电力电子器件典型全控型器件课程
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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。
第1章电力电子2ppt-典型全控型器件
12
1.4.2 电力晶体管
1. GTR的结构和工作原理
基极b 发射极c 基极b
P+
N+
P+
P基区
N漂移区
N+衬底
c b
e
集电极c
a)
b)
ic=ib
空穴流 ib
Eb
电
子
Ec
流
ie=(1+ib c)
图1-15 GTR的结构、电气图1图-15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
➢ 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。
2
1.4.1 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
4) 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
（1-8）
off一般很小，只有5左右，这是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 。
11
1.4.2 电力晶体管
➢ 术语用法：
• 电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为巨 型晶体管）
近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多 的应用
3
1.4.1 门极可关断晶闸管
1. GTO的结构和工作原理
➢ 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。
1.4.2 电力晶体管
1. GTR的结构和工作原理
基极b 发射极c 基极b
P+
N+
P+
P基区
N漂移区
N+衬底
c b
e
集电极c
a)
b)
ic=ib
空穴流 ib
Eb
电
子
Ec
流
ie=(1+ib c)
图1-15 GTR的结构、电气图1图-15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
➢ 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。
2
1.4.1 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
4) 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
（1-8）
off一般很小，只有5左右，这是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 。
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1.4.2 电力晶体管
➢ 术语用法：
• 电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为巨 型晶体管）
近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多 的应用
3
1.4.1 门极可关断晶闸管
1. GTO的结构和工作原理
➢ 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。
第3讲 晶闸管与全控型电力电子器件
3
2.4.2
术语用用法：
电力力晶体管
" 电力力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为巨
型晶体管） 。
" 耐高高电压、大大电流的双极结型晶体管（ Bipolar
Junction Transistor——BJT），英文文有时候也称为 Power BJT。 应用用:
" 20世纪80年代以来，在中、小小功率范围内取代晶闸
trr URRM t gr O iA 100% 90%
10% 0 td uAK
tr IRM
t
t
图2-15 晶闸管的开通和关断过程波形
电力电子技术
3
2.3.3 闸管的主要特性参数 1、电压定额
v
v
断态重复峰值电压UDRM ——在⻔门极断路而而结温为额定值时，允许重复加在器件上的 正向峰值电压。 反向重复峰值电压URRM ——在⻔门极断路而而结温为额定值时，允许重复加在器件上的 反向峰值电压。
⑵ GTO的动态特性
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 储存时间ts ，使等效晶体退出饱 I A 90% IA 和; 下降时间tf ; 尾部时间tt —残存载流子子复合。
10% IA 0 t0 t1 O
t2
t3
t4
t5
t6
t
图2-24 GTO的开通和关断过程电流波形
通常tf 比比ts小小得多，而而tt 比比ts 要⻓长。⻔门极负脉冲电流幅 值越大大， ts 越短。 电力电子技术
电力电子技术
3
2 、双向晶闸管（ Triode AC Switch——TRIAC 或 Bidirectional triode thyristor）
《电力电子技术》第2章 电力电子器件
电力电子器件是基础 电能进行变换和控制是核心
2/89
上节课内容回顾
• 二、电力电子器件
1、概念：是指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。
2、特性：大功率、开关特性、驱动电路、损耗大，加散热
3、组成：主电路、控制电路、检测电路。。。。
4、分类：
1）控制程度：不控器件、半控器件、全控器件
12/89
2.1.3 电力电子器件的分类
■按照载流子参与导电的情况 ◆单极型器件 ☞由一种载流子参与导电。 ◆双极型器件 ☞由电子和空穴两种载流子参与导电。 ◆复合型器件 ☞由单极型器件和双极型器件集成混合而成， 也称混合型器件。
13/89
2.1.4 本章内容和学习要点
■本章内容 ◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其 它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作 原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的 一些问题。
检测
控
电路
制
保护
电
电路
路
驱动ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电路
V1 LR
V2
主电路
电气隔离
图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
10/89
2.1.3 电力电子器件的分类
■按照能够被控制电路信号所控制的程度 ◆半控型器件 ☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。 ☞器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电 流决定的。 ◆全控型器件 ☞目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 ☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关 断。 ◆不可控器件 ☞电力二极管（Power Diode） ☞不能用控制信号来控制其通断。
■学习要点 ◆最重要的是掌握其基本特性。 ◆掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性 曲线的使用方法。 ◆了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。 ◆了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。
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上节课内容回顾
• 二、电力电子器件
1、概念：是指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。
2、特性：大功率、开关特性、驱动电路、损耗大，加散热
3、组成：主电路、控制电路、检测电路。。。。
4、分类：
1）控制程度：不控器件、半控器件、全控器件
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2.1.3 电力电子器件的分类
■按照载流子参与导电的情况 ◆单极型器件 ☞由一种载流子参与导电。 ◆双极型器件 ☞由电子和空穴两种载流子参与导电。 ◆复合型器件 ☞由单极型器件和双极型器件集成混合而成， 也称混合型器件。
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2.1.4 本章内容和学习要点
■本章内容 ◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其 它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作 原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的 一些问题。
检测
控
电路
制
保护
电
电路
路
驱动ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电路
V1 LR
V2
主电路
电气隔离
图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
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2.1.3 电力电子器件的分类
■按照能够被控制电路信号所控制的程度 ◆半控型器件 ☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。 ☞器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电 流决定的。 ◆全控型器件 ☞目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 ☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关 断。 ◆不可控器件 ☞电力二极管（Power Diode） ☞不能用控制信号来控制其通断。
■学习要点 ◆最重要的是掌握其基本特性。 ◆掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性 曲线的使用方法。 ◆了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。 ◆了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。
《电力电子技术》课程教学大纲
电力电子技术课程教学大纲（POWERE1ECTRONIC）总学时数：40其中:实验学时数：0课外学时数：0学分数：2.5适用专业：电气工程与自动化专业一、课程的性质、目的和任务本课程是自动化专业的基础课程，它的任务是使学生掌握各类电力电子器件的工作原理，特性和主要参数及其各类变流装置发生的电磁过程，基本原理，控制方法，设计计算，实验技能以及它们的技术经济指标。
以便学生毕业后具有进一步掌握各种变流装置的能力，并为后续课“电力拖动与运动控制系统”打好基础。
二、课程教学的基本要求（一）掌握电力电子器件（主要为晶闸管，电力晶体管，可关断晶闸管、电力场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管）的工作原理，特性和主要参数（含驱动、缓冲和保护电路）。
（二）熟练掌握单相，三相整流电路和有源逆变电路的基本原理，波形分析和各种负载对电路运行的影响，并能对上述电路进行初步的设计计算（包括触发电路与保护环节）。
（三）3.了解无源逆变、直流斩波、交流调压和交-交变频电路的工作原理，了解并掌握PWM控制技术及PW型逆变电路的基本原理和控制方法。
（四）初步了解软开关技术的基本概念和常用的组合变流电路的主要形式。
（五）初步了解电力电子学科的发展趋势。
（六）掌握基本变流装置的调试实验方法。
三、课程的教学内容、重点和难点绪论基本内容：电力电子技术的基本概念和内涵，电力电子技术发展历程，电力电子技术应用领域，本课程在国民经济中的作用意义，本课程的特点和学习方法。
基本要求：使学生了解电力电子技术的基本概念和内涵，了解本课程的重要性，认识到他所学的内容仅是电力电子学科中的最基本的内容,而本学科还有很多重要的课题有待去学习，去解决。
第一章电力电子器件一、电力电子器件概述基本内容：电力电子器件的概念和特征；电力电子系统的构成；电力电子器件的分类。
基本要求：1、了解电力电子器件的基本概念、主要特征以及主要类型；2、了解应用电力电子器件构成的系统的主要组成部分及各部分功能。
了解 全控型电力电子器件知识分享
2020/7/3常1 常立即导致器件的永久损坏。必需避免。
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。
2020/7/31
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
2020/7/31
第三节 功率场效应晶体管（MOSFET ）
（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
（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。
S
D
D
G
N+PN+
N+PN+
沟道
N-
N+
D
G
G
S N沟道
S P沟道
a)
b)
图1-19
G： 栅极 D： 漏极 S： 源极
2020/7/31
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
2020/7/31
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）
2020/7/31
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。
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。
2020/7/31
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
2020/7/31
第三节 功率场效应晶体管（MOSFET ）
（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
（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。
S
D
D
G
N+PN+
N+PN+
沟道
N-
N+
D
G
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S N沟道
S P沟道
a)
b)
图1-19
G： 栅极 D： 漏极 S： 源极
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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
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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）
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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。
电力电子技术第二章全控型器件驱动与保护
三、电压型全控型器件的驱动 1. 功率场效应晶体管(MOSFET)的驱动 （3）驱动电路实例
-电力电子技术-
9
自关断器件
浙江大学电气工程学院
三、电压型全控型器件的驱动 1. 功率场效应晶体管(MOSFET)的驱动
（4）专用驱动集成电路 IR21xx系列，IR2101、IR2110、2130等
-电力电子技术-
电容电压不突变，Uce 上升慢 R：限制GTR开通时电容放电 VD：GTR关断时将R短路
（b）开通吸收电路：又称为di/dt抑制电路，用于抑制器件开 通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。
LS：使iC上升慢 RS：GTR关断后，续流电流下降 VD：GTR通时，隔离RS旁路作用
19
自关断器件
17
自关断器件
浙江大学电气工程学院
-电力电子技术-
2) 关断过程 电感作用，IC维持，直至Uce → UCC, VDF通，Ic才下降。
解决方法∶ 错开高电压、大电流出现时刻 采用缓冲电路（snubber circuit）， 又称吸收电路来实现
18
自关断器件
浙江大学电气工程学院
-电力电子技术-
（a）关断吸收电路：又称为du/dt抑制电路，用于吸收器件的 关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。
浙江大学电气工程学院
-电力电子技术-
（c）复合吸收电路：关断缓冲电路和开通缓冲电路结合 在一起
LS， Rs， VD 组成开通吸收电路
RS，VD，CS组成关断吸收电路
20
自关断器件
浙江大学电气工程学院
2. IGBT的保护 措施：
1）检测过流信号，切断栅极控制信号 2）吸收电路抑制过电压，限制 duce
-电力电子技术-
9
自关断器件
浙江大学电气工程学院
三、电压型全控型器件的驱动 1. 功率场效应晶体管(MOSFET)的驱动
（4）专用驱动集成电路 IR21xx系列，IR2101、IR2110、2130等
-电力电子技术-
电容电压不突变，Uce 上升慢 R：限制GTR开通时电容放电 VD：GTR关断时将R短路
（b）开通吸收电路：又称为di/dt抑制电路，用于抑制器件开 通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。
LS：使iC上升慢 RS：GTR关断后，续流电流下降 VD：GTR通时，隔离RS旁路作用
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自关断器件
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自关断器件
浙江大学电气工程学院
-电力电子技术-
2) 关断过程 电感作用，IC维持，直至Uce → UCC, VDF通，Ic才下降。
解决方法∶ 错开高电压、大电流出现时刻 采用缓冲电路（snubber circuit）， 又称吸收电路来实现
18
自关断器件
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-电力电子技术-
（a）关断吸收电路：又称为du/dt抑制电路，用于吸收器件的 关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。
浙江大学电气工程学院
-电力电子技术-
（c）复合吸收电路：关断缓冲电路和开通缓冲电路结合 在一起
LS， Rs， VD 组成开通吸收电路
RS，VD，CS组成关断吸收电路
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自关断器件
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2. IGBT的保护 措施：
1）检测过流信号，切断栅极控制信号 2）吸收电路抑制过电压，限制 duce
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。
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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
第二章全控型电力电子器件
模块
IGBT
开关器件——IGCT＝驱动电路＋GCT
4kA/4.5kV IGCT
663A/4.5kV IGCT
GCT分解部件
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。
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 。
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
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
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 ➢ 在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。 应用 ➢ 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
IGBT
开关器件——IGCT＝驱动电路＋GCT
4kA/4.5kV IGCT
663A/4.5kV IGCT
GCT分解部件
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。
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 。
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
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
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 ➢ 在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。 应用 ➢ 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
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。
电力电子器件全控型器件
28 第二十八页，共42页。
GTR的二次击穿与安全(ānquán)工作区
Ic
二次击穿(jī
IcM
P SB chuān)功率
SOA
P cM
O U ceM U ce
GTR的安全(ānquán)工 作区
29 第二十九页，共42页。
2021/11/11
2.4.3 电力(diànlì)场效应晶体 管
分为结型和绝缘栅型 通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide
GTR的静态特性：在电力电子电路中，GTR工作在开关状 态，即工作在截止区或者饱和区。但GTR在开关过程中， 即在截止区和饱和区之间过渡时，一般要经过放大 区。
截止 (jiézhǐ)
区 放大 (fàngdà) 区
饱和区
21
第二十一页，共42页。
2021/11/11
2.4.2 电力(diànlì)晶体管
（1）最大可关断阳极电流IATO(GTO的额定电流) 电流过大时α1+α2稍大于1的条件可能被破坏，使器 件饱和程度加深，导致门极关断失败(shībài)。。
（2）电流关断增益 off(太小,GTO的主要缺点） GTO的关断增益 off为最大可关断阳极电流IATO与 门极负电流最大值IGM之比，通常只有5左右。
N2 P2 N2 N1
P1 A
6
第六页，共42页。
2021/11/11
2、GTO的工作原理 （1）开通过程 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(bù tónɡ)，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。
GTR的二次击穿与安全(ānquán)工作区
Ic
二次击穿(jī
IcM
P SB chuān)功率
SOA
P cM
O U ceM U ce
GTR的安全(ānquán)工 作区
29 第二十九页，共42页。
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2.4.3 电力(diànlì)场效应晶体 管
分为结型和绝缘栅型 通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide
GTR的静态特性：在电力电子电路中，GTR工作在开关状 态，即工作在截止区或者饱和区。但GTR在开关过程中， 即在截止区和饱和区之间过渡时，一般要经过放大 区。
截止 (jiézhǐ)
区 放大 (fàngdà) 区
饱和区
21
第二十一页，共42页。
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2.4.2 电力(diànlì)晶体管
（1）最大可关断阳极电流IATO(GTO的额定电流) 电流过大时α1+α2稍大于1的条件可能被破坏，使器 件饱和程度加深，导致门极关断失败(shībài)。。
（2）电流关断增益 off(太小,GTO的主要缺点） GTO的关断增益 off为最大可关断阳极电流IATO与 门极负电流最大值IGM之比，通常只有5左右。
N2 P2 N2 N1
P1 A
6
第六页，共42页。
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2、GTO的工作原理 （1）开通过程 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(bù tónɡ)，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。
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
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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导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱
和，有利于门极控制关断，但导通时管压 降增大。
多元集成结构，使得GTO比晶阐管开通更 快，承受能di/dt能力更强。
GTO的关断特性
GTO的关断过程有三个不同的时间，即存储时 间ts、下降时间tf及尾部时间tt。 存储时间ts ：对应着从关断过程开始，到阳极电 流开始下降到90%IA为止的一段时间间隔。 下降时间tf ：对应着阳极电流迅速下降，阳极电 压不断上升和门极反电压开始建立的过程。
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
兆瓦以上首选，制造水平6kA/6kV。
2.4.2 电力晶体管
GTR的类型 目前常用的GTR有单管、达林顿管和模块三种类型。 单管GTR基本型。
单管GTR的电流放大系数很小，通常为10左右。
2.4.2 电力晶体管
达林顿GTR 达林顿结构的GTR是由两个或多个晶体管复合
而成。
优点：达林顿结构的GTR 电流放大倍数很大，可 以达到几十至几千倍。
时间。下降时间一般小于2s。
（5）擎住电流 擎住电流是指GTO元经门极触发后，阳极电
流上升到保持所有GTO元导通的最低值。
2.4.2 电力晶体管
c
1. GTR的结构和工作原理
b
电力晶体管 耐高电压、大电流的双极结型晶e体管
与普通的双极结型晶体管基本 原理是一样的。 主要特性是耐压高、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 。
1、GTO的结构 GTO为四层PNPN结构、三端引出线（A、K、G）
的器件。和晶闸管不同的是：GTO内部是由许多四层 结构的小晶闸管并联而成，这些小晶闸管的门极和 阴极并联在一起，成为GTO元，而普通晶闸管是独立 元件结构。下图是GTO的结构示意图、等效电路和电 气符号。
N2 P2 N2 N1 P1 A
尾部时间tt ：则是指从阳极电流降到极小值时开 始，直到最终达到维持电流为止的时间。
3、GTO的动态特性
开通过程：与普通晶闸管相同(td + tr) 关断过程：与普通晶闸管有所不同
储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。 下降时间tf ，退至放大区，iA减小 尾部时间tt —残存载流子复合。 通 常 tf<<ts<tt 。 门 极 负 脉 冲 电 流 幅 值 越 大，ts越短。
（2）电流关断增益off(太小,GTO的主要缺点） GTO的关断增益off为最大可关断阳极电流IATO与
门极负电流最大值IGM之比，通常只有5左右。
（3）开通时间ton 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约
1~2s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。 （4） 关断时间toff 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部
第2章 电力电子器件
第一节 电力电子器件概述 第二节 不可控器件——电力二极管 第三节 半控型器件——晶闸管 第四节 典型全控型器件 第五节 其他新型电力电子器件 第六节 功率集成电路与集成电力电子模块
本章小结及作业
2.4 典型全控型器件
2.4.1 门极可关断晶闸管 2.4.2 电力晶体管 2.4.3 电力场效应晶体管 2.4.4 绝缘栅双极晶体管
延迟时间+上升时间：td ：tt
4、主要参数
GTO有许多参数与晶闸管相同，这里只介绍一 些与晶闸管不同的参数。
（1）最大可关断阳极电流IATO(GTO的额定电流) 电流过大时α1+α2稍大于1的条件可能被破坏，使器 件饱和程度加深，导致门极关断失败。。
2.4 典型全控型器件
20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技 术在各自发展的基础上相结合——高频化、全控 型、采用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入了一个崭新时代
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
门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现
缺点：饱和管压降增加， 增大了导通损耗，同时 降低了管子工作速度。
2.4.2 电力晶体管 GTR模块
2、GTO的工作原理
（1）开通过程
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。
2.4.2 电力晶体管
1. GTR的结构和工作原理
空穴流
ib
E
b
ic=βib
电
E
子
流
c
ie=(1+β)ib
GTR共发射极接法时内部主要载
流子的流动如图。集电极电流ic与
基电流ib之比为 β=
ic
ib
为电流放大系数，当考虑到集
电极和发射极间的电流Iceo时，ic 与ib关系为
ic= βib + Iceo
正常工作时处于： 临界饱和状态
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。
GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶 闸管有如下区别：
设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于
GTO关断。
（2）关断过程
当GTO已处于导通状态时，对门极加负的关 断脉冲，形成负的IG，相当于将IC1的电流抽出， 使晶体管N1P2N2的基极电流减小，使IC2和IK随之 减小，IC2减小又使IA和IC1减小，这是一个正反馈 过程。当IC2和IC1的减小使α1+α2<1时，等效晶体 管N1P2N2和P1N1P2退出饱和，GTO不满足维持导 通条件，阳极电流下降到零而关断。
和，有利于门极控制关断，但导通时管压 降增大。
多元集成结构，使得GTO比晶阐管开通更 快，承受能di/dt能力更强。
GTO的关断特性
GTO的关断过程有三个不同的时间，即存储时 间ts、下降时间tf及尾部时间tt。 存储时间ts ：对应着从关断过程开始，到阳极电 流开始下降到90%IA为止的一段时间间隔。 下降时间tf ：对应着阳极电流迅速下降，阳极电 压不断上升和门极反电压开始建立的过程。
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
兆瓦以上首选，制造水平6kA/6kV。
2.4.2 电力晶体管
GTR的类型 目前常用的GTR有单管、达林顿管和模块三种类型。 单管GTR基本型。
单管GTR的电流放大系数很小，通常为10左右。
2.4.2 电力晶体管
达林顿GTR 达林顿结构的GTR是由两个或多个晶体管复合
而成。
优点：达林顿结构的GTR 电流放大倍数很大，可 以达到几十至几千倍。
时间。下降时间一般小于2s。
（5）擎住电流 擎住电流是指GTO元经门极触发后，阳极电
流上升到保持所有GTO元导通的最低值。
2.4.2 电力晶体管
c
1. GTR的结构和工作原理
b
电力晶体管 耐高电压、大电流的双极结型晶e体管
与普通的双极结型晶体管基本 原理是一样的。 主要特性是耐压高、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 。
1、GTO的结构 GTO为四层PNPN结构、三端引出线（A、K、G）
的器件。和晶闸管不同的是：GTO内部是由许多四层 结构的小晶闸管并联而成，这些小晶闸管的门极和 阴极并联在一起，成为GTO元，而普通晶闸管是独立 元件结构。下图是GTO的结构示意图、等效电路和电 气符号。
N2 P2 N2 N1 P1 A
尾部时间tt ：则是指从阳极电流降到极小值时开 始，直到最终达到维持电流为止的时间。
3、GTO的动态特性
开通过程：与普通晶闸管相同(td + tr) 关断过程：与普通晶闸管有所不同
储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。 下降时间tf ，退至放大区，iA减小 尾部时间tt —残存载流子复合。 通 常 tf<<ts<tt 。 门 极 负 脉 冲 电 流 幅 值 越 大，ts越短。
（2）电流关断增益off(太小,GTO的主要缺点） GTO的关断增益off为最大可关断阳极电流IATO与
门极负电流最大值IGM之比，通常只有5左右。
（3）开通时间ton 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约
1~2s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。 （4） 关断时间toff 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部
第2章 电力电子器件
第一节 电力电子器件概述 第二节 不可控器件——电力二极管 第三节 半控型器件——晶闸管 第四节 典型全控型器件 第五节 其他新型电力电子器件 第六节 功率集成电路与集成电力电子模块
本章小结及作业
2.4 典型全控型器件
2.4.1 门极可关断晶闸管 2.4.2 电力晶体管 2.4.3 电力场效应晶体管 2.4.4 绝缘栅双极晶体管
延迟时间+上升时间：td ：tt
4、主要参数
GTO有许多参数与晶闸管相同，这里只介绍一 些与晶闸管不同的参数。
（1）最大可关断阳极电流IATO(GTO的额定电流) 电流过大时α1+α2稍大于1的条件可能被破坏，使器 件饱和程度加深，导致门极关断失败。。
2.4 典型全控型器件
20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技 术在各自发展的基础上相结合——高频化、全控 型、采用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入了一个崭新时代
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
门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现
缺点：饱和管压降增加， 增大了导通损耗，同时 降低了管子工作速度。
2.4.2 电力晶体管 GTR模块
2、GTO的工作原理
（1）开通过程
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。
2.4.2 电力晶体管
1. GTR的结构和工作原理
空穴流
ib
E
b
ic=βib
电
E
子
流
c
ie=(1+β)ib
GTR共发射极接法时内部主要载
流子的流动如图。集电极电流ic与
基电流ib之比为 β=
ic
ib
为电流放大系数，当考虑到集
电极和发射极间的电流Iceo时，ic 与ib关系为
ic= βib + Iceo
正常工作时处于： 临界饱和状态
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。
GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶 闸管有如下区别：
设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于
GTO关断。
（2）关断过程
当GTO已处于导通状态时，对门极加负的关 断脉冲，形成负的IG，相当于将IC1的电流抽出， 使晶体管N1P2N2的基极电流减小，使IC2和IK随之 减小，IC2减小又使IA和IC1减小，这是一个正反馈 过程。当IC2和IC1的减小使α1+α2<1时，等效晶体 管N1P2N2和P1N1P2退出饱和，GTO不满足维持导 通条件，阳极电流下降到零而关断。