电力半导体器件原理与应用

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电力半导体器件原理与应用 [复制链接]

      电力电子技术在国民经济领域中得到了广泛的应用， 正成为国民经济发展中
的关键支撑技术。 而电力半导体器件则作为电力电子技术及其应用装置的基础，
“一代器件决定一代电力电子技术”。
       正是由于电力半导体器件的重要性， 作为主要从事电力电子技术应用及装置
研制的学者和工程技术人员非常注重对电力半导体器件的学习和理解， 关注着电
力半导体器件的发展。 清华大学电机系电力电子与电机系统研究所在过去的十几
年中， 一直致力于电力电子技术的教学与科研工作， 研究和开发了各种高低压变
频器、 有源滤波器、 高频电源、 光伏逆变器、 风力发电变换器等电力电子装置并
予以推广应用。 长期的教学和科研实践使我们深深感到： 要掌握和研制好电力电
子装置， 必须掌握和理解好电力半导体器件的原理与特性。 正是基于这一目的，
2002 年， 我们特别邀请了我国电力电子技术领域的前辈王正元先生在清华大学
电机系开办了为期三个月的 “电力半导体器件原理与应用” 的研讨班， 特别探
讨了从应用的角度如何学习和理解电力半导体器件的原理与应用问题。 2006 年
清华大学电机系与三菱电机机电 （上海） 有限公司联合成立了 “清华 - 三菱电
力电子器件应用教学实验室”， 并在清华大学电机系开设了一门由三菱电机公司
赞助的研究生选修课程 “电力半导体器件及其应用”。 开课 5 年来， 仍一直在探
讨如何从应用的角度来学习和理解电力半导体器件原理与应用。
       本书也正是在这样的背景下编写而成的， 力求从电力半导体器件应用的角度
来诠释和分析其基本原理和应用特性。 全书共分为 8 章， 第 1 章主要阐述电力半
导体器件的基本功能和用途； 第 2 章介绍半导体器件物理基础， 包括半导体与导
体、 绝缘体， 原子中的电子能级， 晶体中的能带等； 第 3 章阐述双极型电力半导
体器件基本原理， 包括单 PN 结器件及多 PN 结特性； 第 4 章介绍单极型及混合
型电力半导体器件基本原理， 涉及结型场效应器件、 静电感应器件、 功率 MOS-
FET、 混合型器件 IGBT 和混合型器件 IGCT 等； 第 5 章叙述电力半导体器件的特
性和参数， 包括双稳态和双瞬态的基本工作状态， 通态特性、 阻态特性、 开通过
程、 关断过程、 触发特性以及系统安全工作区等； 第 6 章重点分析了电力半导体
器件应用特性， 包括电力半导体器件的串、 并联使用、 电力半导体器件可靠性和
失效分析以及电力半导体器件的保护等； 第 7 章进一步分析了变换器中电力半导
体器件的应用特性， 着重考虑电力半导体器件与变换器中其他因素之间的关系；
第 8 章介绍适用于变换器仿真的电力半导体器件建模， 以为变换器主回路优化设
计所用。
       本书的编写参考了王正元先生当年研讨会讲课提纲， 吸收了三菱电机和其他
公司的有关电力半导体器件资料， 同时参阅了大量的论著文献， 并且结合了我们
研究室多年来在电力半导体器件应用上的相关研究成果。 袁立强具体负责编写第
1 ～4、 6 ～8 章， 赵争鸣负责编写第 5 章和前言， 并对全书进行了统筹， 宋高升
负责提供并整编三菱半导体器件有关资料数据。 王正元先生在本书前期做了大量
的准备工作， 不幸于 2008 年因病仙逝。 本书的编写完成也是了却了王正元先生
的遗愿， 并以此作为对王正元先生的纪念。
        本书编写过程中， 还得到了作者所在的研究室许多老师和同学的支持和帮
助， 如孙晓瑛、 鲁挺、 易荣、 钟玉林、 王雪松、 胡斯登、 贺凡波、 雷一、 邹高
域、 尹璐、 陈凯楠、 白凌云、 胡仙来、 姬世奇、 鲁思兆、 葛俊杰、 田琦、 于华
龙、 张艺明、 李晶晶和陈治坪等， 在此表示感谢。 本书部分内容是在国家自然科
学基金项目 （50737002， 50707015） 资助下完成的， 如基于器件的系统安全工
作区、 器件并联特性研究、 杂散参数分析以及电力半导体器件建模等， 在此深表
感谢。
        本书可作为电机系统及其控制、 电力电子与电气传动等学科研究生专业课程
的参考书， 也可供从事电力电子技术应用的科技人员和有关科技管理人员参考。
由于作者水平有限， 编写时间仓促， 且电力半导体器件仍在快速发展之中，
书中难免存在许多的不足， 甚至是错误， 恳请广大读者批评指正。