第四章 全控型电力电子器件
全控型电力电子器件
GTO的关断机理： 在双晶体管等效模型中，利用门 极负电流分流IC1，并快速抽取 V2管发射结侧载流子，以实现快 速关断 GTO优点：电压、电流容量大，适用于大 功率场合，具有电导调制效应，其通流能 力很强；缺点：电流关断增益很小，关断 时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动 功率大，驱动电路复杂，开关频率低
2.电力晶体管（Giant Transistor—GTR）
GTR是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管，电流驱动型全控器件。
GTR关断原理： 开通时，Uce正偏，提供基极电流； 关断时，I b小于等于零。 开通和关断可由基极电流来控制，故称为全控型器件和电流型驱动器件。
GTR优点：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低 缺点：开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率电路复杂，存在二次击穿问题
4.绝缘栅极晶体管（IGBT）
复合型器件，将GTR双极型电流驱动器件和电力MOSFET 单极型电压驱动器件结合。综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。
关断原理：IGBT是一种压控器件。其C-E间主电流的通断是由栅极和射极间的电压 uGE的高低决定的。 E极为公共端。 IGBT优点：开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低， 输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小；缺点：开关速度低于电力MOSFET,电压， 电流容量不及GTO
3.电力场效应管绝缘栅型中的MOS型 （Metal Oxide Semiconductor FET）
关断原理：以G-S间施加电压的高低来控制D-S间主电流的通断。源极S为公共端。 门极几乎不取用电流，属压控器件。uGS正电压超过开启电压时导通，负电压作 用可使其快速关断。 优点：开关频率最高；驱动电流小，易驱动；通态电阻具有正温度系数（有利于器件 并联均流）；缺点：电压电流容量较小；通态压降较大，ID大则压降随之增大。
全控型电力电子器件
⑤ BUCEX 为基极----发射极施加反偏压时，集电极----发射极的击穿电压。 各种不同接法时的击穿电压的关系是： BUCBO BUCEX BUCES BUCER BUCEO
为了保证器件工作安全，GTR的最高工作电压 UCEM 应比 BUCEO 低。 （2）饱和压降 U CES 处于深饱和区的集电极电压称为饱和压降，在大功率应用中它关系到器 件导通的功率损耗。单个GTR的饱和压降一般不超过 1 ~ 1.5 V，它随着集电 极电流 ICM 的增加而增大。
全控型电力电子器件
6.1 电力双极型晶体管 6.2 电力场效应晶体管 6.3 绝缘栅双极型晶体管 6.4 其它新型电力电子器件
6.1.1 电力双极型晶体管的结构及工作原理
➢ 电力双极型晶体管（GTR）是一种耐高压、能承受大电流的双极性 晶体管，也称为BJT，简称为电力晶体管。 ➢ 电力晶体管有与一般双极型晶体管相似的结构、工作原理和特性。 它们都是3层半导体，2个PN结的三端器件，有PNP和NPN这2种类型， 但GTR多采用NPN型。 在应用中，GTR一般 采用共发射极接法。集电 极电流 与基极电流 的比
6.3.1 IGBT的结构及工作原理
IGBT也是一种三端器件，它们分别是栅极G、集电极C和发射极E。 由IGBT的结构图可知，它相当于用一个MOSFET驱动的厚基区PNP 晶体管。从简化等效电路可以看出，IGBT等效于一个N沟道的MOSFET 和一个PNP型晶体三极管构成的复合管，导电以GTR为主。图中的 是 GTR厚基区内的调制电阻。 IGBT的开通和关断均由栅极电压控制。当栅极加正电压时，N沟道 场效应管导通，并为晶体三极管提供基极电流，使得IGBT开通。当栅 极加反向电压时，场效应管导电沟道消失，PNP型晶体管基极电流被切 断，IGBT关断。
电力电子技术-第4章逆变电路讲解
4.3.1 单相电流型逆变电路
（1）电路结构
①用④阻载② 载来③ 联 确4并抗电个采 电限应C谐联，压桥和用 压制称振谐谐波臂L负 （晶之式振波形、，载 呈闸为逆回在接R每换 容管容变构路负近桥相性开性电成对载正臂方）通小路并基上弦晶式。时失（联波产波闸，的谐但谐呈生。管要d负最振高的i各/求载d终电阻压t串负）负路抗降联载载，，很一电仍故对小个流略此谐，电略显电波因抗超容路呈此器前性称低负L于T，为，负并准
4.2.1 单相电压型逆变电路
1、 半桥逆变电路 •（1）电路图
+
Ud 2
Ud
Ud 2
-
V1 io R L
u o V 2
a)
VD 1
VD 2
*导电方式：
V1，V2信号互补，
各导通180゜。
•半桥逆变电路有两个桥臂， 每个桥臂有一个可控器件和一 个反并联二极管组成。 •在直流侧接有两个相互串联 的足够大的电容，两个电容的 联结点是直流电源的中点。 •负载联结在直流电源中点和 两个桥臂联结点之间。
能否不改变直 流电压，直接进行 调制呢？为此提出 了导电方式二：
移相导电方式。
*导电方式二：移相调压 调节输出电压脉冲的宽度
采用移相方式调节逆变电路的输出电压
• 各IGBT栅极信号为180°正偏， 180°反偏，且V1和V2栅极信号互补， V3和V4栅极信号互补； • V3的基极信号不是比V1落后180°，
而是只落后q ( 0< q <180°)；
• 也就是：V3、V4的栅极信号分别比
V2、V1的前移180°-q 。
工作过程
•t1时刻以前V1，V4通，u0=ud, io 从 0 增加； •t1时刻V4断，V1，VD3续流，u0=0，io 下降； • t2时刻V1也关断，io 还未下降到0，于是VD2，VD3续流，u0=-ud。 •直到io过0变负，V2，V3通，u0=-ud, io从0负增加； •t3时刻V3断，V2，VD4续流，u0=0，io 负减小； • t4时刻V2也关断，io 还未减小到0，于是VD1，VD4续流，u0=ud。
电力电子技术智慧树知到答案章节测试2023年
第一章测试1.晶闸管从承受正向电压开始到触发脉冲出现之间的电角度称为（）。
A:脉冲角 B:导通角 C:触发延迟角 D:晶闸管角答案:C2.晶闸管在一个周期内处于导通的电角度称为（）。
A:导通角 B:脉冲角 C:晶闸管角 D:触发延迟角答案:A3.电力二极管与小功率二极管的结构、工作原理和伏安特性相似，属于不可控器件。
（） A:对 B:错答案:A4.现代电力电子器件是指半控性的电力半导体器件。
（） A:对 B:错答案:B5.“电力”变换，其变换功率既可大到数百甚至数千兆瓦，亦可小到几瓦或更小。
（） A:错 B:对答案:B6.晶闸管的结构是一种大功率单晶硅材料制成的四层三端结构。
（） A:错 B:对答案:B7.单结晶体管有三个极，分别是发射极、基极、放大极。
（） A:错 B:对答案:A8.单相桥式半控整流电路，正常运行情况下，如果突然把触发脉冲切断或者将触发延迟角增大到180°，电路将产生失控现象。
（） A:对 B:错答案:A9.单相桥式半控整流电路带感性负载时，认为负载电感足够大从而使负载电流连续且为一水平线。
（） A:错 B:对答案:B10.整流电路是一种把交流电源电压转换成所需的交流电压的电路。
（） A:错B:对答案:A第二章测试1.同步就是要求锯齿波的频率与主回路电源的频率相同。
（） A:对 B:错答案:A2.锯齿波同步电压是由起开关作用的控制的，截止期间产生锯齿波，其截止持续的时间就是锯齿波的宽度，开关的频率就是锯齿波的频率。
（） A:对 B:错答案:A3.TCA785内部的逻辑运算电路都是由基准电源供电，通过引脚12就可以测量基准电压是否正常。
（） A:对 B:错答案:B4.单相桥式全控整流电阻性负载电路中，晶闸管的电流有效值为I。
（） A:对B:错答案:B5.单相桥式全控整流电感性负载电路中，当控制角大于90°时，负载两端电压波形的正面积大于负面积，输出平均值大于0。
电力电子技术(王兆安第五版)课后习题全部答案
电力电子技术2-1与信息电子电路中的二极管相比，电力二极管具有怎样的结构特点才使得其具有耐受高压和大电流的能力？答：1.电力二极管大都采用垂直导电结构，使得硅片中通过电流的有效面积增大，显着提高了二极管的通流能力。
2.电力二极管在P区和N区之间多了一层低掺杂N区，也称漂移区。
低掺杂N区由于掺杂浓度低而接近于无掺杂的纯半导体材料即本征半导体，由于掺杂浓度低，低掺杂N区就可以承受很高的电压而不被击穿。
2-2. 使晶闸管导通的条件是什么？答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。
或：uAK>0且uGK>0。
2-3. 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。
要使晶闸由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。
2-4 图2-27中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为I m ，试计算各波形的电流平均值I d1、I d2、I d3与电流有效值I1、I2、I3。
解：a) I d1=Im2717.0)122(2Im)(sinIm214≈+=⎰πωπππtI1=Im4767.021432Im)()sin(Im2142≈+=⎰πϖπππwtdtb) I d2=Im5434.0)122(2Im)(sinIm14=+=⎰wtd tππϖπI2=Im6741.021432Im2)()sin(Im142≈+=⎰πϖπππwtdtc) I d3=⎰=2Im41)(Im21πωπtdI3=Im21)(Im2122=⎰tdωππ2-5上题中如果不考虑安全裕量,问100A的晶阐管能送出的平均电流I d1、I d2、I d3各为多少?这时，相应的电流最大值I m1、I m2、I m3各为多少?解：额定电流I T(AV)=100A的晶闸管，允许的电流有效值I=157A,由上题计算结果知a) I m135.3294767.0≈≈IA, I d1≈0.2717I m1≈89.48Ab) I m2,90.2326741.0AI≈≈I d2AIm56.1265434.02≈≈c) I m3=2I=314 I d3=5.78 413=mI2-6 GTO和普通晶闸管同为PNPN结构,为什么GTO能够自关断,而普通晶闸管不能?答：GTO 和普通晶阐管同为PNPN 结构，由P1N1P2和N1P2N2构成两个晶体管V1、V2，分别具有共基极电流增益1α和2α，由普通晶阐管的分析可得，121=+αα是器件临界导通的条件。
2020智慧树知道网课《电力电子技术》章节测试满分答案.
绪论单元测试1【判断题】(2分)电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。
（）A.对B.错2【判断题】(2分)电力变换通常分为四大类：交流-直流变换、直流-交流变换、直流-直流变换和交流-交流变换。
（）A.错B.对第一章测试1【判断题】(2分)电力二极管的主要参数有正向平均电流、正向压降和反向重复峰值电压。
（）A.错B.对2【判断题】(2分)晶闸管属于半控型器件。
（）A.错B.对3【判断题】(2分)晶闸管是四层的PNPN结构。
（）A.对B.错4【判断题】(2分)在晶闸管的铭牌上，额定电压是以电压等级的形式给出的。
（）A.错B.对5【判断题】(2分)整流二极管、晶闸管及可关断晶闸管均属于半控型器件。
（）A.对B.错6【判断题】(2分)当晶闸管承受正向阳极电压，门极加上正向触发电压，晶闸管导通。
（）A.错B.对7【判断题】(2分)当晶闸管承受正向阳极电压，门极加上反向触发电压，晶闸管不导通。
（）A.错B.对8【判断题】(2分)把晶闸管从承受正向阳极电压起到受触发脉冲触发而导通之间的电角度称为触发延迟角，也称为移相角。
（）A.错B.对9【判断题】(2分)触发延迟角用θ表示，导通角用α表示。
（）A.错B.对10【判断题】(2分)单相桥式半控整流电路α的移相范围为0～180度。
（）A.对B.错第二章测试1【判断题】(2分)三相半波可控整流电路的电源由三相整流变压器供电，也可直接由三相四线制交流电网供电。
（）A.错B.对2【判断题】(2分)U、V、W三相电相电压正半波的相邻交点，称为自然换相点。
（）A.。
电力电子技术试卷及答案-第四章
电力电子技术试题（第四章）一、填空题1、GTO的全称是，图形符号为；GTR 的全称是，图形符号为；P-MOSFET的全称是，图形符号为；IGBT的全称是，图形符号为。
33、门极可关断晶闸管、大功率晶体管、功率场效应管、绝缘门极晶体管。
2、GTO的关断是靠门极加出现门极来实现的。
33、负信号、反向电流。
3、大功率晶体管简称，通常指耗散功率以上的晶体管。
34、GTR、1W。
4、功率场效应管是一种性能优良的电子器件，缺点是和。
35、电流不够大、耐压不够高。
二、判断题对的用√表示、错的用×表示（每小题1分、共10分）1、大功率晶体管的放大倍数β都比较低。
（√）2、工作温度升高，会导致GTR的寿命减短。
（√）3、使用大功率晶体管时，必须要注意“二次击穿”问题。
（√）4、同一支可关断晶闸管的门极开通电流和关断电流是一样大的。
（×）5、电力晶体管的外部电极也是：集电极、基极和发射极。
（√）6、实际使用电力晶体管时，必须要有电压电流缓冲保护措施。
（√）7、同一支可关断晶闸管的门极开通电流比关断电流大。
（×）8、电力场效应晶体管属于电流型控制元件。
（×）9、绝缘栅双极型晶体管具有电力场效应晶体管和电力晶体管的优点。
（√）三、单项选择题把正确答案的番号填在括号内（每小题1分，共10分）1、比较而言，下列半导体器件中性能最好的是（）。
A、GTRB、MOSFETC、、IGBT2、比较而言，下列半导体器件中输入阻抗最小的是（）。
A、GTRB、MOSFETC、IGBT3、比较而言，下列半导体器件中输入阻抗最大的是（）。
A、GTRB、MOSFETC、、IGBT4、能采用快速熔断器作为过电流保护的半导体器件是（）。
A、GTOB、GTRC、IGBT。
5、比较而言，下列半导体器件中开关速度最快的是（）、最慢的是（）。
A、GTOB、GTRC、MOSFET6、下列半导体器件中属于电流型控制器件的是。
四种典型的全控型器件
四种典型的全控型器件班级学号：********* 姓名：***日期：2013.10.3四种典型的全控型器件全控型器件：通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件被称为全控型器件，又称为自关断器件。
四种典型全控型器件：只在汽车点火装置和电视机行扫描电路中进行试用。
自70年代中期开始，GTO的研制取得突破，相继出世了1300V/600A、2500V/1000A、4500V/2400A的产品，目前已达9kV/25kA/800Hz及6Hz/6kA/1kHz的水平。
(2)大功率晶体管（GTR）GTR是一种电流控制的双极双结电力电子器件，产生于本世纪70年代，其门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor—GTO），电力晶体管（Giant Transistor-GTO），电力场效应晶体管（Power MOSFET），绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT）。
容量比较：（1）1964年，美国第一次试制成功了500V/10A的GTO。
在此后的近10年内，GTO的容量一直停留在较小水平，额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。
(3)功率MOSFET目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。
(4)绝缘门极双极型晶体管（IGBT）IGBT是由美国GE公司和RCA公司于1983年首先研制的，当时容量仅500V/20A，且存在一些技术问题。
目前，其研制水平已达4500V/1000A。
开关频率：GTO的延迟时间一般为1～2us;下降时间一般小于2us。
GTR的开关时间一般在几微秒以内，比晶闸管短很多，也短于GTO。
MOSFET的开关时间一般在10--100ns之间。
IGBT的开关时间要低于电力MOSFET。
驱动方式和驱动功率：GTO：电流驱动型，驱动功率大。
电力电子器件-典型全控型器件课件PPT(共44页)
第2章 电力电子器件
1
2022/3/23
第一节 电力电子器件概述 第二节 不可控器件——电力二极管 第三节 半控型器件——晶闸管 第四节 典型全控型器件 第五节 其他新型电力电子器件 第六节 功率集成电路与集成电力电子模块
本章小结及作业
2
2.4 典型全控型器件
2.4.1 门极可关断晶闸管 2.4.2 电力晶体管 2.4.3 电力场效应晶体管 2.4.4 绝缘栅双极晶体管
GTO关断。
导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱
和，有利于门极控制关断，但导通时管压 降增大。 多元集成结构，使得GTO比晶阐管开通更 快，承受能di/dt能力更强。
10
2022/3/23
GTO的关断特性 GTO的关断过程有三个不同的时间，即存储时
间ts、下降时间tf及尾部时间tt。 存储时间ts ：对应着从关断过程开始，到阳极电
N2 P2 N2 N1 P1 A
6
2、GTO的工作原理
2022/3/23
（1）开通过程
GTO 也 可 等 效 成 两 个 晶 体 管 P1N1P2 和 N1P2N2 互 连，GTO与晶闸管最大区别就是导通后回路增益 α1+α2数值不同，其中α1和α2分别为P1N1P2和N1P2N2 的共基极电流放大倍数。晶闸管的回路增益α1+α2 常 为 1.15左 右 ， 而 GTO的 α1+α2 非 常 接 近 1。 因 而 GTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳极 电流提供有利条件。
门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现
4
2.4.1 门极可关断晶闸管
2022/3/23
门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor, GTO）
电力电子器件全控型器件
GTR的二次击穿与安全(ānquán)工作区
Ic
二次击穿(jī
IcM
P SB chuān)功率
SOA
P cM
O U ceM U ce
GTR的安全(ānquán)工 作区
29 第二十九页，共42页。
2021/11/11
2.4.3 电力(diànlì)场效应晶体 管
分为结型和绝缘栅型 通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide
GTR的静态特性：在电力电子电路中，GTR工作在开关状 态，即工作在截止区或者饱和区。但GTR在开关过程中， 即在截止区和饱和区之间过渡时，一般要经过放大 区。
截止 (jiézhǐ)
区 放大 (fàngdà) 区
饱和区
21
第二十一页，共42页。
2021/11/11
2.4.2 电力(diànlì)晶体管
（1）最大可关断阳极电流IATO(GTO的额定电流) 电流过大时α1+α2稍大于1的条件可能被破坏，使器 件饱和程度加深，导致门极关断失败(shībài)。。
（2）电流关断增益 off(太小,GTO的主要缺点） GTO的关断增益 off为最大可关断阳极电流IATO与 门极负电流最大值IGM之比，通常只有5左右。
N2 P2 N2 N1
P1 A
6
第六页，共42页。
2021/11/11
2、GTO的工作原理 （1）开通过程 GTO也可等效成两个晶体管P1N1P2和N1P2N2
互连，GTO与晶闸管最大区别就是导通后回路增益 α1+α2数值不同(bù tónɡ)，其中α1和α2分别为 P1N1P2和N1P2N2的共基极电流放大倍数。晶闸 管的回路增益α1+α2常为1.15左右，而GTO的 α1+α2非常接近1。因而GTO处于临界饱和状态。 这为门极负脉冲关断阳极电流提供有利条件。
4.1 典型全控型电力电子器件
典型全控型电力电子器件教学目的和要求:掌握门极可关断晶闸管的工作原理及特性、电力晶体管的工作原理，了解电力场控晶体管的特性与参数及安全工作区。
掌握电力场控晶体管的工作原理。
掌握绝缘栅双极型晶体管的工作原理、参数特点。
了解静电感应晶体管静电感应晶闸管的工作原理。
重点与难点:掌握电力晶体管、电力场控晶体管、绝缘栅双极型晶体管的工作原理、参数特点。
教学方法:借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学预复习任务:复习上节课学的半控型器件晶闸管的相关知识,对比理解掌握本节课程。
内容导入:门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。
全控型电力电子器件的典型代表：门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。
一、门极可关断晶闸管晶闸管的一种派生器件。
可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。
GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。
1. GTO的结构和工作原理与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。
和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。
工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图所示的双晶体管模型来分析。
由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益α1 和α2 。
α1+α2=1是器件临界导通的条件。
GTO的关断过程与普通晶闸管不同。
关断时，给门极加负脉冲，产生门极电流-I G，此电流使得V1管的集电极电流I Cl被分流，V2管的基极电流I B2减小，从而使I C2和I K减小，I C2的减小进一步引起I A和I C1减小，又进一步使V2的基极电流减小，形成内部强烈的正反馈，最终导致GTO阳极电流减小到维持电流以下,GTO由通态转入断态。
结论：➢GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。
➢GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。
➢多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受d i/d t能力强。
第4讲全控型器件ppt课件
8
4.1 门极可关断晶闸管
3) GTO的主要参数
许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同， 以下只介绍意义不同的参数。
（1）开通时间ton
—— 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约 1~2s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。
（2） 关断时间toff
—— 一般指储存时间和下降时间之和，不包括 尾部时间。下降时间一般小于2s。
由上述分析我们可以得到以下结论：
GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和 程度较浅。 GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关 断。 多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快， 承受di/dt能力强 。
7
4.1 门极可关断晶闸管
2) GTO的动态特性
开通过程：与普通晶闸管
相同
iG
关断过程：与普通晶闸管
1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。
10
4.2 电力晶体管
术语用法：
电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为巨 型晶体管） 。 耐 高 电 压 、 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管 （ Bipolar Junction Transistor——BJT），英文有时候也称为 Power BJT。 DATASHEET 1 2
Ic 放大区
ib3 ib2
ib1 ib1<ib2<ib3
截止区 O
Uce
图1-16 共发射极接法时GTR的 输出特性
14
4.2 电力晶体管
(2) 动态特性
开通过程
延迟时间td和上升时间tr， 二者之和为开通时间ton。
加快开通过程的办法 。
关断过程 储 二者存之时和间为ts 和关断下时降间时t间off t。f ， 加快关断速度的办法。 GTR 的 开 关 时 间 在 几 微 秒 以 内 ， 比 晶 闸 管 和 GTO 都 短很多 。
第四讲全控型电力电子器件
第四讲全控型电力电子器件4.1概述门极可关断晶闸管(Gate-Turn-OffThyristor —GTO )在晶闸管咨询世后不久出现；20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自开展的根底上相结合——高频化、全控型、采纳集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带进了一个崭新时代；典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管(GiantTransistor ——GTR)、电力场效应晶体管(PowerMOSFET)、尽缘栅双极晶体管(Insulated-gateBipolarTransistor ——IGBT 或IGT)。
4.2门极可关断晶闸管〔Gate-Turn-OffThyristor —GTO 〕门极可关断晶闸管是晶闸管的一种派生器件； 能够通过在门极施加负的脉冲电流使其关断；GTO 的电压、电流容量较大，与一般晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。
4.2.1GTO 的结构和工作原理结构：与一般晶闸管的相同点：PNPN 四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极；和一般晶闸管的不同：GTO 是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO 元，这些GTO 元的阴极和门极那么在器件内部并联在一起。
c)图1-13AG K GGKN 1P 1N 2N 2P 2b)a)AGK图1GTO 的内部结构和电气图形符号 a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形b)并联单元结构断面示意图c)电气图形符号工作原理：与一般晶闸管一样，能够用图2所示的双晶体管模型来分析121=+αα是器件临界导通的条件。
当a 1+a 2>1时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当a 1+a 2<1时，不能维持饱和导通而关断AP 1AGK N 1P 2P 2N 1N 2a)b)图2GTO 的双晶体管模型GTO 能够通过门极关断的缘故是其与一般晶闸管有如下区不： 〔1〕设计2α较大，使晶体管V 2操纵灵敏，易于GTO 关断；〔2〕导通时21αα+更接近1〔，一般晶闸管15.121≥+αα〕导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极操纵关断，但导通时管压落增大；〔3〕多元集成结构使GTO 元阴极面积特殊小，门、阴极间距大为缩短，使得P 2基区横向电阻特殊小，能从门极抽出较大电流 导通过程:与一般晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅；关断过程：强烈正相应——门极加负脉冲即从门极抽出电流，那么2b I 减小，使I K 和2C I 减小，2C I 的减小又使A I 和1C I 减小，又进一步减小2V 的基极电流。
全控型电力电子器件
GTO 的 外 形
电路符号
阳阳A
☞GTO的导通过程与普通 晶闸管是一样的，只不 过导通时饱和程度较浅。 ☞而关断时，给门极加负脉 冲，即从门极抽出电流， 器件退出饱和而关断。 ☞GTO的多元集成结构使 得其比普通晶闸管开通 过程更快，承受di/dt的 能力增强。
阳阳G 阳阳A
2018/12/13
2
1.3.1可关断晶闸管GTO——主要参数
2018/12/13
0.01ms 1ms
另外安全工作区与导通控制 脉冲有关系,如左图，给出不同 宽度的脉冲对应的安全工作区
C D BUCE UCE
11
1.3.3 功率场效应管MOSFET——外型和电路符号和特点
外 型
电 路 符 号
2018/12/13
阳阳D
阳阳G 阳阳S
■分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型 中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称电力MOSFET（Power MOSFET）。 ■电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的， 它的特点有： ◆驱动电路简单，需要的驱动功率小。 ◆开关速度快，工作频率高（可达106）。 ◆热稳定性优于GTR。 ◆电流容量小，耐压低，多用于功率不超过 10kW的电力电子装置。 比较： GTO一般可以做到几KA/KV（功率最大）；开关 速度几百HZ； GTR一般可以做到几百A/KV，速度稍慢，几K到 几百K， MOSFET一般可以做到几十A/KV（速度最快）， 可达106 ；
关断过程
从开始施加反向基极电流到集电极电流开始下降 （下降到90%ICO）对应的时间叫做存储时间ts。接 着是下降时间tf，定义为集电极电流从90%ICO下降 到10%ICO对应的时间。关断时间toff=ts+tf。 GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和 GTO都短很多。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
图4-4 较为理想的门极电压和电流波形
《电力电子技术》
2．GTO的驱动电路
a) b) 图4-5 GTO门极驱动电路 a)小容量GTO门极驱动电路 b)较大容量GTO桥式门极驱动电路
《电力电子技术》
3．GTO的保护电路
b) c) d) 图4-6 GTO的阻容缓冲电路 图4-6为GTO的阻容缓冲电路。图4-6a只能用于小电流；图4-6b加 在GTO上的初始电压上升率大，因而在GTO电路中不推荐；图4-6c与图 4-6d是较大容量GTO电路中常见的缓冲器，其二极管尽量使用速度快 的，并使接线短，从而使缓冲器电容效果更显著。
《电力电子技术》
a)
第三节 电力场效应晶体管(Power MOSFET)
一、电力MOSFET的结构 电力MOSFET采取两次扩散工艺，并将漏极D移到芯片的另一侧表面上， 使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这样有利于减小芯片面积和 提高电流密度。
a)
b) 图4-14 电力MOSFET的结构和符号 a) MOSFET元组成剖面图 b) 图形符号
《电力电子技术》
二、工作原理
IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，它是一种 压控型器件。其开通和关断是由栅极和发射极间的电 压 uGE 决 定 的 ， 当 uGE 为正且 大 于开启电 压 uGE(th) 时， MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流使其导 通。当栅极与发射极之间加反向电压或不加电压时， MOSFET内的沟道消失，晶体管无基极电流，IGBT关断。 PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟 道IGBT，记为N-IGBT，其电气图形符号如图4-19c所示。 对应的还有P沟道IGBT，记为P-IGBT。N-IGBT和P-IGBT 统称为IGBT。由于实际应用中以N沟道IGBT为多。
饱和电流，其值由外电路决定。
《电力电子技术》
(2)动态特性
图4-8 GTR共发射极接法的输出特性
图4-9 GTR开关特性
《电力电子技术》
2．GTR的参数
(1)最高工作电压 ①BUCBO：射极开路时，集-基极间的反向击穿电压。 ②BUCEO：基极开路时，集-射极之间的击穿电压。 ③BUCER：GTR的射极和基极之间接有电阻R。 ④BUCES：发射极和基极短路，集-射极之间的击穿电压。 ⑤BUCEX：发射结反向偏置时，集-射极之间的击穿电压。 其中BUCBO > BUCES > BUCES> BUCER> BUCEO，实际使用时， 为确保安全，最高工作电压要比BUCEO低得多。 (2)集电极最大允许电流ICM (3)集电极最大允许耗散功率PCM (4)最高工作结温TJM
《电力电子技术》
二、电力晶体管的特性与主要参数 1. GTR的基本特性 (1)静态特性 共发射极接法时，GTR的典型输出特性如图4-8所示， 可分为三个工作区： ① 截止区。在截止区内， iB≤0，uBE≤0，uBC＜0， 集电极只有漏电流流过。 ② 放大区。iB ＞0，uBE＞0，uBC＜0，iC =β iB。 I CS ③ 饱和区。 iB ，uBE＞0，uBC＞0，iCS是集电极
off
I ATO I GM
《电力电子技术》
三、GTO的驱动与保护
1．GTO门极驱动电路 对门极驱动电路的要求： 1）正向触发电流iG。由于GTO是多元集成结构， 为了使内部并联的GTO元开通一致性好，故要求GTO 门极正向驱动电流的前沿必须有足够的幅度和陡度， 正脉冲的后沿陡度应平缓。 2）反向关断电流﹣iG。为了缩短关断时间与减 少关断损耗，要求关断门极电流前沿尽可能陡，而 且持续时间要超过GTO的尾部时间。还要求关断门极 电流脉冲的后沿陡度应尽量小。
《电力电子技术》
二、GTO的特性与主要参数
1．GTO的开关特性
图4-3
GTO在开通和关断过程中电流的波形
《电力电子技术》
2．GTO的主要参数
GTO的基本参数与普通晶闸管大多相同。
1) 反向重复峰值电压URRM： ① 不规定URRM值。 ② URRM值很低。 ③ URRM略低于UDRM。 ④ URRM = UDRM。 ⑤ URRM略大于UDRM。 2）最大可关断阳极电流IATO：GTO的最大阳极电流受发热和饱和深度两个 因素限制。阳极电流过大，内部晶体管饱和深度加深，使门极关断失效。 所以GTO必须规定一个最大可关断阳极电流，也就是GTO的铭牌电流。 3）关断增益βoff 最大可关断阳极电流 IATO 与门极负脉冲电流最大值 IGM之比称为电流关断增益βoff。即
《电力电子技术》
图4-10 GTR安全工作区
《电力电子技术》
三、电力晶体管的驱动与保护
1．GTR基极驱动电路 (1)对基极驱动电路的要求 ①由于GTR主电路电压较高，控制电路电压较低，所以应实现主电路与 控制电路间的电隔离。 ②在使GTR导通时，基极正向驱动电流应有足够陡的前沿，并有一定幅 度的强制电流，以加速开通过程，减小开通损耗，如图4-11所示。 ③GTR导通期间，在任何负载下，基极电流都应使GTR处在临界饱和状态， 这样既可降低导通饱和压降，又可缩短关断时间。 ④在使GTR关断时，应向基极提供足够大的 反向基极电流(如图4-11波形所示)，以加快关 断速度，减小关断损耗。 ⑤应有较强的抗干扰能力，并有一定的保 护功能。
第四章 全控型电力电子器件
学习目标
1. 掌握GT0、GTR、功率MOSFET、IGBT四种 常见全控型电力电子器件的工作原理、特性、 主要参数、驱动电路及使用中应注意的问题。 2. 熟悉常见全控型电力电子器件各自特点以及 适用场合。 3. 了解新型电力电子器件的概况。
《电力电子技术》
第一节 门极可关断晶闸管(GTO)
《电力电子技术》
a)
第二节 电力晶体管(GTR)
一、电力晶体管的结构与工作原理 1．电力晶体管的结构
a) b) 图4-7 NPN型电力晶体管的内部结构及电气图形符号 a) 内部结构 b) 电气图形符号
《电力电子技术》
2．工作原理
在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。晶体 管通常连接成共发射极电路，GTR通常工作在正偏(Ib＞0) 时大电流导通；反偏( Ib＜0)时处于截止状态。因此，给 GTR的基吸施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于 导通和截止的开关状态。
一、GTO的结构与工作原理 1．基本结构
a)芯片的实际图形
b) GTO结构的纵断面 c) GTO结构的纵断面 图4-1 GTO的内部结构和电气图形符号
《电力电子技术》
2
GTO的工作原理电路
当图中开关S置于“1”时，IG是正向触发电流，控制GTO导 通；S置于“2”时，则门极加反向电流，控制GTO关断。
《电力电子技术》
3．二次击穿和安全工作区
(1)二次击穿 二次击穿是由于集电极电压升高到一定值(未 达到极限值)时，发生雪崩效应造成的。一般情况下， 只要功耗不超过极限，GTR是可以承受的，但是在实 际使用中，会出现负阻效应，使iE 进一步剧增。由 于GTR结面的缺陷、结构参数的不均匀，使局部电流 密度剧增，形成恶性循环，使GTR损坏。 (2)安全工作区 以直流极限参数ICM、PCM、UCEM构成的工作区为 一次击穿工作区，如图4-10所示。
图4-11
《电力电子技术》
GTR基极驱动电流波形
(2)基极驱动电路
图4-12
实用的GTR驱动电路
《电力电子技术》
3．GTR的保护电路
b) c) 图4-13 GTR的缓冲电路 图4-13a所示RC缓冲电路简单，对关断时集电极—发射极间电压上升 有抑制作用。这种电路只适用于小容量的GTR(电流10 A以下)。 图4-13b所示充放电型R、C、VD缓冲电路增加了缓冲二极管VD2，可以 用于大容量的GTR。但它的损耗(在缓冲电路的电阻上产生的)较大，不适 合用于高频开关电路。 图4-13c所示阻止放电型 R、C、VD缓冲电路，较常用于大容量GTR和 高频开关电路，其最大优点是缓冲产生的损耗小。
《电力电子技术》
二、电力MOSFET的特性
1．转移特性 转移特性是指电力MOSFET的输入栅源电压 uGS 与输出漏 极电流 iD 之间的关系，如图4-15a所示。由图可见，当 uGS< UGS(th) 时，iD 近似为零；当 uGS＞UGS(th) 时，随着uGS 的增大， iD也越大。当iD较大时，iD与uGS的关系近似为线性，曲线的 斜率被定义为跨导gm，则有
《电力电子技术》
三、电力MOSFET的驱动与保护
1．电力MOSFET的驱动
图4-18
电力MOSFET的一种驱动电路
《电力电子技术》
三、电力MOSFET的驱动与保护
2．MOSFET的保护 (1)防止静电击穿 ①在测试和接入电路之前器件应存放在静电包装袋，导 电材料或金属容器中 。 ②将器件焊接时，工作台和烙铁都必须良好接地，焊接 时烙铁应断电。 ③在测试器件时，测量仪器和工作台都必须良好接地。 ④注意栅极电压不要过限。 (2)防止偶然性振荡损坏器件 (3)防止过电压 (4)防止过电流 (5)消除寄生晶体管和二极管的影响
《电力电子技术》
2．电力MOSFET的工作原理
当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅源极之间电 压为零或为负时，P型区和N-型漂移区之间的PN结反向，漏 源极之间无电流流过。如果在栅极和源极间加正向电压UGS， 由于栅极是绝缘的，不会有电流。但栅极的正电压所形成 的电场的感应作用却会将其下面的P 型区中的少数载流子 电子吸引到栅极下面的P型区表面。当 uGS 大于某一电压值 UGS(th) 时，栅极下面的P型区表面的电子浓度将超过空穴浓 度，使P型反型成N型，沟通了漏极和源极。 此时，若在 漏源极之间加正向电压，则电子将从源极横向穿过沟道， 然后垂直(即纵向)流向漏极，形成漏极电流iD。电压UGS(th) 称为开启电压，uGS超过UGS(th)越多，导电能力就越强，漏极 电流iD也越大。