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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。

全控型电力电子器件

全控型电力电子器件
Power MOSFET的关断过程：当 信号电压下降到零时，栅极输入电容上 储存的电荷通过电阻放电，使栅极电压按指数曲线下降，当信号电压下降到 漏源电流开始减小，这段时间称为关断延迟时间 。此后，输入电容继续放 电，直到导电沟道消失， 这段时间称为下降时间 。这样Power MOSFET的 关断时间为：toff td (off ) t f
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。

典型全控型电力电子器件

典型全控型电力电子器件

(1)静态特性
共发射极接法时，GTR的典型输出特性如图4-8所示， 可分为三个工作区：
① 截止区。在截止区内，iB≤0，uBE≤0，uBC＜0，
集电极只有漏电流流过。
② 放大区。iB ＞0，uBE＞0，uBC＜0，iC =βiB。
③
饱和区。iB
I CS
，uBE＞0，uBC＞0，iCS是集电极
饱和电流，其值由外电路决定。
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MOSFET的外形图
.
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UGS，
.
(2)动态特性
图4-8 GTR共发射极接法的输出特性
图4-9 GTR开关特性
.
2．GTR的参数
(1)最高工作电压 ①BUCBO：射极开路时，集-基极间的反向击穿电压。 ②BUCEO：基极开路时，集-射极之间的击穿电压。 ③BUCER：GTR的射极和基极之间接有电阻R。 ④BUCES：发射极和基极短路，集-射极之间的击穿电压。 ⑤BUCEX：发射结反向偏置时，集-射极之间的击穿电压。 其中BUCBO > BUCES > BUCES> BUCER> BUCEO，实际使用时， 为确保安全，最高工作电压要比BUCEO低得多。 (2)集电极最大允许电流ICM (3)集电极最大允许耗散功率PCM
1．GTO的开关特性
图4-3 GTO在开通和关断过程中电流的波形
.
2．GTO的主要参数

电力电子资料第四章

电力电子资料第四章
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。
一、GTR的结构及工作原理
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
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 。 β——GTR的电流放大系数
如：代表性器件为 MOSFET和IGBT。
（三）根据内部载流子参与导电的种类分
1.单极型：器件内只有一种载流子参与导电。 如：功率MOSFET（功率场效应晶体管） SIT（静电感应晶体管） 2.双极型：器件内电子与空穴都参与导电。 如：GTR（电力晶体管） GTO（可关断晶闸管） SITH（静电感应晶闸管） 3.复合型：由双极型器件与单极型器件复合而成 如：IGBT（绝缘栅双极晶体管） MCT（MOS控制晶闸管）
(三) GTR的二次击穿和安全工作区
（1） 二次击穿
一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时，Ic 迅速增大，出现雪崩击穿。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增大到某个临界 点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡 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 。

第五节 驱动电路
驱动电路的基本任务：
将电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换 为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其 开通或关断的信号。 对半控型器件只需提供开通控制信号。 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提 供关断控制信号。 在高压变换电路中，需要时控系统和主电路之间 进行电气隔离，这可以通过脉冲变压器或光耦来 实现。
IGBT：绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor) 。 兼具功率MOSFET高速开关特性和GTR的低导通压 降特性两者优点的一种复合器件。 IGBT于1982年开始研制，1986年投产，是发展最 快而且很有前途的一种混合型器件。 目前IGBT产品已系列化，最大电流容量达1800A， 最高电压等级达4500V，工作频率达50kHZ。 在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它 高速低损耗的中小功率领域，IGBT取代了GTR和 一部分MOSFET的市场。

电力电子技术第二章 全控型电力电子器件

电力电子技术第二章 全控型电力电子器件
图2-7 GTR的安全工作区
第三节 功率场效应晶体管
功率场效应晶体管简称功率MOSFET，它是对小功率场效应晶体管 的工艺结构进行改进，在功率上有所突破的单极型半导体器件，属于 电压控制型，具有驱动功率小、控制电路简单、工作频率高的特点。
一、功率场效应晶体管的结构与工作原理
1.功率场效应晶体管的结构 由电子技术基础可知，小功率场效应晶体管的栅极G、源极S和漏极 D位于芯片的同一侧，导电沟道平行于芯片表面，是横向导电器件， 这种结构限制了它的电流容量。功率场效应晶体管采取两次扩散工 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。 这种由垂直导电结构组成的场效应晶体管称为VMOSFET。
第二节 电力晶体管
(1)放大区(线性区) 其特点是发射结正偏，集电结反偏，集电极与 基极电流呈线性关系。 (2)饱和区 其特征是发射结、集电结都正偏。 (3)准饱和区(临界饱和区) 其特征是集电结反偏，发射结正偏，但 集电极电流与基极电流不是线性关系。 (4)截止区 发射结、集电结反偏，IB为零。 电力晶体管在变流技术应用中作为开关使用，往返工作于饱和区、 截止区。在状态转换过程中，快速地通过放大区及准饱和区。
三、电力晶体管的额定参数
1.最高工作电压 最高工作电压即最高集电极电压额定值，它不仅因器件不同而不同， 而且即便是同一器件，也会由于基极电路条件不同而存在差异。在 晶体管产品目录中BUCEO作为电压容量给出，但不能仅以此项指标 确定晶体管实际工作时的工作电压上限。
2.最大电流额定值ICM 最大电流额定值ICM即允许流过集电极的最大电流值。为了提高GTR 的输出功率，集电极输出电流应尽可能地大。但是集电极电流大，则 要求基极注入的电流也大，这样会使GTR的电气性能变差，甚至于损 坏器件。使用中通常只用到ICM的(1/3～1/2)，以确保使用的稳定与 安全。

全控型电力电子器(第二讲)

全控型电力电子器(第二讲)
有源放大区
饱和区
它承受 反向电压 能力很差， 反响阻断 电压只有 几十伏， 因此大大 限制了它 在高反压 场合的应 用。
截止区
击穿区
IGBT的转移特性曲线
UGE(TH)温度每升高1 ℃ 其值下降5mV 左右
在25 ℃ 时其值一 般为2-6V
IGBT的主要参数
集电极-射极击穿电压UCES：最高工作电压， 其大小与结温呈正温度系数关系0.63V/℃
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(Ib＞0)时大电流导通；反偏(Ib＜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。
快速通过放大区,防止功耗太大损坏GTR 为了保证开关速度快，损耗小，要求GTR饱和压
和源极间加正向电压UGS，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
引某到一栅电极压下值面UT时的，P型栅区极表下面面。的当Pu型GS区大于表
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。 此 时，若在漏源极之间加正向电压，则 电子将从源极横向穿过沟道，然后垂
2）漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM：即电力
MOSFET 的 额 定 电 流 ， 其 大 小 主 要 受 管 子 的 温 升 限 制。
3）栅源击穿电压UGS：栅极与源极之间的绝缘层
很薄，承受电压很低，一般不得超过20 V，否则 绝缘层可能被击穿而损坏，使用中应加以注意。
总之，为了安全可靠，在选用MOSFET时，对电 压、电流的额定等级都应留有较大裕量。
极控制关断，但导通时管压降增大； 多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使

第四讲全控型电力电子器件

第四讲全控型电力电子器件

第四讲全控型电力电子器件4.1概述门极可关断晶闸管(Gate-Turn-OffThyristor —GTO )在晶闸管咨询世后不久出现；20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自开展的根底上相结合——高频化、全控型、采纳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进了一个崭新时代；典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管(GiantTransistor ——GTR)、电力场效应晶体管(PowerMOSFET)、尽缘栅双极晶体管(Insulated-gateBipolarTransistor ——IGBT 或IGT)。

4.2门极可关断晶闸管〔Gate-Turn-OffThyristor —GTO 〕门极可关断晶闸管是晶闸管的一种派生器件； 能够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，与一般晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。

4.2.1GTO 的结构和工作原理结构：与一般晶闸管的相同点：PNPN 四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极；和一般晶闸管的不同：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 元的阴极和门极那么在器件内部并联在一起。

c)图1-13AG K GGKN 1P 1N 2N 2P 2b)a)AGK图1GTO 的内部结构和电气图形符号 a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形b)并联单元结构断面示意图c)电气图形符号工作原理：与一般晶闸管一样，能够用图2所示的双晶体管模型来分析121=+αα是器件临界导通的条件。

当a 1+a 2>1时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当a 1+a 2<1时，不能维持饱和导通而关断AP 1AGK N 1P 2P 2N 1N 2a)b)图2GTO 的双晶体管模型GTO 能够通过门极关断的缘故是其与一般晶闸管有如下区不： 〔1〕设计2α较大，使晶体管V 2操纵灵敏，易于GTO 关断；〔2〕导通时21αα+更接近1〔，一般晶闸管15.121≥+αα〕导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极操纵关断，但导通时管压落增大；〔3〕多元集成结构使GTO 元阴极面积特殊小，门、阴极间距大为缩短，使得P 2基区横向电阻特殊小，能从门极抽出较大电流 导通过程:与一般晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅；关断过程：强烈正相应——门极加负脉冲即从门极抽出电流，那么2b I 减小，使I K 和2C I 减小，2C I 的减小又使A I 和1C I 减小，又进一步减小2V 的基极电流。

电力电子第2章 全控型电力电子器件b z

电力电子第2章 全控型电力电子器件b z

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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。

电力电子技术2 全控型电力电子器件

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。

第4讲全控型器件ppt课件

第4讲全控型器件ppt课件

8
4.1 门极可关断晶闸管
3) GTO的主要参数
许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同， 以下只介绍意义不同的参数。
（1）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。
（2） 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。
由上述分析我们可以得到以下结论：
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di/dt能力强 。
7
4.1 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
iG
关断过程：与普通晶闸管
1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。
10
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） 。 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。 DATASHEET 1 2
Ic 放大区
ib3 ib2
ib1 ib1<ib2<ib3
截止区 O
Uce
图1-16 共发射极接法时GTR的 输出特性
14
4.2 电力晶体管
(2) 动态特性
开通过程
延迟时间td和上升时间tr， 二者之和为开通时间ton。
加快开通过程的办法 。
关断过程 储 二者存之时和间为ts 和关断下时降间时t间off t。f ， 加快关断速度的办法。 GTR 的 开 关 时 间 在 几 微 秒 以 内 ， 比 晶 闸 管 和 GTO 都 短很多 。

器件全控型器件讲课文档

器件全控型器件讲课文档
伏安特性(输出特性） 反映漏源电压与漏极电流之间的关
系。 截止区，饱和区，非饱和区
2)转移特性
表示栅源电压与漏极电流ID之间的关系 开启电压uT:
16 16 第十六页，共28页。
3)动态特性
关断延迟
为多数载流子器件，没有存储效应，开关时间短为20ns左右。
开通时间：
90%
I A
I A
10% I A
0t t
t
0
1
2
tt
t
s
f
t
t
t t tt
3
4
5
6
第五5页，共28页。
2）关断过程： 关断时间: toff=ts+tf+tt 存储时间ts :IA—0.9IA 下降时间tf: 0.9IA—0.1IA 拖尾时间tt:远大ts 门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡。抽走存储载流子
3）开关速度及di/dt承受能力高于晶闸管
4）单向导电性。
2、静态特性 伏安特性同晶闸管
第四4页，共28页。
3、动态特性
1）开通过程：
开通时间：
ton=td+tr
i
G
等效晶体管从饱和区退
至放大区，阳极电流逐
渐减小时间
O
抽取饱和导通时储存的 大量载流子的时间
残存载流 子复合所 需时间
t
i
tt
A
d
r
上 延升 迟时 时间 间 ttrd ::同SCR
关断条件：基极加负脉冲
3）开关频率较高、动态性能 好、承受功耗小、控制方便。 I c 阻断能力差、瞬态过电压及过 载能力差。
2、静态特性
截止区，饱和区，放大区。
O

第2章全控型电力电子器件-PPT精品文档

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

第15章全控型电力电子器件及其应用

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

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

学习资料-全控型电力电子器件

学习资料-全控型电力电子器件

图4-5 GTR的外观
4.2.1 GTR的极限参数
1．集电极最大电流ICM(最大电流额定值) 一般将电流放大倍数β下降到额定值的1/2～1/3 时集电极电流 IC的值定为ICM。 因此，通常IC的值只能到ICM值的一半左右，使用 时绝不能让IC值达到ICM，否则GTR的性能将变坏。
2． 集电极最大耗散功率PCM
的时间限制（ton（min）＝1～12μs），最大导通的时间限制、正反
3． 掣住电流IL
与普通晶闸管定义一样，IL是指门极加触发信号后， 阳极大 面积饱和导通时的临界电流。GTO由于工艺结构特殊， 其IL要比普
通晶闸管大得多，因而在电感性负载时必须有足够的触发脉冲宽 度。
GTO有能承受反压和不能承受反压两种类型，在使用时要特别 注意。
表4-1 国产50 A GTO
图中GTO为主开关，控制GTO导通与关断即可使脉冲变压器TR次 级产生瞬时高压，该电压使汽油机火花塞电极间隙产生火花。 在
晶体管V的基极输入脉冲电压，低电平时，V截止，电源对电容C充 电，同时触发GTO。由于L和C组成LC谐振电路，C两端可产生高于电 源的电压。脉冲电压为高电平时，晶体管V导通，C放电并将其电压
＋EC
＋EC
GTO
V
1
V2
C
VD1
V3
UI
V4
L
GTO
V1
V2
V1
L
＋EC
V2
V 4
V3
GTO
R VD V
(a)
(b)
(c)
图 4-3
(a) 小容量GTO门极驱动电路； (b) 桥式驱动电路； (c)
大容量GTO门极驱动电路
4.1.5 GTO的典型应用

电力电子技术项目化教程配套课件3.3 知识点2：全控型电力电子器件

电力电子技术项目化教程配套课件3.3 知识点2：全控型电力电子器件

N
++N
+ +
+ +
++N++
+ + ++ ++ ++ + + ++ ++ ++
+ +
++ +
N++ +
+
+N
N
+ + ++ + + + ++ ++ ++ + ++ + +
P
P
P
P PP
N NN
源极S源极源S极S 栅极G栅极 栅G极G
绝缘绝 膜绝缘缘膜膜
N
N++
+N-
++-
-+ -++ -+
-+ -+
24
3.3.3绝缘栅双极型晶体管 （IGBT）
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）：由GTR和MOSFET组合而成。 绝缘栅双极型晶体管，简称IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)。 是由P-MOSFET与GTR混合组成的电压控制的双极型自关断器件。它将PMOSFET和GTR的优点集于一身，既具有P-MOSFET输入阻抗高、开关速 度快、工作频率高、热稳定性好、无二次击穿和驱动电路简单的长处，又 有GTR通态压降低、耐压高和承受电流大的优点。IGBT的发展方向有两个： 一是追求更低损耗和更高速度；二是追求更大容量。
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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。
• IGBT综合了MOSFET和GTR的输入阻抗高、工 作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流 大的优点。成为当前电力半导体器件的发展方向 。
2020/7/31
1. 结构
• 复合结构（= MOSFET+GTR）
2020/7/31
发射极栅极 EG
N+PN+ N+PN+ J3 J2 N-
N+ J1 P+
2020/7/31
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。
• 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。
2020/7/31
3. GTR的二次击穿现象
一次击穿 ❖集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪 崩击穿； ❖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，如果继续增高外接电压，则Ic继续 增大，当达到某个临界点时，Uce会突然降低至一个 小值，同时导致Ic急剧上升，这种现象称为二次击穿 ， ❖二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微秒范围，
冲电流峰值要200A 。
2020/7/31
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
2020/7/31
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பைடு நூலகம்好
2020/7/31
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。
2020/7/31
3.特点
• 高频，容量大 • 反向耐压低（必须反接二极管） • 模块化 • 驱动和保护有专用芯片
2020/7/31
其他电力电子器件
• MCT——MOS控制晶闸管 • SIT——静电感应晶体管 • SITH——静电感应晶闸管
2020/7/31
本章小结
1、根据开关器件是否可控分类
2020/7/31
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
2020/7/31
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
第二章 全控型电力电子器件
• GTO——门极可关断晶闸管 • GTR——电力晶体管 • MOSFET——电力场效应晶体管 • IGBT——门极绝缘栅双极晶体管
2020/7/31
模块
2020/7/31
IGBT
2020/7/31
开关器件——IGCT＝驱动电路＋GCT
4kA/4.5kV IGCT
663A/4.5kV IGCT
• 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
• 达林顿GTR的开关速度慢，损耗大
2020/7/31
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。
C集电极
a)
漂移区 缓冲区 G
注入区
C
IDRNV-J1+ IC
C
-+
+
-IDRon
G
E
栅极
b)
c)
集电极 发射极
2.导通关断条件
驱动原理与电力MOSFET基本相同，属于场控器件 ，通断由栅射极电压uGE决定 导通条件：在栅射极间加正电压UGE 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。 关断条件：栅射极反压或无信号 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。