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。
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100K
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GTO， IGCT
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IGBT和 IGBT模块
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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
电
子
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。