电力电子器件及应用技术-第四章 电力晶体管的应用
电力晶体管和晶闸管
随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，高效、节 能、环保的电力电子器件及其应用越来越受到人们的关注。
报告的目的
本报告旨在全面介绍电力晶体管和晶闸管的基本原理、特 性、应用及发展趋势，为相关领域的研究人员、工程师和 技术人员提供有价值的参考。
报告范围
电力晶体管和晶闸管的基本原理和特性
晶闸管具有高耐压、大电流、低导通压降等优点，但开关速度较慢且存在门极触发 电流。
综上所述，电力晶体管和晶闸管在工作原理、结构和性能特点方面存在显著差异。 在实际应用中，应根据具体需求选择合适的器件。
05
电力晶体管与晶闸管的应 用领域
电力晶体管的应用领域
01
02
03
电机控制
电力晶体管可用于直流电 机和交流电机的控制，实 现电机的启动、调速、制 动等功能。
01
包括器件结构、工作原理、静态和动态特性等方面的介绍。
控制、电源变换、照明控制、新能源等领域中的应用
实例。
电力晶体管和晶闸管的发展趋势
03
探讨未来电力晶体管和晶闸管的技术创新、应用领域拓展及市
场前景等方面的趋势。
02
电力晶体管概述
定义与工作原理
定义
电力晶体管（Giant Transistor，简称 GTR）是一种耐高电压、大电流的双 极型晶体管，也称为可关断晶闸管。
主要特点
01
02
03
04
耐高电压、大电流
能够承受数千伏的电压和数百 安的电流，适用于高压、大电
流的场合。
开关速度快
开通和关断时间短，适用于高 频开关电路。
控制方便
通过门极电流控制晶体管的开 通和关断，控制简单、方便。
晶体管的原理及应用
晶体管的原理及应用晶体管是一种利用半导体材料制作的电子元件，具有放大、开关与电压控制等功能。
晶体管的原理基于半导体物理学的知识，通过控制载流子的输运和控制端口的电压来实现功能。
晶体管的应用广泛，包括电子设备、通信系统、计算机和科学研究等领域。
晶体管的基本构造包括三个区域：发射区、基区和集电区。
发射区和集电区均掺入杂质使其成为N型或P型半导体，而基区是以其他类型的半导体材料掺杂。
当基区的掺杂类型与发射区和集电区不同时，就形成了PN结。
晶体管的工作原理是通过加在基区的控制端口的控制电压，来改变PN结上的电场分布，从而控制发射区的电流输运。
当控制电压足够大时，发射区的电流将被放大，并被导出到集电区。
晶体管的放大功能是其最重要的应用之一。
通过在基区施加一个小的以毫伏为单位的控制电压，可以控制晶体管的整个电流增益过程。
当控制电压小的时候，PN结上的电场分布使得发射区的电流少，而当控制电压增加时，PN结的电场分布改变，导致发射区的电流增加。
因此，晶体管能够将输入信号的小变化放大为较大的输出信号。
这使得晶体管成为放大电路中的重要组件，能够提供强大的输出信号。
晶体管的开关功能是其另一个重要应用。
通过改变控制端口的控制电压，可以改变PN结上的电场分布，从而控制发射区的电流输运。
当控制电压为低电平时，晶体管处于关闭状态，发射区的电流非常小。
而当控制电压为高电平时，晶体管处于导通状态，发射区的电流大。
这种开关功能使得晶体管可以用来控制电器设备的开关，实现逻辑电路的操作。
晶体管在电子设备中的应用非常广泛，特别是在集成电路中。
通过将多个晶体管集成在一起，可以形成各种各样的功能电路，包括计算机的中央处理器、存储器和逻辑电路等。
晶体管还被广泛应用于通信系统中，包括射频放大器、调制解调器和无线电收发器等。
此外，晶体管还有广泛的科学研究应用，用于探索电子器件的新型材料和结构，并发展出更高性能和更小尺寸的器件。
总结起来，晶体管是一种基于半导体材料制作的电子元件，通过控制载流子的输运和控制端口的电压来实现放大、开关和电压控制等功能。
晶体管的工作原理和应用
晶体管的工作原理和应用晶体管是一种电子器件，广泛应用于电子技术领域。
它以其小巧、高效等特点而备受关注。
本文将介绍晶体管的工作原理以及其在电子设备中的应用。
一、晶体管工作原理一般而言，晶体管由三个不同类型的半导体材料构成，分别是N型半导体、P型半导体以及P-N结。
晶体管通过控制电流的流动来实现电子信号的放大和开关的控制。
晶体管的工作原理主要基于PN结的正向偏置和反向偏置。
当PN 结处于正常工作区域，也就是PN结正向偏置时，电流可以在PN结中自由流动。
而当PN结反向偏置时，电流流动受到一定限制。
在晶体管中，有三个电极：发射极（Emitter）、基极（Base）以及集电极（Collector）。
当开放输入信号时，电流从发射极流向基极，这一过程导致发射区域局部增加电子浓度。
而由于基区较薄，电流便进一步到达集电区，形成电流放大。
二、晶体管的应用晶体管的应用范围非常广泛，下面将介绍其中几个主要领域。
1. 放大器晶体管在放大器中起到放大电子信号的作用。
通过合适的电路连接，晶体管能够放大输入信号，使其达到更高的输出功率。
在音频放大器、射频放大器等设备中，晶体管被广泛使用。
2. 开关晶体管的另一个重要应用是作为开关。
通过控制基极输入电流的大小，晶体管可以实现电流的开关控制。
在计算机、通信设备等各种电子产品中，晶体管被广泛用于数字信号的开关控制。
3. 时钟电路在电子产品中，如计算机、手机等，晶体管也被用于时钟电路。
时钟电路可以提供一个稳定的时钟信号，用于同步各个电子元件的工作。
4. 逻辑电路晶体管的可控性使其非常适合用于逻辑电路。
逻辑电路是数字电子电路的基础，通过晶体管的开关能力，逻辑电路可以实现各种逻辑运算和控制。
总结：晶体管作为一种重要的电子器件，在现代科技中起到了举足轻重的作用。
通过了解晶体管的工作原理和应用，我们可以更好地理解它在电子设备中的重要性。
随着科技的不断发展，晶体管的应用将会更加广泛，为我们的生活带来更多便利。
晶体管在电子电路中的应用_职教论文
晶体管，本名是半导体三极管，是内部含有两个PN结，外部通常为三个引出电极的半导体器件。
它对电信号有放大和开关等作用，应用十分广泛。
输入级和输出级都采用晶体管的逻辑电路，叫做晶体管－晶体管逻辑电路。
它属于半导体集成电路的一种，其中用得最普遍的是晶体管逻辑电路与非门。
晶体管逻辑电路与非门是将若干个晶体管和电阻元件组成的电路系统集中制造在一块很小的硅片上，封装成一个独立的元件.晶体管是半导体三极管中应用最广泛的器件之一。
晶体管被认为是现代历史中最伟大的发明之一，在重要性方面可以与印刷术，汽车和电话等的发明相提并论。
晶体管实际上是所有现代电器的关键活动（active）元件。
晶体管在当今社会的重要性主要是因为晶体管可以使用高度自动化的过程进行大规模生产的能力，因而可以不可思议地达到极低的单位成本晶体管的低成本，灵活性和可靠性使得其成为非机械任务的通用器件，例如数字计算。
在控制电器和机械方面，晶体管电路也正在取代电机设备，因为它通常是更便宜，更有效地仅仅使用标准集成电路并编写计算机程序来完成同样的机械任务，使用电子控制，而不是设计一个等效的机械控制，因此在电子电路方面应用极为广泛。
晶体管的功能一`控制大功率现在的功率晶体管能控制数百千瓦的功率，使用功率晶体管作为开关有很多优点，主要是；（1）容易关断，所需要的辅助元器件少，（2）开关迅速，能在很高的频率下工作，（3）可得到的器件耐压范围从100V到700V，应有尽有。
几年前，晶体管的、开关能力小天10KW。
目前，它已能控制高达数百千瓦的功率。
这主要归功于物理学家、技术人员和电路设计人员的共同努力，改进了功率晶体管的性能。
如1.开关晶体管有效芯片面积增加，2.技术上的简化，3.晶体管的复合——达林顿，4.用于大功率开关的基极驱动技术的进步。
（二）直接工作在整流180V市电上的晶体管功率开关晶体管复合和并联都是有效地增加晶体管开关能力的方法。
在这样的大功率电路中，存在的主要问题是布线。
晶体管原理及其应用
晶体管原理及其应用晶体管作为一种半导体元件，广泛应用于电子设备中。
从晶体管背后的原理来看，晶体管相对于其他元件有更优秀的性能和更广泛的应用。
本文将从晶体管的基本原理、特性以及应用进行介绍。
1. 晶体管的基本原理晶体管最早于1947年发明，发明人是Bardeen、Brattain、Shockley三位科学家，他们因此获得了1956年的诺贝尔物理学奖。
晶体管的原理是利用PN结，其本质上是一个二极管，不同之处是在PN结之上引入了控制层。
晶体管的电子控制器称为栅极，通过控制栅极的电压，可以变化PN结的导通，从而控制电流，实现开和关的切换。
2. 晶体管的特性晶体管具有许多优秀的特性，其中包括：（1）小型化：晶体管尺寸小，广泛应用于大量的数字电路、微处理器、集成电路等高速电子器件中。
（2）增益、放大性能高：晶体管通过控制栅极电压，可以在电路中引入一个小电流信号，这个信号就可以被放大成较大的电流信号。
（3）高频性能好：晶体管在高频率下拥有优良的功率放大能力，广泛应用于通讯、雷达等领域。
（4）可控性强：晶体管可以通过改变栅极电压来控制电路中的电流大小，可以精密地进行控制。
3. 晶体管的应用晶体管具有广泛的应用领域，在电子设备中扮演着重要的角色，应用包括：（1）放大器：晶体管可以被用作电路的放大器，放大电路中的信号。
（2）开关：晶体管可以作为电路的开关，开放电路中的电流或关闭电路中的电流。
（3）检测：晶体管可以通过变化身上的电阻，使电路中的电流发生变化，从而检测电路的状态。
（4）逻辑电路：晶体管可以用作逻辑电路，在数字电路中被广泛使用。
（5）收音机和电视机：晶体管被用作收音机和电视机中的检波器和变频器。
4. 晶体管技术的发展随着技术的进步，晶体管技术也在不断发展。
在过去几十年来，晶体管的制造方法和材料结构不断改进。
包括面向高速操作、小型化、低功耗和适应更广泛的应用的组件和材料优化在内，历年来晶体管技术的进步都取得了显著的进展，从而推动了电子设备的进一步发展。
电力电子应用技术教学课件(共5章)第4章电力场效应晶体管及其应用
正
激
变
换
电
路
反
激
变
换
电
路
推
挽
变
换
电
路
半
桥
变
换
电
路
全
桥
变
换
电
路
带隔离的直流-直流变换电路
正激变换电路
直流降压变换电路在虚线位置增加隔离变压器，
变动开关器件的位置，使其射极与电源的地相连，
可得到正激变换电路。有复位绕组的单开关正激变
换电路由电源、隔离变压器、开关、二极管、滤波
电感和电容、负载电阻等组成，如图所示。
在该电路仿真中将会使用到的元器件模型、数量
及其提取路径。
元件名称
数量
具体参数
提取路径
直流电压源
1
100V
电源/电压/正弦函数模块
初级与次级绕组匝数比为1: 1
功率电路/变压器/单相变压器（反向）
单相变压器（反向）
MOSFET
1
功率电路/开关/MOSFET
二极管
1
功率电路/开关/二极管
电感
1
电感量为1 mH
入通常是经过二极管整流后的脉动的直
流电压，变换器的输入电压变化范围要
远大于前者。
输出电压与输入电压的变比不同：
当构成DC/DC变换器时，变换器输出电
压与输入电压的变比一般是不随时间变
化的定值；而当构成APFC电路时，由
于要求保持变换器的输出电压近似不变。
APFC电路与DC/DC电路的对比
分析的复杂程度不同：构成APFC电
功率电路/ RLC支路/电感
电阻
1
阻值为10 Ω
晶体管及其应用
晶体管及其应用
随着科技的发展，人们对于电子元器件的需求越来越高。
而晶
体管正是其中一种至关重要的元器件，其应用涉及到电子产品的
方方面面。
晶体管，英文名Transistor，简称为“晶管”，起源于20世纪50
年代初期。
晶体管是一种半导体元器件，主要由三个不同掺杂的
材料构成。
它的外形与二极管相似，主要由基极、发射极和集电
极构成。
使用晶体管代替真空管成为电子行业的重要里程碑。
与真空管
相比，晶体管具有体积小、重量轻、使用方便、成本低等优点，
因此被广泛应用在放大、开关和稳压等电路中。
晶体管的发明，是电子产业发展历程中的一个重要节点。
它是
人工造物的产物，具有薄而轻的特点。
在集成电路或封装电路中，晶体管的体积极小，能够实现高密度集成。
同时，晶体管无需热
量改变工作状态，保证了元器件的高可靠性。
晶体管被广泛应用于电子产品中，如收音机、电视、电话、计算机等。
晶体管在智能手机、GPS、航空航天、卫星通信等领域的应用也十分广泛。
除此之外，晶体管还应用于电动汽车、光纤通信、医疗仪器、消费电子等领域。
晶体管的广泛应用，推动了人类社会的不断进步。
它的不断革新和创新，为各个领域的应用提供了更多的可能。
从随处可见的电子设备中，我们也能体会到晶体管所带来的便利。
晶体管的概念还在不断被重新解读和应用。
晶体管技术的研究和发展永远不会停止，这必将带来一个更加辉煌的电子行业未来。
电力系统中的电力电子器件及其应用
电力系统中的电力电子器件及其应用在当今高度依赖电力的社会中，电力系统的稳定运行和高效发展至关重要。
电力电子器件作为电力系统中的关键组成部分，正发挥着日益重要的作用。
它们的出现和应用，为电力系统的优化、控制和能源转换带来了革命性的变化。
电力电子器件是一种能够对电能进行高效控制和转换的半导体器件。
常见的电力电子器件包括二极管、晶闸管、晶体管（如 MOSFET 和IGBT）等。
这些器件具有不同的特性和性能，适用于各种不同的电力系统应用场景。
二极管是最简单的电力电子器件之一，它只允许电流单向通过。
在电力系统中，二极管常用于整流电路，将交流电转换为直流电。
例如，在电源适配器中，二极管将交流市电整流为直流电，为电子设备提供稳定的电源。
晶闸管则是一种具有可控导通特性的器件。
通过施加合适的触发信号，可以控制晶闸管的导通和关断。
晶闸管在电力系统中的应用非常广泛，如用于高压直流输电系统中的换流器、无功补偿装置等。
通过控制晶闸管的导通角，可以实现对交流电压和电流的调节，从而达到控制无功功率和提高电能质量的目的。
MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是现代电力电子系统中常用的晶体管器件。
它们具有开关速度快、导通电阻小、驱动功率低等优点。
MOSFET 适用于高频、小功率的应用场景，如开关电源、电动汽车充电器等。
IGBT 则在中大功率的电力变换领域表现出色，如变频器、新能源发电系统中的逆变器等。
在电力系统中，电力电子器件的应用范围十分广泛。
首先，在发电环节，可再生能源的开发和利用离不开电力电子技术。
例如，太阳能光伏发电系统中，通过电力电子逆变器将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电并并入电网。
风力发电系统中，电力电子变流器用于控制风机转速，实现最大功率跟踪，同时将风机发出的交流电转换为符合电网要求的电能。
在输电环节，高压直流输电技术凭借其输电距离远、输电容量大、损耗低等优势，成为了远距离大容量输电的重要手段。
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六.软开关技术
1. 软开关基本原理 2. 准谐振变换电路
1. 软开关基本原理
如果开关器件是在零电压、 零电流条件下完成开关过程，那 么开关损耗减小为零。准谐振开 关电路（QRC）即可实现上述要 求。根据是在零电流条件下的开 通或关断，还是在零电压下的开 通或关断，分为零电流开关 （Zero Current Switch，ZCS） 和零电压开关（Zero Voltage Switch，ZVS）两类，统称双零 谐振开关，如图所示。
直流PWM控制技术，是指利用电力电子开关器件，把恒定直流电压 变换成电压脉冲列，并通过改变电压脉冲宽度达到改变输出直流电压的 控制技术。它是直流变换电路中最常用的一种控制方式，基本电路如图 （a）所示。当开关S闭合时，负载电压 ，持续时间 ；当开关S断开时， 负载上电压 ，持续时间 。故为斩波电路的工作周期。电路的输出电压、 电流波形如图（b）所示。
2. 准谐振变换电路 （1）零电压开关准谐振变换电路（ZVS QRC）
（2）零电流开关准谐振变换电路（ZCS QRC）
2.降压斩波电路
（1）电路结构
直流降压斩波电路（Buck Chopper）一种输出电压平均值低于 输入直流电压的电路。主要用于直流稳压电源和直流电机的调速。 降压斩波电路的原理如图所示。
（2）工作原理
（3）数量关系
（4）正激变换器
3.升压斩波电路
（1）电路结构
（2）工作原理 （3）数量关系
一 .电力晶体管的工作原理与参数
1.结构与工作原理 2.基本特性 3.主要技术参数 4.二次击穿和安全工作
1.结构与工作原理
（1）结构
一个GTR芯片包含有大量的并联晶体管单元，这些晶体管单元共用 一个大面积集电极，而发射极和基极是多个并联。对GTR来说，主要 考虑的指标是高耐压、大电流和优良的开关特性。用于信息处理的普 通晶体管更注重单管电流放大系数、线性度、频率响应以及噪声和温 漂等性能参数。
（2）性能测试
四.电力晶体管应用基础电路
1.驱动电路 2.保护电路 3.缓冲电路 4.散热问题
1.驱动电路
（1）GTR的驱动信号
GTR的驱动信号对GTR的正常工作起着极其重要的作用，GTR器件的 工作状态及特性都随着基极驱动条件的变化而变化。为了减少开关损 耗，提高开关速度，GTR要求的基极电流波形如图所示。
全国高等院校规划教材·精品与示范系列 中国电子教育学会推荐教材
全国高等职业教育“十三五”规划教材
电力电子器件及应用技术
（ISBN 978-7-121-35201-0）
刘艺柱 等 编著
项目四 电力晶体管的应用
一、电力晶体管的工作原理与技术参数 二、直流斩波电路 三、电力晶体管的选型与检测 四、电力晶体管器件应用基础电路 五、直流PWM控制技术 六、软开关技术
3.缓冲电路
4.散热问题
在高频大功率开关条件下工作的GTR，其功耗由静态导通功耗、动态 开关损耗和基极驱动功耗三部分组成。动态功耗过大，势必会引起晶体管 内局部温度过高并且导电不均匀，同时由于电流过分集中，致使温升过高， 产生二次击穿，造成局部烧毁事故。此时，器件的壳温不一定很高，但是 管子已经失效。
目前常用的GTR器件有单管、达林顿管和模块三大系列。单个GTR 的电流放大倍数比较小，通常采用至少由两个晶体管组成的达林顿结 构。
如图所示，采用达林顿结构可以增大电流放大倍数和加速器件的 关断。将达林顿结构晶体管进行封装，可制成单管、四管和六管模 块，便是模块结构器件。
（2）工作原理
2、基本特性
五.直流PWM控制技术
1.基本工作原理 2.PWM集成控制电路
1.基本工作原理
2.PWM集成控制电路
SG1525/2525/3525系列集成PWM 控制器是频率固定的单片集成脉宽调 制型控制器的一个系列。SG1525内部 原理和管脚分布如图所示。SG1525内 部由基准电压 、振荡器 、误差放大 器 、比较器DC及PWM锁存器、分相器、 欠电压锁定器、输出级、软起动及关 闭电路等组成。
（4）反激变换器
5.Cuk斩波电路
（1）电路结构
（2）工作原理
（3）电感耦合型变换 器
电感耦合型变换器也被称为Cuk变换 器。前面提及的所有变换器都需要一个 电感-电容（L-C）滤波器来抑制输出电 压中的纹波。降压变换器需要比升压变 换器更大的滤波器。由于纹波在变换器 的输入和输出两侧都存在，可利用匹配 电感去耦合两侧的纹波电流斜坡来消除 纹波，如图所示。
（4）推挽变换器
Uo
ton T
U s1
ton T
Uin n
4.升降压斩波电路
（1）电路结构
（2）工作原理
（3）数量关系
输出电压为
Uo
TON TOFF
U
T
TON TON
U
kU 1 k
假设电路所有元件无损耗，则输入功 率就等于输出功率，即：
UIi UoIo
Io U 1 k Ii Uo k
三.电力晶体管的选型与检测
1.电力晶体管的选型 2.电力晶体管的检测
1.电力晶体管的选型
（1）选型参数
（2）型号规定
以瑞萨功率晶体管型号的识读为例，如图所示。
2.电力晶体管的检测
（1）管脚识别
通常把最大集电极电流 或最大集电极耗散功率 的晶体管称为大功 率晶体管，多用于大电流、高电压的电路。一般分为金属壳封装和塑 料封装两种，常见外形及管脚排列如图所示。
（1）静态特性
（2）动态分析
3、主要技术参数
（1）电压参数
（2）电流参数
4、二次击穿和安全工作区
（1）二次击穿
（2）安全工作区
二.直流斩波电路
1.直流斩.Cuk斩波电路
1.直流斩波电路的PWM控制
脉宽调制（Pulse Width Modulation—PWM）控制就是对脉冲的宽度进 行调制的技术，简称PWM控制技术，又称为定频调宽控制方式。它是指在脉 冲工作频率（或周期T）不变情况下，通过对一系列脉冲的宽度进行调制， 即调节开关导通时间 ，从而改变脉冲的占空比K ，获得所需要的等效电压 或电流波形。
（2）GTR的驱动电路
基极驱动电流的各项参数直接影响GTR的开关性能，因此根据主电 路的需要正确选择或设计GTR的驱动电路非常重要。
（3）简单的双电源驱动电路
（4）集成基极驱动电路
2.保护电路
由于GTR存在二次击穿问题，而二次击穿过程很快，远小于快速熔断 器的熔断时间；GTR承受过电流的能力很差，若在工作过程中因为过载 超过所规定的结温，或者在关断过程中超过集电极最大可关断电流而使 电流局部集中，都有可能造成GTR的损坏。因此诸如快速熔断器之类的 过电流保护方法对GTR类电力电子设备来说是无用的，GTR可能先行烧毁。 GTR的过电流保护要依赖于驱动和特殊的保护电路。