太阳能光伏发电专业电力电子课件第2章-2-典型全控型器件.ppt

电力电子技术 海南科技职业学院,2.4 典型全控型器件,2.4.1 门极可关断晶闸管GTO 2.4.2 电力晶体管GTR 2.4.3 电力场效应晶体管MOSFET 2.4.4 绝缘栅双极晶体管IGBT,电力电子技术 海南科技职业学院,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、绝缘栅双极晶体管电力电子技术 海南科技职业学院,2.4 典型全控型器件·引言,常用的典型全控型器件,电力MOSFET,IGBT单管及模块,电力电子技术 海南科技职业学院,2.4.1 门极可关断晶闸管,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 GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor —GTO）,电力电子技术 海南科技职业学院,2.4.1 门极可关断晶闸管,结构： 与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极 和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。

图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号,1）GTO的结构和工作原理,电力电子技术 海南科技职业学院,2.4.1 门极可关断晶闸管,工作原理： 与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,1+2=1是器件临界导通的条件由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2 电力电子技术 海南科技职业学院,可关断晶闸管GTO关断过程等效电路,EA,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,G,K,EG,R,,IC1,P1N1P2,N1P2N2,V1,V2,电力电子技术 海南科技职业学院,2.4.1 门极可关断晶闸管,GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：,设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于GTO关断 导通时1+2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图1-7 晶闸管的工作原理,电力电子技术 海南科技职业学院,2.4.1 门极可关断晶闸管,GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。

GTO关断过程中有强烈正反馈,使器件退出饱和而关断 多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强 由上述分析我们可以得到以下结论：,电力电子技术 海南科技职业学院,2.4.1 门极可关断晶闸管,开通过程：与普通晶闸管相同 关断过程：与普通晶闸管有所不同 储存时间ts，使等效晶体管退出饱和 下降时间tf 尾部时间tt —残存载流子复合 通常tf比ts小得多，而tt比ts要长 门极负脉冲电流幅值越大，ts越短图1-14 GTO的开通和关断过程电流波形,GTO的动态特性,电力电子技术 海南科技职业学院,2.4.1 门极可关断晶闸管,GTO的主要参数,—— 延迟时间与上升时间之和延迟时间一般约1~2s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大—— 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间下降时间一般小于2s2） 关断时间toff,（1）开通时间ton,不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数电力电子技术 海南科技职业学院,2.4.1 门极可关断晶闸管,（3）最大可关断阳极电流IATO,（4） 电流关断增益off,off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。

1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A ——GTO额定电流——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益1-8）,电力电子技术 海南科技职业学院,2.4.2 电力晶体管,电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为巨型晶体管） 耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor——BJT），英文有时候也称为Power BJT 应用 20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代术语用法：,电力电子技术 海南科技职业学院,电力晶体管GTR（巨型晶体管）,电力电子技术 海南科技职业学院,电力晶体管GTR（巨型晶体管）,内部结构,图形符号,NPN型晶体管的结构图和图形表示符号,三端三层器件，有两个PN结，分NPN型和PNP型 采用三重扩散台面型结构制成单管形式结面积大、电流分布均匀，易散热；但电流增益低与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。

电力电子技术 海南科技职业学院,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 （1-9）  ——GTR的电流放大系数，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 ic= ib +Iceo （1-10） 单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益1）GTR的结构和工作原理,电力电子技术 海南科技职业学院,2.4.2 电力晶体管,(1) 静态特性 共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区 在电力电子电路中GTR工作在开关状态 在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区图1-16 共发射极接法时GTR的输出特性,2）GTR的基本特性,电力电子技术 海南科技职业学院,2.4.2 电力晶体管,开通过程 延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton 加快开通过程的办法 关断过程 储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff 加快关断速度的办法。

GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多 图1-17 GTR的开通和关断过程电流波形,(2) 动态特性,电力电子技术 海南科技职业学院,2.4.2 电力晶体管,前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff (此外还有)： 1) 最高工作电压 GTR上电压超过规定值时会发生击穿 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关 BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo 实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多3）GTR的主要参数,电力电子技术 海南科技职业学院,2.4.2 电力晶体管,通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic 实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点 3) 集电极最大耗散功率PcM 最高工作温度下允许的耗散功率 产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度 2) 集电极最大允许电流IcM,电力电子技术 海南科技职业学院,2.4.2 电力晶体管,一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。

只要Ic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，Ic突然急剧上升，电压陡然下降 常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 安全工作区（Safe Operating Area——SOA） 最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定图1-18 GTR的安全工作区,GTR的二次击穿现象与安全工作区,电力电子技术 海南科技职业学院,课堂提问,1. GTO能够通过门极关断的原因？（或者是GTO与普通晶闸管的区别？） 2.GTR的二次击穿现象是什么？ 3.怎么定义GTR的安全工作区？,电力电子技术 海南科技职业学院,2.4.3 电力场效应晶体管,分为结型和绝缘栅型 通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET） 简称电力MOSFET（Power MOSFET） 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）,特点——用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小 开关速度快，工作频率高 热稳定性优于GTR。

电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 电力场效应晶体管,电力电子技术 海南科技职业学院,2.4.3 电力场效应晶体管,电力MOSFET的种类 按导电沟道可分为P沟道和N沟道 耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道 增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道 电力MOSFET主要是N沟道增强型1）电力MOSFET的结构和工作原理,电力电子技术 海南科技职业学院,2.4.3 电力场效应晶体管,电力MOSFET的结构,是单极型晶体管 导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别 采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号,电力电子技术 海南科技职业学院,电力场效应晶体管,电力电子技术 海南科技职业学院,2.4.3 电力场效应晶体管,截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零 P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过 导电：在栅源极间加正电压UGS 当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。

图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号,电力MOSFET的工作原理,电力电子技术 海南科技职业学院,2.4.3 电力场效应晶体管,(1) 静态特性 漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性 ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs图1-20 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,2）电力MOSFET的基本特性,电力电子技术 海南科技职业学院,2.4.3 电力场效应晶体管,截止区（对应于GTR的截止区） 饱和区（对应于GTR的放大区） 非饱和区（对应GTR的饱和区） 工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换 漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通 通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,MOSFET的漏极伏安特性：,电力电子技术 海南科技职业学院,2.4.3 电力场效应晶体管,开通过程 开通延迟时间td(on) 上升时间tr 开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和 关断过程 关断延迟时间td(off) 下降时间tf 关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和,a,）,b,),,,图1-21 电力MOSFET的开关过程 a) 测试电路 b) 开关过程波形 up—脉冲信号源，Rs—信号源内阻， RG—栅极电阻， RL—负载电阻，RF—检测漏极电流,(2) 动态特性,电力电子技术 海南科技职业学院,2.4.3 电力场效应晶体管,MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。

可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。