第2章 全控型电力电子器件
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作在开关状态，对应饱和 区和截止区。
O
截止区
图4-4 共发射极接法时GTR的输 出特性
电力电子技术
4.1
(2) 动态特性
开通过程
电力晶体管
延迟时间td 和上升时间tr ， 二者之和为开通时间ton。
关断过程
储存时间ts 和下降时间tf ， 二者之和为关断时间toff 。 加快开通过程、关断速度
的办法。
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
最高电压UceM 、集电极最大 电流IcM、最大耗散功率PcM、
IcM
PSB
SOA
PcM
二次击穿临界线限定。
O
UceM Uce
图4-8 GTR的安全工作区
电力电子技术
4.2 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 既具有普通晶闸管的优点，也有GTR的优点
3.4.1 功率因数
变流装置的功率因数：交流侧 有功功率/视在功率
cos P / S I11 I1 cos 1 I11 I1 cos
O Φ i11 i1 Id O i1 u1 i1
t
I11/I1 ： 电 流 畸 变 系数 功率因数＝畸变 系数×位移因数
t
i11
4
电力电子技术
4.4
IGBT的工作原理
绝缘栅双极晶体管
C G
驱动原理与电力MOSFET基本相同，
场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。
E
导通：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。
通态压降：电导调制效应使电阻Rdr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
电力电子技术
4.4
绝缘栅双极晶体管
GTR和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。
绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 （ Insulated-gate Bipolar Transistor— IGBT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。
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4-22 电力MOSFET输出特性
UDS 过高 电力电子技术
2)功率MOSFET的基本特征
2.转移特征
ID /A
D +
50 40 30 20 10 0 2
Tc=25o
实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。
电力电子技术
图4.6 GTR 的不同接线 方式及其最 高集电极电 压值
BUcbo：发射极开路时，集电极和基极间的反向击穿电压。 BUceo：基极开路时，集电极和发射极之间的击穿电压。 BUcer：实际电路中，GTR的发射极和基极之间常接有电阻R，这时用BUcer表示集电极和 发射极之间的击穿电压。 BUces：当R为0，即发射极和基极短路，用BUces表示其击穿电压。 BUcex：发射结反向偏置时，集电极和发射极之间的击穿电压。
电力电子技术
4.3
功率场效应晶体管
功率场效应晶体管－Power MOSFET
Metal Oxide Semiconductor FET Field Effect Transistor
特点—单极型压控器件，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，不存在二次击穿 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过 10kW的电力电子装置 电力电子技术
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
发射极 栅极 G E N J3
+
ID
+
P J2 J1
N
Βιβλιοθήκη Baidu
+
N NN+ P+
P
N
+
漂移区 缓冲区 注入区
G
VJ1+ - Rdr + + I DRon -
C IC C G
C 集电极 a)
E E b) c)
图4-32 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
I1 sin t I11
4 2
I1
I11 / I1 0.9
电力电子技术
3.4.2 提高功率因数
1. 2. 3. 4. 5. 6.
提高变流电路 功率因数的方法： 小控制角运行 － 减小cosΦ； 两组变流器串联供电；
cos P / S
I11 I1
cos
增加整流相数－减少低次谐波，畸变系数接近1；
4.1 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：一次击穿发生时，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 。
Ic
安 全 工 作 区 （ SOA—Safe Operating Area）
GTR的开关时间在几微秒 以内，比晶闸管和GTO都 短很多 。 图4-5 GTR的开通和关断过程电流波形
电力电子技术
4.1 电力晶体管
3）GTR的主要（极限）参数
1) 最高工作电压
GTR上电压超过规定值时会发生击穿。 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外 电路接法有关。 BUcex> BUces> BUcer> BUceo。
消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。
电力电子技术
4.4
绝缘栅双极晶体管
输出特性（伏安特性）
2) IGBT的基本特性
(1) IGBT的静态特性
G
IC IC
C
•正向分为三个区域； •反向截止。
放大区
饱 和 区
(1) 静态特性
共发射极接法时的典型输 出 特 性 ： 截 止 区 Cut-off
region 、 放 大 区 Amplifying
Ic
放大区
ib3 ib2 ib1 ib1<ib2<ib3 Uce
(active) region 和 饱 和 区 Saturation region。
在电力电子电路中GTR工
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
第四章 全控型电力电子器件
电力电子技术
全控型电力电子器件
1. 2. 3. 4.
典型代表 电力晶体管 门极可关断晶闸管 电力场效应晶体管 绝缘栅双极晶体管 具体分类： 按开关控制性能分：不控、半控、全控 按驱动信号类型分：电流驱动、电压驱动 按载流子参与导电分类：单极、双极、复合型
电力电子技术
1. 2. 3.
为实现门极控制关断所采取的特殊设计。
图4-13 GTO的电气图形符号
电力电子技术
图 a)GTO电气符号b)伏安特性c)理想特性
电力电子技术
4.2 门极可关断晶闸管
三 GTO的主要参数
1) 最大可关断阳极电流IATO ：它是GTO的额定电流参 数。而普通晶闸管是用通态平均电流作为额定电流的。 2) 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
补偿电容－改善电压电流相位差，减小cosΦ ；
用不可控整流配合直流斩波调压 替代 相控电路； 全控器件－强迫换向；脉宽调制控制，使电流波形 谐波降低，cosφ接近1。
电力电子技术
功率因数的改善方法（续） I
cos P / S
– – –
11
I1
cos
强迫换相 对称角控制（右上） 关断角控制（右下） 脉冲宽度控制（左）
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
o ff
I ATO I GM
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
电力电子技术
单相半波GTO整流仿真
电力电子技术
电力电子技术
电力电子技术
电力电子技术
带续流二极管的单相半波整流电路 仿真
电力电子技术
GTO小结 优点 缺点
电力电子技术
4.1 电力晶体管
2) 集电极最大允许电流 IcM 通常规定为下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic 。 实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。
3) 集电极最大耗散功率PcM
最高允许工作温度下对应的耗散功率，用PcM表示。
它是GTR容量的重要标志。晶体管功耗的大小主要由集电 极工作电压和工作电流的乘积来决定，它将转化为热能使 晶体管升温，晶体管会因温度过高而损坏。 实际使用时，集电极允许耗散功率和散热条件与工作环境 温度有关。所以在使用中应特别注意值IC不能过大，散热 条件要好。 电力电子技术
MOSFET的开关速度
MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过 程非常迅速 开关时间在10~100ns之间，工作频率是主要电力电子器件中 最高的；双极型器件开关时间在微秒级； 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。
1）功率MOSFET的结构和工作原理
种类：根据载流子的性质可分为P沟道和N沟道 D 符号如图4-21所示 三个电极： 栅极 Gate G 源极 Source 漏极 Drain
S D
G
S
P沟道
工作原理
N沟道
导通过程：在栅源极间加正电压UGS，出现导电沟道，形 成漏极到源极的电流ID； 关断过程：在栅源极间加反向电压，UGS<0，导电沟道消 失。
电力电子技术
小结
GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动， 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。 不足－－电压电流等级低。 最好是两者优点相结合。
电力电子技术
电力电子技术
全控型电力电子器件
要求： 掌握常用全控型电力电子器件 – 结构 – 特性
了解全控型电力电子器件的触发脉冲波形， 驱动及保护
电力电子技术
4.1
电力晶体管GTR
电力晶体管（Giant Transistor—GTR，直译 为巨型晶体管） 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
GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近， 因而在大功率场合仍有较多的应用
电力电子技术
4. 2 门极可关断晶闸管
一 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
阴极、阳极和门极 anode cathode
A
G K
gate
和普通晶闸管的不同： GTO是一种多元的功率集成器件， 内部包含数百个共阳极的小GTO元， 这些GTO元的阴极和门极则在器件 内部并联在一起
O
截止区
图4-4 共发射极接法时GTR的输 出特性
电力电子技术
4.1
(2) 动态特性
开通过程
电力晶体管
延迟时间td 和上升时间tr ， 二者之和为开通时间ton。
关断过程
储存时间ts 和下降时间tf ， 二者之和为关断时间toff 。 加快开通过程、关断速度
的办法。
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
最高电压UceM 、集电极最大 电流IcM、最大耗散功率PcM、
IcM
PSB
SOA
PcM
二次击穿临界线限定。
O
UceM Uce
图4-8 GTR的安全工作区
电力电子技术
4.2 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 既具有普通晶闸管的优点，也有GTR的优点
3.4.1 功率因数
变流装置的功率因数：交流侧 有功功率/视在功率
cos P / S I11 I1 cos 1 I11 I1 cos
O Φ i11 i1 Id O i1 u1 i1
t
I11/I1 ： 电 流 畸 变 系数 功率因数＝畸变 系数×位移因数
t
i11
4
电力电子技术
4.4
IGBT的工作原理
绝缘栅双极晶体管
C G
驱动原理与电力MOSFET基本相同，
场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。
E
导通：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。
通态压降：电导调制效应使电阻Rdr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
电力电子技术
4.4
绝缘栅双极晶体管
GTR和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。
绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 （ Insulated-gate Bipolar Transistor— IGBT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。
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4-22 电力MOSFET输出特性
UDS 过高 电力电子技术
2)功率MOSFET的基本特征
2.转移特征
ID /A
D +
50 40 30 20 10 0 2
Tc=25o
实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。
电力电子技术
图4.6 GTR 的不同接线 方式及其最 高集电极电 压值
BUcbo：发射极开路时，集电极和基极间的反向击穿电压。 BUceo：基极开路时，集电极和发射极之间的击穿电压。 BUcer：实际电路中，GTR的发射极和基极之间常接有电阻R，这时用BUcer表示集电极和 发射极之间的击穿电压。 BUces：当R为0，即发射极和基极短路，用BUces表示其击穿电压。 BUcex：发射结反向偏置时，集电极和发射极之间的击穿电压。
电力电子技术
4.3
功率场效应晶体管
功率场效应晶体管－Power MOSFET
Metal Oxide Semiconductor FET Field Effect Transistor
特点—单极型压控器件，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，不存在二次击穿 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过 10kW的电力电子装置 电力电子技术
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
发射极 栅极 G E N J3
+
ID
+
P J2 J1
N
Βιβλιοθήκη Baidu
+
N NN+ P+
P
N
+
漂移区 缓冲区 注入区
G
VJ1+ - Rdr + + I DRon -
C IC C G
C 集电极 a)
E E b) c)
图4-32 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
I1 sin t I11
4 2
I1
I11 / I1 0.9
电力电子技术
3.4.2 提高功率因数
1. 2. 3. 4. 5. 6.
提高变流电路 功率因数的方法： 小控制角运行 － 减小cosΦ； 两组变流器串联供电；
cos P / S
I11 I1
cos
增加整流相数－减少低次谐波，畸变系数接近1；
4.1 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：一次击穿发生时，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 。
Ic
安 全 工 作 区 （ SOA—Safe Operating Area）
GTR的开关时间在几微秒 以内，比晶闸管和GTO都 短很多 。 图4-5 GTR的开通和关断过程电流波形
电力电子技术
4.1 电力晶体管
3）GTR的主要（极限）参数
1) 最高工作电压
GTR上电压超过规定值时会发生击穿。 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外 电路接法有关。 BUcex> BUces> BUcer> BUceo。
消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。
电力电子技术
4.4
绝缘栅双极晶体管
输出特性（伏安特性）
2) IGBT的基本特性
(1) IGBT的静态特性
G
IC IC
C
•正向分为三个区域； •反向截止。
放大区
饱 和 区
(1) 静态特性
共发射极接法时的典型输 出 特 性 ： 截 止 区 Cut-off
region 、 放 大 区 Amplifying
Ic
放大区
ib3 ib2 ib1 ib1<ib2<ib3 Uce
(active) region 和 饱 和 区 Saturation region。
在电力电子电路中GTR工
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
第四章 全控型电力电子器件
电力电子技术
全控型电力电子器件
1. 2. 3. 4.
典型代表 电力晶体管 门极可关断晶闸管 电力场效应晶体管 绝缘栅双极晶体管 具体分类： 按开关控制性能分：不控、半控、全控 按驱动信号类型分：电流驱动、电压驱动 按载流子参与导电分类：单极、双极、复合型
电力电子技术
1. 2. 3.
为实现门极控制关断所采取的特殊设计。
图4-13 GTO的电气图形符号
电力电子技术
图 a)GTO电气符号b)伏安特性c)理想特性
电力电子技术
4.2 门极可关断晶闸管
三 GTO的主要参数
1) 最大可关断阳极电流IATO ：它是GTO的额定电流参 数。而普通晶闸管是用通态平均电流作为额定电流的。 2) 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
补偿电容－改善电压电流相位差，减小cosΦ ；
用不可控整流配合直流斩波调压 替代 相控电路； 全控器件－强迫换向；脉宽调制控制，使电流波形 谐波降低，cosφ接近1。
电力电子技术
功率因数的改善方法（续） I
cos P / S
– – –
11
I1
cos
强迫换相 对称角控制（右上） 关断角控制（右下） 脉冲宽度控制（左）
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
o ff
I ATO I GM
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
电力电子技术
单相半波GTO整流仿真
电力电子技术
电力电子技术
电力电子技术
电力电子技术
带续流二极管的单相半波整流电路 仿真
电力电子技术
GTO小结 优点 缺点
电力电子技术
4.1 电力晶体管
2) 集电极最大允许电流 IcM 通常规定为下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic 。 实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。
3) 集电极最大耗散功率PcM
最高允许工作温度下对应的耗散功率，用PcM表示。
它是GTR容量的重要标志。晶体管功耗的大小主要由集电 极工作电压和工作电流的乘积来决定，它将转化为热能使 晶体管升温，晶体管会因温度过高而损坏。 实际使用时，集电极允许耗散功率和散热条件与工作环境 温度有关。所以在使用中应特别注意值IC不能过大，散热 条件要好。 电力电子技术
MOSFET的开关速度
MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过 程非常迅速 开关时间在10~100ns之间，工作频率是主要电力电子器件中 最高的；双极型器件开关时间在微秒级； 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。
1）功率MOSFET的结构和工作原理
种类：根据载流子的性质可分为P沟道和N沟道 D 符号如图4-21所示 三个电极： 栅极 Gate G 源极 Source 漏极 Drain
S D
G
S
P沟道
工作原理
N沟道
导通过程：在栅源极间加正电压UGS，出现导电沟道，形 成漏极到源极的电流ID； 关断过程：在栅源极间加反向电压，UGS<0，导电沟道消 失。
电力电子技术
小结
GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动， 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。 不足－－电压电流等级低。 最好是两者优点相结合。
电力电子技术
电力电子技术
全控型电力电子器件
要求： 掌握常用全控型电力电子器件 – 结构 – 特性
了解全控型电力电子器件的触发脉冲波形， 驱动及保护
电力电子技术
4.1
电力晶体管GTR
电力晶体管（Giant Transistor—GTR，直译 为巨型晶体管） 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
GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近， 因而在大功率场合仍有较多的应用
电力电子技术
4. 2 门极可关断晶闸管
一 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
阴极、阳极和门极 anode cathode
A
G K
gate
和普通晶闸管的不同： GTO是一种多元的功率集成器件， 内部包含数百个共阳极的小GTO元， 这些GTO元的阴极和门极则在器件 内部并联在一起