四种典型全控型器件比较
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。
四种典型全控型器件比较
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。
22222、电力晶体管(GTR) 1）电力晶体管的结构：R NPNPNPA G SK E GI G E AI K I c2I c1I A V 1V 2b)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。
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。
几种全控型晶体管讲解
1.3.1 门极可关断晶闸管
■GTO的动态特性
i
◆开通过程与普通晶闸 G
等效晶体管从饱 和区退至放大区，
残存载 流子复
管类似。
阳极电流逐渐减 小时间
合所需 时间
◆关断过程
O
? 储存时间ts
下降时间tf
尾部时间tt
i
而?tt比通t常s要tf长比。ts小得多，
A
I
A
90% I A
抽取饱和导通时 储存的大量载流 子的时间
? 由于 GTO 处于临界饱和状态，用抽走阳极电流的方法破 坏临界饱和状态，能使器件关断。而晶闸管导通之后，处 于深度饱和状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断。
11.3、.2阳G极T伏O安的特特性性和主要参数 (简介)
2、开通特性
? 开通时间ton由延迟时间td和上升时间tr组成
3、关断特性
1.3 典型全控型器件
1.3.1 门极可关断晶闸管 1.3.2 功率晶体管 1.3.3 功率场效应晶体管 1.3.4 绝缘栅双极晶体管
1.3 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，功率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、功率晶体管、 功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。
? 储存时间随阳极电流的增大而增大，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。当需要承受反向电 压时，应和功率二极管串联使用。
? 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。
典型全控型电力电子器件
(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 =βiB。
③
饱和区。iB
I CS
，uBE＞0，uBC＞0，iCS是集电极
饱和电流，其值由外电路决定。
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MOSFET的外形图
.
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，
.
(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
.
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
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
.
2．GTO的主要参数
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。
典型全控型器件ppt
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。 3) 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 。
19
1.4.2
电力晶体管
4. GTR的二次击穿现象与安全工作区
• 按导电沟道可分为P沟道和N沟道
• 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
13
1.4.2
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
（1-9）
——GTR的电流放大系数，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 +Iceo
（1-10）
产品说明书中通常给直流电流增益hFE——在直流工
1.4.2
电力晶体管
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。
Ic IcM PSB
SOA
PcM
O
UceM
Uce
图1-18 GTR的安全工作区
21
1.4.3
电力场效应晶体管
也分为结型和绝缘栅型（类似小功率Field Effect
• 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：强烈正反馈——门极加负脉冲即 从门极抽出电流，则Ib2减小，使IK和Ic2减小，Ic2的 减小又使 IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电 流。当 IA 和 IK 的减小使 1+2<1时，器件退出饱和 而关断。 • 多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通来自程快， 承受di/dt能力强 。
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。
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。
电力电子面试常问问题及答案
电力电子面试常问问题及答案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dul dt,dil dt 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。
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。
项目四 全控型电力电子器件与开关电源
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
1.导通关断条件
漏源极导通条件：在栅源极间加正电压UGS 漏源极关断条件：栅源极间电压UGS为零
2.特点
控制级输入阻抗大 驱动电流小 防止静电感应击穿 中小容量，开关频率高 导通压降大（不足）
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。
图4-2基本斩波电路和波形
1、降压式斩波变换电路
若定义斩波器的占空比k=ton/T ,则由波形图上可获得 输出电压平均值为
1
U0
t on
u 0 dt
t on U d
kU d
T0
T
由上式可知，当占空比k从0变到１时，输出电压平均值从0变到Ud。占空比 k的改变可以通过改变ton或T来实现。
斩波电路三种控制方式 T不变，变ton —脉冲宽度调制（PWM） ton不变，变T —频率调制 ton和T都可调，改变占空比—混合型
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。
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。
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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?2较大，使晶体管V2控制灵敏。
导通时?1+?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。
22222、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。
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i D。
电压U GS(th)称为开启电压，u GS超过U GS(th)越多，导电能力就越强，漏极电流i D也越大。
4、绝缘栅双极晶体管(IGBT)1）基本结构内部结构简化等效电路电气图形符号2)绝缘栅双极晶体管(IGBT)的工作原理：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u GE决定的，当u GE为正且大于开启电压u GE(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。
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。
二、对四种典型全控型器件进行容量及频率比较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。
目前，GTO的容量水平达6000A/6000V、 1000A/9000V ，频率为1kHZ。
GTR是一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。
电力场效应晶体管电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。
开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。
IGBT属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。
它的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz以上的区域。
三、对四种典型全控型器件进行驱动方式及驱动功率比较1、门极可关断晶闸管(GTO)对门极驱动电路的要求：1）正向触发电流i G。
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﹣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：小容量GTO门极驱动电路较大容量GTO桥式门极驱动电路2、电力晶体管(GTR)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。
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，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2）基极驱动电路：3、电力场效应晶体管(Power MOSFET)电力MOSFET是一种压控型器件，图为其驱动：电力MOSFET的一种驱动电路4、绝缘栅双极晶体管(IGBT)1）对驱动电路的要求：①IGBT是电压驱动的，具有2.5～5.0 V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷非常敏感，故驱动电路必须很可靠，保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。
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u GE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。
③驱动电路中的正偏压应为12～15 V，负偏压应为–2～–10 V。
④IGBT多用于高压场合，故驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离。
⑤驱动电路应尽可能简单实用，具有对IGBT的自保护功能，并有较强的抗干扰能力。
⑥若为大电感负载，IGBT的关断时间不宜过短，以限制d i／d t所形成的尖峰电压，保证IGBT的安全。
驱动电路：在用于驱动电动机的逆变器电路中，为使IGBT能够稳定工作，要求IGBT的驱动电路采用正负偏压双电源的工作方式。
为了使驱动电路与信号电隔离，应采用抗噪声能力强，信号传输时间短的光耦合器件。
基极和发射极的引线应尽量短，基极驱动电路的输入线应为绞合线，其具体电路如图所示。
四、分析四种典型全控型器件存在的问题并讨论其发展前景1、门极可关断晶闸管(GTO)GTO采用了大直径均匀结技术和全压接式结构，通过少子寿命控制技术折衷了GTO导通电压与关断损耗两者之间的矛盾。
GTO在高压(VBR>33000V)/大功率(0.5-20MVA)牵引、工业和电力逆变器中是应用的最为普遍的功率半导体器件。
装有ABB元件的GTO组件已在北京地铁、天津地铁等城市轨道交通车辆上使用，在欧洲广泛用于铁路、交通、牵引、电源及矿井提升机、斩波电源等领域。
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(GTR)GTR的缺点是驱动电流较大、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既具备晶体管饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，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。
3、电力场效应晶体管(Power MOSFET)80年代初期出现的?MOS功率场效应晶体管和功率集成电路的工作频率达到兆赫级。
集成电路的技术促进了器件的小型化和功能化。
这些新成就为发展高频电力电子技术提供了条件，推动电力电子装置朝着智能化、高频化的方向发展。
缺点：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。
4、绝缘栅双极晶体管(IGBT)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（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芯片，由中国科学院微电子研究所设计研发的15-43A /1200V IGBT系列产品（采用Planar NPT器件结构）在华润微电子工艺平台上流片成功，各项参数均达到设计要求，部分性能优于国外同类产品。
这是我国国内首款自主研制可产业化的IGBT（绝缘栅双极晶体管）产品，标志着我国全国产化IGBT芯片产业化进程取得了重大突破，拥有了第一条专业的完整通过客户产品设计验证的IGBT工艺线。
该科研成果主要面向家用电器应用领域，联合江苏矽莱克电子科技有限公司进行市场推广，目前正由国内着名的家电企业用户试用，微电子所和华润微电子将联合进一步推动国产自主IGBT产品的大批量生产。
参考文献：《中国学术期刊电子杂志》《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》。