电力电子技术(黄家善高职)
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电力电子技术 高职高专 ppt 课件
书名：电力电子技术（第２版） 作者：黄家善 主编 ISBN： 7-111-15734-6 出版社：机械工业出版社 本书配有电子课件
电力电子技术 高职高专 ppt 课件
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
（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P-MOSEET、IGBT。
第一节 门极可关断（GTO）晶闸管
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。
电力电子技术 高职高专 ppt 课件
G： 栅极
D： 漏极 S： 源极
沟道 N+ D a)
图1-19 电力MOSFET 的结构和电气图形符号 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）
其他电力电子器件
MCT——MOS控制晶闸管 SIT——静电感应晶体管 SITH——静电感应晶闸管
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、功率MOSFET、IGBT等。
2、根据门极(栅极)驱动信号的不同
在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。 20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管， 但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代
应用
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
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。
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。
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。 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 G E N J3
+
PΒιβλιοθήκη BaiduJ2 J1
N+ N N+ P+
-
N
+
P
N+ 漂移区 缓冲区 注入区 G
+ ID RN VJ1 + + IDRo n E b)
C IC C G
集电极
C 集电极 a)
栅极
c)
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
电力电子技术 高职高专 ppt 课件
模块
电力电子技术 高职高专 ppt 课件
IGBT
电力电子技术 高职高专 ppt 课件
电力电子技术 高职高专 ppt 课件
开关器件——IGCT＝驱动电路＋GCT
4kA/4.5kV IGCT
663A/4.5kV IGCT
GCT分解部件
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二次击穿
安全工作区
防止二次击穿，采用保护电路，同时考虑器件 的安全裕量，尽量使GTR工作在安全工作区。
4.特点
全控型，电流控制型 二次击穿（工作时要防止） 中大容量，开关频率较低
第三节 功率场效应晶体管（MOSFET）
S G N+ P N+ N+ P N+ NG S N沟道 G S P沟道 b) D D
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
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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 AT O I GM
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。
3.特点
高频，容量大 反向耐压低（必须反接二极管） 模块化 驱动和保护有专用芯片
1000A的GTO关断时门极负脉 冲电流峰值要200A 。
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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 Junction Transistor——BJT）， 英 文 有 时 候 也 称 为 Power BJT
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。
书名：电力电子技术（第２版） 作者：黄家善 主编 ISBN： 7-111-15734-6 出版社：机械工业出版社 本书配有电子课件
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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
（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P-MOSEET、IGBT。
第一节 门极可关断（GTO）晶闸管
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。
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G： 栅极
D： 漏极 S： 源极
沟道 N+ D a)
图1-19 电力MOSFET 的结构和电气图形符号 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）
其他电力电子器件
MCT——MOS控制晶闸管 SIT——静电感应晶体管 SITH——静电感应晶闸管
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、功率MOSFET、IGBT等。
2、根据门极(栅极)驱动信号的不同
在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。 20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管， 但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代
应用
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
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。
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。
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。 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 G E N J3
+
PΒιβλιοθήκη BaiduJ2 J1
N+ N N+ P+
-
N
+
P
N+ 漂移区 缓冲区 注入区 G
+ ID RN VJ1 + + IDRo n E b)
C IC C G
集电极
C 集电极 a)
栅极
c)
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
电力电子技术 高职高专 ppt 课件
模块
电力电子技术 高职高专 ppt 课件
IGBT
电力电子技术 高职高专 ppt 课件
电力电子技术 高职高专 ppt 课件
开关器件——IGCT＝驱动电路＋GCT
4kA/4.5kV IGCT
663A/4.5kV IGCT
GCT分解部件
电力电子技术 高职高专 ppt 课件
二次击穿
安全工作区
防止二次击穿，采用保护电路，同时考虑器件 的安全裕量，尽量使GTR工作在安全工作区。
4.特点
全控型，电流控制型 二次击穿（工作时要防止） 中大容量，开关频率较低
第三节 功率场效应晶体管（MOSFET）
S G N+ P N+ N+ P N+ NG S N沟道 G S P沟道 b) D D
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
电力电子技术 高职高专 ppt 课件
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 AT O I GM
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。
3.特点
高频，容量大 反向耐压低（必须反接二极管） 模块化 驱动和保护有专用芯片
1000A的GTO关断时门极负脉 冲电流峰值要200A 。
电力电子技术 高职高专 ppt 课件
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 Junction Transistor——BJT）， 英 文 有 时 候 也 称 为 Power BJT
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。