UNIT4
A 功率半导体器件
功率半导体器件构成了现代电力电子设备的核心。它们以通-断开关矩阵的方式被用于电力电子转换器中。开关式功率变换的效率更高。
现今的功率半导体器件几乎都是用硅材料制造，可分类如下：
二极管
晶闸管或可控硅双向可控硅
门极开关关断晶闸管
双极结型晶体管
电力金属氧化物半导体
场效应晶体管
静电感应晶体管
绝缘栅双极型晶体管
金属氧化物半导体控制的晶闸管
集成门极换向晶闸管
二极管
电力二极管提供不可控的整流电源，这些电源有很广的应用，如：电镀、电极氧化、电池充电、焊接、交直流电源变频驱动。它们也被用于变换器和缓冲器的回馈和惯性滑行功能。 典型的功率二极管具有 P-I-N 结构，即它几乎是纯半导体层（本征层），位于 P-N 结的中部以阻断反向电压。
图 1-4A-1 给出了二极管符号和它的伏安特性曲线。在正向偏置条件下，二极管可用一个结偏置压降和连续变化的电阻来表示，这样可画出一条斜率为正的伏安特性曲线。典型的正向导通压降为 1.0 伏。导通压降会引起导通损耗，必须用合适的吸热设备对二极管进行冷却来限制结温上升。在反向偏置条件下，由于少数载流子的存在，有很小的泄漏电流流过，泄漏电流随电压逐渐增加。如果反向电压超过了临界值，叫做击穿电压，二极管雪崩击穿，雪崩击穿指的是当反向电流变大时由于结功率损耗过大造成的热击穿。
电力二极管分类如下:
标准或慢速恢复二极管
快速恢复二极管
肖特基二极管
晶闸管
晶闸管或可控硅一直是工业上用于大功率变换和控制的传统设备。50 年代后期，这种装置的投入使用开辟了现代固态电力电子技术。术语“晶闸管”来自与其相应的充气管等效装置，闸流管。通常，晶闸管是个系列产品的总称，包括可控硅、双向可控硅、门极可关断晶闸管、金属氧化物半导体控制的晶闸管、集成门极换向晶闸管。晶闸管可分成标准或慢速 相控型，快速开关型，电压回馈逆变器型。逆变器型现已淘汰。
图 1-4A-2 给出了晶闸管符号和它的伏安特性曲线。基本上，晶闸管是一个三结 P-N-P-N 器件，器件内P-N-P 和 N-P-N 两个三极管按正反馈方式连接。晶闸管可阻断正向和反向电压（对称阻断）。当阳极为正时，晶闸管可由一个短暂的正门极电流脉冲触发导通；但晶闸管一旦导通，门极即失去控制晶闸管关断的能力。晶闸管也可由阳极过电压、阳极电压的上
升率（dv/dt）、结温的上升、PN 结上的光照等产生误导通。
在门电流IG = 0 时，如果将正向电压施加到晶闸管上，由于中间结的阻断会产生漏电流；如果电压超过临界极限（转折电压），晶闸管进入导通状态。随着门极控制电流 IG 的 增加，正向转折电压随之减少，最后，当门极控制电流 IG= IG3 时，整个正向阻断区消失，晶闸管的工作状态就和二极管一样了。在晶闸管的门极出现一个最小电流，即阻塞电流，晶闸管将成功导通。 在导通期间，如果门极电流是零并且阳极电流降到临界极限值以下，称作维持电流，晶闸管转换到正向阻断状态。相对反向电压而言，晶闸管末端的 P-N 结处于反向偏置状态。现在的晶闸管具有大电压（数千伏）、大电流（数千安）额定值。
双向可控硅
双向可控硅有复杂的复结结构，但从功能上讲，它是在同一芯片上一对反并联的相控晶闸管。图 1-4A-3 给出了双向可控硅的符号。在电源的正半周和负半周双向可控硅通过施加门极触发脉冲触发导通。在Ⅰ+工作方式，T2 端为正，双向可控硅由正门极电流脉冲触发导通。在Ⅲ-工作方式，T1 端为正，双向可控硅由负门极电流脉冲触发导通双向可控硅比一对反并联的晶闸管便宜和易于控制，但它的集成结构有一些缺点。由于少数载流子效应，双向可控硅的门极电流敏感性较差，关断时间较长。由于同样的原因，重复施加的 dv/dt 额定值较低，因此用于感性负载比较困难。双向可控硅电路必须有精心设计的 RC 冲器。双向可控硅用于电灯的亮度调节、加热控制、联合型电机驱动、50/60 赫兹电源频率的固态继电器。
门极可关断晶闸管
门极可关断晶闸管，顾名思义，是一种晶闸管类型的器件。同其他晶闸管一样，它可以由一个小的正门极电流脉冲触发，但除此之外，它还能被负门极电流脉冲关断。GTO 的关断能力来自由门极转移 P-N-P 集电极的电流，因此消除 P-N-P ／N-P-N 的正反馈效应。GTO 有非对称和对称电压阻断两种类型，分别用于电压回馈和电流回馈变换器。 GTO 的阻断电流增益定义为阳极电流与阻断所需的负门极电流之比，典型值为 4 或 5，非常低。这意味着 6000安培的 GTO 需要 1,500 安培的门极电流脉冲。但是，脉冲化的门极电流和与其相关的能量非常小，用低压电力 MOS 场效应晶体管提供非常容易。GTO 被用于电机驱动、静态无功补偿器和大容量 AC/DC 电源。大容量 GTO 的出现取代了强迫换流、电压回馈的可控硅换流器。图 1-4A-4 给出了 GTO 的符号。
电力 MOS 场效应晶体管
与以前讨论的器件不同，电力 MOS 场效应晶体管是一种单极、多数载流子、“零结”、电压控制器件。图 1-4A-5 给出了 N 型 MOS 场效应晶体管的符号如果栅极电压为正并且超过它的门限值，N 型沟道将被感应，允许在漏极和源极之间流过由多数载流子（电子）组成的电流。虽然栅极阻抗在稳态非常高，有效的栅—源极电容在导通和关断时会产生一个脉冲电流。MOS 场效应晶体管有不对称电压阻断能力，如图所示内部集成一个通过所有的反向电流的二极管。二极管具有慢速恢复特性，在高频应用场合下通常被一个外部连接的快速恢复二极管旁路。
虽然对较高的电压器件来说，MOS 场效应晶体管处于导通时损耗较大，但它的导通和关断时间非常小，因而开关损耗小。它确实没有与双极性器件相关的少数载流子存储延迟问题。虽然在静态 MOS 场效应晶体管可由电压源来控制，通常的做法是在动态由电流源驱动
而后跟随一个电压源来减少开关延迟。 MOS 场效应晶体管在低压、小功率和高频（数十万赫兹）开关应用等领域得到极其广泛的应用。譬如开关式电源、无刷直流电机、步进电机 驱动和固态直流继电器。
绝缘栅双极型晶体管
在 20 世纪 80 年代中期出现的绝缘栅双极型晶体管是功率半导体器件发展历史上的一个重要里程碑。它们在中等功率（数千瓦到数兆瓦）的电力电子设备上处处可见，被广泛用于直流/交流传动和电源系统。它们在数兆瓦功率级取代了双极结型晶体管，在数千瓦功率级正在取代门极可关断晶闸管。IGBT 基本上是混合的 MOS 门控通断双极性晶体管，它综合了 MOSFET 和BJT 的优点。它的结构基本上与 MOSFET 的结构相似，只是在 MOSFET 的 N+漏极层上的集电极加了一个额外的 P+层。 IGBT 有 MOSFET 的高输入阻抗和像 BJT 的导通特性。如果门极电压相对于发射极为正，P 区的 N 型沟道受到感应。这个 P-N-P 晶体管正向偏置的基极—发射极结使 IGBT 导通并引起 N －区传导性调制，这使得导通压降大大低于 MOSFET 的导通压降。在导通条件下，在 IGBT 的等效电路中，驱动器MOSFET 运送大部分的端子电流。由寄生 N-P-N 晶体管引起的与晶闸管相似的阻塞作用通过有效地减少 P+层电阻系数和通过 MOSFET 将大部分电流转移而得到预防。IGBT 通过减小门极电压到零或负电压来关断，这样就切断了 P 区的导通通道。IGBT 比 BJT 或 MOSFET 有更高的电流密度。IGBT 的输入电容(Ciss)比 MOSFET 的要小得多。还有，IGBT 的门极—集电极电容与门极—发射极电容之比更低，给出了改善的密勒反馈效应。
金属氧化物半导体控制的晶闸管
金属氧化物半导体控制的晶闸管(MCT)，正像名字所说的那样，是一种类似于晶闸管，通过触发进入导通的混合器件，它可以通过在 MOS 门施加一个短暂的电压脉冲来控制通断。MCT 具有微单元结构，在那里同一个芯片上数千个微器件并联连接。单元结构有点复杂。 图 1-4A-7 给出了 MCT 的符号。它由一个相对于阳极的负电压脉冲触发导通，由一个相对于阳极的正电压脉冲控制关断。MCT 具有类似晶闸管的P-N-P-N 结构，在那里P-N-P 和 N-P-N 两个晶体管部件连接成正反馈方式。但与晶闸管不同的是 MCT 只有单极（或不对称）电压阻断能力。如果 MCT 的门极电压相对于阳极为负，在 P 型场效应晶体管中的 P 沟道受到感应，使 N-P-N 晶体管正向偏置。这也使 P-N-P 晶体正向偏置，由正反馈效应 MCT 进入饱和状态。在导通情况下，压降为 1 伏左右（类似于晶闸管）如果MCT 的门极电压相对于阳极为正，N 型场效应晶体管饱和并将 P-N-P 晶体管的发射极-基极短路。这将打破晶闸管工作的正反馈环，MCT 关断。关断完全是由于再结合效应因而 MCT 的关断时间有点长。MCT 有限定的上升速率，因此在 MCT 变换器中必须加缓冲器电路。最近，MCT 已用于“软开关”变换器中，在那不用限定上升速率。尽管电路结构复杂，MCT 的电流却比电力 MOSFET 、BJT 和 IGBT 的大，因此它需要有一个较小的死区。
1992 年在市场上可见到 MCT ，现在可买到中等功率的 MCT 。MCT 的发展前景尚未可知。
集成门极换向晶闸管
集成门极换向晶闸管是当前电力半导体家族的最新成员，由 ABB 在 1997 年推出。图 1-4A-8 给出了 IGCT 的符号。基本上，IGCT 是一个具有单位关断电流增益的高压、大功率、硬驱动不对称阻塞的 GTO 。这表示具有可控 3,000 安培阳极电流的 4,500 V IGCT 需要
3,000 安培负的门极关断电流。这样一个持续时间非常短、di/dt 非常大、能量又较小的门极电流脉冲可以由多个并联的 MOSFET 来提供，并且驱动电路中的漏感要特别低。 门驱动电路内置在IGCT 模块内。IGCT 内有一对单片集成的反并联二极管。导通压降、导通时电流上升率 di/dt 、门驱动器损耗、少数载流子存储时间、关断时电压上升率 dv/dt 均优于 GTO 。IGCT 更快速的通断时间使它不用加缓冲器并具有比 GTO 更高的开关频率。多个 IGCT 可以串联或并联用于更大的功率场合。IGCT 已用于电力系统连锁电力网安装（100 兆伏安）和中等功率（最大 5 兆瓦）工业驱动。
UNIT4
A 功率半导体器件
功率半导体器件构成了现代电力电子设备的核心。它们以通-断开关矩阵的方式被用于电力电子转换器中。开关式功率变换的效率更高。
现今的功率半导体器件几乎都是用硅材料制造，可分类如下：
二极管
晶闸管或可控硅双向可控硅
门极开关关断晶闸管
双极结型晶体管
电力金属氧化物半导体
场效应晶体管
静电感应晶体管
绝缘栅双极型晶体管
金属氧化物半导体控制的晶闸管
集成门极换向晶闸管
二极管
电力二极管提供不可控的整流电源，这些电源有很广的应用，如：电镀、电极氧化、电池充电、焊接、交直流电源变频驱动。它们也被用于变换器和缓冲器的回馈和惯性滑行功能。 典型的功率二极管具有 P-I-N 结构，即它几乎是纯半导体层（本征层），位于 P-N 结的中部以阻断反向电压。
图 1-4A-1 给出了二极管符号和它的伏安特性曲线。在正向偏置条件下，二极管可用一个结偏置压降和连续变化的电阻来表示，这样可画出一条斜率为正的伏安特性曲线。典型的正向导通压降为 1.0 伏。导通压降会引起导通损耗，必须用合适的吸热设备对二极管进行冷却来限制结温上升。在反向偏置条件下，由于少数载流子的存在，有很小的泄漏电流流过，泄漏电流随电压逐渐增加。如果反向电压超过了临界值，叫做击穿电压，二极管雪崩击穿，雪崩击穿指的是当反向电流变大时由于结功率损耗过大造成的热击穿。
电力二极管分类如下:
标准或慢速恢复二极管
快速恢复二极管
肖特基二极管
晶闸管
晶闸管或可控硅一直是工业上用于大功率变换和控制的传统设备。50 年代后期，这种装置的投入使用开辟了现代固态电力电子技术。术语“晶闸管”来自与其相应的充气管等效装置，闸流管。通常，晶闸管是个系列产品的总称，包括可控硅、双向可控硅、门极可关断晶闸管、金属氧化物半导体控制的晶闸管、集成门极换向晶闸管。晶闸管可分成标准或慢速 相控型，快速开关型，电压回馈逆变器型。逆变器型现已淘汰。
图 1-4A-2 给出了晶闸管符号和它的伏安特性曲线。基本上，晶闸管是一个三结 P-N-P-N 器件，器件内P-N-P 和 N-P-N 两个三极管按正反馈方式连接。晶闸管可阻断正向和反向电压（对称阻断）。当阳极为正时，晶闸管可由一个短暂的正门极电流脉冲触发导通；但晶闸管一旦导通，门极即失去控制晶闸管关断的能力。晶闸管也可由阳极过电压、阳极电压的上
升率（dv/dt）、结温的上升、PN 结上的光照等产生误导通。
在门电流IG = 0 时，如果将正向电压施加到晶闸管上，由于中间结的阻断会产生漏电流；如果电压超过临界极限（转折电压），晶闸管进入导通状态。随着门极控制电流 IG 的 增加，正向转折电压随之减少，最后，当门极控制电流 IG= IG3 时，整个正向阻断区消失，晶闸管的工作状态就和二极管一样了。在晶闸管的门极出现一个最小电流，即阻塞电流，晶闸管将成功导通。 在导通期间，如果门极电流是零并且阳极电流降到临界极限值以下，称作维持电流，晶闸管转换到正向阻断状态。相对反向电压而言，晶闸管末端的 P-N 结处于反向偏置状态。现在的晶闸管具有大电压（数千伏）、大电流（数千安）额定值。
双向可控硅
双向可控硅有复杂的复结结构，但从功能上讲，它是在同一芯片上一对反并联的相控晶闸管。图 1-4A-3 给出了双向可控硅的符号。在电源的正半周和负半周双向可控硅通过施加门极触发脉冲触发导通。在Ⅰ+工作方式，T2 端为正，双向可控硅由正门极电流脉冲触发导通。在Ⅲ-工作方式，T1 端为正，双向可控硅由负门极电流脉冲触发导通双向可控硅比一对反并联的晶闸管便宜和易于控制，但它的集成结构有一些缺点。由于少数载流子效应，双向可控硅的门极电流敏感性较差，关断时间较长。由于同样的原因，重复施加的 dv/dt 额定值较低，因此用于感性负载比较困难。双向可控硅电路必须有精心设计的 RC 冲器。双向可控硅用于电灯的亮度调节、加热控制、联合型电机驱动、50/60 赫兹电源频率的固态继电器。
门极可关断晶闸管
门极可关断晶闸管，顾名思义，是一种晶闸管类型的器件。同其他晶闸管一样，它可以由一个小的正门极电流脉冲触发，但除此之外，它还能被负门极电流脉冲关断。GTO 的关断能力来自由门极转移 P-N-P 集电极的电流，因此消除 P-N-P ／N-P-N 的正反馈效应。GTO 有非对称和对称电压阻断两种类型，分别用于电压回馈和电流回馈变换器。 GTO 的阻断电流增益定义为阳极电流与阻断所需的负门极电流之比，典型值为 4 或 5，非常低。这意味着 6000安培的 GTO 需要 1,500 安培的门极电流脉冲。但是，脉冲化的门极电流和与其相关的能量非常小，用低压电力 MOS 场效应晶体管提供非常容易。GTO 被用于电机驱动、静态无功补偿器和大容量 AC/DC 电源。大容量 GTO 的出现取代了强迫换流、电压回馈的可控硅换流器。图 1-4A-4 给出了 GTO 的符号。
电力 MOS 场效应晶体管
与以前讨论的器件不同，电力 MOS 场效应晶体管是一种单极、多数载流子、“零结”、电压控制器件。图 1-4A-5 给出了 N 型 MOS 场效应晶体管的符号如果栅极电压为正并且超过它的门限值，N 型沟道将被感应，允许在漏极和源极之间流过由多数载流子（电子）组成的电流。虽然栅极阻抗在稳态非常高，有效的栅—源极电容在导通和关断时会产生一个脉冲电流。MOS 场效应晶体管有不对称电压阻断能力，如图所示内部集成一个通过所有的反向电流的二极管。二极管具有慢速恢复特性，在高频应用场合下通常被一个外部连接的快速恢复二极管旁路。
虽然对较高的电压器件来说，MOS 场效应晶体管处于导通时损耗较大，但它的导通和关断时间非常小，因而开关损耗小。它确实没有与双极性器件相关的少数载流子存储延迟问题。虽然在静态 MOS 场效应晶体管可由电压源来控制，通常的做法是在动态由电流源驱动
而后跟随一个电压源来减少开关延迟。 MOS 场效应晶体管在低压、小功率和高频（数十万赫兹）开关应用等领域得到极其广泛的应用。譬如开关式电源、无刷直流电机、步进电机 驱动和固态直流继电器。
绝缘栅双极型晶体管
在 20 世纪 80 年代中期出现的绝缘栅双极型晶体管是功率半导体器件发展历史上的一个重要里程碑。它们在中等功率（数千瓦到数兆瓦）的电力电子设备上处处可见，被广泛用于直流/交流传动和电源系统。它们在数兆瓦功率级取代了双极结型晶体管，在数千瓦功率级正在取代门极可关断晶闸管。IGBT 基本上是混合的 MOS 门控通断双极性晶体管，它综合了 MOSFET 和BJT 的优点。它的结构基本上与 MOSFET 的结构相似，只是在 MOSFET 的 N+漏极层上的集电极加了一个额外的 P+层。 IGBT 有 MOSFET 的高输入阻抗和像 BJT 的导通特性。如果门极电压相对于发射极为正，P 区的 N 型沟道受到感应。这个 P-N-P 晶体管正向偏置的基极—发射极结使 IGBT 导通并引起 N －区传导性调制，这使得导通压降大大低于 MOSFET 的导通压降。在导通条件下，在 IGBT 的等效电路中，驱动器MOSFET 运送大部分的端子电流。由寄生 N-P-N 晶体管引起的与晶闸管相似的阻塞作用通过有效地减少 P+层电阻系数和通过 MOSFET 将大部分电流转移而得到预防。IGBT 通过减小门极电压到零或负电压来关断，这样就切断了 P 区的导通通道。IGBT 比 BJT 或 MOSFET 有更高的电流密度。IGBT 的输入电容(Ciss)比 MOSFET 的要小得多。还有，IGBT 的门极—集电极电容与门极—发射极电容之比更低，给出了改善的密勒反馈效应。
金属氧化物半导体控制的晶闸管
金属氧化物半导体控制的晶闸管(MCT)，正像名字所说的那样，是一种类似于晶闸管，通过触发进入导通的混合器件，它可以通过在 MOS 门施加一个短暂的电压脉冲来控制通断。MCT 具有微单元结构，在那里同一个芯片上数千个微器件并联连接。单元结构有点复杂。 图 1-4A-7 给出了 MCT 的符号。它由一个相对于阳极的负电压脉冲触发导通，由一个相对于阳极的正电压脉冲控制关断。MCT 具有类似晶闸管的P-N-P-N 结构，在那里P-N-P 和 N-P-N 两个晶体管部件连接成正反馈方式。但与晶闸管不同的是 MCT 只有单极（或不对称）电压阻断能力。如果 MCT 的门极电压相对于阳极为负，在 P 型场效应晶体管中的 P 沟道受到感应，使 N-P-N 晶体管正向偏置。这也使 P-N-P 晶体正向偏置，由正反馈效应 MCT 进入饱和状态。在导通情况下，压降为 1 伏左右（类似于晶闸管）如果MCT 的门极电压相对于阳极为正，N 型场效应晶体管饱和并将 P-N-P 晶体管的发射极-基极短路。这将打破晶闸管工作的正反馈环，MCT 关断。关断完全是由于再结合效应因而 MCT 的关断时间有点长。MCT 有限定的上升速率，因此在 MCT 变换器中必须加缓冲器电路。最近，MCT 已用于“软开关”变换器中，在那不用限定上升速率。尽管电路结构复杂，MCT 的电流却比电力 MOSFET 、BJT 和 IGBT 的大，因此它需要有一个较小的死区。
1992 年在市场上可见到 MCT ，现在可买到中等功率的 MCT 。MCT 的发展前景尚未可知。
集成门极换向晶闸管
集成门极换向晶闸管是当前电力半导体家族的最新成员，由 ABB 在 1997 年推出。图 1-4A-8 给出了 IGCT 的符号。基本上，IGCT 是一个具有单位关断电流增益的高压、大功率、硬驱动不对称阻塞的 GTO 。这表示具有可控 3,000 安培阳极电流的 4,500 V IGCT 需要
3,000 安培负的门极关断电流。这样一个持续时间非常短、di/dt 非常大、能量又较小的门极电流脉冲可以由多个并联的 MOSFET 来提供，并且驱动电路中的漏感要特别低。 门驱动电路内置在IGCT 模块内。IGCT 内有一对单片集成的反并联二极管。导通压降、导通时电流上升率 di/dt 、门驱动器损耗、少数载流子存储时间、关断时电压上升率 dv/dt 均优于 GTO 。IGCT 更快速的通断时间使它不用加缓冲器并具有比 GTO 更高的开关频率。多个 IGCT 可以串联或并联用于更大的功率场合。IGCT 已用于电力系统连锁电力网安装（100 兆伏安）和中等功率（最大 5 兆瓦）工业驱动。