我們現在要開始學習一個新的學科——電力電子技術（ Power Electronics Technology）。它的應用前景是十分廣闊的，并且在國民經濟的主戰場發揮著越來越大的作用。

　　1．電力電子技術的定義

　　電力電子技術結合了電力技術、電子技術和控制技術等三個領域，是一門新興的很有前途的一門學科。我們可以用一個倒△來表示電力電子技術的集合，這就是Newell 所提出的“倒三角”定義，已為各國所接受，即把電力電子學定義為一門交叉于電氣工程三大領域：電力、電子和控制之間的邊緣科學，如圖1 所示。

　　電力電子技術是以電力電子器件為基礎。電力電子器件的功能是將以往傳統的機械產業、電力與微電子技術融為一體。極大地推動了傳統產業的技術革命，促進了機電一體化的發展。

　　國際電氣和電子工程師協會（IEEE）的電力電子學會將電力電子技術表述為：有效地使用電力半導體器件，應用電路和設計理論以及分析開發工具，實現對電能的高效能變換和控制的一門技術。

　　電力電子技術中包括了電壓變換、電流變換、頻率變換、波形變換等。因此，早期我國也稱電力電子技術為半導體變流技術。

　　2．電力電子學的任務

　　我們知道全國電網提供的是 50HZ 交流電，但好多場合需要直流電；而在航空、航天環境下為了減少應用電源的重量，需要400Hz 的交流電；也有的場合需要頻率可調的交流電。電力電子學的任務就是通過應用電力半導體器件的控制作用，實現對電網的供電電源加以變換或控制，從而將不同形式的電源提供給各種不同的應用場合。

　　3．電力電子技術是在器件的基礎上發展起來的

　　以開關方式工作的電力半導體器件是現代電力電子技術的基礎和核心。電力半導體器件的每一步新發展，都帶來電力電子技術的革命、帶動變換、電路技術的相應突破。

　　1958 年美國貝爾電報電話公司研制出世界上第一個晶閘管（ Thyristor ），工作電流只有十幾安培。但是由于它具有在電流、電壓、頻率三個方面的自由度的發展潛力，引起世界的重視，發展很快，為電子學進入功率系統開辟了一個新紀元。由此帶來電力電子技術的革命。

　　工作于工頻（50~60HZ）的普通整流管、晶閘管，開關功率可達 5000V/5000A。器件的發展方向是開發高速器件，尤其是自身兼有開通和關斷能力的所謂全控型器件。

　　70 年代后各種高速、全控型器件的先后問世，使電力電子器件在電力電子領域應用越來越廣泛。如 GTO（可關斷晶閘管）、GTR（大功率晶體管）、PowerFET（功率場效應晶體管）、IGBT（絕緣柵功率晶體管）、MCT（MOS 控制晶閘管）等等。

　　器件容量的擴大、結構原理的更新使器件的生產更加成熟。如電力電子器件的基本理論從電流模式發展到電荷控制模式，出現了短路陰極理論表面理論，GTO 從一維關斷理論發展到二維關斷模式，引入了陰極短路、隱埋門極等等新結構；GTR 的達林頓結構形式引伸到各式各樣的復合器件，成為 MOS-雙極型復合器件的基本結構形式。特別是微電子技術與電力器件制造技術相結合所產生的集成功率器件，使得以往不被重視的電力半導體一躍而成為高科技發展之列。

　　我國的整流二極管和晶閘管的生產水平可由西安電力電子技術研究所生產的 KP 型晶閘管作為代表。在直徑77mm硅片上，制造出電流達1600~2500A，電壓4400~1800V；1982 年引進美國 GE 公司整流管、晶閘管制造技術和關鍵工藝設備，2001 年引進 ABB 公司 Φ125mm 2600~3000A/7200~8500V 的 HVDC 生產技術，產品應用于三峽直流輸電工程； 2002 年引進西門子公司直徑 125mm，3000A/8500V 的光控晶閘管技術生產線，產品應用于三峽直流輸電工程；其次是北京整流器廠的生產水平為 1100~2500A，電壓 4500 ~5000V。2005 年研制成功國產100mm 直徑高壓大功率晶閘管。

　　GTR 的生產水平可用北京椿樹整流器廠和上海海燕半導體廠為代表，生產水平為 50 ~800A，1200~1600V。 GTO 的生產水平可用北京椿樹整流器廠和上海整流器廠的生產線作為代表，600 ~2500A，電壓 4500~1800V。

　　功率 MOS 場效應管國內已有2000 多伏的產品。

　　IGBT 和MCT 等國內起步較晚，仍舊以日本等國產品獨霸市場。

　　電力電子器件花樣繁多，各國都在揚長避短，構思新的復合器件。除了 IGBT、MCT 緒 論 3 外，功率集成電路PIC 就是生產需要的必然產物，它體積小、成本低、可靠性高、功能強。可以具有邏輯判斷、控制、自動保護、自動檢測、傳感、自診斷等能力。

　　在緒論中我們已經了解到，電力電子技術是生產的需要發展起來的。而電力電子技術是依賴電力電子器件的發展而起發展來的。也就是說，電力電子器件既是電力電子技術的基礎，也是電力電子技術發展的強大動力。可以說沒有電子器件，就沒有電力電子技術的今天。

　　我們學習電力電子技術，器件是基礎，變流是核心。電力電子學是以電子器件為基礎，掌握器件的物理特性，工作狀態，對電子器件的正確應用是非常重要的。電力電子開關器件是一切電力電子變流裝置的基本元素。它可以按設計者規定的方式把輸入到負載的電能周期性地接通和關斷，使負載獲得所需的能量形式。另外還可通過控制接通時間的長短來調節傳遞到負載的能量大小。

　　下面從應用的角度出發來介紹常用的電力電子器件，同學們分析時要明白器件的導通和關斷形式及其控制方法，了解電力電子器件的器件的符號、工作機理、特性、基本參數、驅動方法和保護方法。

　　我們先來對電力電子器件做一個簡單的劃分。

　　第一代器件：（20 世紀 40 年代~70 年代）

　　不可控器件：功率二極管（包括水銀整流器、硅整流塊）；

　　半可控器件：晶閘管及其派生器件；

　　第二代器件：（20 世紀 80 年代）

　　全控型器件：可關斷晶閘管、功率晶體管、功率場效應管；

　　第三代器件：（20 世紀 90 年代及以后）

　　功率 IC、IGBT（絕緣柵雙極晶體管）、MCT（MOSFET 晶閘管）、HVIC （功率高壓集成電路）、SMARTPOWERIC（功率智能集成電路）、S-IC（功率專用集成電路）。

　　這些器件中，晶閘管的應用最為廣泛，可以說，晶閘管是近代變流技術的核心。近年開發的主要是第二代和第三代產品，但第三代產品仍然受到功率的限制，只能應用在中小功率的場合。器件的發展正在沖破這一限制。電力電子器件具有功耗小、效率高、控制能力強等特點，隨著新型器件的廣泛應用，其工作頻率也在不斷提高，這樣必然使電力電子裝置的體積減小，重量變輕，應用場合進一步擴寬。本章主要介紹功率二極管、晶閘管及其派生器件、可關斷器件的 GTO、GTR、 IGBT、SIT、SITH、MCT。而且這些器件正向著高頻化、全控化、集成化、多功能化的方向發展，給我們的使用帶來了極大的方便。