电力电子技术GTO与.pptx

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1、1-1典型全控型器件引言常用的典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块第1页/共27页1-2 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。GTOGTO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(6KV,6KA,10MVA的系统)。门 极 可 关 断 晶 闸 管门 极 可 关 断 晶 闸 管 （ G a t e - Tu r n - O f f Thyristor GTO）第2页/共27页1-3 门极可关断晶闸管结构：与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极

2、、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。图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号1）GTO的结构和工作原理的结构和工作原理c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK第3页/共27页1-4门极可关断晶闸管工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b) 1+ 2=1是器件临界导通的条件。 1+ 21时器件饱和导通， 1+ 2a1，这也就是G

3、TO的关断条件。为了降低阳极一端BJT的电流放大系数: N-层与阳极短路N+ +PN-P+Q2Q1KGAGAK短路KKGGGPN+N+K的条状结构J3J3J2J2J1J1阳极阳极阴极阴极门极门极第6页/共27页1-7GTO关断特点关断特点 GTO关断：门极加负脉冲后，靠近门极的阴极边缘首先反偏，阴极电流逐渐向阴极条中心收缩，形成挤流效应，称为二维关断过程。到阴极电流不能收缩、门极分流使双晶体管电流再生机制中断，器件各结先后恢复阻断，相当于基极开路的晶体管关断称为一维关断过程。N+ +PN-P+Q2Q1KGAGAK短路KKGGGPN+N+K的条状结构J3J3J2J2J1J1阳极阳极阴极阴极门极门

4、极dv/dt限制：挤流末期阳极电压上升过快会局部功耗过大，热损坏，且过大的极间电容充电电流会向双晶体管提供再生基极电流，使关断失败，必须加吸收缓冲电路限制。 关断后必须保持一段时间后才可再次开通，使各结完全恢复。第7页/共27页1-8GTO的关断的关断 GTO导通与晶闸管相同 GTO关断增益IA/IG：b=2100100020003000510152025IkIaVDGTO晶闸管导通区晶体管关断区关断区IgtsA1000电流GTO的关断过程PNPNG+AK-导通PNPNG-AK+ -GTO关断PNPNG-AK+ -GTR关断挤流、二维关断再生机制中断，基极开路关断门极分流缓冲吸收电路抑制电压上

5、升率第8页/共27页1-9门极可关断晶闸管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di/dt能力强 。结论：第9页/共27页1-10门极可关断晶闸管开通过程：与普通晶闸管基本相同。开通初期应能提供足够的门极脉冲电流，宽度持续使阳极电流达到挚住值。与晶闸管不同的是开通后门极应保持正偏，继续提供约10的门极电流保证GTO可靠导通。 2) GTO的动态特性的动态特性diGdt0.1IGM0.5IGM0.8IGMIGMtGMIGG TO 典型开通脉冲G TO 典型开通脉冲第10页/共27

6、页1-11N+ +PN-P+Q2Q1KGA短路J3J3J2J2J1J1GTO关断特性关断特性igttt0i iA00拖尾UakUakGTO的关断过程GTO的关断过程tstfttail关断存储时间ts：使等效晶体管退出饱和 门极负电流建立到J2完全反偏耗时，与b成正比。J2反偏时N-区仍存在大量过剩载流子。门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。电流下降时间tf： J2反偏后，N-区过剩载流子呈梯度减少，完全扫除耗时，与电源电压成正比。拖尾时间tt tf时刻耗尽层在N-区达到最大宽度，N-区仍有少量存储电荷，靠缓慢复合消除。阳极短路结构加快复合过程。通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。第11页/共

7、27页1-12 门极可关断晶闸管关断过程：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 等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流减小。尾部时间tt 残存载流子复合。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，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 图1-14 GTO的开通和关断过程电流波形2) GTO的动态特性的动态特性第12页/共27页1-13门极可关断晶闸管3) GTO的主要参数 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。 一般指储存时间和下降时间

8、之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于2s。（2） 关断时间toff（1）开通时间ton 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联 。 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。第13页/共27页1-14门极可关断晶闸管（3）最大可关断阳极电流IATO（4） 电流关断增益b boff boff一般很小，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超过200A 。 GTO额定电流。 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。（1-8）GMATOoffIIb第14页/共27页1-15应用

9、特点应用特点 保留了晶闸管大部分优点，在MVA以上级应用广泛【牵引、电力逆变器】。6kV/6kA产品/12kV/10kA研制。 全控型。 关断时存在二次击穿问题。 控制驱动复杂、工作频率较低。 关断千安级器件需要数百安电流脉冲，并且脉冲前沿需控制在数微秒内。 关断时需缓冲阳极电压上升。第15页/共27页1-16实例：GTO型号 5SGA 15F2502主要参数：主要参数：可重复反向电压峰值VDRM=1700V可重复断态电流峰值IDRM=100mA最大通态电流平均值ITAVM550A（正弦半波，Tc85度）最大非重复浪涌电流ITSM=10kA通态电压VT2.50V，IT1500A门槛电压VT0=

10、1.55VIH=50A开通：td=2s,tr=4s,tonmin=80s 关断：ts=15s,tf=2s,toffmin=80 s关断门极电流峰值IGQM=450A第16页/共27页1-17习题22232425第17页/共27页1-18电力晶体管电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管） 。耐 高 电 压 、 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管 （ B i p o l a r J u n c t i o n TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT。 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

11、MOSFET取代。术语用法术语用法：第18页/共27页1-19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（N漂移区， 电导调制效应减小通态电压和损耗 ）、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 。1）GTR的结构和工作原理图1-15 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) 内部载流子的流动第19页/共27页1-20电力晶体管电力晶体管基区很薄；导通条件：发射结正偏，集电结反偏；1、形成发射极电流Ie，与电子流动方向相反，同时基区的空穴也扩散到发射区；2

12、、发射区电子注入基区后，在基区积累，形成一定的浓度梯度，靠近发射极浓度高，远离发射极浓度低。形成基极电流Ib；3、集电结反偏，集电结势垒很高，阻止集电结的扩散运动，但是其可以吸引集电结边缘的电子，形成集电极电流Ic。同时该PN结反向饱和电流对Ic来说很小。空穴流电子流c)EbEcibic=bibie=(1+b )ib1）GTR的结构和工作原理第20页/共27页1-21电力晶体管电力晶体管在应用中，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（2-9） b 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Iceo时，ic和ib的关系

13、为 ic=b ib +Iceo （2-10）单管GTR的b 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。bciib空穴流电子流c)EbEcibic=bibie=(1+b )ib1）GTR的结构和工作原理第21页/共27页1-22 (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。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。3）GTR的主要参数的

14、主要参数第24页/共27页1-25电力晶体管通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3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。 3) 集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率。产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度 。 2) 集电极最大允许电流IcM第25页/共27页1-26电力晶体管一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。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，Ic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 （ S a f e Operating AreaSOA）最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图1-18 GTR的安全工作区4) GTR的二次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区第26页/共27页1-27感谢您的观看！第27页/共27页