交流电动机的调速性能可以和直流电动机 相媲美。在工业电动机的控制中， 交流调 速、直流调速以及节能和软起动都是通过 电力电子器件实现的， 其驱动结构如图所 示。
17
一、概述 4、电力电子器件的应用
• 交通运输 • 铁道电气化、电力机车控制、磁悬浮列车
的使用都离不开电力电子器件，高级汽车 中许多电机的控制是靠变频或斩波实现的 。电动汽车的电动机控制和蓄电池充电也 是靠电力电子装置实现，飞机、船舶、电 梯等都离不开电力电子装置。
18
一、概述 4、电力电子器件的应用
• 电源 • 不间断电源、电解电源、电镀电源、开关
电源、微机及仪器仪表电源、航空电源、 通信电源、交流电子稳压电源、脉冲功率 电源、动力牵引及传动控制用电源都是靠 变流技术实现的。
19
一、概述 4、电力电子器件的应用
• 家用电器 • 用于家庭照明的LED节能灯， 体积小、发
8
一、概述 3、按控制信号的性质分类
• (2) 电压驱动型器件。 • 通过施加在控制端和公共端之间的电压信
号来实现器件的导通或者关断的控制。 • 功率MOSFET、IGBT及PIC为电压驱动型
器件
9
一、概述
10
一、概述
11
一、概述 4、电力电子器件的应用 • 电力系统 • 为了控制和改善供电质量， 发电厂发出的 交流电必须经过电力电子装置的处理后送 到用户端， 没有电力电子器件的应用， 就 没有电力系统的现代化。
24
一、概述 5、发展趋势
• 快恢复二极管主要指与IGBT相匹配的 FRED器件，与快速晶闸管、高频晶闸管以 及GTO、IGCT等晶闸管派生器件匹配的 FRD器件。600V、1200V，100A的FRD已 进入批量生产阶段。国产快恢复二极管器 件在国内市场占有一定的份额。
25
一、概述 5、发展趋势
• 碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN ）以及氮化镓铝（AlGaN）等宽禁带半导体材料 受到了愈来愈多的关注，成为新材料、新器件研 究的热点。目前，美、日、俄、欧、韩等国家和 地区正在加紧研发宽禁带半导体器件，已经有商 业化产品出现。SiC肖特基二极管已经可以达到 4500V的击穿电压和225℃的工作结温，SiCPIN 二极管的工作电压已经达到20kV。SiC功率MOS 晶体管目前工作电压已经达到10kV。
• 门极和阴极间的控制电压仅控制其开通而不能控制其 关断， 器件的关断是由其在主电路中承受的电压和电
流决定的。
• 这类半控型器件是指晶闸管(Thyristor)及其大部分派生
器件。
6
一、概述 2、电力电子器件的分类
• (3) 全控型器件 • 带有控制端的三端器件， 其控制端不仅可
以控制其开通， 还能控制其关断。 • 门极关断晶闸管(GTO能装置、微型燃气发电机(Micro Cas
Turbo) 等新需求； • 再生能源、环保发电技术等分散发电将需
要交直流变流装置
14
一、概述 4、电力电子器件的应用
• 新能源利用与环境保护 • 电力电子器件装置还用于太阳能发电、风
力发电装置与电力系统的联网， 以及太阳 能发电与风力发电电能的改善。 • 现代社会对环境造成了严重的污染， 温室 气体的排放引起了国际社会的关注。我国 改革开放以来能源消费量急剧上升， 二氧 化碳排放量也有较大增加。
整流管和肖特基整流管的优点于一体的具
有MPS、SPEED和SSD等结构的新型高压
快恢复整流管。
30
二、电力二极管 1、Power Diode
• 二极管是一种由PN结构成的两端器件。 • 功率二极管是一种PN结面积比较大的二极管(一般 指电流容量在1A以上的二极管)， 多用硅材料做成。 • 分为低频功率二极管和高频功率二极管。 • 低频功率二极管主要用于50Hz电源整流， 高频功
21
一、概述
目前国际上5、功率发半导展体趋器件势的主流产品、市
场需求量较大的高频场控器件IGBT已发展到了第 六代，商业化已经发展到了第五代。IGBT及其模 块（包括IPM）已经涵盖了600V～6.5kV的电压 和1A～3500A的电流，应用IGBT模块的100MW 级的逆变器也已有产品问世。
目前我国有多家企业从事中小功率IGBT的封
装，只有少数厂家形成产业规模，在IGBT芯片的
产业化以及高压大功率IGBT的封装方面，几乎是
一片空白。国内封装IGBT模块所用芯片分别由英
飞凌、ABB和IR公司提供，只有极少量的芯片由
国内生产。
22
一、概述
5、发展趋势
• 高频场控电力电子器件中另一主流功率器件是功率MOS 器件，是目前功率半导体开关器件中市场容量最大、需求 增长最快的产品，是低功率范围内最好的功率开关器件。 国际上，增加元胞密度一直是制造高性能功率MOS器件 的发展方向。在降低器件导通损耗的基础上，提高器件性 能和可靠性，进一步降低以Superjunction结构为代表的新 结构器件制造成本、提升以SiCMOSFET为代表的宽禁带 半导体器件成品率成为功率MOS器件研发生产的努力方 向。国内也只是近年才有所涉及，功率MOS以平面工艺 的VDMOS为主，缺乏高元胞密度的低功耗功率MOS器件 产品，国际上热门的以Superjunction为基础的低功耗 MOS器件在国内尚处于研发阶段。
• 可关断晶闸管(GTO)、
• 功率场效应
• 晶体管(MOSFET)、
• 绝缘栅双极晶体管(IGBT) 以及
• 功率集成电路PIC等。。
3
一、概述 2、电力电子器件的分类
• 二极管属于不控型器件， • 晶闸管属于半控型器件， • 其他均属于全控型器件。 • SCR、GTO及GTR属电流驱动型器件， • 功率MOSFET、IGBT及PIC为电压驱动型
光效率高、节省能量多， 这是通过电力电 子器件把交流电转换成电力电子照明电源 来实现的。此外， 变频空调、电视机、音 响、洗衣机、电冰箱、微波炉、计算机等 都离不开电力电子器件的应用。
20
一、概述 4、电力电子器件的应用
• 结论 电力电子器件的应用与国民经济和日常
生活、工作息息相关。未来90%的电能均 需通过电力电子处理后再加以利用， 以便 提高能源利用效率、提高工业生产效率、 实现再生能源的最大利用。电力电子技术 将在21世纪为建设一个节能、环保、和谐 的社会发挥重要作用。
12
一、概述 4、电力电子器件的应用
• 电力系统 • 从技术层面来讲， 电力市场的引入将产生 对电力品质的改善装置。 • 不间断电源(UPS)、 • 静止无功补偿装置(SVC)、静止无功发生器
(SVG) • 动态电压恢复器(DVR)、电力有源滤波器
(APF)、限流器、
13
一、概述 4、电力电子器件的应用
率二极管主要用于高频整流电路、传递无功功率的 续流电路和功率开关的缓冲电路。 • 目前比较成熟的产品有PN型、PIN型快速恢复二极 管和功率肖特基二极管。
31
二、电力二极管 1 、快速功率二极管工作原理
• 1.1 结构与工作原理 • 二极管的核心是PN结， PN结最基本的特
性是单向导电性。因此二极管最适于做成 将交流电变为直流电的整流二极管。二极 管的图形符号如图所示， PN结的P端引线 称为阳极A， PN结的N端引线称为阴极K。
27
二、电力二极管 1、Power Diode
• 整流管产生于本世纪40年代，是电力电子器件 中结构最简单、使用最广泛的一种器件。目前已形 成普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管等三 种主要类型。其中普通整流管的特点是：漏电流小 、通态压降较高(10～1 8V)、反向恢复时间较长(几 十微秒)、可获得很高的电压和电流定额。多用于 牵引、充电、电镀等对转换速度要求不高的装置中 。
15
一、概述 4、电力电子器件的应用
• 新能源利用与环境保护 • 我国十分重视再生能源的开发， 2006年我
国实施了《再生能源法》。光伏、风力、 燃料电池等新能源发电技术推动电力电子 技术的应用，并形成电力电子技术的巨大 市场。
16
一、概述 4、电力电子器件的应用
• 混合动力汽车 • 由于电力电子器件应用技术的迅速发展，
器件
4
一、概述 2、电力电子器件的分类
• (1)不可控器件。 • 这类器件一般为两端器件， 一端是阳极， 另一端
是阴极。与电子电路中的二极管一样， 具有单向 导电性。
• 开关操作仅取决于其在主电路中施加在阳、阴极 间的电压和流过它的电流， 正向电压使其导通， 负向电压使其关断， 流过它的电流是单方向的。
32
二、电力二极管 1 、快速功率二极管工作原理
• 当二极管(即PN结) 接上正向电压(简称正偏 ) 时， 即阳极A (P) 接电源正端， 阴极K (N) 接电源负端， 二极管导电， 电流从A (P)流至K (N)； 当二极管即PN结接上反向 电压(简称反偏) 时， A (P) 接电源负端， K (N) 接电源正端， 二极管不导电(简称截止 或阻断)。
29
二、电力二极管
1、Power Diode
电力整流管对改善各种电力电子电路的
性能、降低电路损耗和提高电源使用效率
等方面都具有非常重要的作用。随着各种
高性能电力电子器件的出现，开发具有良
好高频性能的电力整流管显得非常必要。
目前，人们已通过新颖结构的设计和大规
模集成电路制作工艺的运用，研制出集PIN
26
一、概述 5、发展趋势
• 在我国，现有北京大学、西安电子科技、 浙江大学、中国电子科技集团公司第55研 究所、山东天岳先进材料科技有限公司、 北京天科合达蓝光半导体有限公司、能讯 微电子有限公司、南车时代电气股份有限 公司、国网智能电网研究所等单位已经或 开始宽禁带半导体材料和器件的研究，虽 然取得了一系列研究成果，但与国际上的 研发和产业化水平差距巨大。