全控型电力电子器件课件

1.4全控型电力电子器件1.4全控型电力电子器件

晶闸管通过控制信号可以控制其导通，而无法控制其关断，因此，我们称其为半控型器件。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件被称为全控型器件。是当前电力电子器件中发展最快的一类器件，这类器件品种很多，目前常见的有门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（PowerMOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。常用的典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块1.4.1门极可关断晶闸管（GTO）

门极可关断晶闸管GTO是普通晶闸管的一种派生器件，与晶闸管一样都是PNPN四层三端结构。其电压、电流容量较大，与普通晶闸管相近，因而在大功率场合仍有较多的应用。

和普通晶闸管的管芯结构基本一样，外部仍然是引出阳极、阴极和门极（控制极）。不同的是，GTO是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出三个电极，但内部则包含了数十个甚至数百个共阳极的小GTO单元，这些小GTO单元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。

1.4.1门极可关断晶闸管（GTO）图1－11GTO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b.并联单元结构断面示意图c.电气图形符号1.4.1门极可关断晶闸管（GTO）

工作原理GTO的工作原理仍然可以用图1－7所示的互补双晶体管模型来分析。

图1－7晶闸管的管芯结构和等效电路

P1N1P2和N1P2N2构成的两个互补晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益（共基极放大倍数）α1和α2。由普通晶闸管的分析可以看出，α1＋α2＝1是器件临界导通的条件。当α1＋α2>1时，两个互补晶体管V1、V2进入过饱和而使器件导通；当α1＋α2<1时，不能维持饱和导通而关断1.4.1门极可关断晶闸管（GTO）GTO能够通过门极关断的原因是因为与普通晶闸管相比有如下特点：设计器件时

2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于控制GTO。导通时

1+

2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但是导通时管压降增大。

多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。

1.4.1门极可关断晶闸管（GTO）

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更快，承受di/dt能力更强。

由上述分析我们可以得到以下结论：注：GTO在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。

GTO主要用于直流变换和逆变等需要器件强迫关断的地方。1.4.1门极可关断晶闸管（GTO）

GTO和普通晶闸管意义不同的参数：1、最大可关断阳极电流IATO是用来标称GTO额定电流的参数。2、电流关断增益βoff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。即：

GTO的βoff一般很小，这是GTO的一个主要缺点。（1–9）1.4.1门极可关断晶闸管（GTO）3、开通时间ton是指延迟时间与上升时间之和。GTO的延迟时间一般约1～2μs，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。4、关断时间toff一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。不少GTO都制成逆导型，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电压时，应和电力二极管串联使用。1.4.2电力晶体管（GTR）

电力晶体管（GiantTransistor）简称GTR，又称为巨型晶体管。是一种双极型大功率高耐压晶体管。因此，也称为BJT，在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称是等效的。它具有自关断能力、控制方便、开关时间短、高频特性好、价格低廉等优点。目前GTR的容量已达400A/1200V、1000A/400V，工作频率可达5kHz，因此被广泛应用于不停电电源、中频电源和交/直流电机调速等电力变流装置中。1.4.2电力晶体管（GTR）一、电力晶体管的结构和工作原理

图1－12GTR的结构及电气符号

NPN三层扩散台面型结构是单管GTR的典型结构。如左图（a）所示：图中掺杂浓度高的N＋区称为GTR的发射区，E为发射极。基区是一个厚度在几微米至几十微米之间的P型半导体层薄层，B为基极。集电区是N型半导体，C为集电极。左图（c）是GTR的电气符号。为了提高GTR的耐压能力，在集电区中设置了轻掺杂的N—区。在两种不同类型的半导体交界处N+-P构成发射结J1,P-N构成集电结J2,如左图（b）所示。1.4.2电力晶体管（GTR）图1－13GTR的开关电路及输出特性一、电力晶体管的结构和工作原理

在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态，我们希望它在电路中的表现接近于理想开关-----即导通时的管压降趋近于零，截止时的电流趋近于零，而且两种状态间的转换过程要足够快。1.4.2电力晶体管（GTR）二、电力晶体管的特性与参数1、GTR的特性与参数

（1）GTR共射极电路输出特性

图1－14共射极电路的输出特性曲线

在共射极接法电路中GTR的集电极电压UCE与集电极电流IC的关系曲线称为输出特性曲线，如图1－14所示。从图中可以看出，随着IB从小到大的变化，GTR经过截止区（又称为阻断区）、线形放大区、准饱和区和深饱和区四个区域。在截止区类似于开关的断态；工作在开关状态的GTR应避免工作在线形区以防止大功率损坏GTR；随着IB的增大，GTR进入准饱和区，IC与IB之间不再呈线形关系；在深饱和区，IB变化时，IC不再改变；管压降UCES很小，类似于开关的通态。1.4.2电力晶体管（GTR）二、电力晶体管的特性与参数1、GTR的特性与参数(2)GTR的主要参数

①电压定额集电极、基极击穿电压BUCBO：发射极开路时，集基极所能承受的最高电压。集电极、发射极击穿电压BUCEO：基极开路时，集射极所能承受的最高电压。②电流定额集电极电流最大值ICM：一般以β值下降到额定值的1／2～1／3时的IC值定为ICM。基极电流最大值IBM：规定为内引线允许通过的最大电流，通常取IBM≈（1/2~1/6）ICM。③最高结温TjM：GTR的最高结温与半导体材料性质、器件制造工艺、封装质量有关。一般情况下，塑封硅管TjM为125—150℃，金封硅管TjM为150～170℃，高可靠平面管TjM为175～200℃。1.4.2电力晶体管（GTR）二、电力晶体管的特性与参数1、GTR的特性与参数(2)GTR的主要参数④最大耗散功率PCM：即GTR在最高结温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，GTR会因温度过高而迅速损坏。⑥共射直流电流增益β：β=IC/IB表示GTR的电流放大能力。高压大功率GTR(单管)一般β<10。⑤饱和压降UCES：GTR工作在深饱和区时，集射极间的电压值。图1－15为GTR的饱和压降特性曲线。由图可知，UCES随IC增加而增加，在IC不变时，UCES随管壳温度Tc的增加而增加。图1－15GTR的饱和压降特性曲线1.4.2电力晶体管（GTR）二、电力晶体管的特性与参数1、GTR的特性与参数(2)GTR的主要参数⑦动态参数图1－16GTR开关过程电流波形

开通过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。加快开通过程的办法。关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff

。加快关断速度的办法。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。1.4.2电力晶体管（GTR）二、电力晶体管的特性与参数2．二次击穿和安全工作区(1)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定额BUCEO时，集电极电流IC急剧增大(雪崩击穿)，但此时集电结的电压基本保持不变，这叫做一次击穿，如图1－17所示。图1－17GTR的二次击穿示意图

如果继续增大UCE，又不限制IC的增长，就会产生二次击穿。A点对应的电压USB和电流ISB称为二次击穿的临界电压和临界电流，其乘积

PSB=USBISB称为二次击穿的临界功率。二次击穿的时间在纳秒甚至微秒数量级内，将会造成GTR永久性损坏。1.4.2电力晶体管（GTR）二、电力晶体管的特性与参数2、二次击穿和安全工作区(1)二次击穿

把不同IB下二次击穿的临界点联接起来就形成二次击穿临界线，如图1－18所示。从图中可知PSB越大，越不容易发生二次击穿。值得注意的是，GTR发生二次击穿损坏，必须同时具备三个条件：高电压、大电流和持续时间。图1－18二次击穿临界曲线

一般来说，工作在正常开关状态的GTR是不会发生二次击穿现象的。1.4.2电力晶体管（GTR）二、电力晶体管的特性与参数2、二次击穿和安全工作区(2)安全工作区

安全工作区SOA(SafeOperationArea)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。按基极偏置分类可分为正偏安全工作区FBSOA和反偏安全工作区RBSOA。

①正偏安全工作区FBSOA

正偏安全工作区又叫开通安全工作区，它是基极正向偏置条件下由GTR的最大允许集电极电流ICM、最大允许集电极电压BUCEO、最大允许集电极功耗PCM以及二次击穿功率PSB四条限制线所围成的区域，如图1－19所示。图1－19GTR的正偏工作区（FBSOA）

1.4.2电力晶体管