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1、-典型全控型电力电子器件-第 8 页湖 南 省 技 工 学 校理 论 教 学 教 案教师姓名：学科变频调速执行记录日期星期检查签字班级节次课题典型全控型电力电子器件课 的类 型复习教学目的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。教学重点电力晶体管、力场控晶体管、绝缘栅双极型晶体管的工作原理、参数特点。教学难点电力晶体管、力场控晶体管、绝缘栅双极型晶体管的工作原理、参数特点。主要教学方法借助PPT演示、板书等多种形式
2、启发式教学教具挂图无教学环节时间分配1、组织教学时间23、讲授新课时间702、复习导入时间84、归纳小结时间55、作业布置时间5教学后记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
3、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a1和a2 。a1+a2=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-IG，此电流使得V1管的集电极电流ICl被分流，V2管的基极电流IB2减小，从而使IC2和IK减小，IC2的减小进一步引起IA和IC1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
4、。 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 。2）GTO的动态特性开通过程：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ton （2） 关断时间toff（3）最大可关断阳极电流IATO（4）电流关断增益boff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。boff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
5、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ic与基极电流ib之比为 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的关系为 ic=b ib +Iceo 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。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
6、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)电流放大倍数集电极电流与基极电流之比2)集电极最大允许电流ICM 通常规定为下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic 。3)集电极最大耗散功率PCM 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。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，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：
7、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：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。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。l 电力MOSFET
8、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UGS-当UGS大于UT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ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。(2) 动态特性MOSFET的开关速度：MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。不存在少子储存效应，
9、关断过程非常迅速。开关时间在10100ns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。3) 电力MOSFET的主要参数 (1)漏极电压UDS (2)漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM(3) 栅源电压UGS(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
10、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uGE决定。导通：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。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UCES(2)最大集电极电流(3)最大集电极功耗PCMIGBT的特性和参数特点可以总结如下：开关速度高，开关损耗
11、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值，
12、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
13、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