电力电子半导体器件
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。
电力电子器件
新型电力电子器件电力电子器件（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。
又称功率电子器件。
20世纪50年代，电力电子器件主要是汞弧闸流管和大功率电子管。
60年代发展起来的晶闸管，因其工作可靠、寿命长、体积小、开关速度快，而在电力电子电路中得到广泛应用。
70年代初期，已逐步取代了汞弧闸流管。
80年代，普通晶闸管的开关电流已达数千安，能承受的正、反向工作电压达数千伏。
在此基础上，为适应电力电子技术发展的需要，又开发出门极可关断晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件，以及单极型MOS功率场效应晶体管、双极型功率晶体管、静电感应晶闸管、功能组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。
各种电力电子器件均具有导通和阻断两种工作特性。
功率二极管是二端(阴极和阳极)器件，其器件电流由伏安特性决定，除了改变加在二端间的电压外，无法控制其阳极电流，故称不可控器件。
普通晶闸管是三端器件，其门极信号能控制元件的导通，但不能控制其关断，称半控型器件。
可关断晶闸管、功率晶体管等器件，其门极信号既能控制器件的导通，又能控制其关断，称全控型器件。
后两类器件控制灵活，电路简单，开关速度快，广泛应用于整流、逆变、斩波电路中，是电动机调速、发电机励磁、感应加热、电镀、电解电源、直接输电等电力电子装置中的核心部件。
这些器件构成装置不仅体积小、工作可靠，而且节能效果十分明显(一般可节电10%～40%)。
单个电力电子器件能承受的正、反向电压是一定的，能通过的电流大小也是一定的。
因此，由单个电力电子器件组成的电力电子装置容量受到限制。
所以，在实用中多用几个电力电子器件串联或并联形成组件，其耐压和通流的能力可以成倍地提高，从而可极大地增加电力电子装置的容量。
器件串联时，希望各元件能承受同样的正、反向电压；并联时则希望各元件能分担同样的电流。
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）。
宽禁带半导体电力电子器件
宽禁带半导体材料的禁带宽度较大，能够 在高温环境下保持稳定的性能，增强了电 力电子器件的可靠性和稳定性。
节能环保
推动技术进步
宽禁带半导体电力电子器件具有高效能、 低能耗的优点，有助于减少能源消耗和环 境污染。
宽禁带半导体电力电子器件的发展推动了 新能源、智能电网、电动汽车等领域的技 术进步和应用。
对未来研究和发展的建议
宽禁带半导体电力电子器件
目录
• 引言 • 宽禁带半导体材料 • 宽禁带半导体电力电子器件的种类 • 宽禁带半导体电力电子器件的应用 • 宽禁带半导体电力电子器件的挑战与前景 • 结论
01 引言
宽禁带半导体的定义
宽禁带半导体
指禁带宽度较大的半导体材料，通常 禁带宽度大于2.3eV。常见的宽禁带 半导体材料包括硅碳化物（SiC）、氮 化镓（GaN）和氧化锌（ZnO）等。
料之一。
GaN电力电子器件在电动汽车、可再生能源系统、智 能电网等领域也具有广泛应用前景，尤其在高压和高
温环境下表现出更高的性能优势。
宽禁带半导体的优势
高热导率
宽禁带半导体材料具有高热导率， 能够有效地将热量导出，提高器 件的散热性能和可靠性。
高击穿场强
宽禁带半导体材料具有高击穿场 强，能够承受更高的电压和电流， 提高器件的耐压能力和电流容量。
高频开关电源
宽禁带半导体电力电子器件具有高频 开关能力，可应用于高频开关电源， 减小电源体积和重量，提高电源转换 效率。
02 宽禁带半导体材料
硅碳化物（SiC）
硅碳化物（SiC）是一种宽禁带半导体材料，具有高热导率、高击穿场强、高电子饱 和迁移速度等优点。
SiC在高温、高压、高频和高功率应用领域具有优异性能，是制造电力电子器件的理 想材料之一。
电力电子半导体器件(GTO)
二、动态特性
1．开通特性：
开通时间：ton = td + tr
由元件特性、门极电流上升率 diG/dt及门极脉冲幅值大小决定。 上升时间内，开通损耗较大；
阳极电压一定时，开通损耗随 阳极电流增大而增大。
延迟时间
上升时间
2．关断特性：
说明：
①存储时间ts内，GTO导通区不断 被压缩，但总电流几乎不变。
（吸收回路）
② di/dt：阳极电流上升率
GTO开通时， di/dt过大会导致阴极区电流局部集中或使开通 损耗增大，引起局部过热，而损坏GTO。（串联电感）
5．浪涌电流及I2t 值
与SCR类似，浪涌电流是指使结温不超过额定结温时的不重 复最大通态过载电流；一般为通态峰值电流的6倍。会引起器件 性能的变差。
主要作用：
（1）GTO关断时，在阳极电流下降阶段，抑制阳极电压VAK中 的尖蜂VP，以降低关断损耗，防止由此引起结温升高，α增大给 关断带来困难。
（2）抑制阳极电压VAK的上升率dv/dt ，以免关断失败。 （3）GTO开通时，缓冲电容通过电阻向GTO放电，有助于所有 GTO元达到擎住电流值，尤其是主电路为电感负载时。
随阳极电流增大而增大
2us
可关断晶闸管的主要参数和电气特性:
§6.3 GTO的缓冲电路
一、缓冲电路的作用
GT0的缓冲电路除用来抑制换相过电压，限制dv/dt，动态 均压之外，还关系到GTO的可靠开通和关断，尤其是GTO的关 断，一要依靠正确的门极负脉冲参数，二要依靠合理的缓冲电 路参数，两者缺一不可。
关断条件： α1 +α2 <1
IGM(122)1IA
被关断的最大阳极电流
TO
电流关断增益：
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。
功率半导体是什么
功率半导体是什么一、引言功率半导体是一种广泛应用于电力电子领域的器件，它发挥着至关重要的作用。
功率半导体的发展在当代科技领域具有重要意义，本文将深入探讨功率半导体的定义、类型、工作原理等方面。
二、功率半导体的定义功率半导体是一种能承受较高电压和电流的半导体器件。
它在电力电子领域中扮演着控制和调节电能的重要角色。
功率半导体通常承受较大功率损耗，因此要求具备较高的功率密度。
三、功率半导体的主要类型1. 二极管二极管是功率半导体器件的一种，用于整流和开关电路中。
它具有导通压降低、反向耐压高的优点，在电源、变频器等系统中得到广泛应用。
2. MOSFET金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）是一种常见的功率半导体器件，具有功率损耗小、开关速度快、控制电压低等特点，被广泛应用于电力电子设备中。
3. IGBT绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是功率半导体中的重要类型，具有开关速度快、控制电压低、功率密度高等优势，在变频器、逆变器等设备中发挥着重要作用。
四、功率半导体的工作原理功率半导体器件的工作原理是通过控制电压和电流的导通和截止，实现对电能的调节和控制。
不同类型的功率半导体器件具有不同的工作原理，但都是基于半导体材料的特性实现电能转换。
五、功率半导体的应用领域功率半导体广泛应用于电力系统、工业自动化、交通运输等领域。
在工业生产和生活中，功率半导体的应用为设备的高效运行、能源的节约提供了重要支持。
六、结论功率半导体作为电力电子领域的重要组成部分，其在现代科技和工业中的应用越发广泛。
通过本文的介绍，希望读者对功率半导体有更深入的了解，进一步推动功率半导体技术的发展和应用。
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
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。
几种常用的功率器件(电力半导体)及其应用
要使晶闸管关断，必须去掉阳极正向电压，或者给阳极加反向电压， 要使晶闸管关断，必须去掉阳极正向电压，或者给阳极加反向电压，或者 降低正向阳极电压，这样就使通过晶闸管的电流降低到一定数值以下。 降低正向阳极电压，这样就使通过晶闸管的电流降低到一定数值以下。能 保持晶闸管导通的最小电流，称为维持电流。 保持晶闸管导通的最小电流，称为维持电流。 当门极没有加正向触发电压时， 当门极没有加正向触发电压时，晶体管即使阳极和阴极之间加上正向电压 一般是不会导通的。 ，一般是不会导通的。 2．晶闸管的主要参数 ． 指在门极开路而器件的结温为额定值时， （1）断态重复峰值电压 DRM 。指在门极开路而器件的结温为额定值时， ）断态重复峰值电压U 指在门极开路而器件的结温为额定值时 允许重复加在器件上的正向峰值电压。若加在管子上的电压大于U 允许重复加在器件上的正向峰值电压。若加在管子上的电压大于 DRM，管 子可能会失控而自行导通。 子可能会失控而自行导通。 指门极开路而结温为额定值时， （2）反向重复峰值电压 URRM 。指门极开路而结温为额定值时，允许重复 ） 指门极开路而结温为额定值时 加在器件上的反向峰值电压。当加在管子上反向电压大于U 加在器件上的反向峰值电压。当加在管子上反向电压大于 RRM时，管子可 能会被击穿而损坏。 能会被击穿而损坏。 通常把U 中较小的那个数值标作晶闸管型号上的额定电压。 通常把 DRM和URRM中较小的那个数值标作晶闸管型号上的额定电压。在选 用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的2～ 倍 用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的 ～3倍，以保整电路的工作 安全。 安全。
du dt。 在额定结温和门极开路的情况下， 在额定结温和门极开路的情况下， （8）断态电压临界上升率 ） 不导致晶闸管从断态到通态转换的最大正向电压上升率。 不导致晶闸管从断态到通态转换的最大正向电压上升率。一般为每微秒几 十伏。 十伏。
电力电子技术
填空1、电力电子电路中能实现电能变换的半导体电子器件称为电力电子器件。
2、电力电子器件按器件的开关控制特性可分为：（1）不可控器件（电力二极管）（2）半控型器件（晶闸管及其大部分派生器件）（3）全控型器件（门极可关断晶闸管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管等）。
3、电力电子器件按控制信号的性质不同分类：（1）电流控制型器件（晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、IGCT 等）（2）电压控制型半导体器件（MOSFET 管和IGBT 管）4、简写：电力二极管（SR ）晶闸管（SCR ）可关断晶闸管（GTO ）电力晶体管（GTR ）电力场效晶体管（MOSFET ）绝缘栅双极型晶体管（IGBT ）5、电流波形系数电流平均值电流有效值 f K 6、在I g =0时，依靠增大阳极电压而强迫晶闸管导通的方式称为硬开通。
7.、规定从晶闸管的门极获得触发信号时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间称为延时时间t d ；阳极电流从10%上升在稳态值的90%所需的时间称为上升时间t r ，以上两者之和就是晶闸管的开通时间t gt 。
8、关断时间是由反向阻断恢复时间和正向阻断恢复时间组成。
9、在室温下，门极断开时，元件从较大的通态电流降至刚好能保持导通的最小阳极电流称为维持电流I H 。
维持电流与元件容量、结温等因素有关。
当元件刚从阻断状态转为导通状态就撤除触发电压，此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称为掣住电流I t 。
10、电力电子器件的换流方式可分为：（1）器件换流（2）电网换流（3）负载换流（4）脉冲换流。
11、散热系统一般有三种冷却方式：（1）自然冷却；只是用与小功率应用场合（2）风扇冷却：适用于中等功率应用场合，如IGBT 应用电路（3）水冷却：适用于大功率应用场合，如大功率GTO ，IGCT ，SCR 等应用电路。
12、温度升高时，晶闸管的触发电流随温度升高而减小，正反向漏电流随温度升高而增大，维持电流I H 会减小，正向转折电压和反向击穿电压随温度升高而减小。
功率半导体器件相关知识讲解
• 电流控制器件（关断控制电流很大） • 用于（极）大功率场合（可至数十兆瓦） • 开关频率低（千赫兹以下） • 极大功率应用的（几乎）唯一选择
2023年12月6日
28
第二章 功率半导体器件
电力电子功率模块
现代电力电子技术原理与应用
• 电力电子器件的集成 • 电力电子器件与驱动、保护电路的集成 • 电力电子器件与控制电路的集成
现代电力电子技术原理与应用
电路中的开关器件：二极管整流器
2023年12月6日
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第二章 功率半导体器件
现代电力电子技术原理与应用
电路中的开关器件：二极管整流器
2023年12月6日
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第二章 功率半导体器件
现代电力电子技术原理与应用
电路中开关器件符号的处理：实际电路
2023年12月6日
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第二章 功率半导体器件
2023年12月6日
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第二章 功率半导体器件
IGBT
现代电力电子技术原理与应用
• 电压控制器件
• 用于中小功率场合（数十千瓦～数百千瓦）
• 开关频率中（数十千赫兹以下）
• 掣住效应问题（寄生晶闸管）
• 该功率等级目前最理想的器件
2023年12月6日
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第二章 功率半导体器件
现代电力电子技术原理与应用
功率半导体器件相关知识讲解
第二章 功率半导体器件
理想的开关器件
现代电力电子技术原理与应用
• 关断时可承受正、反向电压（越高越好） • 开通时可流过正、反向电流（越大越好） • 开通态、关断态均无损耗 • 状态转换过程无损耗 • 状态转换过程快速完成（越快越好） • 开关寿命长（允许的开关次数越多越好）
电力电子器件
电力电子器件电力电子器件是电力系统中的重要组成部分，它们在电能转换、调节和控制等方面发挥着关键作用。
本文将介绍电力电子器件的分类、工作原理以及在电力系统中的应用。
一、分类根据其功能和特性，电力电子器件可以分为不同类型。
常见的电力电子器件主要包括晶闸管、可控硅、晶闸二极管、IGBT、MOSFET等。
这些器件具有不同的工作原理和特性，适用于不同的电力应用。
二、工作原理1. 晶闸管：晶闸管是一种具有双向导通能力的半导体器件。
它由四个不同极性的层连接而成，通过控制极的激励信号，可以控制晶闸管的导通和截止状态，实现电流的控制和转换。
2. 可控硅：可控硅是一种双向可控的半导体开关。
它可以通过加在控制极上的电流脉冲或电压来控制其导通和截止状态，用于实现交流电的调节和控制。
3. 晶闸二极管：晶闸二极管是一种具有可控导通特性的二极管。
它与普通二极管相比，在导通状态下具有较低的压降和较高的导通电流能力，可以用于实现电流的控制和反向电压的保护。
4. IGBT：IGBT是绝缘栅双极型晶体管的简称。
它结合了晶闸管和MOSFET的优点，既能承受高电压，又具有低导通压降和高开关速度的特性，广泛应用于电力电子和工业控制领域。
5. MOSFET：MOSFET是一种常用的场效应管。
它具有高输入阻抗、低开关损耗和快速响应速度等优点，适用于低功率应用和高频切换。
三、应用电力电子器件在电力系统中的应用广泛。
以下是几个常见的应用领域：1. 逆变器：电力电子器件可以将直流电转换为交流电，实现电能的逆变。
这在再生能源发电系统中尤为重要，可以将太阳能电池板或风力发电机输出的直流电转换为交流电，供电给家庭或工业用电。
2. 变频器：电力电子器件的调节特性使其非常适合用于变频器。
变频器可以根据需要调整电机的转速和运行模式，实现对电机的精确控制，广泛应用于工业和交通领域。
3. 电能质量改善器：电力电子器件可以修复和改善电力系统中的电能质量问题，如电压波动、谐波污染等。
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。
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100K
Thyristor
GTO， IGCT
机器人
1000V/100A (SanRex)
Power MOSFET
10K
冶炼， 电解等 晶闸管模块
IGBT和 IGBT模块
汽车
200V/500A (Semikron) 2001KLeabharlann MOSFET开关电源
100
TRIAC 洗衣机 空调 电冰箱
微波炉 高频MOSFET
高 等 电 力 电 子 技 术
Advanced Power Electronics
高
等
电
力
电
子
技
术
第一章 电力电子半导体器件
基本内容
1
电力电子器件发展概述 功率MOSFET 绝缘栅双极型晶体管
2
3 4 5 6
集成门极换向晶闸管的结构与工作原理
电力电子器件新材料 电力电子集成技术
高
等
电
力
电
子
技
术
1.1 电力电子器件发展概述
高
等
电
力
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技
术
1.1.3 电力晶体管
电力晶体管有四种类型：①BJT，②电力MOSFET，③IGBT和④ SIT。其中IGBT和电力MOSFET是最为广泛应用的电力电子器件，大到 直流输电，小到生活中的各种家用电器，到处都可以见到这两种器件的 身影。由于这两种器件主要应用于中等功率场合，相对于功率容量的提 升，各家器件公司主要将发展和竞争重点放在损耗的降低上，纷纷推出 新一代的IGBT和MOSFET器件，其中较为典型的技术优化为沟槽型门极 结构和垂直导电技术的广泛应用， IGBT方面还有场终止技术、空穴阻抗 技术等，功率MOSFET方面的典型代表则为“超级结”技术。新的半导 体材料在这两种器件上的应用则基本停留在实验室阶段。
高
等
电
力
电
子
技
术
1.1 电力电子器件发展概述
6500V/600A (Eupec) 12000 104 7500 6000 5500 3300 2500 1700 103 12000V/1500A (Mitsubishi) 7500V/1650A (Eupec) 6500V/2650A (ABB) GTO 5500V/2300A (ABB) 6000V/6000A GTO (Mitsubishi) 6000V/6000A IGCT (Mitsubishi IGCT announced) 4800V/5000A (Westcode) 4500V/4000A (Mitsubishi)
高频供电电源
102 60V/1000A (Semikron) 102 200 500 103 2400 4000 6000 104
10 10
100
1K
10K
100K
1M
运行频率(Hz)
电力电子半导体器件应用功率等级分布
电力电子半导体器件应用频率分布
高
等
电
力
电
子
技
术
1.1.2 晶闸管
常规应用的晶闸管大致有以下几类：①强迫换流晶闸管，②门关断 晶闸管，③反相导通晶闸管（RCT），④静态导通晶闸管(SITH)，⑤光 触发硅控整流器 (LASCR)， ⑥MOS关断（MTO）晶闸管，⑦集成门极
高
等
电
力
电
子
技
术
1.2.1 沟槽型MOSFET
沟槽技术最早见于功率放大器和电能转换装置的功率MOSFET，其 在传统的MOS器件基础上做出了三项重大改革：1. 垂直的安装漏极，实 现了垂直导电，将在传统MOS结构中与源极和栅极同时水平安装在硅片 顶部的漏极改装在硅片的底面上，这样充分利用了硅片面积，基本上实 现了垂直传导漏源电流，消除了导通电阻中的JFET区阻抗部分，减小了 RCH部分,为获得大电流容量提供了前提条件。2. 模仿GTR设置了高电阻 率的n-型漂移区，不仅提高了器件的耐压容量，而且降低了结电容，并 使沟道长度稳定。3. 采用双重扩散技术代替光刻工艺控制沟道长度，可 以实现精确的短沟道，降低沟道电阻值，提高工作速度，并使输出特性 具有良好的线性。
10M 功率 100M 直流输电 电力汽车 不间断电源 1M 电动控制 目前应用范围 未来应用范围
SCR IGBT(market) IGCT(market) 3300V/1200A Module(Eupec) 2500V/1800A Press-Pack(Fuji) 1700V/2400A Module(Eupec)
自从1957年底第一代晶闸管SCR面世以来，电力电子半导体器件发 展迅猛。直到1970年，普通晶闸管开始在工业应用中大量用于电力控制。 1970年后，各种类型的电力电子半导体器件相继出现并逐步商业化。其 中，碳化硅器件正在迅速发展中，而绝大部分实际工业应用的器件都是
用硅材料制作的。 这些器件大致可以分为三类：①功率二极管，②晶闸管，和③晶体 管[1]。随着电力电子器件的应用范围扩大和应用场合要求的提升，对器 件的发展要求也越来越提高，包括①更高的功率容量，②更低的开关损 耗，③更高的开关频率，④更紧凑的封装体积，⑤集成以及模块化设计。 大多在电力电子器件上应用的新技术都是围绕这几点发展方向来展开的。
高
等
电
力
电
子
技
术
1.2 功率MOSFET
功率MOSFET出现在70年代的晚期，它的出现主要来源于70年代中 期MOS技术的发展，不同于传统的双极性开关管（BJT），MOSFET属 于场效应管器件，是一种单极性电压控制型器件。在导通状态下，仅有 多数载流子工作，所以与电流控制型器件相比，所需的驱动功率非常小， 并且多数载流子导电的功率MOSFET显著减少了开关时间，因而很容易 达到100KHZ以上的开关频率，功率MOSFET是低压（＜200V）范围内 最好的开关器件，但在高压应用方面，其最大的特点是导通电阻随耐压 的2.5次方急剧上升，给高压功率MOSFET的应用带来很大困难。所以对 于MOSFET的技术优化基本都从这一点出发。
换流晶闸管（IGCT）和对称门极换流晶闸管（SGCT）。
晶闸管的发展方向同样是增加单管的功率容量，同时增加对器件开 关的控制度，这一点在IGCT和SGCT以及光触发晶闸管的大量使用中可 以很明显的体现。 IGCT和SGCT是将GTO芯片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，结合了晶体管和晶闸管两种器件的 优点。传统GTO器件很难关断，必须在门极加一个约为器件额定电流1/3 的驱动电流，并在1内将阴极所有的电流抽出，才能确保其快速关断。而 IGCT关断则是一个很快的瞬态过程，器件完全按晶体管模式关断，从而 保证了完全受控的均匀关断，广泛应用于大功率电流型变流器以及变频 器上。