电力电子技术及应用05精品PPT课件
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电力电子技术第五章直流-直流变流电路PPT课件
(5-37) O
i
t
o
当tx<t0ff时，电路为电流断续工作状态， tx<t0ff是电流断续的条件，即
m
1 e 1 e
(5-38)
i
i
1
2
I
20
O
t
tt
t
t
on
1
x
2
t
off
T
c)
图5-3 用于直流电动机回馈能 量的升压斩波电路及其波形
c）电流断续时
16/44
5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路
◆斩波电路有三种控制方式
☞脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变ton。 ☞频率调制：ton不变，改变T。 ☞混合型：ton和T都可调，改变占空比
5/44
5.1.1 降压斩波电路
■对降压斩波电路进行解析
◆基于分时段线性电路这一思想，按V处于通态和处于断态两个过程 来分析，初始条件分电流连续和断续。
◆电流连续时得出
3/44
5.1.1 降压斩波电路
■降压斩波电路（Buck Chopper）
◆电路分析
☞使用一个全控型器件V，若采用晶闸
管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。
☞设置了续流二极管VD，在V关断时
给负载中电感电流提供通道。
☞主要用于电子电路的供电电源，也
可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。
◆工作原理
☞ t=0时刻驱动V导通，电源E向负载
☞输出电流的平均值Io为
EI1 U o I o
Io
Uo R
1
E R
(5-24) (5-25)
☞电源电流I1为
I1
Uo E
Io
电力电子技术(完整幻灯片PPT
1-3
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件的损耗 通态损耗
主要损耗 断态损耗 开关损耗
开通损耗 关断损耗
通态损耗是器件功率损耗的主要成因。
器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损 耗的主要因素。
1-4
2.1.2 应用电力电子器件系统组成
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路
恢复特性的软度：下降时间与
延复迟系时数间，用的S比r表值示tf。/td，或称恢uFFra bibliotek2V0
b) tfr
t
图2-6 电力二极管的动态过程波形
a) 正向偏置转换为反向偏置
b) 零偏置转换为正向偏置
1-17
2.2.2 电力二极管的基本特性
关断过程
IF
diF
dt
trr
须经过一段短暂的时间才能重新获 UF
td
A
G
KK
A A
G
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K
K G
A
a)
b)
c)
图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
外形有螺栓型和平板型两种封装。
四层三结三极。
螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧 密联接且安装方便。
平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
电力电子技术(完整幻灯片 PPT
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2.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件的损耗 通态损耗
主要损耗 断态损耗 开关损耗
开通损耗 关断损耗
通态损耗是器件功率损耗的主要成因。
器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损 耗的主要因素。
1-4
2.1.2 应用电力电子器件系统组成
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路
恢复特性的软度：下降时间与
延复迟系时数间，用的S比r表值示tf。/td，或称恢uFFra bibliotek2V0
b) tfr
t
图2-6 电力二极管的动态过程波形
a) 正向偏置转换为反向偏置
b) 零偏置转换为正向偏置
1-17
2.2.2 电力二极管的基本特性
关断过程
IF
diF
dt
trr
须经过一段短暂的时间才能重新获 UF
td
A
G
KK
A A
G
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K
K G
A
a)
b)
c)
图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
外形有螺栓型和平板型两种封装。
四层三结三极。
螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧 密联接且安装方便。
平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
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(2024年)电力电子技术完整版全套PPT电子课件
实验报告撰写与答辩
讲解实验报告的撰写要求和答辩技巧 ，提高学生的综合素质和能力。
36
08
电力电子技术应用案例
2024/3/26
37
新能源发电系统中电力电子技术应用
光伏发电系统
最大功率点跟踪（MPPT ）技术、逆变器并网技术 、孤岛检测与保护技术等 。
2024/3/26
风力发电系统
变桨距控制技术、变速恒 频技术、直驱式永磁风力 发电技术等。
2024/3/26
13
可控整流电路分析与应用
可控整流电路原理
可控整流电路通过控制触发角α的大小，实现对输出电压的调 节。
2024/3/26
可控整流电路应用
可控整流电路广泛应用于直流调速、电力拖动、电解、电镀 等领域。
14
滤波电路原理与设计方法
滤波电路原理
滤波电路是利用电容、电感等元件对交流电的频率特性进行滤波，从而得到平 滑的直流电的电路。
高性能器件选择
选用高性能的功率器件和驱动电路，提高电路的工作频率和可靠性。例如，选用低导通电阻和低栅极电荷的 MOSFET可以降低电路的导通损耗和开关损耗；选用高耐压和高电流的IGBT可以提高电路的带负载能力等 。
系统优化与热设计
对系统进行全面的优化和热设计，确保电路在高负载、高温等恶劣环境下仍能稳定可靠地工作。例如，采用 合理的散热结构和风扇控制策略可以降低电路的工作温度；采用模块化设计可以提高电路的维修性和可扩展 性等。
2024/3/26
功率场效应晶体管（Power MOSFE…
阐述Power MOSFET和IGBT的结构、特点以及在电力电子电路中的 广泛应用。
11
03
整流与滤波技术
2024/3/26
电力电子技术的应用(ppt68页).pptx
Ce n] 2U 2
三峡大学电气与新能源学院
(10-9)
10
10.1.2 工作于有源逆变状态时
a 增大方向
增大方向
逆变电流断续时电动机的机械特 性，与整流时十分相似：
理想空载转速上翘很多，机械特 性变软，且呈现非线性。 逆变状态的机械特性是整流状态 的延续。
纵观控制角 a变化时，机械特性得
变化。
ia
ib
ic
O
wt
图10-1 三相半波带电动机负载且 加平波电抗器时的电压电流波形
三峡大学电气与新能源学院
4
10.1.1 工作于整流状态时
此时，整流电路直流电压的平衡方程为
U d EM R Id U
（10-1）
式中，
R
RB
RM
3X B
2
。
EM 为电动机的反电动势
RId 负载平均电流Id所引起的各种电压降，包括：
三峡大学电气与新能源学院
2
10.1 晶闸管直流电动机系统·引言
晶闸管直流电动机系统——晶闸管可控整流装
置带直流电动机负载组成的系统。
是电力拖动系统中主要的一种。 是可控整流装置的主要用途之一。
对该系统的研究包括两个方面：
其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况。 其二是由整流电路供电时电动机的工作情况。本
率由于内阻不一定相同而稍有差异。
a1<a2<a3
a3
调节a 角，即可调节电动机的转速。 O
Id
图10-2 三相半波电流连续时以
三峡大学电气与新能源学院
电流表示的电动机机械特性
6
10.1.1 工作于整流状态时
2) 电流断续时电动机的机械特性
电力电子技术完整版全套PPT电子课件
电力电子技术完整 版全套PPT电子课 件
contents
目录
• 电力电子技术概述 • 电力电子器件 • 电力电子电路 • 电力电子技术的控制策略 • 电力电子技术的实验与仿真
01
电力电子技术概述
电力电子技术的定义与发展
定义
电力电子技术是一门研究利用半 导体器件对电能进行变换和控制 的科学。
发展历程
饱和压降等特性
05
广泛应用于电机控制、电源转
换等领域
06
03
电力电子电路
整流电路
整流电路的工作原理
介绍整流电路的基本工作原理，包括 半波整流、全波整流和桥式整流等。
整流电路的应用
列举整流电路在电力电子领域的应用 ，如电源供应器、电池充电器和电机 驱动器等。
整流电路的类型
详细阐述不同类型的整流电路，如单 相半波整流电路、单相全波整流电路 、三相半波整流电路和三相全波整流 电路等。
光调光器和电加热温度控制器等。
一般工业应用
01
02
03
电动机控制
利用电力电子技术实现对 电动机的启动、调速、制 动等控制，提高工业生产 效率。
电热控制
通过电力电子技术对电热 设备进行控制，实现精确 的温度控制和节能效果。
照明控制
利用电力电子技术研发的 照明控制系统，可实现对 照明设备的智能控制和节 能管理。
。
应用领域
适用于对控制精度要求不高、成 本敏感的场合，如某些电源管理
、电机驱动等。
优缺点分析
优点在于实现简单、成本低；缺 点在于控制精度低、易受干扰、
调试困难。
数字控制技术
原理与特点
基于数字电路和微处理器实现控制，具有控制精度高、灵活性好 、易于实现复杂控制算法等特点。
contents
目录
• 电力电子技术概述 • 电力电子器件 • 电力电子电路 • 电力电子技术的控制策略 • 电力电子技术的实验与仿真
01
电力电子技术概述
电力电子技术的定义与发展
定义
电力电子技术是一门研究利用半 导体器件对电能进行变换和控制 的科学。
发展历程
饱和压降等特性
05
广泛应用于电机控制、电源转
换等领域
06
03
电力电子电路
整流电路
整流电路的工作原理
介绍整流电路的基本工作原理，包括 半波整流、全波整流和桥式整流等。
整流电路的应用
列举整流电路在电力电子领域的应用 ，如电源供应器、电池充电器和电机 驱动器等。
整流电路的类型
详细阐述不同类型的整流电路，如单 相半波整流电路、单相全波整流电路 、三相半波整流电路和三相全波整流 电路等。
光调光器和电加热温度控制器等。
一般工业应用
01
02
03
电动机控制
利用电力电子技术实现对 电动机的启动、调速、制 动等控制，提高工业生产 效率。
电热控制
通过电力电子技术对电热 设备进行控制，实现精确 的温度控制和节能效果。
照明控制
利用电力电子技术研发的 照明控制系统，可实现对 照明设备的智能控制和节 能管理。
。
应用领域
适用于对控制精度要求不高、成 本敏感的场合，如某些电源管理
、电机驱动等。
优缺点分析
优点在于实现简单、成本低；缺 点在于控制精度低、易受干扰、
调试困难。
数字控制技术
原理与特点
基于数字电路和微处理器实现控制，具有控制精度高、灵活性好 、易于实现复杂控制算法等特点。
电力电子技术的应用幻灯片PPT
'增大方向
'增大方向
n 反组变流器
' 1
' 2
' 3
' 4
'= '=
2
' 4
' 3
' 2
' 1 =' ;' = 1 1 11 =' ;' = 2 2 22
正组变流器
1
2
3
4
=
=
2
I
d
4
3
2
1
图10-5 电动机在四象限中的机械特 性
10/70
增大方向
10.1.3 直流可逆电力拖动系统
+ EM M
-
电能
+
+
电网 电网
电能
Ud - 反组
正组 - Ud
+ M EM
-
发电运行
电动运行
反转整流 Id
Id 反转逆变
反组 +T
EM M
+
电能
电网
+ Ud
反组
电网
电能
正组 + Ud
M EM
+
反组
电动运行 -n
发电运行
c)
图10-6 两组变流器的反并联可逆线路
12
10.1.3 直流可逆电力拖动系统
◆直流可逆拖动系统，能方便地实现
正反向运转外，还能实现回馈制动。
正转逆变 Id
Id 正转整流
☞由正转到反转的过程
+
+
√从1组桥切换到2组桥工作，
+ 电能
电网 电网
2024版《电力电子技术》PPT课件
电力电子技术的定义与发展01020304定义晶闸管时代可控硅时代现代电力电子时代用于高压直流输电、无功补偿、有源滤波等，提高电力系统的稳定性和效率。
用于电动汽车、电动自行车、电梯等电机驱动系统，实现高效、节能的电机控制。
用于太阳能、风能等新能源发电系统，实现能源的高效利用和转换。
用于自动化生产线、机器人等工业设备，实现设备的精确控制和高效运行。
电力系统电机驱动新能源工业自动化数字化与智能化随着计算机技术和人工智能的发展，电力电子技术将实现数字化和智能化，提高系统的自适应能力和智能化水平。
高频化与高效化随着半导体材料和器件的发展，电力电子技术将实现更高频率和更高效率的电能转换。
绿色化与环保化随着环保意识的提高，电力电子技术将更加注重绿色、环保的设计理念，降低能耗和减少对环境的影响。
工作原理特点应用整流电路、续流电路等工作原理通过门极触发导通，无法自行关断特点耐压高、电流大、开关速度快应用直流电机调速、交流调压等工作原理特点应用工作原理特点应用逆变器、斩波器、电机驱动等工作原理特点应用工作原理开关速度快、耐压高、电流大、热稳定性好应用逆变器、斩波器、电机驱动等高端应用领域特点VS整流电路的作用整流电路的分类整流电路的工作原理整流电路的应用整流电路逆变电路逆变电路的作用逆变电路的分类逆变电路的工作原理逆变电路的应用直流-直流变流电路直流-直流变流电路的作用直流-直流变流电路的分类直流-直流变流电路的工作原理直流-直流变流电路的应用交流-交流变流电路交流-交流变流电路的作用交流-交流变流电路的工作原理A B C D交流-交流变流电路的分类交流-交流变流电路的应用电机驱动照明控制加热与焊接030201一般工业应用交通运输应用电动汽车驱动轨道交通牵引航空电源电力系统应用高压直流输电柔性交流输电通过电力电子技术可实现高压直流输电，减少输电损耗和占地面积。
智能电网风能发电通过电力电子技术可实现风能发电系统的变速恒频控制和并网运行。
《电力电子技术的应用》PPT
双PWM控制的电压型VVVF电源拓扑 电路特点：
能源再生反馈；可实现电动机四象限运行；输入电流为正弦波，可实现高 功率因数；控制较复杂，技术含量高，成本较高。
4
一.电力电子技术在交流设备中的应用
1.1 电力拖动系统----发展趋势 ■交流传动系统的优点（与直流系统相比）
◆最高速度更高和容量更大； ◆交流电动机结构简单，体积更小； ◆耗电量少，更节能； ◆高精度，快速响应。
教学目标：
熟悉电力电子技术的应用领域，了解和把握电力 电子技术的新技术发展及应用趋势。
一.电力电子技术在交流设备中的应用
1.1 电力拖动系统----直流传动系统的变流器装置
3
一.电力电子技术在交流设备中的应用
1.1 电力拖动系统----交流传动系统的变频器装置 ■交直交变频器（VVVF电源 ）
特点：输出交流电压与频率可变。 优点：可实现交流电机的平滑调速。
8
一.电力电子技术在交流设备中的应用
1.3 开关电源----通信电源系统
48V直流母线 AC-DC 交流 电网 AC-DC
一次电源
■分布式电源系统
负载
DC-DC
DC-DC
二Байду номын сангаас电源
负载
通信电源系统
◆在通信交换机、巨型计算机等复 杂的电子装置中，供电的路数太多， 总功率太大，难以用一个开关电源完 成，因此出现了分布式的电源系统。 ◆一次电源完成隔离变换→48V直流 母线→交换机中每块电路板上的DCDC变换器→电路所需的各种电压。 ◆一次电源采用多个开关电源并联 的方案，每个开关电源仅仅承担一部 分功率，并联运行的每个开关电源有 时也被成称为“模块”，当其中个别 模块发生故障时，系统还能够继续运 行，这被称为“冗余”。
电力电子技术第五王兆安课件全
可实现电压的快速调节，适用于电力系统的稳定 控制和电力质量的改善。
电力电子技术的应
04
用
电力系统中的电力电子技术应用
直流输电系统
利用电力电子技术将交流电转换为直流电，提高输电效率。
交流输电系统
通过电力电子技术对交流电进行调制，以改善电力系统的稳定性。
配电系统
电力电子技术在配电系统中应用广泛，如固态开关、动态无功补偿 等。
功率场效应晶体管
也是一种全控型器件，具有高输入阻抗、低驱动功率、高开关频率等优点，适 用于电机控制、直-交变换器等领域。
电力电子电路拓扑
03
结构
单相整流电路
01
02
03
电路组成
单相整流电路主要由变压 器、整流器、滤波器等组 成。
工作原理
将交流电通过整流器转换 为直流电，再经过滤波器 滤除纹波，得到平稳的直 流电。
电路特点
结构简单，适用于小功率 场合。
三相整流电路
电路组成
三相整流电路主要由三相 电源、变压器、整流器、 滤波器等组成。
工作原理
将三相交流电通过整流器 转换为直流电，再经过滤 波器滤除纹波，得到平稳 的直流电。
电路特点
输出电流大，适用于大功 率场合。
逆变电路
电路组成
逆变电路主要由开关管、变压器 、整流器等组成。
特点
03
04
05
高效性：电力电子技术 能够实现对电能的精确 控制和优化，从而提高 电力系统的效率。
灵活性：电力电子设备 体积小、重量轻，方便 携带，适用于各种场合 。
可靠性：电力电子设备 采用固态器件，具有长 寿命、低维护等优点。
电力电子技术在电力系统中的应用
不间断电源（UPS）
电力电子技术的应
04
用
电力系统中的电力电子技术应用
直流输电系统
利用电力电子技术将交流电转换为直流电，提高输电效率。
交流输电系统
通过电力电子技术对交流电进行调制，以改善电力系统的稳定性。
配电系统
电力电子技术在配电系统中应用广泛，如固态开关、动态无功补偿 等。
功率场效应晶体管
也是一种全控型器件，具有高输入阻抗、低驱动功率、高开关频率等优点，适 用于电机控制、直-交变换器等领域。
电力电子电路拓扑
03
结构
单相整流电路
01
02
03
电路组成
单相整流电路主要由变压 器、整流器、滤波器等组 成。
工作原理
将交流电通过整流器转换 为直流电，再经过滤波器 滤除纹波，得到平稳的直 流电。
电路特点
结构简单，适用于小功率 场合。
三相整流电路
电路组成
三相整流电路主要由三相 电源、变压器、整流器、 滤波器等组成。
工作原理
将三相交流电通过整流器 转换为直流电，再经过滤 波器滤除纹波，得到平稳 的直流电。
电路特点
输出电流大，适用于大功 率场合。
逆变电路
电路组成
逆变电路主要由开关管、变压器 、整流器等组成。
特点
03
04
05
高效性：电力电子技术 能够实现对电能的精确 控制和优化，从而提高 电力系统的效率。
灵活性：电力电子设备 体积小、重量轻，方便 携带，适用于各种场合 。
可靠性：电力电子设备 采用固态器件，具有长 寿命、低维护等优点。
电力电子技术在电力系统中的应用
不间断电源（UPS）
电力电子技术及应用课件05讲解
2.4.2 电力晶体管
+表示高 掺杂浓 度，-表 示低掺 杂浓度
图2-16 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动
◆ GTR的结构 ☞采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，并采用集 成电路工艺将许多这种单元并联而成。 ☞ GTR是由三层半导体（分别引出集电极、基极和发射极）形成 的两个PN结（集电结和发射结）构成，多采用NPN结构。
TC，间接表示了最高工作温度。
2019/1/17 13
2.4.2 电力晶体管
■GTR的二次击穿现象与安全工作区 ◆当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大， 这种首先出现的击穿是雪崩击穿，被称为一次击穿。 ◆发现一次击穿发生时如不有效地限制电流，Ic增大到某个临界点时 会突然急剧上升，同时伴随着电压的陡然下降，这种现象称为二次击 穿。 ◆出现一次击穿后，GTR一般不会损坏，二次击穿常常立即导致器 件的永久损坏，或者工作特性明显衰变，因而对GTR危害极大。 ◆安全工作区（Safe Operating Area—— SOA） ☞将不同基极电流下二次击穿的临界点 连接起来，就构成了二次击穿临界线。 ☞GTR工作时不仅不能超过最高电压 UceM，集电极最大电流IcM和最大耗散功 率PcM，也不能超过二次击穿临界线。
BU
cbo
BU
cex
BU
ces
BU
cer
BU
ceo
☞实际使用GTR时，为了确保安全，最高工作电压要比BUceo低得 多。
2019/1/17 12
2.4.2 电力晶体管
◆集电极最大允许电流IcM ☞规定直流电流放大系数hFE下降到规定的 1/2~1/3时所对应的Ic。 ☞实际使用时要留有较大裕量，只能用到IcM的 一半或稍多一点。 ◆集电极最大耗散功率PcM ☞指在最高工作温度下允许的耗散功率。 ☞产品说明书中在给出PcM时总是同时给出壳温
《电力电子技术 》课件
电机控制
电机控制是指通过电力电子技术实现对电机速度 、方向和位置的精确控制。
电机控制广泛应用于工业自动化、交通运输、家 用电器等领域，如变频空调、电动汽车等。
电机控制有助于提高能源利用效率，降低能耗， 实现更智能化的生产和制造。
新能源发电系统
新能源发电系统是指利用可再生能源进行发电 的系统，如太阳能、风能等。
、更高可靠性和更小体积的方向发展。
系统集成和智能化的发展
系统集成
随着电力电子系统规模的不断扩大，系统集成成为了一个重要的研究方向，通过将多个电力电子模块集成在一个系统 中，可以实现更高的功率密度和更小的体积。
智能化
智能化是电力电子技术的另一个重要发展方向，通过引入人工智能和机器学习等技术，可以实现电力电子系统的自适 应控制和智能管理，提高系统的稳定性和可靠性。
针对高效能转换的挑战，需要不断研 究和开发新的电力电子器件、电路拓 扑和控制策略，以实现更高的转换效 率和更低的能耗。
技术瓶颈
目前电力电子技术面临的主要挑战是 如何进一步提高转换效率，降低能耗 ，以满足不断增长的高效能转换需求 。
新材料和新技术的发展
01
新材料的应用
随着新材料技术的不断发展，新型半导体材料如碳化硅（SiC）和氮化
电力电子技术的应用实例
不间断电源（UPS）
不间断电源（UPS）是一种能够提供持续电力供应的电源设备，主要用于保护重要 设备和数据免受电力中断的影响。
UPS通过使用电力电子转换技术，将电池或其他形式的储能装置与电网连接，确保 在电网故障或停电时，能够继续为设备提供稳定的电力。
UPS在医疗、金融、通信等领域有广泛应用，对于保证关键设备和服务的正常运行 至关重要。
详细描述
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图2-14 GTO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
d)
09.10.2020
2
2.4.1 门极可关断晶闸管
图2-8 晶闸管的双晶体管模型 及其工作原理
a) 双晶体管模型 b) 工作原理
09.10.2020
◆GTO的工作原理
增同大时d也ib可/d以t，缩可短以上缩升短时延间迟，时从间而，10% Ib1
加快开通过程。
0
☞关断过程
主要是由发射结 势垒电容和集电
√需要经过储存时间ts和下降时
结势垒电容充电 产生的。
间tf，二者之和为关断时间toff。 √减小导通时的饱和深度以减
小储存的载流子，或者增大基极
◆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值的增大而
增大。
◆关断时间toff ☞一般指储存时间和下降时间之和，而不包括尾部时间。
☞储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s。
■不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电 压时，应和电力二极管串联使用。
tt比☞t通s要常长tf比。ts小得多，而
i
A
tt
d
r
I
A
☞门极负脉冲电流幅值
90% I A
tt t
s
f
t
越大，前沿越陡， ts就越
短。使门极负脉冲的后沿
10% I A
缓慢衰减，在tt阶段仍能
0t t t
01
2
t t t tt
3
4
56
保持适当的负电压，则可 以缩短尾部时间。
图2-15 GTO的开通和关断过程电流波形
2.4 典型全控型器件·引言
■门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。 ■20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个 崭新时代。 ■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。
电力MOSFET
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IGBT单管及模块
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2.4.1 门极可关断晶闸管
■晶闸管的一种派生器件，但 可以通过在门极施加负的脉冲 电流使其关断，因而属于全控 型器件。
■GTO的结构和工作原理 ◆GTO的结构 ☞是PNPN四层半导体结 构。
☞是一种多元的功率集成 器件，虽然外部同样引出个
极，但内部则包含数十个甚
至数百个共阳极的小GTO 元，这些GTO元的阴极和门 极则在器件内部并联在一起。
√多元集成结构，使得P2基区横向 电阻很小，能从门极抽出较大电流。
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2.4.1 门极可关断晶闸管
☞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，当两个晶体管发射极电流IA和IK的
减小使1+2<1时，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
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2.4.2 电力晶体管
■电力晶体管（Giant Transistor——GTR）
按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、
大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction
Transistor——BJT）
■GTR的结构和工作原理
◆与普通的双极结型晶体管基本原理是一
样的。
◆最主要的特性是耐压高、电流大、开关
i b
E b
电
E
子
c
流
i =(1+ ) i
e
b
c)
图2-16 c) 内部载流子的流动
9
2.4.2 电力晶体管
■GTR的基本特性
I
c
◆静态特性
☞在共发射极接法时的典
型输出特性分为截止区、放
大区和饱和区三个区域。
☞在电力电子电路中，
GTR工作在开关状态，即工
作在截止区或饱和区。
☞在开关过程中，即在截 O 止区和饱和区之间过渡时，
开通过程更快，承受di/dt的能力增强。
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2.4.1 门极可关断晶闸管
■GTO的动态特性 i ◆开通过程与普通晶闸管 G 类似。 ◆关断过程
等效晶体管从饱 和区退至放大区， 阳极电流逐渐减 小时间
残存载 流子复 合所需 时间
☞储存时间ts
O
t
下降时间tf 尾部时间tt
抽取饱和导通时 储存的大量载流 子的时间
成电路工艺将许多这种单元并联而成。
☞ GTR是由三层半导体（分别引出集电极、基极和发射极）形成 的两个PN结（集电结和发射结）构成，多采用NPN结构。
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2.4.2 电力晶体管
☞在应用中，GTR一般采用共发射极接 法。集电极电流ic与基极电流ib之比为
i i I
c
b
ceo
(2-9)
称为GTR的电流放大系数，它反映
了基极电流对集电极电流的控制能力。
当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo 时，ic和ib的关系为
ic ib
(2-10)
☞单管GTR的 值比处理信息用的小功
率晶体管小得多，通常为10左右，采用 达林顿接法可以有效地增大电流增益。
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i =iБайду номын сангаас
c
b
空穴流
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2.4.1 门极可关断晶闸管
■GTO的主要参数 ◆GTO的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。 ◆最大可关断阳极电流IATO ☞用来标称GTO额定电流。
◆电流关断增益off
☞最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比。
☞off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。
☞仍然可以用如图2-8所示的双晶体 管模型来分析，V1、V2的共基极电流
增益分别是1、2。1+2=1是器件临
界导通的条件，大于1导通，小于1则 关断。
☞GTO与普通晶闸管的不同
√设计2较大，使晶体管V2控制 灵
敏，易于GTO关断。
√导通时1+2更接近1，导通时接
近临界饱和，有利门极控制关断，但 导通时管压降增大。
特性好。 09.10.2020
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2.4.2 电力晶体管
+表示高 掺杂浓 度，-表 示低掺 杂浓度
图2-16 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动
◆ GTR的结构 ☞采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，并采用集
一般要经过放大区。
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放大区
i
b3
i
b2
i
b1
i <i <i
b1 b2 b3
截止区 U
ce
图2-17 共发射极接法时 GTR的输出特性
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2.4.2 电力晶体管
◆动态特性
☞开通过程
√需要经过延迟时间td和上升时 间tr，二者之和为开通时间ton。
√增大基极驱动电流ib的幅值并
ib 90% Ib1