第5章全控型电力半导体器件.pdf

第第5章 全控型电力半导体器件章 全控型电力半导体器件问题的提出问题的提出?为什么要开发全控型器件？为什么要开发全控型器件？ ?半控型器件有哪些限制？半控型器件有哪些限制？在很多情况下， 如何将器件在很多情况下， 如何将器件关断关断是一个突出的问题是一个突出的问题对关断要求不高，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 ?反之，就需要全控型器件反之，就需要全控型器件第第5章 全控型电力半导体器件章 全控型电力半导体器件?5.1 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）） ?5.2 电力晶体管（电力晶体管（GTR、、PRT）） ?5.3 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（P-MOSFET）） ?5.4 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）） ?5.5 其他全控型电力电子器件其他全控型电力电子器件 ?5.6 模块和智能功率模块（模块和智能功率模块（IPM）） ?5.7 电力电子技术发展概貌电力电子技术发展概貌 ?5.8 电力半导体器件和装置的保护电力半导体器件和装置的保护5.1 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO））门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor- GTO））?晶闸管的一种晶闸管的一种派生器件派生器件。

?可以通过在门极施加可以通过在门极施加负的脉冲电流负的脉冲电流使其关断使其关断 ?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5.1 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO））ABB 5SGA 30J2501GTO的结构特点和关断原理（的结构特点和关断原理（重要重要））结构：结构： ?可看成多个小的可看成多个小的SCR并联而成并联而成 ?这些小的这些小的SCR阳极共有阳极共有，门极和阴极形成多个 独立的，门极和阴极形成多个 独立的pn结单元结单元 ?每个门极和阴极单独引线，成为单元每个门极和阴极单独引线，成为单元GTOGTO的结构特点和关断原理（的结构特点和关断原理（重要重要））?一个单元一个单元GTO的阴极与门极的面积差不多，阴 极是被门极包围的的阴极与门极的面积差不多，阴 极是被门极包围的“条状小岛条状小岛” ?条状阴极的宽度越窄，通态电流越容易被关断条状阴极的宽度越窄，通态电流越容易被关断 ?所有所有GTO单元的开关特性单元的开关特性应尽量一致应尽量一致GTO的结构特点和关断原理（的结构特点和关断原理（重要重要））GTO的开通过程与的开通过程与SCR一样一样 GTO的关断过程也可用双晶体管 模型来分析的关断过程也可用双晶体管 模型来分析?门极相对阴极加门极相对阴极加负电压负电压 ?Ic1一部分被抽出，形成门极负 电流一部分被抽出，形成门极负 电流IG ?由于由于Ic1被抽走，被抽走，Ic2也减小，引 起也减小，引 起Ic1进一步下降进一步下降 ?GTO导通时，α导通时，α1远小于远小于1，，Ic1 只是只是IA很小的一部分很小的一部分 ?两个晶闸管截止，两个晶闸管截止，GTO关断关断VT2n1Ic2IAp1VT1p2 Ic1 -IGRSAEGEAn2GTO的结构特点和关断原理（的结构特点和关断原理（重要重要））?阴极面积太大阴极面积太大 ?门极加负压时，只有靠近门极的那部分电流 （门极加负压时，只有靠近门极的那部分电流 （I1）能从门极抽走，而远离门极的那部分电 流（）能从门极抽走，而远离门极的那部分电 流（I2、、I3），不能被抽走。

不能被抽走n2 j3j2j1p2n1p1I1I2I3为什么为什么SCR不能用门极关断？不能用门极关断？结论结论?GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通 时导通过程与普通晶闸管一样，只是导通 时饱和程度较浅饱和程度较浅 ?SCR深度饱和深度饱和(1.15)，，GTO临界饱和临界饱和(稍大于稍大于1)?GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱 和而关断关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱 和而关断多元集成结构使得多元集成结构使得GTO比普通晶闸管开通过 程快，承受比普通晶闸管开通过 程快，承受di/dt能力强5.2 GTO的特性和参数的特性和参数大部分参数和大部分参数和SCR一样或类似，除了：一样或类似，除了： ?门极关断电流门极关断电流IGM：指：指GTO从通态转为断 态所需的门极反向瞬时峰值电流的最小值注意：从通态转为断 态所需的门极反向瞬时峰值电流的最小值注意： ?GTO管压降要大些，管压降要大些，直流通态损耗也大 些直流通态损耗也大 些 ?GTO的关断是由门极负脉冲完成的，所 以的关断是由门极负脉冲完成的，所 以门极功耗要大些门极功耗要大些5.1.3 缓冲电路缓冲电路问题的提出：问题的提出：电力半导体器件在稳定的开通和关断状态，损耗 很小。

但是电力半导体器件在稳定的开通和关断状态，损耗 很小但是在动态过程在动态过程中：中： ?开通时，电流的建立和电压的下降都有个过程开通时，电流的建立和电压的下降都有个过程 ?关断时，电流的衰减和电压的恢复也有个过程关断时，电流的衰减和电压的恢复也有个过程 ?期间，电流和电压有重叠，会有较大的期间，电流和电压有重叠，会有较大的开关损 耗开关损 耗开关频率越高，开关损耗占的比例越大开关频率越高，开关损耗占的比例越大tPuAiA关断过程例关断过程例5.1.3 缓冲电路缓冲电路为减小开关损耗（及其他一些原因），需附加为减小开关损耗（及其他一些原因），需附加缓 冲（缓 冲（snubber）电路）电路缓冲电路的基本思路：缓冲电路的基本思路： ?设法使开通中的阳极电流设法使开通中的阳极电流缓升缓升，关断中的阳极 电压，关断中的阳极 电压缓升缓升从而避免从而避免GTO导通和阻断过程中同时 承受高电压和大电流导通和阻断过程中同时 承受高电压和大电流关断过程例解决办法：关断过程例解决办法： ?利用电感，阻止电流变化利用电感，阻止电流变化 ?利用电容，阻止电压变化利用电容，阻止电压变化GTO的基本缓冲电路的基本缓冲电路?电感电感LS1用以抑制用以抑制 di/dt。

?电容电容CS延缓延缓GTO阻 断时电压的建立阻 断时电压的建立 ?阳极电流和阳极电 压缓升程度取决于阳极电流和阳极电 压缓升程度取决于LS1 和和CS的值的值 ?值越大，缓冲能力 越强，值越大，缓冲能力 越强，GTO的开关损 耗越小的开关损 耗越小5.1.4 对门极信号的要求对门极信号的要求1））GTO开通和关断时的波形开通时间开通和关断时的波形开通时间 ton=td+tr ?td——触发延迟时间触发延迟时间 为门极触发电流从为门极触发电流从 0.1IFGM上升开始，至上升开始，至 GTO开始导通、阳极电 压下降至开始导通、阳极电 压下降至0.9Ud的时间间 隔的时间间 隔 ?tr——阳极电流上升时 间阳极电流上升时 间 为阳极电压从为阳极电压从0.9Ud下降 到下降 到0.1Ud之间的时间间隔之间的时间间隔ABB 5SGA 30J25015.1.4 对门极信号的要求对门极信号的要求ABB 5SGA 30J2501关断时间关断时间 toff=ts+tf ?ts——存储时间存储时间 为负门极电流从为负门极电流从0.1IRGM 开始上升，到开始上升，到GTO开始 关断、通态电流下降到开始 关断、通态电流下降到 0.9ITm的时间间隔，为等 效晶体管退出饱和导通 向放大区过渡的时间的时间间隔，为等 效晶体管退出饱和导通 向放大区过渡的时间 ?tf——下降时间下降时间 通态电流从通态电流从0.9iT下降至下降至 0.1ITm之间的时间间隔， 晶体管迅速通过放大区 进入截止状态之间的时间间隔， 晶体管迅速通过放大区 进入截止状态5.1.4 对门极信号的要求对门极信号的要求2）对门极触发信号的要求门极触发电流：）对门极触发信号的要求门极触发电流： ?电流上升率电流上升率要足够大；要足够大； ?一定的一定的脉冲幅度脉冲幅度；； ?一定的一定的脉冲宽度脉冲宽度；； ?一定时间的一定时间的通态门极电 流通态门极电 流（（GTO导通后需继续 施加，使其充分导通）导通后需继续 施加，使其充分导通）推荐的推荐的GTO门极电流、电压波形门极电流、电压波形5.1.4 对门极信号的要求对门极信号的要求2）对门极触发信号的要求门极关断电流、电压：）对门极触发信号的要求门极关断电流、电压： ?门极关断电流下降率门极关断电流下降率要 足够大；要 足够大； ?一定的一定的负门极电流幅 度负门极电流幅 度；； ?一定的一定的门极关断电压门极关断电压；； ?负门极偏压负门极偏压（为防止刚 刚关断的（为防止刚 刚关断的GTO再次导通）再次导通）推荐的推荐的GTO门极电流、电压波形门极电流、电压波形GTO是一种是一种电流注入型电流注入型自关断器件，其门极驱动电路 包括：自关断器件，其门极驱动电路 包括： ?门极开通门极开通（提供正向触发电流）（提供正向触发电流） ?门极关断门极关断（提供反向关断电流）（提供反向关断电流） ?门极反偏门极反偏（提供一定的反偏电压） 三部分电路。

提供一定的反偏电压） 三部分电路5.1.5 门极驱动电路门极驱动电路问题的提出：问题的提出：全控型器件：全控型器件： ?可自关断，不需要强迫换流可自关断，不需要强迫换流 ?门极驱动门极驱动复杂得多复杂得多整体说明：整体说明： ?脉冲变压器脉冲变压器TP在在VM1控制下，以控制下，以1MHz工作工作 ?N2用于产生正向门极电流用于产生正向门极电流 ?N3用于提供反向关断电流用于提供反向关断电流5.1.5 门极驱动电路门极驱动电路t0u4t0uG iGuGiGt00u20u30u1tttt1t2t3t4自学：电路的具体工作原理自学：电路的具体工作原理5.2 电力晶体管（电力晶体管（GTR、、PTR））?大功率晶体管（大功率晶体管（giant transistor, GTR）） ?也称电力晶体管（也称电力晶体管（power transistor, PTR），双结型晶体管（），双结型晶体管（bipolar junction transistor, BJT））bipolar——两种载流子 参与导电：两种载流子 参与导电： ?电子电子 ?空穴空穴5.2 电力晶体管（电力晶体管（GTR、、PTR））有有npn和和pnp两种结构，这里仅介绍两种结构，这里仅介绍npn型型GTR在大功 率情况下作为电力半导体开关应用的一些问题。

应用情况：在大功 率情况下作为电力半导体开关应用的一些问题应用情况： ?20世纪世纪80年代以来，在年代以来，在中、小功率范围内中、小功率范围内取代 晶闸管，但目前又大多被取代 晶闸管，但目前又大多被IGBT和和P-MOSFET取 代用于信息处理的晶体三极管关注的是：取 代用于信息处理的晶体三极管关注的是： ?放大系数、线性度、频率响应、噪声、温漂等放大系数、线性度、频率响应、噪声、温漂等 GTR关注的是：关注的是： ?耐压高、通态电流大、开关特性好耐压高、通态电流大、开关特性好GTR的性能和参数的性能和参数?与普通的双极结型晶体管基本原理是与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的一样的 ?GTR通常连接成通常连接成共发射极电路共发射极电路 ?主要特性是耐压高、电流大、开关特性好主要特性是耐压高、电流大、开关特性好 ?采用集成电路工艺将采用集成电路工艺将许多这种单元并联许多这种单元并联而成GTR的性能和参数的性能和参数?共发射极接法时典型的输出特性：共发射极接法时典型的输出特性：截止区截止区、、放 大区放 大区、、饱和区饱和区；； ?在电力电子电路中在电力电子电路中GTR工作在开关状态（截止、 饱和状态），而不允许运行于放大区；工作在开关状态（截止、 饱和状态），而不允许运行于。