功率器件概述
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一、功率器件概述（续）
➢ 功率集成电路（PIC）的出现:
20世纪80年代中期，半导体材料学及电力半导体器件制造工艺技术的发展和电力电 子设备的发展要求，促使第四代电力半导体器件——功率集成电路的出现； 1981年试制成功功率集成电路（PIC），它将电力半导体器件及其驱动电路、保护电 路、检测电路与外部微机和CPU连接的接口电路制造在一个封装内，经过10多年的发 展，PIC己分为高压PIC（HVPIC）和智能PIC（SPIC）两大类。 PIC实现了电力电子技术与微电子技术两大半导体分支的结合，完成了“电力电子— —微电子”的紧密结合，实现了动力信号一体化，实现了物质流与信息流的结合，将 电力电子技术推向了一个崭新的时代。
一、功率器件概述（续）
➢ GTO、 GTR和MOSFET等全控型器件的出现及批量生产:
1960年GE公司的Van. Liaten和Navon描述了门极关断PNPN开关，首次提出GTO的 设想，经美国A. K. Jonscher、 Makintosh和Golde. Y 在理论和控制方法进行完善； 1962年美国T. A. Lougo用平板外延工艺研制出第一个GTO； 1973年，GE公司在GTO的设计制造工艺上有所突破。该公司的Wolley发明了采用扩 金技术以缩短关断时间并控制关断增益，采用放大门极和叉指状渐开线的门-阴极结 构以提高GTO的灵敏度和关断能力，采用放大门极二极管分流器以降低GTO关断时 的门极阻抗，此后GTO才开始批量生产。 20世纪60- 70年代出现的全控型器件可简单的实现电力电子设备中的变频、逆变及斩 波，特别是频率提高后易于实现“最佳频率”用电，为电力电子设备的小型化、高效 化创造了条件。GTR和GTO虽具有高耐压、大电流的优点，但均属于电流型控制器 件，基极和门极的输入阻抗较小，需要消除积存的载流子，所以存在开关频率仍较低 （一般小于4KHz）等不足。同时，在大功率系统应用时，要求提供较大的驱动电流， 常因驱动电路性能不好而损坏，因而限制了它们的应用。
内容介绍
功率器件概述 大容量多电平变换器发展概述 高压变频器对电网的影响 高压变频器对电动机的影响 三电平PWM电压源变频器原理 三电平PWM逆变控制策略 PWM整流的基本原理 三电平PWM整流控制策略
IGCT系统现存问题初步探讨
一、功率器件概述
1、功率器件的发展概况
功率器件的发展对大功率应用领域发展的促进作用:
一、功率器件概述（续）
2、功率器件的分类
根据开关特性不同，可分为：
➢ 半控型器件：通过门极信号只能控制其导通而不能控制其关断的器件，如 SCR；
➢ 全控型器件：通过门极信号既能控制其导通又能控制其关断的器件，如 BJT、IGBT、GTO、IGCT。
根据控制极（包括门极、栅极或基极）信号的不同性质，可分为：
一、功率器件概述（续）
➢ IGCT、高压IGBT和IEGT的出现:
20世纪80年代中期，人们普遍看好MCT（MOS控制晶栅管），其原因在于当时美 国GE公司己有产品，美国的Harris公司己可批量向市场提供这类器件。 MCT是一个MOS门的PNPN晶闸管，它可以在MOS门上加一个窄脉冲控制其导通和 关断，与其他电力半导体器件不同的是，MCT具有小细胞结构，而其器件具有大量 并联而匹配的单胞。它的频率与IGBT差不多，但其低的通态压降是一个明显的优点， 且器件不存在二次击穿的问题，其dv/dt与di/dt耐量可达2000V/μs与20000A/μs 以上， 故应用它可制成无缓冲电路的变流器。 为了使器件有较高的成品率，必须具有高纯度、均匀性好的硅片和精细的工艺技术。 但经过10多年的发展和努力，由于它极低的成品率和昂贵的成本，使电力电子行业 不得不另辟蹊径。于是一系列的供高电压、大电流应用的新器件开始登上竞争的舞 台。IGCT（集成门极换向晶闸管）、高压IGBT和IEGT（注入增强栅晶体管）的出 现在某种程度上解决了MCT发展停滞不前的问题。
➢ 器件特性的改善使其开关速度得以提高，同时降低了相关损耗， 器件的开关容量也随之提高；
➢ 包含门级(或栅极、基极)驱动在内的模块化趋势在一定程度上促 进了电路设计的标准化。
功率器件发展史上的五次突破性发展：
一、功率器件概述（续）
➢ 硅普通晶闸管（SCR）的诞生:
1955年GE公司制造出世界上第一个硅整流管(SR)； 1957年GE公司制造出第一个硅普通晶闸管(SCR)。 由于具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、速度快、使用维护简单等优点，特 别是SCR能以微小电流控制较大的功率，因此伴随着自动控制技术的发展，电力 半导体器件一诞生便从弱电控制领域进入了强电控制领域。将它用于强电自动化 系统取代汞弧整流器，为变流器的固体化、静止化及无触点化奠定了基础，并获 得了巨大的节能效果。发展极为迅速，出现了快速晶闸管、光控晶闸管、非对称 晶闸管及双向晶闸管等派生晶闸管。它经历了50年代的萌芽生长期、60年代的工 艺技术革新和品种开发期、70年代的提高可靠性和扩大应用期，如今已进入大规 模生产和成熟应用期。 共同特点：换相关断、大电流、高电压、工作频率在几百Hz到一千Hz。
一、功率器件概述（续）
➢ IGBT、 MCT和IGCT 等双机理复合电力半导体器件的开发:
电力MOSFET虽然具有电压驱动、驱动功率小、速度性能好等优点，但限于制造技术 及材料水平，短时间难以制成高耐压、大电流的器件。 20世纪80年代开发出了双机理复合电力半导体器件IGBT, MCT, IGCT。它们发挥了 GTR、GTO以及电力MOSFET的共同优点，扬弃其缺点，这类器件的栅极为MOS结 构，而输出极为GTR、GTO或SCR结构。 这些器件兼有构成它的两种器件的共同优点：高耐压、低功耗、易驱动、高频率。 现在IGBT的单管容量己超过GTR的水平，IGBT的开关频率已可与MOSFET相媲美， 并己开始在电力电子设备中取代电力MSOFET、GTO和GTR。
➢ 电流控制型器件：一般通过从控制极注入或抽出控制电流的方式来实现对 导通或关断的控制，如SCR；
一、功率器件概述（续）
➢ 功率集成电路（PIC）的出现:
20世纪80年代中期，半导体材料学及电力半导体器件制造工艺技术的发展和电力电 子设备的发展要求，促使第四代电力半导体器件——功率集成电路的出现； 1981年试制成功功率集成电路（PIC），它将电力半导体器件及其驱动电路、保护电 路、检测电路与外部微机和CPU连接的接口电路制造在一个封装内，经过10多年的发 展，PIC己分为高压PIC（HVPIC）和智能PIC（SPIC）两大类。 PIC实现了电力电子技术与微电子技术两大半导体分支的结合，完成了“电力电子— —微电子”的紧密结合，实现了动力信号一体化，实现了物质流与信息流的结合，将 电力电子技术推向了一个崭新的时代。
一、功率器件概述（续）
➢ GTO、 GTR和MOSFET等全控型器件的出现及批量生产:
1960年GE公司的Van. Liaten和Navon描述了门极关断PNPN开关，首次提出GTO的 设想，经美国A. K. Jonscher、 Makintosh和Golde. Y 在理论和控制方法进行完善； 1962年美国T. A. Lougo用平板外延工艺研制出第一个GTO； 1973年，GE公司在GTO的设计制造工艺上有所突破。该公司的Wolley发明了采用扩 金技术以缩短关断时间并控制关断增益，采用放大门极和叉指状渐开线的门-阴极结 构以提高GTO的灵敏度和关断能力，采用放大门极二极管分流器以降低GTO关断时 的门极阻抗，此后GTO才开始批量生产。 20世纪60- 70年代出现的全控型器件可简单的实现电力电子设备中的变频、逆变及斩 波，特别是频率提高后易于实现“最佳频率”用电，为电力电子设备的小型化、高效 化创造了条件。GTR和GTO虽具有高耐压、大电流的优点，但均属于电流型控制器 件，基极和门极的输入阻抗较小，需要消除积存的载流子，所以存在开关频率仍较低 （一般小于4KHz）等不足。同时，在大功率系统应用时，要求提供较大的驱动电流， 常因驱动电路性能不好而损坏，因而限制了它们的应用。
内容介绍
功率器件概述 大容量多电平变换器发展概述 高压变频器对电网的影响 高压变频器对电动机的影响 三电平PWM电压源变频器原理 三电平PWM逆变控制策略 PWM整流的基本原理 三电平PWM整流控制策略
IGCT系统现存问题初步探讨
一、功率器件概述
1、功率器件的发展概况
功率器件的发展对大功率应用领域发展的促进作用:
一、功率器件概述（续）
2、功率器件的分类
根据开关特性不同，可分为：
➢ 半控型器件：通过门极信号只能控制其导通而不能控制其关断的器件，如 SCR；
➢ 全控型器件：通过门极信号既能控制其导通又能控制其关断的器件，如 BJT、IGBT、GTO、IGCT。
根据控制极（包括门极、栅极或基极）信号的不同性质，可分为：
一、功率器件概述（续）
➢ IGCT、高压IGBT和IEGT的出现:
20世纪80年代中期，人们普遍看好MCT（MOS控制晶栅管），其原因在于当时美 国GE公司己有产品，美国的Harris公司己可批量向市场提供这类器件。 MCT是一个MOS门的PNPN晶闸管，它可以在MOS门上加一个窄脉冲控制其导通和 关断，与其他电力半导体器件不同的是，MCT具有小细胞结构，而其器件具有大量 并联而匹配的单胞。它的频率与IGBT差不多，但其低的通态压降是一个明显的优点， 且器件不存在二次击穿的问题，其dv/dt与di/dt耐量可达2000V/μs与20000A/μs 以上， 故应用它可制成无缓冲电路的变流器。 为了使器件有较高的成品率，必须具有高纯度、均匀性好的硅片和精细的工艺技术。 但经过10多年的发展和努力，由于它极低的成品率和昂贵的成本，使电力电子行业 不得不另辟蹊径。于是一系列的供高电压、大电流应用的新器件开始登上竞争的舞 台。IGCT（集成门极换向晶闸管）、高压IGBT和IEGT（注入增强栅晶体管）的出 现在某种程度上解决了MCT发展停滞不前的问题。
➢ 器件特性的改善使其开关速度得以提高，同时降低了相关损耗， 器件的开关容量也随之提高；
➢ 包含门级(或栅极、基极)驱动在内的模块化趋势在一定程度上促 进了电路设计的标准化。
功率器件发展史上的五次突破性发展：
一、功率器件概述（续）
➢ 硅普通晶闸管（SCR）的诞生:
1955年GE公司制造出世界上第一个硅整流管(SR)； 1957年GE公司制造出第一个硅普通晶闸管(SCR)。 由于具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、速度快、使用维护简单等优点，特 别是SCR能以微小电流控制较大的功率，因此伴随着自动控制技术的发展，电力 半导体器件一诞生便从弱电控制领域进入了强电控制领域。将它用于强电自动化 系统取代汞弧整流器，为变流器的固体化、静止化及无触点化奠定了基础，并获 得了巨大的节能效果。发展极为迅速，出现了快速晶闸管、光控晶闸管、非对称 晶闸管及双向晶闸管等派生晶闸管。它经历了50年代的萌芽生长期、60年代的工 艺技术革新和品种开发期、70年代的提高可靠性和扩大应用期，如今已进入大规 模生产和成熟应用期。 共同特点：换相关断、大电流、高电压、工作频率在几百Hz到一千Hz。
一、功率器件概述（续）
➢ IGBT、 MCT和IGCT 等双机理复合电力半导体器件的开发:
电力MOSFET虽然具有电压驱动、驱动功率小、速度性能好等优点，但限于制造技术 及材料水平，短时间难以制成高耐压、大电流的器件。 20世纪80年代开发出了双机理复合电力半导体器件IGBT, MCT, IGCT。它们发挥了 GTR、GTO以及电力MOSFET的共同优点，扬弃其缺点，这类器件的栅极为MOS结 构，而输出极为GTR、GTO或SCR结构。 这些器件兼有构成它的两种器件的共同优点：高耐压、低功耗、易驱动、高频率。 现在IGBT的单管容量己超过GTR的水平，IGBT的开关频率已可与MOSFET相媲美， 并己开始在电力电子设备中取代电力MSOFET、GTO和GTR。
➢ 电流控制型器件：一般通过从控制极注入或抽出控制电流的方式来实现对 导通或关断的控制，如SCR；