第二章：器件原理28638
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二、外形
2020/10/11
A K
KA
K PN
I J
b)
A a)
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c) 2-15
三、特性
器件原理
1、静态特性
➢ 伏安特性
❖ 电力二极管承受的正向电 压大到一定值（门槛电压
UTO），正向电流才开始明
显增加，处于稳定导通状
2020/10/11
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2-2
本章内容
器件原理
2.1 电力电子器件概述
2.2 电力（功率）二极管 2.3 晶闸管（SCR） 2.4 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力场效应晶体管（电力 MOSFET） 2.7 绝缘栅双极晶体管（IGBT） 2.8 其它新型场控器件
2020/10/11
器件原理
第二章
电力电子器件的原理与特性
2020/10/11
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2-1
要求及重点
器件原理
• 要求：
➢了解电力电子器件的发展、分类与应用； ➢理解和掌握功率二极管、SCR、GTO、MOSFET
和IGBT等常用器件的工作原理、电气特性和 主要参数。
• 重点：
➢各种电力电子器件原理、性能上的不同点， 各自应用的场合（可工作区域）。
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Байду номын сангаас
器件原理
➢ 按器件内部载流子参与导电的种类分类： ❖单极型器件：只有一种载流子参与导电，如 MOSFET、SIT等
❖双极型器件：有两种载流子参与导电，如二 极管、 晶闸管、GTO、GTR、IGCT、SITH等。
❖复合型器件：由MOSFET与晶体管、晶闸管复 合而成，如IGBT、IPM、MCT等。
2.2 电力（功率）二极管
2.3 晶闸管（SCR） 2.4 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力场效应晶体管（电力 MOSFET） 2.7 绝缘栅双极晶体管（IGBT） 2.8 其它新型场控器件
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2-14
器件原理
2.2 电力（功率）二极管
一、工作原理（基本与普通二极管相同） ➢PN结：正向导通 反向截止
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2-12
器件原理
6、应用场合（可工作区域）
决定应用场合的基本因素：输出容量和工作频率 ➢ SCR ➢ GTO ➢ GTR ➢ IGBT ➢ 电力MOSEFT ➢ MOSEFT
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2-13
本章内容
器件原理
2.1 电力电子器件概述
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器件原理
➢ 按门极驱动信号的种类（电流、电压）分类： ❖电流控制型器件 如晶闸管、GTO、GTR、 IGCT、SITH等
❖电压控制型器件 如MOSFET、IGBT、IPM、 SIT、MCT等
——电压控制型器件的驱动功率要远小于 电流控制型器件 ，驱动电路也简单，而且 工作频率高。
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器件原理
3、电力电子器件的特征（与普通半导体器件相比） ➢功率远大于信息电子器件，从mW~MW。 电压和电流等级是其最重要的参数；
➢工作在开关状态（相当于普通晶体管的饱和 与截止状态），因而动态特性（开关特性） 也是很重要的参数，有时甚至是最重要的参 数；
2-4
器件原理
2、主要损耗 ➢通态损耗：导通时器件上有一定的通态压降。 ➢断态损耗：阻断时器件上有微小的断态漏电流 流过。 ➢开关损耗
❖开通损耗：在器件开通的转换过程中产生的损耗； ❖关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损耗。 • 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器 件发热的原因之一。 • 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是 器件功率损耗的主要成因。 • 器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为 器件功率损耗的主要因素 。
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器件原理
2.1 电力电子器件概述
1、电力电子器件的概念
➢电力电子器件的是指可直接用于处理电能， 实现电能变换或控制的电子器件，通常专指 电力半导体器件。
➢和普通半导体器件一样，目前电力半导体器 件所用的主要材料仍然是——硅。
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器件原理
5、分类
➢ 按其开关控制性能分类： ❖ 不控型器件： 无控制极，器件的导通与关断完 全由其在主电路中承受的电压和电流决定，正偏 置导通、反偏置关断，如电力二极管(D)
❖ 半控型器件： 控制极（门极）只能控制管子导 通而不能控制管子关断，器件的关断完全由其在
➢需要用驱动电路驱动； ➢需要装散热器散热；
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器件原理
4、电力电子器件的发展概况
➢ 第一代电力电子器件 ❖无关断能力的SCR（1957年美国GE公司发明）
➢ 第二代电力电子器件 ❖有关断能力的GTO、GTR等
➢ 第三代电力电子器件 ❖性能优异的复合型器件如（IGBT）和智能器件 IPM (Intelligent Power Module) 等
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器件原理
电力电子器件的发展目标和评价标准
• 70年代 — 大容量（电压、电流） • 80年代 — 高频化（功率、频率） • 90年代 — 高性能化
（大容量、高频率、易驱动、低损耗） 评价标准：功率容量、开关速度、通态压降、
驱动功率、驱动信号 • 现在 — 集成化、模块化、智能化
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器件原理
• 双极型器件
➢ 通态压降较低、阻断电压高、电流容量大
• 单极型器件
➢ 开关时间短、输入阻抗高（电压控制型） ➢ 电流具有负的温度特性，二次击穿的可能性很小。 ➢ 通态压降高、电压和电流定额较小。
• 复合型器件
➢ 既有电流密度高、导通压降低的优点； ➢ 又有输入阻抗高、响应速度快的优点。
主电路中承受的电压和电流决定，如晶闸管(SCR)
及其家族器件（FST、RCT、TRIAC、LCT）
❖ 全控型器件： 通过控制极（门极或基极或柵极） 是否施加驱动信号既能控制管子导通又能控制管
子关断，如GTO、GTR、IGBT、 MOSFET及其它新
型场控器件MCT、IGCT、SIT、SITH、IPM等
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KA
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三、特性
器件原理
1、静态特性
➢ 伏安特性
❖ 电力二极管承受的正向电 压大到一定值（门槛电压
UTO），正向电流才开始明
显增加，处于稳定导通状
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器件原理
2.1 电力电子器件概述
2.2 电力（功率）二极管 2.3 晶闸管（SCR） 2.4 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力场效应晶体管（电力 MOSFET） 2.7 绝缘栅双极晶体管（IGBT） 2.8 其它新型场控器件
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器件原理
第二章
电力电子器件的原理与特性
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2-1
要求及重点
器件原理
• 要求：
➢了解电力电子器件的发展、分类与应用； ➢理解和掌握功率二极管、SCR、GTO、MOSFET
和IGBT等常用器件的工作原理、电气特性和 主要参数。
• 重点：
➢各种电力电子器件原理、性能上的不同点， 各自应用的场合（可工作区域）。
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器件原理
➢ 按器件内部载流子参与导电的种类分类： ❖单极型器件：只有一种载流子参与导电，如 MOSFET、SIT等
❖双极型器件：有两种载流子参与导电，如二 极管、 晶闸管、GTO、GTR、IGCT、SITH等。
❖复合型器件：由MOSFET与晶体管、晶闸管复 合而成，如IGBT、IPM、MCT等。
2.2 电力（功率）二极管
2.3 晶闸管（SCR） 2.4 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力场效应晶体管（电力 MOSFET） 2.7 绝缘栅双极晶体管（IGBT） 2.8 其它新型场控器件
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器件原理
2.2 电力（功率）二极管
一、工作原理（基本与普通二极管相同） ➢PN结：正向导通 反向截止
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器件原理
6、应用场合（可工作区域）
决定应用场合的基本因素：输出容量和工作频率 ➢ SCR ➢ GTO ➢ GTR ➢ IGBT ➢ 电力MOSEFT ➢ MOSEFT
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本章内容
器件原理
2.1 电力电子器件概述
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器件原理
➢ 按门极驱动信号的种类（电流、电压）分类： ❖电流控制型器件 如晶闸管、GTO、GTR、 IGCT、SITH等
❖电压控制型器件 如MOSFET、IGBT、IPM、 SIT、MCT等
——电压控制型器件的驱动功率要远小于 电流控制型器件 ，驱动电路也简单，而且 工作频率高。
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器件原理
3、电力电子器件的特征（与普通半导体器件相比） ➢功率远大于信息电子器件，从mW~MW。 电压和电流等级是其最重要的参数；
➢工作在开关状态（相当于普通晶体管的饱和 与截止状态），因而动态特性（开关特性） 也是很重要的参数，有时甚至是最重要的参 数；
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器件原理
2、主要损耗 ➢通态损耗：导通时器件上有一定的通态压降。 ➢断态损耗：阻断时器件上有微小的断态漏电流 流过。 ➢开关损耗
❖开通损耗：在器件开通的转换过程中产生的损耗； ❖关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损耗。 • 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器 件发热的原因之一。 • 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是 器件功率损耗的主要成因。 • 器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为 器件功率损耗的主要因素 。
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器件原理
2.1 电力电子器件概述
1、电力电子器件的概念
➢电力电子器件的是指可直接用于处理电能， 实现电能变换或控制的电子器件，通常专指 电力半导体器件。
➢和普通半导体器件一样，目前电力半导体器 件所用的主要材料仍然是——硅。
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器件原理
5、分类
➢ 按其开关控制性能分类： ❖ 不控型器件： 无控制极，器件的导通与关断完 全由其在主电路中承受的电压和电流决定，正偏 置导通、反偏置关断，如电力二极管(D)
❖ 半控型器件： 控制极（门极）只能控制管子导 通而不能控制管子关断，器件的关断完全由其在
➢需要用驱动电路驱动； ➢需要装散热器散热；
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器件原理
4、电力电子器件的发展概况
➢ 第一代电力电子器件 ❖无关断能力的SCR（1957年美国GE公司发明）
➢ 第二代电力电子器件 ❖有关断能力的GTO、GTR等
➢ 第三代电力电子器件 ❖性能优异的复合型器件如（IGBT）和智能器件 IPM (Intelligent Power Module) 等
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器件原理
电力电子器件的发展目标和评价标准
• 70年代 — 大容量（电压、电流） • 80年代 — 高频化（功率、频率） • 90年代 — 高性能化
（大容量、高频率、易驱动、低损耗） 评价标准：功率容量、开关速度、通态压降、
驱动功率、驱动信号 • 现在 — 集成化、模块化、智能化
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器件原理
• 双极型器件
➢ 通态压降较低、阻断电压高、电流容量大
• 单极型器件
➢ 开关时间短、输入阻抗高（电压控制型） ➢ 电流具有负的温度特性，二次击穿的可能性很小。 ➢ 通态压降高、电压和电流定额较小。
• 复合型器件
➢ 既有电流密度高、导通压降低的优点； ➢ 又有输入阻抗高、响应速度快的优点。
主电路中承受的电压和电流决定，如晶闸管(SCR)
及其家族器件（FST、RCT、TRIAC、LCT）
❖ 全控型器件： 通过控制极（门极或基极或柵极） 是否施加驱动信号既能控制管子导通又能控制管
子关断，如GTO、GTR、IGBT、 MOSFET及其它新
型场控器件MCT、IGCT、SIT、SITH、IPM等