2.1　電力電子器件概述

電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)是由電力電子器件、電力電子電路和電力電子系統(tǒng)控制三個層次構(gòu)成的。電力電子器件（power electrics device）是指可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。從廣義上講，電力電子器件應(yīng)該分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類。目前電力電子技術(shù)中使用的器件絕大多數(shù)都是半導(dǎo)體器件。因此，通常所說的電力電子器件都是指電力半導(dǎo)體器件，目前使用的電力半導(dǎo)體器件大多是用單晶硅制成的。

由于電力電子器件直接用于處理電能的主電路中，因而同處理信息的電力電子器件相比，它一般具有如下特征：

（1）電力電子器件所能處理電功率的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)。其處理電功率的能力大小一般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于處理信息的電力電子器件。

（2）因?yàn)樘幚淼碾姽β瘦^大，為了減少本身的損耗，提高效率，電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。導(dǎo)通時阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，而電流由外電路決定；阻斷時阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，而器件兩端的電壓由外電路決定；就像普通晶體管的飽和與截止?fàn)顟B(tài)一樣。因而，電力電子器件的動態(tài)特性和參數(shù)，也是電力電子器件特性很重要的方面。

（3）在實(shí)際應(yīng)用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。由于電力電子器件所處理的電功率較大，因此普通的信息電子電路信號一般不能直接控制電力電子器件的導(dǎo)通或關(guān)斷，需要一定的中間電路對這些信號進(jìn)行適當(dāng)放大，這就是所謂的電力電子器件的驅(qū)動電路。

（4）盡管工作在開關(guān)狀態(tài)，但是電力電子器件自身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于處理信息的電力電子器件，因而為了保證不至于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上比較講究散熱設(shè)計(jì)，而且在其工作時一般都還需要安裝散熱器。這是因?yàn)殡娏﹄娮悠骷趯?dǎo)通或者阻斷狀態(tài)下，并不是理想的短路或者斷路。導(dǎo)通時，器件上有一定的通態(tài)壓降；阻斷時，器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過，形成電力電子器件的通態(tài)損耗和斷態(tài)損耗。此外，還有在電力電子器件由斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)（開通過程）或者通態(tài)轉(zhuǎn)為斷態(tài)（關(guān)斷過程）的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗，分別稱為開通損耗和關(guān)斷損耗，總稱為開關(guān)損耗。

電力電子器件半個世紀(jì)以來已發(fā)展了多種不同類型的器件，并可大致分類如下：

二極管因無控制極，屬于不可控器件；晶閘管（SCR）是典型的半控型器件；凡是能用控制信號促使器件導(dǎo)通和關(guān)斷的器件稱為全控型器件，又稱自關(guān)斷器件。在這類器件中，電流控制型器件需從控制極注入和抽出電流來實(shí)現(xiàn)器件的通斷，其代表是GTR，大容量GTR的開通電流增益僅為5～10，其基極平均控制功率較大；與此相反，電壓控制型器件可因其控制極加上或撤去控制電壓而實(shí)現(xiàn)器件通斷，當(dāng)器件處于穩(wěn)定導(dǎo)通或關(guān)斷時，其控制極無電流，故平均控制功率很小。由于電壓控制型器件是通過控制極電壓在主電極間建立電場來控制器件通斷的，故又稱場控或場效應(yīng)器件。根據(jù)電場存在的環(huán)境，場控器件又可分為結(jié)型場效應(yīng)器件和絕緣柵場效應(yīng)器件兩大類。本章分析的電力MOSFET屬于后一類。

根據(jù)器件內(nèi)部電子和空穴兩種參與導(dǎo)電的情況，所有器件可分為單極型、雙極型和復(fù)合型三大類。只有一種載流子參與導(dǎo)電的器件稱為單極型器件，如電力MOSFET；由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件稱為雙極型器件，如結(jié)型功率二極管和GTR；由前兩類器件復(fù)合而成的器件則稱為復(fù)合型器件，如IGBT。

根據(jù)導(dǎo)電機(jī)理和結(jié)構(gòu)的不同，所有二極管可分為PN結(jié)二極管（簡稱結(jié)型二極管）和肖特基勢壘二極管（簡稱勢壘二極管）。前者屬于雙極型器件，后者屬于單極型器件。

迄今為止，用來制造器件的材料均為硅。實(shí)驗(yàn)證明，和硅相比，碳化硅更適合用于制作電力電子器件，它在損耗、耐壓和耐高溫等方面的性能均優(yōu)于硅材料。雖然目前還存在價格和晶片工藝等問題，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些問題將會逐步得到解決。

圖2-1是主要的可控器件的功率容量（電壓×電流）和開關(guān)頻率的示意圖。晶閘管的容量最大，6000V、2500A規(guī)格的器件已經(jīng)制造出來了，但是開關(guān)頻率不高，只能用在工頻變換電路上。