第一章 电力半导体器件
第一章功率半导体器件
第一章功率半导体器件1.1 概述1.1.1 功率半导体器件的定义图1-1为电力电子装置的示意图，输入电功率经功率变换器变换后输出至负载。
功率变换器即为通常所说的电力电子电路（也称主电路），它由电力电子器件构成。
目前，除了在大功率高频微波电路中仍使用真空管（电真空器件）外，其余的电力电子电路均由功率半导体器件组成。
图1-1 电力电子装置示意图一个理想的功率半导体器件、应该具有好的静态和动态特性，在截止状态时能承受高电压且漏电流要小；在导通状态时，能流过大电流和很低的管压降；在开关转换时，具有短的开、关时间；通态损耗、断态损耗和开关损耗均要小。
同时能承受高的di/dt和du/dt以及具有全控功能。
1.1.2功率半导体器件的发展功率半导体器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。
从1958年美国通用电气公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由功率半导体器件构成的变流器时代。
功率半导体器件的发展经历了以下阶段：大功率二极管产生于20世纪40年代，是功率半导体器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。
目前已形成整流二极管（Rectifier Diode）、快恢复二极管（Fast Recovery Diode —FRD）和肖特基二极管（Schottky Barrier Diode—SBD）等3种主要类型。
晶闸管（Thyristor, or Silicon Controlled Rectifier—SCR）可以算作是第一代电力电子器件，它的出现使电力电子技术发生了根本性的变化。
但它是一种无自关断能力的半控器件，应用中必须考虑关断方式问题，电路结构上必须设置关断（换流）电路，大大复杂了电路结构、增加了成本、限制了在频率较高的电力电子电路中的应用。
此外晶闸管的开关频率也不高，难于实现变流装置的高频化。
晶闸管的派生器件有逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。
电力电子器件大全及使用方法详解
第1章电力电子器件主要内容：各种二极管、半控型器件-晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，器件的选取原则，典型全控型器件：GTO、电力MOSFET、IGBT，功率集成电路和智能功率模块，电力电子器件的串并联、电力电子器件的保护，电力电子器件的驱动电路。
重点：晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，器件的选取原则，典型全控型器件。
难点：晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数。
基本要求：掌握半控型器件-晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，熟练掌握器件的选取原则，掌握典型全控型器件，了解电力电子器件的串并联，了解电力电子器件的保护。
1 电力电子器件概述(1) 电力电子器件的概念和特征主电路（main power circuit）--电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路；电力电子器件（power electronic device）--可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件；广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。
两类中，自20世纪50年代以来，真空管仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、闸流管（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。
因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。
电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。
同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：a. 能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数；其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多都远大于处理信息的电子器件。
b. 电力电子器件一般都工作在开关状态；导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定；阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定；电力电子器件的动态特性（也就是开关特性）和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。
半导体器件(附答案)
第一章、半导体器件（附答案）一、选择题1．PN 结加正向电压时，空间电荷区将 ________A. 变窄B. 基本不变C. 变宽2．设二极管的端电压为 u ，则二极管的电流方程是 ________ A. B. C.3．稳压管的稳压是其工作在 ________A. 正向导通B. 反向截止C. 反向击穿区4．V U GS 0=时，能够工作在恒流区的场效应管有 ________A. 结型场效应管B. 增强型 MOS 管C. 耗尽型 MOS 管5．对PN 结增加反向电压时，参与导电的是 ________A. 多数载流子B. 少数载流子C. 既有多数载流子又有少数载流子6．当温度增加时，本征半导体中的自由电子和空穴的数量 _____A. 增加B. 减少C. 不变7．用万用表的 R × 100 Ω档和 R × 1K Ω档分别测量一个正常二极管的正向电阻，两次测量结果 ______A. 相同B. 第一次测量植比第二次大C. 第一次测量植比第二次小8．面接触型二极管适用于 ____A. 高频检波电路B. 工频整流电路9．下列型号的二极管中可用于检波电路的锗二极管是： ____A. 2CZ11B. 2CP10C. 2CW1110．当温度为20℃时测得某二极管的在路电压为V U D 7.0=。
若其他参数不变，当温度上升到40℃，则D U 的大小将 ____A. 等于B. 大于C. 小于11．当两个稳压值不同的稳压二极管用不同的方式串联起来，可组成的稳压值有 _____A. 两种B. 三种C. 四种12．在图中，稳压管1W V 和2W V 的稳压值分别为6V 和7V ，且工作在稳压状态，由此可知输出电压O U 为 _____A. 6VB. 7VC. 0VD. 1V13．将一只稳压管和一只普通二极管串联后，可得到的稳压值是（ ）A. 两种B. 三种C. 四种14．在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于 __（1）__，而少数载流子的浓度与 __（2）__有很大关系。
电力半导体
电力半导体
电力半导体是指在电力系统中具有控制电力的功能的半导体器件。
它是现代电力系统中的重要组成部分，对于电力系统的安全、稳定运行起着至关重要的作用。
电力半导体的应用范围非常广泛，它可以用于电源、变频器、电动机驱动器等电力设备中，也可以用于电力电子开关、智能电网、高压直流输电等电力系统中。
电力半导体的应用使得电力系统的控制更加精确、稳定，并且可以实现节能、降耗等效果。
电力半导体的主要种类包括二极管、晶闸管、场效应管、绝缘栅双极型晶体管等。
二极管是电力半导体中最简单的一种，它是由P型半导体和N型半导体组成的。
晶闸管是电力半导体中最为常用的一种，它可以实现单向导电和双向导电的功能，带有控制端可以实现控制电流的大小。
场效应管是电力半导体中最为先进的一种，它具有体积小、功耗低等优点，在高频电子设备中得到了广泛的应用。
绝缘栅双极型晶体管是一种新型电力半导体器件，它可以实现高度可控性和低开关损耗，逐渐得到了广泛应用。
电力半导体的性能指标包括导通电阻、堵塞电压、开关速度、耐压能力等。
导通电阻越小、堵塞电压越大、开关速度越快、耐压能力越强的电力半导体器件，其性能表现越好。
电力半导体的研发和生产需要严格的工艺流程和质量控制，以确保器件的性能和稳定性。
电力半导体的发展趋势是向高功率、高效率、高可靠性、低成本、小型化等方向发展。
未来的电力半导体器件将会更加智能化和集成化，可以实现更加精细化的电力控制和管理。
总的来说，电力半导体是电力系统中不可或缺的一部分，它可以实现电力的精细化控制和管理，提高电力系统的稳定性和效率，是电力系统现代化和智能化的核心技术之一。
电力半导体器件 上册
目录第一章电力半导体器件的发展概况 (5)1.1 电力半导体器件与电力电子技术 (5)1.2 电力半导体器件的分类与发展 (6)1.2.1 双极型电力半导体器件 (6)1.2.2 MOS结构电力半导体器件 (9)1.2.3电力整流管 (12)1.2.4功率集成电路（PIC） (13)1.3新型半导体材料在电力半导体器件中的应用 (13)第二章电力整流管 (15)2.1 电力整流二极管的基本结构和类型 (15)2.1.1功率二极管的基本结构 (15)2.1.2 功率整流管的基本类型 (15)2.2 PN结二极管 (16)2.2.1整流方程 (16)2.3 PIN二极管 (17)2.3.1 PIN二极管的一般理论 (17)2.3.2 PIN二极管的正向特性 (19)2.3.3降低二极管正向压降的途径 (24)2.3.4 PIN二极管的反向恢复 (26)2.4 二极管的反向耐压特性与耐压设计 (28)2.4.1 单边突变结（P＋-N）结的雪崩击穿电压 (28)2.4.2 P+NN+二极管的击穿电压 (29)2.4.3二极管耐压的设计 (30)2.5 表面造型与保护 (32)2.5.1表面电场与表面击穿 (32)2.5.2结的的边缘造型技术 (33)2.5.3 整流管的表面造型 (37)2.5.4 P-N结的表面钝化与保护 (37)2.6 快速整流管 (40)2.6.1 反向恢复时间 (40)2.6.2 快速整流管高频应用的原理 (40)2.6.3快速整流管的电参数 (41)2.7 肖特基整流管 (41)2.7.1肖特基势垒的伏安特性 (41)2.7.2 肖特基整流管的结构及其电参数的特色 (42)2.8 MPS二极管 (43)2.8.1MPS二极管的结构 (44)2.8.2 MPS二极管的静态特性 (44)2.8.3瞬态特性 (46)第三章巨型晶体管(GTR) (48)3.1 达林顿晶体管 (48)3.1.1简单级连达林顿晶体管 (48)3.1.2 实用功率达林顿晶体管 (49)3.1.3 功率达林顿晶体管中得电阻 (50)3.1.4 R1阻值与I b、I cm的关系 (52)3.1.5 R1、R2电阻阻值对器件开关特性得影响 (53)3.2 功率达林顿器件的版图设计方法 (54)3.3 功率达林顿器件的纵向结构与参数设计 (55)3.3.1 高阻层厚度及电阻率的确定 (56)3.3.2结深的控制原则 (56)3.3.3基区表面浓度与次表面浓度对器件性能的影响 (57)3.4 功率达林顿晶体管的特性曲线 (58)3.4.1 BV EBO特性曲线 (58)3.4.2 BV CEO曲线 (58)3.4.3输出特性曲线 (59)3.5 GTR模块及其特点 (59)3.6 GTR芯片的设计 (61)3.6.1发射区图形的设计 (61)3.6.2 GTR芯片内部各管面积的分配 (62)3.6.3 GTR芯片内部电阻R1~R3的设计 (63)3.6.4芯片设计中电阻对GTR性能影响的定量分析 (64)3.7 GTR结构的设计 (64)3.7.1 GTR的内部结构 (65)3.7.2 GTR的外部结构 (67)3.7.3 GTR的电路结构 (68)第四章晶闸管静态特性 (70)4.1 概述 (70)4.1.1基本结构和基本特性 (70)4.1.2基本工作原理 (72)4.2 晶闸管的耐压能力 (73)4.2.1PNPN结构的反向转折电压 (73)4.2.2 PNPN结构的正向转折电压 (75)4.2.3晶闸管的高温特性 (76)4.3 晶闸管最佳阻断参数的确定 (79)4.3.1最佳正、反向阻断参数的确定 (79)4.3.2 λ因子设计法 (82)4.3.3 P2区相关参数的估算 (84)4.4 晶闸管的门极特性与门极参数的计算 (89)4.4.1 晶闸管的触发方式 (89)4.4.2 门极参数 (93)4.4.3门极触发电流、触发电压的计算 (93)4.3.3中心放大门极触发电流、电压的计算 (96)4.5 晶闸管的通态特性 (99)4.5.1通态特征分析 (99)4.5.2 计算晶闸管正向压降的模型 (101)4.5.3 正向压降的计算 (103)第五章晶闸管动态特性 (109)5.1晶闸管的开通过程与特性 (109)5.1.1 晶闸管开通时的电流电压变化 (109)5.1.2 开通过程 (111)5.1.3 开通时间 (112)5.1.4 等离子区的扩展 (115)5.1.5 开通过程中的功率损耗 (118)5.2 通态电流临界上升率 (119)5.2.1 开通过程中的电流上升率(d i/d t) (119)5.2.2 提高d i/d t耐量的措施 (120)5.3 断态电压临界上升率 (123)5.3.1 d v/d t引起的开通 (123)5.3.2 提高d v/d t耐量的途径 (124)5.4 关断特性 (126)5.4.1 关断方法 (126)5.4.2 关断的物理过程 (127)5.4.3 关断时间与元件参数之间的关系 (130)5.4.4 减小关断时间的措施 (131)第六章耗散功率与散热 (133)6.1耗散功率 (133)6.1.1通态耗散功率 (133)6.1.2 开通耗散功率 (134)6.1.3 关断耗散功率 (134)6.1.4 阻断耗散功率 (134)6.1.5 门极耗散功率 (135)6.2散热 (135)6.2.1 自然冷却散热 (136)6.2.2 风冷散热 (136)6.2.3水冷散热 (137)6.2.4油冷散热 (137)6.2.5沸腾冷却散热 (138)第七章晶闸管的设计 (139)7.1 晶闸管设计的特点及原则 (139)7.1.1 晶闸管设计的特点 (139)7.1.2 设计方法与步骤 (139)7.1.3 晶闸管的设计原则 (139)7.2 晶闸管设计方法 (140)7.2.1 设计思想 (140)7.2.2 晶闸管设计的主要因素 (140)7.2.3 纵向结构的设计 (141)7.2.4 横向结构（门极－阴极图形）设计 (144)7.3 晶闸管设计举例 (148)7.3.1 设计技术指标 (148)7.3.2 设计思想 (148)7.3.3 设计计算 (148)7.3.4 验算 (152)第一章电力半导体器件的发展概况1956年可控硅整流器(英文缩写SCR，泛称晶闸管)的发明并于次年由GE公司推出商品，是半导体应用由弱电跨入强电的里程碑。
修改稿 第1章 电力电子器件
三 、晶闸管
晶闸管及其工作原理 2 晶闸管的特性与主要参数 3 晶闸管的派生器件
1
晶闸管
晶闸管(Thirsted)包括：普通晶闸管(SCR)、快速晶 闸管(FST)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT) 、 可关断晶闸管(GTO) 和光控晶闸管等。 由于普通晶闸管面世早，应用极为广泛, 因此在无特别 说明的情况下,本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。 普通晶闸管：也称可控硅整流管(Silicon Controlled Rectifier), 简称SCR。 由于它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性 (目前生产水平：4500A/8000V)已被广泛应用于相控整 流、逆变、交流调压、直流变换等领域, 成为特大功率 低频(200Hz以下)装置中的主要器件。
图1.2.2
电力二极管的伏安特性曲线
PN结的电容效应：
PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ， 又称为微分电容。
二、 电力二极管
1 2
电力二极管及其工作原理 电力二极管的特性与参数
2
电力二极管的特性与参数
（1）电力二极管的伏安特性 （2）电力二极管的开关特性 （3）电力二极管的主要参数
电力二极管的主要类型：
（1）普通二极管：普通二极管又称整流管（Rectifier Diode），多用于开关频率在１KHZ以下的整流电路中， 其反向恢复时间在５us以上，额定电流达数千安，额定 电压达数千伏以上。 （2）快恢复二极管：反向恢复时间在５us以下的称为快恢复 二极管（Fast Recovery Diode简称FDR）。快恢复二极 管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者 反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在100ns以下，其 容量可达1200V/200A的水平, 多用于高频整流和逆变电 路中。 （3）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接 触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为 0.4～0.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但 反向耐压在200Ｖ以下。它常被用于高频低压开关电路或 高频低压整流电路中。
1.2 晶闸管(SCR)
晶闸管的门极伏安特性
极限高阻 曲线
极限低阻 曲线 门极触发电 流、电压
晶闸管的门极触发电压较一般PN结压降高
1.2.2 晶闸管的基本特性
2） 动态特性 ）
1) 开通过程
延迟时间td (0.5~1.5µs) 延迟时间 µ 上升时间t 上升时间 r (0.5~3µs) µ 开通时间t 开通时间 on以上两者之和， ton=td+ tr （1-6） 普通晶闸管的开通时间约为 6微秒
晶闸管的结构与工作原理
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
平板型晶闸管外形及结构
1.2.1
晶闸管的结构与工作原理
——晶闸管开关实验 ——晶闸管开关实验
主电路
控制电路
直流电源 门极电源
图 晶闸管导通关断实验 实验现象如下： 1.仅UAK<0时, 无论Ug何值（即UGK 值），VT关断，灯不亮。 2.当UAK>0时, 但Ug＝0（即UGK 值），VT关断，灯不亮。 3.当UAK>0, Ug>0（即UGK 值）时，VT导通，灯亮。 注：晶闸管导通下，只要保持承受一定的正向阳极电压，则不论UGK 电压如何，晶闸管均仍然导通，即晶闸管导通后，门极就失去对它的 控制作用。 4.晶闸管在导通情况下，只有当其正向阳极电压减少到一定值或者阳极 电压为负值，才能使阳极电流减小到一定数值（维持电流IH）以下，晶 闸管才从导通状态恢复为阻断状态。
1.3.3
3）动态参数
晶闸管的主要参数
除开通时间ton和关断时间toff外，还有：
断态电压临界上升率du/dt 断态电压临界上升率
——指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通 态转换的外加电压最大上升率。 ——电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。
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
1.3 可关断晶闸管(GTO)、1.4 电力晶体管(GTR)
tr存在原因
发射结进入正偏，此后，正偏不断增大， iC不断上升，BJT接近或进入饱和区。IB1 一方面继续给发射结和集电结势垒电容充 电，另一方面使基区的电荷积累增加，并 且还补充基区复合所消耗的载流子，这就 存在着上升时间tr。
晶闸管的一种派生器件。 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。 GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近， 因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。 目 前 ， GTO 的 容 量 水 平 达 6000A/6000V 、 1000A/9000V ，频率为1kHZ。 DATASHEET
1.3.1 可关断晶闸管的结构和工作原理
tf存在原因
当Ui变为负值，基极电流变为IB2，但iC不 立即变小，而是当基区的电荷减少一定程 度，IC才开始下降，所以存在存储时间ts。 当发射结由正偏变为反偏，集电结和发射 结电荷区变宽，iC下降较快，这就有下降 时间tf。
结构：
与普通晶闸管的相同 点：
－PNPN四层半导体结
构，外部引出阳极、
a)
阴极和门极。
和普通晶闸管的不同 点：
－ GTO 是 一 种 多 元 的 功率集成器件。
GK
GK G
N2
P2 N2
N1
P1 A
b)
图1-13
C）
d）
e）
图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号
a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断 面示意图 c) 管的结构 d)等效电路 e) 电气图形符号
电力电子半导体器件分类高等电力电子技术ppt课件
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高等电力电子技术
1.2.3 COOLMOS
不过，由于“超级结”结构在电荷均衡的工艺上有一定的难度，所以 制造阻断电压1000V以上的COOLMOS具有较大的困难。此外， COOLMOS的内部寄生反向二极管的反向恢复特性和电导率难以达到传 统MOSFET的技术指标，所以COOLMOS一般不适用于中大功率变流器 装置。
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高等电力电子技术
1.1.3 电力晶体管
电力晶体管有四种类型：①BJT，②电力MOSFET，③IGBT和④ SIT。其中IGBT和电力MOSFET是最为广泛应用的电力电子器件，大到 直流输电，小到生活中的各种家用电器，到处都可以见到这两种器件的 身影。由于这两种器件主要应用于中等功率场合，相对于功率容量的提 升，各家器件公司主要将发展和竞争重点放在损耗的降低上，纷纷推出 新一代的IGBT和MOSFET器件，其中较为典型的技术优化为沟槽型门极 结构和垂直导电技术的广泛应用， IGBT方面还有场终止技术、空穴阻抗 技术等，功率MOSFET方面的典型代表则为“超级结”技术。新的半导 体材料在这两种器件上的应用则基本停留在实验室阶段。
通态导通电阻Ron可表示为： RON=RCS+RN++RCH+RA+RJ+RD+RN++RCD
式中，RCS为源极阻抗；RCH为沟槽阻抗；RJ为JFET区阻抗；RN+为N+ 衬底阻抗；RA为缓冲区阻抗；RD为N-漂移区阻抗；RCD为漏极阻抗。 9
高等电力电子技术
1.2.2 “超级结”结构
正如上面所说，在功率半导体器件发展的历史上最重要的问题就是 寻求如何通过新的器件结构和半导体材料来改善耐受电压和导通压降之 间的矛盾。功率MOSFET作为单极型器件，需要在耐受电压和导通电阻 之间做一个综合考虑，同时在不降低器件性能的前提下减少器件尺寸。
电力电子变流技术课后答案第1章
第一章 电力半导体器件 习题与思考题解 1-1．晶闸管导通的条件是什么？怎样使晶闸管由导通变为关断？解：晶闸管导通的条件是：阳极承受正向电压，处于阻断状态的晶闸管，只有在门极加正向触发电压，才能使其导通。
门极所加正向触发脉冲的最小宽度，应能使阳极电流达到维持通态所需要的最小阳极电流，即擎住电流ＩＬ以上。
导通后的晶闸管管压降很小。
使导通了的晶闸管关断的条件是：使流过晶闸管的电流减小至某个小的数值－维持电流ＩＨ以下。
其方法有二：1） 减小正向阳极电压至某一最小值以下，或加反向阳极电压；2） 增加负载回路中的电阻。
1-2．型号为KP100-3的晶闸管，维持电流I H=4mA，使用在题1-2图中的电路中是否合理？为什么（不考虑电压、电流裕量）？解：根据机械工业部标准JB1144-75规定，ＫＰ型为普通闸管，KP100-3的晶闸管，其中100是指允许流过晶闸管的额定通态平均电流为100A，3表示额定电压为300V。
对于图(a)，假若晶闸管V被触发开通，由于电源为直流电源，则晶闸管流过的最大电流为因为I V < I H，而I H < I L，I L为擎住电流，通常I L=(2~4) I H。
可见，晶闸管流过的最大电流远小于擎住电流，所以，图(a)不合理。
对于图(b)，电源为交流220V，当α=0°时，最大输出平均电压 （Ｖ）平均电流 (A)波形系数 所以， ＩＶ＝K f 。
ＩＶＡＲ＝1.57×9.9＝15.5(A)而KP100-3允许流过的电流有效值为I VE＝1.57×100＝157(A)，I L<I V<I VE，所以，电流指标合理。
但电路中晶闸管Ｖ可能承受的最大正反向峰值电压为 (V)>300(V)所以，图(b)不满足电压指标，不合理。
对于图(c)，电源为直流电源，Ｖ触发导通后，流过Ｖ的最大电流为I V＝150／1＝150(A),即为平均值，亦是有效值。
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。
第一章 电力半导体器件(基础教育)
电力电子变流技术试题汇总 （第一章 电力半导体器件）一、填空题1.晶闸管是三端器件，三个引出电极分别是，阳极、门极和__阴__极。
2.晶闸管额定通态平均电流I VEAR 是在规定条件下定义的，是晶闸管允许连续通过__工频__正弦半波电流的最大平均值。
3.处于阻断状态的晶闸管，只有在阳极承受正向电压，且__门极加上正向电压 _时，才能使其开通。
4.晶闸管额定通态平均电流I VEAR 是在规定条件下定义的，条件要求环境温度为_+400__。
5.对同一只晶闸管，断态不重复电压U DSM 与转折电压U BO 数值大小上有U DSM __小于_U BO 。
6..对同一只晶闸管，维持电流I H 与擎住电流I L 在数值大小上有I L _≈（2～4）_I H 。
7..晶闸管反向重复峰值电压等于反向不重复峰值电压的_90%___。
8.普通逆阻型晶闸管的管芯是一种大功率__四__层结构的半导体元件。
9.可关断晶闸管（GTO ）的电流关断增益βoff 的定义式为minoff G AI I -=β。
10.晶闸管门极触发刚从断态转入通态即移去触发信号，能维持通态所需要的最小阳极电流，称为____擎住电流I L __。
11..晶闸管的额定电压为断态重复峰值电压U DRm 和反向重复峰值电压U RRm 中较_小__的规化值。
12.普通晶闸管的额定电流用通态平均电流值标定，双向晶闸管的额定电流用__有效值_标定。
13.普通晶闸管属于__半控型_器件，在整流电路中，门极的触发信号控制晶闸管的开通，晶闸管的关断由交流电源电压实现。
14.IGBT 的功率模块由IGBT 和_快速二极管_芯片集成而成。
15.对于同一个晶闸管，其维持电流I H _ 小于_擎住电流I L 。
16.2.可用于斩波和高频逆变电路，关断时间为数十微秒的晶闸管派生器件是__快速晶闸管____。
17.功率集成电路PIC 分为二大类，一类是高压集成电路，另一类是__智能功率集成电路（SPIC）。
第1章：电力电子学半导体器件
◤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
◤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。◢
对应线性放大区（II区）。◢
◤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。◢
2020/5/12
BJT的开关特性
: 2.5kV , 1kA , 30μ s •
:1.2kV , 1kA
GTO : 4 .5 kV , 3kA ; 8 kV , 1kA
自关断型
MCT
: 4kV , 2.5kA
SITH : 2 kV , 600 A
BJT : 1200 V , 600 A
•
功率晶体管
功率
MOSFET
◤ 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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电力电子变流技术试题汇总 （第一章 电力半导体器件）一、填空题1.晶闸管是三端器件，三个引出电极分别是，阳极、门极和__阴__极。
2.晶闸管额定通态平均电流I VEAR 是在规定条件下定义的，是晶闸管允许连续通过__工频__正弦半波电流的最大平均值。
3.处于阻断状态的晶闸管，只有在阳极承受正向电压，且__门极加上正向电压 _时，才能使其开通。
4.晶闸管额定通态平均电流I VEAR 是在规定条件下定义的，条件要求环境温度为_+400__。
5.对同一只晶闸管，断态不重复电压U DSM 与转折电压U BO 数值大小上有U DSM __小于_U BO 。
6..对同一只晶闸管，维持电流I H 与擎住电流I L 在数值大小上有I L _≈（2～4）_I H 。
7..晶闸管反向重复峰值电压等于反向不重复峰值电压的_90%___。
8.普通逆阻型晶闸管的管芯是一种大功率__四__层结构的半导体元件。
9.可关断晶闸管（GTO ）的电流关断增益βoff 的定义式为minoff G AI I -=β。
10.晶闸管门极触发刚从断态转入通态即移去触发信号，能维持通态所需要的最小阳极电流，称为____擎住电流I L __。
11..晶闸管的额定电压为断态重复峰值电压U DRm 和反向重复峰值电压U RRm 中较_小__的规化值。
12.普通晶闸管的额定电流用通态平均电流值标定，双向晶闸管的额定电流用__有效值_标定。
13.普通晶闸管属于__半控型_器件，在整流电路中，门极的触发信号控制晶闸管的开通，晶闸管的关断由交流电源电压实现。
14.IGBT的功率模块由IGBT和_快速二极管_芯片集成而成。
15.对于同一个晶闸管，其维持电流I H_ 小于_擎住电流I L。
16.2.可用于斩波和高频逆变电路，关断时间为数十微秒的晶闸管派生器件是__快速晶闸管____。
17.功率集成电路PIC分为二大类，一类是高压集成电路，另一类是__智能功率集成电路（SPIC）。
18.晶闸管断态不重复电压U DSM与转折电压U BO数值大小上应为，U DSM_＝90% U BO。
19.功率晶体管缓冲保护电路中的二极管要求采用_快速__型二极管，以便与功率晶体管的开关时间相配合。
20.晶闸管串联时，给每只管子并联相同阻值的电阻R是__解决静态不均压__措施。
21.晶闸管断态不重复峰值电压U DSM与断态重复峰值电压U DRM数值大小上应有U DSM__小于__U DRM。
22.波形系数可以用来衡量具有相同的平均值，而波形不同的电流有效值_的大小程度。
23.当晶闸管_阳极加反向电压_时，不论门极加何种极性触发电压，管子都将工作在关断状态。
24.逆导型晶闸管是将逆阻型晶闸管和__大功率二极管__集成在一个管芯上组成的。
25.当晶闸管阳极承受__反向电压_时，不论门极加何种极性的触发信号，管子都处于断态。
26.使已导通的晶闸管关断的条件是使流过晶闸管的电流减小至H_以下。
27.在双向晶闸管的4+_方式的触发灵敏度最低。
28.在晶闸管的两端并联阻容元件，可抑制晶闸管关断______。
29.当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都将工作在_关断_状态。
30.晶闸管工作过程中，管子本身产生的损耗等于流过管子的电流乘以管子_两端的电压_。
31.维持电流I H 是指晶闸管维持通态所需的_最小阳极_电流。
32.对于普通晶闸管，在没有门极触发脉冲的情况下，有两种因素会使其导通，一是正向阳极电压U A 过高，二是__反向阳极电压－U A 过高____。
33.为防止晶闸管误触发，应使干扰信号不超过 不触发区。
34.由逆阻型晶闸管和整流管集成的晶闸管称为_逆导型晶闸管__。
35.反向重复峰值电压U RRM 等于反向不重复峰值电压U RSM 的 90% 。
36.按照控制信号的性质来分，晶闸管是属于_电流_驱动型电力电子器件。
37.晶体管开通时间t on =___t d +t r __。
38.擎住电流I L 是指使晶闸管刚刚从断态转入通态，并在移去触发信号之后，能维持通态所需的 最小阳极 电流。
39.晶闸管通态(峰值)电压U Tm 是_ 晶闸管以π倍或规定倍数的额定通态平均电流时的瞬时峰值电压值 __40.IGBT 是一种__MOSSEFE__驱动的电子器件。
41.电力晶体管的安全工作区由___四__条曲线限定。
42.晶闸管的通态平均电流I VEAR 的波形系数K f =VEARVE I I 。
43.波形系数可以用来衡量具有相同电流平均值_，而波形不同的电流有效值的大小程度。
二、选择题。
1.造成在不加门极触发控制信号即使晶闸管从阻断状态转为导通状态的非正常转折有二种因素，一是阳极的电压上升率du/dt太快，二是( C )A.阳极电流上升太快B.阳极电流过大C.阳极电压过高D.电阻过大2.在I VEAR定义条件下的波形系数k fe为( B )πA.πB.23π D.2πC.23.晶闸管的额定电压是这样规定的，即取断态重复峰值电压和反向重复峰值电压中较小的一个，并经如下处理( D )A.乘以1.5倍B.乘以2倍C.加100D.规化为标准电压等级4.晶闸管不具有自关断能力，常称为( B)A.全控型器件B.半控型器件C.触发型器件D.自然型器件5.当晶闸管承受反向阳极电压时，不论门极加何种极性触发电压，晶闸管都将工作在( D )A.导通状态B.不定C.饱和状态D.关断状态6.功率晶体管的安全工作区范围由几条曲线限定( A)A.4条B.3条C.5条D.2条7.晶闸管的伏安特性是指( C ) A.阳极电压与门极电流的关系 B.门极电压与门极电流的关系 C.阳极电压与阳极电流的关系D.门极电压与阳极电流的关系8.晶闸管电流的波形系数定义为( A ) A.VARV f I I K =B.VVARf I I K = C.K f =I VAR ·I VD.K f =I VAR -I V9.取断态重复峰值电压和反向重复峰值电压中较小的一个，并规化为标准电压等级后，定为该晶闸管的( D ) A.转折电压 B.反向击穿电压 C.阈值电压D.额定电压10.具有自关断能力的电力半导体器件称为( A ) A.全控型器件 B.半控型器件 C.不控型器件D.触发型器件11.晶闸管的三个引出电极分别是（ A ） A.阳极、阴极、门极 B.阳极、阴极、栅极 C.栅极、漏极、源极D.发射极、基极、集电极12.当晶闸管承受反向阳极电压且门极施加正向脉冲时，正常情况下晶闸管都将工作在（ B ）A.导通状态B.关断状态C.饱和状态D.不定13.处于阻断状态的晶闸管，只有在阳极与阴极间加正向电压，且在门极与阴极间作何处理才能使其开通（ C ）A.并联一电容B.串联一电感C.加正向触发电压D.加反向触发电压14.晶闸管工作过程中，管子本身产生的管耗等于管子两端电压乘以（ A ） A.阳极电流B.门极电流C.阳极电流与门极电流之差D.阳极电流与门极电流之和15.功率晶体管（GTR ）的安全工作区由几条曲线所限定（ D ） A.3条 B.2条 C.5条D.4条16.由门极控制导通的晶闸管导通后，门极信号( A )。
A.失去作用 B.需维持原值 C.需降低D.需提高17.逆导晶闸管是一种集成功率器件，将逆阻型晶闸管和( A )反并联在一个管芯上的。
A.二极管 B.晶闸管 C.晶体管D.场效应管18.GTO 的电流关断增益βof =( A )。
A.|I |I min G A-B.|I |I GT A- C.|I |I GD A-D.|I |I GFM A-19.晶闸管门极触发信号刚从断态转入通态即移去触发信号，能维持通态所需要的最小阳极电流，称为（ B ）。
A.维持电流 B.擎住电流 C.浪涌电流D.额定电流20.与普通晶闸管不同，双向晶闸管的额定电流的标定用（ C ）。
A.平均电流值B.通态平均电流值C.有效值D.最大电流值21.双极型功率晶体管和MOSFET的复合器件是（B ）。
A.GTOB.IGBTC.GTRD.MCT22.功率晶体管GTR从高电压小电流向低电压大电流跃变的现象称为( B )A.一次击穿B.二次击穿C.临界饱和D.反向截止23.逆导晶闸管是将大功率二极管与何种器件集成在一个管芯上而成( B )A.大功率三极管B.逆阻型晶闸管C.双向晶闸管D.可关断晶闸管24.在晶闸管应用电路中，为了防止误触发应将幅值限制在不触发区的信号是( A )A.干扰信号B.触发电压信号C.触发电流信号D.干扰信号和触发信号25.当晶闸管承受反向阳极电压时，不论门极加何种极性触发电压，管子都将工作在( B )A.导通状态B.关断状态C.饱和状态D.不定26.按器件的可控性分类，普通晶闸管属于（ B ）A．全控型器件B．半控型器件C．不控型器件D．电压型器件27.下列4种电力电子器件,哪种是半控型电力电子器件。
( C )A.电力二极管B.门极可关断晶闸管C.晶闸管D.电力晶体管28.功率晶体管的二次击穿现象表现为( A )A.从高电压小电流向低电压大电流跃变B.从低电压大电流向高电压小电流跃变C.从高电压大电流向低电压小电流跃变D.从低电压小电流向高电压大电流跃变29.普通晶闸管不具备自关断能力，常被称为（ B ）A．全控制器件B．半控型器件C．不控制器件D．触发型器件30.决定触发脉冲最小宽度一个重要因素是( B )A. 维持电流I HB. 擎住电流I LC. 浪涌电流I TSmD. 额定电流32.为防止晶闸管误触发，应使干扰信号不超过( B )A. 安全区B. 不触发区C. 可靠触发区D. 可触发区33. 要关断GTO，则需( B )A. 在门极加正脉冲信号B. 在门极加负脉冲信号C. 加强迫关断电路D. 加正弦波信号34. 全控型器件是( D )A. 光控晶闸管B. 双向晶闸管C. 逆导晶闸管D. 功率晶体管35.双向晶闸管是三端几层半导体结构?( A )A．五层B．四层C．三层D．二层36.为了减小门极损耗，晶闸管正常导通的方法是阳极加正向电压，门极加（ A ）。
A．正脉冲B．负脉冲C．直流D．正弦波37．在GTR作为开关的电路中，若在转换的过程中出现从高电压小电流到低电压大电流的现象，则说明晶体管（B ）。
A．失控B．二次击穿C．不能控制关断D．不能控制开通38．下列器件中为全控型器件的是（D ）。
A．双向晶闸管B．快速晶闸管C．光控晶闸管D．功率场效应晶体管40.逆导晶闸管是将大功率二极管与何种器件集成在一个管芯上而成( B )A.大功率三极管B.逆阻型晶闸管C.双向晶闸管D.可关断晶闸管41.功率晶体管GTR从高电压小电流向低电压大电流跃变的现象称为( D )A.一次击穿B.反向截止C.临界饱和D.二次击穿42.下面给出的四个电力半导体器件中，哪个是全控型电力半导体器件( C )A.二极管B.晶闸管C.功率晶体管D.逆导晶闸管43.晶闸管的正向不重复峰值电压U Dsm与转折电压U80的关系是( C )A.U Dsm=U B0B.U Dsm>U B0C.U Dsm<U B0D.U Dsm=1.2U B044.晶闸管在正常工作中，触发控制信号应加在( C )A.阳极B.阴极C.门极D.漏极45.晶闸管的伏安特性是指( C )A.阳极电压与门极电流的关系B.门极电压与门极电流的关系C.阳极电压与阳极电流的关系D.门极电压与阳极电流的关系46.晶闸管是( B )A.2端器件B.3端器件C.4端器件D.5端器件47.快速熔断器可以用于过电流保护的电力电子器件是( D )A.功率晶体管B.IGBTC.功率MOSFETD.晶闸管48.晶闸管工作过程中，管子本身产生的管耗等于管子两端电压乘以（ A ）A．阳极电流B．门极电流C．阳极电流与门极电流之差D．阳极电流与门极电流之和49．晶闸管过电压保护元器件是（ B ）A．快速熔断器B．RC电路C．快速开关D．电抗器50.下面给出的四个图形符号，哪个是可关断晶闸管的图形符号（ B ）51.IGBT是( B )A.电流驱动型元件B.电压驱动型元件C.半控型元件D.不控型元件三、简答题：1..晶闸管的导通条件是什么?怎样使晶闸管由导通变为关断?答：导通条件：晶闸管阳极与阴极之间加正向电压，并在门极加正向触发电压。