《典型全控型器》PPT课件.ppt

2.4 典型全控型器件太原工业学院自动化系*电力电子技术2.4.1 门极可关断晶闸管（GTO） 它是晶闸管的一种派生器件，开通原理和普通晶闸管相同，只要有一个门极触发脉冲就可以导通 但与晶闸管不同，可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断 GTO在许多方面并不占优势，但它的电压、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太原工业学院自动化系*电力电子技术1. GTO的结构和工作原理结构： 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，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起 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) 电气图形符号太原工业学院自动化系*电力电子技术 工作原理：1.导通原理 与普通晶闸管一样，可以用双晶体管模型来分析 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太原工业学院自动化系*电力电子技术 1较小，2较大，即P1N1P2不灵敏,N1P2N2灵敏，在Ie0时， 1与2均很小，导通后逐渐增大，在IG加上电流后，由于强烈的正反馈，晶闸管导通。

不考虑漏电流时，GTO的阳极电流IA=IC1+IC2=1IA+2Ik（1） 又当IG0时，Ik=IA+IG（2） 将（2）式带入（1）式可得：v该式说明：IG必须保持上式的电流大小时，才能使晶闸管导通太原工业学院自动化系*电力电子技术 在该式中，我们还可以看出：在正反馈的作用下，1+2会从一个较小的值逐渐增大，当1+2=1时，式中IG=0,即这时晶闸管已经导通，门极电流可以为零了 而当1+21时，晶闸管饱和导通 当1+2=1时，是器件的临界导通条件 注意：由于GTO导通的条件就是1+21，所以任何使1、2变化的因素都可能使其导通如：阳极电压过高,du/dt过大，器件结温过高等太原工业学院自动化系*电力电子技术2.关断原理 由于1+2=1是器件的临界导通条件，若想办法使1+21，则器件就可能关断 要关断时，在GTO门极加一个负偏压，使V1的集电极电流被抽出，形成门极负电流IG，由于IC1被抽走，使V2的基极电流减小，进而使其集电极电流IC2减小，于是引起IC1的进一步下降这样也形成了一个正反馈，由于IC1、IC2的不断减小使1+21，从而使GTO关断太原工业学院自动化系*电力电子技术 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：（1）设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断（2）导通时1+2更接近1（1.05，普通晶闸管1+21.15） 导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。

3）多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流太原工业学院自动化系*电力电子技术v使用中要注意的问题：1.GTO在使用中，导通时的管压降较大，增加了通态损耗2.对关断负脉冲的要求较高，门极触发电路需要严格设计，否则易在关断过程中烧毁管子a.门极电流应大于元件的擎住电流IL;b.正负触发脉冲其前沿要陡，后沿要平缓，中小功率电路上升沿小于0.5s，大功率电路小于1s；c.门极电路电阻要小，以减小脉冲源内阻3.由于多元集成，对制造工艺提出极高的要求，它要求必须保持所有GTO元特性一致，开通或关断速度不一致，会使GTO元因电流过大而损坏太原工业学院自动化系*电力电子技术 开通过程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间tr2. GTO的动态特性GTO的开通过程电流波形太原工业学院自动化系*电力电子技术GTO的关断过程电流波形关断过程：与普通晶闸管有所不同抽取饱和导通时储存的大量载流子储存时间ts，使等效晶体管退出饱和等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小下降时间tf残存载流子复合尾部时间tt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，前沿越陡，抽走储存载流子的速度越快，ts越短门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍保持适当负电压，则可缩短尾部时间太原工业学院自动化系*电力电子技术3. GTO的主要参数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1) 开通时间ton延迟时间与上升时间之和延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大2) 关断时间toff一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s太原工业学院自动化系*电力电子技术3)最大可关断阳极电流IATOGTO额定电流，阳极电流超过IATO，则GTO处于较深的饱和导通状态，抽出的电流不足以使GTO关断，会导致门极关断失败4) 电流关断增益off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off=IATO/IGMoff可描述负门极电流关断大的阳极电流的能力，一般很小，只有35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太原工业学院自动化系*电力电子技术2.4.2 电力晶体管（GTR）vGTR是一种耐高压，大电流的双极结型晶体管。

它具有自关断能力，并有开关时间短、饱和压降低、安全工作区宽等优点20世纪80年代是GTR发展和应用的全盛时期由于GTR实现了高频化、模块化，廉价化，因此被广泛应用于交流电机调速、UPS、中频电源等电力变流装置中，并在中小功率应用方面取代了传统的晶闸管但随着IGBT的兴起，GTR在逐步被IGBT取代太原工业学院自动化系*电力电子技术电力晶体管GTR（巨型晶体管）太原工业学院自动化系*电力电子技术1.GTR的结构和工作原理GTR内部结构与元件符号内部载流子的流动vGTR是一种双极型半导体器件，即其内部电流由电子和空穴两种载流子形成基本结构有NPN和PNP两种为了GTR提高耐压，一般采用NPvN三重扩散结构太原工业学院自动化系*电力电子技术 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 达林顿GTR的等效电路GTR集成模块的等效电路太原工业学院自动化系*电力电子技术 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 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。

太原工业学院自动化系*电力电子技术2.GTR的基本特性(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，即工作在截止区或饱和区 在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区共发射极接法时GTR的输出特性太原工业学院自动化系*电力电子技术该图表示集电极电流IC 与集射极电压UCE的关系，其参变量为IB，特性上的四个区域反映了GTR的四种工作状态在晶体管关断状态时，基极电流IB0，集电极发射极间电压即使很高，但发射结与集电结均处于反向偏置，即UBE0，UBC0，UBC（IC/）时，晶体管就充分饱和了这时发射结和集电结都是正向偏置，即UBE0，UBC0，电流增益和导通压降UCE均达到最小值，GTR进入饱和区（IV区）GTR工作在饱和区，相当于处于导通状态的开关太原工业学院自动化系*电力电子技术GTR的开通和关断过程电流波形(2)动态特性GTR的开通和关断的实验电路太原工业学院自动化系*电力电子技术 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 td主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的增大ib的幅值并增大dib/dt，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程。

GTR的开通过程电流波形太原工业学院自动化系*电力电子技术 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 ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分 减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度 负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加，从而增大通态损耗 GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多太原工业学院自动化系*电力电子技术3.GTR的主要参数前已述及：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BUcboBUcexBUcesBUcerBuceo实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多太原工业学院自动化系*电力电子技术2)集电极最大允许电流ICM通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3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太原工业学院自动化系*电力电子技术4.GTR的二次击穿现象与安全工作区一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿 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增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降 常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变太原工业学院自动化系*电力电子技术二次击穿实验曲线二次击穿临界线在二次击穿现象中，当第一次雪崩击穿后，从电流上升到ISB ，再到触发产生二次击穿的时间延迟，称为触发时间意味着BJT工作点进入一次击穿区时，并不立即产生二次击穿，而要有一个触发时间当加在BJT上的能量超过临界值（触发能量）时，才产生二次击穿，也就是说二次击穿需要能量太原工业学院自动化系*电力电子技术安全工作区（SafeOperatingAreaSOA）GTR的安全工作区 GTR工作的安全范围由下图所示的几条曲线限定：集电极最大允许直流电流线ICM，由集电极允许承受的最大电流决定；集电极允许最高电压UCE0，由雪崩击穿决定；集电极直流功率耗散线PCM ，由热阻决定；二次击穿临界线PSB，由二次击穿触发功率决定。

太原工业学院自动化系*电力电子技术2.4.3电力场效应晶体管（MOSFET） 也分为结型和绝缘栅型（类似小功率FieldEffectTransistorFET） 但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide SemiconductorFET） 简称电力MOSFET（PowerMOSFET） 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistorSIT）太原工业学院自动化系*电力电子技术功率场效应晶体管功率场效应晶体管太原工业学院自动化系*电力电子技术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 常用在中小功率的高性能开关电源、斩波器、逆变器中无二次击穿、安全工作区宽太原工业学院自动化系*电力电子技术1.电力MOSFET的结构和工作原理电力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沟道增强型太原工业学院自动化系*电力电子技术电力MOSFET的结构电力MOSFET的结构和电。