2.1　电力电子器件概述

电力电子技术的基础是由电力电子器件、电力电子电路和电力电子系统控制三个层次构成的。电力电子器件（power electrics 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。从广义上讲，电力电子器件应该分为电真空器件和半导体器件两类。目前电力电子技术中使用的器件绝大多数都是半导体器件。因此，通常所说的电力电子器件都是指电力半导体器件，目前使用的电力半导体器件大多是用单晶硅制成的。

由于电力电子器件直接用于处理电能的主电路中，因而同处理信息的电力电子器件相比，它一般具有如下特征：

（1）电力电子器件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。其处理电功率的能力大小一般都远远大于处理信息的电力电子器件。

（2）因为处理的电功率较大，为了减少本身的损耗，提高效率，电力电子器件一般都工作在开关状态。导通时阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定；阻断时阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而器件两端的电压由外电路决定；就像普通晶体管的饱和与截止状态一样。因而，电力电子器件的动态特性和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面。

（3）在实际应用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。由于电力电子器件所处理的电功率较大，因此普通的信息电子电路信号一般不能直接控制电力电子器件的导通或关断，需要一定的中间电路对这些信号进行适当放大，这就是所谓的电力电子器件的驱动电路。

（4）尽管工作在开关状态，但是电力电子器件自身的功率损耗通常仍远大于处理信息的电力电子器件，因而为了保证不至于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上比较讲究散热设计，而且在其工作时一般都还需要安装散热器。这是因为电力电子器件在导通或者阻断状态下，并不是理想的短路或者断路。导通时，器件上有一定的通态压降；阻断时，器件上有微小的断态漏电流流过，形成电力电子器件的通态损耗和断态损耗。此外，还有在电力电子器件由断态转为通态（开通过程）或者通态转为断态（关断过程）的转换过程中产生的损耗，分别称为开通损耗和关断损耗，总称为开关损耗。

电力电子器件半个世纪以来已发展了多种不同类型的器件，并可大致分类如下：

二极管因无控制极，属于不可控器件；晶闸管（SCR）是典型的半控型器件；凡是能用控制信号促使器件导通和关断的器件称为全控型器件，又称自关断器件。在这类器件中，电流控制型器件需从控制极注入和抽出电流来实现器件的通断，其代表是GTR，大容量GTR的开通电流增益仅为5～10，其基极平均控制功率较大；与此相反，电压控制型器件可因其控制极加上或撤去控制电压而实现器件通断，当器件处于稳定导通或关断时，其控制极无电流，故平均控制功率很小。由于电压控制型器件是通过控制极电压在主电极间建立电场来控制器件通断的，故又称场控或场效应器件。根据电场存在的环境，场控器件又可分为结型场效应器件和绝缘栅场效应器件两大类。本章分析的电力MOSFET属于后一类。

根据器件内部电子和空穴两种参与导电的情况，所有器件可分为单极型、双极型和复合型三大类。只有一种载流子参与导电的器件称为单极型器件，如电力MOSFET；由电子和空穴两种载流子参与导电的器件称为双极型器件，如结型功率二极管和GTR；由前两类器件复合而成的器件则称为复合型器件，如IGBT。

根据导电机理和结构的不同，所有二极管可分为PN结二极管（简称结型二极管）和肖特基势垒二极管（简称势垒二极管）。前者属于双极型器件，后者属于单极型器件。

迄今为止，用来制造器件的材料均为硅。实验证明，和硅相比，碳化硅更适合用于制作电力电子器件，它在损耗、耐压和耐高温等方面的性能均优于硅材料。虽然目前还存在价格和晶片工艺等问题，但随着技术的进步，这些问题将会逐步得到解决。

图2-1是主要的可控器件的功率容量（电压×电流）和开关频率的示意图。晶闸管的容量最大，6000V、2500A规格的器件已经制造出来了，但是开关频率不高，只能用在工频变换电路上。