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。
第四章 全控型电力电子器件
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。
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。
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。
全控型电力电子器(第二讲)
饱和区
它承受 反向电压 能力很差， 反响阻断 电压只有 几十伏， 因此大大 限制了它 在高反压 场合的应 用。
截止区
击穿区
IGBT的转移特性曲线
UGE(TH)温度每升高1 ℃ 其值下降5mV 左右
在25 ℃ 时其值一 般为2-6V
IGBT的主要参数
集电极-射极击穿电压UCES：最高工作电压， 其大小与结温呈正温度系数关系0.63V/℃
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。
快速通过放大区,防止功耗太大损坏GTR 为了保证开关速度快，损耗小，要求GTR饱和压
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
引某到一栅电极压下值面UT时的，P型栅区极表下面面。的当Pu型GS区大于表
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
2）漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM：即电力
MOSFET 的 额 定 电 流 ， 其 大 小 主 要 受 管 子 的 温 升 限 制。
3）栅源击穿电压UGS：栅极与源极之间的绝缘层
很薄，承受电压很低，一般不得超过20 V，否则 绝缘层可能被击穿而损坏，使用中应加以注意。
总之，为了安全可靠，在选用MOSFET时，对电 压、电流的额定等级都应留有较大裕量。
极控制关断，但导通时管压降增大； 多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使
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。
试列举电力电子器件,并从不同的角度对这些电力电子器件进行分类。目前常用的全控型电力电子器件有哪些？
试列举电力电子器件，并从不同的角度对这些电力电子器件进行分类。
目前常用的全控型电力电子器件有哪些？以下是一些常见的电力电子器件的分类：1.控制器件：这类器件用于控制电力系统中的电流、电压和功率流动。
例如，控制器件包括逆变器、整流器和交流调压器等。
2.开关器件：这类器件用于控制电力系统中的电流通断。
常见的开关器件包括晶闸管（SCR）、双向晶闸管（TRIAC）、功率MOSFET、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）和GTO（门控双极型晶体管）等。
3.整流器件：这些器件用于将交流电转换为直流电。
典型的整流器件包括整流二极管、普通晶闸管、快恢复二极管和大功率二极管等。
4.逆变器件：这类器件用于将直流电转换为交流电。
常见的逆变器件包括逆变二极管、MOSFET逆变器、IGBT逆变器和GTO逆变器等。
5.检测和保护器件：这些器件用于检测电流、电压、温度等电力系统参数，并提供保护控制。
典型的检测和保护器件包括电流传感器、电压传感器、温度传感器和保护电路等。
常用的全控型电力电子器件包括：1.晶闸管（SCR）：可控硅，适用于高功率、高电压应用中的整流和开关控制。
2.双向晶闸管（TRIAC）：适用于交流电控制，用于调节电压和控制功率。
3.大功率MOSFET：金属氧化物半导体场效应晶体管，用于高频开关和高效率应用。
4.功率IGBT：绝缘栅双极型晶体管，结合了MOSFET和晶闸管的特性，适用于高频率开关、高功率应用。
5.门控双极型晶体管（GTO）：适用于高功率、大电流应用中的整流和开关控制。
不同的器件在性能、应用场景和特点等方面各有优势，选择适合特定应用的器件取决于实际需求。
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。
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
太原工业学院自动化系
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 。
2019/9/28
电力电子技术
太原工业学院自动化系
(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
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。
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15章全控型电力电子器件及其应用
PWM型变频器的基本工作原理
•PWM逆变器的输出电压 为等幅不等宽的脉冲列
•异步电动机的输入电压
•结论
•图15-11 PWM型变频器基本原理示意图
•按一定比例改变脉冲列中各脉冲的宽度，即可 •改变输入电压 （与输出电压 等效）的幅值。
•
一、PWM型变频器的基本工作原理
•1. 单相桥式PWM型变频电路的工作原理
•电力电 子 器件
• 全控型
•GTR（电力晶体管） •GTO （可关断晶闸管) •功率 MOSFET（功率场效应晶体管)
IGBT(绝缘栅双极晶体管)
•
全控型电力电子器件分类2
•全控型 电力电 子器件
•功率 MOSFET（功率场效应晶体管)
• 单极型 •SIT（静电感应晶体管）
•（一种载流子 参与导电） •GTR（电力晶体管）
•当 f1≤f1n时，对恒转矩负载，都采用电压频率比例调节， 低频段加以电压补偿的恒转矩调速方式，即
•=常数
•式中， 是定子供电额定频率； 是定子供电额定电压 。 •当f1＞f1n时，对近似恒功率负载，采用只调节频率f1，而不
调节电压 的控制方式，即
•
二、变频器的分类及结构形式
• 1. 变频器的分类
•
二、 可关断晶闸管（GTO)
•GTO的结构和等效电路
•15-4
•
GTO的工作原理
•GTO 的开通原理：同普通晶闸管
•GTO的关断机理 ： •闭合S，门极加负偏压 ，IC1被抽走，形成门 极负电流 - IG.
•？
•
GTO和SCR的不同
•GTO的内部包含有数百个共阳极的小GTO，这些小 GTO称为GTO元。GTO元的阳极是共有的，门极和 阴极分别并联在一起。这是实现门极控制关断所采 取的特殊设计。
第2章 全控型电力电子器件
电力电子技术
D G S 50 40 ID /A 30 20 10
2)功率MOSFET的基本特征－输出特性
非 饱 和 区 饱和区
饱和
UGS =8V
UGS =7V
雪 崩 UGS一定时，ID近似为常数 区 非饱和
漏源电压增加时， 漏极电流不再增加；
UGS =6V
UGS =5V
UGS =4V 0 10 20 截止区 30 40 50 UGS =UT=3V
电力电子技术
1）GTR的结构和工作原理
图4-1 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
与普通的双极结型晶体管基本原理一样； 主要特性：耐压高、电流大、开关特性好；属电流控制型 器件； 电力电子技术
4. 1 电力晶体管
2）GTR的基本特性
Tc=125o
G + VGS
S
VDS
n-channel
a)
4
6 UGS /V
8
图4-23电力MOSFET电气符号和转移特性
a)电气图形符号
b)转移特性
1 UGS>UGS(th) 2 负温度系数，不存在二次击穿
电力电子技术
3）动态特性
开通时间ton＝延迟时间td ＋上升时间tr
关断时间toff＝存储时间ts ＋下降时间tf
1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。
继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。
电力电子技术
4.4
绝缘栅双极晶体管
1) IGBT的结构和工作原理——N沟道IGBT
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。 三端器件：栅极G、集电极C和发射极E
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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）
2．达林顿GTR
单管 GTR的电流增益低，将给基极驱动电 路造成负担。达林顿结构是提高电流增益 一种有效方式。
达林顿结构由两个或多个晶体管复合而成， 可以是PNP型也可以是NPN型，其性质由 驱动管来决定
达林顿GTR的开关速度慢，损耗大
3．GTR 模块
将 GTR管芯、稳定电阻、加速二极管、 续流二极管等组装成一个单元，然后根 据不同用途将几个单元电路组装在一个 外壳之内构成GTR模块。
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。
二次击穿 ❖ 一次击穿发生时，如果继续增高外接电压， 则Ic继续增大，当达到某个临界点时，Uce会 突然降低至一个小值，同时导致Ic急剧上升， 这种现象称为二次击穿。 ❖ 二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微 秒范围，常常立即导致器件的永久损坏。必 需避免。
➢ 关断的负驱动电压 -5 ~ -15V
（有利于减小关断时间和关断损耗）
4、电气符号（含三个极的名称） 汇总
SCR、GTO、GTR、 MOSEET、 IGBT、双向晶闸管、逆导晶闸管、 光控晶闸管，并指出控制极
Transistor）, 是 8 0 年 代 中 期 发 展 起 来 的
一种新型复合器件。
IGBT综合了MOSFET和GTR的输入阻抗 高、工作速度快、通态电压低、阻断电压 高、承受电流大的优点。成为当前电力半 导体器件的发展方向。
1. 结构
复合结构（= MOSFET+GTR）
发射极 栅极
E
G
N+ P N+
N+ P N+
J3 J2
N-
N+
J1
P+
漂移区 缓冲区 G
注入区
C
IC
ID
RN
VJ1+ -
-+
+
IDRon
G
-
集电极
C
C 集电极 a)
E 栅极
发射极
b)
c)
本章小结
1、根据开关器件是否可控分类 （1）不可控器件：二极管VD （2）半控器件：普通晶闸管SCR （3）全控器件：GTO、GTR、电力
基极b 发射极c 基极b
P+ N+ P+ P基区
N漂移区 N+衬底
c b
e
集电极c
ic=ib
空穴流 ib
Eb
电
子
Ec
流
ie=(1+ib
1.单管GTR
单管GTR的基本工作原理与晶体管相 同
作为大功率开关管应用时，GTR工作 在截止和导通两种状态。
主要特性是耐压高、电流大、开关特 性好
第二章 全控型电力电子器件
GTO——门极可关断晶闸管 GTR——电力晶体管 MOSFET——电力场效应晶体管 IGBT——门极绝缘栅双极晶体管
第一节 门极可关断（GTO）晶闸管
1. 结构
2. 导通关断条件
导通：同晶闸管，AK正偏，GK正偏 关断：门极加负脉冲电流
3.特点
全控型 容量大
耗尽型——当栅极电压为零时漏源 极之间就存在导电沟道
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
电力MOSFET主要是N沟道增强型
第四节 绝缘栅双极晶体管IGBT
绝 缘 栅 双 极 型 晶 体 管 简 称 为 IGBT
（Insulated
Gate
Biopolar
第三节 功率场效应晶体管（MOSFET）
S G
N+ P N+
N+ P N+
沟道
N-
N+
D
D
D
G： 栅极
D：ห้องสมุดไป่ตู้漏极
G
G
S： 源极
S
S
N沟道
P沟道
a)
b)
电力MOSFE图T1的-1结9 构和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号
电力MOSFET的种类
按导电沟道可分为 P沟道 和N沟道
MOSFET、IGBT等。
P46:表2-2
2、根据门极(栅极)驱动信号的不同
（1）电流控制器件：驱动功率大，驱动电 路复杂，工作频率低。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 MOSEET、IGBT。
电压型驱动电压
➢ 开通的正驱动电压 MOSFET：10~15V IGBT：15 ~ 20V