大工20春《电力电子技术》辅导资料三
电力电子技术辅导资料三主 题：第一章电力电子器件（第4节）学习时间：2020年4月13日--4月19日
“不忘初心、牢记使命”主题理论学习：
担使命，就是要牢记我们党肩负的实现中华民族伟大复兴的历史使命，勇于担当负责，积极主动作为，用科学的理念、长远的眼光、务实的作风谋划事业；保持斗争精神，敢于直面风险挑战，知重负重、攻坚克难，以坚忍不拔的意志和无私无畏的勇气战胜前进道路上的一切艰难险阻；在实践历练中增长经验智慧，在经风雨、见世面中壮筋骨、长才干。
摘选自《在“不忘初心、牢记使命”主题教育工作会议上的讲话》
内 容：一、本周知识点及重难点分布
表3-1 本周知识点要求掌握程度一览表
序号
学习知识点
要求掌握程度
本周难点
了解
熟悉
理解
掌握
1
门极可关断晶闸管GTO
★
2
电力晶体管GTR
★
3
电力场效应管MOSFET
★
4
绝缘栅双极晶体管IGBT
★
二、知识点详解
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 。
典型代表：门极可关断晶闸管GTO、电力晶体管 GTR、电力场效应管MOSFET、绝缘栅双极晶体管 IGBT
【知识点1】典型全控性器件--门极可关断晶闸管GTO
1、门极可关断晶闸管（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。
（1）GTO的结构和工作原理
a)并联单元结构面示意图 b)电气符号
图3-1 GTO内部结构和电气符号
结构特点：多元功率集成器件，便于实现门极控制关断。
导通：有正反馈过程，饱和程度较浅；关断：在门极加负脉冲。
（2）GTO的基本特性--动态特性
与普通晶闸管相比，开通过程相同，关断过程有所不同。
(3）主要参数
①最大可关断阳极电流 ：由门极可靠关断为决定条件的最大阳极电流。
②电流关断增益：体现了GTO关断能力。
其中为门极负脉冲电流最大值
例： ，，则。
(4）优缺点及其应用
优点：处理高电压和大电流，容量 6kV/4kA
缺点：驱动电路技术难度大、价位高
应用：
①高电压、大功率的直流变换电路、逆变电路等，如CVCF、UPS；
②调频调压电源，如风机、水泵、轧机、牵引等交流变频调速系统中；
③特别适用于汽油机点火系统。【知识点2】典型全控性器件--电力晶体管GTR
电力晶体管（GTR）：俗称巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管，因此GTR有时也称为Power BJT。
GTR具有耐压高、电流大、开关损耗小、开关时间短、安全工作区宽的优点；缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿。
（1）GTR结构和工作原理
a)内部结构 b)电气符号
图3-2 GTR内部结构和电气符号
与普通的双极性晶体管基本原理是一样的。
（2）GTR的基本特性：
1）静态特性--输出特性图3-3 GTR共发射极时的输出特性
2）动态特性
开通时间=延迟时间+上升时间
关断时间=存储时间+下降时间
（3）GTR的主要参数：
1)电流放大系数 ：，为直流电流增益。
2)最高工作电压
①E开路时，反向击穿电压
②B开路时，击穿电压
③E与B间用电阻连接或短路连接时，击穿电压和
④发射结反向偏置时，击穿电压
>>>> >最高工作电压
3）集电极最大允许电流：下降到规定值的1/2~1/3时，所对应的。
4）集电极最大耗散功率：GTR在最高结温下所允许的最大功率损耗 。
（4）GTR的二次击穿现象与安全工作区
一次击穿：当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，迅速增大，首先出现的击穿是雪崩击穿，称为一次击穿，只要不超过限度，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，如果不限制集电极电流的增长，增大到某个临界点时会突然急剧上升，同时电压陡然下降，这种现象称为二次击穿。二次击穿轻则使器件耐压降低特性变差，重则立即导致器件的永久损坏，对GTR的危害极大。
解决：生产厂家规定GTR的安全工作区（SOA ）。【知识点3】典型全控性器件--电力场效应管MOSFET
电力场效应管---分为结型（SIT）和绝缘栅型（电力MOSFET），电力MOSFET按照导电沟道的不同可分为P沟道和N沟道两类，其中每类又有耗尽型和增强型两类，电力MOSFET主要指N沟道增强型器件。
电力MOSEFET属于电压控制器件，具有输入阻抗高、驱动电路简单、需要的驱动功率小、开关速度快、工作频率高、无二次击穿问题、热稳定性优于GTR的优点，同时存在着电流容量小、耐压低、功率<10kW 的缺点。
（1）电力MOSFET的结构和工作原理
1）结构特点：利用V型槽实现垂直导电。
a)内部结构 b)电气符号
图3-4 电力MOSFET的内部结构和电气符号
2）工作原理（以VDMOS器件为例）：
① 截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。
② 导电：在栅源极间加正电压。
（2）电力MOSFET的基本特性
1）静态特性
a）转移特性 b）输出特性
图3-5 电力MOSFET的转移特性和输出特性
漏极电流和栅源间电压的关系称为MOSFET的转移特性。
输出特性即漏极伏安特性指在一定时，漏极电流和楼源电压之间的关系。输出特性分为截至区、饱和区、非饱和区。工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。
2）动态特性
导通时间=导通延迟时间+电流上升时间
关断时间=关断延迟时间+下降时间
开关速度与输入电容充放电有关。
（3）电力MOSFET的主要参数：
1)漏源电压--电压定额
2)最大漏极直流电流--电流定额
3）开启电压 :2~4V
4）栅源击穿电压：规定
5）通态电阻【知识点4】典型全控性器件--绝缘栅双极晶体管IGBT
绝缘栅双极晶体管（IGBT）是一种新型复合器件，它集GTR和电力MOSFET的优点于一体。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）优点：
①GTR部分优点：双极性、耐压高、电流大（电导调制效应）
②电力MOSFET部分优点：开关速度快、开关损耗小、输入阻抗高、热稳定性好、驱动功率小（电压驱动）、驱动电路简单
（1）IGBT的结构和工作原理
1）结构
a）内部结构 b）简化等效电路 c）电气符号
图3-6 电力MOSFET的转移特性和输出特性
三端器件：栅极G、集电极C和发射极E
结构特点：增加注入区 ，增加通流能力
2）工作原理
IGBT是电压控制器件，具有很小的通态压降，可大电流化。
（2）IGBT的基本特性
IGBT的开通过程与MOSFET的开通过程相似
（3）IGBT的主要参数
1）开启电压：典型2~6V
2）最大集射极间电压：可达4500 V以上
3）最大集电极电流
4）最大集电极功耗
（4）IGBT的擎住效应和安全工作区
1）擎住效应
IGBT内有一寄生晶闸管，当增大，寄生晶闸管导通，使栅极失去对器件的控制作用。
后果：过大，产生过高功耗导致器件损坏
2）安全工作区
由最大集电极电流、最大集射电压和最大集电极功耗这三条极限所限定的区域，称为正向偏执安全工作区。
由最大集电极电流、最大集射级间电压和最大允许电压上升率所确定的区域称为反向偏置安全工作区。三、重要理论
1、GTR、GTO、MOSFET、IGBT 比较
表3-2 GTR、GTO、MOSFET、IGBT 比较表
器件
优点
缺点
应用领域
GTR
耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低
开关速度低，电流驱动型需要驱动功率大，驱动电路复杂，存在2次击穿问题
UPS、空调等中小功率中频场合
GTO
电压、电流容量很大，具有电导调制效应，其通流能力很强
电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率很大，驱动电路复杂，开关频率低
高压直流输电、高压静止无功补偿、高压电机驱动、电力机车地铁等高压大功率场合。
MOSFET
开关速度快，开关损耗小，工作频率高，门极输入阻抗高，热稳定性好，需要的驱动功率小，驱动电路简单，没有2次击穿问题
电流容量小，耐压低，通态损耗较大，一般适合于高频小功率场合
开关电源、日用电气、民用军用高频电子产品
IGBT
开关速度高，开关损耗小，通态压降低，电压、电流容量较高。门极输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单
开关速度不及电力MOSFET，电压、电流容量不及GTO。
电机调速，逆变器、变频器等中等功率、中等频率的场合，已取代GTR。是目前应用最广泛的电力电子器件。
四、资源拓展
a)GTO b)GTR c)电力MOSFET d)IGBT
图3-7 部分典型全控性器件图片五、课后习题
习题3.1 简答题：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与普通晶闸管相比，同为PNPN结构，但GTO是一种多元的功率集成器件。GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。大工作业答案无忧答案网整理
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