2电力电子器件(3)-全控型器件
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。
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。
电力电子技术
电力电子技术（区分）电力电子器件按照控制特性分类：1）不可控型器件（不具有开关性能）：功率二极管；2）半控型器（只能控制导通不能控制其关断）：晶闸管及其大部分晶闸管派生器件；3）全控型器件（既能控制导通又能控制其关断）：可关断晶闸管、双极型功率晶体管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管等。
变换器按照电能变换功能分为：1）交流—直流变换器（AD-DC Converter）；2）直流—交流变换器（DC-AD Converter）；3）交流—交流变换器（AD-AD Converter）；4）直流—直流变换器（DC-DC Converter）。
晶闸管导通需要具备的条件：1）在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压（即在阳极加正向电压）；2）在晶闸管的门极与阴极之间加上正向电压和电流（即在门极加正控制信号）。
区分维持电流和擎住电流：1）维持电流I H：在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至维持通态所必需的最小阳极电流。
2）擎住电流I L：晶闸管从断态转换到通态时移去的触发信号之后，要保持器件维持通态所需要的最小阳极电流。
对于同一个晶闸管来说，通常擎住电流为维持电流的（2~4）倍。
晶闸管的通态平均电流I T(AV)和正弦电流最大值I m之间的关系：I T(AV)= ;正弦半波电流的有效值I T：I T= 。
绝缘栅双极型晶体管IGBT兼有MOSFET的快速响应、高输入阻抗和BJT的低通态压降、高电流密度的特性。
由栅极电压来控制IGBT的导通或关断。
晶闸管对驱动电路的基本要求：1）驱动信号可以是交流、直流或脉冲；2）驱动信号应有足够的功率；3）驱动信号应有足够的宽度和陡度。
晶闸管串联时必须解决其均压问题，均压包括静态均压和动态均压两种。
器件的容量从高到低的顺序：SCR、GTO、IGBT、BJT、功率MOSFET；器件的频率从高到低的顺序：功率MOSFET、IGBT、BJT、GTO、SCR。
第二章：触发角a也称触发延迟角或控制角，是指晶闸管从承受电压开始到导通之间角度。
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
电力电子课后习题答案
2—１1试列举您所明白的电力电子器件,并从不同的角度对这些电力电子器件进行分类。
目前常用的控型电力电子器件有哪些？答:1、依照器件能够被控制的程度,分为以下三类:(1)半控型器件:晶闸管及其派生器件(２)全控型器件:IGBT,ＭＯSFEＴ,GＴＯ,ＧTR(3)不可控器件:电力二极管２。
依照驱动信号的波形(电力二极管除外)(1)脉冲触发型:晶闸管及其派生器件(2)电平控制型: (全控型器件)IGＢＴ,MOSFEＴ,GＴO,ＧTR3、依照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类:(1) 单极型器件:电力ＭOSＦEＴ,功率 SIT,肖特基二极管(2) 双极型器件:GTR,GＴO,晶闸管,电力二极管等(3) 复合型器件:IGBT,MCＴ,ＩGＣT 等4。
依照驱动电路信号的性质,分为两类:(1)电流驱动型:晶闸管,GTＯ,GTR 等(2)电压驱动型:电力 MOＳFET,IＧＢT 等常用的控型电力电子器件:门极可关断晶闸管, 电力晶闸管,电力场效应晶体管,绝缘栅双极晶体管。
2－１5 对晶闸管触发电路有哪些基本要求？晶闸管触发电路应满足下列要求:１）触发脉冲的宽度应保证晶闸管的可靠导通;２）触发脉冲应有足够的幅度,对户外寒冷场合,脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的3-５倍,脉冲前沿的陡度也需增加,一般需达到1－2A/UＳ。
３）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额,且在门极伏安特性的可靠出发区域之内。
４）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。
2—18 ＩGBＴ、GＴＲ、GＴO和电力ＭＯＳFＥT的驱动电路各有什么特点？IGBT驱动电路的特点是:驱动电路具有较小的输出电阻,IGBT是电压驱动型器件,ＩGBＴ的驱动多采纳专用的混合集成驱动器。
GTＲ驱动电路的特点是:驱动电路提供的驱动电流有足够陡的前沿,并有一定的过冲,如此可加速开通过程,减小开通损耗;关断时,驱动电路能提供幅值足够大的反向基极驱动电流,并加反偏截止电压,以加速关断速度。
电力电子简答题考试重点
1.电力电子器件的分类a.按照电力电子器件能被控制电路信号所控制的程度可分为三类：(1)不可控器件：不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件，因此不需要驱动电路，这就是电力二极管。
只有两个端子，器件的导通和关断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。
（2）半控型器件：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。
晶闸管及其大部分派生器件，器件的关断是由其在主电路中所承受的电压和电流决定的。
(3)全控型器件（自关断器件）：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。
常用的是电力场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
GTO(门极可关断晶闸管)、GTR(电力晶体管)b.按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端间信号的性质分两类：(1)电流驱动型：通过从控制端注入或抽出电流来实现导通或者关断的控制。
（晶闸管、GTO 、GTR ）(2)电压驱动型：通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或关断的控制。
（IGBT 、MOSFET ）c.按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况可分三类：（1）单极型器件：由一种载流子参与导电的器件。
（电力MOSFET 、功率SIT 、肖特基二极管）(2)双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。
（电力二极管、晶闸管、GTO 、GTR ）(3)复合型器件：由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。
（MCT （MOS 控制晶闸管）、IGBT 、SITH ）d.根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的有效信号波形分类：（1）脉冲触发型（晶闸管及其派生器件）（2）电平控制型（（全控型器件IGBT 、GTO 、MOSFET 、GTR ）2、使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。
或：uAK>0且uGK>0。
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。
2电力电子器件(3)-全控型器件
2.4.1 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 近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多 的应用
➢兆瓦以上首选，制造水平6kA/6kV。
2、GTO的工作原理
（1）开通过程
GTO 也 可 等 效 成 两 个 晶 体 管 P1N1P2 和 N1P2N2 互 连，GTO与晶闸管最大区别就是导通后回路增益 α1+α2数值不同，其中α1和α2分别为P1N1P2和N1P2N2 的共基极电流放大倍数。晶闸管的回路增益α1+α2 常 为 1.15左 右 ， 而 GTO的 α1+α2 非 常 接 近 1。 因 而 GTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳极 电流提供有利条件。
2.4.2 电力晶体管
GTR的类型 目前常用的GTR有单管、达林顿管和模块三种类型。 单管GTR基本型。
单管GTR的电流放大系数很小，通常为10左右。
2.4.2 电力晶体管
达林顿GTR 达林顿结构的GTR是由两个或多个晶体管复合
而成。
优点：达林顿结构的GTR 电流放大倍数很大，可 以达到几十至几千倍。
2.4 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
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
门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现
（2）关断过程
当GTO已处于导通状态时，对门极加负的关 断脉冲，形成负的IG，相当于将IC1的电流抽出， 使晶体管N1P2N2的基极电流减小，使IC2和IK随之 减小，IC2减小又使IA和IC1减小，这是一个正反馈 过程。当IC2和IC1的减小使α1+α2<1时，等效晶体 管N1P2N2和P1N1P2退出饱和，GTO不满足维持导 通条件，阳极电流下降到零而关断。
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正常工作时处于： 临界饱和状态
由于GTO处于临界饱和状态，用抽走阳极电流 的方法破坏临界饱和状态，能使器件关断。而晶 闸管导通之后，处于深度饱和状态，用抽走阳极 电流的方法不能使其关断。
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缺点：饱和管压降增加， 增大了导通损耗，同时 降低了管子工作速度。
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2.4.2 电力晶体管 GTR模块
它是将GTR管芯根据不同的用途将几个单元电 路集成在同一硅片上。
提高了器件的集成度、工 作的可靠性、性能/价格比， 同时也实现了小型轻量化。
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2.4 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
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
延迟时间+上升时间：td + tr 储存时间+下降时间： ts + tf 尾部时间：tt
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4、主要参数
GTO有许多参数与晶闸管相同，这里只介绍一 些与晶闸管不同的参数。
（1）最大可关断阳极电流IATO(GTO的额定电流)
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（1）开通过程
GTO 也 可 等 效 成 两 个 晶 体 管 P1N1P2 和 N1P2N2 互 连，GTO与晶闸管最大区别就是导通后回路增益 α1+α2数值不同，其中α1和α2分别为P1N1P2和N1P2N2 的共基极电流放大倍数。晶闸管的回路增益α1+α2 常 为 1.15左 右 ， 而 GTO 的 α1+α2 非 常 接 近 1。 因 而 GTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳极 电流提供有利条件。
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2.4.2 电力晶体管
cGTR的主要参数：电压参数b最高电压额定值
e
GTR上电压超过规定值时会发生击穿。击穿电 压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法 有关。
击穿电压有多种：
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目前生产的GTR模块可将6 个相互绝缘的单元电路制在 同一个模块内，以便于组成 三相桥电路。
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2.4.2 电力晶体管
GTR的静态特性：在电力电子电路中，GTR工作在开
关状态，即工作在截止区或者饱和区。但GTR在开
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电力电子器件 2.4.2 电力晶体管
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c
1. GTR的结构和工作原理
b
电力晶体管 耐高电压、大电流的双极结型晶e体管
与普通的双极结型晶体管基本 原理是一样的。 主要特性是耐压高、电流大、 开关特性好。 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。 采用集成电路工艺将许多这种 单元并联而成 。
本章小结及作业
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2.4 典型全控型器件
2.4.1 门极可关断晶闸管 2.4.2 电力晶体管 2.4.3 电力场效应晶体管 2.4.4 绝缘栅双极晶体管
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GTO的关断特性
GTO的关断过程有三个不同的时间，即存储时 间ts、下降时间tf及尾部时间tt。 存储时间ts ：对应着从关断过程开始，到阳极电
流开始下降到90%IA为止的一段时间间隔。 下降时间tf ：对应着阳极电流迅速下降，阳极电
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2.4.2 电力晶体管
BC
BC
E
E
BC E
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BC E
BUcex 基极反偏
BUces 基极短路
BUceR 基极串电阻
BUceo 基极开路
BUCBO－发射极开路时，集－基极的击穿电压。 BUCEX－基极施加反偏压时，集－射极的击穿电压。 BUCES－基射极短路时，集－射极的击穿电压。 BUCER－基－射极间并联电阻时，基－射极的击穿电压。 BUCEO－基极开路时，集－射极的击穿电压。
实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半 或稍多一点。
超过该额定值必将导致晶体管内部结构的烧 毁。 集电极连续直流电流额定值IC
集电极连续直流电流额定值是指只要保证结
温不超过允许的最高结温，晶体管允许连续通过 的直流电流值。
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的器件。和晶闸管不同的是：GTO内部是由许多四层
结构的小晶闸管并联而成，这些小晶闸管的门极和
阴极并联在一起，成为GTO元，而普通晶闸管是独立
元件结构。下图是GTO的结构示意图、等效电路和电
气符号。
N2 P2 N2 N1
P1 A
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2、GTO的工作原理
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关断：经过储存时间ts和下降时间tf，二者之和 为关断时间toff。
减小导通时的饱和深度（工作在临界饱和或准
饱和区），或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负 偏压，可加快关断速度。
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GTR的动态特性
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电流过大时α1+α2稍大于1的条件可能被破坏，使器 件饱和程度加深，导致门极关断失败。。
（2）电流关断增益off(太小,GTO的主要缺点）
GTO的关断增益off为最大可关断阳极电流IATO与
门极负电流最大值IGM之比，通常只有5左右。
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第2章 电力电子器件
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第一节 电力电子器件概述 第二节 不可控器件——电力二极管 第三节 半控型器件——晶闸管 第四节 典型全控型器件 第五节 其他新型电力电子器件 第六节 功率集成电路与集成电力电子模块
单管GTR的电流放大系数很小，通常为10左右。
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电力电子器件 2.4.2 电力晶体管
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达林顿GTR
达林顿结构的GTR是由两个或多个晶体管复合 而成。
优点：达林顿结构的GTR 电流放大倍数很大，可 以达到几十至几千倍。
关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，一般
要经过放大区。
截止区
放大区
饱和区
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2.4.2 电力晶体管
动态特性
开通:经过延时时间td和上升时间tr，二者之和 为开通时间ton；增大ib的幅值并增大dib/dt，可 缩短延迟时间，同时可缩短上升时间。
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（2）关断过程
当GTO已处于导通状态时，对门极加负的关 断脉冲，形成负的IG，相当于将IC1的电流抽出， 使晶体管N1P2N2的基极电流减小，使IC2和IK随之 减小，IC2减小又使IA和IC1减小，这是一个正反馈 过程。当IC2和IC1的减小使α1+α2<1时，等效晶体 管N1P2N2和P1N1P2退出饱和，GTO不满足维持导 通条件，阳极电流下降到零而关断。
压不断上升和门极反电压开始建立的过程。
尾部时间tt ：则是指从阳极电流降到极小值时开 始，直到最终达到维持电流为止的时间。
武汉科技大学信息科学与工程学院
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电力电子技术 (Power Electronics)
电力电子器件
2020/12/13
3、GTO的动态特性
开通过程：与普通晶闸管相同(td + tr) 关断过程：与普通晶闸管有所不同
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