GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。
MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。
绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor——IGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。
1、结构如下图：

①图中N沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT。
②IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力。
③简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。
④RN为晶体管基区内的调制电阻。

IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号
a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号

电力变换可分为以下四大类：
ＡＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＡＣ、ＡＣ／ＡＣ 。用下表表示：

下面分别介绍整流、逆变、直流斩波、交流电力控制变频的原理

整流电路按输入电源相数可分为： 单相整流电路、三相整流电路

按输出波形又可分为： 半波整流电路、全波整流电路

下面以单相桥式整流电路为例来说明

有源逆变的工作原理

逆变产生的条件

直流斩波

直流斩波分为：升压斩波、降压斩波、降升压斩波电路和Cuk电路 。我就举升压斩波为例吧

交流电力变频原理

以单相交交变频器为例说明：

单相交交变频电路原理图和输出电压波形如下图：

（1）电路构成
        由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同。
变流器P和N都是相控整流电路。

（2）工作原理

1、P组工作时，负载电流io为正。
2、N组工作时，io为负。

3、 两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电。
         1） 改变两组变流器的切换频率，就可改变输出频率wo 。
       2）  改变变流电路的控制角a，就可以改变交流输出电压的幅值。

(3)为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a 角进行调制。

    在半个周期内让P组 a 角按正弦规律从90°减到0°或某个值，再增加到90°，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零。另外半个周期可对N组进行同样的控制。

    uo由若干段电源电压拼接而成，在uo的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。

IGBT全称为 绝缘栅双极型晶体管，是80年代中期问世的一种新型复合电力电子器件，由于它兼有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，这几年发展十分迅速。目前，IGBT的容量水平达(1200～1600A)/(1800～3330V),工作频率达40kHz以上。

1. 绝缘栅双极型晶体管的结构

（1）IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区BJT（ 双极型功率晶体管）。从图中我们还可以看到在集电极和发射极之间存在着一个寄生晶闸管，寄生晶闸管有擎住作用。采用空穴旁路结构并使发射区宽度微细化后可基本上克服寄生晶闸管的擎住作用。IGBT的低掺杂N漂移区较宽，因此可以阻断很高的反向电压。

（2）IGBT的结构、符号及等效电路

2. 绝缘栅双极型晶体管的工作原理

（1）当UDS＜0时，J3PN结处于反偏状态，IGBT呈反向阻断状态。
（2）当UDS＞0时，分两种情况：
①  若门极电压UG＜开启电压UT，IGBT呈正向阻断状态。
②  若门极电压UG＞开启电压UT，IGBT正向导通。
特性和主要参数

以栅射电压UGE为参变量时，集电极电流IC和集射电压UCE之间的关系曲线。IGBT的伏安特性也可分为饱和区、放大区和击穿区三个部分。在正向导通的大部分区域内，IC与UCE呈线性关系，此时IGBT工作于放大区内。对应着伏安特性明显弯曲部分，这时IC与UCE呈非线性关系，此时IGBT工作于饱和区。开关器件IGBT常工作于饱和状态和阻断状态，若IGBT工作于放大状态将会增大IGBT的损耗。

IGBT的伏安特性和转移特性

IGBT的转移特性

是指输出集电极电流IC与栅射控制电压UGE之间的关系曲线。当栅射电压UGE＜UGEth时，IGBT处于关断状态。当UGE＞UGEth时，IGBT导通。IGBT导通后的大部分集电极电流范围内，IC与UGE呈线性关系。

开关特性

擎住效应

IGBT为四层结构，存在一个寄生晶闸管，在NPN晶体管的基极与发射极之间存在一个体区短路电阻， P型体区的横向空穴流过此电阻会产生一定压降，对J3结相当于一个正偏置电压。在规定的集电极电流范围内，这个正偏置电压不会使NPN晶体管导通；当IC大到一定程度时，该偏置电压使NPN晶体管开通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态。于是栅极失去控制作用，这就是所谓的擎住效应。

安全工作区

IGBT开通时的正向偏置安全工作区由电流、电压和功耗三条边界极限包围而成。最大集电极电流ICM是根据避免动态擎住而确定的，最大集射极电压UCEM是由IGBT中PNP晶体管的击穿电压所确定；最大功耗则由最高允许结温所决定。
IGBT关断时的反向偏置安全工作区与IGBT关断时的du/dt有关，du/dt越高，RBSOA越窄。
IGBT的安全工作区

绝缘栅双极型晶体管的主要参数

(1) 集射极额定电压UCES 
栅射极短路时的IGBT最大耐压值。
(2) 栅射极额定电压UGES
UGES是栅极的电压控制信号额定值。只有栅射极电压小于额定电压值，才能使IGBT导通而不致损坏。

(3) 栅射极开启电压UGEth 
使IGBT导通所需的最小栅-射极电压,通常IGBT的开启电压UGEth在3V～5.5V之间。
(4) 集电极额定电流IC 
在额定的测试温度(壳温为25℃)条件下，IGBT所允许的集电极最大直流电流。
(5) 集射极饱和电压UCEO  
IGBT在饱和导通时，通过额定电流的集射极电压。通常IGBT的集射极饱和电压在1.5V～3V之间。

驱动电路

1. IGBT的栅极驱动
(1) 栅极驱动电路对IGBT的影响
① 正向驱动电压+V增加时，IGBT输出级晶体管的导通压降和开通损耗值将下降，但并不是说+V值越高越好。
② IGBT在关断过程中，栅射极施加的反偏压有利于IGBT的快速关断。
③ 栅极驱动电路最好有对IGBT的完整保护能力。
④ 为防止造成同一个系统多个IGBT中某个的误导通，要求栅极配线走向应与主电流线尽可能远，且不要将多个IGBT的栅极驱动线捆扎在一起。

(2) IGBT栅极驱动电路应满足的条件
① 栅极驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大。
② 在IGBT导通后，栅极驱动电路提供给IGBT的驱动电压和电流要具有足够的幅度。
③ 栅极驱动电路的输出阻抗应尽可能地低。
栅极驱动条件与IGBT的特性密切相关。设计栅极驱动电路时，应特别注意开通特性、负载短路能力和引起的误触发等问题。

IGBT驱动电路

(1) 阻尼滤波门极驱动电路：为了消除可能的振荡现象，IGBT的栅射极间接上RC网络组成阻尼滤波器且连线采用双绞线

(2) 光耦合器门极驱动电路 ：驱动电路的输出级采用互补电路的型式以降低驱动源的内阻，同时加速IGBT的关断过程。

(3) 脉冲变压器直接驱动IGBT的电路
由于是电磁隔离方式，驱动级不需要专门直流电源，简化了电源结构。

IGBT的保护

(1) 静电保护
IGBT的输入级为MOSFET，所以IGBT也存在静电击穿的问题。防静电保护极为必要。可采用MOSFET防静电保护方法。
(2) 过电流保护
与BJT一样，IGBT过电流可采用集射极电压状态识别保护方法。

(3) 短路保护

电力变换有：交-交（AC-AC）、直流-直流(DC-DC)、交-直(AC-DC)、直-交(DC-AC)

1、交-交

交流调压电路通常由晶闸管组成，用于调节输出电压的有效值。与常规的调压变压器相比，晶闸管交流调压器有体积小、重量轻的特点。其输出是交流电压，但它不是正弦波形，其谐波分量较大，功率因数也较低

控制方法：
(1) 通断控制。即把晶闸管作为开关，通过改变通断时间比值达到调压的目的。这种控制方式电路简单，功率因数高，适用于有较大时间常数的负载；缺点是输出电压或功率调节不平滑。
(2) 相位控制。它是使晶闸管在电源电压每一周期中、在选定的时刻将负载与电源接通，改变选定的时刻可达到调压的目的。

2、直流-直流

直流-直流也称为斩波，通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比改变输出电压平均值

直流-直流主要有如下几种基本型式：
1. 降压直流-直流(Buck Converter)
2. 升压直流-直流(Boost Converter)
3. 降压-升压复合型直流-直流(Buck- Boost Converter)
4. 丘克直流-直流
5. 全桥式直流-直流(Full Bridge Converter)
3、交-直

整流，有单相桥式整流，及三相全控桥式整流等

4、直-交

逆变

IGBT的结构和工作原理
图1所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。N+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P 型区（包括P+ 和P 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（ Subchannel region ）。而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。

      

IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。
2.IGBT 的工作特性
1.静态特性
IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。
IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它与GTR 的输出特性相似．也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。
IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。
IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on) 可用下式表示：
Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh
式中Uj1 —— JI 结的正向电压，其值为0.7 ～1V ；Udr ——扩展电阻Rdr 上的压降；Roh ——沟道电阻。
通态电流Ids 可用下式表示：
Ids=(1+Bpnp)Imos
式中Imos ——流过MOSFET 的电流。
由于N+ 区存在电导调制效应，所以IGBT 的通态压降小，耐压1000V的IGBT 通态压降为2 ～ 3V 。IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。
2.动态特性
IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET 来运行的，只是在漏源电压Uds 下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间， tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td (on) tri 之和。漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。
IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。
IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约3～4V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。
正式商用的高压大电流IGBT器件至今尚未出现，其电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求，特别是在高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到10KV以上。目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件，德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。与此同时，各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用1ｕm以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。
3.IGBT的工作原理
N沟型的 IGBT工作是通过栅极－发射极间加阀值电压VTH以上的（正）电压，在栅极电极正下方的p层上形成反型层（沟道），开始从发射极电极下的n-层注入电子。该电子为p+n-p晶体管的少数载流子，从集电极衬底p+层开始流入空穴，进行电导率调制（双极工作），所以可以降低集电极－发射极间饱和电压。工作时的等效电路如图1（b）所示，IGBT的符号如图1（c）所示。在发射极电极侧形成n+pn－寄生晶体管。若n+pn－寄生晶体管工作，又变成p+n－ pn+晶闸管。电流继续流动，直到输出侧停止供给电流。通过输出信号已不能进行控制。一般将这种状态称为闭锁状态。
为了抑制n+pn-寄生晶体管的工作IGBT采用尽量缩小p+n-p晶体管的电流放大系数α作为解决闭锁的措施。具体地来说，p+n-p的电流放大系数α设计为0.5以下。 IGBT的闭锁电流IL为额定电流（直流）的3倍以上。IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，通断由栅射极电压uGE决定。
(1)导通
IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层（NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分），其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和N+ 区之间创建了一个J1结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET 电流)；空穴电流（双极）。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。
(2)导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。
(3)关断
当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子（少子）。这种残余电流值（尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。
鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的，尾流特性与VCE、IC和 TC有关。
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。
(4)反向阻断。
当集电极被施加一个反向电压时，J1 就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以，这个机制十分重要。另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降

擂台一：请简要说明电力电子器件中IGBT的结构和工作原理？有相关的原理图型解释的更佳！

结构：IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR ，等效电路中R是厚基区GTR的扩展电阻。IGBT是以GTR 为主导件、MOSFET 为驱动件的复合结构。

工作原理：通断由栅（G）射（E）极电压决定

导通条件：集电极（C）与射极（E）之间加正向电压且栅射极电压大于开启电压。

当栅射极电压大于开启电压时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通；

当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。

优点：驱动功率小，开关速度快，电流容量大，耐压高

擂台二：请详细说明电力变换的种类，并详细介绍各类变换的原理和特点，给出相关分类详细事例的更佳！

电力变换的种类：直流斩波器（DC/DC）、整流器（AC/DC）、逆变器（DC/AC）、交流-交流变换器（AC/AC）

1、直流斩波器（DC-DC）：是将一种直流电变换为另一种具有不同输出特性的直流电的电力电子装置。

特点：通过对电力电子器件的通断控制把直流电斩成一系列的脉冲电，通过控制占空比的变化来改变这一脉冲序列的脉冲宽度，以实现对输出电压平均值的控制，再经过输出滤波器，在负载上得到电流或电压可控的直流电。

类型：降压变换器、升压变换器、升降压变换器、丘克变换器。下面以降压变压器讲解。

工作原理：

①t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压Uo=E，负载电流io按指数曲线上升。

②t=t1时控制V关断，电感上产生的自感电势eL>EM,使二极管VD导通续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。

③通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。

④电感作用：在V关断时利用其储存的电能维持负载电流的连续。

典型用途：拖动直流电动机

2、逆变器：又称直-交变换器，将直流电变换成交流电。当交流侧接交流电源时，称为有源逆变；当直流电变换为交流电后直接向非电源负载供电时，称为无源逆变。（以无源逆变讲解）

分类：①按主电路结构的不同和输出相数分为单相和三相逆变。

②按直流侧电源的性质分为电压型逆变和电流型逆变。

逆变器的应用：交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。

下面讲一个简单的电压型单相半桥逆变（汗，这题目太多了，应该分开出题）

工作原理：

①V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2。

②V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。

电压型逆变器的特点：

①直流侧为电压源，或并联有大电容。直流侧电压基本无脉动。

②交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而叫交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。

③当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥都并联了反馈二极管。

3、整流器：又称交流-直流变换器，将交流电变换为直流电。

分类：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。

按电路结构可分为桥式电路和零式电路。

按交流输入相数分为单相电路和多相电路。

按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。

应用：晶闸管直流电动机系统、变频器整理电路、相控电路的驱动控制

下面以电容滤波的三相不可控整流电路为例：

工作原理：某一对二极管导通时，输出电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规律下降。

4、交流-交流变换器：把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路。

应用： 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)；异步电动机软起动；异步电动机调速（交交变频器）； 供用电系统对无功功率的连续调节； 在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次电压。

下面以单相交流调压电路为例：

内容太多了，写了半天，连书都翻出来了，我个汗咯。还好以前大学时候老师的课件还保存着，不用到处找电路图和波形图。

擂台一：请简要说明电力电子器件中IGBT的结构和工作原理？有相关的原理图型解释的更佳！
IGBT（绝缘栅双极性晶体管）综合了GTR和MOSFET的优点，是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射级E。

图1所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。N+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P 型区（包括P+ 和P 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（ Subchannel region ）。而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。

太详细了，谢谢老师们的无私奉献。

高人啊

高人，那位收徒弟啊

一等奖  30MP:
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二等奖20MP：

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三等奖10MP:


鼓励奖30积分：