电力半导体器件（Power Semiconductor Devices），也可以叫做功率半导体器件，或者电力电子器件，属于电力电子技术范畴。现代电力电子器件有时包括介电材料和磁性材料等构成的电容、电感元件，但在此一般特指电力半导体器件。根据IEEE的一般定义，电力电子技术是有效地使用电力半导体器件，应用电路和设计理论以及分析方法工具，实现对电能的高效变换和控制的一门技术。其于20世纪70年代形成，经过40年的发展历程，已成为现代工业社会的支撑技术之一。从电气角度说，已经涉及发电、输电、配电和用电的各个领域，在大型发电机的励磁调节、再生能源发电、柔性输电系统、电机节能中，处处可见其踪影。从社会角度说，几乎进入社会的各个方面：汽车、飞机、无线电与电视、农业机械化、计算机、铁路电气化牵引、航天、互联网、家电、保健科技、石化、激光与光纤、核能利用、新材料制造、不间断电源、通信电源、电子照明、计算机电源、打印机电源、充电器、变频空调等各种家用电器等。电力电子技术对于节能、减小环境污染、改善工作条件、节省原材料、降低成本和提高产量等方面均起着十分重要的作用。电力电子技术在推动科学技术和经济的发展中发挥着越来越重要的作用。

有别于电力电子技术的简单描述，本书使用电力电子技术的应用装置及电力电子变换器的概念，来更加明确电力半导体器件的功能和用途。电力电子变换器是进行电力特征形式变换的电力电子电路和装置的总称，整流器、逆变器或者变频器等都是其中的一种形式。一般来说，电力电子变换器实现的是电力变换中的直接变换，其特点为变换过程中不需要经过非电能形式的转换。

电力电子变换器有4种基本模式，即直-交（DC/AC）逆变模式、交-交（AC/AC）变频模式、交-直（AC/DC）整流模式和直-直（DC/DC）变换模式。它们的基本特点是：

1）无论哪种形式的电力电子变换器都要求产生目标波形，即期望输出，来达到由一种电力形式到另一种电力形式的变换，这些电力特征可以包括电压或者电流的波形、幅值、相位、频率、相数以及周期性等。

2）共同的基本组成形式，即器件、拓扑和控制，称之为“三要素”。电力半导体器件是电力电子变换器的核心和基础，但是仅有电力半导体器件是不能组成电力电子变换器的，变换器还应包括拓扑、控制以及其他元素，这些元素相互作用，共同影响变换器的性质。

3）相同的变换规则，即变换器的输出和输入存在一定的约束关系。电力电子变换器是在规定的条件下输出所需要的电力特征量。

虽然电力电子变换器的形式多种多样，但一般以电力半导体器件、不同拓扑形式的电路和不同的控制策略作为基本组成元素，图1-1是一个典型的电力电子变换器示意图，变换器的基本组成元素都在其中得到明显的体现。其中电源、吸收电路和检测电路等都是实施有效变换的外部条件和辅助元素。由此可以这样理解，在电力电子变换器中，电力半导体器件是基础，变换器拓扑是条件，变换器的控制是关键。

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图1-1 一个典型的电力电子 变换器结构示意图

电力半导体器件是电力电子技术及其应用装置的基础，一代器件带动一代整机，即电力半导体器件一直是推动电力电子变换器发展的主要源泉，一代新型器件的出现，总是带来一场变换器的革命。因为电力半导体器件处于现代电力电子变换器的心脏地位，它对装置的可靠性、成本和性能起着十分重要的作用。40年来，普通晶闸管（Thyristor，SCR）^[1]、门极关断晶闸管（GTO）^[2]和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）先后成为电力半导体器件的发展平台，为世人瞩目。所谓“平台”者，满足了以下几个特点：①有较长生命周期（长寿性）；②有广阔应用领域（渗透性）；③能派生出相关新器件家族（派生性）。

至今，电力电子变换器的应用领域越来越广泛，电力半导体器件的水平还远不能满足人们的要求。虽然目前的电力半导体器件仍处在高速发展中，出现了集成门极换流晶闸管（IGCT）、电子注入增强型栅极晶体管（IEGT）、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等器件，但仍不能完全满足电力电子变换器的要求，目前电力半导体器件用于变换器中的根本问题是其功率承受能力和开关频率之间的矛盾，而目前电力半导体器件工艺水平并不能很好地解决该问题，往往功率越大，耐压越高，开关频率越低。从电力半导体器件个体来说，大功率和高频化仍是现阶段电力半导体器件发展的两个重要方向。新型电力半导体器件及其相关新型半导体材料的研究，一直是电力电子技术领域极为活跃的主题之一，新型的电力半导体器件的应用特性，即其在电力变换器中与其他元素之间的相互影响，也一直是电力变换器领域研究中的重要问题之一。

电力电子变换器的功率等级覆盖范围非常广泛，包括在小功率范围（几W到几kW），如笔记本电脑、洗衣机、空调等；中功率范围（10kW到几MW），如发电或者冶金领域的电气传动；大功率范围（甚至可以达到几GW），如高压直流（HVDC）输电系统。在这些电力电子变换器中，可以看到不同功率等级的电力半导体器件。相似地，在微电子领域也存在大量的半导体器件。微电子领域的半导体器件与电力电子领域的电力半导体器件存在很多联系和区别。简单地说，一般将额定电流超过1A的半导体器件归类为电力半导体器件，而这类器件的阻断电压分布在几V到10kV以上的范围。从器件的物理本质上讲，电力半导体器件与集成电路（IC）芯片非常类似，它们都由PN结、双极型晶体管、MOS（金属氧化物半导体）结构构成，因此基本的半导体器件物理学理论可以用于这两类器件。但是从器件的制作和应用角度讲，两类器件存在明显的差异，电力半导体器件应用中需要考虑很多大功率电路应用的特性，如绝缘、大电流能力等，在实际应用中，以开关模型为运行特征，一般不运行在放大状态。但其所在的电力电子变换器实施的是电磁能量变换，而不是单纯的数字逻辑，或者简单的开/关状态，电力半导体器件的很多非理想应用特性在电力电子变换器中的作用尤为重要，其中有两个关键点：

1）认识半导体器件内部结之间的关系是掌握电力半导体器件特性的关键；

2）认识电力半导体器件的连接关系是了解变换器拓扑性质的基础。

在本书后面的很多分析中都是基于此两点。