电力电子器件-典型全控型器件课件PPT(共44页)
合集下载
电力电子技术(第3版)PPT 第一章 电力电子器件
采用硒堆保护的优点是它能吸收较大的浪涌能量；但存在体积大， 反向特点不陡，长期放置不用会发生“储存老化”，即正向电阻增大， 反向电阻降低而失效的缺点，所以使用前必须先加50%的额定电压 10min，再加额定电压2h，才能恢复性能.
Date:
2021-6-26
Page: 25
§1.3 晶闸管的保护、扩容和简单测试
§1.3 晶闸管的保护、扩容和简单测试
2） 非线性电阻保护
硒堆由成组串联的硒整流片构成，如图所示为硒堆保护几种接 法。(a)图为单相时的接法。单相时用两组对接后再与电源并联； (b)、(c)为三相的接法，三相时用三组对接成Y形或用六组结成D形。
硒堆保护几种接法 a）单相连接 b）三相Y型连接 c）三相△连接
（1）电阻均流 如图b)所示，在并联的各晶闸管中串入一小电阻R是最简便的均流方
法。均流电阻R由下式决定： R (0.5 ~ 2)UT () I Ta
串入均流电阻R后，电流分配不均匀度可大大地改善，但因电阻上有损耗， 并且对动态均流不起作用，只适用于小功率场合。对于大电流器件的并联，均 流可领先各并联支路的快熔电阻、电抗器电阻和连接导线电阻的总和来达到。
Date:
2021-6-26
Page: 31
§1.3 晶闸管的保护、扩容和简单测试
（1）静态均压（正反向阻断状态下的均压）
Date:
2021-6-26
Page: 32
§1.3 晶闸管的保护、扩容和简单测试
（2）动态均压（开通过程与关断过程的均压）
Date:
2021-6-26
Page: 33
§1.3 晶闸管的保护、扩容和简单测试
IF
UROM URSM
+
_
Date:
2021-6-26
Page: 25
§1.3 晶闸管的保护、扩容和简单测试
§1.3 晶闸管的保护、扩容和简单测试
2） 非线性电阻保护
硒堆由成组串联的硒整流片构成，如图所示为硒堆保护几种接 法。(a)图为单相时的接法。单相时用两组对接后再与电源并联； (b)、(c)为三相的接法，三相时用三组对接成Y形或用六组结成D形。
硒堆保护几种接法 a）单相连接 b）三相Y型连接 c）三相△连接
（1）电阻均流 如图b)所示，在并联的各晶闸管中串入一小电阻R是最简便的均流方
法。均流电阻R由下式决定： R (0.5 ~ 2)UT () I Ta
串入均流电阻R后，电流分配不均匀度可大大地改善，但因电阻上有损耗， 并且对动态均流不起作用，只适用于小功率场合。对于大电流器件的并联，均 流可领先各并联支路的快熔电阻、电抗器电阻和连接导线电阻的总和来达到。
Date:
2021-6-26
Page: 31
§1.3 晶闸管的保护、扩容和简单测试
（1）静态均压（正反向阻断状态下的均压）
Date:
2021-6-26
Page: 32
§1.3 晶闸管的保护、扩容和简单测试
（2）动态均压（开通过程与关断过程的均压）
Date:
2021-6-26
Page: 33
§1.3 晶闸管的保护、扩容和简单测试
IF
UROM URSM
+
_
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 。
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。
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。
全控器件
3.1.2
电力晶体管
4) 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，Ic迅速增大。
只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。
二次击穿：二次击穿发生时，Ic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 （ Safe Operating Area——SOA）
+ ID RN VJ1 + + IDRon -
C 集电极 a)
E
c)
图3-9 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号
a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号
3.1.1 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 相同
关断过程：与普通晶闸管 有所不同
iG
O
t
td tr ts tf tt 储存时间ts ，使等效晶 iA IA 体管退出饱和。 90%IA 下降时间tf 10%IA 尾部时间tt —残存载流 0 t t t1 t2 t3 t4 t5 t6 0 子复合。 通常tf 比ts 小得多，而tt 图3-3 GTO的开通和关断过程电流波形 比ts要长。 门极负脉冲电流幅值越 大，ts越短。
3.3.4
绝缘栅双极晶体管
GTR和GTO的特点——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——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。
两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS器件
绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor—— IGBT或IGT）(DATASHEET 1 2 )
电力电子器件-电子课件
决定晶闸管的最大电流 管芯半导体结温 流过电流的有效值 （相同的电流有效值条件下，其发热情况相同，选取型号相同）
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。
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。
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
新版西安交大电力电子技术PPT讲义第2章_电力电子器件_版26样版.ppt
。
26/89
2.3 半控器件—晶闸管·引言
。
24/89
2.2.4 电力二极管的主要类型
◆肖特基二极管（Schottky Barrier Diode——SBD） ☞属于多子器件 ☞优点在于：反向恢复时间很短（10~40ns），正向恢
复过程中也不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情 况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；因此， 其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率 高。
。
15/89
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
■PN结的电容效应
◆称为结电容CJ，又称为微分电容 ◆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
☞势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压 频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正 向电压较低时，势垒电容为主。
☞扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时， 扩散电容为结电容主要成分。
☞快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial
Diodes——FRED） ，采用外延型P-i-N结构 ，其
反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很
低（0.9V左右）。
☞从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等
级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则
在100ns以下，甚至达到20~30ns。
■按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ） ◆脉冲触发型 ☞通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的 开通或者关断的控制。 ◆电平控制型 ☞必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或 电流信号来使器件开通并维持在导通状态或者关断并维持在阻断 状态。
。
9/89
2.1.3 电力电子器件的分类
2024版《电力电子技术》PPT课件
电力电子技术的定义与发展01020304定义晶闸管时代可控硅时代现代电力电子时代用于高压直流输电、无功补偿、有源滤波等，提高电力系统的稳定性和效率。
用于电动汽车、电动自行车、电梯等电机驱动系统，实现高效、节能的电机控制。
用于太阳能、风能等新能源发电系统，实现能源的高效利用和转换。
用于自动化生产线、机器人等工业设备，实现设备的精确控制和高效运行。
电力系统电机驱动新能源工业自动化数字化与智能化随着计算机技术和人工智能的发展，电力电子技术将实现数字化和智能化，提高系统的自适应能力和智能化水平。
高频化与高效化随着半导体材料和器件的发展，电力电子技术将实现更高频率和更高效率的电能转换。
绿色化与环保化随着环保意识的提高，电力电子技术将更加注重绿色、环保的设计理念，降低能耗和减少对环境的影响。
工作原理特点应用整流电路、续流电路等工作原理通过门极触发导通，无法自行关断特点耐压高、电流大、开关速度快应用直流电机调速、交流调压等工作原理特点应用工作原理特点应用逆变器、斩波器、电机驱动等工作原理特点应用工作原理开关速度快、耐压高、电流大、热稳定性好应用逆变器、斩波器、电机驱动等高端应用领域特点VS整流电路的作用整流电路的分类整流电路的工作原理整流电路的应用整流电路逆变电路逆变电路的作用逆变电路的分类逆变电路的工作原理逆变电路的应用直流-直流变流电路直流-直流变流电路的作用直流-直流变流电路的分类直流-直流变流电路的工作原理直流-直流变流电路的应用交流-交流变流电路交流-交流变流电路的作用交流-交流变流电路的工作原理A B C D交流-交流变流电路的分类交流-交流变流电路的应用电机驱动照明控制加热与焊接030201一般工业应用交通运输应用电动汽车驱动轨道交通牵引航空电源电力系统应用高压直流输电柔性交流输电通过电力电子技术可实现高压直流输电，减少输电损耗和占地面积。
智能电网风能发电通过电力电子技术可实现风能发电系统的变速恒频控制和并网运行。
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
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。
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。
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
2024版电力电子技术完整版全套PPT电子课件
contents•电力电子技术概述•电力电子器件目录•电力电子电路•电力电子技术的控制策略•电力电子技术的实验与仿真电力电子技术的定义与发展定义发展历程如太阳能、风能等可再生能源的转换与利用。
如电动汽车、电动自行车等电机驱动系统的控制。
如智能电网、分布式发电等电力系统的优化与控制。
如变频器、伺服系统等工业自动化设备的控制。
能源转换电机驱动电力系统工业自动化高效率、高功率密度智能化、数字化绿色化、环保化多学科交叉融合晶闸管（Thyristor 可控的单向导电性，用于可控整流电路Power Diode ）具有单向导电性，可用于整流电路010402050306电力晶体管（Giant Transistor，GTR）具有耐压高、电流大、开关特性好等优点通过在门极施加负脉冲使其关断电流控制型器件，通过控制基极电流来控制集电极电流可关断晶闸管（Gate Turn-OffThyristor，GTO）具有可控的开关特性，适用于高电压、大电流场合01电力场效应晶体管（Power MOSFET ）02电压控制型器件，通过控制栅源电压来控制漏极电流03具有开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好等优点04绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor ，IGBT ）05结合了MOSFET 和GTR 的优点，具有电压控制、大电流、低饱和压降等特性06广泛应用于电机控制、电源转换等领域整流电路整流电路的工作原理介绍整流电路的基本工作原理，包括半波整流、全波整流和桥式整流等。
整流电路的类型详细阐述不同类型的整流电路，如单相半波整流电路、单相全波整流电路、三相半波整流电路和三相全波整流电路等。
整流电路的应用列举整流电路在电力电子领域的应用，如电源供应器、电池充电器和电机驱动器等。
逆变电路逆变电路的工作原理01逆变电路的类型02逆变电路的应用031 2 3直流-直流变流电路的工作原理直流-直流变流电路的类型直流-直流变流电路的应用交流-交流变流电路的工作原理01交流-交流变流电路的类型02交流-交流变流电路的应用03电动机控制电热控制照明控制030201一般工业应用交通运输应用电动汽车驱动轨道交通牵引飞机电源系统电力系统应用高压直流输电柔性交流输电分布式发电与微电网新能源应用风能发电太阳能发电风力发电机组中采用电力电子技术实现变速恒频控制，提高风能发电的稳定性和可靠性。
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。
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2022/3/23
第2章 电力电子器件
1
2022/3/23
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
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
GTO关断。
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。
10
2022/3/23
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
N2 P2 N2 N1 P1 A
6
2、GTO的工作原理
2022/3/23
（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。
门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现
4
2.4.1 门极可关断晶闸管
2022/3/23
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
➢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。
12
延迟时间+上升时间：td + tr 储存时间+下降时间： ts + tf 尾部时间：tt
13
门极负电流最大值IGM之比，通常只有5左右。
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
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
2022/3/23
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）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
16
2022/3/23
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
17
2.4.2 电力晶体管
2022/3/23
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。
2022/3/23
3
2022/3/23
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
8
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。
9
2022/3/23
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
7
2022/3/23
（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。
➢兆瓦以上首选，制造水平6kA/6kV。
5
2022/3/23
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。
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。 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。
11
2022/3/23
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
流上升到保持所有GTO元导通的最低值。
15
2.4.2 电力晶体管
2022/3/23
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 。
第2章 电力电子器件
1
2022/3/23
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
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
GTO关断。
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。
10
2022/3/23
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
N2 P2 N2 N1 P1 A
6
2、GTO的工作原理
2022/3/23
（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。
门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现
4
2.4.1 门极可关断晶闸管
2022/3/23
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
➢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。
12
延迟时间+上升时间：td + tr 储存时间+下降时间： ts + tf 尾部时间：tt
13
门极负电流最大值IGM之比，通常只有5左右。
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
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
2022/3/23
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）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
16
2022/3/23
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
17
2.4.2 电力晶体管
2022/3/23
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。
2022/3/23
3
2022/3/23
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
8
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。
9
2022/3/23
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
7
2022/3/23
（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。
➢兆瓦以上首选，制造水平6kA/6kV。
5
2022/3/23
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。
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。 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。
11
2022/3/23
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
流上升到保持所有GTO元导通的最低值。
15
2.4.2 电力晶体管
2022/3/23
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 。