第一章电力电子器件全控器件
合集下载
电力电子技术课后习题答案(王兆安)
第一章电力电子器件1.1 使晶闸管导通的条件是什么？答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正相阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。
或者UAK >0且UGK>01.2 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。
1.3 图1－43中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为Im ，试计算各波形的电流平均值Id1、Id2、Id3与电流有效值I1、I2、I3。
解：a) Id1=Im2717.0)122(2Im)(sinIm214≈+=⎰πωπππtI1=Im4767.021432Im)()sin(Im2142≈+=⎰πϖπππwtdtb) Id2=Im5434.0)122(2Im)(sinIm14=+=⎰wtd tππϖπI2=Im6741.021432Im2)()sin(Im142≈+=⎰πϖπππwtdtc) Id3=⎰=2Im41)(Im21πωπtdI3=Im21)(Im2122=⎰tdωππ1.4.上题中如果不考虑安全裕量,问100A的晶阐管能送出的平均电流Id1、Id2、Id3各为多少?这时，相应的电流最大值Im1、Im2、Im3各为多少?解：额定电流IT(AV)=100A的晶闸管，允许的电流有效值I=157A,由上题计算结果知a) Im135.3294767.0≈≈IA, Id1≈0.2717Im1≈89.48Ab) Im2,90.2326741.0AI≈≈Id2AIm56.1265434.02≈≈c) I m3=2I=314 I d3=5.78413=m I1.5.GTO 和普通晶闸管同为PNPN 结构,为什么GTO 能够自关断,而普通晶闸管不能? 答：GTO 和普通晶阐管同为PNPN 结构，由P1N1P2和N1P2N2构成两个晶体管V1、V2，分别具有共基极电流增益1α和2α，由普通晶阐管的分析可得，121=+αα是器件临界导通的条件。
电力电子技术(第3版)PPT 第一章 电力电子器件
采用硒堆保护的优点是它能吸收较大的浪涌能量；但存在体积大， 反向特点不陡，长期放置不用会发生“储存老化”，即正向电阻增大， 反向电阻降低而失效的缺点，所以使用前必须先加50%的额定电压 10min，再加额定电压2h，才能恢复性能.
Date:
2021-6-26
Page: 25
§1.3 晶闸管的保护、扩容和简单测试
§1.3 晶闸管的保护、扩容和简单测试
2） 非线性电阻保护
硒堆由成组串联的硒整流片构成，如图所示为硒堆保护几种接 法。(a)图为单相时的接法。单相时用两组对接后再与电源并联； (b)、(c)为三相的接法，三相时用三组对接成Y形或用六组结成D形。
硒堆保护几种接法 a）单相连接 b）三相Y型连接 c）三相△连接
（1）电阻均流 如图b)所示，在并联的各晶闸管中串入一小电阻R是最简便的均流方
法。均流电阻R由下式决定： R (0.5 ~ 2)UT () I Ta
串入均流电阻R后，电流分配不均匀度可大大地改善，但因电阻上有损耗， 并且对动态均流不起作用，只适用于小功率场合。对于大电流器件的并联，均 流可领先各并联支路的快熔电阻、电抗器电阻和连接导线电阻的总和来达到。
Date:
2021-6-26
Page: 31
§1.3 晶闸管的保护、扩容和简单测试
（1）静态均压（正反向阻断状态下的均压）
Date:
2021-6-26
Page: 32
§1.3 晶闸管的保护、扩容和简单测试
（2）动态均压（开通过程与关断过程的均压）
Date:
2021-6-26
Page: 33
§1.3 晶闸管的保护、扩容和简单测试
IF
UROM URSM
+
_
Date:
2021-6-26
Page: 25
§1.3 晶闸管的保护、扩容和简单测试
§1.3 晶闸管的保护、扩容和简单测试
2） 非线性电阻保护
硒堆由成组串联的硒整流片构成，如图所示为硒堆保护几种接 法。(a)图为单相时的接法。单相时用两组对接后再与电源并联； (b)、(c)为三相的接法，三相时用三组对接成Y形或用六组结成D形。
硒堆保护几种接法 a）单相连接 b）三相Y型连接 c）三相△连接
（1）电阻均流 如图b)所示，在并联的各晶闸管中串入一小电阻R是最简便的均流方
法。均流电阻R由下式决定： R (0.5 ~ 2)UT () I Ta
串入均流电阻R后，电流分配不均匀度可大大地改善，但因电阻上有损耗， 并且对动态均流不起作用，只适用于小功率场合。对于大电流器件的并联，均 流可领先各并联支路的快熔电阻、电抗器电阻和连接导线电阻的总和来达到。
Date:
2021-6-26
Page: 31
§1.3 晶闸管的保护、扩容和简单测试
（1）静态均压（正反向阻断状态下的均压）
Date:
2021-6-26
Page: 32
§1.3 晶闸管的保护、扩容和简单测试
（2）动态均压（开通过程与关断过程的均压）
Date:
2021-6-26
Page: 33
§1.3 晶闸管的保护、扩容和简单测试
IF
UROM URSM
+
_
第1章电力电子2ppt-典型全控型器件
12
1.4.2 电力晶体管
1. GTR的结构和工作原理
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
a)
b)
ic=ib
空穴流 ib
Eb
电
子
Ec
流
ie=(1+ib c)
图1-15 GTR的结构、电气图1图-15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
➢ 典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管、 电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。
2
1.4.1 门极可关断晶闸管
➢ 门极可关断晶闸管
➢ （Gate-Turn-Off Thyristor —GTO）
• 晶闸管的一种派生器件 • 可以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，与普通晶闸管接
4) 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
（1-8）
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 。
11
1.4.2 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）
近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多 的应用
3
1.4.1 门极可关断晶闸管
1. GTO的结构和工作原理
➢ 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。
1.4.2 电力晶体管
1. GTR的结构和工作原理
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
a)
b)
ic=ib
空穴流 ib
Eb
电
子
Ec
流
ie=(1+ib c)
图1-15 GTR的结构、电气图1图-15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
➢ 典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管、 电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。
2
1.4.1 门极可关断晶闸管
➢ 门极可关断晶闸管
➢ （Gate-Turn-Off Thyristor —GTO）
• 晶闸管的一种派生器件 • 可以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，与普通晶闸管接
4) 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
（1-8）
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 。
11
1.4.2 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）
近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多 的应用
3
1.4.1 门极可关断晶闸管
1. GTO的结构和工作原理
➢ 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。
第1章 电力电子器件概述(第一部分)(2)
1.1.2 应用电力电子器件的系统组成
1.1.3 电力电子器件的分类 1.1.4 本章内容和学习要点
华东理工大学
1-3
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件
1）概念:
电力电子器件（Power Electronic Device）
——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电 子器件。
主电路（Main Power Circuit）
和控制电 路中附加 一些电路， 以保证电 力电子器 件和整个 系统正常 可靠运行
V1 L R
V2
主电路
电气隔离 图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
华东理工大学
1-7
注重对器件的保护：通常采用吸收（缓冲） 保护电路（ Snubber ）来限制器件的 du/dt 和di/dt，减小由于大电流跃变在引线（寄 生）电感上形成的反电势尖峰，以防器件 过压击穿。 需要驱动与隔离：强、弱电系统之间电气 隔离，不共地，消除相互影响，减小干扰， 提高可靠性。
通态损耗是器件功率损耗的主要成因。 器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损 耗的主要因素。
华东理工大学
1-6
1.1.2 应用电力电子器件系统组成
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。 在主电路
控 制 控制电路 电 路 检测 电路 保护 电路 驱动 电路
额定电流 —— 在指定的管壳温度和散热条件下， 其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应 按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留 有一定的裕量。 在工频正弦半波的情况下：
平均值 IF(AV) 有效值 1.57 IF(AV)
修改稿 第1章 电力电子器件
三 、晶闸管
晶闸管及其工作原理 2 晶闸管的特性与主要参数 3 晶闸管的派生器件
1
晶闸管
晶闸管(Thirsted)包括：普通晶闸管(SCR)、快速晶 闸管(FST)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT) 、 可关断晶闸管(GTO) 和光控晶闸管等。 由于普通晶闸管面世早，应用极为广泛, 因此在无特别 说明的情况下,本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。 普通晶闸管：也称可控硅整流管(Silicon Controlled Rectifier), 简称SCR。 由于它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性 (目前生产水平：4500A/8000V)已被广泛应用于相控整 流、逆变、交流调压、直流变换等领域, 成为特大功率 低频(200Hz以下)装置中的主要器件。
图1.2.2
电力二极管的伏安特性曲线
PN结的电容效应：
PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ， 又称为微分电容。
二、 电力二极管
1 2
电力二极管及其工作原理 电力二极管的特性与参数
2
电力二极管的特性与参数
（1）电力二极管的伏安特性 （2）电力二极管的开关特性 （3）电力二极管的主要参数
电力二极管的主要类型：
（1）普通二极管：普通二极管又称整流管（Rectifier Diode），多用于开关频率在１KHZ以下的整流电路中， 其反向恢复时间在５us以上，额定电流达数千安，额定 电压达数千伏以上。 （2）快恢复二极管：反向恢复时间在５us以下的称为快恢复 二极管（Fast Recovery Diode简称FDR）。快恢复二极 管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者 反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在100ns以下，其 容量可达1200V/200A的水平, 多用于高频整流和逆变电 路中。 （3）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接 触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为 0.4～0.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但 反向耐压在200Ｖ以下。它常被用于高频低压开关电路或 高频低压整流电路中。
电力电子器件-电子课件
决定晶闸管的最大电流 管芯半导体结温 流过电流的有效值 （相同的电流有效值条件下，其发热情况相同，选取型号相同）
第一章 电力电子器件
波形系数Kf ：有效值/平均值，反应周期
交流量波形性质。
如果额定电流为100A的晶闸管 其允许通过的电流有效值为1.57×100＝157A
第一章 电力电子器件
选择晶闸管额定电流时，要依据实际波形的电流
有效值与额定电流IT（AV)有效值相等的原则（即管芯结
温一样）进行换算。即：
由于晶闸管的过载能力差，一般选用时取1.5～2倍 的安全裕量。
第一章 电力电子器件
3.通态平均电压UT(AV)
当流过正弦半波的电流为额定电流，并达到稳定 的额定结温时，晶闸管阳极与阴极之间电压降的平均 值，称为通态平均电压。
第一章 电力电子器件
电力电子器件在电力设备或电力系统中，直接 承担电能变换和控制任务的电路称为主电路。
电力电子器件就是可直接用于主电路中实现电 能的变换和控制的电子器件。
电力电子器件则是电力电子电路的基础。 目前常用的电力电子器件都是用半导体材料制 成的，主要分为半控型器件和全控型器件。
第一章 电力电子器件
门极可关断晶闸管实物、图形 和文字符号
GTO在牵引电力机车和斩波器中的应用
第一章 电力电子器件
二、功率晶体管GTR
大功率晶体管（Giant Transistor）简称GTR， 又称为电力晶体管。因为有PNP和NPN两种结构，因此 又称双极型晶体管BJT。
功率晶体管GTR实物、图形和文字符号
第一章 电力电子器件
为晶闸管的额定电压值，用电压等级来表示。
第一章 电力电子器件
2.额定电流IT（AV)
又称为额定通态平均电流。 是指在环境温度小于40℃和标准散热及全导通的条 件下，晶闸管可以连续导通的工频正弦半波电流的平均 值。 晶闸管的额定电流参数系列：1A、5A、10A、20A、 30A、50A、100A、200A、300A。
第一章 电力电子器件
波形系数Kf ：有效值/平均值，反应周期
交流量波形性质。
如果额定电流为100A的晶闸管 其允许通过的电流有效值为1.57×100＝157A
第一章 电力电子器件
选择晶闸管额定电流时，要依据实际波形的电流
有效值与额定电流IT（AV)有效值相等的原则（即管芯结
温一样）进行换算。即：
由于晶闸管的过载能力差，一般选用时取1.5～2倍 的安全裕量。
第一章 电力电子器件
3.通态平均电压UT(AV)
当流过正弦半波的电流为额定电流，并达到稳定 的额定结温时，晶闸管阳极与阴极之间电压降的平均 值，称为通态平均电压。
第一章 电力电子器件
电力电子器件在电力设备或电力系统中，直接 承担电能变换和控制任务的电路称为主电路。
电力电子器件就是可直接用于主电路中实现电 能的变换和控制的电子器件。
电力电子器件则是电力电子电路的基础。 目前常用的电力电子器件都是用半导体材料制 成的，主要分为半控型器件和全控型器件。
第一章 电力电子器件
门极可关断晶闸管实物、图形 和文字符号
GTO在牵引电力机车和斩波器中的应用
第一章 电力电子器件
二、功率晶体管GTR
大功率晶体管（Giant Transistor）简称GTR， 又称为电力晶体管。因为有PNP和NPN两种结构，因此 又称双极型晶体管BJT。
功率晶体管GTR实物、图形和文字符号
第一章 电力电子器件
为晶闸管的额定电压值，用电压等级来表示。
第一章 电力电子器件
2.额定电流IT（AV)
又称为额定通态平均电流。 是指在环境温度小于40℃和标准散热及全导通的条 件下，晶闸管可以连续导通的工频正弦半波电流的平均 值。 晶闸管的额定电流参数系列：1A、5A、10A、20A、 30A、50A、100A、200A、300A。
电力电子技术(6).ppt
1. 概念
➢ 电力电子器件（Power Electronic Device） — 可直接用于主电路中，实现电能的变 换或控制的电子器件。
➢ 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。
2020年9月26日星期六
第一章 电力电子器件
三相交流电源
接近于零,而电流由外电路决定 ；阻断时（断态） 阻抗很大，接近于断路，电流接近于零,管子两端 电压由外电路决定 。
➢ 电力电子器件一般需要由电子电路来控制和驱动。 ➢ 电力电子器件自身的功率损耗远大于电子器件，
一般都要安装散热器。
2020年9月26日星期六
第一章 电力电子器件
3.电力电子器件的损耗
3）保护电路
保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行
4）检测电路
由信息电路组成，检测主电路或应用现场信号
2020年9月26日星期六
第一章 电力电子器件
1.1.3 电力电子器件的分类
➢ 按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：
1. 半控型器件
— 通过控制信号可以控制其导通来自不能控制其关断。 -- SCR及派生器件
3. PN结加反向电压( 反向偏置)
外电场
1) PN结反向偏置时, PN 结仅流过很小 的反向饱和电流， PN 结反向截止。 PN 结表现为高阻 态.
2020年9月26日星期六
第一章 电力电子器件
2) 反向恢复过程
漂移运动达动态平
－ － －－ －－ ++ ++ ++ ++
衡, 在P区和N区的
－ － －－ －－ ++ ++ ++ ++少子飘移交界面处构成空间
➢ 电力电子器件（Power Electronic Device） — 可直接用于主电路中，实现电能的变 换或控制的电子器件。
➢ 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。
2020年9月26日星期六
第一章 电力电子器件
三相交流电源
接近于零,而电流由外电路决定 ；阻断时（断态） 阻抗很大，接近于断路，电流接近于零,管子两端 电压由外电路决定 。
➢ 电力电子器件一般需要由电子电路来控制和驱动。 ➢ 电力电子器件自身的功率损耗远大于电子器件，
一般都要安装散热器。
2020年9月26日星期六
第一章 电力电子器件
3.电力电子器件的损耗
3）保护电路
保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行
4）检测电路
由信息电路组成，检测主电路或应用现场信号
2020年9月26日星期六
第一章 电力电子器件
1.1.3 电力电子器件的分类
➢ 按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：
1. 半控型器件
— 通过控制信号可以控制其导通来自不能控制其关断。 -- SCR及派生器件
3. PN结加反向电压( 反向偏置)
外电场
1) PN结反向偏置时, PN 结仅流过很小 的反向饱和电流， PN 结反向截止。 PN 结表现为高阻 态.
2020年9月26日星期六
第一章 电力电子器件
2) 反向恢复过程
漂移运动达动态平
－ － －－ －－ ++ ++ ++ ++
衡, 在P区和N区的
－ － －－ －－ ++ ++ ++ ++少子飘移交界面处构成空间
电力电子技术(第4版)第4讲 电力电子器件讲解
GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。 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
第1章： 电力电子器件
⑴IGBT的结构和工作原理
①三端器件：栅极G、集电极C和发射极E
发射极 栅极
E
G
N+ P N+
N+ P N+
J3 J2
电力电子技术
第1章： 电力电子器件
⑵IGBT的基本特性
①IGBT的静态特性
IC
输出特性
IC
有源区
•分 为 三 个 区 域 ： 正向阻断区、有 源区和饱和区。
饱 和 区
URM 反向阻断区
O UGE(th)
UGE
O
正向阻断区
a)
b)
转UG移E间特的性关—系—(I开C与启电
图1.24 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性
压UGE(th))
UGE增加 UGE(th) UFM UCE
电力电子技术
第1章： 电力电子器件
② IGBT的动态特性
U GE 90% U GEM
U GEM
IGBT的开通过程 与MOSFET的相似
10% U GEM
0 IC 90% I CM
t d(on)
I CM tr
t d(off)
t tf
开通延迟时间td(on)
电力电子技术
第1章： 电力电子器件
③电力MOSFET的工作原理
截止：漏源极间加正电源，栅 源极间电压为零。
–P 基 区 与 N 漂 移 区 之 间 形 成
的PN结J1反偏，漏源极之间
电力电子技术
第1章： 电力电子器件
⑴IGBT的结构和工作原理
①三端器件：栅极G、集电极C和发射极E
发射极 栅极
E
G
N+ P N+
N+ P N+
J3 J2
电力电子技术
第1章： 电力电子器件
⑵IGBT的基本特性
①IGBT的静态特性
IC
输出特性
IC
有源区
•分 为 三 个 区 域 ： 正向阻断区、有 源区和饱和区。
饱 和 区
URM 反向阻断区
O UGE(th)
UGE
O
正向阻断区
a)
b)
转UG移E间特的性关—系—(I开C与启电
图1.24 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性
压UGE(th))
UGE增加 UGE(th) UFM UCE
电力电子技术
第1章： 电力电子器件
② IGBT的动态特性
U GE 90% U GEM
U GEM
IGBT的开通过程 与MOSFET的相似
10% U GEM
0 IC 90% I CM
t d(on)
I CM tr
t d(off)
t tf
开通延迟时间td(on)
电力电子技术
第1章： 电力电子器件
③电力MOSFET的工作原理
截止：漏源极间加正电源，栅 源极间电压为零。
–P 基 区 与 N 漂 移 区 之 间 形 成
的PN结J1反偏，漏源极之间
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
晶闸管，但目前又大多被 IGBT 和电力 MOSFET 取代
§1.4.2 电力晶体管 GTR
一． GTR 的结构和工作原理
★ 原理同普通晶体管，主要特征：耐压高、电流大、开关特性好； ★ 结构采用至少由两个晶体管成的达林顿接法单元结构（图1－13）
后将许多这种单元采用集成电路工艺并联而成 ；
★ 使用时常用共发射极接法，集电极电流 ic 与基极电流 ib 之比 ? 反映了
４．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，即：
? off
?
I ATO I GM
（1－8）
● ?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需要 200A
§1.4.2 电力晶体管 GTR
★ 半导体晶体管：分单极型和双极结型两种 ● 场效应管：参与导电的载流子只有一种，电子或空穴； ● 双极结型晶体管：两种载流子电子和空穴都参与导电； ★ 电力晶体管（ Giant Transistor ——GTR） ● 直译为巨型晶体管； ● 英文有时候也称为 Power BJT （Bipolar Junction Transistor ） ● 是耐高电压、大电流的双极结型晶体管； ★ 在电力电子技术的范围内， GTR 与 BJT 这两个名称等效应用 ★ 从20世纪80年代以来，电力晶体管在中、小功率范围内取代 了
基极电流对集电极电流的控制能力，称为：共发射极电流放大系数；
? ? ic ib
iG
GTO的开通和关断过程电流波形
O t
iA
IA 90% IA
td
tr
10% IA
0
t0
t1
t2
ts
tf
tt
t3 图 1-14
t4
t5
t6
t
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO 三．GTO的主要参数
多参数和晶闸管相应参数意义相同，仅介绍意义不同的参数
１．开通时间 ton ＝延迟时间 td ＋ 上升时间 tr
● ? 1+? 2 < 1 不能维持饱和导通而关断
图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO－－图形符号和工作原理
★ 导通过程： 与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅
A
P1
N1
N1
G
P2
P2
N2
K a)
A
IA
PNP
V1
G IG
Ic1
Ic2
R
NPN
V2
S EG
延迟时间 td 约：1~2? s，上升时间 tr 随阳极电流的增大而增大
２．关断时间 toff ＝储存时间 ts ＋下降时间 tf （不包括尾部时间tt ）
● 储存时间 ts 随阳极电流的增大而增大，下降时间 tf 一般小于 2? s
● tf ? ts tt > ts
● 门极负脉冲电流前沿越陡，幅值越大，抽取储存载流子的速度
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO 二．动态特性
★ 开通过程：需经过延迟时间 td （1~2? s）和上升时间 tr 两个阶段 ★ 关断过程：与普通晶闸管有所不同，由三个时间段组成
储存时间 ts : 抽取饱和导通时储存的载流子，使等效晶体管退出饱和 下降时间 tf ：从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小（小于2? s） 尾部时间 tt ：残存载流子复合
2．工作原理： 可用下图所示的双晶体管模型来分析
● GTO 关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别
1）设计 ? 2 较大，使晶体管 V2 控制灵敏，易于 GTO关断； 2）导通时 ? 1+? 2 更接近 1≈1.05，普通晶闸管 ? 1+? 2 ? 1.15，饱和不
深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大；
IK
EA
K
b)
★ 关断过程： 门极加负脉冲即从门极抽出电流， Ib2 减小，使 IK 和 Ic2 减小， Ic2 的减小又使 IA 和 Ic1 减小，又进一步减小 Ib2 电流， 进而形成强烈的正反馈；
● 当 IA 和 IK 的减小使 ? 1+? 2 < 1 时，器件 退出饱和而关断；
● 多元集成结构使 GTO 比普通晶闸管开通快，承受 di/dt能力强。
3）多元集成结构使 GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短， 使得 P2 基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。
A
P1
N1
N1
G
P2
P2
N2
K a)
A
IA
PNP
V1
G IG
Ic 1
Ic2
R
NPN
V2
S EG
IK
EA
K
b)
● ? 1+? 2＝1 器件临界导通的条件
● ? 1+? 2 > 1 过饱和而使器件导通
§1.4 典型全控型器件
§1.4.1 门极可关断晶闸管 §1.4.2 电力晶体管 §1.4.3 电力场效应晶体管 §1.4.4 绝缘栅双极晶体管
§1.4 典型全控型器件
★ 20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自 发展的基础上相结合——高频化、全控型、采用集成电路 制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了 一个崭新时代；
1．结构（和普通晶闸管相对比）
● 相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极
● 不同点：
A
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
G
K
和门极则在器件内部并联在一起。
图1-13 电气图形符号
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO－－图形符号和工作原理
★ 门极可关断晶闸管 —— 在晶闸管问世后不久出现； ★ 典型器件：
● 门极可关断晶闸管 ● 电力晶体管 ● 电力场效应晶体管 ● 绝缘栅双极晶体管
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO 一．图形符号和工作原理
门极可关断晶闸管（ Gate-Turn-Off Thyristor ）是晶闸管的一种 派生器件，导通控制与普通晶闸管一样。并可通过在其门极施加 负的脉冲电流使其关断， GTO的电压、电流容量与晶闸管接近， 因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。
越快， ts 越短； ● 门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在 tt 阶段保持适当负电压，则可
缩短尾部时间；
● 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
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO 三、 GTO的主要参数
３．最大可关断阳极电流 IATO 门极可关断晶闸管 GTO的额定电流
§1.4.2 电力晶体管 GTR
一． GTR 的结构和工作原理
★ 原理同普通晶体管，主要特征：耐压高、电流大、开关特性好； ★ 结构采用至少由两个晶体管成的达林顿接法单元结构（图1－13）
后将许多这种单元采用集成电路工艺并联而成 ；
★ 使用时常用共发射极接法，集电极电流 ic 与基极电流 ib 之比 ? 反映了
４．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，即：
? off
?
I ATO I GM
（1－8）
● ?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需要 200A
§1.4.2 电力晶体管 GTR
★ 半导体晶体管：分单极型和双极结型两种 ● 场效应管：参与导电的载流子只有一种，电子或空穴； ● 双极结型晶体管：两种载流子电子和空穴都参与导电； ★ 电力晶体管（ Giant Transistor ——GTR） ● 直译为巨型晶体管； ● 英文有时候也称为 Power BJT （Bipolar Junction Transistor ） ● 是耐高电压、大电流的双极结型晶体管； ★ 在电力电子技术的范围内， GTR 与 BJT 这两个名称等效应用 ★ 从20世纪80年代以来，电力晶体管在中、小功率范围内取代 了
基极电流对集电极电流的控制能力，称为：共发射极电流放大系数；
? ? ic ib
iG
GTO的开通和关断过程电流波形
O t
iA
IA 90% IA
td
tr
10% IA
0
t0
t1
t2
ts
tf
tt
t3 图 1-14
t4
t5
t6
t
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO 三．GTO的主要参数
多参数和晶闸管相应参数意义相同，仅介绍意义不同的参数
１．开通时间 ton ＝延迟时间 td ＋ 上升时间 tr
● ? 1+? 2 < 1 不能维持饱和导通而关断
图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO－－图形符号和工作原理
★ 导通过程： 与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅
A
P1
N1
N1
G
P2
P2
N2
K a)
A
IA
PNP
V1
G IG
Ic1
Ic2
R
NPN
V2
S EG
延迟时间 td 约：1~2? s，上升时间 tr 随阳极电流的增大而增大
２．关断时间 toff ＝储存时间 ts ＋下降时间 tf （不包括尾部时间tt ）
● 储存时间 ts 随阳极电流的增大而增大，下降时间 tf 一般小于 2? s
● tf ? ts tt > ts
● 门极负脉冲电流前沿越陡，幅值越大，抽取储存载流子的速度
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO 二．动态特性
★ 开通过程：需经过延迟时间 td （1~2? s）和上升时间 tr 两个阶段 ★ 关断过程：与普通晶闸管有所不同，由三个时间段组成
储存时间 ts : 抽取饱和导通时储存的载流子，使等效晶体管退出饱和 下降时间 tf ：从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小（小于2? s） 尾部时间 tt ：残存载流子复合
2．工作原理： 可用下图所示的双晶体管模型来分析
● GTO 关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别
1）设计 ? 2 较大，使晶体管 V2 控制灵敏，易于 GTO关断； 2）导通时 ? 1+? 2 更接近 1≈1.05，普通晶闸管 ? 1+? 2 ? 1.15，饱和不
深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大；
IK
EA
K
b)
★ 关断过程： 门极加负脉冲即从门极抽出电流， Ib2 减小，使 IK 和 Ic2 减小， Ic2 的减小又使 IA 和 Ic1 减小，又进一步减小 Ib2 电流， 进而形成强烈的正反馈；
● 当 IA 和 IK 的减小使 ? 1+? 2 < 1 时，器件 退出饱和而关断；
● 多元集成结构使 GTO 比普通晶闸管开通快，承受 di/dt能力强。
3）多元集成结构使 GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短， 使得 P2 基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。
A
P1
N1
N1
G
P2
P2
N2
K a)
A
IA
PNP
V1
G IG
Ic 1
Ic2
R
NPN
V2
S EG
IK
EA
K
b)
● ? 1+? 2＝1 器件临界导通的条件
● ? 1+? 2 > 1 过饱和而使器件导通
§1.4 典型全控型器件
§1.4.1 门极可关断晶闸管 §1.4.2 电力晶体管 §1.4.3 电力场效应晶体管 §1.4.4 绝缘栅双极晶体管
§1.4 典型全控型器件
★ 20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自 发展的基础上相结合——高频化、全控型、采用集成电路 制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了 一个崭新时代；
1．结构（和普通晶闸管相对比）
● 相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极
● 不同点：
A
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
G
K
和门极则在器件内部并联在一起。
图1-13 电气图形符号
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO－－图形符号和工作原理
★ 门极可关断晶闸管 —— 在晶闸管问世后不久出现； ★ 典型器件：
● 门极可关断晶闸管 ● 电力晶体管 ● 电力场效应晶体管 ● 绝缘栅双极晶体管
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO 一．图形符号和工作原理
门极可关断晶闸管（ Gate-Turn-Off Thyristor ）是晶闸管的一种 派生器件，导通控制与普通晶闸管一样。并可通过在其门极施加 负的脉冲电流使其关断， GTO的电压、电流容量与晶闸管接近， 因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。
越快， ts 越短； ● 门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在 tt 阶段保持适当负电压，则可
缩短尾部时间；
● 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
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO 三、 GTO的主要参数
３．最大可关断阳极电流 IATO 门极可关断晶闸管 GTO的额定电流