20全控型电力电子器件
电力电子器件概述
5. 反向恢复时间trr 6. 浪涌电流IFSM
1.2.4 主要类型
1. 普通二极管——又称整流二极管 1KHZ以下 数千安和数千伏以上
2. 快恢复二极管 5μs以下 3. 肖特二极管
1.3 半控型器件——晶闸管(SCR)
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
Id
1
2
3
Im
sin td
t
3
4
Im
0.24Im
I
1
2
Im
sin t
2
d
t
0.46Im
3
Kf
I Id
0.46 0.24
1.92
IT ( AV )
100 2
50
Id
1.57 50 1.92
41 A
Im
Id 0.24
41 0.24
171
A
⑵ 维持电流IH 使晶闸管维持通态所必需的最小主电流。 ⑶ 擎住电流IL ⑷ 浪涌电流ITSM
4. 光控晶闸管LTT
⑴又称光触发晶闸 管，是利用一定 波长的光照信号 触发导通的晶闸 管。
⑵光触发保证了主 电路与控制电路 之间的绝缘，且 可避免电磁干扰 的影响。
⑶在高压大功率的 场合占有重要地位。
1.4 典型全控型器件
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。
不可控器件：电力二极管
半控型器件：晶闸管及其派生器件 全控型器件：功率场效应管、绝缘栅双极性晶体管、
门极可关断晶闸管
⑵ 按照控制信号性质可分为： 电流控制型 电压控制型：控制功率小
全控型器件名词解释
全控型器件名词解释
全控型器件（英语：Fully Controlled Device），在电力电子学中，是一种可以在没有反向电压的情况下控制其电流的电子器件。
常见的全控型器件包括二极管、晶闸管、以及新发展的功率场效应管（Power Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）、绝缘栅双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）等。
全控型器件在许多领域都有应用，包括**电力系统和电动机**。
在电力系统中，它们可以用来控制发电机的开关和电流的大小。
在电动机中，这些器件可以通过调节电压来控制电机的速度和方向。
此外，全控型器件还可以用于**电子设备和家用电器**的控制器中，例如电视、音响、照明设备等。
通过使用全控型器件，这些设备的电源和控制电路可以实现更加灵活和智能的控制。
除此之外，全控型器件还被广泛应用于**汽车工业**。
特别是在电动汽车中，全控型器件作为逆变器的一部分，可以将电池中的直流能转换成交流能，从而驱动车轮。
全控型电力半导体器件
问题的提出¾为什么要开发全控型器件？¾半控型器件有哪些限制？在很多情况下，如何将器件关断是一个突出的问题。
¾对关断要求不高，或有其他很有效的方法关断器件时，半控型器件是合适的。
¾反之，就需要全控型器件。
¾5.1 门极可关断晶闸管（GTO）¾5.2 电力晶体管（GTR、PRT）¾5.3 电力场效应晶体管（P-MOSFET）¾5.4 绝缘栅双极晶体管（IGBT）¾5.5 其他全控型电力电子器件¾5.6 模块和智能功率模块（IPM）¾5.7 电力电子技术发展概貌¾5.8 电力半导体器件和装置的保护门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor-GTO）¾晶闸管的一种派生器件。
¾可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。
¾电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，在兆瓦级以上的大功率场合有较多应用ABB 5SGA 30J2501可看成多个小的这些小的SCR结单元一个单元极是被门极包围的条状阴极的宽度越窄，通态电流越容易被关断¾阴极面积太大结论¾GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。
9SCR深度饱和(1.15)，GTO临界饱和(稍大于1)¾GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。
¾多元集成结构使得GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。
5.2 GTO的特性和参数大部分参数和SCR一样或类似，除了：¾门极关断电流I：指GTO从通态转为断GM态所需的门极反向瞬时峰值电流的最小值。
注意：¾GTO管压降要大些，直流通态损耗也大些。
¾GTO的关断是由门极负脉冲完成的，所以门极功耗要大些。
GTO的基本缓冲电路1）GTO 开通和关断时的波形开通时间t on =t d +t r¾t d ——触发延迟时间为门极触发电流从0.1I FGM 上升开始，至GTO 开始导通、阳极电压下降至0.9U d 的时间间隔。
全控型器件特点
全控型器件特点
全控型器件是指可以在整个周期内对电流或电压进行控制的器件。
全控型器件的特点主要体现在以下几个方面：
1. 控制范围广：全控型器件可以对电流或电压进行全程控制，可以实现从零到最大值的连续调节。
这使得它在不同的应用场景中具有灵活性和适应性。
2. 精度高：全控型器件具有较高的控制精度，可以实现对电流或电压的精确控制。
这对于一些对电流或电压要求较高的应用来说十分重要，例如电力电子设备中的功率控制。
3. 响应速度快：全控型器件的响应速度较快，能够在很短的时间内实现对电流或电压的调节。
这使得全控型器件在实时控制和快速响应的应用中具有优势，例如交流调速系统和电力变换器。
4. 可靠性高：全控型器件的结构简单、稳定性好，能够在恶劣的环境条件下工作，具有较高的可靠性。
这使得全控型器件在一些对稳定性要求较高的应用中得到广泛应用，例如电力系统和工业自动化领域。
5. 控制灵活：全控型器件可以通过改变控制信号的幅值、频率和相位等参数来实现对电流或电压的控制。
这使得它具有灵活性，可以根据实际需求进行调节和变化。
6. 功能强大：全控型器件可以实现多种功能，例如电流调节、电压调节、功率调节和相位控制等。
这使得它在不同的应用场景中具有广泛的适用性和灵活性。
总的来说，全控型器件具有控制范围广、精度高、响应速度快、可靠性高、控制灵活和功能强大等特点。
这些特点使得全控型器件在电力电子、工业自动化、交通运输、通信等领域得到广泛应用，对于提高系统的控制性能和稳定性具有重要作用。
电力电子器件(4)-IGBT+新型器件
关断：栅射极间施加反压或不加信号 关断 时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的 基极电流被切断，IGBT关断。 此外，当Uce<0时，IGBT为反向阻断 状态。
IGBT的基本特性 IGBT的基本特性
IGBT的静态特性
转移特性和输出特性
IC IC 有源区
饱 和 区
UGE增加 UGE(th)
URM 反向阻断区 O UGE(th) a) UGE O b)
IGCT Gate（Integrated Gate-Commutated Thyristor）
也称GCT（Gate-Commutated Thyristor）， 20世纪90年代后期出现，是一种在大功率开 关器件GTO基础上改进而成的新型大功率电 力电子器件 结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当， 开关速度快10倍可省去GTO庞大而复杂的缓 冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大；
IGBT比MOSFET多一层P+注入区， 形成了一个大面积的P+N结J1， IGBT导通时，由P+注入区向N基区发射 ， 少子，从而对漂移区电导率进行调制，使 得IGBT具有很强的通流能力； 简化等效电路表明，IGBT是GTR与 MOSFET组成的达林顿结构，一个由 MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管； RN为晶体管基区内的调制电阻。
擎住效应或自锁效应：在IGBT内部由 于内部寄生了一个由NPN晶体管和作 为主开关器件的PNP晶体管组成的寄生 晶闸管。 在额定集电极电流时，NPN晶体管的 BE极间的体区短路电阻上的压降较小， 不能使寄生晶闸管开通。
但如果由于某种条件使得该压降 加大，从而使寄生晶闸管导通，那么 就会由于寄生晶闸管的强烈正反馈作 用，使得栅极失去对集电极的控制作 用，导致器件始终开通，功耗过高而 损坏。
全控型器件的详细介绍
典型全控型器件的介绍班级学号 :姓名日期一．门极可关断晶闸管1.1门极可关断晶闸管的简介门极可关断晶闸管简称GTO,是一种全控型的晶闸管。
其主要特点为，当栅极加负向触发信号时晶闸管能自行关断，保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。
GTO的容量及使用寿命均超过巨型晶体管（GTR），只是工作频纺比GTR低。
目前，GTO 已达到3000A、4500V的容量。
大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。
1.2门极可关断晶闸管的结构和工作原理GTO是PNPN四层半导体结构，外部引出阳极，阴极和门极，是多元件的功率集成器件，内部由许多的GTO元的阳极和门极并联在一起。
其工作原理可用双晶体管来分析P1N1P1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，普通的晶体管分析，α1+α2=1是器件的临界导电条件，当α1+α2>1时2，当α1+α2<1时不能维持饱和导通而关断。
1.3 GTO的驱动方式及频率当信号要求可关断晶闸管导通时，驱动电路提供上升率足够大的正栅极脉冲电流（其幅度视晶闸管容量不同在0.1到几安培范围内），其正栅极脉冲宽度应保证门极关断晶闸管可靠导通。
当信号要求门极关断晶闸管关断时，驱动电路提供上升率足够大的负栅极脉冲电流，脉冲幅度要求大于可关断晶闸管阳极电流的五分之一，脉冲宽度应大于可关断晶闸管的关断时间和尾部时间。
根据对驱动门极关断晶闸管的特性、容量、应用场合、电路电压、工作频率、可靠性要求和性价比等方面的不同要求，有多种形式的栅极驱动电路。
1.4存在的问题及其最新的发展GTO在使用中，导通时的管压降较大，增加了通态损耗。
对关断负脉冲的要求较高，门极触发电路需要严格设计，否则易在关断过程中烧毁管子。
门极电流应大于元件的擎住电流IL;正负触发脉冲其前沿要陡，后沿要平缓，中小功率电路上升沿小于0.5μs ，大功率电路小于1μs ；门极电路电阻要小，以减小脉冲源内阻由于多元集成，对制造工艺提出极高的要求，它要求必须保持所有GTO元特性一致，开通或关断速度不一致，会使GTO元因电流过大而损坏。
电力电子技术第三章 全控型器件的驱动
第一节 全控型电力电子器件的驱动
2.专用集成驱动电路芯片 1)驱动电路与IGBT栅射极接线长度应小于1m，并使用双绕线，以提 高抗干扰能力。
图3-9 电力MOSFET的一种驱动电路
第一节 全控型电力电子器件的驱动
3z10.tif
第一节 全控型电力电子器件的驱动
2)如果发现IGBT集电极上产生较大的电压脉冲，应增加栅极串接电 阻RG的阻值。 3)图3-10中外接两个电容为47μF，是用来吸收电源接线阻抗变化引 起的电源电压波动。
图3-6 抗饱和电路
第一节 全控型电力电子器件的驱动
图中VD1、VD2为抗饱和二极管，VD3为反向基极电流提供回路。在 轻载情况下，GTR饱和深度加剧使UCE减小，A点电位高于集电极电 位，二极管VD2导通，使流过二极管VD1的基极电流IB减小，从而减 小了GTR的饱和深度。抗饱和基极驱动电路使GTR在不同的集电极 电流情况下，集电结处于零偏或轻微正向偏置的准饱和状态，以缩 短存储时间。在不同负载情况下以及在应用离散性较大的GTR时， 存储时间趋向一致。应当注意的是，VD2为钳位二极管，它必须是 快速恢复二极管，该二极管的耐压也必须和GTR的耐压相当。因电 路工作于准饱和状态，其正向压降增加，也增大了导通损耗。
图3-2 门极控制电路 结构示意图
第一节 全控型电力电子器件的驱动
(1)开通控制 开通控制要求门极电流脉冲的前沿陡、幅度高、宽 度大及后沿缓。
图3-3 推荐的GTO门极控制 信号波形
第一节 全控型电力电子器件的驱动
(2)关断控制 GTO的关断控制是靠门极驱动电路从门极抽出P2基区 的存储电荷，门极负电压越大，关断的越快。 (3)GTO的门极驱动电路 GTO的门极控制电路包括开通电路、关断 电路和反偏电路。 间接驱动是驱动电路通过脉冲变压器与GTO门极相连，其优点是： GTO主电路与门极控制电路之间由脉冲变压器或光耦合器件实现电 气隔离，控制系统较为安全；脉冲变压器有变换阻抗的作用，可使 驱动电路的脉冲功率放大器件电流大幅度减小。缺点是：输出变压 器的漏感使输出电流脉冲前沿陡度受到限制，输出变压器的寄生电 感和电容易产生寄生振荡，影响GTO的正确开通和关断。此外，隔 离器件本身的响应速度将影响驱动信号的快速
电力电子技术考研必备题库与答案
电力电子技术试题库答案来源：欧阳陶昱的日志电力电子技术试题库答案一、填空题（每空1分，共20分）1、电力电子技术是利用（电力电子器件）对电能进行（控制、转换和传输）的技术.3电力电子技术研究的对象是（电力电子器件的应用）、（电力电子电路的电能变换原理）和电力电子装置的开发与应用。
.1957年（美国通用电气（GE）公司）研制出第一只晶闸管，它标志着（电力电子技术）的诞生。
6、电力二极管的主要类型有（普通二极管），（快恢复二极管）和肖特基二极管。
7、电力二极管的主要类型有普通二极管，（快恢复二极管）和（肖特基二极管）。
8、晶闸管是一种既具有（开关作用），又具有（整流作用）的大功率半导体器件。
9、晶闸管有三个电极，分别是（阳极），（阴极）和门极或栅极。
10、晶闸管有三个电极，分别是阳极，（阴极）和（门极或栅极）。
11、晶闸管的正向特性又有（阻断状态）和（导通状态）之分。
12、半控型电力电子器件控制极只能控制器件的（导通），而不能控制器件的（关断）。
13、电流的波形系数Kf指（电流有效值）和（电流平均值）比值。
14、电力晶体管是一种（耐高压）、（大电流）的双极型晶体管。
15、电力晶体管的安全工作区分为（正偏安全工作区）和（反偏安全工作区）。
16、双向晶闸管有两个（主）电极和一个（门）极。
17、双向晶闸管有(I+触发方式)，（I-触发），III+触发和III-触发。
18、IGBT的保护有（过电流保护），过电压保护和（过热保护）。
19、降压变换电路的输出电压与输入电压的关系为（Uo=DUd），升压变换电路的输出电压与输入电压的关系为（Uo=Ud/(1-D)）。
20、全控型电力电子器件控制极既能控制器件的（导通），也不能控制器件的（关断）。
21、电力器件的换流方式有（器件换流），（电网换流），负载换流和脉冲换流。
22、负载换流式逆变电路分为（并联谐振式），（串联谐振式）。
23、按照稳压控制方式，直流变换电路可分为（脉冲宽度调制）和（脉冲频率调制）。
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。
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。
新能源汽车故障诊断考试题含参考答案
新能源汽车故障诊断考试题含参考答案1、（）不属于电动汽车常见危险。
A、碰触高压电B、高温蒸汽烫伤C、辐射D、火灾答案：C2、从近期来看，（）、铝合金仍然是主流的新能源汽车轻量化材料。
A、高强钢B、碳纤维C、镁合金D、塑料答案：A3、起火被烧毁的电池要（）A、浸在水里，防止再次起火B、使用消防沙处理C、直接托运返厂D、拆分放置答案：B4、在车辆“READY”时测量新能源汽车低压蓄电池的电压，这时所测的电压值为（）的电压。
A、车载充电机输出B、DC/DC 输出C、高压保险盒输出D、电机控制器输出答案：B5、下面不属于交流发电机工作特性的是（）A、外特性B、空载特性C、伏安特性D、输出特性答案：C6、在维修带有高电压的新能源汽车前，务必规范执行高电压的（）和（）操作，避免因意外高压触电。
A、断电；检验B、断电；通电C、通电；检验D、防护；检验答案：A7、如果作业过程中有人触电，触电者呼吸和心跳均已停止，最有效的做法是：应立即（）。
A、电话联系医护人员，等待医护人员赶到现场急救B、采用心肺复苏法进行急救C、口对口进行人工呼吸D、搬运触电者到通风处答案：A8、下列（）电池不能作为新能源汽车的动力电池。
A、镍氢电池B、镍镉电池C、锂电池D、燃料电池答案：B9、二次电池容量降至某一规定值之前，电池所能耐受的循环次数称为电池（）。
A、放电次数B、循环周期C、循环寿命D、耐受指数答案：C10、电动汽车充电模式 4：将电动汽车连接到交流电网或直流电网时，使用了带控制导引功能的（）。
A、直流供电设备B、交流供电设备C、充电连接电缆D、控制引导装置答案：A11、未充放电时正负极两端的端电压是（）A、开路电压B、终止电压C、工作电压D、标称电压答案：A12、（）不是高压线束高压控制盒引脚的释义。
A、PTC电源正极B、压缩机电源负极C、充电机电源正极D、互锁线接线答案：D13、挡风玻璃清洗液一般情况下都可以通用，除了（）参数之外不需要特别关注。
全控型器件
开关速度高,开关损耗小,通态压降较低,电压、电流容量较高，门极输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单
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
适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域
所属
类型
是晶体管的一种派生器件，可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，属于全控型器件
是一种电流控制的双极双结电力电子器件
是一种电压控制型单极晶体管，是通过栅极电压来控制漏极电流的
绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件
开关速度低,电流驱动型,需要驱动功率大,驱动电路复杂,存在二次击穿问题
电流容量小,耐压低,通态损耗较大,一般适用于高频小功率场合
开关速度不及电力MOSFET，电压、电流容量不及GTO
应用
场合
主要用于中等容量的牵引驱动中
在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛
一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置
全控型器件GTO、GTR和电力MOSFET、IGBT各自的优缺点，应用场合及其ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ属类型。
器件
GTO(门极可关断晶体管)
GTR(电力晶体管)
电力MOSFET(电力场效应晶体管)
IGBT(绝缘栅双极型晶体管)
优点
电压、电流容量很大,适用于大功率场合,具有电导调制效应,其通流能力很强
耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低
四种典型全控型器件比较
《中国 电力 百科全书》
《电工 技术 》
《电力 电子 交流技术》
《中国 集成 电路 》
《现代 电力 电子技术基础》
U
G
U
90
GE
U
GEM
U
10
GE
0
I
C
I CM
t
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﹣ i G。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。 GTO的驱动电路：
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。
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。 下图为工作原理图。
2222 A
IA PNP
V1
G IG
Ic1
I c2
R
NPN V 2
S
EA
EG
IK
K
b)
2、电力晶体管 (GTR) 1）电力晶体管的结构：
3
内部结构
管（ Giant Transistor—GTR）和电力场效应晶体管（ Power MOSFET ）的优点，具
有良好的特性，应用领域很广泛。缺 点 ：开 关 速 度 低 于 MOSFET ，电 压 ，电
流 容 量 不 及 GTO 。
2010 年，中国科学院微电子研究所成功研制国内首款可产业化
IGBT 芯
② 用内阻小的驱动源对栅极电容充放电， 以保证栅极控制电压 uGE 有足够陡 的前后沿，使 IGBT 的开关损耗尽量小。另外， IGBT 开通后，栅极驱动源应能提 供足够的功率，使 IGBT 不退出饱和而损坏。
GTO+GTR+MOS+IGBT
主要参数：
共射极电流放大倍数、最高工作电压、集电极 最大允许电流、集电极最大耗散功率、开通时 间、关断时间
应用：交流电动机调速、不间断电源、中频电 源等电力变流装置中。
活动2：对比晶闸管来理解GTO的工作原理
晶闸管
GTO
对比结果
导
通 阳极加正向电压，同时在 阳极加正向电压，同时在
全控型电力电子器件
1.全控型电力电子器件有哪几种？ 2.门极可关断型晶闸管、电力晶体管的符
号、三个极的名称？ 3.门极可关断型晶闸管、电力晶体管的主
要参数？应用范围？
复习：晶闸管
1.晶闸管的符号： A--阳极 K--阴极 G--门极 2.导通条件： 阳极加正向电压，同时在门极加正向触发电压 3.关断条件：
电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快， 输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱 动电路简单。
绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor——IGBT或IGT）综合了GTR 和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。
绝缘栅双极晶体管IGBT
■IGBT的结构
电力MOSFET的符号
N 沟 道 增 强 型
P
沟
道
增
强
S——源极
型
D——漏极
N
G——栅极
P
沟
沟
道
道
耗
耗
尽
尽
型
型
电力MOSFET的工作原理
截止：当栅源电压UGS≤0时，漏源极之间无电流流过； 当UGS≤UT(UT为开启电压)时，漏源极之间仍无电流流 过，电力MOSFET截止。
导通：在栅极和源极之间加一正电压UGS， 当UGS>UT时，此时加漏源电压UDS>0,漏极和源 极导电,电力MOSFET导通。
全控型器件
典型全控型器件利用控制信号可控制开通与关断的器件称为全控型器件，通常也称为自关断器件。
全控型器件通常分为电流控制型与电压控制型两类。
电流控制型器件从控制极注入或抽取电流信号来控制器件的开通或关断，如可关断晶闹管(GTO)、大功率晶体管(GTR)等。
这类器件的主要特点是控制功率较大、控制电路复杂、工作频率较低。
电压控制型器件通过在控制极建立电场——提供电压信号来控制器件的开通与关断，如功率场效应臀(简称功率MosFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。
与电流控制型器件相比，这类器件的主要特点是控制功率小、控制电路简单、工作频率较高。
20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。
典型代表是（1）门极可关断晶闸管，（2）电力晶体管，（3）电力场效应晶体管（4）绝缘栅双极晶体管。
一. 可关断晶闸管1 .特点：(1) 晶闸管的一种派生器件.(2)可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。
(3)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。
2．可关断晶闸管的结构与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栅的结构示意图、等效电路、电气符号如图1所示。
与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。
由P1N1P2和图1 GT()的结构示意图、等效电路与电气符号)工作原理：图2 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和 2 。
1+ 2=1是器件临界导通的条件。
3. GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：a) 设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断。
b) 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。
c) 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。
电力电子器件的种类
电力电子器件的种类
电力电子器件的种类很多，按照不同方法可以分成不同类型。
一、按照能够被控制电路信号所控制的程度
1.半控型器件
通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断的电力电子器件。
主要是指晶闸管及其大部分派生器件。
2.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。
目前最常用的是IGBT和Power MOSFET。
3.不可控器件
器件本身没有没有导通、关断控制功能，而是需要根据外电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。
电力二极管就是典型的不可控器件。
二、按照驱动信号的性质
1.电流驱动型
通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。
代表性器件有晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、IGBT等。
2.电压驱动型
仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。
代表性器件为MOSFET管和IGBT管。
3.脉冲触发型
通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。
4.电平控制型
必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通。
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β =i c / i b
β称为GTR的电流放大系数，它反映出基极电 流对集电极电流的控制能力。
单管GTR的β很小，通常为10左右。
GTR的工作原理
为了削弱上述物理效应的影响，必须在 结构和制造工艺上采取适当的措施，以满足 大功率应用的需要。
GTR的工作原理
GTR的大电流效应：由于GTR的工作电 流和功耗大，会造成GTR的电流增益β下降， 特征频率减小，电流局部集中而导致的局部 过热，这将严重地影响GTR的品质，甚至使 GTR损坏。
GTR的分类
电力晶体管有单管、达林顿管和达林顿晶体管模块。
单管GTR 达林顿GTR GTR模块
单管GTR
GTR的参数
（1）最高电压额定值
最高电压额定值是指集电极的击穿电压值。
① BUCBO为发射极开路时，集电极-基极的击穿电压。 ② BUCEO为基极开路时，集电极-发射极的击穿电压。
③ BUCES为基极-射极短路时，集电极-发射极的击穿 电压。
④ BUCER为基极-发射极间并联电阻时，集电极-发射 极的击穿电压。并联电阻越小，其值越高。
虽然达林顿结构大大提高了电流放大倍数，但 其饱和管压降却增加了，增大了导通损耗，同时降 低了管子的工作速度。
达林顿GTR
实用达林顿
电路是将达林顿
结构的GTR、稳 定电阻R1、R2、 加速二极管VD1 和续流二极管
VD2等制作在一 起。
实用达林顿 电路
GTR模块
GTБайду номын сангаас模块是将 一个GTR管芯及辅助元件组 装成一个基本单元，然后根据不同的用途将几个 单元电路构成模块，集成在同一硅片上。
动态特性（开通特性）
开通时间ton ：
GTR由关断状态过 渡到导通状态所需要的 时间。
开通时间ton由延迟 时间td和上升时间tr两部 分组成。
动态特性（关断特性）
GTR由导通状态过渡到关断状态所需要的时 间称为关断时间toff，它由储存时间ts和下降时间tf 两部分组成 。
GTR的开、关时间在几微秒 ~ 十几微秒以 内。容量越大，开关时间也越长，但仍比快速晶 闸管短。可用于频率较高的场合。
在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、 中等频率的电路中应用广泛。
电力晶体管（GTR）
•GTR的结构和工作原理 •GTR的分类 •GTR的主要特性 • GTR的参数
•GTR的二次击穿与安全工作区
•驱动电路与保护
电力晶体管（GTR）
GTR的缺点: 驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次
击穿而损坏。
在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率 MOSFET和IGBT所代替。
GTR的结构
电力晶体管与一般双极型晶体管结构相似，也分 为PNP型和NPN型两种，但大功率的GTR多采用NPN 型。
结构示意图
正向道童电 路
电气符号
GTR的工作原理
当工作在正偏（Ib＞0）时，GTR导通； 当工作在反偏（Ib≤0）时，GTR截止。 GTR工作于导通和截止的两种状态，即相 当于电子开关闭合与断开。
最大电流额定值的确定
① 因为大电流效应会使GTR的电性能变差， 甚至使管子损坏。所以ICM标定应当不引起大电流效 应，通常规定β值下降到额定值的1/2~1/3时对应的IC
为ICM值。
②在低电压范围内使用GTR时，以集电极最大耗 散功率PM的大小来确定ICM值。
③通常IC只能用到ICM的一半左右。
最大额定功耗PCM
GTR结构简 单、可靠性高耐 压能力强，易于 散热；但单管 GTR电流增益较 低。
达林顿GTR
达林顿GTR是由多个晶体管复合而成，前级 晶体管为驱动管，后级晶体管为输出管，其性质 取决于驱动管。
PNP型
NPN型
达林顿GTR
与单管GTR相比，达林顿结构的电力晶体管 电流放大倍数很大，可以达到几十至几千倍。
GTR的工作原理
GTR是用基极电流IB来控制集电极电流IC的 电流控制型器件，其基本工作原理与小功率三极 管基本相同。
GTR主要作为功率开关使用，工作于饱和导通 与截止状态，不允许工作于放大状态。
在电力电子技术中，GTR要有足够的容量、适 当的增益、较高的开关速度和较低的功率损耗等 。
GTR的工作原理
GTR模块提高了器件的集成度、工作的可靠 性和性价比，同时也实现了小型轻量化。
GTR模块可将多达6个相互绝缘的单元电路 制在同一个模块内，便于组成三相桥电路。
GTR模块
GTR模块多种多样。既有一单元、二单 元模块的封装，又有四单元、六单元模块的 封装；每个基本单元内使用的GTR，既有单 管GTR，又有两级、三级甚至四级达林顿复 合型GTR；既有晶体管单独封装的单品种型 模块，又有晶体管与快恢复续流二极管混合 封装的混合型GTR模块。
电力晶体管（GTR）
1
2 3
4
5
电力晶体管（GTR）
电力晶体管（Giant Transistor）简称GTR或 BJT，它是一种电流控制的双极双结大功率、高反 压电力电子器件。
一般将集电极功率PCM＞1W的晶体管称为电 力晶体管。
电力晶体管（GTR）
GTR的优势： 耐压高，电流大，开关特性好，具有自关断能力。
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。
在不同基极条件下的伏安特性及电压极限值
最大电流额定值
最大电流额定值：
集电极最大允许电流ICM。 集电极最大允许电流ICM：
在最高允许结温下，不造成器件损坏的最大 电流。超过该额定值必将导致GTR内部结构的烧 毁。在实际使用中，可以利用热容量效应，根据 占空比来增大连续电流，但不能超过峰值额定电 流。
GTR模块
GTR的主要特性
GTR的特性可分为静态特性和动态特性。
静态特性 动态特性
静态特性
UCE=ƒ（IC）
静态特性
截止区：UBE≤0，UBC＜0，发射结、集电结均反偏。 此时IB = 0，GTR承受高电压，仅有微小的漏电流。 放大区：UBE＞0，UBC＜0，发射结正偏、集电结反偏 此时在该区内，IC与IB呈线性关系。 临界饱和区：UBE＞0，UBC＜0，发射结正偏、集电 结反偏。在该区内，IC与IB呈非线性关系。 深饱和区：UBE＞0，UBC≥0，发射结、集电结均正偏 此时在该区内，IC与IB呈线性关系。