四种典型的全控型器件
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。
2.4典型全控型器件
1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。
2019/11/7
电力电子技术
太原工业学院自动化系
2.4.2 电力晶体管（GTR）
GTR是一种耐高压，大电流的双极结型晶 体管。它具有自关断能力，并有开关时间短 、饱和压降低、安全工作区宽等优点。20世 纪80年代是GTR发展和应用的全盛时期。由 于GTR实现了高频化、模块化，廉价化，因 此被广泛应用于交流电机调速、UPS、中频 电源等电力变流装置中，并在中小功率应用 方面取代了传统的晶闸管。但随着IGBT的兴 起，GTR在逐步被IGBT取代。
2019/11/7
电力电子技术
太原工业学院自动化系
◤当发射结处于正向偏置而集电结仍为反向偏置 时，即UBE>0，UBC<0，随着IB增加，集电极电流 IC线性增大，晶体管呈放大状态，特性上对应线 性放大区（II区）。◢ ◤当基极电流IB>（IC /β）时，晶体管就充分饱和 了。这时发射结和集电结都是正向偏置，即 UBE>0，UBC>0，电流增益和导通压降UCE均达到 最小值，GTR进入饱和区（IV区）。GTR工作在 饱和区，相当于处于导通状态的开关。◢
A
P1
N1
N1
G
P2
P2
N2
K
A
IA
PNP
V1
G IG
Ic1
Ic2
R
NPN
V2
S EG
IK
EA
K
a)
b)
• 由P1N1P2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。
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。
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。
典型全控型电力电子器件
(1)静态特性
共发射极接法时，GTR的典型输出特性如图4-8所示， 可分为三个工作区：
① 截止区。在截止区内，iB≤0，uBE≤0，uBC＜0，
集电极只有漏电流流过。
② 放大区。iB ＞0，uBE＞0，uBC＜0，iC =βiB。
③
饱和区。iB
I CS
，uBE＞0，uBC＞0，iCS是集电极
饱和电流，其值由外电路决定。
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MOSFET的外形图
.
2．电力MOSFET的工作原理
当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅源极之间电 压为零或为负时，P型区和N-型漂移区之间的PN结反向，漏
源极之间无电流流过。如果在栅极和源极间加正向电压UGS，
.
(2)动态特性
图4-8 GTR共发射极接法的输出特性
图4-9 GTR开关特性
.
2．GTR的参数
(1)最高工作电压 ①BUCBO：射极开路时，集-基极间的反向击穿电压。 ②BUCEO：基极开路时，集-射极之间的击穿电压。 ③BUCER：GTR的射极和基极之间接有电阻R。 ④BUCES：发射极和基极短路，集-射极之间的击穿电压。 ⑤BUCEX：发射结反向偏置时，集-射极之间的击穿电压。 其中BUCBO > BUCES > BUCES> BUCER> BUCEO，实际使用时， 为确保安全，最高工作电压要比BUCEO低得多。 (2)集电极最大允许电流ICM (3)集电极最大允许耗散功率PCM
1．GTO的开关特性
图4-3 GTO在开通和关断过程中电流的波形
.
2．GTO的主要参数
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。
四种典型全控型器件比较(汇编)
四种典型全控型器件的比较四种典型全控型器件的比较一、 对四种典型全控型器件的介绍1、门极可关断晶闸管(GTO ) 1）GTO 的结构与工作原理芯片的实际图形 GTO 结构的纵断面 GTO 结构的纵断面 图形符号GTO 的内部结构和电气图形符号2）工作原理：设计α2较大，使晶体管V2控 制灵敏。
导通时α1+α 2= 1.05更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。
多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。
下图为工作原理图。
2222R NPNPNPA G SK E GI G E AI K I c2I c1I A V 1V 2b)2、电力晶体管(GTR) 1）电力晶体管的结构：内部结构电气图形符号NPN型电力晶体管的内部结构及电气图形符号2）工作原理：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(I b＞0)时大电流导通；反偏(I b＜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。
3、电力场效应晶体管(Power MOSFET)1）电力MOSFET的结构MOSFET元组成剖面图图形符号电力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。
2)电力MOSFET的工作原理：当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅源极之间电压为零或为负时，P型区和N-型漂移区之间的PN结反向，漏源极之间无电流流过。
如果在栅极和源极间加正向电压U GS，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到栅极下面的P型区表面。
当u GS大于某一电压值U GS(th)时，栅极下面的P型区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。
第二章 - 3_GTO+GTR(电力电子技术)
2.4.2 电力晶体管
☞在应用中，GTR一般采用共发射极接 法。集电极电流ic与基极电流ib之比为
i =i
c b
i
c
ib I ceo
(2-9)
空穴流
称为GTR的电流放大系数，它反映
了基极电流对集电极电流的控制能力。 当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo 时，ic和ib的关系为
4/7
门极可关断晶闸管
工作原理：
与普通晶闸管一样，可以用图所示的双晶体管模型来分析。
A A P1 N1 G P2 N2 K a) b) N1 P2 IA V1 G IG S EG Ic1 NPN PNP Ic2 V2 IK K R EA
IA
2 I G I CBO1 I CBO2
1 ( 1 2 )
2.4 典型全控型器件· 引言
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。 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。
1
2.4 典型全控型器件
2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 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
10
电力晶体管
1）GTR的结构和工作原理
空穴流 i 基区很薄； 导通条件：发射结正偏，集电结反偏； E 1 、形成发射极电流 Ie ，与电子流动方向 相反，同时基区的空穴也扩散到发射区； 2 、发射区电子注入基区后，在基区积累， 形成一定的浓度梯度，靠近发射极浓度高， 远离发射极浓度低。 3 、集电结反偏，集电结势垒很高，阻止 集电结的扩散运动，但是其可以吸引集电 结边缘的电子，形成集电极电流Ic。同时 该PN结反向饱和电流对Ic来说很小。
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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。
GTR：电流驱动型，驱动功率大。
电力MOSFET：电压驱动型，驱动功率小。
IGBT：电压驱动型，驱动功率小。
存在问题：GTO缺点是：同样工作条件下擎住电流大。
擎住电流指刚从断态转入通态并切除门极电流之后，能维持通态所需的最小阳极电流。
关断脉冲对功率和负门极电流的上升率要求高。
门控回路比较复杂。
GTR缺点是：开关比速度低，驱动电路复杂，存在二次击穿问题。
MOSFET缺点是：击穿电压低，工作电流小。
IGBT 的缺点是：K开关速度低于电力MOSFET,电压电流容量不及GTO。
最新发展：GTO:当前各种自关断器件中，GTO容量最大、工作频率最低(1~2kHz)。
GTO是电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反向驱动电流；GTO
通态压降大、dV/dT及di/dt耐量低，需要庞大的吸收电路。
目前，GTO虽然在低于2000V的某些领域内已被GTR和IGRT等所替代，但它在大功率电力牵引中有明显优势；今后，它也必将在高压领域占有一席之地。
GTR:GTR既具备晶体管的固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，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。
GTR 的缺点是驱动电流较大、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。
MOSFET:MOSFET是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电压来控制漏极电流的，因而它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小；仅由多数载流子导电，无少子存储效应，高频特性好，工作频率高达100kHz以上，为所有电力电子器件中频率之最，因而最适合应用于开关电源、高频感应加热等高频场合；没有二次击穿问题，安全工作区广，耐破坏性强。
功率MOSFET的缺点是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置。
IGBT:IGBT于1986年开始正式生产并逐渐系列化。
至90年代初，IGBT 已开发完成第二代产品。
目前，第三代智能IGBT已经出现，科学家们正着手研究第四代沟槽栅结构的IGBT。
IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。
通过施加正向门极电压形成沟道、提供晶体管基极电流使IGBT导通；反之，若提供反向门极电压则可消除沟道、使IGBT因流过反向门极电流而关断。
IGBT集GTR通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身，因此备受人们青睐。
它的研制成功为提高电力电子装置的性能，特别是为逆变器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。
比较而言，IGBT的开关速度低于功率MOSFET，却明显高于GTR；IGBT的通态压降同GTR相近，但比功率MOSFET低得多；IGBT的电流、电压等级与GTR接近，而比功率MOSFET高。
目前，其研制水平已达4500V/1000A。
由于IGBT具有上述特点，在中等功率容量(600V以上)的UPS、开关电源及交流电机控制用PWM逆变器中，IGBT已逐步替代GTR成为核心元件。
另外，IR公司已设计出开关频率高达150kHz 的WARP系列400～600VIGBT，其开关特性与功率MOSFET接近，而导通损耗却比功率MOSFET低得多。
该系列IGBT有望在高频150kHz整流器中取代功率MOSFET，并大大降低开关损耗。