电力半导体器件
半导体电力开关器件
半导体电力开关器件引言随着科技的不断发展和人们对能源利用效率的要求不断提高，半导体电力开关器件逐渐成为重要的能源转换和控制元件。
半导体电力开关器件具有快速开关速度、高电压承受能力、低功耗等优点，广泛应用于电力电子领域。
本文将介绍半导体电力开关器件的基本原理、分类、常见的应用以及未来的发展趋势。
基本原理半导体电力开关器件是利用半导体材料的导电性能和控制特性实现电路开关功能的器件。
具体而言，当半导体电力开关器件处于导通状态时，其内部电阻较小，电流可以流通；而当半导体电力开关器件处于截止状态时，其内部电阻较大，电流无法通过。
半导体电力开关器件的导通与截止是通过控制信号来实现的。
通常情况下，控制信号可以是电压或电流信号。
通过改变控制信号的幅值或频率，可以控制半导体电力开关器件的导通与截止状态，从而实现对电路的开关控制。
分类根据运行原理和结构特点，半导体电力开关器件可以分为多个不同的类型。
常见的半导体电力开关器件包括场效应管（FET）、双极性晶体管（BJT）、绝缘栅双极性晶体管（IGBT）和功率二极管等。
1.场效应管（FET）：场效应管利用栅极电压控制其导通与截止状态。
它具有导通电流大、开关速度快的优点，广泛应用于高频电路和功率放大器等领域。
2.双极性晶体管（BJT）：双极性晶体管是由N型和P型材料构成的两个PN结，通过控制基极电流来实现开关功能。
它具有较大的电流放大倍数，适用于低频和中频电路。
3.绝缘栅双极性晶体管（IGBT）：绝缘栅双极性晶体管是FET和BJT的结合体，结合了它们的优点。
IGBT广泛应用于高压、大电流的功率电子应用中。
4.功率二极管：功率二极管是一种具有高电压承受能力和快速开关速度的二极管。
它常用于整流器、逆变器和电源等电路中。
应用半导体电力开关器件在电力电子领域具有广泛的应用。
以下是几个常见的应用领域：1.变频调速系统：半导体电力开关器件可以用于控制交流电动机的转速，实现变频调速功能。
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）。
电子技术基础(电力半导体器件)
近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。
1-8
晶闸管的结构与工作原理
其他几种可能导通的情况：
阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光触发
光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘 而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT）。
绝缘栅双极晶体管
——通过控制信号既可控制其导
通又可控制其关 断，又称自关断 电力效应晶体管
器件。
处理兆瓦级 门门极极可可关关断断晶晶体体管管
大功率电能
1-2
电力电子器件的分类
按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的 情况，分为三类：
单极型
——有一种载流子参与导电。如功率晶体管（GTR） 、门极可关断晶闸管（GTO）。
ib
Ib1
90% Ib1
10% Ib1 0
t Ib2
ic 90% Ics
ton
td tr
Ics
toff
ts
tf
10% Ics 0
t0 t1 t2
t3
t4 t5
t
图9.4-5 GTR的开通和关断过程电流波形
1-21
功率 晶体管
3）GTR的主要参数
前已述及：电流放大倍数（ ic ）、直流电流增
益hFE(
1-10
晶闸管的基本特性
1） 静态特性 （1）正向特性
IG=0时，器件两端施加正 向电压，只有很小的正向 漏电流，为正向阻断状态 。
正向电压超过正向转折电 压，U器b件o，开则通漏。电流急剧增大
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。
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。
第1章电力半导体器件
图1-11
BJT的开关特性
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。 ◢
• 电力半导体器件稳态时通常工作在饱 和导通与截止两种工作状态。
• 饱和导通时，器件压降很小，而截止 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 耗都很小，器件近似于理想的开关
Ic RL
C
Rb B
T1
UCE
UCC
E
• 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
◤图1-22表示了MOSFET的输入电容
Ciss、输出电容Coss和反向传输电容
◢ Crss与结电容之间的关系。
10%
UGS
t t d(on)
r
t t d(off)
f
图1-23 开关特性测试电路与波形
➢td(on)：开通延迟时间 ➢tr：上升时间 ➢ td(off) ：关断延迟时间， ➢tf ：下降时间
的（所需时间称开关时间），而是要 经过一个转换过程（称开关过程）
图1-1：简单的bjt电路
•例如，图1-1所示电路中 RL 5 ，UCC 50V，当工作在饱和导通状态时管
压降，U CE 0.3V ，T1 的管耗 PT1 IC UCE (UCC / RL ) UCE 10 0.3 3W，T1 截止的漏
电力电子技术中的功率半导体器件
电力电子技术中的功率半导体器件在现代化的电力系统中，功率半导体器件的使用越来越普遍，功率半导体器件在电力调节和控制方面有着非常广泛的应用。
功率半导体器件能够提供更好地设备保障、更灵活的电力控制以及更高效的能源利用。
一、功率半导体器件的概述功率半导体器件的发展历程可以追溯到二十世纪四十年代，早期的功率半导体器件有大功率晶闸管和放电管。
随着技术的不断发展，功率半导体器件通过不断的改良和优化，涌现出了各种新型的功率半导体器件如IGBT、MOSFET和GTO等。
近年来，功率半导体器件的的不断进化和应用在电力控制领域中，不但可以对设备的损耗进行有效地控制，还能在节能、提升电力质量等方面发挥重要的作用。
二、主要功率半导体器件的应用1. 大功率晶闸管大功率晶闸管在高压、高温和高功率的情况下，依然能够保持稳定的工作。
因此大功率晶闸管被广泛应用于高速电机驱动、直流电源等高功率控制领域。
另外，大功率晶闸管还在高压直流输电和高压脉冲电源中得到了广泛应用。
2. MOSFETMOSFET是一种晶体管，它的由于其工作电压低、开关速度快、灵活性高等特点，因此MOSFET被广泛应用于DC-DC变换器、高频电源、模拟和数字电路、低电平驱动电路、可编程逻辑和其他的大规模集成电路等领域。
3. IGBTIGBT在中高压交流电源和三相电源中得到了广泛的应用。
IGBT的优点是其结构设计紧凑、可靠性高、容量大、参数化的组合性好等，因此IGBT被广泛地应用于变频器、电力传动、电力电源和各种控制领域等。
4. GTOGTO是一种双向可控整流器的半导体器件，具有电流自我斩波、双向可控和造旋模式等特点，可以用于逆变器、直流调制变换器和自由电路制保护等领域中。
三、功率半导体器件的趋势现在，随着电力信息化和节能环保的需求日益增长，功率半导体器件市场也迎来了新的发展机遇。
未来功率半导体器件市场将面临着更多的发展机遇和挑战。
随着技术的不断进步，功率半导体器件将能在更多领域中得到应用，同时也将面临技术革命和市场竞争等问题。
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。
新型电力半导体器件简介
新型电力半导体器件简介1.电力场效应管MOSFET的特点①电力场效应管是多数载流子器件，开关速度快，适合于制作高频大功率变流装置。
②电力场效应管是理想的电压控制器件，驱动电路简单。
③电力场效应管无二次击穿现象，安全工作区大。
④使用和存放电力场效应管时，特别要防止静电击穿。
⑤略为不足的是电力场效应管导通压降高，而且随着器件电压和温度的升高，导通压降也增加。
2.电力晶体管GTR的特点①电力晶体管有两个PN结，基本结构有PNP型和NPN型两种。
②电力晶体管有线性放大特性，一般作为电流放大元件使用。
但在电力电子装置中，如斩波器、逆变器中，电力晶体管工作在开关状态。
③电力晶体管是一种典型的自关断元件，可通过基极信号方便地进行导通与关断控制。
④不必具有专门的强迫换流电路，因此可使整个装置小型轻量化，高效率化。
⑤电力晶体管的缺点是耐冲击浪涌电流能力差，易受二次击穿而损坏。
3.绝缘栅双极型晶体管IGBT的特点①绝缘栅双极型晶体管是双极型电力晶体管和电力场效应管的复合，为四层结构。
②绝缘栅双极型晶体管的通断由栅极电压来控制。
③绝缘栅双极型晶体管具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的特点，又具有通态电压低，耐压高和承受电流大等优点。
④绝缘栅双极型晶体管的开关速度低于电力场效应管，但明显高于电力晶体管。
⑤绝缘栅极型晶体管的反向电压承受能力很低，内部可设置反并联二极管。
电子设备防干扰的基本知识①电子设备的输入电路要尽量远离输出电路，以免发生自激振荡。
②电子设备防外界磁场的干扰一般采用铁磁材料做成磁屏蔽罩。
③电子设备的接地端要尽可能接地。
电力电子半导体器件(IGBT)
采用电流互感器和霍尔元件进行过流检测及过流保护：
4．开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数的关系：
5．开关损耗与温度和漏极电流关系
（三）擎住效应
IGBT的锁定现象又称擎住效应。IGBT复合器件内有一个 寄生晶闸管存在，它由PNP利NPN两个晶体管组成。在NPN晶 体管的基极与发射极之间并有一个体区电阻Rbr，在该电阻上， P型体区的横向空穴流会产生一定压降。对J3结来说相当于加 一个正偏置电压。在规定的漏极电流范围内，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、这就是所谓的擎住效应。IGBT发生擎住效应后。 漏极电流增大造成过高的功耗，最后导致器件损坏。
其中尤以绝缘栅双极晶体管(1GBT)最为突出，在各个领域 中有取代前述全控型器件的趋势。
IGBT（IGT），1982年研制，第一代于1985年生产，主要 特点是低损耗，导通压降为3V，下降时间0.5us，耐压500— 600V，电流25A。
第二代于1989年生产，有高速开关型和低通态压降型，容 量为400A/500—1400V，工作频率达20KHZ。目前第三代正在 发展，仍然分为两个方向，一是追求损耗更低和速度更高；另 一方面是发展更大容量，采用平板压接工艺，容量达1000A， 4500V；命名为IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor)
半导体器件在电力电子技术中的应用
半导体器件在电力电子技术中的应用随着电力电子技术的不断进步和发展，半导体器件在电力电子领域中的应用越来越广泛。
本文将着重介绍半导体器件在电力电子技术中的应用，包括功率场效应管、整流器、逆变器以及开关电源等方面。
1. 功率场效应管功率场效应管是电力电子技术中广泛应用的一种半导体器件。
它具有低导通电阻、高开关速度、可靠性高等优点，被广泛应用于电力系统中的电源开关、电机驱动和短路保护等领域。
例如，在直流输电系统中，功率场效应管被用作开关装置，用于实现电力系统的有效控制和保护。
2. 整流器整流器是将交流电转换为直流电的电力电子设备。
半导体器件在整流器中扮演着重要的角色。
常用的整流器包括单相和三相整流器。
半导体整流器通常采用二极管或可控硅等器件，能够实现高效率的电能转换。
这些整流器广泛应用于交流电机驱动、反激式电路等领域。
3. 逆变器逆变器是将直流电转换为交流电的电力电子设备，也是半导体器件在电力电子技术中的一大应用领域。
逆变器通常采用IGBT、MOSFET 等器件，可以将电流转换为不同频率和不同电压的交流电。
逆变器在太阳能光伏系统、风能发电系统以及电动车驱动系统等方面都有广泛的应用。
4. 开关电源开关电源是一种通过开关管实现对输入电源的电能转换的电子设备。
半导体器件在开关电源中扮演着重要的角色。
开关电源通常采用MOSFET等高频开关器件，具有功率密度高、转换效率高等特点。
开关电源在计算机设备、通信设备、工业自动化等领域中得到广泛应用。
总结起来，半导体器件在电力电子技术中的应用非常广泛，包括功率场效应管、整流器、逆变器以及开关电源等方面。
这些器件的应用在电力系统的控制、电机驱动和能量转换等方面起到了关键作用，推动了电力电子技术的发展和进步。
通过半导体器件的应用，电力电子技术在提高电能转换效率、实现电力系统的高效运行以及推动新能源开发利用等方面发挥了重要作用。
随着科技的不断进步和发展，半导体器件在电力电子技术中的应用将会越来越深入，为实现清洁能源和可持续发展做出更加重要的贡献。
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。
第九章电力半导体器件
（1-2） （1-3） （1-4）
式中 1和 2区分是晶体管
V1和V2的共基极电流增益；
ICBO1和ICBO2区分是V1
和V2的共基极漏电流。由以
上式可得 ：
IA
2 I G I CBO1 I CBO2 1 ( 1 2 )
（1-5） 图9.3-3 晶闸管的双晶体管模型及其任务原理
a) 双晶体管模型 b) 任务原理
经过一段持久的时间才干重新取 得反向阻断，进入截止形状。
UF
td
tf
tF t0
t1 t2
UR
t
diR
dt
在关断之前有较大的反向电流，随同清
IRP a)
URP
楚的反向电压过冲。
图9.2-5 电力二极管的静态进程波形
电流过冲最大值：IRP
a) 正向偏置转换为反向偏置
电压过冲最大值：URP
延迟时间：td= t1- t0,
留意：电流、电压反向效果 正偏压时，正向偏压降约为2V左右；导通时，二极
管看成是理想开关元件，由于它的过渡时间与电路的瞬 时进程相比要小的得多；
但在关断时，它需求一个反向恢复的时间以肃清过 剩载流子。
1-18
2.3 电力二极管的主要参数
1) 正向平均电流IF(AV) 额外电流——在指定的管壳温度和散热条件
第九章电力半导体器件
2021年7月24日星期六
第一节 电力半导体器件的开展概 略
1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 运用电力电子器件的系统组成 1.1.3 电力电子器件的分类 1.1.4 本章内容和学习要点
1-2
1.1 电力电子器件的概念和特征
电力半导体器件
1〕概念: 电力电子器件〔Power Electronic Device〕
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70年代大功率晶体管（三极管）已进入工业应用阶段，它 被广泛应用于数百千瓦以下的功率电路中，功率晶体管工 作频率比晶闸管大大提高，达林顿功率晶体管可在10KHZ 以下工作,非达林顿功率晶体管可达20KHz，出现了所谓 “20KHz”革命，其缺点在于存在二次击穿和不易并联以 及开关频率仍然偏低等问题，使其使用受到了限制。
4、PN结特点：
PN结通过正向大电流时压降只有1V左 右，即双极型器件通态压降较小，空 间电荷区的雪崩击穿电场强度决定了 结承受反向电压的大小，击穿前反向 漏电流很小，一旦击穿反向漏电流急 剧增加。结正偏时呈现低阻状态，反 偏时呈现高阻状态，即PN结具有单向 导电特性。
5、PN结动态工作过程
1）二极管D从导通转向关断过程 所有的PN结二极管，在传导正向电流时，都
当PN结流过正向大电流时，注入基区的空穴浓度 大大超过原始N型基片的多子浓度，为了维持半 导体电中性的条件，多子浓度也要相应的大幅度 增加，即在注入大电流条件下原始N型基片的电 阻率大大下降，也就是说电导率大大地增加，这 种现象称为基区电导调制效应。
3、PN结反偏
外电场加强了内部电场，从而强烈地阻止 结多子扩散，但该电场使漂移加强，这种 漂移形成PN结漏电流，由于少子浓度很低， 所以该漂移电流很小，且随反偏电压V增大 而增大，但变化很小，因此反偏PN结相当 于“断态”或“高阻状态”。随着反偏增 大，其内电场加强，空间电荷区加宽，当 增大到使结雪崩击穿强度时，反向漏电流 急剧增大结会因损耗急剧增大而损坏，所 以结上反向电压受雪崩击穿电压的限制。
第3章 电力半导体器件
§3.1概述 §3.2功率二极管 §3.3功率晶体管GTR §3.4晶闸管 §3.5静电感应器件 §3.6功率场效应晶体管 §3.7绝缘栅晶体管 §3.8 MOS场控晶闸管（MCT）
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§3.1概述
1956年美国贝尔公司发明了PNPN可触发晶体管，1957年 通用电器（GE）进行了商业化开发，并命名为晶体闸流 管，简称为晶闸管（thyristor）或可控硅（silicon controlled rectifier—SCR）。
P
J
N
---- -
(a) - - - - -
---- -
---- -
内电场
(b)
外电场
---- (c) - - - - -
---- ---- -
内电场
内电场 外电场
图3-2
2、PN结正向偏置
外电场削弱了PN结内部空间电荷区形成的内电场， 打破了多子扩散和少子漂移的平衡，这时P区的空 穴不断涌入N区，N区的电子也不断涌入P区，各 自成为对方区中的少数载流子，电场方向如图 32(b)所示。
恢ta被复称时为间存由储两时个间不，同t的b 被时称间为区渡间越（时ta，间t。b）组成。 反定向义恢为复 ：时间trr（耗尽存储电荷所需的总时间）
PN I
J
(a)
I
0
U
(b)
(c)
图3-1 PN结、二极管符号和二极管伏安特性
Hale Waihona Puke 1、PN结零偏置P型半导体多子为空穴，N型半导体多子为电 子，当PN结零偏时，P型半导体和N型半导体 交界处多子相互扩散，即P型半导体中空穴向 N型半导体扩散，N型半导体中电子向P型半导 体扩散，在P型半导体侧形成负电荷，在N型 侧形成正电荷，电场方向如图3-2 (a)所示，该 电场方向阻碍多子扩散，当两者平衡时空间电 荷区达到了一定宽度，由于多子扩散运动和少 子漂移运动相等，总体上看没有电流形成。
70年代后期，功率场效应管（POWER MOSFET） 开始进入实用阶段，这标志着电力半导体器件进 入高频化阶段。在80年代又研制了电流垂直流动 结构器件（VDMOS），它具有工作频率高（可达 兆HZ），开关损耗小，安全工作区宽，几乎不存 在二次击穿，输入阻抗高，易并联（漏源电阻为 正温度特性）的特点，是目前高频化的主要器件， 尽管VDMOS器件的开关频率高，但导通电阻大这 一缺点限制了它在高频大中功率领域应用。
以少子形式存储电荷。但是，当二极管反向时， 在二极管处于“断态”前存储的电荷必须全部 抽出或必须被中和掉。发生这一过程所花费的 时间定义为反向恢复时间，即反向恢复时间为 清除这些少数载流子达到稳态值所需的时间。 当PN结正向导通时，PN结突然加一反偏电压， 反偏时高阻状态（反向阻断能力）的恢复需要 经过一段时间。在未恢复反偏高阻状态之前， 二极管相当于短路状态，这是一个很重要的特 性。
I ,V
FF
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FM
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RRM
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ab
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rr
图3-3 二极管电 流、电压波形 定义
在反偏电场作用下，正向电流逐步减小到 零，由于PN结正向导通时在P型半导体内存 储了许多电子，在N型半导体内存储了许多 空穴，除了一部分少数载流子被复合掉外， 其余少数载流子在反偏电场作用下，形成 反向电流，当靠近结附近的多余少数载流 子离开了空间电荷区，电流开始减小，空 间电荷区电场加宽，为PN结恢复反偏时高 阻状态（反向阻断能力）创造条件。
随着科学技术的发展及功率集成制造技术 的日趋完善，电力电子技术具有广阔的发 展前景。本章将详细介绍快恢复二极管、 晶闸管（SCR）、双极型晶体管、功率场效 应晶体管（MOSFET）、和绝缘栅双极型晶 体管（IGBT）的性能、参数、工作原理及 驱动技术。
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§3.2功率二极管
P型半导体和N型半导体是两种导电类型的半导体材 料，通过某种工艺方法将两种半导体结合在一起，则 在交界面处型成PN结。
绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）。IGBT于1982年在美研制成功，1985 年投入市场,为场控器件，其工作频率超过20KHz。
80年代另一重要的发展是智能化功率集成电路 (SMART POWER IC)的研制成功，它们是在制造 过程中，将功率电子电路和信息电子电路一起集 成在一个芯片上或是封装在一个模块内产生的， 具有信号测试及处理、系统保护及故障诊断等功 能，它们实际上是一种微型化的功率变换装置。