电力电子器件wo

内蒙古工业大学
毕业设计（论文）题目电力电子器件浅论
专业电气及其自动化
班级
学生姓名贾立君
指导教师
成人教育学院
年月日
摘要
从上世纪六七十年代至八十年代初，功率半导体器件主要是可控硅整流器(SCR)、巨型晶体管(GTR)和其后的可关断晶闸管(GTO)等。

它们的主要用途是用于高压输电，以及制造将电网的380V或220V交流电变为各种各样直流电的中大型电源和控制电动机运行的电机调速装置等，这些设备几乎都是与电网相关的强电装置。

可控硅（SCR）是可控硅整流器的简称，简称晶闸管。

电力晶体管按英文Giant Transistor直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor—BJT）。

可关断晶闸管GTO（Gate Turn-Off Thyristor）亦称门控晶闸管。

功率MOSFET是一种电压控制型单极晶体管。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型功率管。

MCT最早由美国GE公司研制，是由MOSFET与晶闸管复合而成的新型器件。

关键词：硅整流器(SCR)，巨型晶体管(GTR)，可控硅（SCR），电力晶体管，功率MOSFET，可关断晶闸管GTO
Abstract
From the sixties and seventies of last century to the early eighties, power semiconductor devices are mainly silicon-controlled rectifier (SCR), Giant Transistor (GTR) and the subsequent turn-off thyristor (GTO) and so on. Their main use is for high-voltage transmission, as well as manufacturing will be 380V or 220V AC power grid into a variety of medium and large DC power supply and control of motor speed control devices such as motors running, these devices are almost always associated with the grid Strong electrical device.
Thyristor (SCR) is a silicon-controlled rectifier short, abbreviated thyristors.
Giant Transistor Power Transistor by English transliteration for the large transistor, is a kind of resistance to high voltage, high current bipolar junction transistors (Bipolar Junction Transistor-BJT).
GTO GTO (Gate Turn-Off Thyristor) also known as gated thyristor.
Power MOSFET is a voltage-controlled unipolar transistor.
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), insulated gate bipolar power transistor.
MCT was first developed by the United States, GE is a compound formed by the MOSFET and the thyristor new device.
Key words: silicon rectifier (SCR), Giant Transistor (GTR), Thyristor (SCR), power transistors, power MOSFET, GTO GTO
目录
第一章功率半导体器件的发展 (1)
1.1 功率半导体的发展 (1)
1.1.1 功率半导体器件的发展现状错误！未定义书签。

第二章功率半导体器件介绍及比较 (2)
2.1 可控硅、晶闸管的介绍与比较 (2)
2.2 电力晶体管介绍 (3)
2.3 可关断晶闸管 (3)
2.4 功率 (4)
2.5 绝缘栅双极晶体管 (4)
2.6 MOS控制晶闸管 (5)
第三章基于新型材料的电力电子器件 (6)
3.1 SiC（碳化硅）用途及发展前景 (6)
结论电力电子器件的应用 (7)
参考文献 (8)
致谢……………………………………………………….. .9
第一章功率半导体器件的发展
1.1从上世纪六七十年代至八十年代初，功率半导体器件主要是可控硅整流器(SCR)、巨型晶体管(GTR)和其后的可关断晶闸管(GTO)等。

它们的主要用途是用于高压输电，以及制造将电网的380V或220V交流电变为各种各样直流电的中大型电源和控制电动机运行的电机调速装置等，这些设备几乎都是与电网相关的强电装置。

因此，当时我国把这些器件的总称———Power Semi-conductor Devices 没有直译为功率半导体器件，而是译为电力电子器件，并将应用这些器件的电路技术Power Electronics没有译为功率电子学，而是译为电力电子技术。

1.1.120世纪80年代以后，功率半导体行业发生了翻天覆地的变化。

功率半导体器件变为以功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET，常简写为功率MOS)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及功率集成电路(Power IC，常简写为PIC)为主。

这一转变的主要原因是，这些器件或集成电路能在比以前高10倍以上的频率下工作，而电路在高频工作时能更节能、节材，能大幅减少设备体积和重量。

尤其是集成度很高的单片片上功率系统(Power System On A Chip，简写PSOC)，它能把传感器件与电路、信号处理电路、接口电路、功率器件和电路等集成在一个硅芯片上，使其具有按照负载要求精密调节输出和按照过热、过压、过流等情况自我进行保护的智能功能，其优越性不言而喻。

国际专家把它的发展喻为第二次电子学革命。

第二章功率半导体器件介绍及比较
2.1 可控硅（SCR）
可控硅（SCR）是可控硅整流器的简称，简称晶闸管。

可控硅有单向、双向、可关断和光控几种类型它具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、控制方便等优点，被广泛用于可控整流、调压、逆变以及无触点开关等各种自动控制和大功率的电能转换的场合。

下为单向可控硅(晶闸管)结构示意及电路符号
图2-1
下为双向可控硅(晶闸管)结构示意及电路符号
图2-2
晶闸管最主要的作用之一就是稳压稳流。

晶闸管在自动控制控制，机电领域，工业电气及家电等方面都有广泛的应用。

晶闸管是一种有源开关元件，平时它保持在非道通状态，直到由一个较少的控制信号对其触发或称“点火”使其道通，一旦被点火就算撤离触发信号它也保持道
通状态，要使其截止可在其阳极与阴极间加上反向电压或将流过晶闸管的电流减少到某一个值以下。

晶闸管能在高电压、大电流条件下工作，具有耐压高、容量大、体积小等优点，它是大功率开关型半导体器件，广泛应用在电力、电子线路中。

可控硅有单向、双向、可关断和光控几种类型它具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、控制方便等优点，被广泛用于可控整流、调压、逆变以及无触点开关等各种自动控制和大功率的电能转换的场合。

可控硅优点：无触点，开断无涌流，开端速度快，可以控制过零开断。

缺点：成本高，控制相对复杂，容量小，功耗大，发热严重。

2.2 电力晶体管(GTR)
电力晶体管按英文Giant Transistor直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor—BJT），所以有时也称为Power BJT；GTR是一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力,产生于本世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。

GTR由三层半导体材料两个PN结组成的，三层半导体材料的结构形式可以是PNP，也可以是NPN。

它既具备晶体管饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。

在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。

GTR优点有：耐压高，电流大，开关特性好。

GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。

2.3可关断晶闸管(GTO)
可关断晶闸管GTO（Gate Turn-Off Thyristor）亦称门控晶闸管。

其主要特点为，当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。

普通晶闸管（SCR）靠门极正信号触发之后，撤掉信号亦能维持通态。

欲使之关断，必须切断电源，使正向电流低于维持电流I
，或施以反向电
H
压强近关断。

这就需要增加换向电路，不仅使设备的体积重量增大，而且会降低效率，产生波形失真和噪声。

可关断晶闸管克服了上述缺陷，它既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。

GTO的容量及使用寿命均超过巨型晶体管（GTR），只是工作频率比GTR低。

目前，GTO已达到3000A、4500V的容量。

大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。

2.4功率MOSFET
功率MOSFET是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电压来控制漏极电流的，因而它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小；仅由多数载流子导电，无少子存储效应，高频特性好，工作频率高达100kHz以上，为所有电力电子器件中频率之最，因而最适合应用于开关电源、高频感应加热等高频场合；没有二次击穿问题，安全工作区广，耐破坏性强。

功率MOSFET的缺点是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置。

目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。

2.5绝缘栅双极晶体管(IGBT)
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型功率管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

2.6 MOS控制晶闸管（MCT）
MCT最早由美国GE公司研制，是由MOSFET与晶闸管复合而成的新型器件。

每个MCT器件由成千上万的MCT元组成，而每个元又是由一个PNPN晶闸管、一
个控制MCT导通的MOSFET和一个控制MCT关断的MOSFET组成。

MCT工作于超掣住状态，是一个真正的PNPN器件，这正是其通态电阻远低于其它场效应器件的最主要原因。

MCT既具备功率MOSFET输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特性，又兼有晶闸管高电压、大电流、低压降的优点。

其芯片连续电流密度在各种器件中最高，通态压降不过是IGBT或GTR的1/3，而开关速度则超过GTR。

此外，由于MCT中的MOSFET元能控制MCT芯片的全面积通断，故MCT具有很强的导通di/dt和阻断dV/dt能力，其值高达2000A/ s 和2000V/ s。

其工作结温亦高达150～200℃。

已研制出阻断电压达4000V的MCT，75A/1000VMCT已应用于串联谐振变换器。

随着性能价格比的不断优化，MCT将逐渐走入应用领域并有可能取代高压GTO，与IGBT的竞争亦将在中功率领域展开。

IGBT、MOSFET与GTR之间的比较
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型功率管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

GTR 饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

非常适合应用于直流电压为1500V的高压变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。

IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。

IGBT的开启电压约3～4V，和MOSFET相当。

IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR 接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。

第三章基于新型材料的电力电子器件
SiC（碳化硅）是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，可制作出性能更加优异的高温(300℃～500℃)、高频、高功率、高速度、抗辐射器件。

SiC高功率、高压器件对于公电输运和电动汽车等设备的节能具有重要意义。

Silicon（硅）基器件在今后的发展空间已经相对窄小，目前研究的方向是SiC等下一代半导体材料。

采用SiC的新器件将在今后5～10年内出现，并将对半导体材料产生革命性的影响。

用这种材料制成的功率器件，性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级。

碳化硅与其他半导体材料相比，具有下列优异的物理特点: 高禁带宽度、高饱和电子漂移速度、高击穿强度、低介电常数和高热导率。

上述这些优异的物理特性,决定了碳化硅在高温、高频率、高功率的应用场合是极为理想的材料。

在同样的耐压和电流条件下，SiC器件的漂移区电阻要比硅低200倍，即使高耐压的 SiC场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件低得多。

而且，SiC
器件的开关时间可达10ns级。

SiC可以用来制造射频和微波功率器件、高频整流器、MESFET、MOSFET和JFET等。

S iC高频功率器件已在MOTOROLA公司研发成功，并应用于微波和射频装置；美国通用电气公司正在开发SiC功率器件和高温器件；西屋公司已经制造出了在26GHz频率下工作的甚高频MESFET；ABB公司正在研制用于工业和电力系统的高压、大功率SiC整流器和其他SiC低频功率器件。

理论分析表明，SiC功率器件非常接近于理想的功率器件。

SiC器件的研发将成为未来的一个主要趋势。

但在SiC材料和功率器件的机理、理论和制造工艺等方面，还有大量问题有待解决，SiC要真正引领电力电子技术领域的又一次革命，估计至少还要十几年的时间。

结论
电力电子器件的应用已深入到工业生产和社会生活的各个方面，实际的需要必将极大地推动器件的不断创新。

微电子学中的超大规模集成电路技术将在电力电子器件的制作中得到更广泛的应用；具有高载流子迁移率、强的热电传导性以及宽带隙的新型半导体材料，如砷化镓、碳化硅、人造金刚石等的运用将有助于开发新一代高结温、高频率、高动态参数的器件。

从结构看，器件将复合型、模块化；从性能看，发展方向将是提高容量和工作频率、降低通态压降、减小驱动功率、改善动态参数和多功能化；从应用看，MPS电力整流管、MOSFET、IGBT、MCT是最有发展前景的器件。

今后研制工作的重点将是进一步改善MPS的软反向恢复特性，提高IGBT和MCT的开关频率和额定容量，研制智能MOSFET 和IGBT模块，发展功率集成电路以及其它功率器件。

GTO将继续在超高压、大功率领域发挥作用；功率MOSFET在高频、低压、小功率领域具有竟争优势；超高压（8000V以上）、大电流普通晶闸管在高压直流输电和静止无功功率补偿装置中的作用将会得到延续，而低压普通晶闸管和GTR则将逐步被功率MOSFET （600V以下）和IGBT（600V以上）所代替； MCT最具发展前途。

可以预见，电力电子器件的发展将会日新月异，电力电子器件的未来将充满生机。

参考文献
[1]张玉奎,陈元平,李树君,可控硅触发电路的改进[J]，继电器,2003,31(6),P82-84.
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[3] 毛兴武,武海清,比例控制双向可控硅触发电路[J],电子制作,2004.12,P43-44.
[4]张玉奎,陈元平,李树君,可控硅触发电路的改进[J]，继电器,2003,31(6),P82-84.
[5] 姜学宝,杨耿杰等,一种新颖的数字移相触发电路的实现[J],微型机与应用,2002,21(2),P18-20.
[6]陈振春，双向可控硅在电动机控制电路中的应用，南昌工程学院学报，2005，6，P74-76．
致谢
三年来,大学生活教会了我许多,是我生命中一个新的里程碑.在这四年的时光里,我不仅学到了知识,学到了技能,更让我深深体会到了老师对我无微不至的关怀,培养.我有今天的成绩,是所有侵注心血汗水的老师全心付出的结果.
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对给予本人顺利完成论文而提供各类资助、指导以及协助完成研究工作，以及提供各种条件的单位和个人表示感谢。