1.2门极可关断晶闸管GTO-4.2-大功率晶体管GTR

1、11.2 1.2 全控型电力电子器件全控型电力电子器件 2 门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现，20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代 典型代表门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（MOSFET） 、绝缘栅双极晶体管（IGBT） 3 半控型器件半控型器件 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断，晶闸管是典型的半控型电力电子器件。l全控型器件全控型器件 通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件，GTO、GTR等。l不可控

2、器件不可控器件 不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路，电力二极管等。电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：41.2.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管(GTO) 可关断晶闸管GTO亦称门控晶闸管。其主要特点为，当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。5 普通晶闸管靠门极正信号触发之后，撤掉信号亦能维持通态。欲使之关断，必须切断电源，使正向电流低于维持电流IH，或施以反向电压强近关断。这就需要增加换向电路，不仅使设备的体积重量增大，而且会降低效率，产生波形失真和噪声。 GTO克服了上述缺陷，它既保留了

3、普通晶闸管耐压高、电流大等优点，同时具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。 GTO广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域。 6 它又具有门极正脉冲触发导通、门极正脉冲触发导通、门极负脉冲触发关断门极负脉冲触发关断的特性，因内部有电子和空穴两种载流子参与导电，所以它属于全控型双极型器件全控型双极型器件。主要应用于兆瓦级以上的大功率场合。 GTO的符号如图，与普通晶闸管一样，有阳极A、 阴极K和门极G三个电极。 AKGGTO的符号 GTO属于晶闸管的一种派生器件。7RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)1. GTO

4、1. GTO的基本工作原理的基本工作原理 GTO的工作原理与普通晶闸管相似，其结构也可以等效看成是由PNP与NPN两个晶体管组成的反馈电路。两个等效晶体管的电流放大倍数分别为1和2。 这时，1+2，从而在其内部形成电流正反馈，使两个等效晶体管接近临界饱和导通状态。导通后的管压降比较大，一般为23 V。 +-UAK+-Ug GTO GTO触发导通的条件是触发导通的条件是：阳极与阴极之间承受正向电压；门：阳极与阴极之间承受正向电压；门极加正脉冲信号（门极为正，极加正脉冲信号（门极为正， 阴极为负）。阴极为负）。8 GTO的关断条件是的关断条件是：门极加负脉冲信号。门极加负脉冲信号。当GTO的门极加

5、负脉冲信号时，门极将出现反向电流。 此反向电流将GTO的门极电流抽出，使其电流减小，1和2也同时下降，以致无法维持正反馈，从而使GTO关断。因此，GTO采取了特殊工艺，使管子导通后处于临界饱和状态临界饱和状态。 由于普通晶闸管导通时处于深度饱和状态深度饱和状态，用门极抽出电流无法使其关断，而GTO处于临界饱临界饱和状态和状态，因此可用门极负脉冲信号破坏临界状态使其关断。 GGKKAAIAIC-IgP1P2P2N1N1N2T2T1(a)符号(b)关断原理1ci2ci2bi9回顾深度饱和与临界饱和的概念直流负载线临界饱和深度饱和101 1 最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流I IATOATO I

6、ATO也是GTO的额定电流。 GTO的阳极电流IA过大时，管子饱和加深，导致门极关断失败，因此，GTOGTO必须规定一个最必须规定一个最大可关断阳极电流大可关断阳极电流I IATOATO，也就是管子的铭牌电流。，也就是管子的铭牌电流。I IATOATO与管子电压与管子电压上升率、工作频率、反向门极电上升率、工作频率、反向门极电流峰值和缓冲电路参数有关，在使用中应予以流峰值和缓冲电路参数有关，在使用中应予以注意注意。 2. GTO的特定参数的特定参数11 2 2 关断增益关断增益q q 这个参数是用来描述GTO关断能力的。关断增益q为最大可关断阳极电流IATO与门极负电流最大值IGM之比，即：

7、|GMATOqII 目前大功率GTO的关断增益为35。采用适当的门极电路，很容易获得上升率较快、幅值足够大的门极负电流，因此在实际应用中不必追求过高的关断因此在实际应用中不必追求过高的关断增益增益。 12 3 3 掣住电流掣住电流I IL L 与普通晶闸管定义一样，IL是指门极加触发信号后，阳极大面积饱和导通时的临界电流。GTO由于工艺结构特殊，其IL要比普通晶闸管大得多，因而在电感性负载时必须有足够的触发脉冲宽度。 GTO有能承受反压和不能承受反压两种类型，在使用时要特别注意。 13表表4-1 4-1 国产国产50A GTO50A GTO参数参数 14门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO的

8、主要特点：的主要特点：电流控制开通和关断，但反向关断的触发电流比较大；饱和压降中等；开关速度中等；能控制的电流、电压较大；现今额定电流电压为6KA/6KV的GTO已在10MVA以上的大型电力电子变换装置中得到应用；15 GTO设置缓冲电路的目的是： (1) (1) 减轻减轻GTOGTO在开关过程中的功耗。在开关过程中的功耗。具体做法是通过设置缓冲电路抑制具体做法是通过设置缓冲电路抑制GTOGTO在开通在开通时的电流上升率以及关断时的电压上升率。时的电流上升率以及关断时的电压上升率。 (2) (2) 抑制静态电压上升率，过高的电压上抑制静态电压上升率，过高的电压上升率会使升率会使GTOGTO因位

9、移电流产生误导通。因位移电流产生误导通。3. GTO的缓冲电路的缓冲电路16 用门极正脉冲可使用门极正脉冲可使GTOGTO开通，门极负脉冲开通，门极负脉冲可以使其关断，可以使其关断， 这是这是GTOGTO最大的优点最大的优点，但使GTO关断的门极反向电流比较大，约为阳极电流的1/5左右，因此GTO的门极需要驱动电路来提供足够的关断功率。尽管采用高幅值的窄脉冲可以减少关断所需的能量，但还是要采用专门的触发驱动电路。4. GTO的门极驱动电路的门极驱动电路17(a) 小容量GTO门极驱动电路； (b) 桥式驱动电路； (c) 大容量GTO门极驱动电路 V1V2 ECVD1CV3V4UIGTO(a)

10、V1 ECGTO(b)LV2LV3V4GTO(c)VRVDV1V2 EC常用的三种门极驱动电路 18 GTO主要用于高电压、大功率的斩波电路、逆变器电路中，例如恒压恒频电源、常用的不停电电源（UPS）等。另一类GTO的典型应用是调频调压电源，这种电源多用于风机，水泵、轧机、等交流变频调速系统中。 另外，由于GTO的耐压高、电流大、开关速度快、控制电路简单方便，因此还特别适用于汽油机点火系统。5. GTO的典型应用（的典型应用（P12）19用电感、电容关断GTO的点火电路 R1.5 TR点 火 线 圈GTOC0.5 FL2 mH点 火V 12 VC10.5 F 图中GTO为主开关，控制GTO导通

11、与关断可使脉冲变压器TR次级产生瞬时高压，使汽油机火花塞电极间隙产生火花。 在晶体管V的基极输入脉冲电压，低电平时低电平时，V截止，电源对电容C充电，LC组成的谐振电路发生谐振，产生高压触发GTO。 高电平时高电平时，晶体管V导通，电容C通过V对地放电，并将其电压加于GTO门极，使GTO迅速、可靠地关断。 20 大功率晶体管又称电力晶体管电力晶体管, 简称GTR，通常指耗散功率（或输出功率） 1 W以上的晶体管。 GTRGTR属于属于第二代功率半导体器件，它克服了晶闸管第二代功率半导体器件，它克服了晶闸管不能自关断与开关速度慢的缺点。不能自关断与开关速度慢的缺点。其电气符号与普通晶体管相同。

12、GTR是一种双极型大功率高反压晶体管，具有自关具有自关断能力断能力，控制方便，开关时间短，高频特性好，价格低廉。可用于不停电电源、中频电源和交流电机调速等电力变流装置中。 1.2.2 大功率晶体管（大功率晶体管（GTR）21图4-5 1300系列GTR的外观22电力三极管的主要特点 是电流驱动器件，控制基极电流就可控制电力三极管的开通和关断； 开关速度较快； 饱和压降较低； 有二次击穿现象； 能控制较大的电流和较高的电压； 电力三极管由于结构所限其耐压难于超过1500V，现今商品化的电力三极管的额定电压、电流大都不超过1200V、800A; 逐步被其他全控型电力电子器件（特别是IGBT和MOS

13、FET），趋于淘汰231. GTR1. GTR的极限参数的极限参数 ( (1)1)集电极最大电流集电极最大电流I ICMCM( (最大电流额定值最大电流额定值) ) 一般将电流放大倍数下降到额定值的1/21/3 时集电极电流IC的值定为ICM。因此，通常IC的值只能到ICM值的一半左右，使用时绝不能让IC值达到ICM，否则GTR的性能将变坏。 24 (2)2) 集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率P PCMCM P PCMCM即GTR在最高集电结温度时所对应的耗散功率，它等于集电极工作电压与集电极工作电流的乘积。这部分能量转化为热能使管温升高，在使用中要特别注意GTR的散热。如果散热条件不好，

14、会促使GTR的平均寿命下降。实践表明，工作温度每增加20，平均寿命差不多下降一个数量级，有时会因温度过高而使GTO迅速损坏。 25 (3)3) GTRGTR的反向击穿电压的反向击穿电压 (1) 集电极与基极之间的反向击穿电压UCBO：当发射极开路时，集基极间能承受的最高电压。 (2) 集电极与发射极之间的反向击穿电压UCEO：当基极开路时，集射极间能承受的最高电压。 当GTR的电压超过某一定值时，管子性能会发生缓慢、不可恢复的变化，这些微小变化逐渐积累，最后导致管子性能显著变坏。因此，实际管子的最大工作电压应比反向击穿电压低得多。 26 (4)4) 最高结温最高结温T TjMjM GTR的最高

15、结温与半导体材料的性质、器件制造工艺、封装质量有关。一般情况下，塑封硅管的T TjMjM为125150，金封硅管的T TjMjM为150170，高可靠平面管的T TjMjM为175200。 27 (1) (1) 二次击穿二次击穿 处于工作状态的GTR，当其集电极反偏电压UCE逐渐增大到最大电压BUCEO时，集电极电流IC急剧增大，但此时集电结的电压基本保持不变，。 发生一次击穿时，如果有外接电阻限制电流IC的，一般不会引起GTR的特性变坏。如果继续增大UCE，又不限制IC的增长，则2. 2. 二次击穿和安全工作区二次击穿和安全工作区当IC上升到A点（临界值）时，UCE突然下降，而IC继续增大（

16、负阻效应），这时进入低压大电流段，直到管子被烧坏，这个现象。 ICUCE(USB , ISB)二次击穿AIB0一次击穿二次击穿BUCEO28 A点对应的电压USB和电流ISB称为二次击穿的临界电压和电流，其乘积为： PSB=USBISB 称为二次击穿的临界功率称为二次击穿的临界功率。当GTR的基极正偏时，二次击穿的临界功率PSB往往还小于PCM，但仍然能使GTR损坏。二次击穿的时间在微秒甚至纳秒数量级内，在这样短的时间内如果不采取有效保护措施，就会使GTR内出现明显的电流集中和过热点，轻者使器件耐压降低，特性变差；重者使集电结和发射结熔通，造成GTR永久性损坏。由于管子的材料、工艺等因素的分散

17、性，二次击穿难以计算和预测二次击穿难以计算和预测。 ICUC E(USB , ISB)二 次 击 穿AIB 0一次击穿二次击穿29 GTRGTR发生二次击穿损坏是它在使用中最大的发生二次击穿损坏是它在使用中最大的弱点弱点。但要发生二次击穿，必须同时具备三个条件：高电压、大电流和持续时间。因此，集电极电压、电流、负载性质、驱动脉冲宽度与驱动电路配置等因素都对二次击穿造成一定的影响。一般说来，工作在正常开关状态的GTR是不会发生二次击穿现象的。 30 (2)2) 安全工作区安全工作区 安全工作区SOA是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，如图。 二次击穿电压USB与二次击

18、穿电流ISB组成的二次击穿功率PSB如图中虚线所示，它是一个不等功率曲线。ICICMPSB二 次 击 穿 功 率 曲 线一 次 击 穿 功 率 曲 线PCMUCEUCEMSOASOA区区 为了防止二次击穿，要为了防止二次击穿，要选用足够大功率的管子，实选用足够大功率的管子，实际使用的最高际使用的最高电压通常要比电压通常要比管子的极限电压低得多管子的极限电压低得多。 图中阴影部分即为SOA。 31 (1)1) 基极驱动电路基极驱动电路 GTR基极驱动电路的作用是将控制电路输出的控制信号放大到足以保证GTR可靠导通和关断的程度。 基极驱动电流的各项参数直接影响GTR的开关性能，因此根据主电路的需要

19、正确选择和设计GTR的驱动电路是非常重要的。一般来说，我们希望基极驱动电路有如下功能： 提供全程的正、反向基极电流，以保证GTR可靠导通与关断3. GTR3. GTR的基极驱动电路及其保护电路的基极驱动电路及其保护电路32 实现主电路与控制电路的隔离。 具有自动保护功能， 以便在故障发生时快速自动切除驱动信号， 避免损坏GTR。 电路尽可能简单， 工作稳定可靠， 抗干扰能力强。 常用的基极驱动电路有：双电源驱动电路、 UAA4002集成驱动电路等。33(2) GTR的保护电路的保护电路 GTR作为一种大功率电力电子开关器件，常工作于大电流、高电压场合。GTR比较娇嫩，容易损坏，不能承受超过其额

20、定值的浪涌电压与电流的冲击，即使时间很短（微秒级）也可能对它造成损坏，用快速熔断器或快速断路器是不能对其保护的。一般是在驱动电路中实现对GTR的自保护。因此，设计性能良好的驱动电路是GTR安全可靠运行的重要保障。 GTR的保护一般分为过电压、过电流保护、电流变化率di/dt和电压变化率du/dt限制等。34 1) GTR的过电压保护及di/dt、du/dt的限制 在电感性负载的开关装置中，GTR在开通和关断过程中的某一时刻，可能会出现集电极电压和电流同时达到最大值的情况，这时GTR的瞬时开关损耗最大。 若其工作点超出器件的安全工作区SOA，则极易产生二次击穿而使GTR损坏。缓冲电路可以使GTR

21、在开通中的集电极电流缓升，关断中的集电极电压缓升，避免了GTR同时承受高电压、大电流。另一方面，缓冲电路也可以使GTR的集电极电压变化率du/dt和集电极电流变化率di/dt得到有效的抑制，防止高压击穿和硅片局部过热熔通而损坏GTR。 35 下图是一种缓冲电路。在GTR关断过程中，流过负载RL的电流通过电感LS、二极管VDS给电容CS充电。因为CS上的电压不能突变，这就使GTR在关断过程中电压缓慢上升，避免关断过程初期GTR中电流下降不多时电压就升到最大值的情况，同时也使电压上升率du/dt被限制。在GTR开通过程中，一方面CS经RS、LS和GTR回路放电，减小了GTR所承受的较大的电流上升率

22、di/dt；RLLSGTRCSVDSRSVDfUCC另一方面，负载电流经电感LS后受到缓冲，也就避免了开通过程中GTR同时承受大电流和高电压的情形。 值得注意的是，缓冲电路之所以能减小GTR的开关损耗，是因为它把GTR开关损耗转移到缓冲电路内，消耗在电阻RS上，但这会使装置的效率降低。 36 2) GTR的过电流保护 略。UCCVRCuiGTRUr37 GTR的应用已发展到晶闸管领域，与一般晶闸管比较， GTR有以下应用特点： (1) (1) 具有自关断能力。具有自关断能力。 GTR因为有自关断能力，所以在逆变回路中不需要复杂的换流设备，与使用晶闸管相比，不但使主回路简化、重量减轻、 尺寸缩小

23、，更重要的是不会出现换流失败的现象，提高了工作的可靠性。 (2) (2) 能在较高频率下工作。能在较高频率下工作。 GTR的工作频率比晶闸管高12个数量级，不但可获得晶闸管系统无法获得的优越性能，而且因频率提高还可降低各电感和电容器件的规格参数及体积重量。 4. GTR的应用的应用38 下面介绍几个简单的例子来说明GTR的应用。 1) 直流传动 GTR在直流传动系统中的功能是直流电压变换，即斩波调压，如图4-16所示。所谓斩波所谓斩波调压调压，是利用电力电子开关器件将直流电变成另一固定或大小可调的直流电，有时又称此为直流变换或开关型DC/DC变换电路。 39图 4-16 GTR直流斩波调速 V

24、D1VD3VD5UVWVD4VD6VD2GTRVDM图中VD1V6构成一个三相桥式整流电路，获得一个稳定的直流电压。VD为续流二极管，作用是在GTR关断时为直流电机提供电流，保证直流电机的电枢电流连续。通过改变GTR的基极输入脉冲的占空比来控制GTR的导通与关断时间， 在直流电机上就可获得电压可调的直流电。 由于GTR的斩波频率可高达2 kHz左右，在该频率下，直流电动机电枢电感足以使电流平滑，这样电动机旋转的振动减小，温升比用晶闸管调速低，从而能减小电动机的尺寸。因此，在200 V以下、数十千瓦容量内， 用GTR不但简便，而且效果好。 40 2) 电源装置 目前大量使用的开关式稳压电源装置中，GRT的功能是斩波稳压。与以往的晶体管串联稳压或可控整流稳压相比，其优点是效率高，频率范围一般在音频之外，无噪声， 反应快，滤波元件可大大缩小。 41 3) 3) 逆变系统逆变系统 与晶闸管逆变器相比，GTR关断控制方便、可靠，效率提高10%，有利于节能。图4-17给出了电压型晶体管逆变器变频调速系统框图。42图 4-17 晶体管逆变调速系统框图 VD1VD3VD5UVWVD4VD6VD2V