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。
第四章 全控型电力电子器件
图4-4 较为理想的门极电压和电流波形
《电力电子技术》
2．GTO的驱动电路
a) b) 图4-5 GTO门极驱动电路 a)小容量GTO门极驱动电路 b)较大容量GTO桥式门极驱动电路
《电力电子技术》
3．GTO的保护电路
b) c) d) 图4-6 GTO的阻容缓冲电路 图4-6为GTO的阻容缓冲电路。图4-6a只能用于小电流；图4-6b加 在GTO上的初始电压上升率大，因而在GTO电路中不推荐；图4-6c与图 4-6d是较大容量GTO电路中常见的缓冲器，其二极管尽量使用速度快 的，并使接线短，从而使缓冲器电容效果更显著。
《电力电子技术》
a)
第三节 电力场效应晶体管(Power MOSFET)
一、电力MOSFET的结构 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。
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
《电力电子技术》
二、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 uGE 决 定 的 ， 当 uGE 为正且 大 于开启电 压 uGE(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，其电气图形符号如图4-19c所示。 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。
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。
全控型电力电子器件
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。
四种典型的全控型器件
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。
全控型电力电子器(第二讲)
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。
全控型器件
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。
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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）
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。
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
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
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，常常立即导致器件的永久损坏。必 需避免。
➢ 关断的负驱动电压 -5 ~ -15V
（有利于减小关断时间和关断损耗）
4、电气符号（含三个极的名称） 汇总
SCR、GTO、GTR、 MOSEET、 IGBT、双向晶闸管、逆导晶闸管、 光控晶闸管，并指出控制极
Transistor）, 是 8 0 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。
1. 结构
复合结构（= MOSFET+GTR）
发射极 栅极
E
G
N+ P N+
N+ P N+
J3 J2
N-
N+
J1
P+
漂移区 缓冲区 G
注入区
C
IC
ID
RN
VJ1+ -
-+
+
IDRon
G
-
集电极
C
C 集电极 a)
E 栅极
发射极
b)
c)
本章小结
1、根据开关器件是否可控分类 （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、电力
基极b 发射极c 基极b
P+ N+ P+ P基区
N漂移区 N+衬底
c b
e
集电极c
ic=ib
空穴流 ib
Eb
电
子
Ec
流
ie=(1+ib
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 性好
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
第一节 门极可关断（GTO）晶闸管
1. 结构
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
耗尽型——当栅极电压为零时漏源 极之间就存在导电沟道
增强型——对于N（P）沟道器件， 栅极电压大于（小于）零时才存在 导电沟道
电力MOSFET主要是N沟道增强型
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
第三节 功率场效应晶体管（MOSFET）
S G
N+ P N+
N+ P N+
沟道
N-
N+
D
D
D
G： 栅极
D：ห้องสมุดไป่ตู้漏极
G
G
S： 源极
S
S
N沟道
P沟道
a)
b)
电力MOSFE图T1的-1结9 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
电力MOSFET的种类
按导电沟道可分为 P沟道 和N沟道
MOSFET、IGBT等。
P46:表2-2
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 MOSEET、IGBT。
电压型驱动电压
➢ 开通的正驱动电压 MOSFET：10~15V IGBT：15 ~ 20V