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第1章电力电子2ppt-典型全控型器件

1.4.2 电力晶体管
1. GTR的结构和工作原理
基极b 发射极c 基极b
P+
N+
P+
P基区
N漂移区
N+衬底
c b
e
集电极c
a)
b)
ic=ib
空穴流 ib
Eb
电
子
Ec
流
ie=(1+ib c)
图1-15 GTR的结构、电气图1图-15形符号和内部载流子的流动
a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动
➢ 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。
2
1.4.1 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
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之比称为电流关断增益。
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要200A 。
11
1.4.2 电力晶体管
➢ 术语用法:
• 电力晶体管(Giant Transistor——GTR,直译为巨 型晶体管)
近,因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多 的应用
3
1.4.1 门极可关断晶闸管
1. GTO的结构和工作原理
➢ 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。
全控型电力电子器件

⑤ BUCEX 为基极----发射极施加反偏压时,集电极----发射极的击穿电压。 各种不同接法时的击穿电压的关系是: BUCBO BUCEX BUCES BUCER BUCEO
为了保证器件工作安全,GTR的最高工作电压 UCEM 应比 BUCEO 低。 (2)饱和压降 U CES 处于深饱和区的集电极电压称为饱和压降,在大功率应用中它关系到器 件导通的功率损耗。单个GTR的饱和压降一般不超过 1 ~ 1.5 V,它随着集电 极电流 ICM 的增加而增大。
全控型电力电子器件
6.1 电力双极型晶体管 6.2 电力场效应晶体管 6.3 绝缘栅双极型晶体管 6.4 其它新型电力电子器件
6.1.1 电力双极型晶体管的结构及工作原理
➢ 电力双极型晶体管(GTR)是一种耐高压、能承受大电流的双极性 晶体管,也称为BJT,简称为电力晶体管。 ➢ 电力晶体管有与一般双极型晶体管相似的结构、工作原理和特性。 它们都是3层半导体,2个PN结的三端器件,有PNP和NPN这2种类型, 但GTR多采用NPN型。 在应用中,GTR一般 采用共发射极接法。集电 极电流 与基极电流 的比
6.3.1 IGBT的结构及工作原理
IGBT也是一种三端器件,它们分别是栅极G、集电极C和发射极E。 由IGBT的结构图可知,它相当于用一个MOSFET驱动的厚基区PNP 晶体管。从简化等效电路可以看出,IGBT等效于一个N沟道的MOSFET 和一个PNP型晶体三极管构成的复合管,导电以GTR为主。图中的 是 GTR厚基区内的调制电阻。 IGBT的开通和关断均由栅极电压控制。当栅极加正电压时,N沟道 场效应管导通,并为晶体三极管提供基极电流,使得IGBT开通。当栅 极加反向电压时,场效应管导电沟道消失,PNP型晶体管基极电流被切 断,IGBT关断。
典型全控型电力电子器件

(1)静态特性
共发射极接法时,GTR的典型输出特性如图4-8所示, 可分为三个工作区:
① 截止区。在截止区内,iB≤0,uBE≤0,uBC<0,
集电极只有漏电流流过。
② 放大区。iB >0,uBE>0,uBC<0,iC =βiB。
③
饱和区。iB
I CS
,uBE>0,uBC>0,iCS是集电极
饱和电流,其值由外电路决定。
a)
b)
图4-14 电力MOSFET的结构和符号
a) MOSFET元组成剖面图 b) 图形符号
.
电力MOSFET的外形图
.
2.电力MOSFET的工作原理
当漏极接电源正极,源极接电源负极,栅源极之间电 压为零或为负时,P型区和N-型漂移区之间的PN结反向,漏
源极之间无电流流过。如果在栅极和源极间加正向电压UGS,
.
(2)动态特性
图4-8 GTR共发射极接法的输出特性
图4-9 GTR开关特性
.
2.GTR的参数
(1)最高工作电压 ①BUCBO:射极开路时,集-基极间的反向击穿电压。 ②BUCEO:基极开路时,集-射极之间的击穿电压。 ③BUCER:GTR的射极和基极之间接有电阻R。 ④BUCES:发射极和基极短路,集-射极之间的击穿电压。 ⑤BUCEX:发射结反向偏置时,集-射极之间的击穿电压。 其中BUCBO > BUCES > BUCES> BUCER> BUCEO,实际使用时, 为确保安全,最高工作电压要比BUCEO低得多。 (2)集电极最大允许电流ICM (3)集电极最大允许耗散功率PCM
1.GTO的开关特性
图4-3 GTO在开通和关断过程中电流的波形
.
2.GTO的主要参数
四种典型的全控型器件

四种典型的全控型器件班级学号:********* 姓名:***日期:2013.10.3四种典型的全控型器件全控型器件:通过控制信号既可以控制其导通,又可以控制其关断的电力电子器件被称为全控型器件,又称为自关断器件。
四种典型全控型器件:只在汽车点火装置和电视机行扫描电路中进行试用。
自70年代中期开始,GTO的研制取得突破,相继出世了1300V/600A、2500V/1000A、4500V/2400A的产品,目前已达9kV/25kA/800Hz及6Hz/6kA/1kHz的水平。
(2)大功率晶体管(GTR)GTR是一种电流控制的双极双结电力电子器件,产生于本世纪70年代,其门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor—GTO),电力晶体管(Giant Transistor-GTO),电力场效应晶体管(Power MOSFET),绝缘栅双极晶体管(Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT)。
容量比较:(1)1964年,美国第一次试制成功了500V/10A的GTO。
在此后的近10年内,GTO的容量一直停留在较小水平,额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。
(3)功率MOSFET目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。
(4)绝缘门极双极型晶体管(IGBT)IGBT是由美国GE公司和RCA公司于1983年首先研制的,当时容量仅500V/20A,且存在一些技术问题。
目前,其研制水平已达4500V/1000A。
开关频率:GTO的延迟时间一般为1~2us;下降时间一般小于2us。
GTR的开关时间一般在几微秒以内,比晶闸管短很多,也短于GTO。
MOSFET的开关时间一般在10--100ns之间。
IGBT的开关时间要低于电力MOSFET。
驱动方式和驱动功率:GTO:电流驱动型,驱动功率大。
电力电子第2章 全控型电力电子器件b z

24/89
GTR、GTO、电力 MOSFET 和 IGBT 的特点比较表 器件 简称 GTR 名称 电力晶 体管 电气 符号 端子名 称 基极 优 点 缺 点
GTO
门极可 关断晶 闸管
1 3 2
电力场 P-MO 效应晶 SFET 体管 绝缘栅 IGBT 双极晶 体管
1 3 2
1
3
2
耐压高,电流大,开关特性 开关速度低,为电流驱动, 集电极 好,通流能力强,饱和压降 所需驱动功率大,驱动电路 低 复杂,存在二次击穿问题 发射极 阳极 电流关断增益很小,关断时 电压、电流容量大,适用于 门极负脉冲电流大,开关速 阴极 大功率场合,具有电导调制 度低,驱动功率大,驱动电 效应,其通流能力很强 路复杂,开关频率低 门极 漏极 开关速度快,输入阻抗高, 电流容量小,耐压低,一般 热稳定性好,所需驱动功率 只适用于功率不超过 10kW 源极 小且驱动电路简单,工作频 的电力电子装置 栅极 率高,不存在二次击穿问题 开关速度高,开关损耗小, 集电极 具有耐脉冲 电流冲 击的能 开 关 速 度 低 于 电 力 发射极 力,通态压降较低,输入阻 MOSFET,电压, 电流容量不 栅极 抗高,为电压驱动,驱动功 及 GTO,存在擎住效应 率小
漏源电压增加时, 漏极电流相应增加; 作为开关器件应用时, 应工作在该区域
截止区
UDS /V
UGS<UGS(th)
雪崩区
无反向阻断能力
图2-21 电力MOSFET输出特性
UDS 过高
2)电力MOSFET的基本特征
2.转移特征
ID /A
D +
50 40 30 20 10 0 2
Tc=25o
Tc=125o
消失,晶体管的基极电流被切断,IGBT关断。
全控型电力电子器件

断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM以及通态平均电压 UT的定义与普通型晶闸管相同,不过GTO承受反向电压的能力较小, 一般URRM明显小于UDRM。擎住电流IL和维持电流IH的定义也与普通型晶 闸管相同,但对于同样电流容量的器件,GTO的IH要比普通型晶闸管大 得多。GTO还有一些特殊参数如下。
1 可关断最大阳极电流IAT0
可以通过门极进行关断的最大阳极电流,当阳极电流
超过IAT0时,门极则无力通过IG将GTO关断。
09.04.2020
3
1.3.1可关断晶闸管GTO——主要参 数
2
门极最大负脉冲电流IGRM
为关断GTO门极可以施加的最大反向电流
3
电流关断增益βOFF
βOFF=IAT0/IGRM,这一比值比较小,一般为5左右. 这就是说,要想关断GTO,所要求的门极负电流的 幅度也是很大的。如βOFF=5,GTO的阳极电流为1000A, 那么要想关断它必须在门极加200A的反向电流。可以 看出,尽管GTO可以通过门极反向电流进行可控关断,
■(下边的参数含义与放大用的晶体管相同)
◆电流放大倍数、直流电流增益hFE、集电极与发射极间漏电流Iceo、
集电极和发射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff ◆最高工作电压
☞GTR上所加的电压超过规定值时,就会发生击穿。 击穿电压不仅 和晶体管本身的特性有关,还与外电路的接法有关。
次击穿临界线(C线)。
IC ICM A
1ms B
0.01ms
另外安全工作区与导通控制 脉冲有关系,如左图,给出不同 宽度的脉冲对应的安全工作区
直流 FBSOA
C D
0
BUCE UCE
电力电子技术2 全控型电力电子器件

2.1 门极可关断晶闸管(GTO)
一、GTO的工作原理 GTO的内部结构与普通晶闸管相
同,是PNPN四层三端结构,但在 制作时采用特殊工艺使管子导通 后处于临界饱和,这样可以用门 极负脉冲电流破坏临界饱和使其 关断。 GTO主要用于直流变换和逆变等 需要元件强迫关断的地方。其开 关时间在几µs-25µs之间,工作 电压高达6000V,电流大6000A, 适用于开关频率为数百Hz至 10kHz的大功率场合。
2、VDMOS的主要参数
(区进1)入通饱态和电区阻时R漏on:极在至确源定极的间栅的源直电流压电U阻GS下称,为V通DM态OS电由阻可。调电阻
(压称2)为阈阈值值电电压压U。T:沟道体区表面发生强反型所需的最低栅源电
(3)跨导gm:gm=ΔID/ΔUGS,它表示UGS对ID的控制能力的大小。
有 一外般接不电会阻引限起制GT电R的流特IC性的变增坏大。,
如 大 时 (负继, ,阻续U当CE效增I突C上应大然升)U下C到E,降,A这,又点个而不(现限I临C象继制界称续I值C为的增)二大增
次击穿。
2.2 电力晶体管
(2)安全工作区(SOA):指在输 出特性曲线图上GTR能够安全运 行的电流电压的极限范围。
C图中,导通与关断用两个独立 电源,开关元件少,电路简单。
全控型器件

开关速度高,开关损耗小,通态压降较低,电压、电流容量较高,门极输入阻抗高,驱动功率小,驱动电路简单
缺点
电流关断增益很小,关断时门极负脉冲电流大,开关速度低,驱动功率大,驱动电路复杂.开关频率低
适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域
所属
类型
是晶体管的一种派生器件,可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断,属于全控型器件
是一种电流控制的双极双结电力电子器件
是一种电压控制型单极晶体管,是通过栅极电压来控制漏极电流的
绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件
开关速度低,电流驱动型,需要驱动功率大,驱动电路复杂,存在二次击穿问题
电流容量小,耐压低,通态损耗较大,一般适用于高频小功率场合
开关速度不及电力MOSFET,电压、电流容量不及GTO
应用
场合
主要用于中等容量的牵引驱动中
在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛
一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置
全控型器件GTO、GTR和电力MOSFET、IGBT各自的优缺点,应用场合及其ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ属类型。
器件
GTO(门极可关断晶体管)
GTR(电力晶体管)
电力MOSFET(电力场效应晶体管)
IGBT(绝缘栅双极型晶体管)
优点
电压、电流容量很大,适用于大功率场合,具有电导调制效应,其通流能力很强
耐压高,电流大,开关特性好,通流能力强,饱和压降低
第1章电力电子典型全控型器件

ic=ib
电
子
Ec
流
ie=(1+ib c)
图1-15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 幻灯片 22
a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动
➢ 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。
1.4.2 电力晶体管
➢ 术语用法:
• 电力晶体管(Giant Transistor——GTR,直译为巨 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。
➢ BUcbo> BUcex> BUces> BUcer> Buceo ➢ 实际使用时,为确保安全,最高工作电压要比BUceo低得多。
第1章电力电子典型全控型器件
18
1.4.2 电力晶体管Fra bibliotek2) 集电极最大允许电流IcM
➢通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应 的Ic
➢实际使用时要留有裕量,只能用到IcM的一半或 稍多一点。
关系为
ic= ib +Iceo
(1-10)
➢ 产品说明书中通常给直流电流增益hFE——在直流工 作情况下集电极电流与基极电流之比。一般可认为
hFE 。
➢ 单管GTR的 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。
第2章全控型电力电子器件-PPT精品文档

——极间电容CGS、CGD和CDS
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)
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。
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。
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
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
冲电流峰值要200A 。
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
达林顿GTR的开关速度慢,损耗大
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。
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。
3. GTR的二次击穿现象
四种典型全控型器件比较

四种典型全控型器件的比较四种典型全控型器件的比较一、 对四种典型全控型器件的介绍1、门极可关断晶闸管(GTO ) 1)GTO 的结构与工作原理芯片的实际图形 GTO 结构的纵断面 GTO 结构的纵断面 图形符号GTO 的内部结构和电气图形符号2)工作原理:设计α2较大,使晶体管V2控 制灵敏。
导通时α1+α 2= 1.05更接近1,导通时接近临界饱和,有利门极控制关断,但导通时管压降增大。
多元集成结构,使得P2基区横向电阻很小,能从门极抽出较大电流。
下图为工作原理图。
22222、电力晶体管(GTR) 1)电力晶体管的结构:R NPNPNPA G SK E GI G E AI K I c2I c1I A V 1V 2b)内部结构电气图形符号NPN型电力晶体管的内部结构及电气图形符号2)工作原理:在电力电子技术中,GTR主要工作在开关状态。
晶体管通常连接成共发射极电路,GTR通常工作在正偏(I b>0)时大电流导通;反偏(I b<0)时处于截止状态。
因此,给GTR的基吸施加幅度足够大的脉冲驱动信号,它将工作于导通和截止的开关状态。
3、电力场效应晶体管(Power MOSFET)1)电力MOSFET的结构MOSFET元组成剖面图图形符号电力MOSFET采取两次扩散工艺,并将漏极D移到芯片的另一侧表面上,使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过,这样有利于减小芯片面积和提高电流密度。
2)电力MOSFET的工作原理:当漏极接电源正极,源极接电源负极,栅源极之间电压为零或为负时,P型区和N-型漂移区之间的PN结反向,漏源极之间无电流流过。
如果在栅极和源极间加正向电压U GS,由于栅极是绝缘的,不会有电流。
但栅极的正电压所形成的电场的感应作用却会将其下面的P 型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P型区表面。
当u GS大于某一电压值U GS(th)时,栅极下面的P型区表面的电子浓度将超过空穴浓度,使P型反型成N型,沟通了漏极和源极。
4.1 典型全控型电力电子器件

典型全控型电力电子器件教学目的和要求:掌握门极可关断晶闸管的工作原理及特性、电力晶体管的工作原理,了解电力场控晶体管的特性与参数及安全工作区。
掌握电力场控晶体管的工作原理。
掌握绝缘栅双极型晶体管的工作原理、参数特点。
了解静电感应晶体管静电感应晶闸管的工作原理。
重点与难点:掌握电力晶体管、电力场控晶体管、绝缘栅双极型晶体管的工作原理、参数特点。
教学方法:借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学预复习任务:复习上节课学的半控型器件晶闸管的相关知识,对比理解掌握本节课程。
内容导入: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。
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的结构和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。
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和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益α1 和α2 。
α1+α2=1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和I K减小,I C2的减小进一步引起I A和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,只是导通时饱和程度较浅。
➢GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。
➢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。
第15章全控型电力电子器件及其应用

PWM型变频器的基本工作原理
•PWM逆变器的输出电压 为等幅不等宽的脉冲列
•异步电动机的输入电压
•结论
•图15-11 PWM型变频器基本原理示意图
•按一定比例改变脉冲列中各脉冲的宽度,即可 •改变输入电压 (与输出电压 等效)的幅值。
•
一、PWM型变频器的基本工作原理
•1. 单相桥式PWM型变频电路的工作原理
•电力电 子 器件
• 全控型
•GTR(电力晶体管) •GTO (可关断晶闸管) •功率 MOSFET(功率场效应晶体管)
IGBT(绝缘栅双极晶体管)
•
全控型电力电子器件分类2
•全控型 电力电 子器件
•功率 MOSFET(功率场效应晶体管)
• 单极型 •SIT(静电感应晶体管)
•(一种载流子 参与导电) •GTR(电力晶体管)
•当 f1≤f1n时,对恒转矩负载,都采用电压频率比例调节, 低频段加以电压补偿的恒转矩调速方式,即
•=常数
•式中, 是定子供电额定频率; 是定子供电额定电压 。 •当f1>f1n时,对近似恒功率负载,采用只调节频率f1,而不
调节电压 的控制方式,即
•
二、变频器的分类及结构形式
• 1. 变频器的分类
•
二、 可关断晶闸管(GTO)
•GTO的结构和等效电路
•15-4
•
GTO的工作原理
•GTO 的开通原理:同普通晶闸管
•GTO的关断机理 : •闭合S,门极加负偏压 ,IC1被抽走,形成门 极负电流 - IG.
•?
•
GTO和SCR的不同
•GTO的内部包含有数百个共阳极的小GTO,这些小 GTO称为GTO元。GTO元的阳极是共有的,门极和 阴极分别并联在一起。这是实现门极控制关断所采 取的特殊设计。
第2章 全控型电力电子器件

电力电子技术
D G S 50 40 ID /A 30 20 10
2)功率MOSFET的基本特征-输出特性
非 饱 和 区 饱和区
饱和
UGS =8V
UGS =7V
雪 崩 UGS一定时,ID近似为常数 区 非饱和
漏源电压增加时, 漏极电流不再增加;
UGS =6V
UGS =5V
UGS =4V 0 10 20 截止区 30 40 50 UGS =UT=3V
电力电子技术
1)GTR的结构和工作原理
图4-1 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动
a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动
与普通的双极结型晶体管基本原理一样; 主要特性:耐压高、电流大、开关特性好;属电流控制型 器件; 电力电子技术
4. 1 电力晶体管
2)GTR的基本特性
Tc=125o
G + VGS
S
VDS
n-channel
a)
4
6 UGS /V
8
图4-23电力MOSFET电气符号和转移特性
a)电气图形符号
b)转移特性
1 UGS>UGS(th) 2 负温度系数,不存在二次击穿
电力电子技术
3)动态特性
开通时间ton=延迟时间td +上升时间tr
关断时间toff=存储时间ts +下降时间tf
1986年投入市场,是中小功率电力电子设备的主导器件。
继续提高电压和电流容量,以期再取代GTO的地位。
电力电子技术
4.4
绝缘栅双极晶体管
1) IGBT的结构和工作原理——N沟道IGBT
简化等效电路表明,IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿 结构,一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。 三端器件:栅极G、集电极C和发射极E
24典型全控型器件

a. 门极电流应大于元件的擎住电流IL;
b. 正负触发脉冲其前沿要陡,后沿要平缓,中小功 率电路上升沿小于0.5μs ,大功率电路小于1μs ;
c. 门极电路电阻要小,以减小脉冲源内阻。
3.由于多元集成,对制造工艺提出极高的要求,它要求
必须保持所有GTO元特性一致,开通或关断速度不一
致,会使GTO元因电流过大而损坏。
•等效晶体管从饱和区退至放大 区,阳极电流逐渐减小——下 降时间tf 。
•残存载流子复合——尾部时间 tt 。
•通 常 tf 比 ts 小 得 多 , 而 tt 比 ts 要 长。
•门极负脉冲电流幅值越大,前 沿越陡,抽走储存载流子的速 度越快,ts越短。
•门极负脉冲的后沿缓慢衰减, 在tt阶段仍保持适当负电压, 则可缩短尾部时间 。
2019/11/4
电力电子技术
太原工业学院自动化系
◤当发射结处于正向偏置而集电结仍为反向偏置 时,即UBE>0,UBC<0,随着IB增加,集电极电流 IC线性增大,晶体管呈放大状态,特性上对应线 性放大区(II区)。◢ ◤当基极电流IB>(IC /β)时,晶体管就充分饱和 了。这时发射结和集电结都是正向偏置,即 UBE>0,UBC>0,电流增益和导通压降UCE均达到 最小值,GTR进入饱和区(IV区)。GTR工作在 饱和区,相当于处于导通状态的开关。◢
R1
R2 E
GTR集成模块的等效电路
电力电子技术
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在应用中,GTR一般采用共发射极接法。 集电极电流ic与基极电流ib之比为
ic
ib
——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 单管GTR的 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。
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湖南省技工学校理论教学教案教师姓名:注:教案首页,教案用纸由学校另行准备湖南省劳动厅编制[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的结构和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。
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和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益α1和α2 。
α1+α2=1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和I K减小,I C2的减小进一步引起I A和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,只是导通时饱和程度较浅。
➢GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。
➢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的动态特性益阳高级技工学校开通过程: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的结构和工作原理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。
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。
当考虑到集电极和发射极间的漏电流I ceo时,i c和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、放大区和饱和区。
在电力电子电路中GTR工作在开关状态。
在开关过程中,即在截止区和饱和区之间过渡时,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。
益阳高级技工学校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和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的结构和工作原理电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和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,漏极和源极导电。
2)电力MOSFET的基本特性(1) 静态特性漏极电流I D和栅源间电压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的开关速度和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,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。
益阳高级技工学校3) 电力MOSFET的主要参数(1) 漏极电压U DS(2) 漏极直流电流I D和漏极脉冲电流幅值I DM(3) 栅源电压U GS(4) 极间电容四、绝缘栅双极晶体管GTR和GTO的特点——双极型,电流驱动,有电导调制效应,通流能力很强,开关速度较低,所需驱动功率大,驱动电路复杂。
MOSFET的优点——单极型,电压驱动,开关速度快,输入阻抗高,热稳定性好,所需驱动功率小而且驱动电路简单。
1) IGBT的结构和工作原理驱动原理与电力MOSFET基本相同,场控器件,通断由栅射极电压u GE决定。
导通:u GE大于开启电压U GE(th)时,MOSFET内形成沟道,为晶体管提供基极电流,IGBT导通。
通态压降:电导调制效应使电阻RN减小,使通态压降减小。
关断: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。
2) IGBT的基本特性(1) IGBT的静态特性(2) IGBT的动态特性3) IGBT的主要参数(1)最大集射极间电压U CES(2)最大集电极电流(3)最大集电极功耗P CMIGBT的特性和参数特点可以总结如下:开关速度高,开关损耗小。
相同电压和电流定额时,安全工作区比GTR大,且具有耐脉冲电流冲击能力。
通态压降比VDMOSFET低。
输入阻抗高,输入特性与MOSFET类似。
与MOSFET和GTR相比,耐压和通流能力还可以进一步提高,同时保持开关频率高的特点。
五、其他新型电力电子器件1 MOS控制晶闸管MCT承受极高di/dt和du/dt,快速的开关过程,开关损耗小。
高电压,大电流、高载流密度,低导通压降。
一个MCT器件由数以万计的MCT元组成。
每个元的组成为:一个PNPN晶闸管,一个控制该晶闸管开通的MOSFET,和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。
其关键技术问题没有大的突破,电压和电流容量都远未达到预期的数益阳高级技工学校值,未能投入实际应用。
2 静电感应晶体管SIT➢多子导电的器件,工作频率与电力MOSFET相当,甚至更高,功率容量更大,因而适用于高频大功率场合。
➢在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。
缺点:栅极不加信号时导通,加负偏压时关断,称为正常导通型器件,使用不太方便。
通态电阻较大,通态损耗也大,因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。
静电感应晶闸管SITHSITH是两种载流子导电的双极型器件,具有电导调制效应,通态压降低、通流能力强。
其很多特性与GTO类似,但开关速度比GTO高得多,是大容量的快速器件。
SITH一般也是正常导通型,但也有正常关断型。
此外,电流关断增益较小,因而其应用范围还有待拓展。
3 集成门极换流晶闸管IGCT4 功率模块与功率集成电路20世纪80年代中后期开始,模块化趋势,将多个器件封装在一个模块中,称为功率模块。
将器件与逻辑、控制、保护、传感、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上,称为功率集成电路.发展现状:功率集成电路的主要技术难点:高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。
以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。
智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。
[归纳小结]1、门极可关断晶闸管2、电力晶体管3、电力场效应晶体管4、绝缘栅双极晶体管5、其他新型电力电子器件[布置作业]复习本次课知识[课后预习]电力电子器件驱动电路和电力电子器件器件的保护益阳高级技工学校。