第一章电力电子器件全控器件
合集下载
相关主题
- 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)。
晶闸管，但目前又大多被 IGBT 和电力 MOSFET 取代
§1.4.2 电力晶体管 GTR
一． GTR 的结构和工作原理
★ 原理同普通晶体管，主要特征：耐压高、电流大、开关特性好； ★ 结构采用至少由两个晶体管成的达林顿接法单元结构（图1－13）
后将许多这种单元采用集成电路工艺并联而成 ；
★ 使用时常用共发射极接法，集电极电流 ic 与基极电流 ib 之比 ? 反映了
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，即：
? off
?
I ATO I GM
（1－8）
● ?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需要 200A
§1.4.2 电力晶体管 GTR
★ 半导体晶体管：分单极型和双极结型两种 ● 场效应管：参与导电的载流子只有一种，电子或空穴； ● 双极结型晶体管：两种载流子电子和空穴都参与导电； ★ 电力晶体管（ Giant Transistor ——GTR） ● 直译为巨型晶体管； ● 英文有时候也称为 Power BJT （Bipolar Junction Transistor ） ● 是耐高电压、大电流的双极结型晶体管； ★ 在电力电子技术的范围内， GTR 与 BJT 这两个名称等效应用 ★ 从20世纪80年代以来，电力晶体管在中、小功率范围内取代 了
基极电流对集电极电流的控制能力，称为：共发射极电流放大系数；
? ? ic ib
iG
GTO的开通和关断过程电流波形
O t
iA
IA 90% IA
td
tr
10% IA
0
t0
t1
t2
ts
tf
tt
t3 图 1-14
t4
t5
t6
t
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO 三．GTO的主要参数
多参数和晶闸管相应参数意义相同，仅介绍意义不同的参数
１．开通时间 ton ＝延迟时间 td ＋ 上升时间 tr
● ? 1+? 2 < 1 不能维持饱和导通而关断
图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO－－图形符号和工作原理
★ 导通过程： 与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅
A
P1
N1
N1
G
P2
P2
N2
K a)
A
IA
PNP
V1
G IG
Ic1
Ic2
R
NPN
V2
S EG
延迟时间 td 约：1~2? s，上升时间 tr 随阳极电流的增大而增大
２．关断时间 toff ＝储存时间 ts ＋下降时间 tf （不包括尾部时间tt ）
● 储存时间 ts 随阳极电流的增大而增大，下降时间 tf 一般小于 2? s
● tf ? ts tt > ts
● 门极负脉冲电流前沿越陡，幅值越大，抽取储存载流子的速度
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO 二．动态特性
★ 开通过程：需经过延迟时间 td （1~2? s）和上升时间 tr 两个阶段 ★ 关断过程：与普通晶闸管有所不同，由三个时间段组成
储存时间 ts : 抽取饱和导通时储存的载流子，使等效晶体管退出饱和 下降时间 tf ：从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小（小于2? s） 尾部时间 tt ：残存载流子复合
2．工作原理： 可用下图所示的双晶体管模型来分析
● GTO 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+? 2 ? 1.15，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；
IK
EA
K
b)
★ 关断过程： 门极加负脉冲即从门极抽出电流， Ib2 减小，使 IK 和 Ic2 减小， Ic2 的减小又使 IA 和 Ic1 减小，又进一步减小 Ib2 电流， 进而形成强烈的正反馈；
● 当 IA 和 IK 的减小使 ? 1+? 2 < 1 时，器件 退出饱和而关断；
● 多元集成结构使 GTO 比普通晶闸管开通快，承受 di/dt能力强。
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。
A
P1
N1
N1
G
P2
P2
N2
K a)
A
IA
PNP
V1
G IG
Ic 1
Ic2
R
NPN
V2
S EG
IK
EA
K
b)
● ? 1+? 2＝1 器件临界导通的条件
● ? 1+? 2 > 1 过饱和而使器件导通
§1.4 典型全控型器件
§1.4.1 门极可关断晶闸管 §1.4.2 电力晶体管 §1.4.3 电力场效应晶体管 §1.4.4 绝缘栅双极晶体管
§1.4 典型全控型器件
★ 20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自 发展的基础上相结合——高频化、全控型、采用集成电路 制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了 一个崭新时代；
1．结构（和普通晶闸管相对比）
● 相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极
● 不同点：
A
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
G
K
和门极则在器件内部并联在一起。
图1-13 电气图形符号
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO－－图形符号和工作原理
★ 门极可关断晶闸管 —— 在晶闸管问世后不久出现； ★ 典型器件：
● 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
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO 一．图形符号和工作原理
门极可关断晶闸管（ Gate-Turn-Off Thyristor ）是晶闸管的一种 派生器件，导通控制与普通晶闸管一样。并可通过在其门极施加 负的脉冲电流使其关断， GTO的电压、电流容量与晶闸管接近， 因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。
越快， ts 越短； ● 门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在 tt 阶段保持适当负电压，则可
缩短尾部时间；
● 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
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO 三、 GTO的主要参数
３．最大可关断阳极电流 IATO 门极可关断晶闸管 GTO的额定电流
§1.4.2 电力晶体管 GTR
一． GTR 的结构和工作原理
★ 原理同普通晶体管，主要特征：耐压高、电流大、开关特性好； ★ 结构采用至少由两个晶体管成的达林顿接法单元结构（图1－13）
后将许多这种单元采用集成电路工艺并联而成 ；
★ 使用时常用共发射极接法，集电极电流 ic 与基极电流 ib 之比 ? 反映了
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，即：
? off
?
I ATO I GM
（1－8）
● ?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需要 200A
§1.4.2 电力晶体管 GTR
★ 半导体晶体管：分单极型和双极结型两种 ● 场效应管：参与导电的载流子只有一种，电子或空穴； ● 双极结型晶体管：两种载流子电子和空穴都参与导电； ★ 电力晶体管（ Giant Transistor ——GTR） ● 直译为巨型晶体管； ● 英文有时候也称为 Power BJT （Bipolar Junction Transistor ） ● 是耐高电压、大电流的双极结型晶体管； ★ 在电力电子技术的范围内， GTR 与 BJT 这两个名称等效应用 ★ 从20世纪80年代以来，电力晶体管在中、小功率范围内取代 了
基极电流对集电极电流的控制能力，称为：共发射极电流放大系数；
? ? ic ib
iG
GTO的开通和关断过程电流波形
O t
iA
IA 90% IA
td
tr
10% IA
0
t0
t1
t2
ts
tf
tt
t3 图 1-14
t4
t5
t6
t
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO 三．GTO的主要参数
多参数和晶闸管相应参数意义相同，仅介绍意义不同的参数
１．开通时间 ton ＝延迟时间 td ＋ 上升时间 tr
● ? 1+? 2 < 1 不能维持饱和导通而关断
图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO－－图形符号和工作原理
★ 导通过程： 与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅
A
P1
N1
N1
G
P2
P2
N2
K a)
A
IA
PNP
V1
G IG
Ic1
Ic2
R
NPN
V2
S EG
延迟时间 td 约：1~2? s，上升时间 tr 随阳极电流的增大而增大
２．关断时间 toff ＝储存时间 ts ＋下降时间 tf （不包括尾部时间tt ）
● 储存时间 ts 随阳极电流的增大而增大，下降时间 tf 一般小于 2? s
● tf ? ts tt > ts
● 门极负脉冲电流前沿越陡，幅值越大，抽取储存载流子的速度
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO 二．动态特性
★ 开通过程：需经过延迟时间 td （1~2? s）和上升时间 tr 两个阶段 ★ 关断过程：与普通晶闸管有所不同，由三个时间段组成
储存时间 ts : 抽取饱和导通时储存的载流子，使等效晶体管退出饱和 下降时间 tf ：从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小（小于2? s） 尾部时间 tt ：残存载流子复合
2．工作原理： 可用下图所示的双晶体管模型来分析
● GTO 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+? 2 ? 1.15，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；
IK
EA
K
b)
★ 关断过程： 门极加负脉冲即从门极抽出电流， Ib2 减小，使 IK 和 Ic2 减小， Ic2 的减小又使 IA 和 Ic1 减小，又进一步减小 Ib2 电流， 进而形成强烈的正反馈；
● 当 IA 和 IK 的减小使 ? 1+? 2 < 1 时，器件 退出饱和而关断；
● 多元集成结构使 GTO 比普通晶闸管开通快，承受 di/dt能力强。
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。
A
P1
N1
N1
G
P2
P2
N2
K a)
A
IA
PNP
V1
G IG
Ic 1
Ic2
R
NPN
V2
S EG
IK
EA
K
b)
● ? 1+? 2＝1 器件临界导通的条件
● ? 1+? 2 > 1 过饱和而使器件导通
§1.4 典型全控型器件
§1.4.1 门极可关断晶闸管 §1.4.2 电力晶体管 §1.4.3 电力场效应晶体管 §1.4.4 绝缘栅双极晶体管
§1.4 典型全控型器件
★ 20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自 发展的基础上相结合——高频化、全控型、采用集成电路 制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了 一个崭新时代；
1．结构（和普通晶闸管相对比）
● 相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极
● 不同点：
A
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
G
K
和门极则在器件内部并联在一起。
图1-13 电气图形符号
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO－－图形符号和工作原理
★ 门极可关断晶闸管 —— 在晶闸管问世后不久出现； ★ 典型器件：
● 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
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO 一．图形符号和工作原理
门极可关断晶闸管（ Gate-Turn-Off Thyristor ）是晶闸管的一种 派生器件，导通控制与普通晶闸管一样。并可通过在其门极施加 负的脉冲电流使其关断， GTO的电压、电流容量与晶闸管接近， 因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。
越快， ts 越短； ● 门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在 tt 阶段保持适当负电压，则可
缩短尾部时间；
● 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
§1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO 三、 GTO的主要参数
３．最大可关断阳极电流 IATO 门极可关断晶闸管 GTO的额定电流