2026/1/271§1-1電力半導(dǎo)體器件的歸屬關(guān)系電子技術(shù)電力電子技術(shù)信息電子技術(shù)模擬電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)電力電子器件電力電子變流技術(shù)信息檢出、傳送和處理；多用低電平電路，對效率要求低(<15%)電力傳送、變換、控制或開關(guān)；對效率要求較高(>85%)不考慮轉(zhuǎn)換效率和散熱等問題須優(yōu)先考慮轉(zhuǎn)換效率和散熱等問題電力電子學(xué)微電子學(xué)電子學(xué)PowerElectronicDeviceorPowerSemiconductorDevice微電子學(xué)與固體電子學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)信息半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)2026/1/27是電子產(chǎn)品的大腦和神經(jīng)，負(fù)責(zé)感知、運算、操縱等，實現(xiàn)電子產(chǎn)品的設(shè)計功能功率半導(dǎo)體是電子產(chǎn)品的心臟和血脈，負(fù)責(zé)給每一個用電終端輸送合適的電能信息半導(dǎo)體電腦、手機里的傳感器、攝像頭這類的功能終端一切涉及發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、儲電的設(shè)備都離不開電力/功率半導(dǎo)體器件

區(qū)別22026/1/27其它半導(dǎo)體元器件，如傳感器可看成是馬的眼睛?鼻子?耳朵功率半導(dǎo)體器件可看成是馬的肌肉CPU可看成馬的大腦1馬力相當(dāng)于一匹馬把75kg物體在1s內(nèi)提升1米高度所做的功，即1PS=735W。馬力（horsepower），俗稱匹；功率單位是瓦特（W）/馬力（PS）3功率=額定電壓×額定電流電力變換裝置2026/1/274①電力半導(dǎo)體器件技術(shù)是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理。②電力電子變流技術(shù)

用電力半導(dǎo)體器件構(gòu)成電力變換電路和對其進(jìn)行控制的技術(shù)，及構(gòu)成電力電子裝置和系統(tǒng)的技術(shù)。是電力電子技術(shù)的核心，理論基礎(chǔ)是電路理論。

電力——交流和直流兩種從公用電網(wǎng)直接得到的是交流；從蓄電池和干電池得到的是直流。（變換、輸送、處理）1電力電子技術(shù)電力變換類型

電力電子器件研究如何將電網(wǎng)的交流電變換為直流或交流輸出。粗電

精電2026/1/27電力變換裝置功能框圖通用變頻器常用的AC-DC-AC電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2026/1/276電子器件、電路電力靜止、旋轉(zhuǎn)裝置連續(xù)、離散控制電力電子學(xué)2電力電子學(xué)整流、逆變、斬波、變頻等基本電路及控制、保護(hù)、濾波電路等直流穩(wěn)壓、UPS、加熱、焊接電源，太陽能、燃料電池電源等電動機的變速驅(qū)動系統(tǒng)控制理論、方式、手段基礎(chǔ)接口紐帶電力電子學(xué)是以電力電子技術(shù)為研究對象的電子學(xué)，是介于電子、電力與控制之間的邊緣學(xué)科。1974年美國的W.Newell用倒三角形對電力電子學(xué)進(jìn)行了描述。各種電力半導(dǎo)體器件電力電子學(xué)覆蓋了材料、器件、CAD、制造、封裝、電路與控制、磁學(xué)、熱學(xué)、電力及電工應(yīng)用等，已發(fā)展成為多學(xué)科相互滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。由三大學(xué)科構(gòu)成2026/1/277電力電子器件/主開關(guān)器件控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2保護(hù)電路

電力半導(dǎo)體器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制部分3.電力電子系統(tǒng)由以電力半導(dǎo)體器件為核心的主電路與其驅(qū)動電路及控制電路組成保證電力電子器件和整個系統(tǒng)正?？煽康倪\行電子器件檢測主電路或應(yīng)用現(xiàn)場的信號需電氣隔離，通過光、磁等手段來傳遞信號給主開關(guān)器件提供驅(qū)動信號2026/1/278半導(dǎo)體分立器件的分類（按IEC標(biāo)準(zhǔn)）電力半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件信息半導(dǎo)體器件主要功能：用作實現(xiàn)電力的變換、調(diào)節(jié)或開關(guān)的執(zhí)行器件。特點：高電壓，大電流，大功率，工作結(jié)溫高，工作頻率低。主要功能：用于信號控制。特點：低電壓，小電流，小功率，工作結(jié)溫低，工作頻率高。電力電子器件/功率半導(dǎo)體器件

微電子器件/電子器件I>5AU>100V

P>10WI<5AU<100V

P<10W2026/1/279新角色:節(jié)約資源；開發(fā)新能源（光伏、潮汐、風(fēng)能）；電力環(huán)境的治理(電能質(zhì)量\穩(wěn)定性\可控制性\輸送能力)；節(jié)能降耗、環(huán)境保護(hù)。傳統(tǒng)角色:電能的高效率變換；為計算機、通訊、自動化裝置、儀表、工業(yè)裝置提供高質(zhì)量交流或直流電源；運動的高效率、精密、快速的控制,滿足工業(yè)過程要求。電力電子技術(shù)的應(yīng)用2026/1/2710根據(jù)Baliga教授引用的數(shù)據(jù)，1990年至2010年20年時間內(nèi)，如果50%的電機采用IGBT調(diào)速控制技術(shù)，全球累計節(jié)41.9萬億度電。同時可減少46.1萬億磅的二氧化碳排放。粗電精電2020:100%雙碳目標(biāo)：2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和。大力發(fā)展電力半導(dǎo)體器件

電力電子技術(shù)與節(jié)能減排不僅可以改善電能質(zhì)量，而且可以節(jié)能30%，相當(dāng)于840發(fā)電廠。2026/1/27Prof.

B.Jayant

Baliga陳星弼院士（1931-2019）地球上碳足跡最小的人（manwiththesmallestcarbonfootprintonearth）著作18本參編20本美國專利120項IGBT發(fā)明者中國功率器件領(lǐng)路人超結(jié)(SuperJunction)

發(fā)明者著作7部；學(xué)術(shù)論文200余篇;中美等國專利40余項打破傳統(tǒng)“硅極限”，被國際學(xué)術(shù)界譽為“高壓功率器件新的里程碑”功率半導(dǎo)體器件先驅(qū)者2026/1/27數(shù)控機床冶金工業(yè)軋鋼機電解鋁可控整流電源或直流斬波電源1）一般工業(yè)直流電動機可控整流電源交流電動機電鍍裝置12UPS電源電力電子技術(shù)應(yīng)用2026/1/27132)交通運輸海、陸、空交通運輸工具磁懸浮列車2026/1/27143)電力系統(tǒng)靜止無功補償SVC高壓直流裝置HVDC柔性交流輸電FACTS柔性直流輸電系統(tǒng)中換流閥2026/1/27154)電子裝置用電源程控交換機電子裝置計算機打印機2026/1/27165)家用電器功率半導(dǎo)體器件的每一次升級，都使變頻家電在體積?成本?可靠性?能效?噪聲等方面獲得巨大進(jìn)步。2026/1/27風(fēng)能太陽能6)新能源開發(fā)潮汐能氫能2026/1/2718交流電力傳動機車6)新能源車電動汽車氫能源車（氫

電驅(qū)）電動高速機車2026/1/2719電力半導(dǎo)體器件是指基本特性由半導(dǎo)體內(nèi)載流子流動決定，并主要用于電力的變換、調(diào)節(jié)和開關(guān)的器件（來自于電力半導(dǎo)體器件標(biāo)準(zhǔn)）。請記錄一、電力半導(dǎo)體器件定義：半導(dǎo)體分立器件單極型器件電力半導(dǎo)體器件二、電力半導(dǎo)體器件分類：功率集成電路(PIC)

§1-2電力半導(dǎo)體器件概述雙極型器件智能功率集成電路(SPIC)高壓集成電路(HVIC)2026/1/2720從制造材料來分：有硅管，碳化硅(SiC)，氮化鎵(GaN)等；從工作機理(內(nèi)部載流子類型)來分：有雙極型器件、單極型器件兩類；從控制性能來分：有不可控器件、半可控器件和全可控器件三類；從驅(qū)動信號性質(zhì)來分：有電壓控制型器件、電流控制型器件兩類；從功率等級來分（功率器件指標(biāo)I>5A，U>100V，P>10W）：有小功率器件、中功率器件、大功率器件。電力半導(dǎo)體器件的分類方法功率=電流×電壓，并非器件自身的功率損耗2026/1/2721

電力半導(dǎo)體器件IEGTGTOETOMTOIGCTFamily從結(jié)構(gòu)和組成來講高速度高耐壓低壓降高速度高耐壓低壓降基礎(chǔ)2026/1/2722功率晶體管外形功率二極管外形HighPowerRectifierDiodesZP整流管單管GTR模塊功率BJT單管FRD（快恢復(fù)二極管）模塊FastSoftRecoveryDiode電流控制型器件2026/1/2723

KK快速晶閘管

FastSwitchingThyristor

超大功率晶閘管

Ultra-highPowerThyristors晶閘管外形SCR模塊2026/1/2724光控晶閘管(Light-TriggeredThyristor,LTTs)2026/1/2725大功率GTO組件

HighPowerGTOAssemblies大功率GTO組件是把GTO元件,吸收保護(hù),驅(qū)動和散熱器組成一體,形成一種可靠性更高,應(yīng)用更簡單的功能電路。大功率GTO門極可關(guān)斷晶閘管GateTurn-OffThyristor(GTO)關(guān)斷增益3~52026/1/2726EmitterTurn-Off(ETO)ThyristorVirginiaPolytechnicInstituteandStateUniversity（弗吉尼亞理工學(xué)院與州立大學(xué)）ReduceHarmonicsintheHighPowerPWMVoltageSourceConverters發(fā)射極可關(guān)斷晶閘管實現(xiàn)單位關(guān)斷增益

改善器件性能2026/1/2727MOSTurn-OffThyristor(MTO)MOS關(guān)斷晶閘管等效電路500A/4.5kVMTO實現(xiàn)單位關(guān)斷增益

改善器件性能2026/1/2728IntegratedGateCommutatedThyristor

(IGCT)集成門極換流晶閘管“硬驅(qū)動”技術(shù)實現(xiàn)單位關(guān)斷增益

改善器件性能2026/1/2729大功率晶閘管水冷組件功率組件（串聯(lián)）IGCT水冷組件IGCT風(fēng)冷組件2026/1/2730IR(InternationalRectifier)600VNPT-IGBT（WARP2）額定電流分為50A/35A/20A主要用于電信和服務(wù)器系統(tǒng)中的大電流、高頻開關(guān)電源電路。功率MOS場效應(yīng)晶體管PowerMOSFETsusedin48VoltNetworking&CommunicationsSystems絕緣柵雙極晶體管InsulatedGateBipolarTransistor電壓控制型器件2026/1/2731IGBT模塊德國的賽米控公司高集成度低熱阻高可靠性東芝IGBT模塊IGBTLoPakModulesIGBT模塊：600V/200A~250A，1.2kV~1.7kV/150A3.3kV/1200A，6.5kV/600AIGBT壓接式封裝2.5kV/1kA~4.5kV/4kA中車研制的4.5kV/3kA2026/1/2732功率集成電路(PIC)PowerIntegratedCircuit

HVIC：指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。SPIC：指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。高壓集成電路(HVIC)智能功率集成電路(SPIC)PIC將信息采集、處理和功率控制合一，是機電一體化的關(guān)鍵接口電路和片上系統(tǒng)(SoC)的核心技術(shù)。實現(xiàn)單片PIC的關(guān)鍵是隔離問題(源-襯間的隔離)；主要技術(shù)障礙是無源元件、封裝技術(shù)以及散熱問題。PIC的發(fā)展方向是高集成化、規(guī)范化和智能化

PSoC發(fā)展。智能功率模塊(IntelligentPowerModule,IPM)：將縱向功率器件與驅(qū)動、控制及各種保護(hù)電路、傳感器等封裝在一起形成模塊結(jié)構(gòu)。2026/1/2733其中配備高帶寬和高速輸出頻率為130kHz集成保護(hù)電路專用于電機驅(qū)動器和逆變驅(qū)動器HVIC高壓集成電路(HVIC)單個模塊可代替130個元件；開關(guān)頻率高達(dá)20kHz電機驅(qū)動用IPM智能功率模塊(IPM)日本富士公司的IPM2026/1/2734MOS型器件+雙極型器件

MOS-雙極型復(fù)合器件速度快(無少子存儲);驅(qū)動功率?。ㄝ斎胱杩垢撸籗OA寬(無二次擊穿)；Ron有正溫度系數(shù)；但Ron大→飽和電壓高，電壓和電流定額較小。速度慢(有少子存儲);驅(qū)動功率大（輸入阻抗低）；SOA窄(有二次擊穿)；Ron小→飽和電壓低；阻斷電壓高，電流容量大。有少量的少子，開關(guān)速度較快；驅(qū)動功率小，輸出功率大；SOA寬(無二次擊穿)；Ron小，飽和電壓低。阻斷電壓較高；電流容量較大。三、電力半導(dǎo)體器件特點（從結(jié)構(gòu)上講）作為輸入級形成復(fù)合器件作為輸出級

用很小的功率（電壓）來驅(qū)動或控制很大的功率（電流）2026/1/2735電力半導(dǎo)體器件的基本特點：雙極型器件（電流控制型）阻斷電壓高，通態(tài)壓降較低，電流容量大；開關(guān)時間較長，驅(qū)動功率大，SOA窄。單極型器件（電壓控制型）開關(guān)時間短，輸入阻抗高、易驅(qū)動；Ron具有正的溫度系數(shù)，SOA寬。飽和電壓高、電壓和電流定額較小。復(fù)合型器件（電壓控制、雙極型）阻斷電壓高、通態(tài)壓降低、電流容量大；輸入阻抗高、開關(guān)速度快，SOA較寬。請記錄2026/1/2736電力半導(dǎo)體器件應(yīng)用領(lǐng)域以超大功率晶閘管、IGCT、高壓IGBT為代表，向高壓、大電流反向發(fā)展。以GTO、IGBT模塊、為代表，向高壓、中頻、大電流、大功率方向發(fā)展。四、電力半導(dǎo)體器件的應(yīng)用請記錄超大功率中等功率大功率小功率2026/1/2737五、電力半導(dǎo)體器件發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢1.發(fā)展歷程功率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）電力半導(dǎo)體器件發(fā)展的重點：FSRD,SGT,SJMOS,IGBT,HV-Thyristor,IGCT,PIC以及新材料器件整流管、晶閘管

（50年代末~70年代）（70年代初~80年代）派生晶閘管,

GTR,GTO（90年代后）

IGCT,ET