第2章 全控型电力电子器件57141
合集下载
01 第1章 电力电子器件
第1章 电力电子器件
1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件——电力二极管 1.3 半控型器件——晶闸管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动要求 1.7 电力电子器件的串并联技术 本章小结
IGBT 模块和水 冷式散热器
功率 MOSFET 贴片式二极管
电力电子技术 2015/10/14 26
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
■PN结的电容效应 ◆称为结电容CJ，又称为微分电容。 ◆按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容 CD 。 ☞势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频 率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正 向电压较低时，势垒电容为主。 ☞扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时， 扩散电容为结电容主要成分。 ◆结电容影响 PN 结的工作频率，特别是在高速开关的状 态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。
电力电子技术
电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置
2015/10/14 33
1.2.3 电力二极管的主要参数
11
2.1.3 电力电子器件的分类
■按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ） ◆脉冲触发型 ☞通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来 实现器件的开通或者关断的控制。 ◆电平控制型 ☞必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电 平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通 状态或者关断并维持在阻断状态。
电流 电压
阻态
电力电子技术
2015/10/14
31
1.2.2 电力二极管的基本特性
u i i UFP
F
◆动态特性 1： 由零偏置转换为正向偏置 ☞正向恢复时间tfr
1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件——电力二极管 1.3 半控型器件——晶闸管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动要求 1.7 电力电子器件的串并联技术 本章小结
IGBT 模块和水 冷式散热器
功率 MOSFET 贴片式二极管
电力电子技术 2015/10/14 26
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
■PN结的电容效应 ◆称为结电容CJ，又称为微分电容。 ◆按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容 CD 。 ☞势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频 率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正 向电压较低时，势垒电容为主。 ☞扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时， 扩散电容为结电容主要成分。 ◆结电容影响 PN 结的工作频率，特别是在高速开关的状 态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。
电力电子技术
电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置
2015/10/14 33
1.2.3 电力二极管的主要参数
11
2.1.3 电力电子器件的分类
■按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ） ◆脉冲触发型 ☞通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来 实现器件的开通或者关断的控制。 ◆电平控制型 ☞必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电 平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通 状态或者关断并维持在阻断状态。
电流 电压
阻态
电力电子技术
2015/10/14
31
1.2.2 电力二极管的基本特性
u i i UFP
F
◆动态特性 1： 由零偏置转换为正向偏置 ☞正向恢复时间tfr
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。
全控型电力电子器件
GTO 的 外 形
电路符号
阳阳A
☞GTO的导通过程与普通 晶闸管是一样的，只不 过导通时饱和程度较浅。 ☞而关断时，给门极加负脉 冲，即从门极抽出电流， 器件退出饱和而关断。 ☞GTO的多元集成结构使 得其比普通晶闸管开通 过程更快，承受di/dt的 能力增强。
阳阳G 阳阳A
2018/12/13
2
1.3.1可关断晶闸管GTO——主要参数
2018/12/13
0.01ms 1ms
另外安全工作区与导通控制 脉冲有关系,如左图，给出不同 宽度的脉冲对应的安全工作区
C D BUCE UCE
11
1.3.3 功率场效应管MOSFET——外型和电路符号和特点
外 型
电 路 符 号
2018/12/13
阳阳D
阳阳G 阳阳S
■分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型 中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称电力MOSFET（Power MOSFET）。 ■电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的， 它的特点有： ◆驱动电路简单，需要的驱动功率小。 ◆开关速度快，工作频率高（可达106）。 ◆热稳定性优于GTR。 ◆电流容量小，耐压低，多用于功率不超过 10kW的电力电子装置。 比较： GTO一般可以做到几KA/KV（功率最大）；开关 速度几百HZ； GTR一般可以做到几百A/KV，速度稍慢，几K到 几百K， MOSFET一般可以做到几十A/KV（速度最快）， 可达106 ；
关断过程
从开始施加反向基极电流到集电极电流开始下降 （下降到90%ICO）对应的时间叫做存储时间ts。接 着是下降时间tf，定义为集电极电流从90%ICO下降 到10%ICO对应的时间。关断时间toff=ts+tf。 GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和 GTO都短很多。
电力电子资料第四章
20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶 闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。
一、GTR的结构及工作原理
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
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 。 β——GTR的电流放大系数
如：代表性器件为 MOSFET和IGBT。
（三）根据内部载流子参与导电的种类分
1.单极型：器件内只有一种载流子参与导电。 如：功率MOSFET（功率场效应晶体管） SIT（静电感应晶体管） 2.双极型：器件内电子与空穴都参与导电。 如：GTR（电力晶体管） GTO（可关断晶闸管） SITH（静电感应晶闸管） 3.复合型：由双极型器件与单极型器件复合而成 如：IGBT（绝缘栅双极晶体管） MCT（MOS控制晶闸管）
(三) GTR的二次击穿和安全工作区
（1） 二次击穿
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Ic增大到某个临界 点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡 然下降。常常立即导致器件的永久损坏， 或者工作特性明显衰变 。
第五节 驱动电路
驱动电路的基本任务：
将电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换 为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其 开通或关断的信号。 对半控型器件只需提供开通控制信号。 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提 供关断控制信号。 在高压变换电路中，需要时控系统和主电路之间 进行电气隔离，这可以通过脉冲变压器或光耦来 实现。
IGBT：绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor) 。 兼具功率MOSFET高速开关特性和GTR的低导通压 降特性两者优点的一种复合器件。 IGBT于1982年开始研制，1986年投产，是发展最 快而且很有前途的一种混合型器件。 目前IGBT产品已系列化，最大电流容量达1800A， 最高电压等级达4500V，工作频率达50kHZ。 在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它 高速低损耗的中小功率领域，IGBT取代了GTR和 一部分MOSFET的市场。
一、GTR的结构及工作原理
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
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 。 β——GTR的电流放大系数
如：代表性器件为 MOSFET和IGBT。
（三）根据内部载流子参与导电的种类分
1.单极型：器件内只有一种载流子参与导电。 如：功率MOSFET（功率场效应晶体管） SIT（静电感应晶体管） 2.双极型：器件内电子与空穴都参与导电。 如：GTR（电力晶体管） GTO（可关断晶闸管） SITH（静电感应晶闸管） 3.复合型：由双极型器件与单极型器件复合而成 如：IGBT（绝缘栅双极晶体管） MCT（MOS控制晶闸管）
(三) GTR的二次击穿和安全工作区
（1） 二次击穿
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Ic增大到某个临界 点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡 然下降。常常立即导致器件的永久损坏， 或者工作特性明显衰变 。
第五节 驱动电路
驱动电路的基本任务：
将电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换 为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其 开通或关断的信号。 对半控型器件只需提供开通控制信号。 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提 供关断控制信号。 在高压变换电路中，需要时控系统和主电路之间 进行电气隔离，这可以通过脉冲变压器或光耦来 实现。
IGBT：绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor) 。 兼具功率MOSFET高速开关特性和GTR的低导通压 降特性两者优点的一种复合器件。 IGBT于1982年开始研制，1986年投产，是发展最 快而且很有前途的一种混合型器件。 目前IGBT产品已系列化，最大电流容量达1800A， 最高电压等级达4500V，工作频率达50kHZ。 在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它 高速低损耗的中小功率领域，IGBT取代了GTR和 一部分MOSFET的市场。
电力电子技术第2章 电力电子器件概述
第2章
电力电子器件
2.1 电力电子器件概述 2.2 不可控器件——电力二极管
2.3 半控型器件——晶闸管
2.4 典型全控型器件
2.5 其他新型电力电子器件
本章小结
1
第2章 电力电子器件·引言
电子技术的基础
——— 电子器件：晶体管和集成电路
电力电子电路的基础
——— 电力电子器件
本章主要内容：
概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。 介绍常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主 要参数以及选择和使用中应注意问题。
A
K
K A
a)
A
K
PN
I
J
b)
A
K
c)
图1-2 电力二极管的外形、结构和电气 图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
13
2P.N2结.1的P状N态结与电力二极管的工作原理
状态 参数
正向导通
反向截止
反向击穿
电流
正向大
几乎为零
反向大
电压
维持约1V
反向大
反向大
阻态
低阻态
高阻态
——
二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要
电力二极管的基本F 特diF 性
dt
trr
——电力二极管在偏值状态发生改变时的过 UF
td
tf
渡过程
——二极管的电压-电流特性随时间变化的
tF t0
t1 t2
UR
t
diR
——结电容的存在
dt
延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1
u
IRP a)
URP
电力电子器件
2.1 电力电子器件概述 2.2 不可控器件——电力二极管
2.3 半控型器件——晶闸管
2.4 典型全控型器件
2.5 其他新型电力电子器件
本章小结
1
第2章 电力电子器件·引言
电子技术的基础
——— 电子器件：晶体管和集成电路
电力电子电路的基础
——— 电力电子器件
本章主要内容：
概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。 介绍常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主 要参数以及选择和使用中应注意问题。
A
K
K A
a)
A
K
PN
I
J
b)
A
K
c)
图1-2 电力二极管的外形、结构和电气 图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
13
2P.N2结.1的P状N态结与电力二极管的工作原理
状态 参数
正向导通
反向截止
反向击穿
电流
正向大
几乎为零
反向大
电压
维持约1V
反向大
反向大
阻态
低阻态
高阻态
——
二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要
电力二极管的基本F 特diF 性
dt
trr
——电力二极管在偏值状态发生改变时的过 UF
td
tf
渡过程
——二极管的电压-电流特性随时间变化的
tF t0
t1 t2
UR
t
diR
——结电容的存在
dt
延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1
u
IRP a)
URP
CH2_1-3
图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去 控制主电路中电力电子器件的通或断 另外有检测电路、保护电路等。
第1章第7页
2.1.3 电力电子器件的分类
按照器件能够被控制电路信号所控制的程 度，分为以下三类：
(1) 半控型器件——通过控制信号可以控制其
2.2.2
2. 动态特性
电力二极管的基本特性
----因结电容的存在，电力二极管在 零偏置 、正向
偏置、反向偏置这三种状态之间的转换必然有一
个过渡过程，此过程中的电压—电流特性是随时 间变化的。 开关特性——反映通态和断态之间的转换过程
第1章第19页
2.2.2
关断过程：
电力二极管的基本特性
须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入 截止状态
NÐ Ç Í ø
Õ ä ç É ø ¿ ¼ µ º Ç
图1-3 PN结的形成
第1章第14页
2.2.1
PN结与电力二极管的工作原理
i
PN结的单向导电性
在外加电压时才体现出来： 正向导通 反向截止
u
二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性 这一 主要特征
第1章第15页
2.2.1
PN结与电力二极管的工作原理
阳极正电压+门极电流 —导通
第1章第36页
2.3.1
晶闸管的结构与工作原理
A A P1 N1 G P2 N2 K N1 P2 IA V1 G IG S EG Ic1 NPN PNP Ic2 V2 IK K EA R
等效模型：
Hale Waihona Puke a) b) 图2-8 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
电力电子器件全控型器件
28 第二十八页，共42页。
GTR的二次击穿与安全(ānquán)工作区
Ic
二次击穿(jī
IcM
P SB chuān)功率
SOA
P cM
O U ceM U ce
GTR的安全(ānquán)工 作区
29 第二十九页，共42页。
2021/11/11
2.4.3 电力(diànlì)场效应晶体 管
分为结型和绝缘栅型 通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide
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 (jiézhǐ)
区 放大 (fàngdà) 区
饱和区
21
第二十一页，共42页。
2021/11/11
2.4.2 电力(diànlì)晶体管
（1）最大可关断阳极电流IATO(GTO的额定电流) 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(shībài)。。
（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。
N2 P2 N2 N1
P1 A
6
第六页，共42页。
2021/11/11
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(bù tónɡ)，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。
GTR的二次击穿与安全(ānquán)工作区
Ic
二次击穿(jī
IcM
P SB chuān)功率
SOA
P cM
O U ceM U ce
GTR的安全(ānquán)工 作区
29 第二十九页，共42页。
2021/11/11
2.4.3 电力(diànlì)场效应晶体 管
分为结型和绝缘栅型 通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide
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 (jiézhǐ)
区 放大 (fàngdà) 区
饱和区
21
第二十一页，共42页。
2021/11/11
2.4.2 电力(diànlì)晶体管
（1）最大可关断阳极电流IATO(GTO的额定电流) 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(shībài)。。
（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。
N2 P2 N2 N1
P1 A
6
第六页，共42页。
2021/11/11
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(bù tónɡ)，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。
典型全控型器件
•等效晶体管从饱和区退至放大 区，阳极电流逐渐减小——下 降时间tf 。
•残存载流子复合——尾部时间 tt 。
•通 常 tf 比 ts 小 得 多 ， 而 tt 比 ts 要 长。
•门极负脉冲电流幅值越大，前 沿越陡，抽走储存载流子的速 度越快，ts越短。
•门极负脉冲的后沿缓慢衰减， 在 tt 阶 段 仍 保 持 适 当 负 电 压 ， 则可缩短尾部时间 。
2020/4/25
电力电子技术
太原工业学院自动化系
➢ GTO能够通过门极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+21.15） 导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但 导通时管压降增大。
4. GTR的二次击穿现象与安全工作区
➢ 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Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升， 并伴随电压的陡然下降。
• 常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。
GK
GK
G
A
N2
P2 N2
N1
P1 A
G K
a)
b)
c)
GTO的内部结构和电气图形符号 图1-13
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
2020/4/25
c) 电气图形符号
电力电子技术
太原工业学院自动化系
➢ 工作原理：
1.导通原理 • 与普通晶闸管一样，可以用双晶体管模型来分析。
•残存载流子复合——尾部时间 tt 。
•通 常 tf 比 ts 小 得 多 ， 而 tt 比 ts 要 长。
•门极负脉冲电流幅值越大，前 沿越陡，抽走储存载流子的速 度越快，ts越短。
•门极负脉冲的后沿缓慢衰减， 在 tt 阶 段 仍 保 持 适 当 负 电 压 ， 则可缩短尾部时间 。
2020/4/25
电力电子技术
太原工业学院自动化系
➢ GTO能够通过门极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+21.15） 导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但 导通时管压降增大。
4. GTR的二次击穿现象与安全工作区
➢ 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Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升， 并伴随电压的陡然下降。
• 常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。
GK
GK
G
A
N2
P2 N2
N1
P1 A
G K
a)
b)
c)
GTO的内部结构和电气图形符号 图1-13
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
2020/4/25
c) 电气图形符号
电力电子技术
太原工业学院自动化系
➢ 工作原理：
1.导通原理 • 与普通晶闸管一样，可以用双晶体管模型来分析。
- 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)。
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
2020/7/10
模块
2020/7/10
IGBT
2020/7/10
2020/7/10
开关器件——IGCT＝驱动电路＋GCT
4kA/4.5kV IGCT
• 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
2020/7/10
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。
2020/7/10
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
2020/7/10
3.特点
• 全控型 • 容量大
• off≈5
• 电流控制型
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
2020/7/10
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
2020/7/10
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。
冲电流峰值要200A 。
2020/7/10
第二节 GTR——电力晶体管
➢电力晶体管GTR （Giant Transistor，巨型晶体管） ➢耐 高 电 压 、 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管 （ Bipolar
Junction Transistor——BJT）， 英 文 有 时 候 也 称 为 Power BJT ➢ 在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效 。 应用 ➢20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管， 但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代
• 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 。
2020/7/10
1. 结构
• 复合结构（= MOSFET+GTR）
2020/7/10
发射极栅极 EG
N+PN+ N+PN+ J3 J2 N-
N+ J1 P+
C集电极
a)
漂移区 缓冲区 G
注入区
C
IDRNV-J1+ IC
C
-+
+
-IDRon
G
E
栅极
b)
c)
集电极 发射极
2.导通关断条件
驱动原理与电力MOSFET基本相同，属于场控器件 ，通断由栅射极电压uGE决定 导通条件：在栅射极间加正电压UGE UGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道， 为晶体管提供基极电流，IGBT导通。 关断条件：栅射极反压或无信号 栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟 道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。
• 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。
2020/7/10
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，
2020/7/1常0 常立即导致器件的永久损坏。必需避免。
安全工作区
防止二次击穿，采用保护电路，同时考虑器件 的安全裕量，尽量使GTR工作在安全工作区。
2020/7/10
4.特点
• 全控型，电流控制型 • 二次击穿（工作时要防止） • 中大容量，开关频率较低
2020/7/10
第三节 功率场效应晶体管（MOSFET ）
2020/7/10
2.特点
• 控制级输入阻抗大 • 驱动电流小 • 防止静电感应击穿 • 中小容量，开关频率高 • 导通压降大（不足）
2020/7/10
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 Transistor）,是80年代中期发 展起来的一种新型复合器件。
S
D
D
G
N+PN+
N+PN+
沟道
N-
N+
D
G
G
S N沟道
S P沟道
a)
b)
图1-19
G： 栅极 D： 漏极 S： 源极
2020/7/10
电力MOSFET的结构和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号
1.导通关断条件
漏源极导通条件：在栅源极间加正电压UGS 漏源极关断条件：栅源极间电压UGS为零
2020/7/10
3.特点
• 高频，容量大 • 反向耐压低（必须反接二极管） • 模块化 • 驱动和保护有专用芯片
2020/7/10
其他电力电子器件
• MCT——MOS控制晶闸管 • SIT——静电感应晶体管 • SITH——静电感应晶闸管
2020/7/10
本章小结
1、根据开关器件是否可控分类
663A/4.5kV IGCT
2020/7/10
GCT分解部件
第一节 门极可关断（GTO）晶闸管
1. 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； ➢和普通晶闸管的不同点：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 则在器件内部并联在一起。
（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、功率MOSFET、IGBT等。
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。
（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P-MOSEET、IGBT。
• 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
2020/7/10
模块
2020/7/10
IGBT
2020/7/10
2020/7/10
开关器件——IGCT＝驱动电路＋GCT
4kA/4.5kV IGCT
• 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
2020/7/10
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。
2020/7/10
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
2020/7/10
3.特点
• 全控型 • 容量大
• off≈5
• 电流控制型
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
2020/7/10
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
2020/7/10
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。
冲电流峰值要200A 。
2020/7/10
第二节 GTR——电力晶体管
➢电力晶体管GTR （Giant Transistor，巨型晶体管） ➢耐 高 电 压 、 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管 （ Bipolar
Junction Transistor——BJT）， 英 文 有 时 候 也 称 为 Power BJT ➢ 在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效 。 应用 ➢20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管， 但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代
• 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 。
2020/7/10
1. 结构
• 复合结构（= MOSFET+GTR）
2020/7/10
发射极栅极 EG
N+PN+ N+PN+ J3 J2 N-
N+ J1 P+
C集电极
a)
漂移区 缓冲区 G
注入区
C
IDRNV-J1+ IC
C
-+
+
-IDRon
G
E
栅极
b)
c)
集电极 发射极
2.导通关断条件
驱动原理与电力MOSFET基本相同，属于场控器件 ，通断由栅射极电压uGE决定 导通条件：在栅射极间加正电压UGE UGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道， 为晶体管提供基极电流，IGBT导通。 关断条件：栅射极反压或无信号 栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟 道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。
• 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。
2020/7/10
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，
2020/7/1常0 常立即导致器件的永久损坏。必需避免。
安全工作区
防止二次击穿，采用保护电路，同时考虑器件 的安全裕量，尽量使GTR工作在安全工作区。
2020/7/10
4.特点
• 全控型，电流控制型 • 二次击穿（工作时要防止） • 中大容量，开关频率较低
2020/7/10
第三节 功率场效应晶体管（MOSFET ）
2020/7/10
2.特点
• 控制级输入阻抗大 • 驱动电流小 • 防止静电感应击穿 • 中小容量，开关频率高 • 导通压降大（不足）
2020/7/10
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 Transistor）,是80年代中期发 展起来的一种新型复合器件。
S
D
D
G
N+PN+
N+PN+
沟道
N-
N+
D
G
G
S N沟道
S P沟道
a)
b)
图1-19
G： 栅极 D： 漏极 S： 源极
2020/7/10
电力MOSFET的结构和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号
1.导通关断条件
漏源极导通条件：在栅源极间加正电压UGS 漏源极关断条件：栅源极间电压UGS为零
2020/7/10
3.特点
• 高频，容量大 • 反向耐压低（必须反接二极管） • 模块化 • 驱动和保护有专用芯片
2020/7/10
其他电力电子器件
• MCT——MOS控制晶闸管 • SIT——静电感应晶体管 • SITH——静电感应晶闸管
2020/7/10
本章小结
1、根据开关器件是否可控分类
663A/4.5kV IGCT
2020/7/10
GCT分解部件
第一节 门极可关断（GTO）晶闸管
1. 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； ➢和普通晶闸管的不同点：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 则在器件内部并联在一起。
（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、功率MOSFET、IGBT等。
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。
（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P-MOSEET、IGBT。