2电力电子器件(3)-全控型器件

压不断上升和门极反电压开始建立的过程。
尾部时间tt ：则是指从阳极电流降到极小值时开 始，直到最终达到维持电流为止的时间。
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3、GTO的动态特性
开通过程：与普通晶闸管相同(td + tr) 关断过程：与普通晶闸管有所不同
关断：经过储存时间ts和下降时间tf，二者之和 为关断时间toff。
减小导通时的饱和深度（工作在临界饱和或准
饱和区），或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负 偏压，可加快关断速度。
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GTR的动态特性
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2.4 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
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
➢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
➢兆瓦以上首选，制造水平6kA/6kV。
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1、GTO的结构
GTO为四层PNPN结构、三端引出线（A、K、G）
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（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。
延迟时间+上升时间：td + tr 储存时间+下降时间： ts + tf 尾部时间：tt
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4、主要参数
GTO有许多参数与晶闸管相同，这里只介绍一 些与晶闸管不同的参数。
（1）最大可关断阳极电流IATO(GTO的额定电流)
目前生产的GTR模块可将6 个相互绝缘的单元电路制在 同一个模块内，以便于组成 三相桥电路。
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2.4.2 电力晶体管
GTR的静态特性：在电力电子电路中，GTR工作在开
关状态，即工作在截止区或者饱和区。但GBaidu NhomakorabeaR在开
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2.4.2 电力晶体管 1. GTR的结构和工作原理
空穴流
ib
E
b
ic=βib
电
E
子
流
c
ie=(1+β)ib
GTR共发射极接法时内部主要载
流子的流动如图。集电极电流ic与
基电流ib之比为 β=
的器件。和晶闸管不同的是：GTO内部是由许多四层
结构的小晶闸管并联而成，这些小晶闸管的门极和
阴极并联在一起，成为GTO元，而普通晶闸管是独立
元件结构。下图是GTO的结构示意图、等效电路和电
气符号。
N2 P2 N2 N1
P1 A
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2、GTO的工作原理
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BUCBO＞BUCEX＞BUCES＞BUCER＞BUCEO
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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。
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2.4.2 电力晶体管
BC
BC
E
E
BC E
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BC E
BUcex 基极反偏
BUces 基极短路
BUceR 基极串电阻
BUceo 基极开路
BUCBO－发射极开路时，集－基极的击穿电压。 BUCEX－基极施加反偏压时，集－射极的击穿电压。 BUCES－基射极短路时，集－射极的击穿电压。 BUCER－基－射极间并联电阻时，基－射极的击穿电压。 BUCEO－基极开路时，集－射极的击穿电压。
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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
流开始下降到90%IA为止的一段时间间隔。 下降时间tf ：对应着阳极电流迅速下降，阳极电
电流过大时α1+α2稍大于1的条件可能被破坏，使器 件饱和程度加深，导致门极关断失败。。
（2）电流关断增益off(太小,GTO的主要缺点）
GTO的关断增益off为最大可关断阳极电流IATO与
门极负电流最大值IGM之比，通常只有5左右。
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缺点：饱和管压降增加， 增大了导通损耗，同时 降低了管子工作速度。
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2.4.2 电力晶体管 GTR模块
它是将GTR管芯根据不同的用途将几个单元电 路集成在同一硅片上。
提高了器件的集成度、工 作的可靠性、性能/价格比， 同时也实现了小型轻量化。
本章小结及作业
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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
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ic
ib
为电流放大系数，当考虑到集
电极和发射极间的电流Iceo时，ic 与ib关系为
ic= βib + Iceo
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电力电子器件 2.4.2 电力晶体管
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GTR的类型 目前常用的GTR有单管、达林顿管和模块三种类型。 单管GTR基本型。
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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。
➢储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。 ➢下降时间tf ，退至放大区，iA减小 ➢尾部时间tt —残存载流子复合。 ➢通 常 tf<<ts<tt 。 门 极 负 脉 冲 电 流 幅 值 越 大，ts越短。
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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
集电极连续直流电流额定值是指只要保证结
温不超过允许的最高结温，晶体管允许连续通过 的直流电流值。
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第2章 电力电子器件
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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
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（2）关断过程
当GTO已处于导通状态时，对门极加负的关 断脉冲，形成负的IG，相当于将IC1的电流抽出， 使晶体管N1P2N2的基极电流减小，使IC2和IK随之 减小，IC2减小又使IA和IC1减小，这是一个正反馈 过程。当IC2和IC1的减小使α1+α2<1时，等效晶体 管N1P2N2和P1N1P2退出饱和，GTO不满足维持导 通条件，阳极电流下降到零而关断。
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（3）开通时间ton
延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约 1~2s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。
（4） 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。下降时间一般小于2s。
（5）擎住电流 擎住电流是指GTO元经门极触发后，阳极电
流上升到保持所有GTO元导通的最低值。
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2.4.2 电力晶体管 功率参数 集电极最大耗散功率PcM
是指在最高工作温度下允许的耗散功率。与 工作壳温相对应。
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门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现
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2.4.1 门极可关断晶闸管
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门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor, GTO）
➢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;
关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，一般
要经过放大区。
截止区
放大区
饱和区
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2.4.2 电力晶体管
动态特性
开通:经过延时时间td和上升时间tr，二者之和 为开通时间ton；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。
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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：
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电力电子器件 2.4.2 电力晶体管
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c
1. GTR的结构和工作原理
b
电力晶体管 耐高电压、大电流的双极结型晶e体管
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 。
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电力电子器件
正常工作时处于： 临界饱和状态
由于GTO处于临界饱和状态，用抽走阳极电流 的方法破坏临界饱和状态，能使器件关断。而晶 闸管导通之后，处于深度饱和状态，用抽走阳极 电流的方法不能使其关断。
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单管GTR的电流放大系数很小，通常为10左右。
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电力电子器件 2.4.2 电力晶体管
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达林顿GTR
达林顿结构的GTR是由两个或多个晶体管复合 而成。
优点：达林顿结构的GTR 电流放大倍数很大，可 以达到几十至几千倍。