全控型器件
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。
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。
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
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。
四种典型全控型器件比较(汇编)
四种典型全控型器件的比较四种典型全控型器件的比较一、 对四种典型全控型器件的介绍1、门极可关断晶闸管(GTO ) 1）GTO 的结构与工作原理芯片的实际图形 GTO 结构的纵断面 GTO 结构的纵断面 图形符号GTO 的内部结构和电气图形符号2）工作原理：设计α2较大，使晶体管V2控 制灵敏。
导通时α1+α 2= 1.05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。
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。
2222R NPNPNPA G SK E GI G E AI K I c2I c1I A V 1V 2b)2、电力晶体管(GTR) 1）电力晶体管的结构：内部结构电气图形符号NPN型电力晶体管的内部结构及电气图形符号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(I b＞0)时大电流导通；反偏(I b＜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。
3、电力场效应晶体管(Power MOSFET)1）电力MOSFET的结构MOSFET元组成剖面图图形符号电力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。
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U GS，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u GS大于某一电压值U GS(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。
全控型器件
全控型器件1.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；这类器件很多，门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor—GTO），电力场效应晶体管（Power MOSFET），绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT）均属于此类。
●绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT）综合了电力晶体管（Giant Transistor—GTR）和电力场效应晶体管（PowerMOSFET）的优点，具有良好的特性，应用领域很广泛；IGBT也是三端器件：栅极，集电极和发射极。
●门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor—GTO）也是晶闸管（Thyristor）的一种派生器件，但可以通过在门极施加负脉冲使其关断，因而属于全控型器件；它和普通晶闸管一样，也是PNPN四层结构，外部引出三个极，阳极，阴极和门极；工作条件同普通晶闸管；其主要用于兆瓦级以上的大功率场合。
●电力场效应晶体管电力场效应晶体管分为两种类型，结型和绝缘栅型，但通常所说的是绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称电力MOSFET（Power MOSFET），P-MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流，它的显著特点是驱动电路简单，驱动功率小，开关速度快，工作频率高；但是其电流容量小，耐压低，只用于小功率的电力电子装置，其工作原理与普通MOSFET一样。
●电力晶体管电力晶体管按英文Giant Transistor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），所以有时也称为Power BJT；其特性有：耐压高，电流大，开关特性好，但驱动电路复杂，驱动功率大；GTR和普通双极结型晶体管的工作原理是一样的。
电力电子技术2 全控型电力电子器件
2．1 门极可关断晶闸管（GTO）
一、GTO的工作原理 GTO的内部结构与普通晶闸管相
同，是PNPN四层三端结构，但在 制作时采用特殊工艺使管子导通 后处于临界饱和，这样可以用门 极负脉冲电流破坏临界饱和使其 关断。 GTO主要用于直流变换和逆变等 需要元件强迫关断的地方。其开 关时间在几µs-25µs之间，工作 电压高达6000V，电流大6000A， 适用于开关频率为数百Hz至 10kHz的大功率场合。
2、VDMOS的主要参数
（区进1）入通饱态和电区阻时R漏on：极在至确源定极的间栅的源直电流压电U阻GS下称，为V通DM态OS电由阻可。调电阻
（压称2）为阈阈值值电电压压U。T：沟道体区表面发生强反型所需的最低栅源电
（3）跨导gm：gm=ΔID/ΔUGS，它表示UGS对ID的控制能力的大小。
有 一外般接不电会阻引限起制GT电R的流特IC性的变增坏大。，
如 大 时 （负继， ，阻续U当CE效增I突C上应大然升）U下C到E，降，A这，又点个而不（现限I临C象继制界称续I值C为的增）二大增
次击穿。
2．2 电力晶体管
（2）安全工作区(SOA)：指在输 出特性曲线图上GTR能够安全运 行的电流电压的极限范围。
C图中，导通与关断用两个独立 电源，开关元件少，电路简单。
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 。
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。
全控型电力电子器件
目前生产的GTR模块可将多达6个互相绝 缘的单元电路做在同一模块内，可很方 便地组成三相桥式电路。
3. GTR的二次击穿现象
一次击穿 ❖ 集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪 崩击穿； ❖ 只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也 不变。
3.特点
全控型 容量大 off≈5 电流控制型
电流关断增益off ： 最大可关断 阳极电流与门极负脉冲电流最大 值IGM之比称为电流关断增益
off
I ATO I GM
1000A的GTO关断时门极负脉
冲电流峰值要200A 。
第二节 GTR——电力晶体管
➢ 电力晶体管GTR （Giant Transistor，巨型晶体管） ➢ 耐 高 电 压 、 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管 （ Bipolar
频率低。该类器件有SCR、GTO、GTR。 （2）电压控制器件：驱动功率小，驱动电路简单可靠，
工作频率高。该类器件有P-MOSEET、IGBT。
C
IDRNV-J1+ IC
C
-+
+
-IDRon
பைடு நூலகம்
G
E
栅极
b)
c)
集电极 发射极
2.导通关断条件
驱动原理与电力MOSFET基本相同，属于场控器件， 通断由栅射极电压uGE决定 导通条件：在栅射极间加正电压UGE UGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道， 为晶体管提供基极电流，IGBT导通。 关断条件：栅射极反压或无信号 栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟 道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。
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。
24典型全控型器件
2019/9/28
电力电子技术
使用中要注意的问题：
太原工业学院自动化系
1.GTO在使用中，导通时的管压降较大，增加了通态 损耗。
2.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。
2019/9/28
电力电子技术
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2019/9/28
电力晶体管GTR（巨型晶体管）
电力电子技术
1. GTR的结构和工作原理
太原工业学院自动化系
GTR内部结构与元件符号
内部载流子的流动
GTR是一种双极型半导体器件，即其内部电流由电 子和空穴两种载流子形成。基本结构有NPN和PNP两 种。为了GTR提高耐压，一般采用NPvN三重扩散结构
•等效晶体管从饱和区退至放大 区，阳极电流逐渐减小——下 降时间tf 。
•残存载流子复合——尾部时间 tt 。
•通 常 tf 比 ts 小 得 多 ， 而 tt 比 ts 要 长。
•门极负脉冲电流幅值越大，前 沿越陡，抽走储存载流子的速 度越快，ts越短。
•门极负脉冲的后沿缓慢衰减， 在tt阶段仍保持适当负电压， 则可缩短尾部时间 。
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(2) 动态特性
ib
Ib1Βιβλιοθήκη 9 0 % Ib11 0 % Ib1 0
t Ib2
ic 9 0 % Ics
ton
td tr
I cs
t o ff
ts
tf
1 0 % Ics 0
t0 t1 t2
逆变电源面试题
逆变电源面试题1．目前常用的全控型器件有哪些？各有什么特点？答：目前常用的全控型器件有GTO，IGBT，MOSFET等。
GTO的开关频率比较低，一般在几百到一千Hz左右，但其耐压比较高，因此GTO主要用于一些特大容量场合。
IGBT的开关频率一般可以做到50kHz，容量到4500V/1000A。
具有输入阻抗低，驱动功率小等特点，主要应用在电机控制，中频电源，开关电源等场合。
MOSFET具有驱动功率小，高频特性好，热效应好，没有二次击穿，开关频率高等特点，可达2MHz，但其容量低，目前制造水平1000 V/2A 和60 V/2A，不适宜大功率场合。
2. 什么是电力电子器件的二次击穿，为什么MOSFET没有二次击穿现象？答：当电力电子器件由于电流过大而发生一次击穿时，如果没有采取措施限制电流，由于器件本身的负阻效应，使得电流进一步迅速增加，导致管子发生热击穿而损坏，称作二次击穿。
MOSFET之所以没有二次击穿现象，是因为MOSFET本身具有正阻效应，随着电流的增加其本身电阻增加，从而不至于使得电流进一步迅速上升而发生二次击穿。
3. 电力电子器件的保护主要有哪些？为什么电力电子器件有设置缓冲保护电路答：主要有短路保护，过压过流保护等。
对于电力电子器件由于其本身对OSFE的能力比较差，所以除了前面的过压过流保护外，还应该增设缓冲电路以限制电流以及电压的变化过快。
4. 什么叫做整流，目前常用的整流电路中，电路的拓扑结构主要是什么？答：把交流电变成直流电输出，称之为整流。
目前常用的整流电路为桥式整流。
5. 整流电路为什么要进行滤波？目前常用的滤波方法是什么？答：由于整流电路输出电压波动比较大，因此需要滤波。
常用的滤波方法是在整流电路两端并电容滤波。
6. 目前常用两种斩波电路是什么，主要应用在那些场合？斩波电路的占空比指的是什么？答：目前常用的斩波电路为降压和升压斩波电路，降压斩波主要应用在电力机车、开关电源等场合。
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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。
4. 由上述分析我们可以得到以下结论：a) GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。
b) GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断c) 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5．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。
a）开通时间ton :延迟时间与上升时间之和。
延迟时间一般约1~2 s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大b)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2 s。
不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联。
c) 最大可关断阳极电流IATO:---GTO额定电流。
d)电流关断增益off): —最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。
off)一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。
1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。
二．电力晶体管1. GTR的结构和工作原理图3 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GTR的主要特点是：a)与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。
b)主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。
c)通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。
d)采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。
e)在应用中，GTR一般采用共发射极接法。
2..GTR的基本特性静态特性:a)共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。
b)在电力电子电路中GTR工作在开关状态。
c)在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。
图4. GTR的静态特性动态特性:开通过程：a)延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton，b)加快开通过程的办法。
关断过程：a）储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff ，b)加快关断速度的办法，c)GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。
图5 GTR的开通和关断过程电流波形（3）GTR的主要参数除前已述及的：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff ，此外，还有：a）最高工作电压(I)GTR上电压超过规定值时会发生击穿。
(II)击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。
(III)BUcbo> BUcex> BUces> BUcer> Buceo。
(IV)实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。
b)集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点c)集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率。
产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。
d)GTR的二次击穿现象与安全工作区一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。
只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。
二次击穿：一次击穿发生时，如不能有效的限制电流，Ic突然急剧上升，电压陡然下降。
常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。
e）安全工作区（Safe Operating Area——SOA）最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。
三．功率场效应管功率场效应督(功率MosFET)是具有漏极(D)、源极(s)与栅极(G)的三端器件。
场效应管(MosFET)分为结型、绝缘栅型两类。
绝缘栅型MOsFET利用栅极与源极间的电压来控制漏极与源极间的等效电阻，从而控制器件的导通与组断状态。
本节以绝缘栅型MOsF2T为例介绍MOsFET的工作原理及其主要特性、参数。
1 .电力场效应晶体管分类及特点：电力场效应晶体管可以分为结型和绝缘栅型，I)按导电沟道可分为P沟道和N沟道。
II)耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。
III)增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。
特点是：用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小。
开关速度快，工作频率高。
热稳定性优于GTR。
电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW 的电力电子装置。
2．功率场效应警的结构与工作原理以垂直导电扩散场效应管(VDMOSFET)为例来介绍绝缘栅型M05FET路符号如图6所示。
图6 VDMoSFET单元结构与电路符号从绝缘极型MoSF2T结构示意图可以看出，功率MOSFtT是由许多小MOSFET并联组成的。
制造N沟道时，先在N区上用扩散工艺形成P型区域，再在P区内采用扩散工艺形成N型区域(即采用所谓双扩散工艺)，在栅极与P、N型半导体之间用绝缘材料隔离，引出强权时扩散的P、N区是短接的。
3. 根据绝缘栅型MOSF[T的结构可说明其工作原理当漏、源极之间的电压[简称漏源电压)承受反向电压，漏、源权之间呈现高阻特性，相当于器件处于阻断状态；如果MGs＞o，栅源结相当于一个电容，此时栅极带正电荷，将在靠近栅极的P区内感应产生电子，即在P区内形成一个反型层(P变到N)。
在MGs电压高到一定程度后，这个反型层作为导电沟道将源极N’与漏极N—连接在一起，形成电流通道，使MosFET处于导通状态。
这个电流通道均为多数裁硫子导电，因此功率MosFET称为单极型器件。
当撤去吨Ugs即恢复MGs＜o时，反型层消失，调、源吸之间恢复阻断状态。
由此可见，只需建立栅、源极之间的电场，即给栅、源权之间结电容充电即可使功率M05FET 开通而给栅、源极之间结电容放电即可使功率MosFET关断。
因此，可以通过控制Ugs大小来控制漏、源极之间的开通与关断。
这种通过调节控制极电压大小来改变开通与关断状态的器件称为电乐控制型器件。
由于功率MoSFET栅、源极之间结电容很小，电容充、放电时间很短，因此驱动电路简单，驱动功率小，开关速度快。
由于漏、源极之间电流由反型层提供通道，允许通过电流的能力有限，因此功串MosFET电流容量较低。
同时，由于功率MosFET反型层等效电阻较大，因而导通压降高，通态损耗较大。
功率MOSFET主要用于高频、小功率场合。
图7 MOsFET的典型翻态特性输出特性描述了一定栅源电压M。
s下，漏极电流5u与漏源电压Mm之间的关系。
四．绝缘栅双极目体管1．绝缘栅双极邑体冒的结构与工作原理绝缘栅双极晶体管(IGBT)是一种性能优良的半导体器件，是在MosFET的基础上增加PJ层漏极形成的新型器件。
IGBT结构如图8所示，从P’层引出的电极称为集电极(c)，与MosFET的源极相连的电极称为发射极(E)，控制极仍称为栅极(G)。
由结构可知，IGBT 相当于一个功率PNP管与MOsFET复合而成的新型器件，其等效电路如图8(b)所示．电气符号如图8(c)所示。
图8 1GBT的结构、等效电路与电气符号从IGBT等效电路可见，当MoSFET关断时，PNP管也关断，IGBT处于阻断状态；当MOSFET导通时，PNP管随之导通，IGBT处于导通状态。
这样可通过控制MoSFET来控制PNP三极管，从而控制整个器件的开通与关断。
从IGBT的结构还可知道，当IGBT 承受反向电压即发射极电位高于集电权电位时，靠近集电极的PN结处于反向偏置状态，因而此时IGBT处于阻断状态。
由于IGBT常用于感性负载电路，而IGBT关断时需给负载电流提供续流通道，因此目前许多IGBT内部集成有反并联二极管。
2．绝缘栅双极晶体瞥的主要特性1)静态特性静态特性主要指IGBT的转移特性与伏安特性。
IGBT的转移特性是指在一定集射电压下，输出集电极电流与栅射电压蝴之间的关系。
IGBT的典型转移特性如图9所示，它与MosFET的转移特性相同。
由图可见，IGBT也存在开启电压UmM。
当MGc＜uUmM时，IGBT处于阻断状态。
只有当MGc>uUmM时，IGBT才可能有h产生。
IGBT导通后，在大部分集电极电流范围内，成近似线性关系。
最高栅射电压EJGc受最大集电极电流Jc的限制，其最佳值一般取为15V左右。
IGBT的伏安特性是指以栅射电压MGr为参变量时，集电极电流5c与集射电压队s之间的关系，又称为IGBT的输出特性。
集电极结出电流人受Mcs的控制，MGs越高，6c 越大。
IGBT的典型伏安特性如图10所示，它与三极篮的输出特性相似，也可分为截止区、饱和区、放大区、击穿区、反向截止区等部分。
在截止区，MGr＜uLm M，，IGBT处于阻断状态。
在饱和区，IGBT内PNP管饱和导通，此时Mcs几乎不随jc增加而增加。