典型全控型电力电子器件

湖南省技工学校

理论教学教案

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[复习导入]

门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。

全控型电力电子器件的典型代表——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。

[讲授新课]

一、门极可关断晶闸管

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。

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。

1)GTO的结构与工作原理

与普通晶闸管的相同点: PNPN四层半导体结构,外部引出阳极、阴极与门极。与普通晶闸管的不同点:GTO就是一种多元的功率集成器件。

工作原理:与普通晶闸管一样,可以用图所示的双晶体管模型来分析。

由P1N1P2与N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流

增益α1与α2 。

α1+α2=1就是器件临界导通的条件。

GTO的关断过程与普通晶闸管不同。关断时,给门极加负脉冲,产生门极电流-I G,此电流使得V1管的集电极电流I Cl被分流,V2管的基极电流I B2减小,从而使I C2与I K减小,I C2的减小进一步引起I A与I C1减小,又进一步使V2的基极电流减小,形成内部强烈的正反馈,最终导致GTO阳极电流减小到维持电流以下,GTO由通态转入断态。

结论:

➢GTO导通过程与普通晶闸管一样,只就是导通时饱与程度较浅。

➢GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱与而关断。

➢多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快,承受d i/d t能力强。

2)GTO的动态特性

典型全控型电力电子器件

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

3) GTO的主要参数

(1)开通时间t on

(2) 关断时间t off

(3)最大可关断阳极电流I ATO

(4)电流关断增益βoff

——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值I GM之比称为电流关断增益。

βoff一般很小,只有5左右,这就是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 。

二、电力晶体管

1)GTR的结构与工作原理

与普通的双极结型晶体管基本原理就是一样的。主要特性就是耐压高、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。

在应用中,GTR一般采用共发射极接法。

集电极电流i c与基极电流i b之比为β——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。

当考虑到集电极与发射极间的漏电流I ceo时,i c与i b的关系为

i c=β i b +I ceo

单管GTR的β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。

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、放大区与饱与区。

在电力电子电路中GTR工作在开关状态。

在开关过程中,即在截止区与饱与区之间过渡时,要经过放大区。

(2) 动态特性

3)GTR的主要参数

1)电流放大倍数β集电极电流与基极电流之比

2)集电极最大允许电流I CM

通常规定为β下降到规定值的1/2~1/3时所对应的I c 。

3)集电极最大耗散功率P CM

在最高集电结温度下允许的耗散功率,等于集电极工作电压与集电极工作电流的乘积。

典型全控型电力电子器件

4) 反向击穿电压

•集电极与基极之间的反向击穿电压

•集电极与发射极之间的反向击穿电压

击穿电压不仅与晶体管本身特性有关,还与外电路接法有关。

5) 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,I c迅速增大。只要I c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,I c突然急剧上升,电压陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏,或者工作特性明显衰变。

安全工作区:最高电压U ceM、集电极最大电流I cM、最大耗散功率P cM、二次击穿临界线限定。

三、电力场效应晶体管

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,只适用于小功率的电力电子装置。

1)电力MOSFET的结构与工作原理

电力MOSFET的种类

按导电沟道可分为P沟道与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的工作原理

➢截止:漏源极间加正电源,栅源极间电压为零。

--P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏,漏源极之间无电流流过。

➢导电:在栅源极间加正电压U GS

--当U GS大于U T时,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,漏极与源极导电。

2)电力MOSFET的基本特性

(1) 静态特性

漏极电流I D与栅源间电压U GS的关系称为MOSFET的转移特性。I D较大时,I D与U GS的关系近似线性,曲线的斜率定义为跨导G fs。

(2) 动态特性

MOSFET的开关速度:

MOSFET的开关速度与C in充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻R s 减小时间常数,加快开关速度。不存在少子储存效应,关断过程非常迅速。开关时间在10~100ns之间,工作频率可达100kHz以上,就是主要电力电子器件中最高的。场控器件,静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电,仍需一定的驱动功率。开关频率越高,所需要的驱动功率越大。

3) 电力MOSFET的主要参数