第2章 全控型电力电子器件57141

第二章 全控型电力电子器件
• GTO——门极可关断晶闸管 • GTR——电力晶体管 • MOSFET——电力场效应晶体管 • IGBT——门极绝缘栅双极晶体管
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模块
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IGBT
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开关器件——IGCT＝驱动电路＋GCT
4kA/4.5kV IGCT
• 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
• 达林顿GTR的开关速度慢，损耗大
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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。
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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
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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
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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
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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。
冲电流峰值要200A 。
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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
• 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 。
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1. 结构
• 复合结构（= MOSFET+GTR）
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发射极栅极 EG
N+PN+ N+PN+ J3 J2 N-
N+ J1 P+
C集电极
a)
漂移区 缓冲区 G
注入区
C
IDRNV-J1+ IC
C
-+
+
-IDRon
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。
• 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。
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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，
2020/7/1常0 常立即导致器件的永久损坏。必需避免。
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。
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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
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第三节 功率场效应晶体管（MOSFET ）
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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）
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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。
S
D
D
G
N+PN+
N+PN+
沟道
N-
N+
D
G
G
S N沟道
S P沟道
a)
b)
图1-19
G： 栅极 D： 漏极 S： 源极
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电力MOSFET的结构和电气图形符号 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
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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
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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
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本章小结
1、根据开关器件是否可控分类
663A/4.5kV IGCT
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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。
（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。
（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。