典型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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
电力电子题库含答案
1．一型号为KP10-7的晶闸管，U TN= 700V I T(AV)= 10A 。
12．中间直流侧接有大电容滤波的逆变器是电压型逆变器，交流侧输出电压波形为矩形波。
3．晶闸管串联时，给每只管子并联相同阻值的电阻R是__均压______措施。
4．在SPWM的调制中，载波比是载波频率和调制波频率的比值。
5．考虑变压器漏抗的可控整流电路中，在换相过程期间，两个相邻的晶闸管同时导通，对应的电角度称为换相重叠角。
6．功率晶体管GTR从高电压小电流向低电压大电流跃变的现象称为二次击穿。
7．三相半波可控整流电阻性负载电路中，控制角α的最大移相范围是150°。
8．三相全控桥电路有 6 只晶闸管，应采用宽脉冲或双窄脉冲才能保证电路工作正常。
电压连续时每个管导通120 度，每间隔60 度有一只晶闸管换流。
接在同一桥臂上两个晶闸管触发脉冲之间的相位差为180°。
9．型号为KP100-8的晶闸管其额定参数为：额定电压800v，额定电流100 A 。
10．考虑变压器漏抗的可控整流电路中，在换相过程期间，两个相邻的晶闸管同时导通，对应的电角度称为换相重叠角11．抑制过电压的方法之一是用_电容__吸收可能产生过电压的能量，并用电阻将其消耗。
而为抑制器件的du/dt和di/dt，减小器件的开关损耗，可采用接入缓冲电路的办法。
12．在交-直-交变频电路中，中间直流环节用大电容滤波，则称之为电压型逆变器，若用大电感滤波，则为电流型逆变器。
13．锯齿波触发电路由脉冲形成环节、锯齿波的形成和脉冲移相环节、同步环节、双窄脉冲形成环节构成。
14．若输入相电压为U2，单相桥式电路的脉冲间隔= 180 ，晶闸管最大导θ180 ，晶闸管承受的最大电压U dm= , 整流电压脉动次数通=maxθm= ; 三相半波电路的脉冲间隔= 120 , 晶闸管最大导通=max150 ，晶闸管承受的最大电压U dm= ,整流电压脉动次数m= ; 15．GTO、GTR、MOSFET、IGBT分别表示：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16．在三相半波可控整流电路中，电感性负载，当控制角大于30°时，输出电压波形出现负值，因而常加续流二级管。
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。
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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湖南省技工学校理论教学教案教师姓名:[复习导入]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。
[讲授新课]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的结构与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、阴极与门极。
与普通晶闸管的不同点:GTO就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与N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益α1与α2 。
α1+α2=1就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与I K减小,I C2的减小进一步引起I A与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,只就是导通时饱与程度较浅。
➢GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱与而关断。
➢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。
2)GTO的动态特性典型全控型电力电子器件开通过程:与普通晶闸管相同关断过程:与普通晶闸管有所不同3) GTO的主要参数(1)开通时间t on(2) 关断时间t off(3)最大可关断阳极电流I ATO(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大值I GM之比称为电流关断增益。
βoff一般很小,只有5左右,这就是GTO的一个主要缺点。
1000A的GTO 关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。
二、电力晶体管1)GTR的结构与工作原理与普通的双极结型晶体管基本原理就是一样的。
主要特性就是耐压高、电流大、开关特性好。
通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。
采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。
在应用中,GTR一般采用共发射极接法。
集电极电流i c与基极电流i b之比为β——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。
当考虑到集电极与发射极间的漏电流I ceo时,i c与i b的关系为i c=β i b +I ceo单管GTR的β值比小功率的晶体管小得多,通常为10左右,采用达林顿接法可有效增大电流增益。
2)GTR的基本特性(1) 静态特性共发射极接法时的典型输出特性:截止区、放大区与饱与区。
在电力电子电路中GTR工作在开关状态。
在开关过程中,即在截止区与饱与区之间过渡时,要经过放大区。
(2) 动态特性3)GTR的主要参数1)电流放大倍数β集电极电流与基极电流之比2)集电极最大允许电流I CM通常规定为β下降到规定值的1/2~1/3时所对应的I c 。
3)集电极最大耗散功率P CM在最高集电结温度下允许的耗散功率,等于集电极工作电压与集电极工作电流的乘积。
典型全控型电力电子器件4) 反向击穿电压•集电极与基极之间的反向击穿电压•集电极与发射极之间的反向击穿电压击穿电压不仅与晶体管本身特性有关,还与外电路接法有关。
5) GTR的二次击穿现象与安全工作区一次击穿:集电极电压升高至击穿电压时,I c迅速增大。
只要I c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,I c突然急剧上升,电压陡然下降。
常常立即导致器件的永久损坏,或者工作特性明显衰变。
安全工作区:最高电压U ceM、集电极最大电流I cM、最大耗散功率P cM、二次击穿临界线限定。
三、电力场效应晶体管特点——用栅极电压来控制漏极电流。
驱动电路简单,需要的驱动功率小。
开关速度快,工作频率高。
热稳定性优于GTR。
电流容量小,耐压低,只适用于小功率的电力电子装置。
1)电力MOSFET的结构与工作原理电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道与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。
●电力MOSFET的工作原理➢截止:漏源极间加正电源,栅源极间电压为零。
--P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏,漏源极之间无电流流过。
➢导电:在栅源极间加正电压U GS--当U GS大于U T时,P型半导体反型成N型而成为反型层,该反型层形成N 沟道而使PN结J1消失,漏极与源极导电。
2)电力MOSFET的基本特性(1) 静态特性漏极电流I D与栅源间电压U GS的关系称为MOSFET的转移特性。
I D较大时,I D与U GS的关系近似线性,曲线的斜率定义为跨导G fs。
(2) 动态特性MOSFET的开关速度:MOSFET的开关速度与C in充放电有很大关系。
可降低驱动电路内阻R s 减小时间常数,加快开关速度。
不存在少子储存效应,关断过程非常迅速。
开关时间在10~100ns之间,工作频率可达100kHz以上,就是主要电力电子器件中最高的。
场控器件,静态时几乎不需输入电流。
但在开关过程中需对输入电容充放电,仍需一定的驱动功率。
开关频率越高,所需要的驱动功率越大。
3) 电力MOSFET的主要参数典型全控型电力电子器件(1) 漏极电压U DS(2) 漏极直流电流I D与漏极脉冲电流幅值I DM(3) 栅源电压U GS(4) 极间电容四、绝缘栅双极晶体管GTR与GTO的特点——双极型,电流驱动,有电导调制效应,通流能力很强,开关速度较低,所需驱动功率大,驱动电路复杂。
MOSFET的优点——单极型,电压驱动,开关速度快,输入阻抗高,热稳定性好,所需驱动功率小而且驱动电路简单。
1) IGBT的结构与工作原理驱动原理与电力MOSFET基本相同,场控器件,通断由栅射极电压u GE 决定。
导通:u GE大于开启电压U GE(th)时,MOSFET内形成沟道,为晶体管提供基极电流,IGBT导通。
通态压降:电导调制效应使电阻RN减小,使通态压降减小。
关断: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。
2) IGBT的基本特性(1) IGBT的静态特性(2) IGBT的动态特性3) IGBT的主要参数(1)最大集射极间电压U CES(2)最大集电极电流(3)最大集电极功耗P CMIGBT的特性与参数特点可以总结如下:开关速度高,开关损耗小。
相同电压与电流定额时,安全工作区比GTR大,且具有耐脉冲电流冲击能力。
通态压降比VDMOSFET低。
输入阻抗高,输入特性与MOSFET类似。
与MOSFET与GTR相比,耐压与通流能力还可以进一步提高,同时保持开关频率高的特点。
五、其她新型电力电子器件1 MOS控制晶闸管MCT承受极高di/dt与du/dt,快速的开关过程,开关损耗小。
高电压,大电流、高载流密度,低导通压降。
一个MCT器件由数以万计的MCT元组成。
每个元的组成为:一个PNPN晶闸管,一个控制该晶闸管开通的MOSFET,与一个控制该晶闸管关断的MOSFET。
其关键技术问题没有大的突破,电压与电流容量都远未达到预期的数值,未能投入实际应用。
2 静电感应晶体管SIT典型全控型电力电子器件➢多子导电的器件,工作频率与电力MOSFET相当,甚至更高,功率容量更大,因而适用于高频大功率场合。
➢在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大与高频感应加热等领域获得应用。
缺点:栅极不加信号时导通,加负偏压时关断,称为正常导通型器件,使用不太方便。
通态电阻较大,通态损耗也大,因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。
静电感应晶闸管SITHSITH就是两种载流子导电的双极型器件,具有电导调制效应,通态压降低、通流能力强。
其很多特性与GTO类似,但开关速度比GTO 高得多,就是大容量的快速器件。
SITH一般也就是正常导通型,但也有正常关断型。
此外,电流关断增益较小,因而其应用范围还有待拓展。
3 集成门极换流晶闸管IGCT4 功率模块与功率集成电路20世纪80年代中后期开始,模块化趋势,将多个器件封装在一个模块中,称为功率模块。
将器件与逻辑、控制、保护、传感、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上,称为功率集成电路、发展现状:功率集成电路的主要技术难点:高低压电路之间的绝缘问题以及温升与散热的处理。
以前功率集成电路的开发与研究主要在中小功率应用场合。
智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。
[归纳小结]1、门极可关断晶闸管2、电力晶体管3、电力场效应晶体管4、绝缘栅双极晶体管5、其她新型电力电子器件[布置作业]复习本次课知识[课后预习]电力电子器件驱动电路与电力电子器件器件的保护。