典型全控型电力电子器件

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。

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。

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。

2222R NPNPNPA G SK E GI G E AI K I c2I c1I A V 1V 2b)2、电力晶体管(GTR) 1）电力晶体管的结构：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。

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。

全控型器件1.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；这类器件很多，门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor—GTO），电力场效应晶体管（Power MOSFET），绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT）均属于此类。

●绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT）综合了电力晶体管（Giant Transistor—GTR）和电力场效应晶体管（PowerMOSFET）的优点，具有良好的特性，应用领域很广泛；IGBT也是三端器件：栅极，集电极和发射极。

●门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor—GTO）也是晶闸管（Thyristor）的一种派生器件，但可以通过在门极施加负脉冲使其关断，因而属于全控型器件；它和普通晶闸管一样，也是PNPN四层结构，外部引出三个极，阳极，阴极和门极；工作条件同普通晶闸管；其主要用于兆瓦级以上的大功率场合。

●电力场效应晶体管电力场效应晶体管分为两种类型，结型和绝缘栅型，但通常所说的是绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称电力MOSFET（Power MOSFET），P-MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流，它的显著特点是驱动电路简单，驱动功率小，开关速度快，工作频率高；但是其电流容量小，耐压低，只用于小功率的电力电子装置，其工作原理与普通MOSFET一样。

●电力晶体管电力晶体管按英文Giant Transistor直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor—BJT），所以有时也称为Power BJT；其特性有：耐压高，电流大，开关特性好，但驱动电路复杂，驱动功率大；GTR和普通双极结型晶体管的工作原理是一样的。

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。

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。