电力电子器件典型全控型器件课程

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
Eቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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=
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
（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。
（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
2、GTO的工作原理
（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。
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。
2.4.2 电力晶体管 GTR模块
1、GTO的结构 GTO为四层PNPN结构、三端引出线（A、K、G）
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
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
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) 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。。
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。
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。
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 压不断上升和门极反电压开始建立的过程。
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
门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现
第2章 电力电子器件
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
2.4 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
（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。
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。
2.4.2 电力晶体管
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 。
2.4.2 电力晶体管
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。
单管GTR的电流放大系数很小，通常为10左右。
2.4.2 电力晶体管
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。
2.4.1 门极可关断晶闸管
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;
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。
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。
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
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。