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1、第2章全控型电力电子器件第1页，共28页，编辑于2022年，星期一模块第2页，共28页，编辑于2022年，星期一IGBT第3页，共28页，编辑于2022年，星期一1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术-电力电子器件电力电子器件第4页，共28页，编辑于2022年，星期一开关器件IGCT驱动电路GCT4kA/4.5kV IGCT663A/4.5kV IGCTGCT分解部件1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术-开关器件开关器件第5页，共28页，编辑于2022年，星期一第一节第一节 门极可关断（门极可关断（GTOGTO）晶闸管）晶闸管1.1.结构结构与与普普通通晶晶闸闸管
2、管的的相相同同点点：PNPNPNPN四四层层半半导导体体结结构构，外外部引出阳极、阴极和门极；部引出阳极、阴极和门极；和和普普通通晶晶闸闸管管的的不不同同点点：GTOGTO是是一一种种多多元元的的功功率率集集成成器器件件，内内部部包包含含数数十十个个甚甚至至数数百百个个共共阳阳极极的的小小GTOGTO元元，这这些些GTOGTO元元的的阴阴极极和和门门极极则则在在器器件件内内部部并并联在一起。联在一起。第6页，共28页，编辑于2022年，星期一2.导通关断条件导通：同晶闸管，AK正偏，GK正偏关断：门极加负脉冲电流第7页，共28页，编辑于2022年，星期一3.特点n全控型n容量大n off5n电
3、流控制型电流关断增益电流关断增益 off：最大可关断阳最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值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之比称为电流关断增益1000A的的GTO关断时门极负脉冲关断时门极负脉冲电流峰值要电流峰值要200A。第8页，共28页，编辑于2022年，星期一小结nGTO的结构nGTO的工作原理nGTO的特性曲线nGTO的主要参数第9页，共28页，编辑于2022年，星期一作业n1、2第10页，共28页，编辑于2022年，星期一第二节第二节 GTR电力晶体管电力晶体管电力晶体管电力晶体管GTR（GiantTransistor，巨型晶体管），巨型晶体管）耐耐高高电电
4、压压、大大电电流流的的双双极极结结型型晶晶体体管管（Bipolar JunctionTransistorBJT），英文有时候也称为），英文有时候也称为PowerBJT在电力电子技术的范围内，在电力电子技术的范围内，GTR与与BJT这两个名称等效。这两个名称等效。应用应用应用应用20世世纪纪80年年代代以以来来，在在中中、小小功功率率范范围围内内取取代代晶晶闸闸管管，但但目目前又大多被前又大多被IGBT和电力和电力MOSFET取代取代第11页，共28页，编辑于2022年，星期一1.1.单管单管GTR n单管单管GTRGTR的基本工作原理与晶体管相同的基本工作原理与晶体管相同n作为大功率开关管应用
5、时，作为大功率开关管应用时，GTRGTR工作在截止工作在截止和导通两种状态。和导通两种状态。n主要特性是耐压高、电流大、开关特性好主要特性是耐压高、电流大、开关特性好第12页，共28页，编辑于2022年，星期一2达林顿GTRn单单管管 GTRGTR的的电电流流增增益益低低，将将给给基基极极驱驱动动电电路路造造成成负负担担。达达林林顿顿结结构构是是提提高高电电流流增增益益一种有效方式。一种有效方式。n达达林林顿顿结结构构由由两两个个或或多多个个晶晶体体管管复复合合而而成成，可可以以是是PNPPNP型型也也可可以以是是NPNNPN型型，其其性性质质由由驱驱动管来决定动管来决定n 达林顿达林顿GTR
6、GTR的开关速度慢，损耗大的开关速度慢，损耗大 第13页，共28页，编辑于2022年，星期一3GTR 模块n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。n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。第14页，共28页，编辑于2022年，星期一3.GTR的二次击穿现象一次击穿一次击穿n集集电电极极电电压压升升高高至至击击穿穿电电压压时时，Ic迅迅速速增增大大，出出现现雪雪崩崩击击穿；穿；n只要只要Ic不超过限度，不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。一
7、般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿二次击穿v一一次次击击穿穿发发生生时时，如如果果继继续续增增高高外外接接电电压压，则则Ic继继续续增增大大，当当达达到到某某个个临临界界点点时时，Uce会会突突然然降降低低至至一一个个小小值值，同同时时导导致致Ic急剧上升，这种现象称为二次击穿，急剧上升，这种现象称为二次击穿，v二二次次击击穿穿的的持持续续时时间间很很短短，一一般般在在纳纳秒秒至至微微秒秒范范围围，常常常常立立即即导致器件的永久损坏。必需避免。导致器件的永久损坏。必需避免。第15页，共28页，编辑于2022年，星期一安全工作区防止二次击穿，采用保护电路，同时考虑器件的安防止二次击穿，采用保护
8、电路，同时考虑器件的安全裕量，尽量使全裕量，尽量使GTR工作在安全工作区。工作在安全工作区。第16页，共28页，编辑于2022年，星期一4.特点n全控型，电流控制型全控型，电流控制型n二次击穿（工作时要防止）二次击穿（工作时要防止）n中大容量，开关频率较低中大容量，开关频率较低第17页，共28页，编辑于2022年，星期一第三节 功率场效应晶体管（MOSFET）GGGG：栅极栅极栅极栅极D D D D：漏极漏极漏极漏极S S S S：源极源极源极源极 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 第18页，共28页，编辑于2022年，星期一1.导通关断条件导通关
9、断条件漏源极导通条件：漏源极导通条件：在栅源极间加正电压在栅源极间加正电压在栅源极间加正电压在栅源极间加正电压U UGSGS漏源极关断条件：漏源极关断条件：栅源极间电压栅源极间电压栅源极间电压栅源极间电压U UGSGS为零为零为零为零第19页，共28页，编辑于2022年，星期一2.特点特点n控制级输入阻抗大控制级输入阻抗大n驱动电流小驱动电流小n防止静电感应击穿防止静电感应击穿n中小容量，开关频率高中小容量，开关频率高n导通压降大（不足）导通压降大（不足）第20页，共28页，编辑于2022年，星期一小结1.MOSFET的结构与工作原理2.MOSFET的特性3.MOSFET的主要参数4.作业：9
10、、10、11第21页，共28页，编辑于2022年，星期一第四节第四节 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT）n 绝绝缘缘栅栅双双极极型型晶晶体体管管简简称称为为IGBT（Insulated Gate Biopolar Transistor）,是是80年年代代中中期期发发展展起起来来的的一种新型一种新型复合器件复合器件复合器件复合器件。nIGBT综综合合了了MOSFETMOSFET和和GTRGTR的的输输入入阻阻抗抗高高、工工作作速速度度快快、通通态态电电压压低低、阻阻断断电电压压高高、承承受受电电流流大大的的优优点。成为当前电力半导体器件的发展方向。点。成为当前电力半导体器件的发展方向。第
11、22页，共28页，编辑于2022年，星期一1.结构结构n复合结构（复合结构（=MOSFET+GTR）栅极栅极集电极集电极集电极集电极发射极发射极发射极发射极第23页，共28页，编辑于2022年，星期一2.导通关断条件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：导通条件：在栅射极间加正电压在栅射极间加正电压在栅射极间加正电压在栅射极间加正电压U UGEGEUGE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：关断条件：栅射极反压或无信号栅射极反压或无信号栅射极反压或无信号栅射极反压或无信号栅
12、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。第24页，共28页，编辑于2022年，星期一3.特点n高频，容量大n反向耐压低（必须反接二极管）n模块化n驱动和保护有专用芯片第25页，共28页，编辑于2022年，星期一其他电力电子器件nMCTMOS控制晶闸管nSIT静电感应晶体管nSITH静电感应晶闸管第26页，共28页，编辑于2022年，星期一n小结：nIGBT的结构与工作原理nIGBT的特性与参数nIGBT的擎住效应与安全工作区n作业：11、12第27页，共28页，编辑于2022年，星期一本章小结本章小结1、根据开关器件是否可控分类、根据开关器件
13、是否可控分类（1）不可控器件：二极管）不可控器件：二极管VD（2）半控器件：普通晶闸管）半控器件：普通晶闸管SCR（3）全控器件：）全控器件：GTO、GTR、功率、功率MOSFET、IGBT等。等。2、根据门极、根据门极(栅极栅极)驱动信号的不同驱动信号的不同（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）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。（2）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）电压控制器件：驱动功率小，驱动电路简单可靠，工作频率高。该类器件有有P-MOSEET、IGBT。第28页，共28页，编辑于2022年，星期一