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《电力牵引交流传动及其控制系统》报告

——各种电力电子器件技术特点的比较及其应用

电力电子器件及其应用装置已日益广泛，这与近30多年来电力电子器件与

电力电子技术的飞速发展和电力电子的重要作用密切相关。20世纪80年代以

后，电力电子技术等)的飞速发展，给世界科学技术、经济、文化、军事等各方面

带来了革命性的影响。电子技术包含两大部分：信息电子技术(包括：微电子、计

算机、通信等)是实施信息传输、处理、存储和产生控制指令；电力电子技术是实

施电能的传输、处理、存储和控制，保障电能安全、可靠、高效和经济地运行，

将能源与信息高度地集成在一起。

事实表明，无论是电力、机械、矿冶、交通、石油、能源、化工、轻纺等传

统产业，还是通信、激光、机器人、环保、原子能、航天等高技术产业，都迫切

需要高质量、高效率的电能。而电力电子正是将各种一次能源高效率地变为人们

所需的电能，实现节能环保和提高人民生活质量的重要手段，它已经成为弱电控

制与强电运行之间、信息技术与先进制造技术之间、传统产业实现自动化、智能

化改造和兴建高科技产业之间不可缺少的重要桥梁。而新型电力电子器件的出现，

总是带来一场电力电子技术的革命。电力电子器件就好像现代电力电子装置的心

脏，它对装置的总价值，尺寸、重量、动态性能，过载能力，耐用性及可靠性等，

起着十分重要的作用。因此，新型电力电子器件及其相关新型半导体材料的研究，

一直是电力电子领域极为活跃的主要课题之一。

一个理想的功率半导体器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在阻断

状态，能承受高电压；在导通状态，能导通高的电流密度并具有低的导通压降；

在开关状态和转换时，具有短的开、关时间，能承受高的di/dt和du/dt，具有低

的开关损耗；运行时具有全控功能和良好的温度特性。自20世纪50年代硅晶

闸管问世以后，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标做出了不懈努

力，并已取得了世人瞩目的成就。早期的大功率变流器，如牵引变流器，几乎都

是基于晶闸管的。到了20世纪80年代中期，4.5kV的可关断晶闸管得到广泛

应用，并成为在接下来的10年内大功率变流器的首选器件，一直到绝缘栅双极

型晶体管的阻断电压达到3.3kV之后，这个局面才得到改变。与此同时，对GTO

技术的进一步改进导致了集成门极换流晶闸管的问世，它显示出比传统GTO更

加显著的优点。目前的GTO开关频率大概为500Hz，由于开关性能的提高，IGCT

和功率IGBT的开通和关断损耗都相对较低，因此可以工作在1~3kHz的开关频

率下。至2005年，以晶闸管为代表的半控型器件已达到70MW/9000V的水平，

全控器件也发展到了非常高的水平。当前，硅基电力电子器件的水平基本上稳定

在109~1010WHz左右，已逼近了由于寄生二极管制约而能达到的硅材料极限，

不难理解，更高电压、更好开关性能的电力电子器件的出现，使在大功率应用场

合不必要采用很复杂的电路拓扑，这样就有效地降低了装置的故障率和成本。

1电力电子器件

电力电子器件又称为功率半导体器件，主要用于电力设备的电能变换和控制

电路方面大功率的电子器件（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）。

电力电子器件目前的制约因素有耐压，电流容量，开关的速度。电力电子器

件的分类多种多样。按照电力电子器件的开关控制能力，电力电子器件可分为三

类：不可控器件、半控型器件、全控型器件。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不同，又可以将电力电子器件分为电流控制型和电

压控制型。根据电力电子器件内部载流子的类型，可将电力电子器件分为单极型、

双极型和复合型三类。

1.1现代电力电子器件

1.1.1不可控器件

这是一类不能用控制信号来控制其通、断的电力电子器件，因此也就不需要

驱动电路。这类器件的典型代表是电力二极管。

电力二极管（PowerDiode）在20世纪50年代初期就获得应用，当时也被

称为半导体整流器；它的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样

的，都以半导体PN结为基础，实现正向导通、反向截止的功能；电力二极管是

不可控器件，其导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。优

点是其结构和原理简单，工作可靠。

1.1.2半控型器件

这是一类可以通过控制端来控制器件的开通，但不能控制其关断的电力电子

器件。这类器件的典型代表