典型全控型电力电子器件

1、电力电子技术，全控制电力电子设备，学习目标1。掌握GT0、GTR、功率金属氧化物半导体场效应晶体管和IGBT四种常用全控电力电子器件的工作原理、特点、主要参数、驱动电路和使用中应注意的问题。2.熟悉常用全控电力电子设备的特点和适用场合。3.了解新型电力电子设备的概况。电力电子技术，第1节，门极关断晶闸管(GTO)，1。GTO 1的结构和工作原理。基本结构A)芯片的实际图形B)GTO结构的纵向轮廓C)GTO结构的纵向轮廓D)图形符号图4-1 GTO的内部结构和电气图形符号、电力电子技术、GTO的外形图、电力电子技术、2工作原理、图4当S设置为“2”时，向栅极施加反向电流以控制GTO关闭。电力电子

2、技术。GTO的特性和主要参数，GTO的开关特性图4-3 GTO开关时的电流波形，2GTO的主要参数和GTO的基本参数大多与普通晶闸管相同。1)反向重复峰值电压URRM:未指定URRM值。URRM值非常低。URRM略低于UDRM。URRM=UDRM .URRM比UDRM稍大。2)最大关断阳极电流IATO:GTO的最大阳极电流受加热和饱和深度的限制。阳极电流过大，内部晶体管的饱和深度加深，这使得栅极关断无效。因此，GTO必须规定可以关闭的最大阳极电流，即GTO的铭牌电流。3)最大关断阳极电流IATO和栅极的最大负脉冲电流IGM之间的比值称为关断电流增益。即电力电子技术、GTO的驱动和保护、1GTO

3、栅极驱动电路对栅极驱动电路的要求：1)正向触发电流ig。由于GTO是一种多元件集成结构，为了使内部平行GTO元件的开度一致性好，要求GTO栅极正向驱动电流的前沿必须有足够的幅度和陡度，正脉冲的后沿陡度应该平缓。2)反向关闭电流iG。为了缩短关断时间和减少关断损耗，要求关断栅极电流的前沿尽可能陡，持续时间应超过GTO的尾部时间。还要求关断栅极电流脉冲后沿的陡度应尽可能小。图4-4理想栅极电压和电流波形，电力电子技术，2GTO驱动电路，a) b)图4-5 GTO栅极驱动电路，a)小容量GTO栅极驱动电路，b)大容量GTO桥式栅极驱动电路、电力电子技术，3GTO保护电路，a) b) c) d)图4-

4、6 GTO图4-6a只能用于小电流；图4-6b显示了施加到GTO的初始电压上升率很大，因此不推荐在GTO电路中使用；图4-6c和4-6d是具有大容量的GTO电路中的公共缓冲器。二极管的使用越快越好，布线越短，缓冲电容效应越显著。电力电子技术，第2节巨型晶体管(GTR)，1。巨型晶体管1的结构和工作原理。巨型晶体管的结构图4-7。NPN巨型晶体管的内部结构和电气图形符号(一)内部结构(二)电气图形符号，巨型晶体管的外形图，电力电子技术，电力电子技术，2工作原理，在电力电子技术中，晶体管通常连接成共发射极电路，GTR通常工作在正向偏置(Ib0)，大电流导通；反转时，它处于关闭状态(Ib0)。因此，

5、一个具有足够大幅度的脉冲驱动信号被施加到GTR的基极吸力，并且它将工作在开关状态。电力电子技术2。巨型晶体管1的特性和主要参数。GTR 1的基本特征。静态特性共射极连接时GTR的典型输出特性如图4-8所示，可分为三个工作区：截止区。在截止区，只有漏电流流过iB0、uBE0和uBC0的集电极。扩大面积。iB 0，uBE0，uBC0，iC=iB .饱和带。uBE0，uBC0，iCS是集电极饱和电流，其值由外部电路决定。电力电子技术，(2)动态特性图4-8 GTR共发射极连接输出特性图4-9 GTR开关特性，电力电子技术，2GTR参数，(1)最大工作电压BUCBO:发射极开路时集电极和基极之间的反向

6、击穿电压。基极开路时集电极和发射极之间的击穿电压。Bucer:电阻r连接在GTR的发射极和基极之间。发射极和基极之间短路，集电极和发射极之间击穿电压。发射极结反向偏置时集电极和发射极之间的击穿电压。其中，BUCBO BUCES BUCES BUCER BUCEO，在实际使用中，为了保证安全，最高工作电压比BUCEO低得多。(2)最大允许集电极电流ICM (3)最大允许集电极耗散功率PCM (4)最大工作结温TJM、电力电子技术、3二次击穿和安全工作区，(1)二次击穿当集电极电压上升到一定值(未达到极限值)时，雪崩效应导致二次击穿。正常情况下，只要功耗不超过限值，GTR是可以容忍的，但在实际使用

7、中，会出现负阻效应，这将进一步增加iE。由于GTR结的缺陷和结构参数的不均匀，局部电流密度急剧增加，形成恶性循环，破坏GTR。(2)安全工作区以DC极限参数ICM、PCM和UCEM组成的工作区为主要故障工作区，如图4-10所示。电力电子技术，图4-10 GTR安全工作区，电力电子技术，3。巨型晶体管的驱动和保护，1GTR基极驱动电路的要求(1)对于基极驱动电路，GTR主电路电压相对较高，控制电路电压相对较低，因此主电路和控制电路之间应实现电气隔离。开启GTR时，基极正向驱动电流应有足够陡的前沿和一定幅度的强制电流，以加速开启过程，降低开启损耗，如图4-11所示。在GTR通态期间，在任何负载下，

8、基极电流都应使GTR处于临界饱和状态，这样可以减小通态饱和压降，缩短关态时间。关闭GTR时，应向基极提供足够的反向基极电流(如图4-11中的波形所示)，以加快关断速度并降低关断损耗。它应具有较强的抗干扰能力和一定的保护功能。图4-11 GTR基极驱动电流波形，电力电子技术，(2)基极驱动电路，实用GTR驱动电路，电力电子技术，3GTR保护电路，a) b) c)图4-13 GTR缓冲电路图4该电路仅适用于小容量GTR(电流低于10 A)。在图4-13b所示的充放电型r、c和VD缓冲电路中增加了一个缓冲二极管VD2，它可用于大容量GTR。然而，它的损耗(由缓冲电路的电阻引起)很大，因此不适合高频开

9、关电路。图4-13c所示的防止放电的r、C、VD缓冲电路常用于大容量GTR和高频开关电路，其最大的优点是缓冲引起的损耗小。功率电子技术第三节功率金属氧化物半导体场效应晶体管结构功率金属氧化物半导体场效应晶体管采用两种扩散工艺，将漏极移动到芯片的另一侧表面，使漏极到源极的电流垂直于芯片表面流动，有利于减小芯片面积，提高电流密度。A) b)图4-14功率金属氧化物半导体场效应晶体管的结构和符号A)金属氧化物半导体场效应晶体管元件的组成B)图形符号，功率金属氧化物半导体场效应晶体管的外形图，功率电子技术，2功率金属氧化物半导体场效应晶体管的工作原理，当漏极连接到电源的正极时，源极连接到电源的负极，栅

10、极和源极之间的电压为零或负。 P型区和N型漂移区之间的PN结是反向的。如果在栅极和源极之间加一个直流电压UGS，由于栅极是绝缘的，所以不会有电流。 然而，由栅极的正电压形成的电场的感应将把在其下方的P型区域中的少数载流子电子吸引到栅极下方的P型区域的表面。当uGS大于某一电压值UGS(th)时，栅极下方的P型区表面上的电子浓度将超过空穴浓度，使P型转化为N型此时，如果在漏极和源极之间增加直流电压，电子将从源极横向穿过沟道，然后垂直(即纵向)流向漏极，形成漏极电流iD。电压UGS(th)被称为导通电压，并且越多的UGS超过UGS(th)，导电性越强，漏极电流iD越大。电力电子技术2。功率金属氧化

11、物半导体场效应晶体管的特性1传输特性传输特性是指功率金属氧化物半导体场效应晶体管的输入栅源电压和输出漏电流之间的关系，如图4-15a所示。从图中可以看出，当uGS UGS(th)时，iD约为零；当UGS(th)时，随着UGS的增加，iD变大。当iD较大时，iD和uGS之间的关系近似为线性，曲线的斜率定义为跨导gm，然后是电力电子技术，2。功率金属氧化物半导体场效应晶体管特性，a)图4-15所示的功率金属氧化物半导体场效应晶体管的传输特性和输出特性，a)传输特性，b)输出特性和功率电子技术。截止区。UGSUGS(th)，iD=0，对应于巨型晶体管的截止面积。饱和带。当UGS为常数时，iD几乎不随

12、uDS的增加而增加，uDS近似为常数，故称之为饱和区。这里的饱和区对应于巨型晶体管的放大区。当用于线性放大时，场效应晶体管在这个区域工作。不饱和区域。漏极-源极电压uDS和漏极电流iD的比值近似恒定。这个区域相当于巨型晶体管的饱和区域。当为了开关应用而导通时，金属氧化物半导体场效应晶体管在该区域工作。电力电子技术，3开关特性，a) b)图4-16功率金属氧化物半导体场效应晶体管的开关过程A)测试金属氧化物半导体场效应晶体管开关特性的电路B)开关特性曲线，电力电子技术，2功率金属氧化物半导体场效应晶体管的主要参数，1)漏极电压UDS:功率金属氧化物半导体场效应晶体管的额定电压，选择时必须保留较大

13、的安全裕度。2)最大允许漏极电流IDM:功率金属氧化物半导体场效应晶体管的额定电流，主要受管的温升限制。3)栅源电压UGS:栅源之间的绝缘层很薄，耐压很低，一般不超过20 V，否则绝缘层可能会击穿损坏，使用时要注意。总之，为了安全可靠，在选择金属氧化物半导体场效应晶体管时，额定电压和电流应该有很大的裕量。4)电极间电容：功率MOSFET的电极间电容包括CGS、CGD和CDS，其中CGS为栅源电容，CGD为栅漏电容，由器件结构中的绝缘层形成；CDS是由PN结形成的漏源电容。电力电子技术。功率金属氧化物半导体场效应晶体管的驱动和保护。功率场效应晶体管的驱动图4-18功率场效应晶体管的驱动电路，3。

14、功率金属氧化物半导体场效应晶体管的驱动和保护。场效应晶体管的保护(1)防止静电击穿在测试和接入电路之前，器件应储存在静电包装袋、导电材料或金属容器中。焊接设备时，工作台和烙铁必须接地良好，焊接时烙铁应断电。测试设备时，测量仪器和工作台必须接地良好。注意不要过度限制栅极电压。(2)防止意外振荡损坏器件(3)防止过压(4)防止过流(5)消除寄生晶体管和二极管的影响，电力电子技术，概括地说，是一种电压控制器件，它利用栅极电压控制漏极电流，驱动电路简单，驱动功率小。单极性器件，开关时间短，开关速度快，工作频率高。没有二次击穿。电流容量小，耐压低，导通压降大。电力电子技术，第4节绝缘栅双极晶体管(IGB

15、T)，1。基本结构a) b) c)图4-19 1GBT结构，简化等效电路和电气图形符号A)内部结构B)简化等效电路C)电气图形符号，IGBT外形图，电力电子技术，电力电子技术，2。IGBT的工作原理和驱动原理场效应晶体管的导通和截止是由栅极和发射极之间的电压决定的。当uGE为正且大于0时当栅极和发射极之间施加反向电压或没有电压时，场效应晶体管中的沟道消失，晶体管没有基极电流，IGBT截止。由PNP晶体管和N沟道MOSFET组成的IGBT称为N沟道IGBT，其电气图形符号如图4-19c所示。还有一个P频道IGBT，被称为P-IGBT。北IGBT和北IGBT统称为IGBT。实际应用中有许多n通道I

16、GBT。电力电子技术，1gb的基本特性，a)图4-20a中1gb的传输特性和输出特性b)图4-20a中1gb的传输特性和输出特性，电力电子技术，1gb的基本特性，其描述了集电极电流ic和栅极发射电压uGE之间的关系，导通电压uGE(th)是IGBT可以实现电导调制和导通的最低栅极电压。随着温度的升高，UGE值略有下降。当温度升高1时，其值降低约5毫伏。图4-20b示出了IGBT的输出特性，也称为伏安特性，其描述了当栅极-发射极电压作为参考变量时集电极电流iC和集电极-发射极电压uCE之间的关系。这一特性类似于GTR的输出特性，但区别在于参考变量。IGBT是栅极电压uGE，GTR是基极电流iB。IGBT的输出特性也分为三个区域：正向阻断区、活动区和饱和区。这些分别对应于GTR的截止区、放大区和饱和区。此外，当发生0时，IGBT处于反向阻断工作状态。在电力电子电路中，IGBT工作在开关状态，因此它在正向阻断区和饱和区之间来回切换