典型全控型电力电子器件 PPT
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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。
全控型电力电子器件
Power MOSFET的关断过程：当 信号电压下降到零时，栅极输入电容上 储存的电荷通过电阻放电，使栅极电压按指数曲线下降，当信号电压下降到 漏源电流开始减小，这段时间称为关断延迟时间 。此后，输入电容继续放 电，直到导电沟道消失， 这段时间称为下降时间 。这样Power MOSFET的 关断时间为：toff td (off ) t f
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。
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。
电力电子器件概述PPT
2.3 半控型器件—晶闸管·引言
晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整 流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）
1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 1958年商业化。 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代 。 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量 的场合具有重要地位。
增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋
近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。
2.3.1 晶闸管的结构与工作原理
其他几种可能导通的情况：
阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光触发
光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电 力设备中，称为光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT）。
结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高 平均温度。 TJM通常在125~175C续一个或几个工频 周期的过电流。
2.2.4 电力二极管的主要类型
按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能， 特别是反向恢复特性的不同介绍。
2 I G I CBO1 I CBO2
IA
1 ( 1 2 )
（2-10）
在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来
之后， 迅速增大。(形成强烈正反馈，维持器件自锁导通
，不再需要触发电流)
阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于
两个晶体管漏电流之和。
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 。
电力电子技术-2.3_GTO与GTR
b b
ic=bib
电 子 流 ie=(1+b )ib c)
Ec
1-21
电力晶体管
1）GTR的结构和工作原理
空穴流 ic=bib
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
ib 电 子 流 ie=(1+b )ib Ec
Eb
b
控制能力 。
b ——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的
1-2
2.4.1 门极可关断晶闸管
门 极 可 关 断 晶 闸 管 （ Gate-Turn-Off
Thyristor —GTO）
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 (6KV,6KA,10MVA的系统)。
1-9
门极可关断晶闸管
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 。
1-10
门极可关断晶闸管
2) GTO的动态特性
开 通 过 程： 与普 通晶 闸管基本相同。开通 初期应能提供足够的 门极脉冲电流，宽度 持续使阳极电流达到 挚住值。与晶闸管不 同的是开通后门极应 保持正偏，继续提供 约 10 ％ 的 门 极 电 流 保 证GTO可靠导通。
Ic
放大区
ib3 ib2 ib1 ib1<ib2<ib3 Uce
和饱和区。
在电力电子电路中GTR工 作在开关状态。
在开关过程中，即在截止
ic=bib
电 子 流 ie=(1+b )ib c)
Ec
1-21
电力晶体管
1）GTR的结构和工作原理
空穴流 ic=bib
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
ib 电 子 流 ie=(1+b )ib Ec
Eb
b
控制能力 。
b ——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的
1-2
2.4.1 门极可关断晶闸管
门 极 可 关 断 晶 闸 管 （ Gate-Turn-Off
Thyristor —GTO）
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 (6KV,6KA,10MVA的系统)。
1-9
门极可关断晶闸管
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 。
1-10
门极可关断晶闸管
2) GTO的动态特性
开 通 过 程： 与普 通晶 闸管基本相同。开通 初期应能提供足够的 门极脉冲电流，宽度 持续使阳极电流达到 挚住值。与晶闸管不 同的是开通后门极应 保持正偏，继续提供 约 10 ％ 的 门 极 电 流 保 证GTO可靠导通。
Ic
放大区
ib3 ib2 ib1 ib1<ib2<ib3 Uce
和饱和区。
在电力电子电路中GTR工 作在开关状态。
在开关过程中，即在截止
电力电子技术(6).ppt
1. 概念
➢ 电力电子器件（Power Electronic Device） — 可直接用于主电路中，实现电能的变 换或控制的电子器件。
➢ 主电路（Main Power Circuit） — 电气设备或电力系统中，直接承担电 能的变换或控制任务的电路。
2020年9月26日星期六
第一章 电力电子器件
三相交流电源
接近于零,而电流由外电路决定 ；阻断时（断态） 阻抗很大，接近于断路，电流接近于零,管子两端 电压由外电路决定 。
➢ 电力电子器件一般需要由电子电路来控制和驱动。 ➢ 电力电子器件自身的功率损耗远大于电子器件，
一般都要安装散热器。
2020年9月26日星期六
第一章 电力电子器件
3.电力电子器件的损耗
3）保护电路
保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行
4）检测电路
由信息电路组成，检测主电路或应用现场信号
2020年9月26日星期六
第一章 电力电子器件
1.1.3 电力电子器件的分类
➢ 按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：
1. 半控型器件
— 通过控制信号可以控制其导通来自不能控制其关断。 -- SCR及派生器件
3. PN结加反向电压( 反向偏置)
外电场
1) PN结反向偏置时, PN 结仅流过很小 的反向饱和电流， PN 结反向截止。 PN 结表现为高阻 态.
2020年9月26日星期六
第一章 电力电子器件
2) 反向恢复过程
漂移运动达动态平
－ － －－ －－ ++ ++ ++ ++
衡, 在P区和N区的
－ － －－ －－ ++ ++ ++ ++少子飘移交界面处构成空间
➢ 电力电子器件（Power Electronic Device） — 可直接用于主电路中，实现电能的变 换或控制的电子器件。
➢ 主电路（Main Power Circuit） — 电气设备或电力系统中，直接承担电 能的变换或控制任务的电路。
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第一章 电力电子器件
三相交流电源
接近于零,而电流由外电路决定 ；阻断时（断态） 阻抗很大，接近于断路，电流接近于零,管子两端 电压由外电路决定 。
➢ 电力电子器件一般需要由电子电路来控制和驱动。 ➢ 电力电子器件自身的功率损耗远大于电子器件，
一般都要安装散热器。
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第一章 电力电子器件
3.电力电子器件的损耗
3）保护电路
保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行
4）检测电路
由信息电路组成，检测主电路或应用现场信号
2020年9月26日星期六
第一章 电力电子器件
1.1.3 电力电子器件的分类
➢ 按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：
1. 半控型器件
— 通过控制信号可以控制其导通来自不能控制其关断。 -- SCR及派生器件
3. PN结加反向电压( 反向偏置)
外电场
1) PN结反向偏置时, PN 结仅流过很小 的反向饱和电流， PN 结反向截止。 PN 结表现为高阻 态.
2020年9月26日星期六
第一章 电力电子器件
2) 反向恢复过程
漂移运动达动态平
－ － －－ －－ ++ ++ ++ ++
衡, 在P区和N区的
－ － －－ －－ ++ ++ ++ ++少子飘移交界面处构成空间
电力电子第2章 全控型电力电子器件b z
24/89
GTR、GTO、电力 MOSFET 和 IGBT 的特点比较表 器件 简称 GTR 名称 电力晶 体管 电气 符号 端子名 称 基极 优 点 缺 点
GTO
门极可 关断晶 闸管
1 3 2
电力场 P-MO 效应晶 SFET 体管 绝缘栅 IGBT 双极晶 体管
1 3 2
1
3
2
耐压高，电流大，开关特性 开关速度低，为电流驱动， 集电极 好，通流能力强，饱和压降 所需驱动功率大，驱动电路 低 复杂，存在二次击穿问题 发射极 阳极 电流关断增益很小，关断时 电压、电流容量大，适用于 门极负脉冲电流大，开关速 阴极 大功率场合，具有电导调制 度低，驱动功率大，驱动电 效应，其通流能力很强 路复杂，开关频率低 门极 漏极 开关速度快，输入阻抗高， 电流容量小，耐压低，一般 热稳定性好，所需驱动功率 只适用于功率不超过 10kW 源极 小且驱动电路简单，工作频 的电力电子装置 栅极 率高，不存在二次击穿问题 开关速度高，开关损耗小， 集电极 具有耐脉冲 电流冲 击的能 开 关 速 度 低 于 电 力 发射极 力，通态压降较低，输入阻 MOSFET,电压， 电流容量不 栅极 抗高，为电压驱动，驱动功 及 GTO，存在擎住效应 率小
漏源电压增加时， 漏极电流相应增加； 作为开关器件应用时， 应工作在该区域
截止区
UDS /V
UGS＜UGS(th)
雪崩区
无反向阻断能力
图2-21 电力MOSFET输出特性
UDS 过高
2)电力MOSFET的基本特征
2.转移特征
ID /A
D +
50 40 30 20 10 0 2
Tc=25o
Tc=125o
消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。
全控型电力电子器件
GTO的主要参数
断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM以及通态平均电压 UT的定义与普通型晶闸管相同，不过GTO承受反向电压的能力较小， 一般URRM明显小于UDRM。擎住电流IL和维持电流IH的定义也与普通型晶 闸管相同，但对于同样电流容量的器件，GTO的IH要比普通型晶闸管大 得多。GTO还有一些特殊参数如下。
1 可关断最大阳极电流IAT0
可以通过门极进行关断的最大阳极电流，当阳极电流
超过IAT0时，门极则无力通过IG将GTO关断。
09.04.2020
3
1.3.1可关断晶闸管GTO——主要参 数
2
门极最大负脉冲电流IGRM
为关断GTO门极可以施加的最大反向电流
3
电流关断增益βOFF
βOFF=IAT0/IGRM,这一比值比较小，一般为5左右. 这就是说，要想关断GTO，所要求的门极负电流的 幅度也是很大的。如βOFF=5，GTO的阳极电流为1000A， 那么要想关断它必须在门极加200A的反向电流。可以 看出，尽管GTO可以通过门极反向电流进行可控关断，
■（下边的参数含义与放大用的晶体管相同）
◆电流放大倍数、直流电流增益hFE、集电极与发射极间漏电流Iceo、
集电极和发射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff ◆最高工作电压
☞GTR上所加的电压超过规定值时，就会发生击穿。 击穿电压不仅 和晶体管本身的特性有关，还与外电路的接法有关。
次击穿临界线（C线）。
IC ICM A
1ms B
0.01ms
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
直流 FBSOA
C D
0
BUCE UCE
断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM以及通态平均电压 UT的定义与普通型晶闸管相同，不过GTO承受反向电压的能力较小， 一般URRM明显小于UDRM。擎住电流IL和维持电流IH的定义也与普通型晶 闸管相同，但对于同样电流容量的器件，GTO的IH要比普通型晶闸管大 得多。GTO还有一些特殊参数如下。
1 可关断最大阳极电流IAT0
可以通过门极进行关断的最大阳极电流，当阳极电流
超过IAT0时，门极则无力通过IG将GTO关断。
09.04.2020
3
1.3.1可关断晶闸管GTO——主要参 数
2
门极最大负脉冲电流IGRM
为关断GTO门极可以施加的最大反向电流
3
电流关断增益βOFF
βOFF=IAT0/IGRM,这一比值比较小，一般为5左右. 这就是说，要想关断GTO，所要求的门极负电流的 幅度也是很大的。如βOFF=5，GTO的阳极电流为1000A， 那么要想关断它必须在门极加200A的反向电流。可以 看出，尽管GTO可以通过门极反向电流进行可控关断，
■（下边的参数含义与放大用的晶体管相同）
◆电流放大倍数、直流电流增益hFE、集电极与发射极间漏电流Iceo、
集电极和发射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff ◆最高工作电压
☞GTR上所加的电压超过规定值时，就会发生击穿。 击穿电压不仅 和晶体管本身的特性有关，还与外电路的接法有关。
次击穿临界线（C线）。
IC ICM A
1ms B
0.01ms
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
直流 FBSOA
C D
0
BUCE UCE
电力电子器件综合概述ppt(共83页)
10
电力电子器件的分类
2.驱动信号的性质
电流驱动型
电压驱动型
通断
11
电力电子器件的分类
3.导电方式
单极型器件
只有一种载流子（多数）参与导电
双极型器件
电子和空穴两种载流子同时参与导电
复合型器件
单极型器件和双极型器件集成混合而成
12
晶闸管的结构与工作原理
1.结构和符号
A 阳极
G
门极
P1 N1 P2 N2
它有三个电极 1和2代表开关的两个主电极，3是控制开关通断的控制。
它只有两种工作状态——“通态”和“断态” 通态时其电阻为零，相当于开关闭合； 断态时其电阻无穷大，相当于开关断开。
4
电力电子器件的概念和特征
2 .特征 电力电子器件是功率半导体器件
1）处理电功率的能力>>信息电子器件。 2）一般工作在开关状态。 3）一般由信息电子电路驱动。 4）功率损耗>>信息电子器件。
2～3倍。
即 UTn=（2~3）UTM
UTM 为晶闸管在实际工作中所承受的最大正反向电压
23
晶闸管的主要参数
2.电流定额
通态平均电流IT(AV) 在规定的条件下，晶闸管所允许流过的最大
工频正弦半波电流的平均值。
维持电流 IH 维持晶闸管继续导通所必需的最小阳极电流。
擎住电流IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，
5
电力电子器件的概念和特征
2 .特征 如何考查电力电子器件 导通压降(损耗) 运行频率(开通时间/关断时间) 器件容量(电能处理、变换的能力) 可靠性 耐冲能力
6
电力电子电路系统组成
控制电 路
主电路
电力电子器件的分类
2.驱动信号的性质
电流驱动型
电压驱动型
通断
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电力电子器件的分类
3.导电方式
单极型器件
只有一种载流子（多数）参与导电
双极型器件
电子和空穴两种载流子同时参与导电
复合型器件
单极型器件和双极型器件集成混合而成
12
晶闸管的结构与工作原理
1.结构和符号
A 阳极
G
门极
P1 N1 P2 N2
它有三个电极 1和2代表开关的两个主电极，3是控制开关通断的控制。
它只有两种工作状态——“通态”和“断态” 通态时其电阻为零，相当于开关闭合； 断态时其电阻无穷大，相当于开关断开。
4
电力电子器件的概念和特征
2 .特征 电力电子器件是功率半导体器件
1）处理电功率的能力>>信息电子器件。 2）一般工作在开关状态。 3）一般由信息电子电路驱动。 4）功率损耗>>信息电子器件。
2～3倍。
即 UTn=（2~3）UTM
UTM 为晶闸管在实际工作中所承受的最大正反向电压
23
晶闸管的主要参数
2.电流定额
通态平均电流IT(AV) 在规定的条件下，晶闸管所允许流过的最大
工频正弦半波电流的平均值。
维持电流 IH 维持晶闸管继续导通所必需的最小阳极电流。
擎住电流IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，
5
电力电子器件的概念和特征
2 .特征 如何考查电力电子器件 导通压降(损耗) 运行频率(开通时间/关断时间) 器件容量(电能处理、变换的能力) 可靠性 耐冲能力
6
电力电子电路系统组成
控制电 路
主电路
电力电子技术2 全控型电力电子器件
当 多子栅的源堆电积压状UGS态<0，时不，可由能于出表现面反电型场层效，应无，导栅电极沟下道面形的成P型。体区表面呈 当 而形0<成UGS沟<U道T时。，栅极下面的P型体区表面呈耗尽状态，不会出现反型层 当 漏源UGS电>U压T时大，于栅0，极则下会面产的生P型漏体极区电发流生，反VD型MO而S形处成于导导通电状沟态道。。若此时 综述：VDMOS的漏极电流受控于栅源电压和漏源电压。
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。
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2章全控型电力电子器件-PPT精品文档
(4) 极间电容
——极间电容CGS、CGD和CDS
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）
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 Transistor）,是80年代中期 发展起来的一种新型复合器件。
1. 结构
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，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 则在器件内部并联在一起。
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 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
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
——极间电容CGS、CGD和CDS
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）
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 Transistor）,是80年代中期 发展起来的一种新型复合器件。
1. 结构
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，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 则在器件内部并联在一起。
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 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
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
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。
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。
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第二节 电力晶体管(GTR)
一、电力晶体管的结构与工作原理 1．电力晶体管的结构
a)
b)
图4-7 NPN型电力晶体管的内部结构及电气图形符号
a) 内部结构 b) 电气图形符号
电力晶体管的外形图
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(Ib＞0) 时大电流导通；反偏(Ib＜0)时处于截止状态。因此，给
(2)安全工作区 以直流极限参数ICM、PCM、UCEM构成的工作区为 一次击穿工作区，如图4-10所示。
图4-10 GTR安全工作区
三、电力晶体管的驱动与保护
1．GTR基极驱动电路 (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，如图4-11所示。 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(如图4-11波形所示)，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。
图4-4 较为理想的门极电压和电流波形
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
3．GTO的保护电路
a)
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。
典型全控型电力 电子器件
全控型电力电子器件
学习目标
1. 掌握GT0、GTR、功率MOSFET、IGBT四种 常见全控型电力电子器件的工作原理、特性、 主要参数、驱动电路及使用中应注意的问题。
2. 熟悉常见全控型电力电子器件各自特点以及 适用场合。
3. 了解新型电力电子器件的概况。
第一节 门极可关断晶闸管(GTO)
图4-11 GTR基极驱动电流波形
(2)基极驱动电路
图4-12 实用的GTR驱动电路
3．GTR的保护电路
a)
b)
c)
图4-13 GTR的缓冲电路
图4-13a所示RC缓冲电路简单，对关断时集电极—发射极间电压上升
有抑制作用。这种电路只适用于小容量的GTR(电流10 A以下)。
图4-13b所示充放电型R、C、VD缓冲电路增加了缓冲二极管VD2，可以
一、GTO的结构与工作原理 1．基本结构
a)芯片的实际图形
b) GTO结构的纵断面
c) GTO结构的纵断面 d)图形符号
图4-1 GTO的内部结构和电气图形符号
GTO的外形图
2．工作原理
图4-2 GTO的工作原理电路
当图中开关S置于“1”时，IG是正向触发电流，控制GTO导
通；S置于“2”时，则门极加反向电流，控制GTO关断。offI ATO 源自 GM三、GTO的驱动与保护
1．GTO门极驱动电路 对门极驱动电路的要求： 1）正向触发电流iG。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﹣iG。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。
(4)最高工作结温TJM
3．二次击穿和安全工作区
(1)二次击穿 二次击穿是由于集电极电压升高到一定值(未
达到极限值)时，发生雪崩效应造成的。一般情况下， 只要功耗不超过极限，GTR是可以承受的，但是在实 际使用中，会出现负阻效应，使iE进一步剧增。由 于GTR结面的缺陷、结构参数的不均匀，使局部电流 密度剧增，形成恶性循环，使GTR损坏。
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。
(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
2）最大可关断阳极电流IATO：GTO的最大阳极电流受发热和饱和深度两个
因素限制。阳极电流过大，内部晶体管饱和深度加深，使门极关断失效。
所以GTO必须规定一个最大可关断阳极电流，也就是GTO的铭牌电流。
3）关断增益βoff 最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值 IGM之比称为电流关断增益βoff。即
二、GTO的特性与主要参数
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
GTO的基本参数与普通晶闸管大多相同。
1) 反向重复峰值电压URRM：
① 不规定URRM值。
② URRM值很低。
③ URRM略低于UDRM。
④ URRM = UDRM。
⑤ URRM略大于UDRM。
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。
二、电力晶体管的特性与主要参数
1. GTR的基本特性
(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。