第15章全控型电力电子器件及其应用
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。
各种电力电子器件技术特点的比较及应用
《电力牵引交流传动及其控制系统》报告——各种电力电子器件技术特点的比较及其应用电力电子器件及其应用装置已日益广泛，这与近30 多年来电力电子器件与电力电子技术的飞速发展和电力电子的重要作用密切相关。
20 世纪80 年代以后，电力电子技术等)的飞速发展，给世界科学技术、经济、文化、军事等各方面带来了革命性的影响。
电子技术包含两大部分：信息电子技术(包括：微电子、计算机、通信等)是实施信息传输、处理、存储和产生控制指令；电力电子技术是实施电能的传输、处理、存储和控制，保障电能安全、可靠、高效和经济地运行，将能源与信息高度地集成在一起。
事实表明，无论是电力、机械、矿冶、交通、石油、能源、化工、轻纺等传统产业，还是通信、激光、机器人、环保、原子能、航天等高技术产业，都迫切需要高质量、高效率的电能。
而电力电子正是将各种一次能源高效率地变为人们所需的电能，实现节能环保和提高人民生活质量的重要手段，它已经成为弱电控制与强电运行之间、信息技术与先进制造技术之间、传统产业实现自动化、智能化改造和兴建高科技产业之间不可缺少的重要桥梁。
而新型电力电子器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命。
电力电子器件就好像现代电力电子装置的心脏，它对装置的总价值，尺寸、重量、动态性能，过载能力，耐用性及可靠性等，起着十分重要的作用。
因此，新型电力电子器件及其相关新型半导体材料的研究，一直是电力电子领域极为活跃的主要课题之一。
一个理想的功率半导体器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，能导通高的电流密度并具有低的导通压降；在开关状态和转换时，具有短的开、关时间，能承受高的d i/d t 和d u/d t，具有低的开关损耗；运行时具有全控功能和良好的温度特性。
自20 世纪50 年代硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标做出了不懈努力，并已取得了世人瞩目的成就。
早期的大功率变流器，如牵引变流器，几乎都是基于晶闸管的。
电力电子器件大全及使用方法详解
第1章电力电子器件主要内容：各种二极管、半控型器件-晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，器件的选取原则，典型全控型器件：GTO、电力MOSFET、IGBT，功率集成电路和智能功率模块，电力电子器件的串并联、电力电子器件的保护，电力电子器件的驱动电路。
重点：晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，器件的选取原则，典型全控型器件。
难点：晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数。
基本要求：掌握半控型器件-晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，熟练掌握器件的选取原则，掌握典型全控型器件，了解电力电子器件的串并联，了解电力电子器件的保护。
1 电力电子器件概述(1) 电力电子器件的概念和特征主电路（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；电力电子器件（power electronic device）--可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件；广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。
两类中，自20世纪50年代以来，真空管仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、闸流管（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。
因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。
电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。
同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：a. 能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数；其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多都远大于处理信息的电子器件。
b. 电力电子器件一般都工作在开关状态；导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定；阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定；电力电子器件的动态特性（也就是开关特性）和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。
全控型电力电子器件GTO
O
t
iA IA 90%IA 10%IA 0
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tf
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t0
t1
t2
t3
t4t5t6tGTO的开通和关断过程电流波形 的开通和关断过程电流波形
4. GTO的主要参数 的主要参数
许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同， 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。 只介绍意义不同的参数。 （1）开通时间 on ）开通时间t
（3）最大可关断阳极电流 ATO ）最大可关断阳极电流I
——GTO额定电流 额定电流。 额定电流
（4） 电流关断增益βoff ）
——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最 大值I 之比称为电流关断增益。 大值 GM之比称为电流关断增益。
β off
I ATO = I GM
较大，使晶体管V 设计α2较大，使晶体管 2控 制灵敏，易于关断。 制灵敏，易于关断。 更接近1， 导通时α1+α2更接近 ，导 通时接近临界饱和， 通时接近临界饱和，有利门 极控制关断， 极控制关断，但导通时管压 降增大。 降增大。 多元集成结构， 多元集成结构，每个元阴极 和门极距离很短，使得P 和门极距离很短，使得 2基 区横向电阻很小， 区横向电阻很小，能从门极 抽出较大电流。 抽出较大电流。
GTO的开关时间比普通晶闸管短但比 的开关时间比普通晶闸管短但比GTR长，因此工 长 的开关时间比普通晶闸管短但比 作频率介于两者之间。 作频率介于两者之间。 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承 不少 都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管， 都制造成逆导型 受反压时，应和电力二极管串联 。 受反压时，
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。
电力系统中的电力电子器件及其应用
电力系统中的电力电子器件及其应用在当今高度依赖电力的社会中，电力系统的稳定运行和高效发展至关重要。
电力电子器件作为电力系统中的关键组成部分，正发挥着日益重要的作用。
它们的出现和应用，为电力系统的优化、控制和能源转换带来了革命性的变化。
电力电子器件是一种能够对电能进行高效控制和转换的半导体器件。
常见的电力电子器件包括二极管、晶闸管、晶体管（如 MOSFET 和IGBT）等。
这些器件具有不同的特性和性能，适用于各种不同的电力系统应用场景。
二极管是最简单的电力电子器件之一，它只允许电流单向通过。
在电力系统中，二极管常用于整流电路，将交流电转换为直流电。
例如，在电源适配器中，二极管将交流市电整流为直流电，为电子设备提供稳定的电源。
晶闸管则是一种具有可控导通特性的器件。
通过施加合适的触发信号，可以控制晶闸管的导通和关断。
晶闸管在电力系统中的应用非常广泛，如用于高压直流输电系统中的换流器、无功补偿装置等。
通过控制晶闸管的导通角，可以实现对交流电压和电流的调节，从而达到控制无功功率和提高电能质量的目的。
MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是现代电力电子系统中常用的晶体管器件。
它们具有开关速度快、导通电阻小、驱动功率低等优点。
MOSFET 适用于高频、小功率的应用场景，如开关电源、电动汽车充电器等。
IGBT 则在中大功率的电力变换领域表现出色，如变频器、新能源发电系统中的逆变器等。
在电力系统中，电力电子器件的应用范围十分广泛。
首先，在发电环节，可再生能源的开发和利用离不开电力电子技术。
例如，太阳能光伏发电系统中，通过电力电子逆变器将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电并并入电网。
风力发电系统中，电力电子变流器用于控制风机转速，实现最大功率跟踪，同时将风机发出的交流电转换为符合电网要求的电能。
在输电环节，高压直流输电技术凭借其输电距离远、输电容量大、损耗低等优势，成为了远距离大容量输电的重要手段。
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。
电力电子器件及其应用PPT课件
IGBT发生擎住效应后漏极电流增大，造成过高的功耗，最后导致器件损坏。
• 如何防止
• 不使漏极电流超过 ，防止静态擎住效应； • 还可用加大栅极电阻的办法，延长IGBT的关断时间。防止动态擎住效应。
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第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT)
• 擎住效应
• 正向偏置安全工作区 IGBT开通时的正向偏置安全工作区FBSOA由电流、电压和功耗三条边界极限包围而成
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第一节 可关断晶闸管(GTO)
• GTO关断过程的机理图
图3-10（a)关断时空穴从门极抽出 (b) 耗尽层的形成 • 其结果是从N2发射极没有电子向P2区注入，在P2基区及N2基区中的
过剩载流子一直复合到消失为止，如J3结能维持反偏状态，GTO就被 关断。由此可见，关断GTO的前提是门控电路要有足够大的关断电流， 以便从门极排出足够大的门极关断电荷，同时其关断功率又不能超过 允许值。
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第• 擎二住节效应绝缘栅双极晶体管(IGBT)
• 概念
由于IGBT结构上难以避免的原因，它的等效电路图实际上如图3-14(c)所示，内部 存在一只NPN型寄生晶体管，当漏极电流大于规定的临界值时，该寄生晶体管因有 过高的正偏置被触发导通，使PNP管也饱和导通，结果IGBT的栅极失去控制作用， 这就是所谓擎住效应。
• 阳极电压上升率
• 静态电压上升率是指GTOdv还/ d没t 有导通时所能承受的最大断态电压上升率。
• 动态电压上升率是指GTO关断过程中的阳极电压上升率。
• 阳极电流上升率
di / dt
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第一节 可关断晶闸管(GTO)
• 可关断晶闸管(GTO)的门控电路
电力电子技术复习习题解析华北电力大学
第一章电力电子器件一、本章主要内容及重点与难点【主要内容】本章主要讨论电力电子器件的分类以及典型电力电子器件的结构、电气符号、工作原理、基本特性与主要参数。
在学习过程中，主要应掌握以下内容：1．电力电子器件的概念与特征；2. 电力电子器件的分类；3. 电力二极管的工作原理、基本特性与主要参数；4. 晶闸管（SCR）的工作原理、基本特性与主要参数；5. 几种典型全控型电力电子器件（GTO；GTR；PowerMOSFET；IGBT）的工作原理、基本特性与主要参数；6. 上述全控型电力电子器件的性能比较。
【重点与难点】本章重点在于半控型器件——晶闸管，要重点掌握晶闸管的的结构、电气符号、开关规律、静态特性以及主要参数。
（重点应该再加上MOS和IGBT，因为这2种器件应用应用很广很重要。
）本章难点在于晶闸管额定电流、额定电压的定义以及实际使用中如何选择晶闸管的参数。
二、典型习题解析例1-1 下列对晶闸管特性的叙述中，正确的是（）。
A 晶闸管属于电流驱动双极型器件 C 晶闸管触发导通后，门极就失去了控制作用B 晶闸管具有单向导电性 D 晶闸管的擎住电流大于维持电流【答案】A、B、C、D【解析】本题主要考察对晶闸管特性的熟悉程度，四个选项的描述均正确。
A选项考察晶闸管的分类；B选项考察半导体器件的特点；C选项考察晶闸管的开关特性；D选项考察晶闸管的主要参数例1-2 双向晶闸管的额定电流是以（）定义的；GTO的额定电流是以（）定义的。
A 平均值B 有效值C 最大值D 瞬时值【答案】B，C【解析】本题主要考察双向晶闸管与GTO额定电流的定义，双向晶闸管的正向伏安特性与反向伏安特性相同，用于交流电路中，其额定电流是以有效值定义的。
GTO的阳极电流如过大，可能会出现无法由门极控制关断的情况，因此其额定电流是以最大可关断阳极电流定义的。
例1-3 下列电力电子器件中，存在电导调制效应的是（）。
A GTOB GTRC PowerMOSFETD IGBT【答案】A、B、D【解析】本题主要考察对电导调制效应的理解，电导调制效应仅在双极型器件中起作用，单极型器件仅有一种载流子参与导电，因此不存在电导调制效应。
电力电子器件-电子课件
第一章 电力电子器件
波形系数Kf ：有效值/平均值，反应周期
交流量波形性质。
如果额定电流为100A的晶闸管 其允许通过的电流有效值为1.57×100＝157A
第一章 电力电子器件
选择晶闸管额定电流时，要依据实际波形的电流
有效值与额定电流IT（AV)有效值相等的原则（即管芯结
温一样）进行换算。即：
由于晶闸管的过载能力差，一般选用时取1.5～2倍 的安全裕量。
第一章 电力电子器件
3.通态平均电压UT(AV)
当流过正弦半波的电流为额定电流，并达到稳定 的额定结温时，晶闸管阳极与阴极之间电压降的平均 值，称为通态平均电压。
第一章 电力电子器件
电力电子器件在电力设备或电力系统中，直接 承担电能变换和控制任务的电路称为主电路。
电力电子器件就是可直接用于主电路中实现电 能的变换和控制的电子器件。
电力电子器件则是电力电子电路的基础。 目前常用的电力电子器件都是用半导体材料制 成的，主要分为半控型器件和全控型器件。
第一章 电力电子器件
门极可关断晶闸管实物、图形 和文字符号
GTO在牵引电力机车和斩波器中的应用
第一章 电力电子器件
二、功率晶体管GTR
大功率晶体管（Giant Transistor）简称GTR， 又称为电力晶体管。因为有PNP和NPN两种结构，因此 又称双极型晶体管BJT。
功率晶体管GTR实物、图形和文字符号
第一章 电力电子器件
为晶闸管的额定电压值，用电压等级来表示。
第一章 电力电子器件
2.额定电流IT（AV)
又称为额定通态平均电流。 是指在环境温度小于40℃和标准散热及全导通的条 件下，晶闸管可以连续导通的工频正弦半波电流的平均 值。 晶闸管的额定电流参数系列：1A、5A、10A、20A、 30A、50A、100A、200A、300A。
电子行业电力电子器件及应用
电子行业电力电子器件及应用引言电子行业是一个快速发展的行业，在电子设备中，电力电子器件是不可或缺的关键组成部分。
电力电子器件是指用于调整和转换电能的器件，广泛应用于交流和直流电网、电动机驱动、电源供应等领域。
本文将介绍电子行业中常见的电力电子器件及其应用。
一、开关器件1.整流二极管 (Rectifier Diode)整流二极管是一种常见的开关器件，用于将交流电转换为直流电。
它具有正向导通和反向截止的特性，常用于交流电桥式整流器、逆变器等电路中。
2.IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) IGBT 是一种高压高频开关器件，兼具了普通晶体管和普通MOSFET的特点。
它可以控制高电压和高电流的通断，并且具有低开关损耗和快速切换速度的特点。
IGBT广泛用于工业设备、交通工具和电力传输中。
3.MOSFET (Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor)MOSFET 是一种常见的开关器件，可以通过调节栅极电压来控制导通和截止。
它具有低导通电阻、低开关损耗和高开关速度的特点。
MOSFET 常用于直流转换器、电机驱动和太阳能发电逆变器等应用中。
二、功率模块1.IGBT模块IGBT模块是由多个IGBT芯片、隔离驱动电路和散热器组成的集成模块。
它可以方便地实现高压高频电路的设计和构建，广泛应用于电力传输、电机驱动和可再生能源领域。
2.整流桥模块整流桥模块是由多个整流二极管组成的集成模块。
它常用于交流电源的整流和直流电源供应的设计中。
3.功率放大模块功率放大模块是用于放大低功率信号为高功率信号的模块。
它常用于音频放大器、无线电频率放大器等应用中。
三、电力电子器件的应用1.交流调速电力电子器件在交流调速中起着重要作用。
例如，交流调压器使用电力电子器件的开关特性来调节交流电压的大小，实现电压调节和稳定。
2.无线充电利用电力电子器件的功率转换特性，可以实现无线充电技术。
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
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。
电力电子器件及应用(ppt 111页)
2）在P和N掺杂区之间夹入一层高阻N-型材料以形成PN-N结构，在相 同耐压条件下，新结构硅片厚度要薄得多，具有更好的恢复特性和较低 的正向导通压降，这种结构是目前快速二极管普遍采用的结构。
UFP
极管的动态特性，并且
I RP
往往专指反映通态和断
2V
UF
态之间转换过程的开关
O
tfr
t
特性。
UR
URP
图2-5 结型功率二极管的开关过程
电力电子技术
2．3．2 结型功率二极管的基本特性
IF
UF
d iF
dt
t rr
td
tf
t1:反向电 流达最大 值的时刻
tF t0
t0:正向 电流降 为零的 时刻
电力电子技术
2.1 电力电子器件的特点和分类
1．电力电子器件的特点
电力电子器件（Power Electronic Device）是指能实现电能的变换或控 制的电子器件。和信息系统中的电子器件相比，具有以下特点：
1）具有较大的耗散功率 因为具有较高的导通电流、阻断电压和阻断时
2）工作在开关状态 为本小了无的的散制降电导漏 热 因低 流 通电 ） 损工 流 压流 ， 耗作 过 降。在 造损 ； 。电使 成耗 导 电路用 的。 通 力中时 温关 时 电主一 升断 流 子要般 。时 过 器的都承 一 件发要定受 工热安的一 作源装电定时。散流的在体热，电开积器但压通较，只，和大以有但关（限很基断
采用保护电路防止电压和电流超过器件的极限值
电力电子器件概述55500
——通过控制信号既可控制其导通又可控制其 关 断，又称自关断器件。 不可控器件(Power Diode)
——不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不 需要驱动电路。
1.1.3 电力电子器件的分类
按照驱动电路信号的性质，分为两类：
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。
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。
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。
开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大
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。
1.3.2 晶闸管的基本特性
1） 静态特性
（1）正向特性
二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要 特征。
PN结的反向击穿（两种形式)
雪崩击穿 齐纳击穿 均可能导致热击穿
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
PN结的电容效应：
PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效 应，称为结电容CJ，又称为微分电容。
结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电 容CB和扩散电容CD。 电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关 状态。
1.2.4 电力二极管的主要类型
2) 快恢复二极管 （Fast Recovery Diode——FRD）
简称快速二极管
快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED）， 其trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左 右），但其反向耐压多在1200V以下。
电力电子技术完整版课件全套ppt教程 (2)全文编辑修改
1．断态电压临界上升率du／dt du／dt是在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通 态转换的最大阳极电压上升率。在实际使用时的电压上升率必须低于此
规定值。
表1-3 断态电压临界上升率（du / dt）的等级
du /
dt
V
25
/μs
级 别
A
50 100 200 500 800 1000
8
800
20
9
900
22
10 1000 24
12 1200 26
14 1400 28
16 1600 30
18 1800
2000 2200 2400 2600 2800 3000
表1-2 晶闸管正向通态平均电压的组别
正向 通态 平均 电压 V
组别 代号
正向 通态 平均 电压 V
组别 代号
UT（AV） ≤0.4
晶闸管承受断态重复峰值电压UDRM 和反向重复峰值电压URRM 时的 峰值电流。
5. 浪涌电流ITSM ITSM是一种由于电路异常情况引起的使结温超过额定结温的不重 复性最大正向过载电流，用峰值表示。它是用来设计保护电路的。
按标准，普通晶闸管型号的命名含义如下：
（三）门极触发电流IGT和门极触发电压UGT IGT是在室温下，给晶闸管施加6V正向阳极电压时，使元件由断态转 入通态所必需的最小门极电流。
4．通态（峰值）电压UTM UTM 是晶闸管通以π倍或规定倍数额定通态平均电流值
时的瞬态峰值电压。从减小损耗和器件发热的观点出发，应
该选择UTM较小的晶闸管。 5．通态平均电压(管压降)UT(AV) 当元件流过正弦半波的额定电流平均值和稳定的额定结
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。
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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 u0
异步电动机的输入电压 ui
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 ui（与输出电压 u0 等效）的幅值。
一、PWM型变频器的基本工作原理
矩 Te ，这样电动机的拖动能力会降低，对恒转矩负载会
因拖不动而堵转。若调节 f1 ，则 m ，会引起主磁通饱 和，这样励磁电流急剧升高。会使定子铁心损耗 Im2 Rm 急剧增加。这两种情况都是实际运行中所不允许的。
结论
只改变 f1 ，不能实现异步电动机的无级调速
实际调速方法
在调节 f1 的同时，调节定子供电电压 U1 的大小，通过 f1
电力电子器件分类1
电力电子 器件
不控型：功率二极管 半控型：晶闸管
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）
▪
好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。上 午11时58分3秒 上午11时58分 11:58:0320.10.21
▪
一马当先，全员举绩，梅开二度，业 绩保底 。20.10.2120.10.2111:5811:58:0311:58:03Oc t-20
三、 功率场效应晶体管（功率MOSFET)
功率MOSFET 结构
15-5
功率MOSFET 工作原理
D
导电沟道形成
ID
G ＋－
UGS
＋－S
1.导通： UGS＞0，导通
2. 关断： UGS＜0，截止
四、 绝缘栅双极晶体管（IGBT)
集MOSFET和GTR的优点 于一身。 输入阻抗高，工作速度快， 热稳定性好，驱动电路简 单。
（一种载流子
参与导电） GTR（电力晶体管）
双极型
GTO （可关断晶闸管)
（两种载流子 参与导电）
复合型
（由单极性和 双极型复合）
SITH(静电感应晶闸管） IGBT(绝缘栅双极晶体管) MCT（MOS控制晶闸管）
一、 电力晶体管(GTR）
GTR的结构
15-1
GTR的工作原理
GTR 电流控制器件1 sn0 Nhomakorabea1
s
式中， f1 是定子供电频率（HZ）；P是磁极对数；s是转差
率；n是电动机转速（ r min ）。
改变 f1 ，即可改变异步电动机的转速n0，能实现异步电动
机的无级调速吗？
事实上只改变 f1 并不能正常调速，因为据电机学知
？
Te m
m
U1 f
1
假设调速时只改变 f1 ，设 f1 ，则 m ，于是电磁转
波形
只要 urU ＞uC，就导通V1，封锁V4， uUN Ud 2 ；
只要 urU ＜uC，就封锁V1，导通V4，uUN Ud 2 。
重要结论
调制信号ur的幅值和频率 将决定输出电压uo的幅值和频率。
二、PWM变频电路的调制控制方式
载波比：在PWM变频电路中，载波频率fC与调制信号频率fr之比。
1. 单相桥式PWM型变频电路的工作原理 2) 双极性PWM控制方式工作原理
原理
双极性脉宽调制： 载波信号uC是双 极性的信号。
图15-14 双极性SPWM调制波形
电路
原理分析
电路
波形
控制方法
ur＞uC的各区间，V1和V4导通，V2和V3关断，则 uo ud 。 ur＜uC的各区间，V2和V3导通，V1和V4关断则， uo ud 。
直流斩波电路原理
ui U
0 CH 通
t
ud
ud=U
U
0
t
CH 断
ud=0
一、直流斩波器的控制方式
定频调宽
定宽调频
图15-18
调频调宽
二、逆导晶闸管直流斩波器
逆导晶闸管
符号 A
K
型号 KN200/100-8
等效 电路 A
晶闸管额定电流200A
K
二极管额定电流100A
图15-19 a)
额定电压800V
变频的交流电，对交流电动机实现无级调速。
变流电路
整流 逆变
不可控整流 可控整流：将交流电变换成可调的直流电 有源逆变：将直流电变成和电网同频率
的交流电，直接送回电网。
无源逆变：将直流电逆变成某一频率或 可变频率的交流电直接供给
负载使用。
一、变频调速的基本原理
异步电动机的转速表达式
问题
n
60 f1 p
▪
加强交通建设管理，确保工程建设质 量。11:58:0311:58:0311:58Wednesday, October 21, 2020
▪
安全在于心细，事故出在麻痹。20.10.2120.10.2111:58:0311:58:03October 21, 2020
▪
踏实肯干，努力奋斗。2020年10月21 日上午1 1时58 分20.10. 2120.1 0.21
1. 单相桥式PWM型变频电路的工作原理
调制控制：负载上想得 到的正弦波作为调制信 号ur，把接受调制的等 腰三角波作为载波信号 uC。
SPWM：调制信号ur为 正弦波的脉冲宽度调制 叫正弦波脉冲宽度调制。
图15-12 单相桥式PWM变频电路原理图
一、PWM型变频器的基本工作原理 电路
1. 单相桥式PWM型变频电路的工作原理 1) 单极性PWM控制方式工作原理
▪
追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。2020年10月21日星期 三上午11时58分3秒11:58:0320.10.21
▪
严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020年10月 上午11时58分20.10.2111:58October 21, 2020
▪
作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2020年10月21日星期 三11时58分3秒 11:58:0321 October 2020
特点：正向压降小，关断时间短，高温特性好。无接线分布 电感。
逆导型斩波器
U 接通
VT1 iC iT id
×
振荡放电 VT2
＋_ _+
L C iC
VD
Ld M
图15-19 b)
振荡放 电波形
u
uc
uL
E
0
ωt
-E i
0
ωt
图15-20
三、GTO（或GTR）直流斩波器
a)电路分析 b)电路分析 图15-21
2.变频器的结构形式
图15-8 交—直—交电压型变频器的结构形式
三、逆变器的基本原理与换流方式
图15-9 单相桥式逆变电路工作原理 当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，u0 Ud ，反之 u0 U d
把直流电变成了交流电——无源逆变。 四个桥臂的切换频率就等于负载电压uo的频率
变频电路的换流方式
N fc fr
1.异步调制控制方式： 2.控制过程中载波比N不是常数。
2.同步调制控制方式: 控制过程中保持N为常数。
图15-17 分级同步式控制方案
第四节 直流斩波
▪ 一、直流斩波器的控制方式 ▪ 二、逆导晶闸管直流斩波器 ▪ 三、GTO（或GTR）直流斩波器
直流斩波的定义
将直流电源的恒定直流电压，通过电力电子器件的 开关作用，变换成可调的直流电压的装置，称为直流斩 波器。
▪ 二、PWM变频电路的调制控制方式
一、PWM型变频器的基本工作原理
PWM基本原理: 对逆变电路中的开关器件的通断进行有规律 的控制，使输出端得到等幅不等宽的脉冲列，用这些脉冲列 来代替正弦波。
PWM控制的重要理论依据 冲量（脉冲的面积）相等而形状不同的窄脉冲（如图15-10所 示），分别加在具有惯性环节的输入端，其输出响应波形基 本相同。
本章电子教案制作：申凤琴
▪
树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20.10.2120.10.21Wednes day, October 21, 2020
▪
人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。11:58:0311:58:0311:5810/21/2020 11:58:03 AM
▪
安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.10.2111:58:0311:58Oc t-2021- Oct-20
图15-21 a)
对GTO施加正脉冲时VT导 通，直流电源向负载供电；
当给VT门极负脉冲时， GTO便关断，直流电源停 止向负载供电，负载电流 经续流二极管VD续流。
图15-21 b)
该电路主控开关是普通晶闸管 VT1，VT2、C是为关断VT1而 设的附加电路。
当要关断VT1时，触发VT2导通， 与之串联的辅助关断直流电源 给VUTF 1施加反向电压，使VT1关 断，之后，再给VT2门极送入负 脉冲使VT2关断。
和 U1 的配合，实现不同类型的调频调速。
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
U1 U1n =常数
f1 f1n
式中， f1n 是定子供电额定频率； U1n 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 U1的控制方式，即
流可通过VD3和V1续流。
电路
波形
2）当ur＜0时，V2通，V1断，在ur与uC负极性三角波交点处 控制V3的通断。