Chap2 F常 用功率半导体器件及工作状态
功率开关器件介绍
功率开关器件介绍晶体管是一种通过控制电流流动情况来切换电路的半导体器件。
它有不同的类型，包括双极性晶体管（BJT）、场效应晶体管（FET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。
BJT是一种三层结构的晶体管，它具有放大和开关功能。
FET则是一种基于电场效应的晶体管，可以分为金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）和结型场效应晶体管（JFET）。
IGBT是一种将BJT和MOSFET的优势结合在一起的功率开关器件，适用于高功率和高电流应用。
晶体管的一个重要特性是它的开关速度。
BJT的开关速度较慢，FET的开关速度较快，而IGBT的开关速度介于两者之间。
在一些需要快速控制电流的应用中，如电力变换器和驱动器，FET和IGBT常常被使用。
而在一些对开关速度要求不高的应用中，如音频放大器，BJT可作为开关器件使用。
主动器件是一类能够主动控制电流和电压的器件，它具有较低的开关损耗和较高的开关速度。
其中，开关二极管和晶闸管是最常见的主动器件。
开关二极管是一种可以在正向和反向条件下切换的二极管。
当它工作在正向偏置时，它具有低导通电阻，可以快速导通电流。
而在反向偏置时，开关二极管则具有较高的反向阻力，可以阻止电流通过。
开关二极管适用于需要频繁开关的应用，如交流电能转换、逆变器和电源开关等。
晶闸管是一种可以通过控制电流来开关电路的双稳态器件。
当晶闸管的阳极电流达到一定电流（称为触发电流）或阳极电压达到一定电压（称为触发电压）时，它会进入导通状态。
在导通状态下，晶闸管的三个层分别称为发射区、中间区和外继结。
晶闸管具有较高的开关速度和较低的开关损耗，但它需要外部电压或电流触发才能开关。
总结起来，功率开关器件是电力电子领域不可或缺的关键器件。
晶体管具有更广泛的应用范围和更高的可靠性，可用于高速开关和放大功能。
而主动器件则具有较低的开关损耗和较高的开关速度，适合用于需要频繁开关的应用。
通过选择适当的功率开关器件，可以实现高效的电能转换，提高电子设备的性能和可靠性。
功率器件应用介绍
功率器件应用介绍一、引言功率器件，作为电子系统中的重要组成部分，主要用于实现电能的处理、转换和优化。
它们在各种电子设备和系统中发挥着至关重要的作用，从家用电器到工业自动化系统，从电动汽车到航空航天设备，都可以见到功率器件的身影。
本文将对功率器件的种类、特性、应用领域和发展趋势进行详细介绍。
二、功率器件的种类与特性1.整流器：主要用于将交流电（AC）转换为直流电（DC），具有单向导电性。
2.晶体管：包括双极晶体管和场效应晶体管（FET），具有开关和放大功能。
3.绝缘栅双极晶体管（IGBT）：一种复合功率器件，广泛应用于电机控制和可再生能源系统。
4.功率MOSFET：具有低导通电阻和高开关速度，适用于高频电路。
5.功率模块：将多个功率器件集成在一个封装中，便于电路设计和安装。
三、功率器件的应用领域1.消费电子：手机、平板电脑、电视等电子设备的充电器和电源管理电路中都会用到功率器件。
2.汽车电子：在发动机控制、电动车马达控制等方面，功率器件发挥了至关重要的作用。
3.工业自动化：在电机驱动、自动控制系统等领域，功率器件是实现高效电能转换的关键元件。
4.可再生能源：太阳能逆变器、风力发电系统中，功率器件用于实现直流电与交流电的转换。
5.电力系统：在电网管理和智能电网建设中，功率器件用于实现电能质量管理和节能减排。
四、功率器件发展趋势随着科技的不断进步和应用需求的日益增长，功率器件的发展趋势主要体现在以下几个方面：1.高频率与高效率：为了满足现代电子设备对于高效能和高稳定性的需求，功率器件不断向高频率和高效能方向发展。
这涉及到新的材料、结构设计以及制程技术的研发和应用。
2.集成化与模块化：将多个功率器件集成在一个封装内，或者将功率器件与其他电子元件集成在一起，可以简化电路设计，提高设备的可靠性和稳定性。
模块化功率器件已经成为一种趋势。
3.智能化与网络化：随着物联网和智能化技术的发展，功率器件也开始具备智能化和网络化功能。
功率半导体器件的基本功能和用途
功率半导体器件的基本功能和用途功率半导体器件（Power Semiconductor Device），也可以叫做电力半导体器件，或者电力电子器件，属于电力电子技术的范畴。
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，但在此我们特指功率半导体器件。
根据IEEE（电气和电子工程师协会）的一般定义，电力电子技术是有效地使用功率半导体器件，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。
电力电子技术始于20世纪70年代，经历40多年的发展，已经成为现代工业社会的支撑技术之一。
电力电子技术离不开电力电子变换器（Power Converter）。
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，它有如下4种基本模式：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。
电力电子变换器的形式多种多样，但一般以功率半导体器件、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，也称为“变换器三要素”。
图1为一个典型的电力电子变换器示意图。
功率半导体器件是电力电子技术及其应用装置的基础，是推动电力电子变换器发展的主要源泉。
功率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）、门极关断晶闸管（GTO）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）先后成为功率半导体器件的发展平台。
能称为“平台”者，一般是因为它们具备以下几个特点：①长寿性，即产品生命周期长；②渗透性，即应用领域宽；③派生性，即可以派生出多个相关新器件家属。
电力电子变换器的功率等级覆盖范围非常广泛，包括小功率范围（几W到几kW），如笔记本电脑、冰箱、洗衣机、空调等；中功率范围（10kW到几MW），如电气传动、新能源发电等；大功率范围（高达几GW），如高压直流（HVDC）输电系统等。
13种常用的功率半导体器件介绍
13种常用的功率半导体器件介绍电力电子器件（Power Electronic Device），又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）电子器件。
可以分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件，其中晶闸管为半控型器件，承受电压和电流容量在所有器件中最高；电力二极管为不可控器件，结构和原理简单，工作可靠；还可以分为电压驱动型器件和电流驱动型器件，其中GTO、GTR为电流驱动型器件，IGBT、电力MOSFET为电压驱动型器件。
1. MCT （MOS Control led Thyristor）：MOS控制晶闸管MCT 是一种新型MOS 与双极复合型器件。
如上图所示。
MCT是将MOSFET 的高阻抗、低驱动图MCT 的功率、快开关速度的特性与晶闸管的高压、大电流特型结合在一起，形成大功率、高压、快速全控型器件。
实质上MCT 是一个MOS 门极控制的晶闸管。
它可在门极上加一窄脉冲使其导通或关断，它由无数单胞并联而成。
它与GTR，MOSFET，IGBT，GTO 等器件相比，有如下优点：（1）电压高、电流容量大，阻断电压已达3 000V，峰值电流达1 000 A，最大可关断电流密度为6000kA/m2；（2）通态压降小、损耗小，通态压降约为11V；（3）极高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已达20 kV/s ，di/dt为2 kA/s；（4）开关速度快，开关损耗小，开通时间约200ns，1 000 V 器件可在2 s 内关断；2. IGCT（Intergrated Gate Commutated Thyristors）IGCT 是在晶闸管技术的基础上结合IGBT 和GTO 等技术开发的新型器件，适用于高压大容量变频系统中，是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。
IGCT 是将GTO 芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点。
功率器件简要介绍
一功率半导体简介功率半导体器件种类很多,器件不同特性决定了它们不同得应用范围,常用半导体器件得特性如下三图所示。
目前来说,最常用得功率半导体器件为功率MOSFET与IGBT。
总得来说,MOSFET得输出功率小,工作频率高,但由于它导通电阻大得缘故,功耗也大。
但它得功耗随工作频率增加幅度变化很小,故MOSFET更适合于高频场合,主要应用于计算机、消费电子、网络通信、汽车电子、工业控制与电力设备领域。
IGBT得输出功率一般10KW~1000KW之间,低频时功耗小,但随着工作频率得增加,开关损耗急剧上升,使得它得工作频率不可能高于功率MOSFET,IGBT主要应用于通信、工业、医疗、家电、照明、交通、新能源、半导体生产设备、航空航天以及国防等领域。
图1、1 功率半导体器件得工作频率范围及其功率控制容量图1、2 功率半导体器件工作频率及电压范围图1、3 功率半导体器件工作频率及电流范围二不同结构得功率MOSFET特性介绍功率MOSFET得优点主要有驱动功率小、驱动电路简单、开关速度快、工作频率高,随着工艺得日渐成熟、制造成本越来越低,功率MOSFET应用范围越来越广泛。
我们下面主要介绍一些不同结构得MOSFET得特性。
VVMOSFET图2、1 VVMOS结构示意图VVMOS采用各向异性腐蚀在硅表面制作V 形槽,V形槽穿透P与N+连续扩散得表面,槽得角度由硅得晶体结构决定,而器件沟道长度取决于连续扩散得深度。
在这种结构中,表面沟道由V 形槽中得栅电压控制,电子从表面沟道出来后乡下流到漏区。
由于存在这样一个轻掺杂得漂移区且电流向下流动,可以提高耐压而并不消耗表面得面积。
这种结构提高了硅片得利用率,器件得频率特性得到很大得改善。
同时存在下列问题:1,V形槽面之下沟道中得电子迁移率降低;2,在V槽得顶端存在很强得电场,严重影响器件击穿电压得提高;3,器件导通电阻很大;4,V槽得腐蚀不易控制,栅氧暴露,易受离子玷污,造成阈值电压不稳定,可靠性下降。
功率半导体器件工作原理
流。因此两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门极电流Ig 流入时就会形成强烈
的正反馈，造成两晶体管饱和导通，即晶闸管饱和导通。
设 PNP 管和NPN 管的集电极电流相应为IC1和IC2，发射极电流相应为Ia 和Ik，电
流放大系数为α1＝IC1 / Ia，α2＝ IC2 / Ik，并设J 流过J2结的反向漏电流为Ico。
电力电子事业部
릦싊냫떼쳥웷볾릤ퟷ풭샭
1．基本开关过程： 功率半导体器件除极少数特殊应用情况外，其余绝大多数都是应用在开关状态
下。应用在所有这些电力电子线路总的器件，它们的基本原理和工作方式都是相同的， 我们所有对半导体器件和应用电力电子线路的研究，都是要使其尽可能的工作在低损 耗状态。也就是说应使器件工作在开关状态。这是因为器件工作在开关状态时，其工 作状态是最佳的，通态损耗是最小的。
施加正向电压时，它具有阻断和导通两个稳定的工作状态。由图1－2 所示的电流－
-1-
电力电子事业部
电压特性曲线可以看出，它有一个阻断区和一个导通区。这一特性可以用于电流的接 通和关断。
为了使晶闸管由阻断状态变为动态状态，两种途径，其一，使用脉冲电流使其通过门极而加于两个 中间区的一个来实现。其二，不断的提高阳极电压，使其超过转折电压（UBO）。
-4-
电力电子事业部
2.1.2.开通条件
首先我们来讨论这两个晶体管在满足怎样的条件下才能使晶闸管导通。晶闸管是
一种四层三端器件，它有J1，J2，J3三个PN结，如图1－4 所示。前已述及，当晶闸
管承受正向电压时，为使晶闸管导通，必须使承受反向电压的PN 结J2结失去阻断作
用。图1－4c清楚的表明：每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电
功率二极管
PIN功率二极管的开关特性
➢区间④中，二极管开始关断， 外加反向电压，Nˉ区域中还 存在大量少数载流子空穴，内 建电场还是正向，只有少数的 载流子复合消失或者扩散出去 后，P Nˉ结才可以建立。因 此，二极管还处于正向偏置状 态。在④结束的时刻， Nˉ区 域中少数载流子已经被完全抽 走，这时，P Nˉ结开始反向 偏置，承受反向电压。
正向偏置时，空间电荷区主要是P-Nˉ结 ，P区和 N区的载流子同时注入到本征区，但本征区的掺杂浓 度比较低，电子和空穴不会立刻进行复合，会延迟 一段时间，本征区会存在大量的载流子，故本征区 的电阻很低。
PIN功率二极管的开关特性
当二极管中的电压、电流缓变时，我们可以 用静态特性—伏安特性来描述。但是，当二极管 的电压、电流发生突变时，器件中的载流子分布 与静态条件下的情况有着显著的差异。
IRMURM b) 正向偏置转换为反向偏置
快速恢复二极管开关特性
u i
UFP
iF
开通过程：
正向压降先出现一个过冲UFP，
经过一段时间才趋于接近稳态 2V
uF
压降的某个固定值。
0
tfr
t
正向恢复时间tfr。
a) 开通过程
电流上升率越大，UFP越高 。 IF diF
dt
trr
关断过程（加反向电压UR）
PIN功率二极管的开关特性
➢区间⑤中，反向电流给二极管的结电容充电，在⑤结 束的时候，结电容充电到二极管反向阻断电压，此时， 流过二极管的电流为零。 ➢区间⑥中，二极管处于反向关断状态，承受反向电压。
快速恢复二极管开关特性
u i
动态特性
UFP
iF
——二极管的电压-电流特性 随时间变化的
常见功率半导体器件及其主要特点
常见功率半导体器件及其主要特点一、概述功率半导体器件是现代电子电气设备中不可或缺的组成部分，它承担着电能的调节、放大和转换任务。
在众多功率半导体器件中，普遍应用的包括晶闸管、场效应管、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、功率二极管等。
这些器件各自具有不同的特点和应用范围，下文将对其进行详细介绍。
二、晶闸管晶闸管是最早出现的功率半导体器件之一，其主要特点包括：1. 器件结构简单，工作可靠。
2. 具有单向导电性。
3. 具有双向触发能力。
4. 适用于高压、大电流场合。
5. 效率高、损耗小。
晶闸管广泛应用于直流调速、大功率变频器、交流电能控制等领域。
三、场效应管场效应管又称为MOSFET，其主要特点包括：1. 体积小、重量轻。
2. 导通电阻小、功率损耗小。
3. 开关速度快、可靠性高。
4. 控制电路简单、使用方便。
场效应管广泛应用于开关电源、电力电子设备、汽车电子系统等领域。
四、绝缘栅双极晶体管（IGBT）IGBT是由绝缘栅双极晶体管和场效应管结合而成的器件，其主要特点包括：1. 具有MOSFET的输入特性和GTR的输出特性。
2. 导通压降低、导通电阻小。
3. 具有高开关速度。
4. 具有大功率、高频率的特点。
IGBT广泛应用于变频调速、逆变器、电动汽车驱动等领域。
五、功率二极管功率二极管是一种常见的半导体器件，其主要特点包括：1. 低开启电压、低通态电压降。
2. 热稳定性好、动态特性好。
3. 寿命长、可靠性高。
4. 具有快速恢复特性。
功率二极管广泛应用于整流器、逆变器、交流稳压电源等领域。
六、结语功率半导体器件在现代工业生产和生活中发挥着重要作用，不同的器件具有不同的特点和应用范围，能够满足各种电能调节、转换的需求。
随着科技的不断发展，功率半导体器件的性能和应用范围将会不断扩大，为人类创造更加便利和高效的生活和工作环境。
七、功率半导体器件的发展趋势随着现代电子技术的发展和能源的需求不断增长，功率半导体器件的应用也愈发广泛。
功率器件芯片知识点总结
功率器件芯片知识点总结一、功率器件芯片的基本概念1. 功率器件芯片的定义功率器件芯片是指用于控制和调节电能转换的半导体器件，其主要功能是将电能从一种形式转换为另一种形式，如将直流电转换为交流电、改变电压和频率等。
功率器件芯片通常能够承受较大的电流和电压，因此在电力电子应用中具有重要的地位。
2. 功率器件芯片的分类根据其工作原理和特性，功率器件芯片可以分为不同的类型，包括MOSFET、IGBT、二极管、晶闸管等。
每种器件都有其特定的优点和适用场景，如MOSFET具有高开关速度、低导通压降等特点，适用于高频开关电源；IGBT具有低开关损耗、高断路能力等优点，适用于大功率交流驱动；二极管具有低导通压降、快速恢复时间等特性，适用于整流和逆变应用等。
3. 功率器件芯片的应用领域功率器件芯片在各种领域中得到了广泛的应用，包括工业控制、交通运输、通信、医疗等。
在工业控制中，功率器件芯片常用于驱动电机、控制变频器等；在交通运输领域，功率器件芯片常用于高速铁路、电动汽车等系统的控制和转换；在通信领域，功率器件芯片常用于移动通信基站、通信网络设备等的功率放大和变换；在医疗领域，功率器件芯片常用于医用设备的电源转换和控制。
二、功率器件芯片的工作原理和特性1. MOSFET的工作原理和特性MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）是一种常用的功率器件芯片，其工作原理是利用栅极与源极之间的电场控制漏极和源极之间的电流。
当栅极施加一定的电压时，MOSFET的导通电阻会发生变化，从而实现对电流的控制。
MOSFET具有高开关速度、低导通压降等特点，适用于高频开关电源等场景。
2. IGBT的工作原理和特性IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是另一种常用的功率器件芯片，其工作原理是结合了MOSFET和晶闸管的特点，具有高开关速度和低导通压降等优点，适用于大功率交流驱动等场景。
3. 二极管的工作原理和特性二极管是一种常用的功率器件芯片，其工作原理是利用PN结的正向和反向特性实现电流的整流和逆变。
功率器件频率范围划分
功率器件频率范围划分
功率器件的频率范围划分通常根据工作频率的不同而有所区别。
以下是一些常见的功率器件频率范围划分：
1. 射频功率器件（RF Power Devices）：一般工作频率范围从
几千千赫至数百千赫，主要用于无线通信、雷达、卫星通信等应用。
2. 中频功率器件（IF Power Devices）：工作频率范围从几百
千赫至数千千赫，主要用于广播、电视、音频放大器等应用。
3. 高频功率器件（HF Power Devices）：工作频率范围从几十
千赫至上百千赫，主要用于通信、雷达、航空导航等应用。
4. 超高频功率器件（UHF Power Devices）：工作频率范围从
几百兆赫至几千兆赫，主要用于无线通信、电视、雷达等应用。
5. 毫米波功率器件（Millimeter Wave Power Devices）：工作
频率范围从几十兆赫至几百兆赫，主要用于雷达、无线通信、太赫兹技术等应用。
需要注意的是，上述频率范围只是一般划分，实际应用中可能会有一些重叠或特殊需求，因此具体的功率器件频率范围还需根据具体的产品和应用需求来确定。
半导体器件芯片常用型号参数12页word文档
半导体器件常用型号参数一、半导体二极管参数符号及其意义CT---势垒电容Cj---结（极间）电容，表示在二极管两端加规定偏压下，锗检波二极管的总电容Cjv---偏压结电容Co---零偏压电容Cjo---零偏压结电容Cjo/Cjn---结电容变化Cs---管壳电容或封装电容Ct---总电容CTV---电压温度系数。
在测试电流下，稳定电压的相对变化与环境温度的绝对变化之比CTC---电容温度系数Cvn---标称电容IF---正向直流电流（正向测试电流）。
锗检波二极管在规定的正向电压VF下，通过极间的电流；硅整流管、硅堆在规定的使用条件下，在正弦半波中允许连续通过的最大工作电流（平均值），硅开关二极管在额定功率下允许通过的最大正向直流电流；测稳压二极管正向电参数时给定的电流IF（AV）---正向平均电流IFM（IM）---正向峰值电流（正向最大电流）。
在额定功率下，允许通过二极管的最大正向脉冲电流。
发光二极管极限电流。
IH---恒定电流、维持电流。
Ii--- 发光二极管起辉电流IFRM---正向重复峰值电流IFSM---正向不重复峰值电流（浪涌电流）Io---整流电流。
在特定线路中规定频率和规定电压条件下所通过的工作电流IF(ov)---正向过载电流IL---光电流或稳流二极管极限电流ID---暗电流IB2---单结晶体管中的基极调制电流IEM---发射极峰值电流IEB10---双基极单结晶体管中发射极与第一基极间反向电流IEB20---双基极单结晶体管中发射极向电流ICM---最大输出平均电流IFMP---正向脉冲电流IP---峰点电流IV---谷点电流IGT---晶闸管控制极触发电流IGD---晶闸管控制极不触发电流IGFM---控制极正向峰值电流IR（AV）---反向平均电流IR（In）---反向直流电流（反向漏电流）。
在测反向特性时，给定的反向电流；硅堆在正弦半波电阻性负载电路中，加反向电压规定值时，所通过的电流；硅开关二极管两端加反向工作电压VR时所通过的电流；稳压二极管在反向电压下，产生的漏电流；整流管在正弦半波最高反向工作电压下的漏电流。
功率半导体器件相关知识讲解
• 电流控制器件（关断控制电流很大） • 用于（极）大功率场合（可至数十兆瓦） • 开关频率低（千赫兹以下） • 极大功率应用的（几乎）唯一选择
2023年12月6日
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第二章 功率半导体器件
电力电子功率模块
现代电力电子技术原理与应用
• 电力电子器件的集成 • 电力电子器件与驱动、保护电路的集成 • 电力电子器件与控制电路的集成
现代电力电子技术原理与应用
电路中的开关器件：二极管整流器
2023年12月6日
40
第二章 功率半导体器件
现代电力电子技术原理与应用
电路中的开关器件：二极管整流器
2023年12月6日
41
第二章 功率半导体器件
现代电力电子技术原理与应用
电路中开关器件符号的处理：实际电路
2023年12月6日
42
第二章 功率半导体器件
2023年12月6日
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第二章 功率半导体器件
IGBT
现代电力电子技术原理与应用
• 电压控制器件
• 用于中小功率场合（数十千瓦～数百千瓦）
• 开关频率中（数十千赫兹以下）
• 掣住效应问题（寄生晶闸管）
• 该功率等级目前最理想的器件
2023年12月6日
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第二章 功率半导体器件
现代电力电子技术原理与应用
功率半导体器件相关知识讲解
第二章 功率半导体器件
理想的开关器件
现代电力电子技术原理与应用
• 关断时可承受正、反向电压（越高越好） • 开通时可流过正、反向电流（越大越好） • 开通态、关断态均无损耗 • 状态转换过程无损耗 • 状态转换过程快速完成（越快越好） • 开关寿命长（允许的开关次数越多越好）
半导体二极管的主要参数10页word文档
1．反向饱和漏电流IR指在二极管两端加入反向电压时，流过二极管的电流，该电流与半导体材料和温度有关。
在常温下，硅管的IR为纳安（10-9A）级，锗管的IR为微安（10-6A）级。
2．额定整流电流IF指二极管长期运行时，根据允许温升折算出来的平均电流值。
目前大功率整流二极管的IF值可达1000A。
3.最大平均整流电流IO在半波整流电路中，流过负载电阻的平均整流电流的最大值。
这是设计时非常重要的值。
4.最大浪涌电流IFSM允许流过的过量的正向电流。
它不是正常电流，而是瞬间电流，这个值相当大。
5．最大反向峰值电压VRM即使没有反向电流，只要不断地提高反向电压，迟早会使二极管损坏。
这种能加上的反向电压，不是瞬时电压，而是反复加上的正反向电压。
因给整流器加的是交流电压，它的最大值是规定的重要因子。
最大反向峰值电压VRM指为避免击穿所能加的最大反向电压。
目前最高的VRM值可达几千伏。
6.最大直流反向电压VR上述最大反向峰值电压是反复加上的峰值电压，VR是连续加直流电压时的值。
用于直流电路，最大直流反向电压对于确定允许值和上限值是很重要的.7．最高工作频率fM由于PN结的结电容存在，当工作频率超过某一值时，它的单向导电性将变差。
点接触式二极管的fM值较高，在100MHz以上；整流二极管的fM较低，一般不高于几千赫。
8．反向恢复时间Trr当工作电压从正向电压变成反向电压时，二极管工作的理想情况是电流能瞬时截止。
实际上，一般要延迟一点点时间。
决定电流截止延时的量，就是反向恢复时间。
虽然它直接影响二极管的开关速度，但不一定说这个值小就好。
也即当二极管由导通突然反向时，反向电流由很大衰减到接近IR时所需要的时间。
大功率开关管工作在高频开关状态时，此项指标至为重要。
9.最大功率P二极管中有电流流过，就会吸热，而使自身温度升高。
最大功率P为功率的最大值。
具体讲就是加在二极管两端的电压乘以流过的电流。
这个极限参数对稳压二极管，可变电阻二极管显得特别重要。
功率半导体简介演示
03
功率半导体在电力系统中的应 用
Chapter
电力系统的基本构成
01
发电
包括火力发电、水力 发电、风力发电等， 将其他形式的能量转 化为电能。
02
输电
通过高压输电网络将 电能传输到各个负荷 中心。
03
变电
通过变压器将高压电 降低为家庭和企业可 以使用的低压电。
04
配电
将电能分配给每个用 户。
功率半导体在电力系统的应用
环保与节能
新兴应用领域
随着全球对环保和节能的重视，功率半导 体将在降低能耗、减少排放等方面发挥重 要作用，助力绿色能源的发展。
随着新能源汽车、轨道交通等新兴领域的 发展，功率半导体将在这些领域中发挥更 大的作用，推动相关产业的快速发展。
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功率半导体在新能源汽车领域的前景展望
随着新能源汽车市场的不断扩大和技术的不断进步，功率半导体在新能源汽车领域 的应用前景非常广阔。
未来，随着新能源汽车对能效和性能的要求不断提高，功率半导体的应用将更加广 泛，同时对功率半导体的质量和性能也将提出更高的要求。
在新能源汽车领域，功率半导体的发展将进一步推动新能源汽车技术的进步和产业 的发展，为新能源汽车产业的可持续发展提供强有力的支撑。
功率半导体在电力系统的优势
高效率
通过优化电力电子设备的转换效 率，降低能量损失。
节能环保
通过优化电力系统的运行方式和 能量转换效率，降低能源消耗和 环境污染。
01 02 03 04
高可靠性
通过快速控制和保护电力系统的 设备，提高电力系统的稳定性和 可靠性。
灵活性和可扩展性
通过分布式能源系统和微电网等 技术，实现电力系统的灵活配置 和扩展。
功率半导体模块电、热特性分析及应用共3篇
功率半导体模块电、热特性分析及应用共3篇功率半导体模块电、热特性分析及应用1功率半导体模块是指在高功率电子设备中用于控制和调节电能流动的半导体器件，是电力电子技术的核心组件之一。
本文主要从电、热两个方面对功率半导体模块的特性进行分析，并探讨其在现代电力设备中的广泛应用。
一、电特性分析功率半导体模块的电特性主要表现为开关特性、导通特性和反向特性。
1.开关特性功率半导体模块可在不同电压下工作，由此可以分为驱动电源电压和控制电压两种不同类型。
在工作过程中，开启和关闭的速度会影响功率半导体模块的效率和电压谐波等问题。
因此，在实际应用时需要根据具体需求选取适合的开关特性。
2.导通特性功率半导体模块的导通特性表现为其导通电阻和电流承载能力，这也是其主要的功能之一。
在正常工作状态下，功率半导体模块会产生一定的导通压降，这会带来一定的损耗。
因此，在选用功率半导体模块时，需要根据实际需求进行权衡。
3.反向特性功率半导体模块的反向特性主要表现为其反向击穿电压和漏电流。
在正常工作环境下，功率半导体模块的反向击穿电压一般不会超过规定值，否则会造成器件损坏。
同时，功率半导体模块也存在着一定的漏电流，这也是需要关注的。
二、热特性分析功率半导体模块的工作温度和散热性能是它的重要热特性。
功率半导体模块的大多数失效都是由于器件在过高的温度下工作而导致的。
因此，理解功率半导体模块的热特性对于其正常工作非常重要。
1.工作温度功率半导体模块在正常工作状态下会产生一定的热量，若散热不好，则会造成器件温度过高，甚至引起故障或损坏。
因此，功率半导体模块的工作温度需要在规定范围内，同时需要加强散热措施。
2.散热性能功率半导体模块的散热性能包括空气散热和液体散热两种方式。
针对不同的工作环境和需求，可以选择不同的散热方式。
具体来说，空气散热一般应用于较小功率的功率半导体模块，而大功率的功率半导体模块则需要采用液体散热。
三、功率半导体模块的应用功率半导体模块在现代电力设备中应用广泛，主要表现在以下两个方面：1.电力变换器电力变换器是将电能从一种形式转换成另一种形式的装置，也叫变压器。
第二代半导体的应用
第二代半导体的应用
第二代半导体是指针对传统硅材料的半导体材料的进一步发
展和创新，它具有更高的性能和更广泛的应用领域。
以下是第
二代半导体的一些应用领域：
1.高功率电子器件：传统硅材料在高功率应用中存在一定的
限制，而第二代半导体如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等材料能够提供更高的电压和电流处理能力。
这使得它们在功率电
子器件中得到应用，如电力转换器、电动车辆驱动器、太阳能
逆变器等。
2.高频通信：第二代半导体材料拥有更高的电子迁移速度和
更高的电子饱和速度，使得它们在高频通信设备中具有优势。
例如，用氮化镓材料制造的射频功率放大器被广泛应用于5G
通信系统中，以提供更高的传输速率和更低的延迟。
3.光电子学：第二代半导体材料在光电子学领域的应用也十
分重要。
例如，氮化镓材料被用于制造高亮度LED，用于照明、显示和显示背光等领域；硫化镉（CdS）和硒化铟（In2Se3）
等材料则用于太阳能电池中，以提高能量转换效率。
4.生物医学：第二代半导体材料在生物医学领域也具有广泛
的应用。
例如，碳化硅材料被用于制造生物传感器，用于检测
生物标记物和监测生理参数；硒化铟材料则被用于制造X射线
探测器，用于医学成像和辅助诊断。
总之，第二代半导体材料的应用范围非常广泛，涵盖了许多不同的领域。
它们的高性能和多功能性使得它们成为电子行业中的重要组成部分，推动着科技的不断进步和创新。
常 用功率半导体器件及工作状态综述共29页文档
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
半导体功率循环
半导体功率循环
半导体功率器件的运行循环（power cycling）指的是在电源应用中，半导体器件在重复的开关操作下进行的周期性工作。
这涉及到功率器件的开关操作和热循环。
半导体功率循环对于评估功率器件的可靠性和寿命非常重要。
半导体功率循环的重要性在于检验功率器件在工作循环下的稳定性和可靠性，特别是在高电压、高温度和高电流条件下。
通过进行功率循环测试，可以检查功率器件的热稳定性，并评估其在工作循环下可能遇到的问题，例如温度升高、热应力和热膨胀等。
在功率循环测试中，通常需要按照具体的工作条件和特定的测试标准进行循环操作。
测试循环可以根据应用需求来确定，一般来说有以下几个常见的循环模式：
1.电流循环模式：通过交替改变电流大小来进行循环测试，
模拟实际应用中的电流变化，评估器件的电流承载能力和可靠性。
2.温度循环模式：通过将器件暴露在不同的温度条件下，交
替升温和降温，模拟实际应用中的温度循环，评估器件的热循环可靠性。
3.电流和温度循环模式：结合电流和温度循环，更全面地评
估功率器件在不同工作条件下的可靠性。
通过进行功率循环测试，可以获得器件在实际工作条件下的性
能指标，包括寿命预测、故障率、失效机制等。
基于这些测试结果，可以进行改进设计，优化工艺，提高功率器件的可靠性，确保其在实际应用中的长期稳定运行。
半导体二极管特性与应用仿真
半导体二极管特性与应用仿真
半导体二极管是一种最基本的电子器件，它具有单向导电性质。
其特性和应用可以通过仿真进行研究和实验验证。
在进行半导体二极管特性仿真时，可以使用电子设计自动化软件（例如LTspice、Proteus、Multisim等）进行电路搭建和仿真模拟。
首先，选择合适的二极管元件，例如常见的正向导通二极管或反向截止二极管，将其连接到所需的电路中。
然后，设置电压源或电流源，以及负载电阻等参数，通过调整输入信号和电路参数进行仿真。
通过仿真可以研究和观察二极管的伏安特性曲线、直流工作点稳定性、反向击穿电压等参数，并分析其对电路整体性能的影响。
此外，还可通过仿真研究二极管在整流、调制、开关等不同应用场景下的工作特性。
需要注意的是，在进行仿真时，需确保所使用的仿真软件和模型文件是合法正版，并且遵守软件许可协议和相关法律规定。
请您提供具体的问题或关注点，我将在法律许可范围内为您提供更详细的信息。
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1
1
10 100 极射极电压 UCE（V）
1 0 200
400 600 800 1000 极射极电压 UCE（V）
IGBT的正偏安全工作区和反偏安全工作区
2.3 晶闸管
晶闸管的双三极管模型
通过上述分析可知晶闸管有如下特性： （ 1 ）晶闸管导通的条件是：阳阴极间 必须加正向电压，控制极施加正的控制极 电流； （2）晶闸管具有正向阻断的能力； （ 3 ）元件在正压时是可控的，在反压 时则完全处于断态，也就是说它具有单向 导电性质。 （ 4 ）元件触发导通后，控制极失去作 用，即元件的可控性是不可逆的。
g FS dI D / dUGS
◤U
限制了。因此工作在开关状态的MOSFET 正向驱动电压Ug≈10V。
GS＝10V之后，MOSFET的ID由外电路
◤输出特性可以分为三个区 域 :可调电阻区I，饱和区II 和雪崩区III ◢
◢
2.1.3 （三）MOSFET的电容
MOSFET的基本特性 （四）开关特性
U DS 90%
10% U GS td(on) tr td(off) tf
图 MOSFET各端点之间的电容
◤
图
开关特性测试电路与波形
MOSFET各极之间的结电容由其物 理结构所决定，金属氧化膜的栅极结 构决定了栅漏之间的结电容Cgd和栅源 之间的结电容Cgs，MOSFET的PN结形成 了漏源间的结电容Cds。
– 正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的， 因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流 定额，并应留有一定的裕量。 – 当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发 热往往不能忽略 – 当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断 态损耗造成的发热效应也不小
IGBT的基本特性
UGE +UGE 0.9UG
E
+UGE IC T1 C UCE T2 E
RL
UCC
◤ IGBT的开关特性如 图1-35所示。由图可知 IGBT的开关特性与功率 MOSFET基本相同。◢ ◤ td(on)+ tr= ton叫开 通时间，td(off)+ tf= toff叫关断时间◢
晶闸管的结构 晶闸管的双三极管模型
2.3.1 晶闸管的伏安特性与参数
◤它的反向特性见图 a)、b）的第三象限， 它与一般二极管的反 向特性相似，具有很 好的反向阻断能力， 此时只有很小的漏电 UBR 流（若干微安到几十 毫安）通过元件。当 反向电压增加到- UBR 时，漏电流急剧增加， 特性曲线开始弯曲， 称UBR为反向转折电压。 若进一步增大反向电 压，就会使晶闸管击 穿。 ◢
功率场效应管结构图 （a）―T‖MOSFET； （b）―V‖－MOSFET
2.1.2 1；转移特性
MOSFET的基本特性 （二）输出特性
N沟道型MOSFET的转移特性
◤只有UGS大于门槛电压UGS（th）才有漏极电
流ID流过，在ID较大时，ID和UGS近似为线性 关系，亦即跨导gFS为常数：
功率MOSFET输出特性
a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置
二极管关断过程的波形
研究二极管关断过程的电路
电力二极管的基本特性
IF UF tF t0 d iF dt td trr t1 d iR dt IRP URP u i tf t2 UR t 2V 0 uF tfr t UFP iF
• 反相恢复时间，反相恢复电流。 b) 零偏置转换为正向偏置
IGBT的开关特性的开关特性曲线
1000
100
集电极电流 IC(A)
100
10
15us DC 100us 1ms 1000
10
◤ IGBT开通时的正向偏置安全 工作区FBSOA是由最大集电极电 流ICM、最大集射极电压UCEM、最 大功耗三条边界极限曲线包围而 成的， ◢ ◤ IGBT的反向偏置安全工作区 RBSOA如左图所示。它基本上是 一矩形：2倍的额定集电极电流 （2IC）和额定集射级电压（UCE） 所围成的矩形。 ◢
第2章 常用功率半导体器件及 工作状态
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 电力半导体器件种类与特点 功率场效应管功率二极管 绝缘栅极双极型晶体管功率晶体管 晶闸管 快恢复二极管 肖特基二极管
2.0 电力半导体器件种类与特点
2.0.1 半导体器件分类
从功率等级来分类 有微功率器件、小功率器件、大功率器件等等 制造材料分类 有锗管、硅管等等 从导电机理分类 有双极型器件、单极型器件、混合型器件等等 从控制方式来分类 可分为不可控器件、半可控器件和全可控器件三类器件
1.断态电压临界上升率du/dt 2.通态电流临界上升率di/dt
（三）晶闸管的门极参数定额
1．门极触发电流Igt 2．门极触发电压Ugt
3.额定结温TJM
2.3.3 晶闸管的派生器件
双向晶闸管 可关断晶闸管
GTO的结构与符号
图中：A--阳极；K--阴极；G--控制级
双向晶闸管内部结构 安 特 双 性 向 晶 闸 管 的 伏
光控晶闸管
A A
G K G K
光控晶闸管符号及等效电路
2.4 快恢复二极管
• 2.4.1 二极管工作 原理与伏安特性
• 它具单向导电性 • 当外加正向电压（P区加正、 N区加负）时，PN结导通，形 成电流 • 二极管外加反向偏压（P区加 负、N区加正）时,所以反向 电流非常小. • 二极管的伏安特性如图所示。
MTM 4N 50的安全工作区 （a）最大额定开关安全工作区； （b）最大额定正偏安全工作区
◤由于电流具有随温度上升而下降的负反馈效
应，因而MOSFET中不存在电流集中和二次击穿的
限制问题，它有较好的安全工作区（SOA）
◢
◤是型号为MTM
4N 50(500V, 4A)的MOSFET的安 全工作区，它分最大额定开关安全工作区和最大
0 IC -UGE
0.1UG
E
IC=VCC/RL 0.9IC 0.9IC
t
0 UC
E
0.1IC 0.9VCC 0.1VCC td(on) ton (b) tr td(off)
0.1IC 0.9VCC t
-UGE (a)
0
0.1VCC tf toff
t
IGBT的开关特性的测试电路
1000
集电极电流 IC(A)
正向偏置转换为反向偏置 a)
延迟时间：td= t1- t0,
电流下降时间：tf= t2- t1
反向恢复时间：trr= td+ tf
电力二极管的主要参数
• 1. 正向平均电流IF(AV) • 额定电流——在指定的管壳温度（简称壳 温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过 的最大工频正弦半波电流的平均值
Ia
◤ 晶闸管的正向特性
Ia
0 UBF UAK
UBR
0 UAK
(a)
图 （a） i g
(b)
晶闸管的伏安特性
见 图 a）、b） 的 第 一象限。当门极没有 正向电压，即门极电 流 ig = 0 时，正向流 过晶闸管的漏电流也 很微小，晶闸管具有 正向阻断能力。只要 正向电压低于正向转 折电压 UBF，晶闸管就 处于断态，一旦正向 电压达到 UBF，则电流 突然增加，端电压很 快下降，晶闸管处于 通态，见图所示。 ◢
IGBT，MOSFET为N沟道型，BJT为PNP型。
◢
IGBT的基本特性
伏安特性
◤ IGBT的伏安特性是指以栅极电压UGE为参 变量时，集电极电流IC与集电极电压UCE之间 的关系曲线 ◢ ◤ IGBT的伏安特性与BJT的输出特性相似， 也可分为饱和区I、放大区II和击穿区III三 部分 ◢
转移特性
◢
td(on)：开通延迟时间 tr：上升时间 td(off) ：关断延迟时间， tf ：下降时间
◤表示了MOSFET的输入电容Ciss、输
容之间的关系。
出电容Coss和反向传输电容Crss与结电
◢
t on t d (on ) t r
t off t d (off ) t f
2.1.4 MOSFET安全工作区
◤ IGBT的转移特性是指集电极输 出电流IC与栅极电压之间的关系曲 线。 ◢
◤它与MOSFET的转移特性相同，当 栅极电压UGE小于开启电压UGE(th)时， ◤ IGBT作为开关器件稳态时主要工作在饱和 IGBT处于关断状态。在IGBT导通后 的大部分集电极电流范围内，IC与 导通区 ◢ UGE呈线性关系。 ◢
Rθ
jc
2.2 绝缘栅极双极型晶体管 (IGBT )
1.5.1 IGBT的结构与工作原理
IGBT的结构剖面图
IGBT简化等效电路及信号
◤绝缘栅极双极型晶体管简称IGBT, ◤由结构图可以看出，IGBT相当于一个由 它将功率MOSFET与BJT的优点集于 MOSFET驱动的厚基区BJT，其简化等效电路如 图1-26所示，图中电阻Rdr是厚基区BJT基区内 一身，既具有输入阻抗高、速度快、 热稳定性好、驱动电路简单等优点，的扩展电阻。 ◢ 又具有通态压降低、耐压高和承受 ◤ IGBT是以BJT为主导元件，MOSFET为驱动 电流大等优点 ◢ 元件的达林顿结构器件，图示器件是N沟道
2.0.2 电力半导体器件发展水平
普通整流管 : 3KV , 6KA • 整流管快速恢复二极管 : 1.2 KV , 450A , 0.25μ s 肖特基二极管 : 100V , 3KA 普通晶闸管 : 5kV , 4 kA , 12kV , 1kA 换流关断型 快速晶闸管 : 2.5kV , 1kA , 30μ s • 双向晶闸管 : 1.2 kV , 1kA 电力半导体器件晶闸管 GTO : 4.5kV , 3kA ; 8kV , 1kA 自关断型 MCT : 4 kV , 2.5kA SITH : 2 kV , 600A BJT : 1200V , 600A • 功率MOSFET : 500V , 100A 功率晶体管 SIT : 800V , 60A ; 1.2 kV , 28A IGBT : 4500V , 2800A