功率器件工作原理

功率半导体的发展历程及其展望

技术分类： 电源技术 模拟设计 | 2005-02-16

EDN China

功率半导体器件和电力电子

世界上最早的半导体器件是整流器和晶体管，当时并没有功率半导体或微电子半导体之分。1958年，我国开始了第一个晶闸管研究课题(当初称为PNPN器件)。在大致相似的时间里，集成电路的研究也逐步开始。从此半导体器件向两个方向发展。前者成为电力电子学的基础，后者则发展并促成了微电子及信息电子学。

按照我国当时的体制，功率器件被归入机械系统，集成电路则列入电子系统。由于半导体的龙头在电子系统，再加上集成电路又是半导体的主体，因而经过长期的演变，在一些场合集成电路几乎成为半导体器件的唯一代名词。

六十年代末七十年代初，在全国曾掀起过一个\可控硅\热。这个热潮持续甚久，影响很大，因而国内至今仍有人认为功率半导体的主体就是可控硅。七十年代末

，可控硅发展成为一个大家族。并被冠以一个标准化的名称\晶闸管\。由于以开关技术来调节功率，所以在器件上的损耗很小，因此被誉为节能的王牌。其应用领域更是遍及到各个领域。我国在1979年开始酝酿成立电力电子学会，略早于美国

1.微波管参量：带宽、功率等的基本概念、分类 带宽：是指微波振荡器或放大器在一定工作条件下，能满足一定技术指标要求的工作频率范围。分类：绝对带宽，相对带宽，增益带宽，功率带宽，效率带宽，瞬时带宽，调谐带宽，冷带宽，热带宽；功率：连续波状态的功率，脉冲状态的功率，平均功率

2.平板间隙中的感应电流，感应电流的产生过程，渡越角，耦合系数等概念，电子与场的能量交换过程。

??x?Q?S?0Eqk?q(1?)????d其中E为当平板中没有从阴极飞向阳极的电子Q?qa?S?0E2?????qa?qxQ?qk?S?0E1??d?E1x?E2(d?x)?Ed??带只有外加电压Vc时的电场

qa?qk?qx?Qk??Q?qk??Q?q(1?)??d电流是由电荷的变化产生的，因而外电路中的电流：?x?Qa?Q?qa?Q?q()?d?i?dQadt?dQdt?qdxddt?dQdt?qdv?id?dQdt?CdVcdt感应电流：iind?qvd，所以二极管

电极外电路中流过的电流实际上是运动电荷?q在飞行过程中电极上感应电荷的变化引起的，成为感应电流。设注入间隙的密度调制电子流为i?I0?Imsin?t，I0为电流的直流分量，Im为电流的交变分量。选择间隙中间为坐

晶闸管 功率器件在静止变频技术中的应用

我国20世纪80年代以前的静止变频技术由于受到电力电子器件技术的影响，一直处于停滞不前的状态，各个行业感应加热用中频电源基本上使用中频变频电机供电。随着20世纪90年代初电力电子器件的发展，目前国内中频电机组正呈被淘汰的格局，静止变频设备开始大量使用，特别是在音频、超音频领域，表现更为明显。80年代、90年代，国内静止变频基本上采用晶闸管作为功率开关元件，工艺水平基本上以8KC为上限。到2000年，国内开始出现采用IGBT作为功率开关器件的变频技术，工作频率可达20KC，功率可达300KW。目前国内已出现50KC、100KW的全固态电源，可以说静止变频技术目前国内处于高速发展的阶段。

晶闸管的使用与保护

晶闸管是晶体闸流管的简称，它是具有PNPN四层结构的各种开关器件的总称。按照国际电工委员会(IEC)的定义，晶闸管指那些具有3个以上的PN结，主电压——电流特征至少在一个象限内具有导通、阻断两个稳定状态，且可在这两个稳定状态之间进行转换的半导体器件。我们通常说的晶闸管是其中之一，统称可控硅(SiliconControlledRectifier)，主要有普通晶闸管(KP)、快速晶闸管(KK)

功率器件在混合动力汽车(HEV)中的应用

混合动力汽车(HEV)市场的增长在很大程度上取决于每加仑/英里这一能耗指标及追加投入的每个硬币所带来的好处以及混合系统现场的可靠性。消费者将混合汽车与标准汽车进行比较，并期待在整体更低拥有成本的前提下起码具有同样的性能和可靠性。混合汽车增加的成本必须在拥有期间通过节省燃料和维护成本得到回报。

用在HEV中逆变器和dc-dc转换器中的功率模块和其内的功率器件是主要的性能、可靠性和成本驱动器。效率、功率密度和特定功率是一些关键性能指标。最重要的可靠性规范是热循环和功率循环。 混合动力汽车的分类

在混合汽车驱动系统中，需将一或几个电机与燃烧引擎一起使用。可根据混合程度和系统架构对混合汽车进行分类。可被分为微(micro)级、轻度(mild)级和完全(full)级的混合程度决定电机执行的功能。该分类还决定所需的功率级及优选的系统架构。

串行、并行和功率分配是最常用的架构。对一款特定车辆来说，混合程度和系统架构的选择主要取决于所需的功能、车辆大小、行驶年限及设定的燃油经济性指标。每个混合系统的功率电子内容各不一样，它取决于功能、功率要求和架构。

当仅需要启动-停止功能时(例如旅行车场

课 题：

4.1 概述

4.2 谐振功率放大器的工作原理 教学目的：

1.了解高频功率放大器的基本概念和类型 2.掌握高频谐振功率放大器的特点 3.掌握高频谐振功率放大器的工作原理 教学重点：

高频功率放大器的基本概念和类型 高频谐振功率放大器的特点 教学难点：

高频谐振功率放大器的工作原理 教学方法：

讲授 课 时：

2学时 教学进程

单元四 功率放大器概述及电路

4.1 概述

顾名思义,高频功率放大器用于放大器高频信号并获得足够大的输出功率,常又称为射频功率放大器(Radio Frequency Power Amplifier)。它广泛用于发射机、高频加热装置和微波功率源等电子设备中。

一、高频放大器的分类

根据相对工作频带的宽窄不同，高频功率放大器可分为窄带型和宽带型两大类。

1. 窄带型高频功率放大器

通常采用谐振网络作负载，又称为谐振功率放大器。

为了提高效率，谐振功率放大器一般工作于丙类状态或乙类状态，近年来出现了工作在开关状态的丁类状态的谐振功率放大器。

2. 宽带型高频功率放大器 采用传输线变压器作负载。

传输线变压器的工作频带很宽，可以实现功率合成。 二、谐振功率

功率因数表的结构与工作原理及示波图法测量功率因数

摘要:本文主要描述测量功率因数的方法，介绍相关仪表的结构及其工作原理，

在测量功率因数时产生误差的因素。现在常见的是采用单片机测量功率因数，说明它的工作原理。阐述通过示波图测量功率因数的方法。 关键字:功率因数 机械式 电子式

1. 功率因数的定义

在交流电路中，电压(U)与电流(I)之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S。

在直流电路里，电压乘电流就是有功功率。但在交流电路里，电压乘电流是视在功率，而能起到作功的一部分功率（即有功功率）将小于视在功率。有功功率与视在功率之比叫做功率因数，以cosΦ表示，其实最简单的测量方式就是测量电压与电流之间的相位差，得出的结果就是功率因数。

功率因数也可以由电路中纯阻值与总阻抗的比值求得。在实际电路中由于有电机设备中(如鼓风机、抽水机、压缩机等)等感性负载,使功率因数降低即产生了无功功率.无功功率使得电能没有全部转化为人们所用（即有功功率），而有一部分损耗（即无功功率）。也就是因为感性负载的存在，造成了系统里的一个KVAR值，视在功率、有功功率、无功功率三者是一

功率半导体分立器件产业现状及发展前景研究（一）

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集成电路的发明，是20世纪人类科技史最伟大的发明之一。以集成电路为代表的半导体产业作为信息产业的基础和核心，是国民经济和社会发展的战略性产业，在推动经济发展、社会进步，提高人民生活水平以及保障国家安全等方面正发挥着日益重要的作用，已成为当前国际科技和产业竞争的焦点，也是衡量一个国家和地区现代化程度和综合国力的重要标志。

由于集成电路及其它半导体器件所具有的特殊战略地位，已被国家国民经济和社会发展“十一五”规划、国家科技中长期发展规划纲要、国家信息产业发展“十一五”规划列为重点支持的科技和产业予以加快发展。特别是党的十七大明确提出工业化、信息化、城镇化、市场化、国际化和加快信息化和工业化的融合战略，更为信息产业特别是半导体器件产业的发展带来了更大的机遇。

半导体分立器件作为半导体器件基本产品门类之一，是介于电子整机行业和原材料行业之间的中间产品，是电子信息产业的基础和核心领域之一。近年来，随着全球范围内电子信息产业的快速发展壮大，半导体分立器件特别是功率半导体分立器件市场一直保持较好发展势头。

“十一五”期间，海外电子信息产业的制造环节将继续以

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高频电子线路

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高频电子线路

主要内容： 主要内容：重点掌握： 重点掌握： 1、高频功率放大器的工作原理及折线近似分析法； 、高频功率放大器的工作原理及折线近似分析法； 折线近似分析法 2、高频功率放大器的电路组成及网络匹配； 、高频功率放大器的电路组成及网络匹配； 了解： 了解： 1、丁类功率放大器工作原理； 、丁类功率放大器工作原理； 2、功率合成器的工作原理； 、功率合成器的工作原理； 3、倍频器的工作原理。 、倍频器的工作原理。

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高频电子线路

在高频范围内， 在高频范围内，为了获得足够大的高频输出 功率，必须采用高频调谐功率放大器， 功率，必须采用高频调谐功率放大器，这是 发射设备的重要组成部分 的重要组成部分。 发射设备的重要组成部分。 输出功率大高频功率放大器的一般 要求同低频功放 低频功放相同 要求同低频功放相同

效率高特点:1.工作频率高， 特点:1.工作频率高，相对频带窄 :1.工作频率高 2.采用选频网络作为负载回路 2.采用选频网络作为负载回路 3.一般工作在丙类工作状态 一般工作在丙类工作状态， 3.一般工作在丙

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1.前言

晶闸管又叫可控硅(SCR)，自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管，双向晶闸管，光控晶闸管，逆导晶闸管，可关断晶闸管，快速晶闸管，等等。晶闸管是一种大功率半导体器件，它的最大特点是容量大，电压高，损耗小，控制灵便，是大功率变频技术较理想器件。

2.晶闸管的结构与工作原理

2.1晶闸管的结构

它有三个电极，螺旋那一端是阳极a的引出端，并利用它与散热器固定；另一较粗的引线为阴极k，较细的引线则为控制极g。容量更大的晶闸管一般采用平板式，可带风冷或水冷散热器，容量较小的晶闸管与大功率二极管外形相似，只是多了一个控制极。晶闸管的内部结构由PNPN四层半导体构成，中间形成三个PN结：J1，J2，J3.从下面的P1层引出阳极，从上层引出阴极，由中间的P2层引出控制极。

晶闸管就如二极管一样，具有单向导电特性，电流只能从阳极流向阴极，当元件加以反向电压，只有极小的反向漏电流从阴极流向阳极，晶闸管处于反向阻断状态.

晶闸管不同于二极管，还具有正向导通的可控特性。当元件加上正向电压时，元件还不能导通，呈正向阻断状态，这是二极管所不具有的。

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分立元件OCL功率放大电路原理分析

OCL是英文Output Capacitor Less的缩写，意思是没有输出电容器。OCL功率放

大电路一般采用正、负对称的两组电源供电，电路内部直到负载扬声器全部采用直接耦合，中间无输入、输出变压器（人们将不用输入和输出变压器的功率放大电路称为单端推挽电路），也不需要输出电容器，其好处是通频带宽，信号失真最低。

(1)OCL功率放大器的结构组成

功率放大器的结构如图1所示。OCL功率放大电路分为输入级、激励级、功率输出级三级，此外还有为稳定电路工作而设置的负反馈网络和各种补偿电路，有些还设置有过载保护电路。

图2是一种实际的功放电路，早期一些低档功放机器采用了这一电路。下面结合该电路来认识一下功率放大器的各组成部分。

1)输入级：输入级主要起缓冲作用。输入级多采用差分对管放大电路（也有采用运算放大电路的），通常引入一定量的负反馈，增加整个功放电路的稳定性和降低噪声。差分放大器由两个特性相同的放大电路组成，其左、右两管的参数几乎完全相同。这种电路具有很高的稳定性，能抑制“零点漂移”，保证输出级中点电压的稳定。有些功放机器的差动管发射极采用恒流源电路，常见的有二极管和三极管组成的恒流源和