第1章：电力电子学半导体器件
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为了提高BJT耐压，一般采用NPvN三 重扩散结构（图1-6）。
图1-6 BJT内部结构与元件符号 （a）BJT内部结构； （b）元件符号
功率晶体管BJT一般是指壳温为25℃时功耗 大于1W的晶体管
2020/5/7
图1-7 集电极耐压与单位发射面积电流密度 关系
1.3.2 工作原理及输出特性
Ic
RL
第1章 电力半导体器件
1.1 电力半导体器件种类与特点 1.2 功率二极管 1.3 功率晶体管 1.4 功率场效应管 1.5 绝缘栅极双极型晶体管 1.6 晶闸管 1.7 晶闸管的派生器件 1.8 主要电力半导体器件特性比较
1.1 电力半导体器件种类与特点
1.1.1 半导体器件分类
从功率等级来分类 有微功率器件、小功率器件、大功率器件等等
Ic RL
C
Rb B
T1
U CE
U CC
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
的（所需时间称开关时间），而是要
图1-1：简单的bjt电路
经过一个转换过程（称开关过程）
•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，UCE0.3V ，T 1 的管耗 PT1ICUCE (U C/C R L ) U C E 1 0 0 .3 3 W ，T 1 截止的漏
图 1
C
RB B
T1
UCE
UBE
E
UCC
α IC / IE
- BJT
8
Βιβλιοθήκη Baidu
UBB
（a）共发射极电路
α 系数 是共基极电路的电流放大倍
U CE
数，亦称电流传输比
三 种 基 本
RB
E T1 C
RL
B
U EB
U CB
U CC
U BB
IIC BIEI CIC1 IC IC /I/E IE1
电
（b）共基极电I路c
◤当基极回路输入一幅值为UP（UP>>UBB） 的正脉冲信号时，基极电流立即上升
制造材料分类 有锗管、硅管等等
从导电机理分类 有双极型器件、单极型器件、混合型器件等等
从控制方式来分类 可分为不可控器件、半可控器件和全可控器件三类器件
1.1.2 电力半导体器件使用特点
• 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
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。◢
2020/5/7
BJT的开关特性
图1-11 BJT的开关特性
◤在晶体管关断状态时，基极电流IB＝0，集 电极发射极间电压即使很高，但发射结与集电 结均处于反向偏置，即UBE≤0，UBC<0，发射结 不注入电子，仅有很少的漏电流流过，在特性 上对应于截止区（I区），相当于处于关断状 态的开关。 ◢
◤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
1.2 功率二极管
• 1.2.1 二极管工作 原理与伏安特性
• 它具单向导电性 • 当外加正向电压（P区加正、
N区加负）时，PN结导通，形 成电流 • 二极管外加反向偏压（P区加 负、N区加正）时,所以反向 电流非常小. • 二极管的伏安特性如图1-3所 示。
2020/5/7
图1-2二极管耗尽层与少数载流子浓度 分布
: 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
路
C
β称为共射极电路的电流放大倍数。若接
RB B
T1
UCE
UCC 近于1，则β的数值会很大 ,它反映了BJT
E
UBB
RL
的放大能力，就是用较小的基极电流IB可 以控制大的集电极电流IC
（c）共集电极电路
2020/5/7
BJT共发射极电路的输出特性
图1-10 BJT共发射极电路的 输出特性
◤该图表示集电极电流IC 与集射极电压UCE的 关系，其参变量为IB，特性上的四个区域反映 了BJT的四种工作状态。◢
2020/5/7
1.1.3 电力半导体器件发展水平
电力半导体器件
整流管
普通整流管 : 3KV , 6 KA
快速恢复二极管
: 1 .2 KV
, 450 A , 0.25μ s
•
肖特基二极管 : 100 V , 3KA
晶闸管
换流关断型
普通晶闸管
快速晶闸管
双向晶闸管
: 5kV , 4kA , 12 kV , 1kA
电流 设 IC
I5CA，0，则即T 1截的止管时耗的I管C U 耗CP E TIC 1 (U 0C C 。IC 如R L )果5 T 1(5 工作 0 5 在5 线) 性7放W 5 。大状态时，
2020/5/7
从使用角度出发，主要可从以下五个方面考查电力半导体 器件的性能特点： 导通压降 运行频率 器件容量 耐冲击能力 可靠性 此外，诸如控制功率、可串并联运行的难易程度、价格等 等也是选择电力半导体器件应考虑的因数。
: 500 V , 100 A
SIT
: 800 V
,
60 A
; 1.2kV
,
28 A
IGBT : 4500 V , 2800 A
在整流管类 中，快速恢 复二极管将 有较大的发 展
在高压直流 输电中，晶 闸管（光控 晶闸管）将 有很好的发 展机遇。
在功率晶体 管类中，以 IGBT发展最 为迅速
2020/5/7
图1-3二极管伏安特性
1.2.2 功率二极管开关特性
功率二极管开通时 间很短，一般可以忽略 不计，但二极管的关断 过程较复杂，对电路的 影响不能忽视。
二极管关断过程的波形
研究二极管关断过程的电路
2020/5/7
• 关断过程的三个时间段 。
• 反相恢复时间，反相恢 复电流。
1.3
功率晶体管
BJT是一种双极型半导体器件，即其 内部电流由电子和空穴两种载流子形 成。基本结构有NPN和PNP两种。
图1-6 BJT内部结构与元件符号 （a）BJT内部结构； （b）元件符号
功率晶体管BJT一般是指壳温为25℃时功耗 大于1W的晶体管
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图1-7 集电极耐压与单位发射面积电流密度 关系
1.3.2 工作原理及输出特性
Ic
RL
第1章 电力半导体器件
1.1 电力半导体器件种类与特点 1.2 功率二极管 1.3 功率晶体管 1.4 功率场效应管 1.5 绝缘栅极双极型晶体管 1.6 晶闸管 1.7 晶闸管的派生器件 1.8 主要电力半导体器件特性比较
1.1 电力半导体器件种类与特点
1.1.1 半导体器件分类
从功率等级来分类 有微功率器件、小功率器件、大功率器件等等
Ic RL
C
Rb B
T1
U CE
U CC
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
的（所需时间称开关时间），而是要
图1-1：简单的bjt电路
经过一个转换过程（称开关过程）
•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，UCE0.3V ，T 1 的管耗 PT1ICUCE (U C/C R L ) U C E 1 0 0 .3 3 W ，T 1 截止的漏
图 1
C
RB B
T1
UCE
UBE
E
UCC
α IC / IE
- BJT
8
Βιβλιοθήκη Baidu
UBB
（a）共发射极电路
α 系数 是共基极电路的电流放大倍
U CE
数，亦称电流传输比
三 种 基 本
RB
E T1 C
RL
B
U EB
U CB
U CC
U BB
IIC BIEI CIC1 IC IC /I/E IE1
电
（b）共基极电I路c
◤当基极回路输入一幅值为UP（UP>>UBB） 的正脉冲信号时，基极电流立即上升
制造材料分类 有锗管、硅管等等
从导电机理分类 有双极型器件、单极型器件、混合型器件等等
从控制方式来分类 可分为不可控器件、半可控器件和全可控器件三类器件
1.1.2 电力半导体器件使用特点
• 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
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。◢
2020/5/7
BJT的开关特性
图1-11 BJT的开关特性
◤在晶体管关断状态时，基极电流IB＝0，集 电极发射极间电压即使很高，但发射结与集电 结均处于反向偏置，即UBE≤0，UBC<0，发射结 不注入电子，仅有很少的漏电流流过，在特性 上对应于截止区（I区），相当于处于关断状 态的开关。 ◢
◤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
1.2 功率二极管
• 1.2.1 二极管工作 原理与伏安特性
• 它具单向导电性 • 当外加正向电压（P区加正、
N区加负）时，PN结导通，形 成电流 • 二极管外加反向偏压（P区加 负、N区加正）时,所以反向 电流非常小. • 二极管的伏安特性如图1-3所 示。
2020/5/7
图1-2二极管耗尽层与少数载流子浓度 分布
: 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
路
C
β称为共射极电路的电流放大倍数。若接
RB B
T1
UCE
UCC 近于1，则β的数值会很大 ,它反映了BJT
E
UBB
RL
的放大能力，就是用较小的基极电流IB可 以控制大的集电极电流IC
（c）共集电极电路
2020/5/7
BJT共发射极电路的输出特性
图1-10 BJT共发射极电路的 输出特性
◤该图表示集电极电流IC 与集射极电压UCE的 关系，其参变量为IB，特性上的四个区域反映 了BJT的四种工作状态。◢
2020/5/7
1.1.3 电力半导体器件发展水平
电力半导体器件
整流管
普通整流管 : 3KV , 6 KA
快速恢复二极管
: 1 .2 KV
, 450 A , 0.25μ s
•
肖特基二极管 : 100 V , 3KA
晶闸管
换流关断型
普通晶闸管
快速晶闸管
双向晶闸管
: 5kV , 4kA , 12 kV , 1kA
电流 设 IC
I5CA，0，则即T 1截的止管时耗的I管C U 耗CP E TIC 1 (U 0C C 。IC 如R L )果5 T 1(5 工作 0 5 在5 线) 性7放W 5 。大状态时，
2020/5/7
从使用角度出发，主要可从以下五个方面考查电力半导体 器件的性能特点： 导通压降 运行频率 器件容量 耐冲击能力 可靠性 此外，诸如控制功率、可串并联运行的难易程度、价格等 等也是选择电力半导体器件应考虑的因数。
: 500 V , 100 A
SIT
: 800 V
,
60 A
; 1.2kV
,
28 A
IGBT : 4500 V , 2800 A
在整流管类 中，快速恢 复二极管将 有较大的发 展
在高压直流 输电中，晶 闸管（光控 晶闸管）将 有很好的发 展机遇。
在功率晶体 管类中，以 IGBT发展最 为迅速
2020/5/7
图1-3二极管伏安特性
1.2.2 功率二极管开关特性
功率二极管开通时 间很短，一般可以忽略 不计，但二极管的关断 过程较复杂，对电路的 影响不能忽视。
二极管关断过程的波形
研究二极管关断过程的电路
2020/5/7
• 关断过程的三个时间段 。
• 反相恢复时间，反相恢 复电流。
1.3
功率晶体管
BJT是一种双极型半导体器件，即其 内部电流由电子和空穴两种载流子形 成。基本结构有NPN和PNP两种。