功率半导体器件原理及设计课件 ch1 绪论

2026/1/271§1-1电力半导体器件的归属关系电子技术电力电子技术信息电子技术模拟电子技术数字电子技术电力电子器件电力电子变流技术信息检出、传送和处理；多用低电平电路，对效率要求低(<15%)电力传送、变换、控制或开关；对效率要求较高(>85%)不考虑转换效率和散热等问题须优先考虑转换效率和散热等问题电力电子学微电子学电子学PowerElectronicDeviceorPowerSemiconductorDevice微电子学与固体电子学电子科学与技术功率半导体产业信息半导体产业2026/1/27是电子产品的大脑和神经，负责感知、运算、操纵等，实现电子产品的设计功能功率半导体是电子产品的心脏和血脉，负责给每一个用电终端输送合适的电能信息半导体电脑、手机里的传感器、摄像头这类的功能终端一切涉及发电、输电、变电、配电、用电、储电的设备都离不开电力/功率半导体器件

区别22026/1/27其它半导体元器件，如传感器可看成是马的眼睛､鼻子､耳朵功率半导体器件可看成是马的肌肉CPU可看成马的大脑1马力相当于一匹马把75kg物体在1s内提升1米高度所做的功，即1PS=735W。马力（horsepower），俗称匹；功率单位是瓦特（W）/马力（PS）3功率=额定电压×额定电流电力变换装置2026/1/274①电力半导体器件技术是电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理。②电力电子变流技术

用电力半导体器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术，及构成电力电子装置和系统的技术。是电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。

电力——交流和直流两种从公用电网直接得到的是交流；从蓄电池和干电池得到的是直流。（变换、输送、处理）1电力电子技术电力变换类型

电力电子器件研究如何将电网的交流电变换为直流或交流输出。粗电

精电2026/1/27电力变换装置功能框图通用变频器常用的AC-DC-AC电路的拓扑结构2026/1/276电子器件、电路电力静止、旋转装置连续、离散控制电力电子学2电力电子学整流、逆变、斩波、变频等基本电路及控制、保护、滤波电路等直流稳压、UPS、加热、焊接电源，太阳能、燃料电池电源等电动机的变速驱动系统控制理论、方式、手段基础接口纽带电力电子学是以电力电子技术为研究对象的电子学，是介于电子、电力与控制之间的边缘学科。1974年美国的W.Newell用倒三角形对电力电子学进行了描述。各种电力半导体器件电力电子学覆盖了材料、器件、CAD、制造、封装、电路与控制、磁学、热学、电力及电工应用等，已发展成为多学科相互渗透的综合性技术学科。由三大学科构成2026/1/277电力电子器件/主开关器件控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路

电力半导体器件在实际应用中的系统组成控制部分3.电力电子系统由以电力半导体器件为核心的主电路与其驱动电路及控制电路组成保证电力电子器件和整个系统正常可靠的运行电子器件检测主电路或应用现场的信号需电气隔离，通过光、磁等手段来传递信号给主开关器件提供驱动信号2026/1/278半导体分立器件的分类（按IEC标准）电力半导体器件半导体器件信息半导体器件主要功能：用作实现电力的变换、调节或开关的执行器件。特点：高电压，大电流，大功率，工作结温高，工作频率低。主要功能：用于信号控制。特点：低电压，小电流，小功率，工作结温低，工作频率高。电力电子器件/功率半导体器件

微电子器件/电子器件I>5AU>100V

P>10WI<5AU<100V

P<10W2026/1/279新角色:节约资源；开发新能源（光伏、潮汐、风能）；电力环境的治理(电能质量\稳定性\可控制性\输送能力)；节能降耗、环境保护。传统角色:电能的高效率变换；为计算机、通讯、自动化装置、仪表、工业装置提供高质量交流或直流电源；运动的高效率、精密、快速的控制,满足工业过程要求。电力电子技术的应用2026/1/2710根据Baliga教授引用的数据，1990年至2010年20年时间内，如果50%的电机采用IGBT调速控制技术，全球累计节41.9万亿度电。同时可减少46.1万亿磅的二氧化碳排放。粗电精电2020:100%双碳目标：2030年碳达峰，2060年碳中和。大力发展电力半导体器件

电力电子技术与节能减排不仅可以改善电能质量，而且可以节能30%，相当于840发电厂。2026/1/27Prof.

B.Jayant

Baliga陈星弼院士（1931-2019）地球上碳足迹最小的人（manwiththesmallestcarbonfootprintonearth）著作18本参编20本美国专利120项IGBT发明者中国功率器件领路人超结(SuperJunction)

发明者著作7部；学术论文200余篇;中美等国专利40余项打破传统“硅极限”，被国际学术界誉为“高压功率器件新的里程碑”功率半导体器件先驱者2026/1/27数控机床冶金工业轧钢机电解铝可控整流电源或直流斩波电源1）一般工业直流电动机可控整流电源交流电动机电镀装置12UPS电源电力电子技术应用2026/1/27132)交通运输海、陆、空交通运输工具磁悬浮列车2026/1/27143)电力系统静止无功补偿SVC高压直流装置HVDC柔性交流输电FACTS柔性直流输电系统中换流阀2026/1/27154)电子装置用电源程控交换机电子装置计算机打印机2026/1/27165)家用电器功率半导体器件的每一次升级，都使变频家电在体积､成本､可靠性､能效､噪声等方面获得巨大进步。2026/1/27风能太阳能6)新能源开发潮汐能氢能2026/1/2718交流电力传动机车6)新能源车电动汽车氢能源车（氢

电驱）电动高速机车2026/1/2719电力半导体器件是指基本特性由半导体内载流子流动决定，并主要用于电力的变换、调节和开关的器件（来自于电力半导体器件标准）。请记录一、电力半导体器件定义：半导体分立器件单极型器件电力半导体器件二、电力半导体器件分类：功率集成电路(PIC)

§1-2电力半导体器件概述双极型器件智能功率集成电路(SPIC)高压集成电路(HVIC)2026/1/2720从制造材料来分：有硅管，碳化硅(SiC)，氮化镓(GaN)等；从工作机理(内部载流子类型)来分：有双极型器件、单极型器件两类；从控制性能来分：有不可控器件、半可控器件和全可控器件三类；从驱动信号性质来分：有电压控制型器件、电流控制型器件两类；从功率等级来分（功率器件指标I>5A，U>100V，P>10W）：有小功率器件、中功率器件、大功率器件。电力半导体器件的分类方法功率=电流×电压，并非器件自身的功率损耗2026/1/2721

电力半导体器件IEGTGTOETOMTOIGCTFamily从结构和组成来讲高速度高耐压低压降高速度高耐压低压降基础2026/1/2722功率晶体管外形功率二极管外形HighPowerRectifierDiodesZP整流管单管GTR模块功率BJT单管FRD（快恢复二极管）模块FastSoftRecoveryDiode电流控制型器件2026/1/2723

KK快速晶闸管

FastSwitchingThyristor

超大功率晶闸管

Ultra-highPowerThyristors晶闸管外形SCR模块2026/1/2724光控晶闸管(Light-TriggeredThyristor,LTTs)2026/1/2725大功率GTO组件

HighPowerGTOAssemblies大功率GTO组件是把GTO元件,吸收保护,驱动和散热器组成一体,形成一种可靠性更高,应用更简单的功能电路。大功率GTO门极可关断晶闸管GateTurn-OffThyristor(GTO)关断增益3~52026/1/2726EmitterTurn-Off(ETO)ThyristorVirginiaPolytechnicInstituteandStateUniversity（弗吉尼亚理工学院与州立大学）ReduceHarmonicsintheHighPowerPWMVoltageSourceConverters发射极可关断晶闸管实现单位关断增益

改善器件性能2026/1/2727MOSTurn-OffThyristor(MTO)MOS关断晶闸管等效电路500A/4.5kVMTO实现单位关断增益

改善器件性能2026/1/2728IntegratedGateCommutatedThyristor

(IGCT)集成门极换流晶闸管“硬驱动”技术实现单位关断增益

改善器件性能2026/1/2729大功率晶闸管水冷组件功率组件（串联）IGCT水冷组件IGCT风冷组件2026/1/2730IR(InternationalRectifier)600VNPT-IGBT（WARP2）额定电流分为50A/35A/20A主要用于电信和服务器系统中的大电流、高频开关电源电路。功率MOS场效应晶体管PowerMOSFETsusedin48VoltNetworking&CommunicationsSystems绝缘栅双极晶体管InsulatedGateBipolarTransistor电压控制型器件2026/1/2731IGBT模块德国的赛米控公司高集成度低热阻高可靠性东芝IGBT模块IGBTLoPakModulesIGBT模块：600V/200A~250A，1.2kV~1.7kV/150A3.3kV/1200A，6.5kV/600AIGBT压接式封装2.5kV/1kA~4.5kV/4kA中车研制的4.5kV/3kA2026/1/2732功率集成电路(PIC)PowerIntegratedCircuit

HVIC：指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。SPIC：指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。高压集成电路(HVIC)智能功率集成电路(SPIC)PIC将信息采集、处理和功率控制合一，是机电一体化的关键接口电路和片上系统(SoC)的核心技术。实现单片PIC的关键是隔离问题(源-衬间的隔离)；主要技术障碍是无源元件、封装技术以及散热问题。PIC的发展方向是高集成化、规范化和智能化

PSoC发展。智能功率模块(IntelligentPowerModule,IPM)：将纵向功率器件与驱动、控制及各种保护电路、传感器等封装在一起形成模块结构。2026/1/2733其中配备高带宽和高速输出频率为130kHz集成保护电路专用于电机驱动器和逆变驱动器HVIC高压集成电路(HVIC)单个模块可代替130个元件；开关频率高达20kHz电机驱动用IPM智能功率模块(IPM)日本富士公司的IPM2026/1/2734MOS型器件+双极型器件

MOS-双极型复合器件速度快(无少子存储);驱动功率小（输入阻抗高）；SOA宽(无二次击穿)；Ron有正温度系数；但Ron大→饱和电压高，电压和电流定额较小。速度慢(有少子存储);驱动功率大（输入阻抗低）；SOA窄(有二次击穿)；Ron小→饱和电压低；阻断电压高，电流容量大。有少量的少子，开关速度较快；驱动功率小，输出功率大；SOA宽(无二次击穿)；Ron小，饱和电压低。阻断电压较高；电流容量较大。三、电力半导体器件特点（从结构上讲）作为输入级形成复合器件作为输出级

用很小的功率（电压）来驱动或控制很大的功率（电流）2026/1/2735电力半导体器件的基本特点：双极型器件（电流控制型）阻断电压高，通态压降较低，电流容量大；开关时间较长，驱动功率大，SOA窄。单极型器件（电压控制型）开关时间短，输入阻抗高、易驱动；Ron具有正的温度系数，SOA宽。饱和电压高、电压和电流定额较小。复合型器件（电压控制、双极型）阻断电压高、通态压降低、电流容量大；输入阻抗高、开关速度快，SOA较宽。请记录2026/1/2736电力半导体器件应用领域以超大功率晶闸管、IGCT、高压IGBT为代表，向高压、大电流反向发展。以GTO、IGBT模块、为代表，向高压、中频、大电流、大功率方向发展。四、电力半导体器件的应用请记录超大功率中等功率大功率小功率2026/1/2737五、电力半导体器件发展现状及趋势1.发展历程功率JFET

（50年代）MCT

（80年代中）

IGBT

（80年代中）功率MOSFET

（70年代）IEGT(90年代中)（70年代初）SITBSIT（80年代）

SITHHVIC,IPM（90年代后）电力半导体器件发展的重点：FSRD,SGT,SJMOS,IGBT,HV-Thyristor,IGCT,PIC以及新材料器件整流管、晶闸管

（50年代末~70年代）（70年代初~80年代）派生晶闸管,

GTR,GTO（90年代后）

IGCT,ET