20全控型电力电子器件
电力电子器件概述
5. 反向恢复时间trr 6. 浪涌电流IFSM
1.2.4 主要类型
1. 普通二极管——又称整流二极管 1KHZ以下 数千安和数千伏以上
2. 快恢复二极管 5μs以下 3. 肖特二极管
1.3 半控型器件——晶闸管(SCR)
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
Id
1
2
3
Im
sin td
t
3
4
Im
0.24Im
I
1
2
Im
sin t
2
d
t
0.46Im
3
Kf
I Id
0.46 0.24
1.92
IT ( AV )
100 2
50
Id
1.57 50 1.92
41 A
Im
Id 0.24
41 0.24
171
A
⑵ 维持电流IH 使晶闸管维持通态所必需的最小主电流。 ⑶ 擎住电流IL ⑷ 浪涌电流ITSM
4. 光控晶闸管LTT
⑴又称光触发晶闸 管，是利用一定 波长的光照信号 触发导通的晶闸 管。
⑵光触发保证了主 电路与控制电路 之间的绝缘，且 可避免电磁干扰 的影响。
⑶在高压大功率的 场合占有重要地位。
1.4 典型全控型器件
门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。 20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。
不可控器件：电力二极管
半控型器件：晶闸管及其派生器件 全控型器件：功率场效应管、绝缘栅双极性晶体管、
门极可关断晶闸管
⑵ 按照控制信号性质可分为： 电流控制型 电压控制型：控制功率小
全控型器件名词解释
全控型器件名词解释
全控型器件（英语：Fully Controlled Device），在电力电子学中，是一种可以在没有反向电压的情况下控制其电流的电子器件。
常见的全控型器件包括二极管、晶闸管、以及新发展的功率场效应管（Power Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）、绝缘栅双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）等。
全控型器件在许多领域都有应用，包括**电力系统和电动机**。
在电力系统中，它们可以用来控制发电机的开关和电流的大小。
在电动机中，这些器件可以通过调节电压来控制电机的速度和方向。
此外，全控型器件还可以用于**电子设备和家用电器**的控制器中，例如电视、音响、照明设备等。
通过使用全控型器件，这些设备的电源和控制电路可以实现更加灵活和智能的控制。
除此之外，全控型器件还被广泛应用于**汽车工业**。
特别是在电动汽车中，全控型器件作为逆变器的一部分，可以将电池中的直流能转换成交流能，从而驱动车轮。
全控型电力半导体器件
问题的提出¾为什么要开发全控型器件？¾半控型器件有哪些限制？在很多情况下，如何将器件关断是一个突出的问题。
¾对关断要求不高，或有其他很有效的方法关断器件时，半控型器件是合适的。
¾反之，就需要全控型器件。
¾5.1 门极可关断晶闸管（GTO）¾5.2 电力晶体管（GTR、PRT）¾5.3 电力场效应晶体管（P-MOSFET）¾5.4 绝缘栅双极晶体管（IGBT）¾5.5 其他全控型电力电子器件¾5.6 模块和智能功率模块（IPM）¾5.7 电力电子技术发展概貌¾5.8 电力半导体器件和装置的保护门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor-GTO）¾晶闸管的一种派生器件。
¾可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。
¾电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，在兆瓦级以上的大功率场合有较多应用ABB 5SGA 30J2501可看成多个小的这些小的SCR结单元一个单元极是被门极包围的条状阴极的宽度越窄，通态电流越容易被关断¾阴极面积太大结论¾GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。
9SCR深度饱和(1.15)，GTO临界饱和(稍大于1)¾GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。
¾多元集成结构使得GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。
5.2 GTO的特性和参数大部分参数和SCR一样或类似，除了：¾门极关断电流I：指GTO从通态转为断GM态所需的门极反向瞬时峰值电流的最小值。
注意：¾GTO管压降要大些，直流通态损耗也大些。
¾GTO的关断是由门极负脉冲完成的，所以门极功耗要大些。
GTO的基本缓冲电路1）GTO 开通和关断时的波形开通时间t on =t d +t r¾t d ——触发延迟时间为门极触发电流从0.1I FGM 上升开始，至GTO 开始导通、阳极电压下降至0.9U d 的时间间隔。
全控型器件特点
全控型器件特点
全控型器件是指可以在整个周期内对电流或电压进行控制的器件。
全控型器件的特点主要体现在以下几个方面：
1. 控制范围广：全控型器件可以对电流或电压进行全程控制，可以实现从零到最大值的连续调节。
这使得它在不同的应用场景中具有灵活性和适应性。
2. 精度高：全控型器件具有较高的控制精度，可以实现对电流或电压的精确控制。
这对于一些对电流或电压要求较高的应用来说十分重要，例如电力电子设备中的功率控制。
3. 响应速度快：全控型器件的响应速度较快，能够在很短的时间内实现对电流或电压的调节。
这使得全控型器件在实时控制和快速响应的应用中具有优势，例如交流调速系统和电力变换器。
4. 可靠性高：全控型器件的结构简单、稳定性好，能够在恶劣的环境条件下工作，具有较高的可靠性。
这使得全控型器件在一些对稳定性要求较高的应用中得到广泛应用，例如电力系统和工业自动化领域。
5. 控制灵活：全控型器件可以通过改变控制信号的幅值、频率和相位等参数来实现对电流或电压的控制。
这使得它具有灵活性，可以根据实际需求进行调节和变化。
6. 功能强大：全控型器件可以实现多种功能，例如电流调节、电压调节、功率调节和相位控制等。
这使得它在不同的应用场景中具有广泛的适用性和灵活性。
总的来说，全控型器件具有控制范围广、精度高、响应速度快、可靠性高、控制灵活和功能强大等特点。
这些特点使得全控型器件在电力电子、工业自动化、交通运输、通信等领域得到广泛应用，对于提高系统的控制性能和稳定性具有重要作用。
电力电子器件(4)-IGBT+新型器件
关断：栅射极间施加反压或不加信号 关断 时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的 基极电流被切断，IGBT关断。 此外，当Uce<0时，IGBT为反向阻断 状态。
IGBT的基本特性 IGBT的基本特性
IGBT的静态特性
转移特性和输出特性
IC IC 有源区
饱 和 区
UGE增加 UGE(th)
URM 反向阻断区 O UGE(th) a) UGE O b)
IGCT Gate（Integrated Gate-Commutated Thyristor）
也称GCT（Gate-Commutated Thyristor）， 20世纪90年代后期出现，是一种在大功率开 关器件GTO基础上改进而成的新型大功率电 力电子器件 结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当， 开关速度快10倍可省去GTO庞大而复杂的缓 冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大；
IGBT比MOSFET多一层P+注入区， 形成了一个大面积的P+N结J1， IGBT导通时，由P+注入区向N基区发射 ， 少子，从而对漂移区电导率进行调制，使 得IGBT具有很强的通流能力； 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； RN为晶体管基区内的调制电阻。
擎住效应或自锁效应：在IGBT内部由 于内部寄生了一个由NPN晶体管和作 为主开关器件的PNP晶体管组成的寄生 晶闸管。 在额定集电极电流时，NPN晶体管的 BE极间的体区短路电阻上的压降较小， 不能使寄生晶闸管开通。
但如果由于某种条件使得该压降 加大，从而使寄生晶闸管导通，那么 就会由于寄生晶闸管的强烈正反馈作 用，使得栅极失去对集电极的控制作 用，导致器件始终开通，功耗过高而 损坏。
全控型器件的详细介绍
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。
电力电子技术第三章 全控型器件的驱动
第一节 全控型电力电子器件的驱动
2.专用集成驱动电路芯片 1)驱动电路与IGBT栅射极接线长度应小于1m，并使用双绕线，以提 高抗干扰能力。
图3-9 电力MOSFET的一种驱动电路
第一节 全控型电力电子器件的驱动
3z10.tif
第一节 全控型电力电子器件的驱动
2)如果发现IGBT集电极上产生较大的电压脉冲，应增加栅极串接电 阻RG的阻值。 3)图3-10中外接两个电容为47μF，是用来吸收电源接线阻抗变化引 起的电源电压波动。
图3-6 抗饱和电路
第一节 全控型电力电子器件的驱动
图中VD1、VD2为抗饱和二极管，VD3为反向基极电流提供回路。在 轻载情况下，GTR饱和深度加剧使UCE减小，A点电位高于集电极电 位，二极管VD2导通，使流过二极管VD1的基极电流IB减小，从而减 小了GTR的饱和深度。抗饱和基极驱动电路使GTR在不同的集电极 电流情况下，集电结处于零偏或轻微正向偏置的准饱和状态，以缩 短存储时间。在不同负载情况下以及在应用离散性较大的GTR时， 存储时间趋向一致。应当注意的是，VD2为钳位二极管，它必须是 快速恢复二极管，该二极管的耐压也必须和GTR的耐压相当。因电 路工作于准饱和状态，其正向压降增加，也增大了导通损耗。
图3-2 门极控制电路 结构示意图
第一节 全控型电力电子器件的驱动
(1)开通控制 开通控制要求门极电流脉冲的前沿陡、幅度高、宽 度大及后沿缓。
图3-3 推荐的GTO门极控制 信号波形
第一节 全控型电力电子器件的驱动
(2)关断控制 GTO的关断控制是靠门极驱动电路从门极抽出P2基区 的存储电荷，门极负电压越大，关断的越快。 (3)GTO的门极驱动电路 GTO的门极控制电路包括开通电路、关断 电路和反偏电路。 间接驱动是驱动电路通过脉冲变压器与GTO门极相连，其优点是： GTO主电路与门极控制电路之间由脉冲变压器或光耦合器件实现电 气隔离，控制系统较为安全；脉冲变压器有变换阻抗的作用，可使 驱动电路的脉冲功率放大器件电流大幅度减小。缺点是：输出变压 器的漏感使输出电流脉冲前沿陡度受到限制，输出变压器的寄生电 感和电容易产生寄生振荡，影响GTO的正确开通和关断。此外，隔 离器件本身的响应速度将影响驱动信号的快速
电力电子技术考研必备题库与答案
电力电子技术试题库答案来源：欧阳陶昱的日志电力电子技术试题库答案一、填空题（每空1分，共20分）1、电力电子技术是利用（电力电子器件）对电能进行（控制、转换和传输）的技术.3电力电子技术研究的对象是（电力电子器件的应用）、（电力电子电路的电能变换原理）和电力电子装置的开发与应用。
.1957年（美国通用电气（GE）公司）研制出第一只晶闸管，它标志着（电力电子技术）的诞生。
6、电力二极管的主要类型有（普通二极管），（快恢复二极管）和肖特基二极管。
7、电力二极管的主要类型有普通二极管，（快恢复二极管）和（肖特基二极管）。
8、晶闸管是一种既具有（开关作用），又具有（整流作用）的大功率半导体器件。
9、晶闸管有三个电极，分别是（阳极），（阴极）和门极或栅极。
10、晶闸管有三个电极，分别是阳极，（阴极）和（门极或栅极）。
11、晶闸管的正向特性又有（阻断状态）和（导通状态）之分。
12、半控型电力电子器件控制极只能控制器件的（导通），而不能控制器件的（关断）。
13、电流的波形系数Kf指（电流有效值）和（电流平均值）比值。
14、电力晶体管是一种（耐高压）、（大电流）的双极型晶体管。
15、电力晶体管的安全工作区分为（正偏安全工作区）和（反偏安全工作区）。
16、双向晶闸管有两个（主）电极和一个（门）极。
17、双向晶闸管有(I+触发方式)，（I-触发），III+触发和III-触发。
18、IGBT的保护有（过电流保护），过电压保护和（过热保护）。
19、降压变换电路的输出电压与输入电压的关系为（Uo=DUd），升压变换电路的输出电压与输入电压的关系为（Uo=Ud/(1-D)）。
20、全控型电力电子器件控制极既能控制器件的（导通），也不能控制器件的（关断）。
21、电力器件的换流方式有（器件换流），（电网换流），负载换流和脉冲换流。
22、负载换流式逆变电路分为（并联谐振式），（串联谐振式）。
23、按照稳压控制方式，直流变换电路可分为（脉冲宽度调制）和（脉冲频率调制）。
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β =i c / i b
β称为GTR的电流放大系数，它反映出基极电 流对集电极电流的控制能力。
单管GTR的β很小，通常为10左右。
GTR的工作原理
为了削弱上述物理效应的影响，必须在 结构和制造工艺上采取适当的措施，以满足 大功率应用的需要。
GTR的工作原理
GTR的大电流效应：由于GTR的工作电 流和功耗大，会造成GTR的电流增益β下降， 特征频率减小，电流局部集中而导致的局部 过热，这将严重地影响GTR的品质，甚至使 GTR损坏。
GTR的分类
电力晶体管有单管、达林顿管和达林顿晶体管模块。
单管GTR 达林顿GTR GTR模块
单管GTR
GTR的参数
（1）最高电压额定值
最高电压额定值是指集电极的击穿电压值。
① BUCBO为发射极开路时，集电极-基极的击穿电压。 ② BUCEO为基极开路时，集电极-发射极的击穿电压。
③ BUCES为基极-射极短路时，集电极-发射极的击穿 电压。
④ BUCER为基极-发射极间并联电阻时，集电极-发射 极的击穿电压。并联电阻越小，其值越高。
虽然达林顿结构大大提高了电流放大倍数，但 其饱和管压降却增加了，增大了导通损耗，同时降 低了管子的工作速度。
达林顿GTR
实用达林顿
电路是将达林顿
结构的GTR、稳 定电阻R1、R2、 加速二极管VD1 和续流二极管
VD2等制作在一 起。
实用达林顿 电路
GTR模块
GTБайду номын сангаас模块是将 一个GTR管芯及辅助元件组 装成一个基本单元，然后根据不同的用途将几个 单元电路构成模块，集成在同一硅片上。
动态特性（开通特性）
开通时间ton ：
GTR由关断状态过 渡到导通状态所需要的 时间。
开通时间ton由延迟 时间td和上升时间tr两部 分组成。
动态特性（关断特性）
GTR由导通状态过渡到关断状态所需要的时 间称为关断时间toff，它由储存时间ts和下降时间tf 两部分组成 。
GTR的开、关时间在几微秒 ~ 十几微秒以 内。容量越大，开关时间也越长，但仍比快速晶 闸管短。可用于频率较高的场合。
在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、 中等频率的电路中应用广泛。
电力晶体管（GTR）
•GTR的结构和工作原理 •GTR的分类 •GTR的主要特性 • GTR的参数
•GTR的二次击穿与安全工作区
•驱动电路与保护
电力晶体管（GTR）
GTR的缺点: 驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次
击穿而损坏。
在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率 MOSFET和IGBT所代替。
GTR的结构
电力晶体管与一般双极型晶体管结构相似，也分 为PNP型和NPN型两种，但大功率的GTR多采用NPN 型。
结构示意图
正向道童电 路
电气符号
GTR的工作原理
当工作在正偏（Ib＞0）时，GTR导通； 当工作在反偏（Ib≤0）时，GTR截止。 GTR工作于导通和截止的两种状态，即相 当于电子开关闭合与断开。
最大电流额定值的确定
① 因为大电流效应会使GTR的电性能变差， 甚至使管子损坏。所以ICM标定应当不引起大电流效 应，通常规定β值下降到额定值的1/2~1/3时对应的IC
为ICM值。
②在低电压范围内使用GTR时，以集电极最大耗 散功率PM的大小来确定ICM值。
③通常IC只能用到ICM的一半左右。
最大额定功耗PCM
GTR结构简 单、可靠性高耐 压能力强，易于 散热；但单管 GTR电流增益较 低。
达林顿GTR
达林顿GTR是由多个晶体管复合而成，前级 晶体管为驱动管，后级晶体管为输出管，其性质 取决于驱动管。
PNP型
NPN型
达林顿GTR
与单管GTR相比，达林顿结构的电力晶体管 电流放大倍数很大，可以达到几十至几千倍。
GTR的工作原理
GTR是用基极电流IB来控制集电极电流IC的 电流控制型器件，其基本工作原理与小功率三极 管基本相同。
GTR主要作为功率开关使用，工作于饱和导通 与截止状态，不允许工作于放大状态。
在电力电子技术中，GTR要有足够的容量、适 当的增益、较高的开关速度和较低的功率损耗等 。
GTR的工作原理
GTR模块提高了器件的集成度、工作的可靠 性和性价比，同时也实现了小型轻量化。
GTR模块可将多达6个相互绝缘的单元电路 制在同一个模块内，便于组成三相桥电路。
GTR模块
GTR模块多种多样。既有一单元、二单 元模块的封装，又有四单元、六单元模块的 封装；每个基本单元内使用的GTR，既有单 管GTR，又有两级、三级甚至四级达林顿复 合型GTR；既有晶体管单独封装的单品种型 模块，又有晶体管与快恢复续流二极管混合 封装的混合型GTR模块。
电力晶体管（GTR）
1
2 3
4
5
电力晶体管（GTR）
电力晶体管（Giant Transistor）简称GTR或 BJT，它是一种电流控制的双极双结大功率、高反 压电力电子器件。
一般将集电极功率PCM＞1W的晶体管称为电 力晶体管。
电力晶体管（GTR）
GTR的优势： 耐压高，电流大，开关特性好，具有自关断能力。
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。
在不同基极条件下的伏安特性及电压极限值
最大电流额定值
最大电流额定值：
集电极最大允许电流ICM。 集电极最大允许电流ICM：
在最高允许结温下，不造成器件损坏的最大 电流。超过该额定值必将导致GTR内部结构的烧 毁。在实际使用中，可以利用热容量效应，根据 占空比来增大连续电流，但不能超过峰值额定电 流。
GTR模块
GTR的主要特性
GTR的特性可分为静态特性和动态特性。
静态特性 动态特性
静态特性
UCE=ƒ（IC）
静态特性
截止区：UBE≤0，UBC＜0，发射结、集电结均反偏。 此时IB = 0，GTR承受高电压，仅有微小的漏电流。 放大区：UBE＞0，UBC＜0，发射结正偏、集电结反偏 此时在该区内，IC与IB呈线性关系。 临界饱和区：UBE＞0，UBC＜0，发射结正偏、集电 结反偏。在该区内，IC与IB呈非线性关系。 深饱和区：UBE＞0，UBC≥0，发射结、集电结均正偏 此时在该区内，IC与IB呈线性关系。