电力半导体器件
功率半导体器件要点
功率半导体器件要点功率半导体器件是指用于控制和转换电力的半导体器件，其具有承载高电流和高电压的特点。
在电力电子领域中，功率半导体器件广泛应用于电力变换、传输和控制系统中，起到关键的作用。
本文将重点介绍功率半导体器件的要点，包括常见的功率半导体器件类型、特性与工作原理、应用领域和发展趋势等方面。
1.常见的功率半导体器件类型常见的功率半导体器件包括功率二极管、功率晶体管、功率场效应管（MOSFET）、可控硅（SCR）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。
每种器件都有自己特殊的工作原理、结构和性能特点，适用于不同的应用场合。
2.功率半导体器件的特性与工作原理不同类型的功率半导体器件具有不同的特性和工作原理。
例如，功率二极管通常用作电流开关和快速恢复整流器，其主要特点是低电压降、快速开关速度和高导通电流能力。
功率晶体管在电力放大和开关电路中广泛使用，具有高功率放大能力和较高的开关速度。
功率场效应管主要有MOSFET和IGBT两种类型，其特点是低输入阻抗、高开关速度和较低的控制电压。
可控硅主要用于交流电控制和直流电开关，其工作原理是通过施加门极电压来控制器件的导通。
3.功率半导体器件的应用领域功率半导体器件在电力电子领域有广泛的应用。
例如，功率二极管通常用于电源、电机驱动和变频器等电路中。
功率晶体管广泛应用于功率放大、开关和变换器等电路。
功率场效应管主要用于集成电路和电力开关等领域。
可控硅被广泛应用于交流变频器、电动机起动和照明控制等场合。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）结合了晶体管和可控硅的特点，逐渐成为高功率应用的主流器件。
4.功率半导体器件的发展趋势随着电力电子的广泛应用和需求的增加，功率半导体器件面临着高功率、高频率、高效率和小型化等方面的挑战。
近年来，功率半导体器件在结构设计、材料改进和工艺制造等方面取得了重大进展。
新型材料如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的应用，使功率半导体器件具有更高的工作温度、更高的开关速度和更低的导通电阻。
半导体器件分类标准
半导体器件分类标准半导体器件是指利用半导体材料制作的用于控制电流和电压的电子器件。
根据其原理和用途的不同，可以将半导体器件分为以下几类：1. 整流器件整流器件主要用于将交流电转换为直流电。
常见的整流器件有二极管和整流桥。
其中，二极管是一种最基本的电子器件，由正负两端形成的p-n结构组成。
它在正向偏置时可以导电，而在反向偏置时则为绝缘状态。
整流桥则由四个二极管组成，用于更高功率的整流应用。
2. 放大器件放大器件主要用于放大电流、电压和功率。
常见的放大器件有晶体管和场效应晶体管（MOSFET）。
晶体管是一种由三层或四层半导体材料构成的器件，根据不同的接法可以实现不同的放大功能。
MOSFET则是一种受控制的双极性输电器件，由三个电极组成，即栅极、漏极和源极。
3. 开关器件开关器件主要用于控制电路的通断。
常见的开关器件有晶闸管、双向可控硅（SCR）和三极管。
晶闸管是一种用于高压、高电流的开关器件，其工作原理类似于一个开关，可以控制电路的断开和闭合。
SCR则是一种双向控制的开关器件，常用于电力和电机控制领域。
三极管是一种由三个半导体材料构成的电子器件，广泛应用于电路的放大、开关和稳压控制等领域。
4. 传感器件传感器件主要用于检测和测量环境中的物理量或状态，并将其转化为电信号。
常见的传感器件有光敏器件、湿度传感器和温度传感器等。
光敏器件利用半导体材料的光敏特性，将光信号转化为电信号。
湿度传感器可以检测和测量周围空气中的相对湿度。
温度传感器则可以测量物体的温度。
5. 集成电路集成电路是将多个半导体器件组合到单个芯片上，以实现复杂的功能和电路。
根据集成度的不同，可以将集成电路分为大规模集成电路（LSI）、中规模集成电路（MSI）和小规模集成电路（SSI）等不同类型。
集成电路广泛应用于计算机、通信、嵌入式系统等领域。
以上是对半导体器件的分类标准的相关内容介绍。
半导体器件作为现代电子技术的基础，其应用范围广泛，对于实现电子设备的功能和性能至关重要。
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。
半导体器件的基本概念和应用有哪些
半导体器件的基本概念和应用有哪些一、半导体器件的基本概念1.半导体的定义：半导体是一种导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，常见的有硅、锗、砷化镓等。
2.半导体的导电原理：半导体中的载流子（电子和空穴）在外界条件（如温度、光照、杂质）的影响下，其浓度和移动性会发生变化，从而改变半导体的导电性能。
3.半导体器件的分类：根据半导体器件的工作原理和用途，可分为二极管、三极管、晶闸管、场效应晶体管等。
二、半导体器件的应用1.二极管：用于整流、调制、稳压、开关等电路，如电源整流器、数字逻辑电路、光敏器件等。
2.三极管：作为放大器和开关使用，如音频放大器、数字电路中的逻辑门等。
3.晶闸管：用于可控整流、交流调速、电路控制等，如电力电子设备、灯光调节等。
4.场效应晶体管：主要作为放大器和开关使用，如场效应晶体管放大器、数字逻辑电路等。
5.集成电路：由多个半导体器件组成的微型电子器件，用于实现复杂的电子电路功能，如微处理器、存储器、传感器等。
6.光电器件：利用半导体材料的光电效应，实现光信号与电信号的转换，如太阳能电池、光敏电阻等。
7.半导体存储器：用于存储信息，如随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）等。
8.半导体传感器：将各种物理量（如温度、压力、光照等）转换为电信号，用于检测和控制，如温度传感器、光敏传感器等。
9.半导体通信器件：用于实现无线通信功能，如晶体振荡器、射频放大器等。
10.半导体器件在计算机、通信、家电、工业控制等领域的应用：计算机中的微处理器、内存、显卡等；通信设备中的射频放大器、滤波器等；家电中的集成电路、传感器等；工业控制中的电路控制器、传感器等。
以上就是关于半导体器件的基本概念和应用的详细介绍，希望对您有所帮助。
习题及方法：1.习题：请简述半导体的导电原理。
方法：半导体中的载流子（电子和空穴）在外界条件（如温度、光照、杂质）的影响下，其浓度和移动性会发生变化，从而改变半导体的导电性能。
功率半导体是什么
功率半导体是什么一、引言功率半导体是一种广泛应用于电力电子领域的器件，它发挥着至关重要的作用。
功率半导体的发展在当代科技领域具有重要意义，本文将深入探讨功率半导体的定义、类型、工作原理等方面。
二、功率半导体的定义功率半导体是一种能承受较高电压和电流的半导体器件。
它在电力电子领域中扮演着控制和调节电能的重要角色。
功率半导体通常承受较大功率损耗，因此要求具备较高的功率密度。
三、功率半导体的主要类型1. 二极管二极管是功率半导体器件的一种，用于整流和开关电路中。
它具有导通压降低、反向耐压高的优点，在电源、变频器等系统中得到广泛应用。
2. MOSFET金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）是一种常见的功率半导体器件，具有功率损耗小、开关速度快、控制电压低等特点，被广泛应用于电力电子设备中。
3. IGBT绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是功率半导体中的重要类型，具有开关速度快、控制电压低、功率密度高等优势，在变频器、逆变器等设备中发挥着重要作用。
四、功率半导体的工作原理功率半导体器件的工作原理是通过控制电压和电流的导通和截止，实现对电能的调节和控制。
不同类型的功率半导体器件具有不同的工作原理，但都是基于半导体材料的特性实现电能转换。
五、功率半导体的应用领域功率半导体广泛应用于电力系统、工业自动化、交通运输等领域。
在工业生产和生活中，功率半导体的应用为设备的高效运行、能源的节约提供了重要支持。
六、结论功率半导体作为电力电子领域的重要组成部分，其在现代科技和工业中的应用越发广泛。
通过本文的介绍，希望读者对功率半导体有更深入的了解，进一步推动功率半导体技术的发展和应用。
半导体常用器件及应用
半导体常用器件及应用半导体器件是一种能够在电子器件中控制电子流动的材料。
半导体器件通常使用的材料是半导体材料，如硅、锗等。
半导体器件具有控制电流的能力，可根据电流的变化来控制电子的行为，从而实现各种电子功能。
下面将介绍一些常用的半导体器件及其应用。
1. 二极管二极管是最简单的半导体器件之一，具有两个电极，即P型半导体和N型半导体。
它具有允许电流在一个方向上流动，而在另一个方向上阻止电流流动的特性。
二极管的主要应用包括整流器，用于将交流电转换为直流电，还可用于电压稳定器、电源等。
2. 晶体管晶体管是一种可以放大和开关电信号的半导体器件。
它由三个层次的半导体材料组成，分别是基极、射极和集电极。
晶体管的操作基于两种类型的电信号：输入信号和控制信号。
它广泛应用于放大器、开关、计算机存储器、微处理器等。
3. MOSFETMOSFET（金氧半场效应晶体管）是一种常见的半导体器件，用于放大或开关电信号。
它由四个区域构成，包括漏极、源极、栅极和绝缘层。
MOSFET的主要应用包括放大器、开关、电源开关等。
4. SCR（可控硅）可控硅是一种具有触发控制能力的半导体器件，可以在接通状态下保持导通状态，只有在触发条件满足时才能断开。
SCR主要应用于电力控制中，如温度控制、电炉、电焊机等。
5. LED（发光二极管）LED是一种能够将电能转换为光能的半导体器件。
当电流通过LED时，它会发射出可见光。
由于其高效能和长寿命的特性，LED广泛应用于照明、指示灯、电子设备显示等。
6. 激光二极管激光二极管是一种半导体器件，当电流通过它时，会发射出激光光束。
激光二极管具有小尺寸、低成本和高效能的特点，被广泛应用于光通信、激光打印、激光扫描等。
7. CCD（电荷耦合器件）CCD是一种半导体器件，用于将光能转换为电荷，并通过逐行读取电荷来捕捉图像。
CCD广泛应用于数码相机、摄像机、光谱仪等图像传感器领域。
8. 太阳能电池太阳能电池是一种能够将太阳能转化为电能的半导体器件。
电力电子半导体器件(IGBT)
c. 栅分布锁定：是因为绝缘栅旳电容效应，造成在开关过程中个别先开通或 后关断旳IGBT之中旳电流密度过大而形成局部锁定。
——采用多种工艺措施，能够提升锁定电流，克服因为锁定产生旳失效。
4．开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数旳关系：
5．开关损耗与温度和漏极电流关系
（三）擎住效应
IGBT旳锁定现象又称擎住效应。IGBT复合器件内有一种 寄生晶闸管存在，它由PNP利NPN两个晶体管构成。在NPN晶 体管旳基极与发射极之间并有一种体区电阻Rbr，在该电阻上， P型体区旳横向空穴流会产生一定压降。对J3结来说相当于加 一种正偏置电压。在要求旳漏极电流范围内，这个正偏压不大， NPN晶体管不起作用。当漏极电流人到—定程度时，这个正偏 量电压足以使NPN晶体管导通，进而使寄生晶闸管开通、门极 失去控制作用、这就是所谓旳擎住效应。IGBT发生擎住效应后。 漏极电流增大造成过高旳功耗，最终造成器件损坏。
在使用中为了防止IGBT发生擎住现象:
1．设计电路时应确保IGBT中旳电流不超出IDM值； 2．用加大门极电阻RG旳方法延长IGBT旳关断时间，减小重加
dVDS/d t。 3．器件制造厂家也在IGBT旳工艺与构造上想方设法尽量提
高IDM值，尽量防止产生擎住效应。
（四）安全工作区 1．FBSOA：IGBT开通时正向偏置安全工作区。
4．开关特征：
与功率MOSFET相比，IGBT 通态压降要小得多，1000V旳 IGBT约有2~5Ｖ旳通态压降。这 是因为IGBT中N－漂移区存在电 导调制效应旳缘故。
电力电子半导体器件(MOSFET)
第五章功率场效应晶体管（Power MOSFET)TO-247ACTO-220FTO-92TO-126一、普通MOSFET基本结构特点：单极型电压控制器件，具有自关断能力，驱动功率小工作速度高，无二次击穿问题，安全工作区宽。
1．N沟道MOSFET工作原理：①V=0，无导电沟道。
GS②V>0，反型层出现，GS形成N沟道，电子导电。
类型：增强型，耗尽型２.P沟道MOSFET：空穴导电分类：增强型，耗尽型3．存在问题：平面型结构S、G、D处于同一平面，电流横向流动，电流容量不可能太大；要获得大功率，可增大沟道宽长度受工艺限制，不能很小；增大管芯面积，但不经济，因此管子功率小，大功率难实现。
二、功率MOSFET：如何获得高耐压、大电流器件？对比GTR，GTR在功率领域获得突破的原因：①垂直导电结构：发射极和集电极位于基区两侧，基区面积大，很薄，电流容量很大。
②N-漂移区：集电区加入轻掺杂N-漂移区，提高耐压。
③双重扩散技术：基区宽度严格控制，可满足不同等级要求。
④集电极安装于硅片底部，设计方便，封装密度高，耐压特性好，在较小体积下，输出功率较大。
（一）VMOSFET：保留MOSFET的优点，驱动功率小；吸收GTR优点，扩展功率，主要工艺：①垂直导电结构；②N-漂移区；③双重扩散技术；1．VVMOSFET：美国雷达半导体公司1975年推出特点：①VGS加电压后，形成反型层沟道，电流垂直流动。
②漏极安装于衬底，可充分利用硅片面积③N-漂移区，提高耐压，降低C电容。
GD④双重扩散可精确控制沟道长度。
缺点：V型槽底部易引起电场集中，提高耐压困难，改进：U型MOSFET。
MOS结构沟道部分是由同一扩散窗利用两次扩散形成的P型体区和区的扩散深度差形成的，沟道长度可以精确控制——双重扩散。
电流在沟道内沿着表面流动，然后垂直地被漏极吸收。
由于漏极也是从硅片底部引出，所以可以高度集成化。
D 漏源间施加电压后，由于耗尽层的扩展，使栅极下的MOSFET持一定的电压，于是可使耐压提高。
电路中的半导体器件基础知识总结
电路中的半导体器件基础知识总结电路中的半导体器件是电子技术的重要组成部分，广泛应用于各种电子设备和系统中。
了解和掌握半导体器件的基础知识对于工程师和电子爱好者来说至关重要。
本文将对半导体器件的基础知识进行总结，包括半导体材料、二极管、场效应管和晶体三极管等方面。
一、半导体材料半导体器件的基础是半导体材料。
半导体材料具有介于导体和绝缘体之间的导电性能，其电阻随着温度的变化而变化。
常用的半导体材料有硅和锗。
硅是最重要的半导体材料之一，应用广泛。
半导体材料的导电特性由材料中的杂质控制，将适当的杂质加入纯净的半导体中可以改变其导电性能，这就是掺杂。
二、二极管二极管是一种最简单的半导体器件，它由正负两极组成。
二极管的主要作用是对电流进行整流，也可以用于稳压、开关等电路。
二极管的工作原理是利用PN结的特性。
PN结是由P型半导体和N型半导体连接而成，在PN结的接触面上形成空间电荷区，通过控制电势差，可以控制空间电荷区的导电状态。
在正向偏置时，电流可以从P端流向N端，形成导通状态；在反向偏置时，电流不能从N端流向P端，形成截止状态。
三、场效应管场效应管是一种三电极器件，由栅极、漏极和源极组成。
场效应管的工作原理是利用栅极电场的调控作用来控制漏极和源极之间的电流。
常用的场效应管有MOSFET（金属氧化物半场效应晶体管）和JFET（结型场效应晶体管）等。
MOSFET主要由金属栅极、绝缘层和半导体构成，栅极电压的变化可以控制漏极和源极之间的电流；JFET 主要由PN结构成，通过栅极电压的变化来控制漏极和源极之间的空间电荷区的导电状态。
四、晶体三极管晶体三极管是一种三电极器件，由发射极、基极和集电极组成。
晶体三极管的主要作用是放大和控制电流。
晶体三极管的工作原理是利用少数载流子在不同电极之间的输运和扩散来实现，发射极和基极之间的电流变化可以通过集电极和基极之间的电流放大。
晶体三极管有NPN型和PNP型两种，其中NPN型的晶体三极管发射极和基极连接为N型半导体，集电极为P型半导体；PNP型的晶体三极管发射极和基极连接为P型半导体，集电极为N型半导体。
电力半导体技术及变流技术
电力半导体技术
第三章 晶闸管整流电路
一、整流装置的常用参数： 1、α-控制角：在一个电周期内，整流桥各可控硅在过了其自然换向点后 才承受正向电压，规定此时α=0。改变α，可以控制整流装置的输出电压。 2、Ud-输出直流电压平均值 3、U2-输入交流电压有效值 4、IT-可控硅额定通态平均电流 5、Id-整流装置额定输出电流平均值
快速熔断器简称快熔，用于短路保护。当电流超过其额定电流4倍时， 动作时间在0.1s以内(具体数据以样本手册为准)。注意：快熔额定电流指 的是电流有效值，而可控硅的参数IT是指电流平均值。两者并不一致(见 可控硅容量选择一节)。但通常取快熔额定电流=IT，此时快熔容量约为 可控硅容量的2/3。 3、过压吸收：
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电力半导体技术
第四章 双向晶闸管调压电路
三、典型调压电路 3、其它调压电路
其它调压电路还有：YN接三相调压电路、串联负载角接三相调压 电路、晶闸管角接三相调压电路等。
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电力半导体技术
第二章 IGBT
四、逆变主电路
IGBT由于可关断特性，与晶闸管 比较，更加适合用于逆变电路。 以往采用晶闸管作为逆变器功率 器件时，须附加换流电路才可实 现逆变，电路较为复杂，现在变 频器已大量采用IGBT作为逆变器 功率器件。
1、IGBT导通顺序：
123234 345 456 561 612
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电力半导体技术
第一章 晶闸管
三、晶闸管触发 晶闸管的触发电流波形对晶闸管的运行特别是对其开关过渡过程有很
大的影响。理想的触发电流波形应满且如下要求。 1、触发脉冲前沿
对于大功率晶闸管，为了减少开通时间，满足电流变化率的要求，或 者在串并联电路中，为缩小开通时间的分散性，都应采用强触发脉冲。 当触发脉冲的IGT=5-6倍时，元件的开通性能有明显的改善。 2、触发脉冲宽度
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。
半导体元件有哪些
半导体元件有哪些一、简介半导体元件是半导体材料制成的组件，广泛应用于电子和电力领域。
半导体元件的种类繁多，不同的元件具有不同的功能和特点，下面将介绍几种常见的半导体元件。
二、二极管（Diode）二极管是一种最简单的半导体元件，通常由P型半导体和N型半导体组合而成。
它具有导通方向和截止方向两种工作状态，能够将电流限制在一个方向上流动。
二极管被广泛用于整流和电源保护电路中。
三、晶体管（Transistor）晶体管是一种主要用于放大和开关电路的半导体元件。
它通常由三个掺杂不同的半导体材料层叠而成，包括发射极、基极和集电极。
晶体管可以放大电流和控制电路的开关，是现代电子设备中不可或缺的组成部分。
四、场效应管（FET）场效应管是一种利用电场调控电流的半导体元件，通常分为MOSFET和JFET两种类型。
它具有高输入阻抗、低输入电流、低功耗等特点，被广泛用于放大、开关和调制等电路中。
五、光电子器件（Photonic Device）光电子器件是一种能够在光和电信号之间相互转换的半导体元件，包括光电二极管、光伏电池、光发射二极管等。
它在通信、光纤传输、光储存等领域发挥着重要作用。
六、集成电路（Integrated Circuit）集成电路是将多个晶体管、二极管、电容器等元件集成在一块半导体芯片上的半导体元件。
它具有体积小、功耗低、成本低等优点，被广泛应用于电子产品中。
结语以上是几种常见的半导体元件，随着科技的发展，半导体元件的种类和应用领域将会不断扩展。
半导体元件的发展对电子、通信等行业起着至关重要的作用，带动了整个科技产业的发展和进步。
几种常用的功率器件(电力半导体)及其应用
常用的功率开关器件及其应用
1
晶闸管
晶闸管是一种常见的功率开关器件，
继电器
2
广泛应用于交流电路的控制和变流。
继电器是控制电流的常用设备，广泛
用于电力系OSFET
功率MOSFET是高效率功率转换的关 键，被广泛用于电力变换和驱动应用。
常用的整流器件及其应用
二极管
二极管是最简单的整流器件，用于将交流电转换为直流电，广泛应用于电源和电能质量控制。
纯正弦波逆变器能够产生高质 量的交流电，适用于对负载要 求严格的应用，如医疗设备和 精密仪器。
修正正弦波逆变器
修正正弦波逆变器是一种经济 实用的逆变器，广泛应用于家 庭电器和车载设备。
功率器件在电力系统中的应用
我们将深入了解功率器件在电力系统中的应用，包括电力传输、配电、控制 和保护等方面的功能。这些器件为电力系统的高效运行和稳定供电提供了关 键的支持。
桥式整流器
桥式整流器通过四个二极管的组合，提供更高效的整流功能，被广泛应用于电子设备和电动 机驱动。
IGBT
IGBT是一种高性能功率开关器件，常用于大功率应用，如工业驱动和逆变器。
常用的逆变器件及其应用
逆变器电路
逆变器是一种将直流电转换为 交流电的器件，广泛用于太阳 能发电和电动车等应用中。
纯正弦波逆变器
功率器件的选择要点
1
负载要求
根据负载特性选择适合的功率器件，如稳态和瞬态负载。
2
效率和损耗
考虑功率器件的效率和损耗，以提高系统的效能和能源利用率。
3
温度和散热
根据应用环境和功率需求，选择适当的散热方案，确保功率器件稳定工作。
总结和回顾
通过对几种常用的功率器件及其应用的介绍，我们深入了解了它们在电力系统中的重要性。正确选择和 使用功率器件，可以提高系统的效率，降低能源消耗，并确保可靠的电力供应。
电力电子半导体器件(GTR)
3．集电极电压上升率dv/dt对GTR的影响 ．集电极电压上升率 对 的影响 用于桥式变换电路时， 当GTR用于桥式变换电路时，如图： 用于桥式变换电路时 如图：
C1 B1 E1 C
2
B2
E2
dv/dt产生的过损耗现象严重威胁器件和电路安全；当基极 产生的过损耗现象严重威胁器件和电路安全； 产生的过损耗现象严重威胁器件和电路安全 开路时， 通过集电结寄生电容产生容性位移电流， 开路时， dv/dt通过集电结寄生电容产生容性位移电流，注入 通过集电结寄生电容产生容性位移电流 发射结形成基极电流，放大β倍后，形成集电极电流， 发射结形成基极电流，放大β倍后，形成集电极电流，使GTR 进入放大区，因瞬时电流过大引起二次击穿。 GTR换流关断 进入放大区，因瞬时电流过大引起二次击穿。在GTR换流关断 dv/dt会引起正在关断的GTR误导通 造成桥臂直通。 会引起正在关断的GTR误导通， 时，dv/dt会引起正在关断的GTR误导通，造成桥臂直通。 抑制dv/dt，可在集射极间并联RCD缓冲网络进行吸收。 ，可在集射极间并联 缓冲网络进行吸收。 抑制 缓冲网络进行吸收
三、单管GTR 单管
采用三重扩散，台面型结构；可靠性高， 采用三重扩散，台面型结构；可靠性高，对二次击穿特性 有改善，易于提高耐压，易于耗散体内热量。 有改善，易于提高耐压，易于耗散体内热量。 增加N 漂移区，由它的电阻率和厚度决定器件阻断能力， 增加N-漂移区，由它的电阻率和厚度决定器件阻断能力， 但阻断能力提高，使饱和导通电阻增大，电流增益降低。 但阻断能力提高，使饱和导通电阻增大，电流增益降低。 一般： 10—20 一般： β 约10 20 工作状态：开关状态（导通、截止；开通、关断） 工作状态：开关状态（导通、截止；开通、关断）
几种常用的功率器件电力半导体及其应用
电力半导体是电力电子学中应用广泛的一种器件，用于电源的变换和控制。 本次讲解几种常见的功率器件的特点和应用
二极管
特点
只允许电流在一个方向上流动，具有单向性能，开关速 度快，体积小
应用
整流器、恒流源、保护等领域
普通开关管
特点
具有低电阻和高通断能力，能承受大电流和高压， 工作在低频率范围中
应用
开关电源、电机驱动等领域
可控硅
1
特点
具有单向导电性和可控导电性，可控硅驱动、电压控制、直流电源、光控开关等
3
应用
变流器、交流调压、交流电源、温度控制等领域
高压晶闸管
特点
工作在高压环境下，结构简单，导通损耗小，能承受大 电流
应用
电动机启动控制、加热调节、电炉控制等领域
未来发展
1 SiC和GaN功率器件市场快速增长
得益于其在各种新型应用中的技术进步与发展, 尤其是智能家居、5G、新能源等领域的需求增 多
2 功能集成和模块化呈现出重要的趋势
将复杂的功率电子系统集成在一个芯片或一个模 块中，实现了系统的紧凑和快速设计，并提高了 功率电子系统的可靠性和性能
功率MOS管
1 特点
2 应用
高速开关能力，负载能力强，只要控制电路输出 的电压达到一定的要求即可驱动
高频逆变、开关电源、逆变电焊、电机驱动等领 域
IGBT
特点
电压下降低，频率响应快，集成度高，可实现智能化 和模块化设计等
应用
新能源支架、风机变频、新风机、大功率照明等领域
GaN和SiC功率器件
1
SiC
2
具备高温、高电压、大电流、低电阻和低频 损耗等特点，广泛应用于高效电源和能源转
几种常用的功率器件(电力半导体)及其应用
目录
• 引言 • 几种常用功率器件介绍 • 电力半导体器件工作原理及特性 • 几种常用功率器件应用领域探讨 • 选型指南与使用注意事项 • 总结与展望
01
引言
背景与意义
功率器件是电力电子 技术的核心，广泛应 用于能源、交通、工 业等领域
功率器件的性能和可 靠性对电力电子系统 的效率和稳定性具有 重要影响
随着新能源、电动汽 车等产业的快速发展， 功率器件的需求不断 增长
功率器件概述
1
功率器件是一种能够控制、转换和传输电能的半 导体器件
2
主要类型包括二极管、晶体管、晶闸管、 MOSFET、IGBT等
3
功率器件具有耐压高、耐流大、开关速度快等特 点，是实现电力电子变换的关键元件
02
几种常用功率器件介绍
注意器件的开关顺序和时序
不正确的开关顺序或时序可能会导致电路故障或器件损坏。
确保良好的散热条件
功率器件在工作时会产生热量，需要确保良好的散热条件以防止器件 过热损坏。
06
总结与展望
回顾本次项目成果
深入研究了几种常用的功率器件(电力半导体)的工作原理和特性，包括晶 闸管、可关断晶闸管、电力晶体管、绝缘栅双极晶体管等。
描述器件在异常工作条件下的承受能力， 如过压、过流、过热等保护功能，确保器 件在恶劣环境下能够安全运行。
04
几种常用功率器件应用领 域探讨
电源供应器与适配器
开关电源
功率器件如MOSFET和IGBT在开 关电源中起到关键作用，实现高 效能、小体积的电源设计。
适配器
功率器件用于电压转换和电流控 制，使得适配器能够为各种设备 提供稳定的电源。
电子行业电力电子半导体器件
电子行业电力电子半导体器件电力电子半导体器件是电子行业中的重要组成部分。
随着电子设备的不断更新换代，电力电子半导体器件在能源转换和电力传输过程中起到了关键作用。
本文将介绍电力电子半导体器件的基本概念、主要分类、应用领域以及未来发展趋势。
1. 基本概念电力电子半导体器件是一类能够控制电能流动的半导体器件。
它们能够在电能传输和转换过程中实现电能的调节、控制、转换和保护。
常见的电力电子半导体器件有晶闸管、二极管、IGBT（绝缘栅双极性晶体管）等。
2. 主要分类电力电子半导体器件可以根据其结构、工作方式和用途等不同分类。
2.1 晶闸管晶闸管由四个PN接面组成，具有双向导通能力。
它可以通过一个外部的控制信号来控制电流的通断，在电力系统中常用于交流电的控制和调节。
2.2 二极管二极管是由一个PN接面组成，具有单向导通特性。
它能够将交流电转换成直流电，并且能够防止反向电流的流动。
2.3 IGBTIGBT是绝缘栅双极性晶体管的简称，它是晶闸管和MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的结合体。
IGBT具有高电压耐受能力和低导通损耗，广泛应用于变频器、电动汽车和电力传输等领域。
2.4 其他除了晶闸管、二极管和IGBT之外，电力电子半导体器件还包括功率MOSFET、超级结二极管、三极支撑二极管（GTO）等。
3. 应用领域电力电子半导体器件在电力系统和电子设备中有着广泛的应用。
3.1 电力系统电力电子半导体器件在电力系统中主要用于电能的传输和转换。
它们可以实现电能的调节和控制，提高电能的质量和效率。
在变频器、逆变器和冲击电流抑制器等设备中，电力电子半导体器件起到了关键作用。
3.2 电动汽车随着电动汽车的普及，电力电子半导体器件在电动汽车中的应用也越来越重要。
它们可以控制电动汽车的电机和电池系统，实现电能的高效转换和传输，提高电动汽车的续航里程和性能。
3.3 可再生能源可再生能源（如太阳能和风能）的利用需要将电能转换成其他形式的能量（如热能或机械能）。
电力电子半导体器件(GTR)
§4.1 GTR结构
双极型大功率、高反压晶体管——GTR （巨型晶体管） Giant Transistor 三层半导体材料，两个PN结(NPN型、PNP型)。
一、工艺特点
三重扩散；叉指型基极和发射极； 特点：发射区高浓度掺杂
基区很薄（几um—几十um）
N-掺杂浓度低，提高耐压能力 N+集电区收集电子
TC=250C VCE=2V
TC=250C，VCE=－2V
③管子温度相同时，VCE越大，β越大。
④β随温度增加而增加，大电流下，β随温度增加而减小。
⑤GTR反接时，β很小。
4．最大额定值——极限参数 由GTR材料、结构、设计水平、制造工艺决定。
①最高电压额定值： BVCEO，BVCBO，BVCES，BVCER，BVCEX
③快速保护功能： GTR故障时，自动关断基极驱动信号，保护GTR。 如:抗饱和、退抗饱和、过流、过压、过热、脉宽限制、 智能化自保护能力。
二、基极驱动电路基本形式
（一）恒流驱动电路：
基极电流恒定，不随IC电流变化而变化。 IB > ICmax / β 问题:空载、轻载时，饱和深度加剧，存储时间大，关断时间长。 改进：1．抗饱和电路（贝克嵌位电路）
③最高结温TJM 塑封，硅管：1250～1500C； 金属封装，硅管：1500～1750C； 高可靠平面管：1750～2000C；
④最大功耗PCM PCM = VCE• IC 受结温限制，使用时注意散热条件。
例：3DF20型GTR各最大额定值参数：
二、动态特性与参数 动态特性是GTR开关过程的瞬态性能，称开关特性；主要受
VD1引入，加速V2、V1的同时关断 ，引出B2极可另外控制。
电力半导体器件
图3-6 NPN晶体管共射极接法的输出特性
22
2、功率晶体管GTR的特点
习惯上将耗散功率大于1W的晶体管称为功率晶体管，简 称GTR（Giant Transistor）。由于GTR在大耗散功率下工 作，当工作电流和工作电压变化时会导致管子的温度急剧 变化，这样又引起管子的工作状态急剧变化，还会在管子 内部产生大的机械引力，引起GTR损坏。因此，GTR应有 下列性能要求或参数： 具有高的极限工作温度； 小的热阻； 小的饱和导通压降或饱和电阻； 工作稳定可靠； 大电流容量； 高耐压； 快的开关速度。
26
在应用中，增大基极电流，使充电加 快，t d 、t r 都可以缩小，但不宜过大，否 则将增大储存时间。因此在基极电路中采 用加速电容是解决这一问题的一种办法。 为了加速GTR关断，缩短关断时间 t o ff ，基 极驱动电路必须提供具有一定幅值的反向 驱动电流，即加反向基极电压有助于加快 电容上电荷的释放，从而减小 t s 和t f 。但 基极反向电压不能过大，否则会将发射结 击穿，还会增大延迟时间。右图是GTR的 理想驱动波形，IB1’是正向过充驱动电流， 加速GTR导通， 维持I B1 GTR处于临界饱和 状态；关断时初始 是负I B2值' 过冲量，可缩 图3-8 GTR理想驱动波形 短关断时间，防止二次击穿。在应用中， 一般在基极驱动电阻 上并联电容器来实现 理想驱动。
177、二极管类型除一般类型的整流二极管外，还有：
1）快恢复二极管
快恢复二极管具有较短的恢复时间（200ns～2us），但通 态压降较高,快恢复二极管常用于高频电路的整流或钳位。
2）肖特基整流二极管
肖特基二极管是用金属沉积在N型硅的薄外延层上，利用
金属和半导体之间接触势垒获得单向导电作用，接触势垒
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（二）BJT的安全工作区（SOA）
◤ BJT工作的安全范围由图1-15所示
的几条曲线限定：①集电极最大允许 直流电流线ICM，由集电极允许承受的 最大电流决定；②集电极允许最高电 压UCE0，由雪崩击穿决定；③集电极 直流功率耗散线PCM ，由热阻决定； ④二次击穿临界线PSB，由二次击穿触 发功率决定。◢
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BJT的开关特性
◤图1-11 b）中的ton叫开通时间，它表示BJT 由截止状态过渡到导通状态所需要的时间。 它由延迟时间td和上升时间tr-两部分组成， ton = td + tr。 ◢ ◤ td为延迟时间，表示从加入驱动脉冲，到 集电极电流上升到0.1ICsa所需要的时间 tr为 上升时间，表示集电极电流从0.1ICsa上升到 0.9ICsa所需要的时间。◢ ◤ toff叫关断时间，表示BJT由导通状态过渡 到截止状态所需要的时间。它由存贮时间ts 和下降时间tf组成，toff = ts + tf。 ◢
U CC
Ic RB B C T1 E RL U CE
1
U BB
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BJT共发射极电路的输出特性
◤该图表示集电极电流IC 与集射极电压UCE的 关系，其参变量为IB，特性上的四个区域反映 了BJT的四种工作状态。◢ ◤在晶体管关断状态时，基极电流IB＝0，集 电极发射极间电压即使很高，但发射结与集电 结均处于反向偏置，即UBE≤0，UBC<0，发射结 不注入电子，仅有很少的漏电流流过，在特性 上对应于截止区（I区），相当于处于关断状 态的开关。 ◢ ◤当发射结处于正向偏置而集电结仍为反向偏 置时，即UBE>0，UBC<0，随着IB增加，集电极 电流IC线性增大，晶体管呈放大状态，特性上 对应线性放大区（II区）。◢
1.1.2 电力半导体器件使用特点
RL • 电力半导体器件稳态时通常工作在饱 Ic 和导通与截止两种工作状态。 C • 饱和导通时，器件压降很小，而截止 Rb B UCC T1 UCE 时它的漏电流小得可以忽略，这样在 饱和导通与截止两种工作状态下的损 E 耗都很小，器件近似于理想的开关 • 但需要指出的是，电力半导体器件在 开关状态转换过程时并不是瞬时完成 的（所需时间称开关时间），而是要 图1-1：简单的bjt电路 经过一个转换过程（称开关过程） U •例如，图1-1所示电路中 RL =5Ω ，CC = 50V， 当工作在饱和导通状态时 U CE PT 管压降， ≈ 0.3V T1 的管耗1 = I C × U CE ≈ (UCC / RL)×UCE =10×0.3 =3W T1 截止的 ， ， PT 漏电流I C = 0 ，即截止时的管耗1 ≈ 0 。如果1 工作在线性放大状态 T T1 IC ×U 时，设 5 A ，则 的管耗CE = IC ×(UCC −IC ×RL) = 5 × (50 − 5 × 5) = 75W 。 IC =
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1.2.2 功率二极管开关特性
功率二极管开通时 间很短，一般可以忽略 不计，但二极管的关断 过程较复杂，对电路的 影响不能忽视。 二极管关断过程的波形 • 关断过程的三个时间段。 • 反相恢复时间，反相恢 复电流。
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在整流管类 中，快速恢 复二极管将 有较大的发 展 在高压直流 输电中，晶 闸管（光控 晶闸管）将 有很好的发 展机遇。 在功率晶体 管类中，以 IGBT发展最 为迅速
1.2 功率二极管
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图1-15
1.3.5 达林顿BJT与BJT模块
C B
C B
C
B D1
T2
T1 T2 DF
T1 T2
T1 R1 R2 E
图1-17
达林顿BJT的等效电路
R1 R2 E 图1-18 BJT模块的等效电路
BJT模块除了有上述达林顿BJT的特 BJT模块除了有上述达林顿BJT的特 模块除了有上述达林顿BJT 点外，还有如下优点： 点外，还有如下优点：
P BB B BE B
◤当基极回路输入一幅值为UP（UP>>UBB）
◤当基极输入脉冲为负或零时，BJT的
图1-11
BJT的开关特性
发时结和集电结都处于反向偏置，集 电极电流逐渐下降到IC＝ICEO≈0，因 此负载电阻RL上的压降可以忽略不计， 集电极与发射极之间的压降UCE≈UCC， 即BJT工作在截止状态，BJT相当于一 断开的开关◢
• 1.2.1 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1-3所 示。
图1-2二极管耗尽层与少数载流子浓度 分布
图1-3二极管伏安特性
1.3.4 BJT的二次击穿
图1-13
二次击穿实验曲线
图1-14
二次击穿临界线
反偏二次击穿触发功率 PSBR = I SBRU SBR P = I SB 0U SB 0 零偏二次击穿触发功率 SB 0 正偏二次击穿触发功率 PSBF = I SBF U SBF
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BJT的开关特性
的正脉冲信号时，基极电流立即上升 U −U −U 到I = ，在IB的作用下，发 R 射结逐渐由反偏变为正偏，BJT由截止 状态变为导通状态 ，集电极电流IC上 升到负载电阻压降 。集电极电流IC上 升到负载电阻压降 I C RL ≥ (U CC − U BE ) ， 集电结变为零偏甚至正偏，集电极与 发射极之间的压降UCE≈0，BJT工作在 饱和状态，BJT相当于闭合的开关。◢
1.3.2 工作原理及输出特性
图
RB B U BE U BB Ic C T1 E U CE U CC RL
1
α =
α
I
C
/ I
输
E
U CE
三 种 基 本 电 路
RB U EB U BB
E B
T1
C U CB
RL U CC
IC IC IC / I E α = = = =β I B I E − IC 1 − IC / I E 1 − α
它是能量高度集中的组合器件， 1） 它是能量高度集中的组合器件， 大大缩小了变换器的体积； 大大缩小了变换器的体积； 有电绝缘且传热好的固定底座， 2） 有电绝缘且传热好的固定底座， 安装使用很方便； 安装使用很方便；
第1章 电力半导体器件
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 电力半导体器件种类与特点 功率二极管 功率晶体管 功率场效应管 绝缘栅极双极型晶体管 晶闸管 晶闸管的派生器件 主要电力半导体器件特性比较
1.1 电力半导体器件种类与特点
1.1.1 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
图1-10 BJT共发射极电路的 输出特性
◤当基极电流IB>（IC /β）时，晶体管就充分 饱和了。这时发射结和集电结都是正向偏置， 即UBE>0，UBC>0，电流增益和导通压降UCE均达 到最小值，BJT进入饱和区（IV区）。BJT工作 在饱和区，相当于处于导通状态的开关。◢
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◤在二次击穿现象中，当第一次雪崩击穿 在二次击穿现象中， 从电流上升到I 后，从电流上升到ISB ，再到触发产生二 次击穿的时间延迟，称为触发时间。 次击穿的时间延迟，称为触发时间。意味 BJT工作点进入一次击穿区时 工作点进入一次击穿区时， 着BJT工作点进入一次击穿区时，并不立 即产生二次击穿，而要有一个触发时间。 即产生二次击穿，而要有一个触发时间。 当加在BJT上的能量超过临界值（ BJT上的能量超过临界值 当加在BJT上的能量超过临界值（触发能 才产生二次击穿， 量）时，才产生二次击穿，也就是说二次 击穿需要能量。 击穿需要能量。◢
研究二极管关断过程的电路
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1.3 功率晶体管
BJT是一种双极型半导体器件，即其 内部电流由电子和空穴两种载流子形 成。基本结构有NPN和PNP两种。 为了提高BJT耐压，一般采用NPvN三 重扩散结构（图1-6）。
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从使用角度出发，主要可从以下五个方面考查电力半导体 器件的性能特点： 导通压降 运行频率 器件容量 耐冲击能力 可靠性 此外，诸如控制功率、可串并联运行的难易程度、价格等 等也是选择电力半导体器件应考虑的因数。
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1.1.3 电力半导体器件发展水平
普通整流管 : 3KV , 6 KA • 整流管 快速恢复二极管 : 1.2 KV , 450 A , 0.25µ s 肖特基二极管 : 100 V , 3KA 普通晶闸管 : 5kV , 4 kA , 12 kV , 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 ; 8 kV , 1kA 自关断型 MCT : 4 kV , 2.5kA SITH : 2 kV , 600 A BJT : 1200 V , 600 A • 功率晶体管 功率 MOSFET : 500 V , 100 A SIT : 800 V , 60 A ; 1.2 kV , 28 A IGBT : 4500 V , 2800 A