全控型电力电子器件

小结
1. MOSFET的结构与工作原理 2. MOSFET的特性 3. MOSFET的主要参数 4. 作业：9、10、11
第四节 绝缘栅双极晶体管IGBT）
绝缘栅双极型晶体管简称为IGBT（Insulated Gate Biopolar Transistor）,是80年代中期 发展起来的一种新型复合器件。
本章小结
1、根据开关器件是否可控分类
（1）不可控器件：二极管VD （2）半控器件：普通晶闸管SCR （3）全控器件：GTO、GTR、功率MOSFET、IGBT等。
2、根据门极(栅极)驱动信号的不同
（1）电流控制器件：驱动功率大，驱动电路复杂，工作频率低。该 类器件有SCR、GTO、GTR。
（2）电压控制器件：驱动功率小，驱动电路简单可靠，工作频率高。 该类器件有P-MOSEET、IGBT。
IGBT综合了MOSFET和GTR的输入阻抗高、工 作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流 大的优点。成为当前电力半导体器件的发展方向。
1. 结构
复合结构（= MOSFET+GTR）
发射极 栅极
E
G
N+ P N+
N+ P N+
J3 J2
N-
N+
J1
P+
C 集电极 a)
漂移区 缓冲区 G
注入区
3.特点
高频，容量大 反向耐压低（必须反接二极管） 模块化 驱动和保护有专用芯片
其他电力电子器件
MCT——MOS控制晶闸管 SIT——静电感应晶体管 SITH——静电感应晶闸管
小结：
IGBT的结构与工作原理 IGBT的特性与参数 IGBT的擎住效应与安全工作区 作业：11、12
安全工作区
防止二次击穿，采用保护电路，同时考虑器件 的安全裕量，尽量使GTR工作在安全工作区。
4.特点
全控型，电流控制型 二次击穿（工作时要防止） 中大容量，开关频率较低
第三节 功率场效应晶体管（MOSFET）
S G
N+ P N+
N+ P N+
沟道
N-
N+
D
D
D
Fra Baidu bibliotek
G： 栅极
D： 漏极
G
G
S： 源极
2. 导通关断条件
导通：同晶闸管，AK正偏，GK正偏 关断：门极加负脉冲电流
3.特点
全控型 容量大 off≈5 电流控制型
off
I ATO I GM
1000A的GTO关断时门极负脉
冲电流峰值要200A 。
小结
GTO的结构 GTO的工作原理 GTO的特性曲线 GTO的主要参数
作业
1、2
第二节 GTR——电力晶体管
➢ 电力晶体管GTR （Giant Transistor，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 ➢ 在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。 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
1.单管GTR
单管GTR的基本工作原理与晶体管相同 作为大功率开关管应用时，GTR工作在截
止和导通两种状态。 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好
2．达林顿GTR
单管 GTR的电流增益低，将给基极驱动电 路造成负担。达林顿结构是提高电流增益 一种有效方式。
达林顿结构由两个或多个晶体管复合而成， 可以是PNP型也可以是NPN型，其性质由 驱动管来决定
S
S
N沟道
P沟道
a)
b)
电力MOSFE图T1的-1结9 构和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号
1.导通关断条件
漏源极导通条件：在栅源极间加正电压UGS 漏源极关断条件：栅源极间电压UGS为零
2.特点
控制级输入阻抗大 驱动电流小 防止静电感应击穿 中小容量，开关频率高 导通压降大（不足）
C
ID RN V-J1+ IC
C
-+
+ -IDRon
G
E
b)
c)
2.导通关断条件
驱动原理与电力MOSFET基本相同，属于场控器件， 通断由栅射极电压uGE决定 导通条件：在栅射极间加正电压UGE 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。 关断条件：栅射极反压或无信号 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。
达林顿GTR的开关速度慢，损耗大
3．GTR 模块
将 GTR管芯、稳定电阻、加速二极管、 续流二极管等组装成一个单元，然后根 据不同用途将几个单元电路组装在一个 外壳之内构成GTR模块。
目前生产的GTR模块可将多达6个互相绝 缘的单元电路做在同一模块内，可很方 便地组成三相桥式电路。
3. GTR的二次击穿现象
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，如果继续增高外接电压，则Ic继续 增大，当达到某个临界点时，Uce会突然降低至一个 小值，同时导致Ic急剧上升，这种现象称为二次击穿， ❖ 二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微秒范围， 常常立即导致器件的永久损坏。必需避免。
模块
IGBT
开关器件——IGCT＝驱动电路＋GCT
4kA/4.5kV IGCT
663A/4.5kV IGCT
GCT分解部件
第一节 门极可关断（GTO）晶闸管
1. 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。