电力半导体器件分析
电力半导体器件
图3-6 NPN晶体管共射极接法的输出特性
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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。
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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
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。
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）。
半导体功率器件在电力电子领域的应用前景
半导体功率器件在电力电子领域的应用前景在电力电子领域中，半导体功率器件扮演着重要的角色。
随着电力需求的不断增长和可再生能源的快速发展，半导体功率器件的应用前景变得越来越广阔。
本文将探讨半导体功率器件在电力电子领域的应用前景，并分析其对电力系统的影响。
首先，半导体功率器件在电力电子领域的应用前景之一是提高电力系统的效率。
电力系统中有大量的转换过程，例如将交流电转换为直流电、将直流电转换为交流电等等。
半导体功率器件可以通过高效的电力转换和控制技术，降低能量转换过程中的损耗，提高电力系统的整体效率。
例如，采用功率MOSFET、IGBT、SiC和GaN等高性能半导体器件，可以显著降低电力转换中的传导损耗和开关损耗，从而减少能源浪费和碳排放。
其次，半导体功率器件在电力电子领域的应用前景还表现在提高电力系统的稳定性和可靠性方面。
电力系统中存在着各种电力质量问题，如电压波动、频率波动、谐波扰动等，这些问题对电力设备和用户设备都有一定的影响。
半导体功率器件的应用可以实现快速、精确的电力调节和控制，有效抑制电力质量问题，并提高电力系统的稳定性和可靠性。
例如，采用IGBT器件的可控整流技术可以实现对电力系统的有源滤波和无功补偿，对电力质量问题进行有效控制。
另外，半导体功率器件在电力电子领域的应用前景还表现在促进电力系统的智能化和自动化发展方面。
随着信息技术和通信技术的进步，电力系统的智能化和自动化程度越来越高。
半导体功率器件作为电力系统的核心驱动器件，与数字信号处理器、通信模块等技术相结合，可以实现电力系统的智能监测、控制和管理，提高电力系统的运行效率和可管理性。
例如，采用可编程逻辑器件（FPGA）和数字信号处理器（DSP）等实时控制技术，可以对电力系统进行高速、精确的数字信号处理和控制。
此外，半导体功率器件在电力电子领域的应用前景还表现在推动可再生能源的接入和利用方面。
可再生能源如太阳能、风能等具有波动性和不可控性的特点，在电力系统中的接入和利用带来了一定的挑战。
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。
功率半导体的优劣势分析-功率半导体器件用途功率半导体器件概述
功率半导体的优劣势分析_功率半导体器件用途功率半导体器件概述电力电子器件（PowerElectronicDevice）又称为功率半导体器件，主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）。
功率半导体器件分类按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度分类：1.半控型器件，例如晶闸管；2.全控型器件，例如GTO（门极可关断晶闸管）、GTR（电力晶体管），MOSFET（电力场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅双极晶体管）；3.不可控器件，例如电力二极管；按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质分类：1.电压驱动型器件，例如IGBT、MOSFET、SITH（静电感应晶闸管）；2.电流驱动型器件，例如晶闸管、GTO、GTR；根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的有效信号波形分类：1.脉冲触发型，例如晶闸管、GTO；2.电子控制型，例如GTR、MOSFET、IGBT；按照电力电子器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分类：1.双极型器件，例如电力二极管、晶闸管、GTO、GTR；2.单极型器件，例如MOSFET、SIT；3.复合型器件，例如MCT（MOS控制晶闸管）、IGBT、SITH和IGCT；功率半导体器件优缺点分析电力二极管：结构和原理简单，工作可靠；晶闸管：承受电压和电流容量在所有器件中最高IGBT：开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小；缺点：开关速度低于电力MOSFET，电压，电流容量不及GTOGTR：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低；缺点：开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题GTO：电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强；缺点：电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低MOSFET：开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题；缺点：电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。
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。
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：
27
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。
28
13
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
8
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。
电力电子半导体器件(MOSFET)解读
2．隔离驱动电路：电磁隔离，光电隔离；
３．实用驱动电路及保护电路
种类很多：正反馈型，窄脉冲自保护型，高速关断型； 常用，如双PNP管驱动电路；
保护电路：采样漏极电压，与控制脉冲比较，实现保护。 SBD
过流检测
双绞线
三、MOSFET并联： 具有正温度系数沟道电阻，并联时可利用这一特性均流。 一般，静态电流均衡问题不大，关键是动态电流均衡分配，
3．影响开关时间的因素：
①极间电容；
②寄生电感； ③VDS电压； ④ID电流； ⑤ 驱动源参数（内阻）
4．dv/dt对MOSFET动态性能影响 ①静态dv/dt：会引起MOSFET栅极电压变 化，导致错误开通。在栅源间并联电阻， 可防止误开通。 ②动态dv/dt：回路中电感在MOSFET关 断时，引起动态dv/dt；工作频率越高， 负载等效电感越大，器件同时承受大的 漏极电流和高漏极电压，将导致器件损 坏。 加吸收回路，减小引线长度，采用谐 振型电路，可抑制dv/dt
如：开通、关断、窄脉冲下的峰值电流。
解决方法： ①选择器件，参数尽量一致；gm VT Ron
②并联MOSFET各栅极用电阻分开；串入电阻大于栅极电阻。 ③栅极引线设置磁珠，形成阻尼环节。
④漏极间接入几百PF电容，改变耦合相位关系
⑤源极引入适当电感 ⑥ 精心布局，器件对称，连线长度相同，驱动线双绞、等长。
六、MOSFET与GTR比较
§5.3 栅极驱动和保护
一、栅极驱动特性 与GTR相比，驱动功率小，电路简单。
1．理想栅极驱动电路：要求电路简单，快速，具有保护功能。
栅极为容性网络，驱动源输出电阻直接影响开关速度。
Ron，Roff输出电阻 正电压开通 负电压关断
2．驱动特性
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。
电力半导体元器件简介
电力半导体元器件简介（双极型、单极型、混合型）电力半导体元器件大多是以开关方式工作为主、对电能进行控制和转换的电力电子器件。
如可关断晶闸管（英文缩写：GTO）、电力晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（Power Mosfet）、绝缘棚式双极型晶体管（IGBT）、静电感应晶体管（SIT）、静电感应晶闸管（SITH）、MOS晶闸管（MCT）等。
电力半导体元器件可分为三类：双极型、单极型、混合型。
双极型器件是指器件内部的电子和空穴两种载流子都参与导电过程的半导体器件。
这类器件的导通电阻小于0.09Ω，导通电压降低，阻断电压高，电流容量大。
常见的有GTO（可关断晶闸管）、GTR（电力晶体管）、SITH（静电感应晶闸管）等。
GTO耐压高（4500V）、电流大（5000A）。
GTR具有控制方便、开关时间短、导通电压低、高频特性好等优点。
SITH用棚极控制开通和关断，具有导通电阻小、导通电压低、开关速度快、功耗小、关断电流增益大等特点。
单极型器件是指内部只有主要载流子参与导电过程的半导体器件。
常见产品有Power Mosfet（场效应晶体管）、SIT（静电感应晶体管）。
前者为电压控制器件，具有驱动功率小、工作速度高、无二次击穿问题、安全工作区宽等优点。
后者是三层结构的多数载流子器件。
具有输出功率大，失真小、输入阻抗高、开关特性好等优点，可工作于放大和开关两种状态。
混合型器件是双极型和单极型器件集成混合而成。
它们利用耐压高、电流大、导通电压低的双极型器件（GTO、GIR等）作为输出原件，用输入阻抗高、相应速度快的单极型器件（Mosfet）作为输入级，因此具有两者的优点。
典型产品有IGBT（绝缘棚式双极型晶体管）、MCT（MOS晶闸管）等。
功率半导体的优劣势分析-功率半导体器件用途功率半导体器件概述
功率半导体的优劣势分析-功率半导体器件用途功率半导体器件概述功率半导体器件是指能够承受较高功率水平，并且能够在高频率下工作的半导体器件。
它们在电子设备中起着至关重要的作用，广泛应用于交流电动机控制、电源管理、照明、医疗设备和电动汽车等领域。
本文将对功率半导体器件的优势和劣势进行分析，并讨论其在不同应用中的用途。
首先，功率半导体器件的优势之一是高效能和精确控制，使其能够在各种高功率应用中提供高效能的表现。
功率半导体器件具有低导通电阻和低开关损耗的特点，能够显著提高电能转换的效率。
此外，功率半导体器件具有高速开关和快速恢复的特点，能够实现精确的控制和响应时间，提高设备的性能和可靠性。
其次，功率半导体器件在高电压和高电流应用中具有较好的耐压和耐流能力。
这使得它们能够在较恶劣的工作环境中长期稳定地工作。
功率半导体器件通常具有较高的工作温度范围和较低的封装电阻，能够在高温环境下维持良好的性能。
此外，功率半导体器件的结构和材料设计使其能够承受大电流冲击和高电压应力，在高压和大电流的条件下仍能保证良好的工作状态。
另外，功率半导体器件具有较小的体积和重量。
相比于传统的电力设备，功率半导体器件的尺寸和重量大大减小，这减轻了设备的体积和重量，提高了设备的灵活性和可移动性。
功率半导体器件的小尺寸和轻量化还有助于减少电子设备的冷却需求，降低设备的散热成本。
然而，功率半导体器件也存在一些劣势需要考虑。
首先是价格较高。
功率半导体器件通常由复杂、高精度的制造工艺制成，这使得其成本较高。
另外，功率半导体器件的可靠性要求较高，需要进行严格的质量控制和测试，也会增加成本。
其次，功率半导体器件在高功率应用中容易受到热失控的影响。
高功率应用中的大电流和高电压造成的热损耗会导致功率半导体器件过热，降低其性能和寿命。
因此，需要进行有效的散热和温度控制，以确保功率半导体器件的正常工作。
此外，功率半导体器件的响应速度较快，在一些应用中可能会引起电磁干扰问题。
电力电子半导体器件3(SCR)
（三）特征参数 ①伏安特征
②换向特征：
两个反并旳晶闸管导通、关断相互影响——换向问题。
换向能力是晶闸管旳一种特有参数，用换向电流临界下降率
来表达(di/dt)c，为可靠运营，要求双向晶闸管有很强旳换向 能力。原则将(di/dt)c分为0.2、0.5、1、2四个等级。 如：200A旳器件， 0.2级为(di/dt)c=200× 0.2%= 0.4A/us ③额定通态方均根电流：I T(RMS)
４．触发脉冲宽度与陡度 ①触发脉冲宽度应确保SCR阳极电流在脉冲消失前到达擎住电流。
——最小宽度。脉冲宽度与负载性质及主电路形式有关 如：单相整流，电阻性负载，宽度不小于10us
电感性负载，宽度不小于100us 三相全控桥式电路，单脉冲触发时，脉宽600—1200
双脉冲触发时，脉宽100左右。 ②前沿越陡，有利于开通，对并联、串联SCR同步触发越有利。
因为双向晶闸管工作在交流回路中，用方均根（有效值）来 表征额定电流。定义：在原则散热条件下，导通角不不大于1700， 允许流过器件旳最大交流正弦电流旳方均根值。
方均根电流与与一般SCR平均值电流之间换算关系：
国产双向晶闸管：KS系列
三、逆导晶闸管
前面旳SCR为逆阻型器件，反向高阻特征，正向可控导通。
2．正向电流越大，关断时间toff越长；外加反向电压越高，反 向电流越大，关断时间可缩短；结温越高，关断时间越长。
3．关断时，过早施加正向电压，会引起误导通。
三、参数
（一）电压参数
1．断态不反复峰值电压VDSM 门极开路，加在SCR阳极正向电压上升到正向伏安特征曲线
急剧弯曲处所相应旳电压值。不能反复，每次连续时间不不小 于10ms旳脉冲电压。（转折电压，不不小于VBO) ２．断态反复峰值电压VDRM
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。
半导体功率器件范文
半导体功率器件范文1.高效率：相比传统的电力器件，半导体功率器件具有较高的转换效率。
例如，功率MOSFET在工作过程中能够减少能量损失，提高能源利用率。
2.快速开关速度：半导体功率器件具有快速的开关速度，能够实现高频率的开关操作。
这对于需要高频率开关的电路设计非常重要。
3.小型化：半导体功率器件相比传统的电力器件更加小型化，能在有限的空间内实现更高功率的输出。
这使得器件的集成度更高，可以在更多的应用场景中使用。
4.可靠性高：半导体功率器件采用了先进的制造工艺和结构设计，具有较高的可靠性和稳定性。
这使得器件在长时间工作过程中能够保持较高的性能。
下面介绍几种常见的半导体功率器件：1.功率二极管：功率二极管用来实现电流的单向导通，它的主要特点是能够承受较大的电流和电压。
功率二极管广泛应用于交流-直流电源、电机控制、逆变器等领域。
2.高压晶体管：高压晶体管主要用于高压电路的驱动或控制，它的主要特点是具有较高的输入电压和电流。
高压晶体管广泛应用于电源开关、电机驱动器、灯光控制等领域。
3.功率MOSFET：功率MOSFET是一种常用的功率器件，具有低开通电阻和快速开关速度的特点。
功率MOSFET广泛用于开关电源、电机驱动器、逆变器等高频开关电路中。
4.IGBT：IGBT是一种集结型双极电晶体管，具有MOSFET和晶闸管的特点，结合了它们的优点。
IGBT广泛应用于交流电源逆变器、变频空调、电动车等高压、高功率的场合。
总的来说，半导体功率器件具有高效率、快速开关速度、小型化和高可靠性等特点，是现代电子设备中不可或缺的关键组件。
随着电子技术的不断发展和应用领域的不断拓展，半导体功率器件将会继续发挥重要的作用。
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1.4.1 门极可关断晶闸管
☞GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的， 只不过导通时饱和程度较浅。 ☞而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽 出电流，当两个晶体管发射极电流IA和IK的 减小使1+2<1时，器件退出饱和而关断。
☞GTO的多元集成结构使得其比普通晶闸管 开通过程更快，承受di/dt的能力增强。
a)
b)
图1-12 光控晶闸管的电气图形符 号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性
1.4 可关断器件 1.4.1 门极可关断晶闸管
■晶闸管的一种派生器件，但 可以通过在门极施加负的脉冲 电流使其关断，因而属于全控 型器件。 ■GTO的结构和工作原理 ◆GTO的结构 ☞是PNPN四层半导体结构。 ☞是一种多元的功率集成 器件，虽然外部同样引出3个电 极，但内部则包含数十个甚至 数百个共阳极的小GTO元，这 些GTO元的阴极和门极则在器 件内部并联在一起。
多元集成结构，阴极很小，门、 阴极间距很小，使得P2基区横 向电阻很小，能从门极抽出较 大电流。
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) 电气图形符号
◆GTO的工作原理 ：导通过程
☞仍然可以用如左所示的双晶体管 模型来分析
雪崩 击穿
- IA
图1-8 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG
晶闸管的基本特性
iA ■动态特性 100% ◆开通过程 90% ☞由于晶闸管内部的正反馈 过程需要时间，再加上外电路 电感的限制，晶闸管受到触发 10% 后，其阳极电流的增长不可能 u 0 AK 是瞬时的。 ☞延迟时间td (0.5~1.5s) 上升时间tr (0.5~3s) 开通时间tgt=td+tr O ☞延迟时间随门极电流的增 大而减小,上升时间除反映晶 闸管本身特性外，还受到外电 路电感的严重影响。提高阳极 电压,延迟时间和上升时间都 可显著缩短。
1.4.1 门极可关断晶闸管
■GTO的动态特性 i 等效晶体管从饱 残存载 ◆开通过程与普通晶闸管 和区退至放大区， 流子复 阳极电流逐渐减 合所需 类似。 小时间 时间 ◆关断过程 O t ☞储存时间ts 抽取饱和导通时 下降时间tf 储存的大量载流 子的时间 尾部时间tt t t t t t ☞通常tf比ts小得多，而 i I tt比ts要长。 90% I ☞门极负脉冲电流幅值 越大，前沿越陡， ts就越 10% I 短。使门极负脉冲的后沿 0 t t t t t t t t 缓慢衰减，在tt阶段仍能 保持适当的负电压，则可 图2-15 GTO的开通和关断过程电流波形 以缩短尾部时间。
a) 双晶体管模型 b) 工作原理
式中1和2分别是晶体管 V1和V2的共基极电流增益； ICBO1和ICBO2分别是V1和V2 的共基极漏电流。
由以上式（2-1）~（2-4）可得
2 I G I CBO1 I CBO2 IA 1 (1 2 )
(1-3)
◆晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当 发射极电流建立起来之后， 迅速增大。 ◆在晶体管阻断状态下，IG=0，而1+2是很小的。由上式 可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管 漏电流之和。 ◆如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致 1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将 趋近于无穷大，从而实现器件饱和导通。 ◆由于外电路负载的限制，IA实际上会维持有限值。
第一章 电力半导体器件
对应电力二极管，由于要求承受高压，与普通的P-N结不同，其内部 一个N-层，其杂质浓度很低，电阻率很高，通过它实现很高的耐压 能力。
I
IF
OUTO UF
U
3.
比较：1 击穿实质不同：一个是通过碰撞产生载流子；一个是通过 强电场直接破坏共价键； 2 产生条件不同：齐纳击穿要求高杂浓度，雪崩击穿浓度较低； 3. 联系：发生齐纳击穿一定产生雪崩击穿；而发生雪崩 击穿则未必发生齐纳击穿。
2.3.3 晶闸管的主要参数
◆维持电流IH ☞维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流， 一般为几十到几百毫安。 ☞结温越高，则IH越小。 ◆擎住电流 IL ☞擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号 后，能维持导通所需的最小电流。 ☞约为IH的2~4倍 ◆浪涌电流ITSM ☞指结温为额定值时，在工频正弦波半周期期间器件能承 受的最大过载电流，而且紧接浪涌后的半周期内应能承受 规定的反向电压。
热击穿是永久损坏。电击穿发生时，若外电路将反向电流限制在一定 范围内，反向电压降低后PN节仍可恢复。若电流未控制住，发生了 热击穿，则二极管永久损坏。
特点：工艺上多采用掺金措施，结构上多采用PN结型结构。或改进的 PIN型结构，但耐压不高。
Silicon Controlled Rectifier
iA
100% 90% 反向恢复电 流最大值
10% uAK 0 td tr t
IRM
O
t
尖峰电压
trr
U RRM
tgr
图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形
因此，在实际应用中，应对晶闸管施加足够长的反向电压。
晶闸管门极与阴极之间的PN结J3，其伏安特性 称为门极伏安特性。
3 晶闸管的主要参数
■电压定额 ◆断态重复峰值电压UDRM ☞是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向 峰值电压（见图1-8）。 ☞国标规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值电压（即 断态最大瞬时电压）UDSM的90%。 ☞断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo。 ◆反向重复峰值电压URRM ☞是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向 峰值电压（见图1-9）。 ☞规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压（即反向 最大瞬态电压）URSM的90%。 ☞反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。
☞反向特性
+ IA
正向 导通
-UA
U RSM URR
M
IH O
IG2
正向 转折 电压 IG1 UboIG=0
UDRM U bo +U A UDSM
√其伏安特性类似二极管的 反向特性。
√晶闸管处于反向阻断状态 时，只有极小的反向漏电流通 过。 √当反向电压超过一定限度， 到反向击穿电压后，外电路如 无限制措施，则反向漏电流急 剧增大，导致晶闸管损坏。
双向晶闸管的触发方式
双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触 发。主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式： Ⅰ+ 触发方式：主极 T1 为正， T2 为负；门极电压 G 为正（对 T2）。特性曲线在第Ⅰ象限。 Ⅰ- 触发方式：主极 T1 为正， T2 为负；门极电压 G 为负 ( 对 T2)。 特性曲线在第Ⅰ象限。 Ⅲ+ 触发方式：主极 T1 为负， T2 为正；门极电压 G 为正 ( 对 T2)。 特性曲线在第Ⅲ象限。 Ⅲ- 触发方式：主极 T1 为负， T2 为正；门极电压 G为负( 对 T2)。 特性曲线在第Ⅲ象限。 由于双向晶闸管的内部结构原因，四种触发方式中触发灵敏 度不相同，以Ⅲ+ 触发方式灵敏度最低，使用时要尽量避开。 常采用的触发方式为Ⅰ+ 和Ⅲ- 。 Ⅰ+触发灵敏度最高。
◆晶闸管的伏安特性 + IA ☞正向特性 正向 正向转 √当IG=0时，如果在器件 导通 折电压 两端施加正向电压，则晶 Ubo 闸管处于正向阻断状态， 只有很小的正向漏电流流 过。 IG2 IG1 IG=0 I U H U RSM RRM √如果正向电压超过临界 极限即正向转折电压Ubo， - U A U DRM U bo + UA O 则漏电流急剧增大，器件 U DSM 开通 。 √随着门极电流幅值的增 雪崩 大，正向转折电压降低， 击穿 晶闸管本身的压降很小， 在1V左右。 √如果门极电流为零，并 且阳极电流降至接近于零 - IA 的某一数值IH以下，则晶 闸管又回到正向阻断状态， 图1-8 晶闸管的伏安特性 IH称为维持电流。 IG2 >IG1 >IG
2.3.3 晶闸管的主要参数
◆通态峰值电压UTM ☞晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电 压。 ◆通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。 选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。 ■电流定额 ◆通态平均电流 IT(AV） ☞国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40C和规定的冷 却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半 波电流的平均值。 ☞ 按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应来定义的。 ☞一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的 原则来选取晶闸管的电流定额。
■晶闸管的工作原理 ◆按照晶体管工作原理， 可列出如下方程：
I c1 1I A I CBO1
I c 2 2 I K I CBO2
（1-1） （1-2） （1-3） （1-4）
I K I A IG
I A I c1 I c 2
图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
■动态参数 ◆开通时间tgt和关断时间tq ◆断态电压临界上升率du/dt ☞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 。 ◆通态电流临界上升率di/dt ☞在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通 态电流上升率。 ☞如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损 坏。
2 晶闸管的基本特性
■静态特性 ◆正常工作时的特性 ☞当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流， 晶闸管都不会导通 。 ☞当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情 况下晶闸管才能开通 。 ☞晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触 发电流是否还存在，晶闸管都保持导通 。 ☞若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外 电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值 以下。