全控型电力电子器件

6.5 全控型电力电子器件• 6.5.1 控制极可关断晶闸管（ GTO）• 　　　可控制器件的开通，又可控制器件的关

断。 • 　　　优点：主电路器件少，结构简单；装置

小巧轻便 ; 装置无噪声、效率高；易实现脉宽调制，可改善输出波形。

• 1.GTO 的结构和工作原理• 　　　普通晶闸管是 PNPN 四层结构，引出三

个电极，即阳极、阴极和控制极，是一种单元器件。

(a)GTO 剖面 　　　　　　　　　　　 (b) 电路符号图 6.5.1 GTO 的结构

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• 　　　图 6.5.2 为 GTO 的工作电路简图， A. 、 K 和 G 分别为 GTO 的阳极、阴极和控制极， EA 和 RK 分别为工作电压和负载电阻； EG1 和 RG1 分别为正向触发电压和限流电阻； EG2 和 RG2 分别为反向关断电压和限流电阻。当 S 置于“ 1” 时， GTO 导通，当 S 置于“ 2” 时， GTO 关断。

图 6.5.2 GTO 的工作电路简图

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• 2.GTO阳极伏安特性

图 6.5.3 GTO 的阳极伏安特性

6.5 全控型电力电子器件• 3.GTO 的主要参数• （ 1 ）可关断峰值电流 IATO

• 　　　 IATO 也称最大门极关断阳极电流。• （ 2 ）维持电流 IH• 　　　当阳极电流减小到开始出现 GTO 元不能再维持导通时的

数值，为 GTO 的维持电流 IH 。• （ 3 ）擎住电流 IL • 　　　 GTO 经控制极触发后，阳极电流上升到保持所有 GTO 元

导通的最低值定义为擎住电流值。• （ 4 ）开通时间 ton

• 　　　开通时间是指延时间 td 和上升时间 tr 之和， • 即。 GTO 的 td 约 1~2ns ，上升时间 tr 随通态阳极电流值的增大而

增大。• (5) 关断时间 toff

• 关断时间一般指储存时间 ts 和下降时间 tf 之和，即 。储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于 。 　

on d rt t t

off s ft t t s2

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• 6.5.2 电力晶体管（ GTR）• 又称为双结型晶体管 BJT （ Bi Junction

Transistor ）。既有晶体管的固有特性，又扩大了功率容量 。

• 1 、 GTR 的结构和工作原理• GTR 与普通的双极型晶体管基本结构、

工作原理是相同的，也分 NPN 和 PNP 两种。主要用途是做功率开关使用，要求有足够大的容量，较高的开关速度和较低的功率损耗 。

(a)NPN ， PNP 型结构 (b) 实用达林顿结构图 图 6.5.4 达林顿晶体管

6.5 全控型电力电子器件• 2 、 GTR 的主要参数• 电流放大倍数　、集电极与发射极间漏电流ICEO 、集电极和发射极间饱和压降 Uces 外，还要关注功率晶体管的最大额定值：　

• （ 1 ）最高工作电压。如反向击穿电压U(BR)CBO ， U （ BR ） CEO 等。

• • （ 2 ）集电极最大允许电流 ICM 。通常规定直流电

流放大系数　 下降到规定值的 1/2~1/3 时，所对应的 Ic 为最大允许电流。

• （ 3 ）集电极最大耗散功率 PCM 。指在最高温度下允许的耗散功率，间接指定了最高工作温度 TjM 。

6.5 全控型电力电子器件• 6.5.3　电力场效应晶体管（电力MOSFET）• 　 电力 MOSFET 是一种单极型电压控制器件。

优点：驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快、工作频率高、输入阻抗高、稳定性优良、无二次击穿、安全工作区宽。

• 1 、电力 MOSFET 的结构和工作原理• 　　　电力 MOSFET 也分为 P 沟道和 N 沟道，

耗尽型与增强型。以 N 沟道增强型为主，采用了垂直导电结构，提高了电流密度，其结构和符号如图 6.5.5 所示。

(a) 结构 (b) 符号

图 6.5.5 电力MOSFET 的结构和符号

6.5 全控型电力电子器件• 2 、电力 MOSFET 的主要参数• 　除了的跨导 gm 、开启电压UT ，还有以下参数：• （ 1 ）漏源额定电压UDS 。这是标称电力 MOSFET 电压定

额的参数，工作时绝不能超出这个电压，要留有一定的安全裕量。

• （ 2 ）漏极额定电流 ID 和漏极峰值电流 IDM 。 这是标称MOSFET 电流定额的参数。主要受工作温度的限制，选择器件时要考虑充分的裕度。

• （ 3 ）漏源击穿电压BUDS 。该电压决定了功率 MOSFET的最高工作电压，限制了器件的电压和功率处理能力。

• （ 4 ）栅源击穿电压BUGS 。该电压表征了功率 MOSFET栅源之间能承受的最高电压。

• （ 5 ）通态电阻Ron 。通态电阻Ron 是影响最大输出功率的参数。通常规定为在确定的栅源电压UGS 下，电力MOSFET 饱和导通时漏源电压与漏极电源的比值。

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• 6.5.4 绝缘栅双极晶体管（ IGBT）• 绝缘栅双极晶体管将MOSFET 与 GTR

的优点集于一身，是一种新型复合器件，优点：输入阻抗高、开关速度快、热稳定性好、所需驱动功率小、通态电压低、高压电流大 。

• 1 、 IGBT 的结构和工作原理• 　　 IGBT 也是三端器件，有栅极 G ，集电

极 C 和发射极 E 。

图 6.5.6 IGBT 结构剖面图及符号

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(a) 等效电路 　　　　　　　　　 (b)符号

图 6.5.7 简化等效电路及符号

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• 2 ． IGBT模块 • 　　　 IGBT模块把一个或多个 IGBT按一

定的电路结构形式封装在一个壳体内，其中有单个 IGBT组装成多种不同的形式的单管模块、两个 IGBT组装成多种不同形式的双管模块及多个 IGBT组装成的多管模块等。如图 6.5.8 所示。

图 6.5.8 电路与封装外壳图（部分）

6.5 全控型电力电子器件• 3 ． IGBT 的伏安特性• 　　 IGBT 的伏安特性包括输出的特性和传输特性的。• 　　　 IGBT 的输出特性是指以栅射电压 UGE 作为参变量时，集

电极电流 IC 和集射电压 UCE 之间的关系曲线。如图 6.5.9 (a) 所示，控制变量是栅射电压 UGE ， IGBT 的伏安特性可分为饱和区、击穿区和放大区 3 个部分。

图 6.5.9 IGBT 的输出特性和传输特性(a) 输出特性 （注：饱和区 I 、放大区 II 、击穿区 III ） (b) 传输特性

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• 　　　 IGBT 的传输特性是指它输出集电极电流 IC 与栅射控制电压UGE 之间的关系曲线。当栅射电压UGE<UGE(th) 时， IGBT 处于关断状态。当UGE>UGE(th) 时， IGBT 导通。

• 4. IGBT 主要参数 • (1) 集电极——发射极额定电压 UCES 。栅极短路时 IGBT 能承受的耐压值。 • (2) 栅极——发射极额定电压 UGES 。 UGES就是栅极控制信号的电压额定值。目前， IGBT 的 UGES 值大部分为 +20V ，使用中不能超过该值。

• (3) 额定集电极电流 IC 。该参数给出了 IGBT 在导通时能流过管子的持续最大电流。

• (4) 集电极——发射极饱和电压 U EC(sat) 。 IGBT 在正常饱和导通时集电极一发射极之间的电压降。

• (5) 开关频率。开关频率是以导通时间 ton 、下降时间 tf 和关断时间 toff给出的，据此可估计出 IGBT 的开关频率。