《现代电力电子器件及其应用》

电力电子学是服务于电能的变换、控制、产生和输送的一个现代电子学分支，以工业应用为主要对象，包含了电力电子器件、电力电子电路与装置系统两个基本组成部分，其中电力电子器件及其应用技术是基础。

现代电力电子技术中使用的器件绝人多数都是半导体器件，只在频率很高的大功率高频无线发射机中还在使用电真空器件。由于电真空器件体积大、功耗高，它在电力电子技术中的最后这块领地也即将被新型电力半导体器件所占领。目前具有“固体电子管”之称的静电感应品体管(SIT)和射频功率MOS场效应品体管及射频双极功率品体管已在中小型射频功率(400Mz~1000Mz/10W~100W)范围的应用获得成功。因此，人们通常所说的电力电子器件都是指的电力半导体器件。

电力半导体器件已经走过了50年概念更新、性能换代的发展历程。以硅整流器和可控硅整流器(SCR现称品闸管)为代表的第一代电力半导体器件，以其体积小、功耗低等优势首先在大功率整流电路中迅速取代了老式的汞弧整流器，取得了明显的节能效果，并奠定了现代电力电子学的基础。但是，这一代器件只能控制导通而不能控制关断，且工作频率较低，处在这个阶段的电力电子学领域相对来说还是比较狭窄的。自20世纪70年代中期起，随着电力品体管(GTR)和可关断品闸管(GTO)等通断两态双可控的双极器件以及功率MOS场效应品体管和静电感应品体管(SIT)等通断两态双可控的单极器件的开发和兴起，电力电子学遂日益完善以至成熟。有人将这一类具有自关断能力的器件称为第二代电力电子器件。这一代器件中还包括结合了单、双极器件双方的优势于一身的、在20世纪80年代才开发出来的绝缘栅品体管(IGHBT)和MOS控制的品图管(MCT)。这一代器件有一个共同特点，就是采用了多个全同器件单元的集成结构，由几十、几百乃至几十万个具有相同功能和结构的元胞并联集成的功率集成器件。这一代器件的出现和发展是高压大电流器件技术同做电子技术相结合的自然结果，可称之为功率集成。自20世纪80年代中后期起，电力电子器件有两个智能化发展方向:一个是以智能功率模块(Intelligent Power Module-IPM)为代表的功率集成模块方向.已经广泛应用;另--个是功率集成电路方向(PIC).目前仍然处于发展中，主要用在汽车电子领域。功率集成模块由功率开关器件和它的驱动电路保护电路、逻辑控制电路以及相关的传感元器件等组成，从而在同一模块上实现了功率开关同微电子线路和半导体传感器技术的复杂集成。这种被称之为第三代智能化电力电子器件的高技术产品使能量和信息结合，是机和电的关键接口。因此，处在这一水平上的电力电子学将给传统工业以巨大冲击，有人认为智能化电力电子器件的成功是第二次电力电子革命即将到来的标志。

对于处在这样一个历史时期的、从事电力电子电路与装置研制的工程技术人员和即将从事这类工作的青年学生来说，了解各种新旧电力电子器件的工作原理和性能特点，从器件物理本质上认识器件，对于更好地使用器件，乃至更经济地、更高性能地设计和制造电力电子装置，都是有所神益并十分必要的。正是基于这种考虑，北方交通大学电气工程学院在工业电气自动化专业中开设了"电力电子器件及其应用”课程，本教材是经过校专家评审委员会评选后

推荐出版的。

本书分为6章。根据主要对象是学习电力电子电路和装置设计的大学本科学生这一特点,第1章扼要介绍了有关半导体的最基本知识,作为以后章节的理论基础，第2章介绍了半导体二极管和品体管，包括双极品体管和场效应品体管。这些器件本身是在电力电子电路和系统中必不可少的，更重要的是，它们也是最基本最典型的半导体器件，理解它们的工作原理是理解各种复杂电力电子器件的基础。第3章介绍了品闸管和4种派生器件，重点是品闸管。第4章和第5章分别介绍了电流控制型和电压控制型自关断器件，是本书的重点。第5章中介绍的器件包括了在国内现行教材中基本未曾提及的NPT-IGBT、IPM.MCT。虽然这些器件在短期内还不大可能有成熟的国产产品供应，但在改革开放的形势下，进口器件已经开始在国内广泛应用。第6章介绍了有关功率器件的散热问题，是完全针对使用器件的人员编写的:本书从电力电子器件的工作参数出发，探讨器件的工作原理，力图避免过多过繁的数学推导，侧重于将概念表达清楚，以适应非半导体专业本科学生的知识结构和兴趣，使他们通过较少时间的学习也能对这些器件从物理本质上获得较深刻的认识，以便将来在应用这些器件时从理论上有所遵循，尽可能克服盲目性和经验主义。

许多实践证明:对于电力电子器件仅有一知半解的知识是不可能应用好电力电子器件的，因为电力电子电路及装置的五大参数性能均与电力电子器件有着密切的关系，这五大参数的性能是高可靠性、高效率、高性能、高功率密度、高功率因数。对电力电子器件及其应用技术的深刻理解和掌握是研制“五高”电力电子装置的关键要素之一。另外，在电子设计自动化(EDA)时代.电子线路仿真软件(如Pspice,Saber等)的有效使用也需要较多的(电力)电子器

件知识。电力电子器件的发展日新月异，本书在编写过程中吸收增加了许多最新内容，如NPT-IGBT,VDMOS 的同步整流、沟槽 VDMOS(Trench MOS),沟槽棚 IGBT(Trench IGBT)智能功率模块(IPM)、MCT的目前发展状况、快恢复外延二极管FRED,碳化硅(SIC)肖特基二极管等内容。并增加了许多器件的发明过程简介、目前状况及今后发展方向的背景知识,既增加了学习的趣味性，又能够更深刻地理解及应用好电力电子器件。这些新的内容，对提高学生的创新思维能力也有所启发，例如，双极晶体管的发明获得过诺贝尔物理奖。至高无上的创新思维能力应该从不同的课程中得到启发和培养。

本书由北方交通大学电气工程学院电能变换与控制研究所的华伟副教授主编。北京品川电子技术发展有限责任公司的周文定研究员编写了部分内容，并为本书的编写提供了有用的资料，提出了宝贵的意见，给予了大力支持。两位编者从事电力电子器件及其应用技术的研究、教学、应用推广工作都有10年以上的时间，均具有坚实的半导体理论基础，既做过具体的电力电子器件研制，也从事过大量的电力电子电路及装置的研制开发，并对国内外电力电子器件的发展及市场应用情况具有较全面的认识。但由子我们水平及能力有限，时间也有些仓促，书中肯定还有错误和不妥之处，敬请读者予以批评指正，以便修改。我们也欢迎与读者探讨交流电力电子器件及其应用技术，具体联系地址见下。

在编写过程中.郑国青、朱俊星、张勇、张妍等提供了许多帮助，北方交通大学出版社的孙秀翠等编辑提供了许多的帮助与支持，在此表示衷心感谢!

本书受北方交通大学出版基金资助。

周文定

2002年3月