第3讲 晶闸管与全控型电力电子器件
全控型电力电子器件
GTO的关断机理: 在双晶体管等效模型中,利用门 极负电流分流IC1,并快速抽取 V2管发射结侧载流子,以实现快 速关断 GTO优点:电压、电流容量大,适用于大 功率场合,具有电导调制效应,其通流能 力很强;缺点:电流关断增益很小,关断 时门极负脉冲电流大,开关速度低,驱动 功率大,驱动电路复杂,开关频率低
2.电力晶体管(Giant Transistor—GTR)
GTR是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管,电流驱动型全控器件。
GTR关断原理: 开通时,Uce正偏,提供基极电流; 关断时,I b小于等于零。 开通和关断可由基极电流来控制,故称为全控型器件和电流型驱动器件。
GTR优点:耐压高,电流大,开关特性好,通流能力强,饱和压降低 缺点:开关速度低,为电流驱动,所需驱动功率电路复杂,存在二次击穿问题
4.绝缘栅极晶体管(IGBT)
复合型器件,将GTR双极型电流驱动器件和电力MOSFET 单极型电压驱动器件结合。综合了GTR和MOSFET的优点,因而具有良好的特性。
关断原理:IGBT是一种压控器件。其C-E间主电流的通断是由栅极和射极间的电压 uGE的高低决定的。 E极为公共端。 IGBT优点:开关速度高,开关损耗小,具有耐脉冲电流冲击的能力,通态压降较低, 输入阻抗高,为电压驱动,驱动功率小;缺点:开关速度低于电力MOSFET,电压, 电流容量不及GTO
3.电力场效应管绝缘栅型中的MOS型 (Metal Oxide Semiconductor FET)
关断原理:以G-S间施加电压的高低来控制D-S间主电流的通断。源极S为公共端。 门极几乎不取用电流,属压控器件。uGS正电压超过开启电压时导通,负电压作 用可使其快速关断。 优点:开关频率最高;驱动电流小,易驱动;通态电阻具有正温度系数(有利于器件 并联均流);缺点:电压电流容量较小;通态压降较大,ID大则压降随之增大。
电力电子器件课件2
曲线族。Ig=0时,逐渐增大阳极电压Ua, 只有很小的正向漏电流,晶闸管正向阻断; 随着阳极电压的增大,当达到正向转折电压 UBO时,漏电流突然剧增,晶闸管由正向阻断突
变为正向导通状态。这种在Ig=0时,依靠增大 阳极电压而强迫晶闸管导通的方式称为“硬开
URO——反向击穿电压
通过控制信号既可以控制其导通,又可以控制其关断的 电力电子器件称为全控型器件.常用的有门极可关断晶 闸管,大功率晶体管,功率场效应管,绝缘栅双极型晶体管, 静电感应晶体管及静电感应晶闸管等.
根据器件内部载流子参与导电的种类不同全控型器件又 分为单极型,双极型和复合型.
第3页,共43页。
1.1 普通晶闸管
第16页,共43页。
1.2 全控型电力电子器件
1.2.2 电力晶体管
⑤饱和压降UCES:GTR工 作在深饱和区时,集射 极间的电压值。
⑥共射直流电流增益β: β=IC/IB表示GTR的电 流放大能力。
⑦动态参数如图2.2.5 开通时间 ton=td+tr 关断时间 toff=ts+tf
第17页,共43页。
第5页,共43页。
1.1 晶闸管
综述:晶闸管的导通条件是 晶闸管的内部结构和等效电路 阳极与阴极之间为正偏和 门极与阴极之间为正偏。 晶闸管导通后,即使撤除 门极驱动信号Ug,也不能使
晶闸管关断,只有设法使阳极
电流Ig减小到维持电流IH以
下,导致内部已建立的正反馈 无法维持,晶闸管才能恢复阻 断能力。门极电压只能触发晶 闸管开通,不能控制它的关断, 故称为半控型器件。
3、GTO有能承受反压和不能承受反 压两种类型,使用时应注意。
常用的GTO驱动电路。
a图中,T导通时,E经过T使GTO触发导 通,同时C被充电,极性左+右-。当 T关断时,C经L、SCR、GTO阴极、GTO 门极放电,反向电流使GTO关断。
电力电子技术第三章 全控型器件的驱动
第一节 全控型电力电子器件的驱动
2.专用集成驱动电路芯片 1)驱动电路与IGBT栅射极接线长度应小于1m,并使用双绕线,以提 高抗干扰能力。
图3-9 电力MOSFET的一种驱动电路
第一节 全控型电力电子器件的驱动
3z10.tif
第一节 全控型电力电子器件的驱动
2)如果发现IGBT集电极上产生较大的电压脉冲,应增加栅极串接电 阻RG的阻值。 3)图3-10中外接两个电容为47μF,是用来吸收电源接线阻抗变化引 起的电源电压波动。
图3-6 抗饱和电路
第一节 全控型电力电子器件的驱动
图中VD1、VD2为抗饱和二极管,VD3为反向基极电流提供回路。在 轻载情况下,GTR饱和深度加剧使UCE减小,A点电位高于集电极电 位,二极管VD2导通,使流过二极管VD1的基极电流IB减小,从而减 小了GTR的饱和深度。抗饱和基极驱动电路使GTR在不同的集电极 电流情况下,集电结处于零偏或轻微正向偏置的准饱和状态,以缩 短存储时间。在不同负载情况下以及在应用离散性较大的GTR时, 存储时间趋向一致。应当注意的是,VD2为钳位二极管,它必须是 快速恢复二极管,该二极管的耐压也必须和GTR的耐压相当。因电 路工作于准饱和状态,其正向压降增加,也增大了导通损耗。
图3-2 门极控制电路 结构示意图
第一节 全控型电力电子器件的驱动
(1)开通控制 开通控制要求门极电流脉冲的前沿陡、幅度高、宽 度大及后沿缓。
图3-3 推荐的GTO门极控制 信号波形
第一节 全控型电力电子器件的驱动
(2)关断控制 GTO的关断控制是靠门极驱动电路从门极抽出P2基区 的存储电荷,门极负电压越大,关断的越快。 (3)GTO的门极驱动电路 GTO的门极控制电路包括开通电路、关断 电路和反偏电路。 间接驱动是驱动电路通过脉冲变压器与GTO门极相连,其优点是: GTO主电路与门极控制电路之间由脉冲变压器或光耦合器件实现电 气隔离,控制系统较为安全;脉冲变压器有变换阻抗的作用,可使 驱动电路的脉冲功率放大器件电流大幅度减小。缺点是:输出变压 器的漏感使输出电流脉冲前沿陡度受到限制,输出变压器的寄生电 感和电容易产生寄生振荡,影响GTO的正确开通和关断。此外,隔 离器件本身的响应速度将影响驱动信号的快速
全控型电力电子器件
GTO 的 外 形
电路符号
阳阳A
☞GTO的导通过程与普通 晶闸管是一样的,只不 过导通时饱和程度较浅。 ☞而关断时,给门极加负脉 冲,即从门极抽出电流, 器件退出饱和而关断。 ☞GTO的多元集成结构使 得其比普通晶闸管开通 过程更快,承受di/dt的 能力增强。
阳阳G 阳阳A
2018/12/13
2
1.3.1可关断晶闸管GTO——主要参数
2018/12/13
0.01ms 1ms
另外安全工作区与导通控制 脉冲有关系,如左图,给出不同 宽度的脉冲对应的安全工作区
C D BUCE UCE
11
1.3.3 功率场效应管MOSFET——外型和电路符号和特点
外 型
电 路 符 号
2018/12/13
阳阳D
阳阳G 阳阳S
■分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型 中的MOS型(Metal Oxide Semiconductor FET),简称电力MOSFET(Power MOSFET)。 ■电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的, 它的特点有: ◆驱动电路简单,需要的驱动功率小。 ◆开关速度快,工作频率高(可达106)。 ◆热稳定性优于GTR。 ◆电流容量小,耐压低,多用于功率不超过 10kW的电力电子装置。 比较: GTO一般可以做到几KA/KV(功率最大);开关 速度几百HZ; GTR一般可以做到几百A/KV,速度稍慢,几K到 几百K, MOSFET一般可以做到几十A/KV(速度最快), 可达106 ;
关断过程
从开始施加反向基极电流到集电极电流开始下降 (下降到90%ICO)对应的时间叫做存储时间ts。接 着是下降时间tf,定义为集电极电流从90%ICO下降 到10%ICO对应的时间。关断时间toff=ts+tf。 GTR的开关时间在几微秒以内,比晶闸管和 GTO都短很多。
电力电子技术第二章 全控型电力电子器件
第三节 功率场效应晶体管
功率场效应晶体管简称功率MOSFET,它是对小功率场效应晶体管 的工艺结构进行改进,在功率上有所突破的单极型半导体器件,属于 电压控制型,具有驱动功率小、控制电路简单、工作频率高的特点。
一、功率场效应晶体管的结构与工作原理
1.功率场效应晶体管的结构 由电子技术基础可知,小功率场效应晶体管的栅极G、源极S和漏极 D位于芯片的同一侧,导电沟道平行于芯片表面,是横向导电器件, 这种结构限制了它的电流容量。功率场效应晶体管采取两次扩散工 艺,并将漏极D移到芯片的另一侧表面上,使从漏极到源极的电流 垂直于芯片表面流过,这样有利于减小芯片面积和提高电流密度。 这种由垂直导电结构组成的场效应晶体管称为VMOSFET。
第二节 电力晶体管
(1)放大区(线性区) 其特点是发射结正偏,集电结反偏,集电极与 基极电流呈线性关系。 (2)饱和区 其特征是发射结、集电结都正偏。 (3)准饱和区(临界饱和区) 其特征是集电结反偏,发射结正偏,但 集电极电流与基极电流不是线性关系。 (4)截止区 发射结、集电结反偏,IB为零。 电力晶体管在变流技术应用中作为开关使用,往返工作于饱和区、 截止区。在状态转换过程中,快速地通过放大区及准饱和区。
三、电力晶体管的额定参数
1.最高工作电压 最高工作电压即最高集电极电压额定值,它不仅因器件不同而不同, 而且即便是同一器件,也会由于基极电路条件不同而存在差异。在 晶体管产品目录中BUCEO作为电压容量给出,但不能仅以此项指标 确定晶体管实际工作时的工作电压上限。
2.最大电流额定值ICM 最大电流额定值ICM即允许流过集电极的最大电流值。为了提高GTR 的输出功率,集电极输出电流应尽可能地大。但是集电极电流大,则 要求基极注入的电流也大,这样会使GTR的电气性能变差,甚至于损 坏器件。使用中通常只用到ICM的(1/3~1/2),以确保使用的稳定与 安全。
电力电子器件-电子课件
第一章 电力电子器件
波形系数Kf :有效值/平均值,反应周期
交流量波形性质。
如果额定电流为100A的晶闸管 其允许通过的电流有效值为1.57×100=157A
第一章 电力电子器件
选择晶闸管额定电流时,要依据实际波形的电流
有效值与额定电流IT(AV)有效值相等的原则(即管芯结
温一样)进行换算。即:
由于晶闸管的过载能力差,一般选用时取1.5~2倍 的安全裕量。
第一章 电力电子器件
3.通态平均电压UT(AV)
当流过正弦半波的电流为额定电流,并达到稳定 的额定结温时,晶闸管阳极与阴极之间电压降的平均 值,称为通态平均电压。
第一章 电力电子器件
电力电子器件在电力设备或电力系统中,直接 承担电能变换和控制任务的电路称为主电路。
电力电子器件就是可直接用于主电路中实现电 能的变换和控制的电子器件。
电力电子器件则是电力电子电路的基础。 目前常用的电力电子器件都是用半导体材料制 成的,主要分为半控型器件和全控型器件。
第一章 电力电子器件
门极可关断晶闸管实物、图形 和文字符号
GTO在牵引电力机车和斩波器中的应用
第一章 电力电子器件
二、功率晶体管GTR
大功率晶体管(Giant Transistor)简称GTR, 又称为电力晶体管。因为有PNP和NPN两种结构,因此 又称双极型晶体管BJT。
功率晶体管GTR实物、图形和文字符号
第一章 电力电子器件
为晶闸管的额定电压值,用电压等级来表示。
第一章 电力电子器件
2.额定电流IT(AV)
又称为额定通态平均电流。 是指在环境温度小于40℃和标准散热及全导通的条 件下,晶闸管可以连续导通的工频正弦半波电流的平均 值。 晶闸管的额定电流参数系列:1A、5A、10A、20A、 30A、50A、100A、200A、300A。
电力电子器件-典型全控型器件课件PPT(共44页)
第2章 电力电子器件
1
2022/3/23
第一节 电力电子器件概述 第二节 不可控器件——电力二极管 第三节 半控型器件——晶闸管 第四节 典型全控型器件 第五节 其他新型电力电子器件 第六节 功率集成电路与集成电力电子模块
本章小结及作业
2
2.4 典型全控型器件
2.4.1 门极可关断晶闸管 2.4.2 电力晶体管 2.4.3 电力场效应晶体管 2.4.4 绝缘栅双极晶体管
GTO关断。
导通时1+2更接近1,导通时接近临界饱
和,有利于门极控制关断,但导通时管压 降增大。 多元集成结构,使得GTO比晶阐管开通更 快,承受能di/dt能力更强。
10
2022/3/23
GTO的关断特性 GTO的关断过程有三个不同的时间,即存储时
间ts、下降时间tf及尾部时间tt。 存储时间ts :对应着从关断过程开始,到阳极电
N2 P2 N2 N1 P1 A
6
2、GTO的工作原理
2022/3/23
(1)开通过程
GTO 也 可 等 效 成 两 个 晶 体 管 P1N1P2 和 N1P2N2 互 连,GTO与晶闸管最大区别就是导通后回路增益 α1+α2数值不同,其中α1和α2分别为P1N1P2和N1P2N2 的共基极电流放大倍数。晶闸管的回路增益α1+α2 常 为 1.15左 右 , 而 GTO的 α1+α2 非 常 接 近 1。 因 而 GTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳极 电流提供有利条件。
门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现
4
2.4.1 门极可关断晶闸管
2022/3/23
门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor, GTO)
第15章全控型电力电子器件及其应用
43
逆导型斩波器
U 接通
VT1 iC iT i d
×
振荡放电 VT2
+_ _+
L C iC
VD
Ld M
图15-19 b)
振荡放 电波形
44
u
uc
uL
E
0
ωt
-E i
0 图15-20
ωt
45
三、GTO(或GTR)直流斩波器
a)电路分析 b)电路分析 图15-21
46
图15-21 a)
对GTO施加正脉冲时VT导 通,直流电源向负载供电; 当给VT门极负脉冲时, GTO便关断,直流电源停 止向负载供电,负载电流 经续流二极管VD续流。
当开关S1、S4闭合,S2、S3断开时,u0 Ud ,反之 u0 Ud
把直流电变成了交流电——无源逆变。
四个桥臂的切换频率就等于负载电压uo的频率
25
变频电路的换流方式
器件换流:器件自身具有的自关断能力进行换流 换流方式 负载换流:输出电流超前于电压 ,超前的时间
大于晶闸管的关断时间, 强迫换流:由附加的换流回路产生脉冲,迫使
SPWM:调制信号ur为 正弦波的脉冲宽度调制 叫正弦波脉冲宽度调制。
图15-12 单相桥式PWM变频电路原理图
30
一、PWM型变频器的基本工作原理 电路
1. 单相桥式PWM型变频电路的工作原理 1) 单极性PWM控制方式工作原理
原理
单极性脉宽调制: 半个周期内载波信 号uC是单极性的信 号。
图15-13 单极性SPWM调制波形
9
二、 可关断晶闸管(GTO)
GTO的结构和等效电路
15-4
10
GTO的工作原理
电力电子第2章 全控型电力电子器件b z
24/89
GTR、GTO、电力 MOSFET 和 IGBT 的特点比较表 器件 简称 GTR 名称 电力晶 体管 电气 符号 端子名 称 基极 优 点 缺 点
GTO
门极可 关断晶 闸管
1 3 2
电力场 P-MO 效应晶 SFET 体管 绝缘栅 IGBT 双极晶 体管
1 3 2
1
3
2
耐压高,电流大,开关特性 开关速度低,为电流驱动, 集电极 好,通流能力强,饱和压降 所需驱动功率大,驱动电路 低 复杂,存在二次击穿问题 发射极 阳极 电流关断增益很小,关断时 电压、电流容量大,适用于 门极负脉冲电流大,开关速 阴极 大功率场合,具有电导调制 度低,驱动功率大,驱动电 效应,其通流能力很强 路复杂,开关频率低 门极 漏极 开关速度快,输入阻抗高, 电流容量小,耐压低,一般 热稳定性好,所需驱动功率 只适用于功率不超过 10kW 源极 小且驱动电路简单,工作频 的电力电子装置 栅极 率高,不存在二次击穿问题 开关速度高,开关损耗小, 集电极 具有耐脉冲 电流冲 击的能 开 关 速 度 低 于 电 力 发射极 力,通态压降较低,输入阻 MOSFET,电压, 电流容量不 栅极 抗高,为电压驱动,驱动功 及 GTO,存在擎住效应 率小
漏源电压增加时, 漏极电流相应增加; 作为开关器件应用时, 应工作在该区域
截止区
UDS /V
UGS<UGS(th)
雪崩区
无反向阻断能力
图2-21 电力MOSFET输出特性
UDS 过高
2)电力MOSFET的基本特征
2.转移特征
ID /A
D +
50 40 30 20 10 0 2
Tc=25o
Tc=125o
消失,晶体管的基极电流被切断,IGBT关断。
电力电子技术2 全控型电力电子器件
2.1 门极可关断晶闸管(GTO)
一、GTO的工作原理 GTO的内部结构与普通晶闸管相
同,是PNPN四层三端结构,但在 制作时采用特殊工艺使管子导通 后处于临界饱和,这样可以用门 极负脉冲电流破坏临界饱和使其 关断。 GTO主要用于直流变换和逆变等 需要元件强迫关断的地方。其开 关时间在几µs-25µs之间,工作 电压高达6000V,电流大6000A, 适用于开关频率为数百Hz至 10kHz的大功率场合。
2、VDMOS的主要参数
(区进1)入通饱态和电区阻时R漏on:极在至确源定极的间栅的源直电流压电U阻GS下称,为V通DM态OS电由阻可。调电阻
(压称2)为阈阈值值电电压压U。T:沟道体区表面发生强反型所需的最低栅源电
(3)跨导gm:gm=ΔID/ΔUGS,它表示UGS对ID的控制能力的大小。
有 一外般接不电会阻引限起制GT电R的流特IC性的变增坏大。,
如 大 时 (负继, ,阻续U当CE效增I突C上应大然升)U下C到E,降,A这,又点个而不(现限I临C象继制界称续I值C为的增)二大增
次击穿。
2.2 电力晶体管
(2)安全工作区(SOA):指在输 出特性曲线图上GTR能够安全运 行的电流电压的极限范围。
C图中,导通与关断用两个独立 电源,开关元件少,电路简单。
电力电子技术(王兆安-课后答案
电力电子技术答案2-1与信息电子电路中的二极管相比,电力二极管具有怎样的结构特点才使得其具有耐受高压和大电流的能力?答:1.电力二极管大都采用垂直导电结构,使得硅片中通过电流的有效面积增大,显著提高了二极管的通流能力。
2.电力二极管在P区和N区之间多了一层低掺杂N区,也称漂移区。
低掺杂N区由于掺杂浓度低而接近于无掺杂的纯半导体材料即本征半导体,由于掺杂浓度低,低掺杂N区就可以承受很高的电压而不被击穿。
2-2.使晶闸管导通的条件是什么?答:使晶闸管导通的条件是:晶闸管承受正向阳极电压,并在门极施加触发电流(脉冲)。
或:uAK>0且uGK>0。
2-3. 维持晶闸管导通的条件是什么?怎样才能使晶闸管由导通变为关断?答:维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流,即维持电流。
要使晶闸管由导通变为关断,可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下,即降到维持电流以下,便可使导通的晶闸管关断。
2-4图2-27中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形,各波形的电流最大值均为I m ,试计算各波形的电流平均值I d1、I d2、I d3与电流有效值I1、I2、I3。
解:a) I d1=Im2717.0)122(2Im)(sinIm214≈+=⎰πωπππtI1=Im4767.021432Im)()sin(Im2142≈+=⎰πϖπππwtdtb) I d2=Im5434.0)122(2Im)(sinIm14=+=⎰wtd tππϖπI2=Im6741.021432Im2)()sin(Im142≈+=⎰πϖπππwtdtc) I d3=⎰=2Im41)(Im21πωπtdI3=Im21)(Im2122=⎰tdωππ2-5上题中如果不考虑安全裕量,问100A的晶阐管能送出的平均电流I d1、I d2、I d3各为多少?这时,相应的电流最大值I m1、I m2、I m3各为多少?解:额定电流I T(AV)=100A的晶闸管,允许的电流有效值I=157A,由上题计算结果知a) I m135.3294767.0≈≈IA, I d1≈0.2717I m1≈89.48A b) I m2,90.2326741.0A I≈≈I d2A I m 56.1265434.02≈≈c) I m3=2I=314 I d3=5.78413=m I2-6 GTO 和普通晶闸管同为PNPN 结构,为什么GTO 能够自关断,而普通晶闸管不能?答:GTO 和普通晶阐管同为PNPN 结构,由P1N1P2和N1P2N2构成两个晶体管V1、V2,分别具有共基极电流增益1α和2α,由普通晶阐管的分析可得,121=+αα是器件临界导通的条件。
全控型电力电子器件
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。
3.特点
全控型 容量大 off≈5 电流控制型
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
I ATO I GM
1000A的GTO关断时门极负脉
冲电流峰值要200A 。
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
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。
C
IDRNV-J1+ IC
C
-+
+
-IDRon
பைடு நூலகம்
G
E
栅极
b)
c)
集电极 发射极
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。
电力晶体管和晶闸管PPT课件
晶闸管的派生器件有:双向晶闸管、可关断晶闸 管、快速晶闸管、逆导晶闸管及光控晶闸管等。
2019/11/22
2
第一节 电力二极管
一、结构与伏安特性
1、结构 电力二极管 有 一个结面积大一些的PN结 ,
2、选择额定电压的原则
2019/11/22
U RRM (2 ~ 3)U DM
9
3、电力二极管使用注意事项
(1)必须保证规定的冷却条件。
(2)平板型元件的散热器一般不应自行拆 装。
(3)如不能满足规定的冷却条件,必须降 低容量使用,如规定风冷元件使用在自冷 时,只允许用到额定电流的三分之一左右。
K G
A
Cc)
14
晶闸管的管耗和散热:
管耗=流过器件的电流×器件两端的电压
管耗将产生热量,使管芯温度升高。如果超 过允许值,将损坏器件,所以必须进行散热 和冷却。
冷却方式:自然冷却(散热片)、风冷(风 扇)、水冷
2019/11/22
15
散热器
2019/11/22
16
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
(2) 快恢复二极管 (Fast Recovery Diode——FRD)
简称快速二极管。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复
两个等级。前者trr为数百纳秒或更长,后者则在100ns以下,
甚至达到20-30ns。
2019/11/22
11
(3)肖特基二极管(DATASHEET) 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为
两个引出级:阳极A和阴极K。 外形结构有螺旋式和平板式。螺旋式二极
电力电子器件全控型器件
G
G
N+
SS
D
N沟道 P沟道
a)
b)
图1-19
源极
当UGS大于UT(开启电压或阈值电压)时,栅极下P 区表面的电子浓度将超过空穴浓度,使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,漏极和源极之间导电 。
22
GTR的动态特性
23
2021/5/20
2.4.2 电力晶体管
c
GTR的主要参数:
电压参数
b
最高电压额定值
e
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。
击穿电压有多种:
24
2.4.2 电力晶体管
BC
BC
E
E
BC E
2021/5/20
BC E
BUCBO>BUCEX>BUCES>BUCER>BUCEO
25
2021/5/20
2.4.2 电力晶体管
电流参数 集电极最大允许电流ICM
通常规定为直流电流放大系数β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。
超过该额定值必将导致晶体管内部结构的烧 毁。 集电极连续直流电流额定值IC
S P沟道
a)
b)
图1-19
电力MOSFET的结构和电气图形符号
34
1、电力MOSFET的结构和工作原理
2021/5/20
漏极
截止:栅源极间电压为零, 漏源极间加正电压,P基 区与N漂移区之间形成的
S
DD
G
栅极N+PN+ N+PN+ 沟道 N-
电力电子器件晶闸管
式中α1和α2分别是晶体管V1和V2 的共基极电流增益;ICBO1和ICBO2 分别是V1和V2的共基极漏电流。 由以上式可得 :
IA =
α 2 I G + I CBO1 + I CBO2
1−(α1 +α 2 )
(1-5)
晶闸管的结构与工作原理
在低发射极电流下α 是很小的,而当发射极电流建立 起来之后,α 迅速增大。 阻断状态: 阻断状态:IG=0,α1+α2很小。流过晶闸管的漏电流稍 大于两个晶体管漏电流之和。 开通状态: 开通状态 : 注入触发电流使晶体管的发射极电流增大 以致 α 1+α2 趋近于1的话,流过晶闸管的电流IA ,将趋 近于无穷大,实现饱和导通。IA实际由外电路决定。
半控型器件( 半控型器件(Thyristor) ) ——通过控制信号可以控制其导通而不能控制 其关断。 全控型器件( 全控型器件(IGBT,MOSFET,GTO,IGCT) , , , ) ——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关 断,又称自关断器件。 不可控器件( 不可控器件(Power Diode) ) ——不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不 需要驱动电路。
反向重复峰值电压URRM 反向重复峰值电压
——在门极断路而结温为额定值时,允 许重复加在器件上的反向峰值电压。
通态(峰值)电压 通态(峰值)电压UT
——晶闸管通以某一规定倍数的额定通 态平均电流时的瞬态峰值电压。
2)电流定额
4.2.3
晶闸管的主要参数
通态平均电流 IT(AV) )
——在环境温度为40°C和规定的冷却状态下,稳定结温不超过额定 结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值 最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定 最大工频正弦半波电流的平均值 电流的参数。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
3
2.4.2
术语用用法:
电力力晶体管
" 电力力晶体管(Giant Transistor——GTR,直译为巨
型晶体管) 。
" 耐高高电压、大大电流的双极结型晶体管( Bipolar
Junction Transistor——BJT),英文文有时候也称为 Power BJT。 应用用:
" 20世纪80年代以来,在中、小小功率范围内取代晶闸
trr URRM t gr O iA 100% 90%
10% 0 td uAK
tr IRM
t
t
图2-15 晶闸管的开通和关断过程波形
电力电子技术
3
2.3.3 闸管的主要特性参数 1、电压定额
v
v
断态重复峰值电压UDRM ——在⻔门极断路而而结温为额定值时,允许重复加在器件上的 正向峰值电压。 反向重复峰值电压URRM ——在⻔门极断路而而结温为额定值时,允许重复加在器件上的 反向峰值电压。
⑵ GTO的动态特性
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 ,使等效晶体退出饱 I A 90% IA 和; 下降时间tf ; 尾部时间tt —残存载流子子复合。
10% IA 0 t0 t1 O
t2
t3
t4
t5
t6
t
图2-24 GTO的开通和关断过程电流波形
通常tf 比比ts小小得多,而而tt 比比ts 要⻓长。⻔门极负脉冲电流幅 值越大大, ts 越短。 电力电子技术
电力电子技术
3
2 、双向晶闸管( Triode AC Switch——TRIAC 或 Bidirectional triode thyristor)
" 可认为是一一对反并联联接的普 通晶闸管的集成。 " 有两个主电极T1和T2,一一个⻔门 极G。 G " 在第I和第III象限有对称的伏 安特性。
截止区 O 图2-26
电力电子技术
3
(2)动态特性 开通过程
A IA V1 G IG S EG Ic1 NPN PNP I c2 V2 IK K EA R
图2-22
晶闸管的工作原理
电力电子技术
3
导通过程与普通晶闸管一一样,只是导通 时饱和程度较浅。
关断过程:强烈正反馈——⻔门极加负脉 冲即从⻔门极抽出电流,则Ib2减小小,使IK 和Ic2减小小,Ic2的减小小又又使IA和Ic1减小小, 又又进一一步减小小V2的基极电流。 当IA和IK的减小小使α1+α2<1时,器件退 出饱和而而关断
IA 正向 导通
URSM URRM -UA
IH O
IG2
IG1
IG=0
UDRM Ubo +UA UDS M
雪崩 击穿
-IA
图2-14
晶闸管伏安特性
电力电子技术
3
(2)反向特性
IA 正向 导通
v
反向特性类似二二极管的反 向特性。
URSM URRM -UA
IH O
IG2
IG1
IG=0
v
反向阻断状态时,只有极 小小的反相漏电流流过。 当反向电压达到反向击穿 电压后,可能导致晶闸管 发热损坏。
图2-20 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 电气图形符号
c)
电力电子技术
3
(2)工工作原理:
" 与普通晶闸管一一样,可以用用下图所示示的双晶体管模型
来分析。
N1 G P2 N2 K a)
A A P1 N1 P2 IA V1 G IG S EG Ic1 NPN PNP I c2 V2 IK b) K EA R
3
(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。延迟时间一一般 约1~2µs,上升时间则随通态阳极电流的增大大而而 增大大。 ② 关断时间toff —— 一一般指储存时间和下降时间之和,不包 括尾部时间。下降时间一一般小小于2µs。 不少GTO都制造成逆导型,类似于逆导晶闸管,需承 受反压时,应和电力力二二极管串联 。 电力电子技术
电力电子技术
3
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:截止止区、放大大区和饱和 区。 在电力力电子子电路中GTR工工作 在开关状态。 在开关过程中,即在截止止区 和饱和区之间过渡时,要经过 放大大区。
饱和区
Ic
放大区 ib3 ib2 ib1 ib1<ib2<ib3 Uce 共发射极接法时GTR的输 出特性
管,但⺫目目前又又大大多被IGBT和电力力MOSFET取代。 电力电子技术
3
图2-25 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动
" " " "
与普通的双极结型晶体管基本原理是一一样的。 主要特性是耐压高高、电流大大、开关特性好。 通常采用用至至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。 采用用集成电路工工艺将许多这种单元并联而而成 。 电力电子技术
电力电子技术
3
3、动态参数
v
除开通时间tgt和关断时间tq外,还有: 断态电压临界上升率du/dt ——指在额定结温和⻔门极开路的情况下,不导致晶闸管从断态到 通态转换的外加电压最大大上升率。 ——电压上升率过大大,使充电电流足足够大大,就会使晶闸管误导 通。 通态电流临界上升率di/dt ——指在规定条件下,晶闸管能承受而而无无有害影响的最大大通态 电流上升率。 ——如果电流上升太快,可能造成局部过热而而使晶闸管损坏。
3
③最大大可关断阳极电流IATO ——GTO额定电流。 ④ 电流关断增益βoff ——最大大可关断阳极电流与⻔门极负脉冲电 流最大大值IGM 之比比称为电流关断增益。
β off
I ATO = I GM
β off一一般很小小,只有5左右,这是GTO的一一个主要缺点。
1000A的GTO关断时⻔门极负脉冲电流峰值要200A 。 电力电子技术
通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小小的标值作为该器件的额定电压。 选用用时,一一般取额定电压为正常工工作时晶闸管所承受峰值电压2-3 倍。
v
通态(峰值)电压UTM ——晶闸管通以某一一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态 峰值电压。
电力电子技术
3
2、电流定额
通态平均电流 IT(AV) v ——在环境温度为40°C和规定的冷却状态下,稳定结温不超过额定 结温时所允许流过的最大大工工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电 流的参数。 v ——使用用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。 维持电流 IH v ——使晶闸管维持导通所必需的最小小电流。 擎住电流 IL v ——晶闸管刚从断态转入入通态并移除触发信号后, 能维持导通所需 的最小小电流。对同一一晶闸管来说,通常IL约为IH的2-4倍。 浪涌电流ITSM v ——指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性 最大大正向过载电流 。
v
v v
电力电子技术
3
2.3.4 晶闸管的派生器件 1、快速晶闸管(Fast Switching Thyristor— FST) 有快速晶闸管和高高频晶闸管。 开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。 普通晶闸管关断时间数百微秒,快速晶闸管数十十微秒, 高高频晶闸管10µs左右。 高高频晶闸管的不足足在于其电压和电流定额都不易做高高。 由于工工作频率较高高,不能忽略其开关损耗的发热效应。
图2-21
晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
" 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α1和α2 。
" α1+α2=1是器件临界导通的条件。
电力电子技术
3
GTO能够通过⻔门极关断的原因是其与普通晶闸管有 如下区别: " 设计α2较大大,使晶体管V2控 制灵敏,易于GTO关断。 " 导通时α1+α2更接近1,导通 时接近临界饱和,有利⻔门极 控制关断,但导通时管压降 增大大。 " 多元集成结构,使得P2基区 横向电阻很小小,能从⻔门极抽 出较大大电流。
图2-23 关断过程等效电路
电力电子技术
3
由上述分析我们可以得到以下结论:
☆ GTO导通过程与普通晶闸管一一样,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
退出饱和而而关断。
☆多元集成结构还使GTO比比普通晶闸管开
通过程快,承受di/dt能力力强 。
电力电子技术
3
iG 等效晶体管从饱 和区退至放大区, 阳极电流逐渐减 小时间 残存载 流子复 合所需 时间 t 抽取饱和导通时 储存的大量载流 子的时间 iA td tr ts tf tt
3
第3讲 电力电子器件
电力电子技术
3
2.3.2 晶闸管的基本特性 1、静态特性 (1)正向特性 IG=0时,器件两端施加 正向电压,只有很小小的正 向漏电流,为正向阻断状 态。 正向电压超过正向转折电 压Ubo,则漏电流急剧增大大, 器件开通。 随着⻔门极电流幅值的增 大大,正向转折电压降低。 晶闸管本身身的压降很小小, 在1V左右。
"
电力电子技术
3
"
常用用的典型全控型器件
门极可关断晶闸管
IGBT单管及模块 图2-19 常用的典型全控型器件
电力MOSFET
电力电子技术
3
2.4.1 ⻔门极可关断晶闸管 ⻔门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor —GTO)