典型全控型器件 利用控制信号可控制开通与关断的器件称为全控型器件，通常也称为自关断器件。全控型器件通常分为电流控制型与电压控制型两类。电流控制型器件从控制极注入或抽取电流信号来控制器件的开通或关断，如可关断晶闹管(GTO)、大功率晶体管(GTR)等。这类器件的主要特点是控制功率较大、控制电路复杂、工作频率较低。电压控制型器件通过在控制极建立电场——提供电压信号来控制器件的开通与关断，如功率场效应臀(简称功率MosFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。与电流控制型器件相比，这类器件的主要特点是控制功率小、控制电路简单、工作频率较高。 20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。典型代表是（1）门极可关断晶闸管，（2）电力晶体管，（3）电力场效应晶体管（4）绝缘栅双极晶体管。 一. 可关断晶闸管 1 .特点： (1) 晶闸管的一种派生器件.(2)可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。 (3)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。 2．可关断晶闸管的结构与工作原理 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栅的结构示意图、等效电路、电气符号如图1所示。与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。由P1N1P2和 图1 GT()的结构示意图、等效电路与电气符号)工作原理：
图2 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和 2 。1+ 2=1是器件临界导通的条件。 3. 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： a) 设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断。b) 导通时1+ 2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。c) 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。 4. 由上述分析我们可以得到以下结论： a) GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。b) GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断c) 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 5．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。 a）开通时间ton :延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1~2 s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大 b)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 2 s。不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联。 c) 最大可关断阳极电流IATO:---GTO额定电流。 d)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)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 。 二．电力晶体管 1. GTR的结构和工作原理 图3 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 GTR的主要特点是：a)与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。b)主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。c)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。d)采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。e)在应用中，GTR一般采用共发射极接法。
目录 电力电子器件应用指南 (1) 晶闸管、二极管主要参数及其含义 (8) 晶闸管、二极管简易测试方法 (11) 中频感应加热电源常见故障与维修 (13) 水冷散热器的安装与使用 (20) 晶闸管水冷散热器重复使用中应注意的问题 (23) 电焊机用晶闸管模块的选择与应用 (25) 电力半导体器件用散热器选择及使用原则 (32) 风冷散热器的选配 (34) 高频晶闸管新特性 (36) 改进的晶闸管高di/dt性能 (39) 门极触发强度对晶闸管开通特性的影响 (42) 晶闸管串、并联配对选择及使用要求 (47) 晶闸管在低温条件下的使用 (52) 功率器件技术与电源技术的现状和发展 (53) 晶闸管保护电路 (60)
电力电子器件应用指南 一、参数说明 1本手册参数表中所给出的数据，I TSM、I2t、dv/dt、di/dt指的是元件所能满足的最小值，Q r、V TM、V TO、r T指元件可满足(不超过)的最大值。 2通态平均电流额定值I TAV（I FAV） I TAV（I FAV）指在双面冷却条件下，在规定的散热器温度时，允许元件流过的最大正弦半波电流平均值。I TAV（I FAV）对应元件额定有效值I RMS=1.57 I TAV。实际使用中，若不能保证散热器温度低于规定值,或散热器与元件接触热阻远大于规定值，则元件应降额使用。 3晶闸管通态电流上升率di/dt 参数表中所给的为元件通态电流上升率的临界重复值。其对应不重复测试值为重复值的2倍以上，在使用过程中，必须保证元件导通期任何时候的电流上升率都不能超过其重复值。 4晶闸管使用频率 晶闸管可工作的最大频率由其工作时的电流脉冲宽度t p，关断时间t q以及从关断后承受正压开始至其再次开通的时间t V决定。f max=1/（t q+t p+t V）。根据工作频率选取元件时必须保证元件从正向电流过零至开始承受正压的时间间隔t H>t q，并留有一定的裕量。随着工作频率的升高，元件正向损耗E pf和反向恢复损耗E pr随之升高，元件通态电流须降额使用。 二、元件的选择 正确地选择晶闸管、整流管等电力电子器件对保证整机设备的可靠性及降低设备成本具有重要意义。元件的选择要综合考虑其使用环境、冷却方式、线路型式、负载性质等因素，在保证所选元件各参数具有裕量的条件下兼顾经济性。由于电力电子器件的应用领域十分广泛，具体应用形式多种多样，下面仅就晶闸管元件在整流电路和单项中频逆变电路中的选择加以说明。
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?2较大，使晶体管V2控制灵敏。导通时?1+?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。 2222 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。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，然后垂直(即纵向)流向漏极，形成漏极电流i D。电压U GS(th)称为开启电压，u GS超过U GS(th)越多，导电能力就越强，漏极电流i D也越大。 4、绝缘栅双极晶体管(IGBT) 1）基本结构 内部结构简化等效电路电气图形符号 2)绝缘栅双极晶体管(IGBT)的工作原理： 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u GE决定的，当u GE为正且大于开启电压u GE(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。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。 二、对四种典型全控型器件进行容量及频率比较 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。目前，GTO的容量水平达6000A/6000V、 1000A/9000V ，频率为1kHZ。 GTR是一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。 电力场效应晶体管电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。 IGBT属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。它的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz以上的区域。
第1章电力电子器件 主要内容：各种二极管、半控型器件-晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，器件的选取原则，典型全控型器件：GTO、电力MOSFET、IGBT，功率集成电路和智能功率模块，电力电子器件的串并联、电力电子器件的保护，电力电子器件的驱动电路。 重点：晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，器件的选取原则，典型全控型器件。 难点：晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数。 基本要求：掌握半控型器件-晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要静态、动态参数，熟练掌握器件的选取原则，掌握典型全控型器件，了解电力电子器件的串并联，了解电力电子器件的保护。 1 电力电子器件概述 (1)电力电子器件的概念和特征 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； 电力电子器件（power electronic device）--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； 广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。 两类中，自20世纪50年代以来，真空管仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、闸流管（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。 电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。 同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征： a. 能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数；
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。
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+α2= 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。2222 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。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，然后垂直(即纵向)流向漏极，形成漏极电流i D。电压U GS(th)称为开启电压，u GS超过U GS(th)越多，导电能力就越强，漏极电流i D也越大。 4、绝缘栅双极晶体管(IGBT) 1）基本结构 内部结构简化等效电路电气图形符号 2)绝缘栅双极晶体管(IGBT)的工作原理： 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u GE决定的，当u GE为正且大于开启电压u GE(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。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。 二、对四种典型全控型器件进行容量及频率比较 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。目前，GTO的容量水平达6000A/6000V、 1000A/9000V ，频率为1kHZ。 GTR是一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。 电力场效应晶体管电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW 的电力电子装置。开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。 IGBT属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。
电力电子器件的发展及应用 研1506 苏智清 摘要：本文简单介绍了电力技术的分类, 回顾了电力电子技术及其器件的发展过程, 说明了现在主流的电力电子器件的工作原理、应用范围及其优缺点, 探讨了在本世纪中新型电力电子器件的应用。 关键词：复合型电力电子器件；新型材料的电力电子器件；电力电子器件的应用 1引言 电力电子学是电工学的一个分支，是由电力系统、控制理论与电子学等学科共同发展起来的一个新型边缘性学科。电力电子学的主要特点是具有很强的应用性，同时与其他学科有着很好的交叉融合性，这也是电力电子学的基础理论与应用技术能够在短短几十年间飞速发展的一个相当重要的因素。目前，电力电子技术的应用已经从机械、石化、纺织、冶金、电力、铁路、航空、航海等一系列领域，进一步扩展到汽车、现代通信、家用电器、医疗设备、灯光照明等各个领域。进入 21 世纪，伴随着新理论、新器件、新技术的不断涌现，尤其是与微电子技术的日益融合，电力电子技术作为信息产业和传统产业之间的桥梁，在国民经济中必将占有越来越重要的地位，在各领域中的应用也必将不断得到拓展。 2电力电子器件的发展 2.1半控型器件 上世纪50年代，美国通用电气公司发明世界上第个晶闸管，标志电力电子技术的诞生。此后，晶闸管得到了迅速发展，器件容量越来越大，性能得到不断提高，并产生大量派生器件，如快速晶闸管逆导晶闸管等等。
但是，晶闸管作为半控型器件，只能通过门极导通，不能控制关断。要关断必须通过强迫换相电路，从而装置体积增大，复杂程度提高，效率降低。另外，晶闸管为双极型器件，有少子效应，所以工作频率低，由于这些原因，使得晶闸管的应用受到限制。 虽然晶闸管有以上缺点，但由于它的大电压大电流特性，使在高压直流输电静止无功补偿，大功率和高压变频调速等方面仍占有重要位置。2.2全控型器件 2.2.1门极可关断晶闸管（GTO） GTO有对称，非对称和逆导三种类型。对称GTO通态压降小，抗浪涌能力强，易于提高耐压能力。逆导型GTO是在同一芯片上将GTO与整流二极管反并联制成的集成器件，不能承受反向电压，主要用于中等容量的牵引驱动中。 在当前各种自关断器件中，GTO容量做大，工作最低。GTO是电流控制型器件，因而关断需要很大的反向驱动电流。目前，GTO在低于2000V某些领域被GTR和IGBTDE所替代，但在大功率电力牵引有明显优势。 2.2.2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，它既具备晶体管的固有特性，又增加功率容量，因此，由它组成的电路灵活，成熟，开关损耗小，开关时间短，在电源电机控制，通用逆变器等中等容量，中等频率的电路中广泛应用。GTR的缺点驱动电流较大，耐浪涌电流能力差，易受二次击穿损坏。在开关电源GTR渐渐被功率MOSFET和IGBT代替。 2.2.3功率MOSFET
《电力牵引交流传动及其控制系统》报告——各种电力电子器件技术特点的比较及其应用
电力电子器件及其应用装置已日益广泛，这与近30 多年来电力电子器件与电力电子技术的飞速发展和电力电子的重要作用密切相关。20 世纪80 年代以后，电力电子技术等)的飞速发展，给世界科学技术、经济、文化、军事等各方面带来了革命性的影响。电子技术包含两大部分：信息电子技术(包括：微电子、计算机、通信等)是实施信息传输、处理、存储和产生控制指令；电力电子技术是实施电能的传输、处理、存储和控制，保障电能安全、可靠、高效和经济地运行，将能源与信息高度地集成在一起。 事实表明，无论是电力、机械、矿冶、交通、石油、能源、化工、轻纺等传统产业，还是通信、激光、机器人、环保、原子能、航天等高技术产业，都迫切需要高质量、高效率的电能。而电力电子正是将各种一次能源高效率地变为人们所需的电能，实现节能环保和提高人民生活质量的重要手段，它已经成为弱电控制与强电运行之间、信息技术与先进制造技术之间、传统产业实现自动化、智能化改造和兴建高科技产业之间不可缺少的重要桥梁。而新型电力电子器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命。电力电子器件就好像现代电力电子装置的心脏，它对装置的总价值，尺寸、重量、动态性能，过载能力，耐用性及可靠性等，起着十分重要的作用。因此，新型电力电子器件及其相关新型半导体材料的研究，一直是电力电子领域极为活跃的主要课题之一。 一个理想的功率半导体器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，能导通高的电流密度并具有低的导通压降；在开关状态和转换时，具有短的开、关时间，能承受高的d i/d t 和d u/d t，具有低的开关损耗；运行时具有全控功能和良好的温度特性。自20 世纪50 年代硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标做出了不懈努力，并已取得了世人瞩目的成就。早期的大功率变流器，如牵引变流器，几乎都是基于晶闸管的。到了20 世纪80 年代中期，4.5kV 的可关断晶闸管得到广泛应用，并成为在接下来的10 年内大功率变流器的首选器件，一直到绝缘栅双极型晶体管的阻断电压达到 3.3kV 之后，这个局面才得到改变。与此同时，对GTO 技术的进一步改进导致了集成门极换流晶闸管的问世，它显示出比传统GTO 更加显著的优点。目前的GTO 开关频率大概为500Hz，由于开关性能的提高，IGCT 和功率IGBT 的开通和关断损耗都相对较低，因此可以工作在1~3kHz 的开关频率下。至2005 年，以晶闸管为代表的半控型器件已达到70MW/9000V 的水平，全控器件也发展到了非常高的水平。当前，硅基电力电子器件的水平基本上稳定在109~1010WHz 左右，已逼近了由于寄生二极管制约而能达到的硅材料极限，不难理解，更高电压、更好开关性能的电力电子器件的出现，使在大功率应用场合不必要采用很复杂的电路拓扑，这样就有效地降低了装置的故障率和成本。 1电力电子器件 电力电子器件又称为功率半导体器件，主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）。 电力电子器件目前的制约因素有耐压，电流容量，开关的速度。电力电子器件的分类多种多样。按照电力电子器件的开关控制能力，电力电子器件可分为三类：不可控器件、半控型器件、全控型器件。按照驱动电路加在电力电子器件控
论电力电子器件及其应用的现状和发展 发表时间：2019-03-12T16:14:19.577Z 来源：《电力设备》2018年第27期作者：宗思邈 [导读] 摘要：电力电子器件我们也称之为功率半导体器件，以下简称为电子器件，主要作为电力设备中的大功率电子器件的功率转换和控制。 （东文高压电源（天津）股份有限公司 300220） 摘要：电力电子器件我们也称之为功率半导体器件，以下简称为电子器件，主要作为电力设备中的大功率电子器件的功率转换和控制。目前，电力电子器件已广泛应用于机械行业、冶金业、电力系统等一系列领域中去。并扩展到汽车、家用电器、医疗设备和照明等各个生活领域中。二十一世纪，随着技术的不断更新，它作为信息产业与传统产业之间的桥梁，一定会迎来一个新的发展趋势。并且在国民经济中占有非常重要的地位。 关键词：电力；电子器件；应用 1电力电子技术的产生和发展 1.1电力电子技术的产生 电力电子技术产生于二十世纪，美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为电力电子技术的诞生标志，电子电力技术设备在不同领域中的广泛应用，为社会发展带来了传动技术，其中晶闸管是电力电子技术的主要运用表现，开启了电力电子技术的新纪元。因为晶闸管的出现，可控型的整流装置被研制出来，从此电力系统逐渐进入了变流器时代，加速了电力电子技术的发展。 1.2电力电子技术的发展 电力电子技术的产生促进了电力系统的发展，产生多代电力电子器件，其中第一代电力电子器件主要以晶体管和晶闸管为典型代表。晶闸管出现后，因为它比较良好的电气性能和控制性能，使之很快取代了对人体有害的且电压落差极大的水银整流器，并且其使用范围迅速扩大。二十世纪七十年代，以门极可关断晶闸管、电力双极型晶体管为主导地位的全控型器件高速发展，这些全控型器件具有既可让门极开通也可让门极关断的功能，且它的开关速度比晶闸管快很多，所以全控型器件通常用于开关频率较高的场所。它又将电力电子技术推向了一个新的发展阶段。在二十世纪八十年代，以绝缘栅极双极型晶体管为代表的复合型器件的出现，因为具有驱动功率小、开关速度快、通态压降小、载流能力大、可承受电压高等优点，使其迅速成为现代电力电子技术的主导器件，这些复合型器件常常综合了多个器件的优点，在大量电力系统场合中得到了大量运用。 2电力电子器件的应用发展 自上世纪50年代以来，世界上诞生了第一台晶闸管，它标志着电力电子器件在现代电气传动的历史舞台上的到来。基于可控硅的可控硅整流器成为电力传动行业的一个变革。 到了上世纪70年代，晶闸管已经发展成能够承受高电压和高电流的产品。这一代的半控装置被称为第一代电子电气设备。然而，晶闸管的缺点是不能关闭。随着电力电子器件的不断进步，研制了一种全控型的GTR、GTO和MOSFET。这种类型的产品被称为第二代电力电子设备。 之后便出现了第三代电子器件，主要为绝缘栅双极晶体管。第三代电子器件具有频率快、反射速度快、能耗低等特点。近年来，微电子技术与电力电子器件开始相结合，创造出一种多功能、更智能、更高效的全控性能集成器件。电流整流器可以改善电性能、降低电路能量损耗和提高电流效率方面起着重要作用。 上世纪70年代，GTR产品推出时便大获成功。它的额定值达到当时非常高的标准，同时拥有非常强大的灵活性，而且还具备开关能耗低、时间短等多个优点。它在中等容量和频率电路中起着很重要的作用。第三代绝缘栅双极晶体管可以控制电压，具有输入电阻大、驱动功率小的优点，有非常大的发展潜力。 3电力电子器件的具体应用 首先太阳能光伏发电对于电力电子器件的发展来说是比较重要的，光伏建筑一体化应用对于电力电子器件的完善也发挥了独特的作用。光伏电池发电和建筑物外电池存在很多问题，虽然这类电池原件的成本比较低，但是总的来说这类电池和电子元件适合低日照水平，电池转换效率高，原材料比较易得。但是某些电力电子器件的转换效率一般，淘汰的产品还会污染环境。电力电子器件的开发和利用促进了光伏建筑一体化的进程，土地成本过高和二氧化碳的排放量过高等问题都可以得到有效解决，而且我国最新研发出的电力电子器件可以节省光伏电池支撑结构，节省光伏电池的具体安装成本，帮助相关建筑工作人员实现土地资源的合理利用。与此同时，电力电子器件可以将太阳能和建筑物进行有效结合，帮助相关工作人员解决电能供给的难题，而且也丰富了电力电子器件的原材料。首先我们可以发现，在进行电力电子器件的研究与开发时候，运用碳化硅制造的电子器件已经成为主要的研究方向。这主要是因为碳化硅电力电子器件的高压和高温的特性与我国传统的电力电子器件相比，具有很大优越性，完全可以保障新型电力电子器件的成本和质量。尤其是碳化硅的耐高压和高温，足以帮助相关工作人员展开对于新型电力电子器件的研究。 4浅析电力电子器件发展趋势 4.1对破化硅的应用 碳化硅作为一种创新性较高的宽带半导体材料，得到人们的广泛关注。它本身带有一定的电性能，并且物理材质稳定，属于上等的电力电子器件原材料。与原始型的制作材料相比，具有耐高压和耐高温的优势。将碳化硅合理应用于电力电子器件的原材料中.能够推动电力电子器件的整体发展。但是现阶段，由于生产成本相对较高、产难以保证等原因，导致碳化硅难以被广泛生产使用。因此，应加强对电力电子器件材料的深人探究，及时改进、解决存在的问题，使碳化硅的良好性能得到充分开发与利用。 4.2对氮化稼的应用 氮化稼是电力电子器件生产过程中较为常见的原材料，它与碳化硅存在很多不同点。虽然氮化稼是一种较为优良的电力 电子器件原材料，但是在实际制作过程中，应以碳化硅的晶片或者蓝宝石作为生产底料，因此这一因素限制了氮化稼的发展速度。近几年，这一问题得到了有效缓解，随着氮化稼在LED照明装置中的广泛运用，也促使氮化稼的异质结外延技术得到了进一步的强化。除此之外，因为氮化稼的实用性较强，其应用范围不断拓展，基于氮化稼的半导体材料具备优异的物理性能和化学性能，所以其不仅在LED市场中被广泛应用，更是逐步拓展到了更多的应用领域。但是由于氮化稼电子器件的耐高温性能较差，一旦温度超过1000摄氏度，就会产生
四种典型的全控型器件 班级学号：112033309 姓名：王振 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。GTR：电流驱动型，驱动功率大。电力MOSFET：电压驱动型，驱动功率小。IGBT：电压驱动型，驱动功率小。 存在问题：GTO缺点是：同样工作条件下擎住电流大。擎住电流指刚从断态转入通态并切除门极电流之后，能维持通态所需的最小阳极电流。关断脉冲对功率和负门极电流的上升率要求高。门控回路比较复杂。GTR缺点是：开关比速度低，驱动电路复杂，存在二次击穿问题。MOSFET缺点是：击穿电压低，工作电流小。 IGBT 的缺点是：K开关速度低于电力MOSFET,电压电流容量不及GTO。 最新发展：GTO:当前各种自关断器件中，GTO容量最大、工作频率最低(1~2kHz)。GTO是电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反向驱动电流；GTO
电力电子器件的发展浅析 引言 电子技术被认为是现代科技发展的主力军，电力电子就是电力电子学，又称功率电子学，是利用电子技术对电力机械或电力装置进行系统控制的一门技术性学科，主要研究电力的处理和变换，服务于电能的产生、输送、变换和控制。（电力电子的发展动向）电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。 电力电子器件(Power Electronic Device)又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控创电路中的大功率(通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上)电子器件。广义上电力电子器件可分为电真空器件(Electron Device)和半导体器件(Semiconductor Device)两类。 1 电力电子器件 1.1概述 1957年可控硅(晶闸管)的问世，为半导体器件应用于强电领域的自动控制迈出了重要的一步，电力电子开始登上现代电气传动技术舞台，这标志着电力电子技术的诞生。20世纪60年代初已开始使用电力电子这个名词，进入70年代晶闸管开始派生各种系列产品，普通晶闸管由于其不能自关断的特点，属于半控型器件，被称作第一代电力电子器件。随着理论研究和工艺水平的不断提高，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极性晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展，被称作第二代电力电子器件。80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型第三代电力电子器件异军突起，而进入90年代电力电子器件开始朝着智能化、功率集成化发展，这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。 1.2发展 1.2.1 整流管 整流管是电力电子器件中结构最简单、应用最广泛的一种器件。目前主要有普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管三种类型。电力整流管在改善各种电力电子电路的性能、降低电路损耗和提高电源使用效率等方面发挥着非常重要的作用。目前，人们已通过新颖结构的设计和大规模集成电路制作工艺的运用，研制出集PIN整流管和肖特基整流管
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/d53847746.html, 解析电力电子器件及其应用的现状和发展 作者：陶悦玥陈聪谭丹 来源：《名城绘》2019年第08期 摘要：近年来，随着经济与科技的不断进步，电力电子技术的发展也在不断深入，电力 电子器件被广泛运用于社会各个领域，特别是在一些高精尖领域，如航空航天、国防武器制造等领域。电力电子器件技术含量较高，能够有效保证生产制造产品的质量，为各个领域的生产制造提供技术支持，已经成为现代工业、国防和科技的重要支撑。 关键词：电力电子器件;应用;现状;发展 一、电力电子器件的应用现状 1.1电力系统 电力系统是电力电子器件应用中最重要和最有潜力的领域。在电能的产生和传输以及分 配使用的整个过程中，电力电子设备得到了广泛的应用。从用电的角度看，要利用电力电子技术改造节能技术，提高能效;从发电、输电、配电的角度看，利用电子器件来提高发电效率，提高电力传输和配电质量是十分必要的。 1.2轨道交通 地轨交通的牵引系统中，电力电子器件的应用按市场管理可以分为以下三个方面：主传动、辅助传动和控制辅助电源这三个系统。电力电子设备的容量和性能的提高，包装形式的改进，减少了传动系统，促进了牵引电力传动系统的发展。其实在交流马达中的驱动应用，可以用于运输、牵引等设备中，与直流马达相比，交流马达有价格便宜、噪音小、效率高等优势，目前越来越多的领域中，都采用交流马达作为驱动来应用。 1.3电动车节能 电动汽车作为最大的电能消耗载体，在节能方面的要求非常高。在我国的重要规划中， 电机系统节能问题被列为重点工程。随着电力电子器件与计算机技术和自动控制技术等新兴技术的不断发展，电力的传输方面的技术也面临着重大改革，直流调速很快就会被交流调速所取代。众所都知，电动汽车主要用电池供电，依靠电动电子装置进行电力交换和行驶。因此，电池的充电与这项技术是密不可分的。 1.4航空与国防工业
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。 2222 R NPN PNP A G S K E G I G E A I K I c2 I c1I A V 1 V 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。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，然后垂直(即纵向)流向漏极，形成漏极电流i D。电压U GS(th)称为开启电压，u GS超过U GS(th)越多，导电能力就越强，漏极电流i D也越大。 4、绝缘栅双极晶体管(IGBT) 1）基本结构 内部结构简化等效电路电气图形符号 2)绝缘栅双极晶体管(IGBT)的工作原理： 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u GE决定的，当u GE为正且大于开启电压u GE(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。对应的还有P沟道IGBT，记为P-IGBT。N-IGBT和P-IGBT统称为IGBT。
现代电力电子器件的发展与现状 解放军信息工程大学李现兵师宇杰王广州黄娟 电力电子器件的回顾 电力电子器件又称作开关器件，相当于信号电路中的A/D采样，称之为功率采样，器件的工作过程就是能量过渡过程，其可靠性决定了系统的可靠性。根据可控程度可以把电力电子器件分成两类： 半控型器件——第一代电力电子器件 上个世纪50年代，美国通用电气公司发明的硅晶闸管的问世，标志着电力电子技术的开端。此后，晶闸管(SCR)的派生器件越来越多，到了70年代，已经派生了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半控型器件，功率越来越大，性能日益完善。但是由于晶闸管本身工作频率较低（一般低于400Hz），大大限制了它的应用。此外，关断这些器件，需要强迫换相电路，使得整体重量和体积增大、效率和可靠性降低。目前，国内生产的电力电子器件仍以晶闸管为主。 全控型器件——第二代电力电子器件 随着关键技术的突破以及需求的发展，早期的小功率、低频、半控型器件发展到了现在的超大功率、高频、全控型器件。由于全控型器件可以控制开通和关断，大大提高了开关控制的灵活性。自70年代后期以来，可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR或BJT)及其模块相继实用化。此后各种高频全控型器件不断问世，并得到迅速发展。这些器件主要有电力场控晶体管(即功率MOSFET)、绝缘栅极双极晶体管(IGT或IGBT)、静电感应晶体管(SIT)和静电感应晶闸管(SITH)等。 电力电子器件的最新发展 现代电力电子器件仍然在向大功率、易驱动和高频化方向发展。电力电子模块化是其向高功率密度发展的重要一步。当前电力电子器件的主要发展成果如下： IGBT：绝缘栅双极晶体管 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种N沟道增强型场控(电压)复合器件，如图1所示。它属于少子器件类，兼有功率MOSFET和双极性器件的优点：输入阻抗高、开关速度快、安全工作区宽、饱和压降低（甚至接近GTR的饱和压降）、耐压高、电流大。IGBT有望用于直流电压为1500V的高压变流系统中。
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（Power MOSFET）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。 ●双极结型晶体管 双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor—BJT）又称为半导体 三极管，它是通过一定的工艺将两个PN结结合在一起的器件，有PNP 和NPN两种组合结构；外部引出三个极：集电极，发射极和基极，集电 极从集电区引出，发射极从发射区引出，基极从基区引出（基区在中间）； BJT有放大作用，重要依靠它的发射极电流能够通过基区传输到达集电 区而实现的，为了保证这一传输过程，一方面要满足内部条件，即要求 发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度，同时基区厚度要很小，另一方 面要满足外部条件，即发射结要正向偏置（加正向电压）、集电结要反 偏置；BJT种类很多，按照频率分，有高频管，低频管，按照功率分， 有小、中、大功率管，按照半导体材料分，有硅管和锗管等；其构成的