和电流
- 一般都工作于开关状态。导通时(通态)阻抗很小，接近短路，管压降接近于0，电流由外电路决定；阻断时(断态)阻抗很大，接近断路，电流几乎为0，管子两端电压由外电路决定。
- PED往往需要由信息电子电路来控制，两者间由驱动电路连接。
- 存在损耗：通态损耗=大通态电流×小通态压降；断态损耗=大断态电压×小断态漏电流；开关损耗=开通损耗+关断损耗；断态漏电流一般较小，因此通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因；器件开关频率高时，开关损耗会逐渐增大，称为器件功率损耗的主要因素。
应用电路电子器件的系统组成
电力电子器件的分类
按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度：
- 半控型器件，控制信号只能控制其导通，不能控制其关断。器件的关断完全取决于其在主电路中承受的电压和电流。代表器件：晶闸管(thyristor)
- 全控型器件，控制信号可以控制其导通与关断，又称自关断器件。代表器件：绝缘栅双极晶体管(IGBT)和电力场效应晶体管(Power MOSFET)
- 不可控器件，代表器件：电力二极管
按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质分：
- 电流驱动型：通过从控制端注入或抽出电流实现导通或关断
- 电压驱动型：通过在控制端和公共端施加一定的电压信号实现导通或关断。又称为场控器件或场效应器件
按照驱动电路加在PED控制端和公共端之间有效信号的波形分：
- 脉冲触发型：一旦进入导通/关断状态，且主电路条件不变，器件能继续维持原状态，不用继续施加控制端信号，就是脉冲触发型PED
- 电平控制型：要在PED控制端和公共端持续施加电压 /电流维持其状态，则为电平控制型电力电子器件
按器件内部电子、空穴两种载流子参与导电的情况分：
- 单极型器件：一种载流子参与导电，也称多子器件
- 双极型器件：电子和空穴两种载流子参与导电，也称少子器件
- 复合型器件：由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件，也称混合型器件
不可控器件-电力二极管
PN结与电力二极管
加正向电压：
- 左正右负，促进多子扩散，形成扩散电流，空间电荷区变窄，
- 外电路形成自P流入、从N流出的电流，称为正向电流\(I_F\)，
- 外电压升高，自建电场进一步被削弱，扩散电流增加。
- PN结导通。
加反向电压：
- 左负右正，促进少子漂移，形成漂移电流，空间电荷区变宽，
- 外电路形成自N流入、从P流出的电流，称为反向电流\(I_R\)，
- 少子浓度低，温度一定时，漂移电流数值趋于稳定，称为反向饱和电流\(I_S\)，一般为微安数量级
- 反向偏置的PN结呈现高阻态，几乎没有电流，称为反向截止状态
电力二极管的主要参数
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正向平均电流\(I_{F(AV)}\)
电力二极管长期运行时，在指定的壳温\(T_c\)和散热条件下，允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。该二极管允许流过的最大电流有效值为\(1.57I_{F(AV)}\)：
平均值：
\[I_1=\frac{1}{2\pi}\int_{0}^{\pi}{I_msin\omega t}{\rm d} t=\frac{I_m}{\pi} \]有效值：
\[I_2=(\frac{1}{2\pi}\int_{0}^{\pi}{(I_msin\omega t)^2}{\rm d} t)^{\frac{1}{2}}=\frac{I_m}{2} \]因此：平均值：有效值=1：1.57
反之，若已知某电力二极管在电路中需要流过某种波形电流的有效值为\(I_D\)，则至少要选取额定电流(即正向平均电流，通态平均电流)为\(I_D/1.57\)的电力二极管，当然还要考虑一些余量。
有效值的定义：让一个交流电流和一个直流电流分别通过阻值相同的电阻，如果在相同时间内产生的热量相等，那么就把这一直流电的数值叫做这一交流电的有效值。
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正向压降\(U_F\)
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
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反向重复峰值电压\(U_{RRM}\)
指对电力二极管能重复施加的反向最高峰值电压。选型时按照电路中二极管能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定该参数
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最高工作结温\(T_{JM}\)
PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。
半控型器件-晶闸管
晶闸管结构与工作原理
结构：
- A是阳极，K是阴极，G是门级(控制端)
- 内部结构四层三结，正向电压(A＞K)加在两边，J2结反偏，AK阻断；反向电压(A＜K)加在两边，J1和J3反偏，AK还是阻断，只能流过很小的漏电流
工作原理由双晶体管模型解释：
- 器件上取一个截面，将其看作两个晶体管V1和V2组合而成
- 先加个正压，外界向门级注入驱动电流\(I_G\)，然后流入V2的基极
- 由三极管知识(需要复习复习)集电极和基极电流有倍数关系，之后产生集电极电流\(I_{c2}\)，它同时构成V1管的基极电流
- V1管的基极电流又放大成集电极电流\(I_{c1}\)，进一步增大V2管的基极电流，形成强烈的正反馈
- 最后两管都进入完全饱和状态，即晶闸管导通
- 此时撤掉外电路注入门级的电流\(I_G\)，由于管子内部已经形成了很强烈的正反馈，会继续保持导通的状态。要使其关断，要去掉阳极加的正向电压，或者施加反压，或者使流过晶闸管的电流降低到某个接近0的数值以下
可见，对晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生触发电流\(I_G\)的电路称为门级触发电路。只能控制开通不能控制关断，所以晶闸管是半控型器件。
晶闸管基本特性
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静态特性
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- 晶闸管承受反向电压时，不论门级有无触发电流，晶闸管都不会导通
- 晶闸管承受正向电压，门级有触发电流时，晶闸管才导通
- 管子一旦导通，门级就失去控制作用了，触发电流存在与否，管子都会保持导通
- 要使已经导通的管子关断，只能利用外加电压、外电路的作用，使流过晶闸管的电流降到接近于0的某数值以下
晶闸管的伏安特性图：
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由图可得
- 第一象限是正向特性，第Ⅲ象限是反向特性
- 门级触发电流\(I_G\)为0，若给管子施加正向电压，则管子处于正向阻断状态，只有很小的漏电流通过；当正向电压超过临界极限即正向转折电压\(U_{bo}\)时，漏电流急剧增大，管子开通。
- 随门级触发电流的增大，正向转折电压会降低
- 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿
- 导通时，门级电流若为0，且阳极电流降至\(I_H\)以下，则晶闸管恢复正向阻断状态。\(I_H\)是维持电流，大小接近于0
- 给晶体管施加反向电压，其伏安特性与二极管的反向特性类似。
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动态特性
晶闸管存在开关损耗
晶闸管的主要参数
晶闸管的主要参数包括电压定额、电流定额和动态参数
电压定额：
- 断态重复峰值电压\(U_{DRM}\)：门级断路、结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。规定\(U_{DRM}\)为断态不重复峰值电压(即断态最大瞬时电压)\(U_{DSM}\)的90%。这个电压还应低于正向转折电压\(U_{bo}\)，余量由厂家自行规定。
- 断态重复峰值电压\(U_{RRM}\)：门级断路、结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。规定\(U_{RRM}\)为反向不重复峰值电压(即反向最大瞬时电压)\(U_{RSM}\)的90%。这个电压还应低于反向击穿电压，余量由厂家自行规定。
电流定额：
- 通态平均电流\(I_{T(AV)}\)：稳定结温不超过额定结温时所允许的最大工频正弦半波电流的平均值，这也是标称其额定电流的参数。这个参数和电力二极管对应的定义是类似的，是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。
- 维持电流\(I_H\)：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。结温越高，\(I_H\)越小。即从通态一直降降降，电流降到\(I_H\)以下，管子就关断了。
- 擎住电流\(I_L\)：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。即从断态一直升升升，电流升到\(I_L\)以上，管子就开通了。对于同一个管子，一般\(I_L\)是\(I_H\)的2~4倍
- 浪涌电流\(I_{TSM}\)：由于电路异常情况引起的、使结温超过额定结温的、不重复性最大正向过载电流。浪涌电流有上下两个级，这个参数可以作为设计保护电路的依据。
动态参数：
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开通时间\(t_{gt}\)、关断时间\(t_q\)
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断态电压临界上升率\(du/dt\)：额定结温、门级开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态的外加电压最大上升率。假如阻断状态下给管子加正向电压，越加越大，即这个电压具有正向的一个上升率，则阻断状态下的J2结会相当于一个电容，就会有充电电流流过：
\[i=C\frac{du}{dt} \]这个电流叫位移电流，经过J3结时，会起到类似于门级触发电流的作用。假如这个电压上升率太大了，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。所以使用中实际电压上升率必须低于这个临界值。
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通态电流临界上升率\(di/dt\)：规定条件下，晶闸管能承受的、无有害影响的最大通态电流上升率。假如电流上升的太快了，则晶闸管刚开通，就会有很大的电流集中在门级附近的小区域，从而造成局部过热，损坏管子
全控型器件
GTO门级可关断晶闸管
属于晶闸管的派生器件，属于电流驱动型器件
知道长什么样子就行了。
GTO的多元集成结构对关断有利，也比普通晶闸管开通更快，承受\(di/dt\)能力更强
GTR电力晶体管
属于耐高电压、大电流的双极结型晶体管BJT，有时也称为power BJT。电力电子技术的范围内，GTR与BJT两个名称等效。它也是电流驱动型管子。
电力场效应晶体管/电力MOSFET/MOS管
就像小功率的、用于信息处理场合的场效应晶体管(FET)分为结型和绝缘栅型一样，电力场效应晶体管也有这两种类型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS型，简称Power MOSFET，或MOS管。
主要特点：
- MOS管用栅极电压来控制漏极电流，为电压驱动型器件
- 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，耐压值低，多用于功率不超过10kW的电力电子装置
长这个样子：
IGBT绝缘栅双极晶体管
简单了解。IGBT综合了GTR和MOSFET的优点。
结构：有栅极G，集电极C，发射极E
小结
观察分类树可以发现：
- 单极型、复合型器件都是电压驱动型器件，双极型器件都是电流驱动型器件
- 电压驱动型器件的特点：输入阻抗高、需要的驱动功率小、驱动电路简单，工作频率高
- 电流驱动型器件的特点：有电导调制效应，通态压降低，导通损耗小，但是工作频率低，需要的驱动功率大，驱动电路比较复杂
- 电压驱动型器件都是电平控制型器件，而电流驱动型器件有的是电平控制型(GTR)，有的是脉冲触发型(晶闸管、GTO)