功率变换开关技术（修订版）电力电子的核心理论_工业技术

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关于作者

金东海博士于1957年在日本庆应义塾大学获得本科学位，于1963年在东京大学获得电气工学博士学位，受聘日本上智大学电气电子工学科讲师，翌年准教授，于1975年聘

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译者序

电力电子化正在成为电力系统中发、输、配、用、储的必然发展趋势，能源互联网的发展与建设更离不开先进的电力电子技术。同时SiC、GaN等宽禁带半导体功率器件的实用化

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原书序言

1957年7月，美国GE公司开发出晶闸管产品（当时称为可控硅，Sili-con Controlled Rectifier，SCR）。同年4月起，作者作为日本东京

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本书中所用的主要变量符号及主要后缀符号

主要变量符号 e，v，i 电压、电流等的瞬时值（英文小写字母原则上表示时变量） E，V，I 交流量有效值，直流量（英文大写字母原则上表示时不变量，B除外） Em

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第1章电力电子变换技术的概况

目前，电力电子技术已广泛应用于各种领域，其核心是用于功率变换的电子开关技术，本书命名它为《功率变换开关技术》。电力电子技术是用功率变换来产生多种新形态的电力，以

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1.1 开关和功率变换电路

图1.1 电子化开关的种类开关是本书的主题。关于它的术语有很多，特别是开关电子化后变得相对复杂，所以首先说明一下各术语的意思。开关的英语表达switch的本来

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1.2 功率变换原理

开关器件SD以一定的周期进行on-off动作，经过一段时间后电路平稳运行，达到所谓的稳态。其电压和电流波形的例子如图1.4所示。根据图1.4a所示的控制信号，S

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1.3 电力电子与功率变换电路

电力电子是什么？对这个问题的回答随着时代变化而演变。图1.5所示为关于最新电动汽车技术的应用举例。第一级变换器将固定的电压调节变换为最适合的电压值来为后一级供电

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1.3.1 电压源和电流源的定义

首先，利用等价电源的思路来说明任意电路的输出特性。根据线性交流电路理论中的戴维南定理，如图1.6a所示，任意含有内部电源的电路都可以用理想电压源（相量表示）和内

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1.3.2 功率变换器的输入输出特性

变换器和变换器级联或者和负载设备级联连接时，不仅各个装置的输出特性重要，而且输入特性也很重要。为了说明输入输出特性的概念，将图1.3所示电路按照各部分功能进行分

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1.3.3 对变换电路的等价电源电路表示

将上述概念用于图1.3所示的升压变换电路，图1.8a所示为它的等价开关电路，其中，包括4组端子表示。首先，对输入端子A1-A2而言，如图1.4b所示的输入电流i

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1.3.4 等价电源和等价负载的分类

总结以上所述，电源包括电流源和电压源，并且它们有直流和交流之分。不过，这里所说的直流是指幅值和波形自由可变，电流（或电压）的方向原则上不变。另一方面，交流是指幅

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1.4 功率变换的系统构成

以上用简单电路说明了功率变换的基本原理。在实际应用时，还需说明一下功率变换的系统构成。生活中所使用的电力形式包括直流和交流，其中，电源形式有电压源和电流源。功率

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1.5 在电力电子中的应用

本书的“电力电子技术”是指对可利用的电力进行功率变换，使其变为更适用的电源形式，并应用于各种领域的综合技术。如今，在工业、交通、电力和军事等所有领域都有应用，代

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1.6 EMC问题

现在，环境污染问题的认识与解决是赋予工程师的重要课题。在应用功率变换开关技术时，需考虑电磁环境问题。电磁兼容性（ElectroMagnetic Compatib

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综合问题

（1）请说明电压源和电流源的基本定义。（2）请说明变换器、变换电路和变换装置的作用。（3）图1.2中，电感电流只向一个方向流动，请说明其理由。 [1]具有电

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第2章半导体开关器件

电力电子技术的主角是用半导体制作的开关器件，规范用语也称为阀门（valve，开闭阀的意思）器件。本章将描述实用的各个开关器件。这里讨论的开关器件基本是硅半导体构

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2.1 硅半导体物理性质的基本内容

硅是Ⅳ族元素，它的结晶是金刚石结构。Ⅳ族意味着在原子最外层的电子壳层上有4个电子。然而，满足外层壳层有8个电子是必要的，因为处于这种状态时原子结构非常稳定。在金

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2.2 pn结和二极管

半导体电子学是让各种类型的半导体进行接合并使其具有特殊导电特性的技术，它的基础是p型和n型半导体的二层结合。多层化接合可以形成各种器件，这里首先说明pn结的功能

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2.2.1 pn结二极管

让p型半导体和n型半导体相接触形成pn结（pn junction）[1]，由于两者内部的载流子分布不同，所以根据热扩散运动各自的多数载流子向对方的半导体流动，称

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2.2.2 pin二极管

功率开关所用的二极管是大容量器件，正向电流容量可达几千安培，反向耐压可达几千伏。由于反向电压几乎全部被施加在pn结的耗尽层上，所以若耗尽层承受的电场强度过大，则

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2.2.3 少数载流子累积效应和异常电压

以上清楚地说明了二极管的静态特性，下面将讨论二极管的动态特性。在图2.7a所示的升压斩波电路中，开关器件反复开关动作，放大一个周期的电压电流，如图2.7b所示。

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2.2.4 缓冲电路

一般来说，在电路中快速开关动作时发生异常电压是很常见的，基于二极管的异常电压是其中的典型例子。其发生的异常电压不仅可能使原来的二极管损坏，而且也可能导致电路中连

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2.2.5 缓冲电路设计

缓冲电路从异常电压角度出发考虑以保护电路中的器件为目的，因此需要根据保护级别来决定应该连接的C或R的容量。若想有效抑制异常电压，则一般设计容许异常电压为电源电压

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2.3 电力晶体管

对二极管再增加一层半导体，就能够形成3层结构的晶体管，它包括pnp型和npn型，电力晶体管几乎都是npn型的，所以在此对npn型晶体管进行说明。晶体管结构如图2

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2.4 晶闸管

晶闸管是第一个面世的功率开关器件。试图改良用于信号处理的npn晶体管的缺点，在集电极n层的外面试着添加一个p层，于是划时代的器件问世了。

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2.4.1 4层结构pnpn器件的特征

导通时晶体管的动作如图2.9b所示，电力晶体管是npn结构，集电极n层的耗尽层基本依靠来自于基极层的电子进行导电，导电率低是一个难点。从尝试大幅增加导电率角度出

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2.4.2 唯一的他励关断器件

如图2.12a所示，对动作中的晶闸管而言，被注入的空穴从阳极的p层开始到阴极的n层为止进行流动，这些空穴的流动也促使从阴极的n层向p层注入电子，所以一旦引起阳极

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2.4.3 双向导通晶闸管——双向晶闸管

在几百伏的低压用途中，也可以制成双向导通的晶闸管，图2.14b所示为它的结构图。这是pnpn 4层结构的器件，将它的阴极侧n层局部分开而加入p层，对面阳极p层的

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《功率变换开关技术（修订版）电力电子的核心理论》简介