2.1全控器件GTR,GTOppt课件

1、1.5 1.5 典型全控器件典型全控器件 GTOGTO和和GTRGTR一、引言一、引言门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久在晶闸管问世后不久出现。出现。2020世纪世纪8080年代以来，电力电子技术进入了一年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。个崭新时代。典型代表典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。二、门极可关断晶闸管二、门极可关断晶闸管晶闸管的一种派生器件。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。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTO的电压、

2、电流容量较大，与普通晶闸管接近，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。因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管Gate-Turn-Off Thyristor GTO）构造：构造：与普通晶闸管的相同点：与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同点：和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成是一种多元的功率集成器件。器件。c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK图14-1 GTO的内部结构和电气图形

3、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1. GTO的结构和工作原理的结构和工作原理二、门极可关断晶闸管二、门极可关断晶闸管工作原理：工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图与普通晶闸管一样，可以用图14-2所示的双晶体管模型所示的双晶体管模型来分析。来分析。 RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图14-2 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 1+1+ 2=12=1是器件临界导通的条件。是器件临界导通的条件。 由由P1N1P2P1N1P2和和N1P2N2N1P2N2构成的两个晶体管构成的两个晶体管V

4、1V1、V2V2分别具分别具有共基极电流增益有共基极电流增益1 1和和2 2 。二、门极可关断晶闸管二、门极可关断晶闸管GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：如下区别： GTO设计设计2较大，使晶体管较大，使晶体管V2控控 制灵敏，易于制灵敏，易于GTO关断。关断。 普通晶闸管普通晶闸管1+21.15,导导通饱和程度深通饱和程度深,无法用门极负脉无法用门极负脉冲使其关断冲使其关断; GTO导通时导通时1+21.05，导通时接近临，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。但导通时管压降增大。 多

5、元集成结构，使得多元集成结构，使得P2基区横基区横向电阻很小，能从门极抽出较向电阻很小，能从门极抽出较大电流。大电流。 RN P NP N PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b )图14-2 晶闸管的工作原理二、门极可关断晶闸管二、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接近临界饱和。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 。 由上述分析我们可以得到以下结论：二、门极可关断晶闸管二、门极可关断晶闸管开通过程：与普通晶闸管相同开通过程：与普通晶闸管相同关断过程：与普通晶闸管

6、有所不关断过程：与普通晶闸管有所不同同储存时间储存时间ts，使等效晶体管退出，使等效晶体管退出饱和。饱和。下降时间下降时间tf 尾部时间尾部时间tt 残存载流子复合。残存载流子复合。通常通常tf比比ts小得多，而小得多，而tt比比ts要长。要长。门极负脉冲电流幅值越大，门极负脉冲电流幅值越大，ts越越短短;使门极负脉冲后沿缓慢使门极负脉冲后沿缓慢tt阶段阶段可以保持适当负电压可以保持适当负电压,可以缩小尾可以缩小尾部时间部时间tt。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 图14-3 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

7、二、门极可关断晶闸管二、门极可关断晶闸管3. GTO的主要参数的主要参数 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之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于2s。（2） 关断时间关断时间toff（1开通时间开通时间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。二、门极可关断晶闸管二、门极可关断晶闸管（3最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO（4） 电流关断增益电流关断增益off off一般很小，只有5左右，这是GT

8、O的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 GTO额定电流。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。（14-1）GMATOoffII二、门极可关断晶闸管二、门极可关断晶闸管三、电力晶体管三、电力晶体管电力晶体管电力晶体管Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管）。直译为巨型晶体管）。耐高电压、大电流的双极结型晶体管耐高电压、大电流的双极结型晶体管Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为），英文有时候也称为Power BJT。 应用应用20世纪世纪80年代以来，在中、小

9、功率范围年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和和电力电力MOSFET取代。取代。 术语用法：术语用法：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 。1. GTR的结构和工作原理的结构和工作原理图14-4 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) 内部载流子的流动三、电力晶体管三、电力晶体管在应用中，在应用中，GTR一般采用共发射极接法。一般采用共发射极接法。集电

10、极电流集电极电流ic与基极电流与基极电流ib之比为之比为（14-2） GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集的电流放大系数，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当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，时，ic和和ib的 关 系 为的 关 系 为 i c = i b + I c e o （14-3）单管单管GTR的的 值比小功率的晶体管小得多，通常为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。左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。bcii空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib1. G

11、TR的结构和工作原理的结构和工作原理三、电力晶体管三、电力晶体管 (1) 静态特性静态特性共发射极接法时的典型输出特性：共发射极接法时的典型输出特性：截止区截止区Ib、Ube0，Ubc0，只有漏电流；，只有漏电流；放大区放大区Ib、Ube0， Ubc 0， IC Ib ；饱和区饱和区Ib Ics/ , Ube 0 ， Ubc 0饱饱和时两个和时两个PN结都正偏，结都正偏， Uces很小，很小，I即即使很大，损耗也不大。使很大，损耗也不大。在电力电子电路中在电力电子电路中GTR工作在开关状态。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在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过

12、放大区。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，最高工作电压要比实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。低得多。3. GTR的主要参数的主要参数三、电力晶体管三、电力晶体管通常规定为通常规定为hFE下降到规定值的下降到规定值的1/21/3时所对应的时所对应的Ic 。实际使用时要留有裕量，只能用到实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。的一半或稍多一点。 3) 集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率。最高工作温度下允许的耗散功率。产品说明书中给产品说

13、明书中给PcM时同时给出壳温时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度，间接表示了最高工作温度 。 2) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM三、电力晶体管三、电力晶体管一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。迅速增大。只要只要Ic不超过限度，不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不一般不会损坏，工作特性也不变。变。 二次击穿：一次击穿发生时，若外接电压继续增大，二次击穿：一次击穿发生时，若外接电压继续增大，Ic急剧上升至某个临界点时，电压陡然下降到一个较小值，急剧上升至某个临界点时，电压陡然下降到一个较小值，Ic 迅速增大。迅速增大。二次击穿常常导致器件的永久损坏，或者工作特性明显二次击穿常常导致器件的永久损坏，或者