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電力電子器件

• 重點總結
• • 基本器件
  • 器件特性
  • 基本特性及分類
• 大緻重點題型總結
• • 計算題
  • 簡答題
• 選擇性查漏補缺
• • 一些容易混淆的概念
  • • 單極型半導體和雙極型半導體
  • 電力電子器件
  • • 概念
    • 電力電子器件和資訊電子電路器件的對比
    • 功率損耗
    • 實際應用中的構成
    • 分類
    • • 控制程度
      • 驅動信号性質
      • 驅動信号波形
  • 電力二極管
  • • PN結與電力二極管的工作原理
    • 二極管的單向導電性
    • 二極管的PN電容效應
    • 靜态特性
    • 基本特性
    • 主要特征參數
    • 主要類型
  • 晶閘管（半控）
  • • 靜态特性
    • 伏安特性
    • 動态特性
    • • 開通過程
      • 關斷過程
    • 主要參數
    • • 靜态參數
      • 動态參數
    • 派生器件
  • 全控型電力電子器件
  • • 主要分類
    • 電力場效應半導體
    • • 結構
      • 轉移特性
      • 工作原理
      • 轉移特性
      • 輸出特性
      • 開關過程
      • 優點總結
    • 絕緣栅雙極型半導體（IGBT）
    • • 結構
      • 工作原理
      • 轉移特性
      • 輸出特性
      • 動态特性
      • IGBT的特性和參數特點總結
    • 電力電子器件的現狀
    • 發展趨勢

重點總結

基本器件

thyristor晶閘管

SCR=Silicon Controlled Rectifier可控矽整流器

GTR=Giant Transistor電力半導體/大功率半導體

GTO=gate turn off thyristor門極可關斷晶閘管

IGBT=Insulated Gate Bipolar Translator絕緣栅雙極型（門級）半導體

MOSFET=Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transisto電力場效應半導體

器件特性

1.處理電功率

2.工作開關狀态

3.需要驅動電路

4.通常采取一定保護措施

5.散熱（封裝上講究散熱設計，工作時一般也要安裝散熱器）

基本特性及分類

電力電子器件	二極管	晶閘管	SCR	GTO	GTR	IGBT	MOSFET
可控程度	×	半控	√	√	√	√	√
電子和空穴導電狀況	PN結整流管雙極型	雙極型	雙極型	雙極型	雙極型	複合型	單極型
驅動電路信号（控制信号）	電流	電流	電流	電流	電流	電壓	電壓

雙極型是電流驅動，單極型和混合型都是電壓驅動

電力電子器件	優點	缺點
IGBT	開關速度高，損耗小，具有耐脈沖電流沖擊能力，通态壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅動，驅動功率小	開關速度低于電力MOSFET，電流容量不及GTO
GTR	耐壓高，電流大，開關特效好，通流能力強，飽和壓降低	開關速度低，是電流驅動，所需驅動功率大，驅動電路複雜，存在二次擊穿問題
GTO	電壓電流容量大，适用于大功率場合，具有電導調制效應，其通流能力很強	電流關斷增益很小，關斷時門級負脈沖電流大，開關速度低，驅動功率大，驅動電路複雜，開關頻率低
電力MOSFET	開關速度快，輸入阻抗高，熱穩定性好，所需驅動功率小且驅動電路簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿	電流容量小，耐壓低，一般隻适用于功率不超過10kW的電力電子裝置

大緻重點題型總結

計算題

下圖中陰影部分為晶閘管處于通态區間的電流波形，各波形的電流最大值均為 I m I_{m} Im​, 試計算各 波形的電流平均值 I d I 、 d 2 , I d s I_{d I} 、_{d 2}, I_{d s} IdI​、d2​,Ids​ 與電流有效值 I I 、 I 2 、 I 3 I_{I} 、 I_{2} 、 I_{3} II​、I2​、I3​。

解題關鍵：兩個公式

電流平均值

電流有效值

a) I d l = 1 2 π ∫ π 4 π I m sin ⁡ ω t d ( ω t ) = I m 2 π ( 2 2 + 1 ) ≈ 0.2717 I m I 1 = 1 2 π ∫ π 4 z ( I m sin ⁡ ω t ) 2 d ( ω x ) = I m 2 3 4 + 1 2 π ≈ 0.4767 I m \quad I_{d l}=\frac{1}{2 \pi} \int_{\frac{\pi}{4}}^{\pi} I_{m} \sin \omega t d(\omega t)=\frac{I_{m}}{2 \pi}\left(\frac{\sqrt{2}}{2}+1\right) \approx 0.2717 I_{m}\\ I_{1}=\sqrt{\frac{1}{2 \pi} \int_{\frac{\pi}{4}}^{z}\left(I_{m} \sin \omega t\right)^{2} d(\omega x)}=\frac{I_{m}}{2} \sqrt{\frac{3}{4}+\frac{1}{2 \pi}} \approx 0.4767 I_{m} Idl​=2π1​∫4π​π​Im​sinωtd(ωt)=2πIm​​(22

​​+1)≈0.2717Im​I1​=2π1​∫4π​z​(Im​sinωt)2d(ωx)

​=2Im​​43​+2π1​

​≈0.4767Im​

b) I d 2 = ∫ π 4 π I m sin ⁡ ω t d ( ω t ) = I m π ( 2 2 + D ≈ 0.5434 I m I 2 = 1 π ∫ π 4 π ( I m sin ⁡ ω t ) 2 d ( ω t ) = 2 I m 2 3 4 + 1 2 π ≈ 0.6741 I m \quad I_{d 2}=\int_{\frac{\pi}{4}}^{\pi} I_{m} \sin \omega t d(\omega t)=\frac{I_{m}}{\pi}\left(\frac{\sqrt{2}}{2}+D \approx 0.5434 I_{m}\\ I_{2}=\sqrt{\frac{1}{\pi} \int_{\frac{\pi}{4}}^{\pi}\left(I_{m} \sin \omega t\right)^{2} d(\omega t)}=\frac{\sqrt{2} I_{m}}{2} \sqrt{\frac{3}{4}+\frac{1}{2 \pi}} \approx 0.6741 I_{m}\right. Id2​=∫4π​π​Im​sinωtd(ωt)=πIm​​(22

​​+D≈0.5434Im​I2​=π1​∫4π​π​(Im​sinωt)2d(ωt)

​=22

​Im​​43​+2π1​

​≈0.6741Im​

C) I d s = ∫ 0 π 2 I m d ( ω t ) = 1 4 I m I 3 = 1 2 π ∫ 0 π 2 I m 2 d ( ω t ) = 1 2 I m I_{d s}=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} I_{m} d(\omega t)=\frac{1}{4} I_{m}\\ I_{3}=\sqrt{\frac{1}{2 \pi} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} I_{m}^{2} d(\omega t)=\frac{1}{2} I_{m}} Ids​=∫02π​​Im​d(ωt)=41​Im​I3​=2π1​∫02π​​Im2​d(ωt)=21​Im​

​

上題中如果不考慮安全裕量,問100A的晶閘管能送出的平均電流 I d I , I d 2 , I d s I_{d I}, I_{d 2}, I_{d s} IdI​,Id2​,Ids​ 各為多少 ? ? ? 這時, 相應的電流最大值 I m l 、 I m 2 、 I m 3 I_{m l} 、 I_{m 2} 、 I_{m 3} Iml​、Im2​、Im3​ 各為多少 ? ? ?

解題關鍵：需要注意的是，額定電流中通态平均電流就是，在通過“所允許的最大正弦半波電流”的時候測量得到的。是以可以根據正弦半波波形平均值與有效值之比為 1: 1. 57 來計算（在課本第一節有講）

知道這一點以後，都是有效值的關系，由于上面已經算出來三種波形電流有效值，按比例放大即可。

完整解答

額定電流 I r / u ν = 100 I_{r / u \nu}=100 Ir/uν​=100 A的晶閘管，允許的電流有效值 I = 157 A : I=157 \mathrm{A}: I=157A:

a) I m 1 ≈ I 0.4767 ≈ 329.35 A I d 1 ≈ 0.2717 I m 1 ≈ 89.48 A I_{m 1} \approx \frac{I}{0.4767} \approx 329.35 \mathrm{A}\\ I_{d 1} \approx 0.2717 I_{m 1} \approx 89.48 \mathrm{A} Im1​≈0.4767I​≈329.35AId1​≈0.2717Im1​≈89.48A

b) I m 2 ≈ I 0.6741 ≈ 232.90 A I d 2 ≈ 0.5434 I m 2 ≈ 126.56 A I_{m 2} \approx \frac{I}{0.6741} \approx 232.90 \mathrm{A}\\ I_{d 2} \approx 0.5434 I_{m 2} \approx 126.56 \mathrm{A} Im2​≈0.6741I​≈232.90AId2​≈0.5434Im2​≈126.56A

C) I m 3 = 2 I = 314 A I d 3 = I m 3 = 78.5 A I_{m 3}=2 I=314 \mathrm{A}\\ I_{d 3}=I_{m 3}=78.5 \mathrm{A} Im3​=2I=314AId3​=Im3​=78.5A

簡答題

試說明IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET各自的優缺點。

電力電子器件	優點	缺點
IGBT	開關速度高，損耗小，具有耐脈沖電流沖擊能力，通态壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅動，驅動功率小	開關速度低于電力MOSFET，電流容量不及GTO
GTR	耐壓高，電流大，開關特效好，通流能力強，飽和壓降低	開關速度低，是電流驅動，所需驅動功率大，驅動電路複雜，存在二次擊穿問題
GTO	電壓電流容量大，适用于大功率場合，具有電導調制效應，其通流能力很強	電流關斷增益很小，關斷時門級負脈沖電流大，開關速度低，驅動功率大，驅動電路複雜，開關頻率低
電力MOSFET	開關速度快，輸入阻抗高，熱穩定性好，所需驅動功率小且驅動電路簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿	電流容量小，耐壓低，一般隻适用于功率不超過10kW的電力電子裝置

選擇性查漏補缺

一些容易混淆的概念

單極型半導體和雙極型半導體

單極型半導體也稱場效應管，簡稱FET(Field Effect Transistor)。它是一種電壓控制型器件，由輸入電壓産生的電場效應來控制輸出電流的大小。它工作時隻有一種載流子（多數載流子）參與導電，故稱為單極型半導體。

特點： 輸入電阻高，可達107 ~ 1015 Ω，絕緣栅型場效應管(IGFET) 可高達 1015 Ω。 噪聲低，熱穩定性好，工藝簡單，易內建，器件特性便于控制，功耗小，體積小，成本低。 分類： 根據材料的不同可分為結型場效應管JFET (Junction Field Effect Transistor)和絕緣栅型場效應管IGFET(Insulated Gate FET) 。

雙極型半導體也稱晶體三極管，它是一種電流控制型器件，由輸入電流控制輸出電流，其本身具有電流放大作用。它工作時有電子和空穴兩種載流子參與導電過程，故稱為雙極型三極管。

特點： 三極管可用來對微弱信号進行放大和作無觸點開關。它具有結構牢固、壽命長、體積小、耗電省等一系列獨特優點，故在各個領域得到廣泛應用。 分類： 根據材料的不同晶體三極管可分為矽管(Si)與鍺管(Ge)。 矽三極管的反向漏電流小，耐壓高，溫度漂移小，且能在較高的溫度下工作和承受較大的功率損耗。鍺三極管的增益大，頻率響應好，尤其适用于低壓線路。

電力電子器件

概念

可直接用于主電路中實作電能變換或控制的電 子器件。

主電路：電力電子裝置中承擔電能變換任務的 電路。

主電路的核心：電力電子器件通常專指電力半導體器件。

電力電子器件和資訊電子電路器件的對比

1.處理的電功率的大小，電力電子器件承受的電壓和電流能力遠大于資訊電 子技術中的電子器件，這兩個量也是電力電子器件最重要參數：

2.為了減少本身的損耗，提高效率，一般電力電子器件隻工作在導通或阻斷狀态，是以電力電子器件也被稱為開關器件;

3.通常電力電子器件的控制是由資訊電子電路來實作的，兩者之間連接配接需要專用驅動電路 ;

4.電力電子器件的功率損耗要遠大于資訊電子器件，工作時，通常都需要附加散熱裝置。

功率損耗

斷态損耗：較小，通常可忽略不記：

通态損耗：指電力電子器件導通狀态下的損耗，也是電力電子器件損耗的主要因素;

開關損耗：分為開通過程損耗和關斷過程損耗， 當開關頻率較低時這部分損耗較小，當開關頻率較高時開關損耗也會大幅度增加。

實際應用中的構成

控制電路：根據實際的需要和由檢測電路、保護電路得到的資訊，通過驅動電路來控制主電路中的電力電子器件導通或阻斷，進而達到相應電能變換的目的。

分類

控制程度

1. 不可控器件：通常特指電力二極管它是不能夠用控制信号來控制其導通或阻斷狀态。
2. 半控型器件：主要是指晶閘管及其大部分的派 生器件其關斷是由其在主電路中承受的電壓和 電流的來确定的。
3. 全控型器件：目前常用的有絕緣棚雙極性半導體 (IGBT) 和電力場效應半導體 (Power MOSFET) 。

不可控器件通斷狀态隻由主電路承受的電壓方向決定。

半控型器件導通由電壓決定，但是關斷由電壓電流共同決定。

全控型器件通斷都可以由控制信号決定。

驅動信号性質

1. 電流驅動型：通過在器件的控制端注入或抽出電流來實作器件的導通或者阻斷。
2. 電壓驅動型：通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信号就可以實作導通或者關斷的控制。

驅動信号波形

1. 脈沖觸發型：通過在器件的控制端施加一個電壓 或電流的脈沖信号來實作器件的開通或阻斷。
2. 電平控制型：通過持續在控制端和公共端之間施加一定電壓或電流信号來維持器件的開通或阻斷狀态。

電力二極管

20世紀50年代初得到了應用。

在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少的, 特别是開通和關斷速度很快的快恢複二極管和肖特基二極管，具有不可替代的地位。

PN結與電力二極管的工作原理

電力二極管是以半導體PN結為基礎的,實際上是由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的。

從外形上看, 可以有螺檢型、平闆型等多種封裝形式。

二極管的單向導電性

電力二極管外接正向電壓時，電流由陽極A流 入陰極K流出，這樣流過的電流一一正向電流

二極管外接反向電壓時，這時器件呈現阻斷狀 态，沒有電流流過一反向截止狀态

阻斷狀态時，器件一般具有較高的反向耐壓能力。但當反向電壓過大，反向電流會突然增大一一反向擊穿

因過熱而燒毀現象一一熱擊穿（反向擊穿一點點及時糾正還能用）

二極管的PN電容效應

在高速開通/阻斷狀态下，會導緻電力二極管的單向導電性變差，甚至不能工作。

靜态特性

主要是指其伏安特性

正向電壓大到一定值 (門檻電壓 U T O ) , \left.U_{T O}\right), UTO​), 正向電流才開始明顯增加，處于穩定導通狀态。與 I F I_F IF​對應 的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降 U F U_{F} UF​ 。

承受反向電壓時，隻有少子引起的微小而數值 恒定的反向漏電流。

基本特性

二極管的端電壓由正向偏置轉為反向偏置時，需經過短暫反向恢複時間才能恢複反向阻斷能力進入截止狀态;

二極管由反向偏置轉換為正向偏置時也需要經過一段時間才能進入穩定導通狀态;

該過程一一正向恢複時間

電壓和電流随時間變化的這個過程一一開關過程

相應器件的端電壓和電流的關系一一電力二極管的動态特性 (開關特性)

主要特征參數

正向平均電流 I F I_F IF​：指電力二極管長期工作是在特定 管殼溫度和散熱條件下，允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。

正向壓降：指電力二極管在特定溫度下流過某一 特定正向電流所對應的器件兩端的壓降。也反映了器件工作過程中的功率損耗情況。。

反向重複峰值電壓：指電力二極管所能承受的反複施加的反向最高峰值 電壓值。反映了器件的工作電壓定額，使用時，通常應留有兩倍的裕量。

主要類型

普通二極管又稱整流二極管，其特點是正向電流定額和反向電壓電定額都較高。

快恢複二極管，其反向恢複過程相對較短，正向導通壓降也較低。

肖特基二極管，這種二極管的反向恢複時間更短，同時 它的正向導通壓降也更低，但其最大的缺點是反向耐壓相對較低，對溫度也比較敏感。

晶閘管（半控）

晶體閘流管的簡稱，曾被稱為可控矽。

晶閘管能承受的電壓和電流容量，仍是目前廣泛使用的電力電子器件中最高的，且工作可靠，是以在大容量的場合仍占有重要的地位。

由于PNPN的結構，可以等效為雙半導體。

靜态特性

1. 當晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發 電流，晶鬧管都不會導通。
2. 當晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發電流 的情況下晶閘管才能開通。
3. 晶閘管一旦導通, 門極就失去控制作用，不論門極電流是否還存在，晶閘管都保持導通。
4. 若要使已導通的晶閘管關斷, 隻能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以下。

伏安特性

在器件兩端施加正向電壓時：

1. 當I G = 0 , _{\mathrm{G}}=0, G​=0, 晶閘管處于正向阻斷狀态，隻有很小的正向漏電流流過。
2. 如果正向電壓超過臨界極限電壓 U b o , U_{b o}, Ubo​, 則漏 電流急劇增大，器件轉為開通狀态。這個臨 界極限電壓 U b o U_{b o} Ubo​ 稱為“正向轉折電壓”。
3. 随着門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低， 晶閘管導通後本身壓降很小，約為1V左右。
4. 如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零 的某一數值 I H I_{H} IH​ 以下，則晶閘管又恢複正向阻斷， 這個電流 I H I_{H} IH​ 稱為維持電流。

在器件兩端施加反向電壓時：

1 其伏安特性與二極管的反向特性類似。晶閘管處于反向阻斷狀态, 隻有極小的反向浦 電流通過

2 當反向電壓超過一定限度, 達到反向擊穿電 壓後, 外電路如無限流措施, 則反向漏電流 會急劇增大, 最終會導緻晶閘管發熱損壞。

動态特性

開通過程

1. 由于晶閘管内部由阻斷變為導通的過程需要 時間, 再加上外電路電感的限制，晶閘管門 極觸發後, 電流的增長不是瞬間完成的，這 個過程所需的時間稱為開通時間。
2. 一般開通過程随門極電流的增大而減小。
3. 在開通電流上升過程中, 晶閘管兩端的電壓也逐漸減小，顯然此階段流過晶閑管兩端的電流和電壓都較大, 此階段器件會産生較大的功率損耗，稱為開通過程損耗。

關斷過程

1. 由于外電路電感的存在，原處于導通狀态的晶 閘管當外加電壓突然由正向變為反向時，其陽 極電流在衰減時必然也是有過渡過程的。

   反向阻斷恢景時間 t r r t_{r r} trr​

   正向阻斷恢廈時間 t g r t_{g r} tgr​

   關斷時間 t q = t r r + t g r t_{q}=t_{r r}+t_{g r} tq​=trr​+tgr​

2. 關斷過程中如重新對晶閘管施加正向電壓, 晶閘管會重新導通。
3. 在電流下降過程中，晶閘管同樣會産生較大的功率損耗，這個損耗我們稱之為關斷過程損耗。

主要參數

靜态參數

1. 正向斷态重複峰值電壓 U D R M \mathbf{U}_{\mathrm{DRM}} UDRM​

   是在門極斷路而結溫為額定值時(100A以上為1l5℃，50A以下為100℃)，允許重複加在器件上的正向峰值電壓。

   UDRM=Repetitive peak off-state voltage

2. 反向重複峰值電壓 U R R M \mathrm{U}_{\mathrm{RRM}} URRM​

   是在門極斷路而結溫為額定值(100A以上為1l5℃，50A以下為100℃)時，允許重複加在器 件上的反向峰值電壓。

   URRM=Reverse repeated peak voltage

   一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的2~3倍。

3. 通态平均電流 I T ( A V ) \mathrm{I}_{\mathrm{T}}(\mathbf{AV}) IT​(AV)

   國标規定通态平均電流為晶閘管在環境溫度為40℃和規定的冷卻狀态下，穩定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。

   工程上一般取流過電流有效值的1.5~2倍。

4. 維持電流 I H \mathrm{I}_{\mathrm{H}} IH​

   維持電流是指使晶閘管維持導通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。

   結溫越高則 I H I_H IH​相對較小。

5. 擎住電流 I L _{\mathbf{L}} L​

   擎住電流是晶閘管剛從斷交轉入通交并移除觸發 信号後, 能維持器件正常導通所需的最小電流。

   約為 I H I_H IH​的2~4倍。

6. 浪湧電流 I T S M I_{\mathrm{TSM}} ITSM​

   指由于電路異常情況引起的并使結溫超過額定 結溫的不重複性最大正向過載電流。

動态參數

1. 器件動态過程的開通時間 t s t_{s} ts​ 和關斷時間 t g t_{g} tg​ 反應了器件的開關速度。

2. 斷态電壓臨界上升率 d u d t \frac {du}{dt} dtdu​

   在額定結溫和門極開路的情況下， 不導緻晶閘管從斷态到通态轉換的外加電壓最大上升率。

   由于電壓上升率過快，會導緻晶閘管出現誤導通現象。

3. 通态電流臨界上升率 d i d t \frac {di}{dt} dtdi​

   在規定條件下，晶閘管能承受最通态電流的上升率。電流上升太快, 會造成局部過熱而使晶閘管損壞。

派生器件

快速晶閘管（開關時間較短）

雙向晶閘管（可以認為是一對反并聯晶閘管內建）

逆導晶閘管（将晶閘管反并聯一個電力二極管）

光導晶閘管（利用一定波長的光照信号觸發）

全控型電力電子器件

主要分類

雙極性半導體（BJT）

門極可關斷晶閘管（GTO）

BJT和GTO都是電流驅動型器件，電流流通能力較強，但開關慢，需要驅動的功率較大，驅動電路複雜，應用較少

電力場效應半導體 (POWER MOSFET)

絕緣棚雙極半導體（IGBT）

電力場效應半導體

結構

電力場效應半導體目前主要是MOS型絕緣協場效應 半導體，簡稱電力MOSFET (Power MOSFET) 。

N溝道：棚極電壓大于零時才存在導電溝道。（目前主要應用）

P溝道：栅極電壓小于零時才存在導電溝道。

轉移特性

驅動電路簡單，所需要的驅動功率較小。

開關速度快，工作頻率高。

熱穩定性較好。

電流的容量較小，耐壓較低。（主要用于功率不超過10kw的小型電力電子裝置）

工作原理

當漏源極間接正向電壓，棚極和源極間電壓為零，則漏源極之間無電流流過。此時電力MOSFET處于截止狀态。

若在栅極和源極之間加一正電壓 U G S , U_{G S}, UGS​, 且 U G S U_{G S} UGS​ 大于某一電壓值 U T U_{T} UT​ 時，漏極和源極可以導 電，即電力MOSFET進入導通狀态。其中 U T U_{T} UT​ 為開啟電壓 (或門檻值電壓) ，随着 U G S , U_{GS}, UGS​, 導電能力越強，漏源極可通過的電流越大。

轉移特性

概念：指漏極電流  I D  和栅源間電壓  U G S  的關系。  \text {概念：指漏極電流 } I_{D} \text { 和栅源間電壓 } U_{G S} \text { 的關系。 } 概念：指漏極電流 ID​ 和栅源間電壓 UGS​ 的關系。 

特點： I D I_{D} ID​ 較大時 , , , 其與 U G S U_{GS} UGS​ 的關系局部近似線性, 其關系曲線的斜率被定義為MOSFET的跨導 G f s G_{fs} Gfs​

G f s = d I D d U G S G_{\mathrm{fs}}=\frac{\mathrm{d}{I}_{\mathrm{D}}}{\mathrm{d} U_{\mathrm{GS}}} Gfs​=dUGS​dID​​

顯然為電壓控制型器件，輸入阻抗較高，輸入電流較小。

輸出特性

可分為截止區、飽和區、非飽和區三個區域。

開關狀态的電力MOSFET，是截止區和非飽和區之間進行轉換的。其中截止區器件處于阻斷狀态，而非飽和區則器件處于導通狀态。

開關過程

電力MOSFET開關過程的速度和其輸入電容的充放電有很大關系：降低栅驅動電路回路的電阻 R s , R_{s}, Rs​, 可減小栅極回路的充放電時間常數，加快開關速度。

開通時間包含

開通延遲時間 t d ( o n ) t_{d(o n)} td(on)​

電流上升時間 t r t_{r} tr​

電壓下降時間 t N t_{N} tN​

關斷過程

關斷延遲時間 t d ( o f f ) t_{d(off)} td(off)​

電壓上升時間 t r v t_{rv} trv​

電流下降時間 t f i t_{fi} tfi​

開關頻率越高，所需要的驅動功率也越大。（工作頻率可達100KHz以上，是目前主要電力電子器件中，開關頻率最高的）

存在開通損耗和關斷過程損耗。

優點總結

開關速度快

輸入阻抗高

熱穩定性好

所需驅動電路簡單

雙極性半導體和門極可關斷晶閘管的通流能力強

絕緣栅雙極型半導體（IGBT）

結構

以上優點的結合

等效為雙極型半導體和電力場效應半導體的組合

其輸入控制側具有電力場效應半導體的特點，而輸出功率容量較大的優點。

工作原理

與電力MOSFET相同，也是一種場控型器件及電壓控制型器件。

開通和關斷是由栅極和發射極間的電壓 U G E U_{G E} UGE​ 決定的。

當 U G E U_{G E} UGE​ 為正且大于開啟電壓 U G E ( t h ) U_{G E(th)} UGE(th)​ 時，IGBT導通。

當棚極與發射極間施加反向電壓或不加信号時，IGBT關斷。

轉移特性

描述IGBT集電極電流 I c I_{c} Ic​ 與栅射電壓 U G E U_{G E} UGE​ 之間的關系。

開啟電壓 U G E ( ω ) U_{G E(\omega)} UGE(ω)​ 是IGBT實作導通的最低栅極和射極間電壓，其随溫度升高而略有下降。

輸出特性

以棚射電壓為參考變量時，集電極電流 I C I_{C} IC​ 與集射極間電壓 U C E U_{C E} UCE​ 之間的關系。

工作在開關狀态IGBT，是在正向阻斷區和飽和區之間進行轉換的：

正向阻斷區器件處于阻斷狀态 ;

飽和區則器件處于導通狀态。

動态特性

通常IGBT的開關速度要低于電力MOSFET。

開通時間

開通延遲時間 t d ( o n ) t_{d(o n)} td(on)​

電流上升時間 t r t_{r} tr​

電壓下降時間 t f v t_{fv} tfv​

關斷時間

關斷延遲時間 t d ( o f f ) t_d{(off)} td​(off)

電壓上升時間 t r v t_{rv} trv​ 電流下降時間 t f i t_{f i} tfi​

IGBT的特性和參數特點總結

與電力MOSFET相比，IGBT的通流能力和驅動負載能力更強;

與雙極性半導體相比，IGBT的開關速度高，開關損耗小;

IGBT的擎住效應：寄生的晶閘管觸發導通工作，栅極會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。（集電極電流過大，集電極和發射極之間的電壓的變化率過大或溫度升高）

電力電子器件的現狀

小功率（10kW以下）場合以電力MOSFET為主 ;

中、大功率場合以IGBT為主的壓倒性局面 ;

在10MVA以上或者數千伏以上的應用場合，如果不需要自關斷能力，晶閘管是目前的首選器件。

發展趨勢

20世紀中後期電力電子器件逐漸向子產品化方向發展。出現了将 多個器件封裝在一個子產品中的功率子產品：

縮小裝置體積

降低成本

提高可靠性

減小了線路電感

簡化了對保護和緩沖電路的要求

功率內建電路

寬禁帶半導體材料（碳化矽、氮化镓），相比矽器件:

高得多的耐高電壓能力

低得多的通态電阻

更好的導熱性能和熱穩定性

更強的耐受高溫和射線輻射的能力