1.1 概述 1
1.3 晶闸管（SCR） 5
1.4 大功率晶体管（GTR） 11
1.5 功率场效应晶体管（P-MOSFET） 16
1.6 绝缘栅双极型晶体管（IGBT） 19
1.7 其他新型功率开关器件 22
本章小结 25
1.1 概述
1.1.1 功率半导体器件的定义
图1-1为电力电子装置的示意图，输入电功率经功率变换器变换后输出至负载。功率变换器即为通常所说的电力电子电路（也称主电路），它由电力电子器件构成。目前，除了在大功率高频微波电路中仍使用真空管（电真空器件）外，其余的电力电子电路均由功率半导体器件组成。
图1-1 电力电子装置示意图
一个理想的功率半导体器件、应该具有好的静态和动态特性，在截止状态时能承受高电压且漏电流要小；在导通状态时，能流过大电流和很低的管压降；在开关转换时，具有短的开、关时间；通态损耗、断态损耗和开关损耗均要小。同时能承受高的di/dt和du/dt以及具有全控功能。
1.1.2 功率半导体器件的发展
功率半导体器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。从1958年美国通用电气公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由功率半导体器件构成的变流器时代。功率半导体器件的
煎蛋锅发展经历了以下阶段：
大功率二极管产生于20世纪40年代，是功率半导体器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。目前已形成整流二极管（Rectifier Diode）、快恢复二极管（Fast Recovery Diode—FRD）和肖特基二极管（Schottky Barrier Diode—SBD）等3种主要类型。
晶闸管（Thyristor, or Silicon Controlled Rectifier—SCR）可以算作是第一代电力电子器件，它的出现使电力电子技术发生了根本性的变化。但它是一种无自关断能力的半控器件，应用中必须考虑关断方式问题，电路结构上必须设置关断（换流）电路，大大复杂了电路结构、增加了成本、限制了在频率较高的电力电子电路中的应用。此外晶闸管的开关频率也不高，难于实现变流装置的高频化。晶闸管的派生器件有逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。 20世纪70年代出现了称之为第二代的自关断器件，如门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor—GTO），大功率双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor—BJT, or Giant Transistor—GTR），功率场效应管（Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor—Power MOSFET）等。
20世纪80年代出现了以绝缘栅极双极型晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor—IGBT, or IGT）为代表的第三代复合导电机构的场控半导体器件。
20世纪80年代后期，功率半导体器件的发展趋势为模块化、集成化，按照电力电子电路的各种拓朴结构，将多个相同的功率半导体器件或不同的功率半导体器件封装在一个模块中，这样可缩小器件体积、降低成本、提高可靠性。
值得指出的是新的一代器件的出现并不意味着老的器件被淘汰，世界上SCR产量仍占全部功率半导体器件总数的一半，是目前高压、大电流装置中不可替代的元件。
1.1.3 功率半导体器件的分类
功率半导体器件可按可控性、驱动信号类型来进行分类。
1．按可控性分类
根据能被驱动（触发）电路输出控制信号所控制的程度，可将功率半导体器件分为不控型器件、半控型器件、全控型器件等3种。
（1）不控型器件
不能用控制信号来控制开通、关断的功率半导体器件。
（2）半控型器件
能利用控制信号控制其导通，但不能控制其关断的功率半导体器件称为半控型器件。
（3）全控型器件
能利用控制信号控制其导通，也能控制其关断的功率半导体器件称为全控型器件，通常也称为自关断器件。
2．按驱动信号类型分类
（1）电流驱动型
通过在控制端注入或抽出电流来实现开通或关断的器件称为电流驱动型功率半导体器件。GTO、GTR为电流驱动型功率半导体器件。
（2）电压驱动型
通过在控制端和另一公共得端加入一定的电压信号来实现开通或关断的器件称为电压驱动型功率半导体器件。P-MOSFET、IGBT为电压驱动型功率半导体器件。
1.2 大功率二极管
1.2.1 大功率二极管的结构
大功率二极管的内部结构是一个具有Ｐ型及Ｎ型两层半导体、一个PN结和阳极A、阴极K的两层两端半导体器件，其符号表示如图1-2a）所示。
a） 符号 b） 螺旋式 c） 平板式
图1-2 大功率二极管
从外部构成看，也分成管芯和散热器两部分。这是由于二极管工作时管芯中要通过强大的
电流，而PN结又有一定的正向电阻，管芯要因损耗而发热。为了管芯的冷却，必须配备散热器。一般情况下，200A平开门电机以下的管芯采用螺旋式（图1-2b）），200A以上则采用平板式（图1-2c））。全部视频列播放表本站
1.2.2 大功率二极管的特性
1．大功率二极管的伏安特性
二极管阳极和阴极间的电压Uak与阳极电流ia间的关系称为伏安特性，如图1-3所示。第¢ñ象限为正向特性区，表现为正向导通状态。第Ⅲ象限为反向特性区，表现为反向阻断状态。
a）实际特性 b）理想特性
图1-3 大功率二极管的伏安特性
2．大功率二极管的开通、关断特性
大功率二极管具有延迟导通和延迟关断的特征，关断时会出现瞬时反向电流和瞬时反向过电压。
（1）大功率二极管的开通过程
大功率二极管的开通需一定的过程，初期出现较高的瞬态压降，过一段时间后才达到稳定，且导通压降很小。图1-4为大功率二极管开通过程中的管压降uD和正向电流iD的变化曲线。由图可见，在正向恢复时间tfr内，正在开通的大功率二极管上承受的峰值电压UDM比稳态管压降高的多，在有些二极管中的峰值电压可达几十伏。
图1-4 大功率二极管的开通过程 图1-5 大功率二极管的关断过程
（2）大功率二极管的关断过程
图1-5为大功率二极管关断过程电压、电流波形。
大功率二极管应用在低频整流电路时可不考虑其动态过程，但在高频逆变器、高频整流器、缓冲电路等频率较高的电力电子电路中就要考虑大功率二极管的开通、关断等动态过
程。
1.2.3 大功率二极管的主要参数
1、额定正向平均电流（额定电流）IF
指在规定＋40℃的环境温度和标准散热条件下，元件结温达额定且稳定时，容许长时间连续流过工频正弦半波电流的平均值。将此电流整化到等于或小于规定的电流等级，则为该二极管的额定电流。在选用大功率二极管时，应按元件允许通过的电流有效值来选取。对应额定电流IF的有效值为1.57IF。
2、反向重复峰值电压（额定电压）ＵRRM
在额定结温条件下，元件反向伏安特性曲线（第Ⅲ象限）急剧拐弯处于所对应的反向峰值电压称为反向不重复峰值电压高杨氏URSM。反向不重复峰值电压值的80％称为反向重复峰值电压URRM。再将URRM整化到等于或小于该值的电压等级，即为元件的额定电压。
3、反向漏电流切筋IRR
对应于反向重复峰值电压URRM下的平均漏电流称为反向重复平均电流IRR。
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4、正向平均电压UF
在规定的＋40℃环境温度和标准的散热条件下，元件通以工频正弦半波额定正向平均电流时，元件阳、阴极间电压的平均值，有时亦称为管压降。元件发热与损耗与UF有关，一般应选用管压降小的元件以降低元件的导通损耗。
5、大功率二极管的型号
普通型大功率二极管型号用ZP表示，其中Z代表整流特性，P为普通型。普通型大功率二极管型号可表示如下
ZP[电流等级]¡ª[电压等级/100][通态平均电压组别]
如型号为ZP50¡ª16的大功率二极管表示：普通型大功率二极管，额定电流为50A，额定电压为1600V。
1.3 晶闸管（SCR）
1.3.1 晶闸管的结构
晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，可区分为管芯及散热器两大部分，分别如图1-6及图1-7所示。
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