【文章內(nèi)容簡介】 圖形符號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性 4. 光控晶閘管 (LTT)第二章、 電力電子器件v 2. 電力電子器件的基本模型 v 2. 電力二極管 v 2. 晶閘管v 2. 可關(guān)斷晶閘管 v 2. 電力晶體管 v 2. 電力場效應(yīng)晶體管 v 2. 絕緣柵雙極型晶體管 v 2. 其它新型電力電子器件v 2. 電力電子器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù) 可關(guān)斷晶閘管 216?？申P(guān)斷晶閘管 (GateTurnOff Thyristor)簡稱 GTO。216。它具有普通晶閘管的全部優(yōu)點(diǎn)，如耐壓高，電流大等。同時(shí)它又是全控型器件，即在門極正脈沖電流觸發(fā)下導(dǎo)通，在負(fù)脈沖電流觸發(fā)下關(guān)斷。 可關(guān)斷晶閘管 可關(guān)斷晶閘管及其工作原理 可關(guān)斷晶閘管的特性與主要參數(shù) 可關(guān)斷晶閘管及其工作原理 與普通晶閘管的 相同點(diǎn) ： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。l 和普通晶閘管的 不同點(diǎn) ： GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽極的小 GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。圖 113 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號(hào)可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu) 可關(guān)斷晶閘管及其工作原理l 可關(guān)斷晶閘管的工作原理l 1） GTO的 導(dǎo)通機(jī)理 與 SCR是 相同的 。 GTO一旦導(dǎo)通之后，門極信號(hào)是可以撤除的 , 但在制作時(shí)采用特殊的工藝使管子導(dǎo)通后處于臨界飽和，而不象普通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài)，這樣可以用門極負(fù)脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關(guān)斷。l 2）在 關(guān)斷機(jī)理 上與 SCR是 不同的 。門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流 (即抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子 )，強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。 可關(guān)斷晶閘管 可關(guān)斷晶閘管及其工作原理 可關(guān)斷晶閘管的特性與主要參數(shù) 可關(guān)斷晶閘管的特性與主要參數(shù) 導(dǎo)通過程與 SCR一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。需經(jīng)過延遲時(shí)間 td和上升時(shí)間 tr。 l圖 可關(guān)斷晶閘管的開關(guān)特性 1）開通過程：可關(guān)斷晶閘管的特性2）關(guān)斷過程： 與普通晶閘管不同l 儲(chǔ)存時(shí)間 ts ：抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子，使等效晶體管退出飽和。l 下降時(shí)間 tf ：等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小 。l 尾部時(shí)間 tt ：殘存載流子復(fù)合。通常 tf比 ts小得多，而 tt比 ts要長。l 門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，抽走儲(chǔ)存載流子的速度越快，ts越短。l 門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在 tt階段仍保持適當(dāng)負(fù)電壓，則可縮短尾部時(shí)間。l圖 可關(guān)斷晶閘管l 的開關(guān)特性 可關(guān)斷晶閘管的特性與主要參數(shù)可關(guān)斷晶閘管的特性 可關(guān)斷晶閘管的特性與主要參數(shù)l （ 1）開通時(shí)間 ton:延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約 1~2s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大；l （ 2）關(guān)斷時(shí)間 toff:一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。 GTO的儲(chǔ)存時(shí)間隨陽極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般小于 2s；l （ 3）最大可關(guān)斷陽極電流 IATO:它是 GTO的額定電流；可關(guān)斷晶閘管的主要參數(shù) 可關(guān)斷晶閘管的特性與主要參數(shù)l GTO的門極可關(guān)斷能力可用電流關(guān)斷增益β off來表征，最大可關(guān)斷陽極電流 IATO與門極負(fù)脈沖電流最大值 IGM之比稱為電流關(guān)斷增益；l 通常大容量 GTO的關(guān)斷增益很小，不超過 3~5。這正是 GTO的缺點(diǎn)。一個(gè) 1000A的 GTO關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要 200A 。 （ ）（ 4）電流關(guān)斷增益 β off ： 可關(guān)斷晶閘管的特性與主要參數(shù)l 2）使用時(shí)必須注意 ：l 可關(guān)斷晶閘管的應(yīng)用 1） GTO主要用于直流變換和逆變等需要元件強(qiáng)迫關(guān)斷的地方，電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，達(dá)到兆瓦級(jí)的數(shù)量級(jí)。v 不少 GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時(shí)應(yīng)和電力二極管串聯(lián) 。v 用門極正脈沖可使 GTO開通， 用門極負(fù)脈沖可以使其關(guān)斷， 這是 GTO最大的優(yōu)點(diǎn)。 但要使 GTO關(guān)斷的門極反向電流比較大， 約為陽極電流的１ /５左右。 v GTO的通態(tài)管壓降比較大， 一般為 2～ 3V。v GTO有能承受反壓和不能承受反壓兩種類型， 在使用時(shí)要特別注意。v 、電力電子器件的基本模型 v 、 電力二極管 v 、 晶閘管v 、 可關(guān)斷晶閘管 v 、 電力晶體管 v 、 電力場效應(yīng)晶體管 v 、 絕緣柵雙極型晶體管 v 、 其它新型電力電子器件v 、電力電子器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)第二章、 電力電子器件、 電力晶體管 l 1) 術(shù)語用法：l 電力晶體管（ Giant Transistor——GTR ，直譯為巨型晶體管）l 耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor——BJT ），英文有時(shí)候也稱為 Power BJT。l 在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)， GTR與 BJT這兩個(gè)名稱等效l 2）應(yīng)用：l 20世紀(jì) 80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被 IGBT和電力 MOSFET取代。 電力晶體管及其工作原理 電力晶體管的特性與主要參數(shù)、 電力晶體管 電力晶體管及其工作原理l 與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。l 主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。l 通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元 結(jié)構(gòu)。l 采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。圖 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng) a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào) c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng)v 產(chǎn)品說明書中通常給 直流電流增益 hFE—— 在直流工作情況下集電極電流與基極電流之比。一般可認(rèn)為 223。≈hFE 。v 單管 GTR的 223。值比小功率的晶體管小得多，通常為 10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益。 電力晶體管及其工作原理（ ）IC=βIB +ICEOv在應(yīng)用中， GTR一般采用共發(fā)射極接法。v集電極電流 Ic與基極電流 Ib之比為lβ——GTR 的 電流放大系數(shù) ，l反映了基極電流對集電極電流的控制能力 v當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流 ICEO時(shí)， IC和 IB的關(guān)系為（ ）、 電力晶體管 電力晶體管及其工作原理 電力晶體管的特性與主要參數(shù) 電力晶體管的特性與主要參數(shù)216。 深飽和區(qū)： UBE＞ 0, UBC＞ 0， IB變化時(shí) IC不再改變，管壓降 UCES很小， 類似于開關(guān)的通態(tài)。圖 時(shí) GTR的輸出特性l GTR共射電路輸出特性216。 輸出特性： 截止區(qū) (又叫阻斷區(qū) )、線性放大區(qū)、準(zhǔn)飽和區(qū)和深飽和區(qū)四個(gè)區(qū)域。216。 截止區(qū)： IB＜ 0(或 IB=0)， UBE＜ 0，UBC＜ 0， GTR承受高電壓，且有很小的穿透電流流過， 類似于開關(guān)的斷態(tài) ；216。 線性放大區(qū)： UBE＞ 0， UBC＜ 0，IC=βI B， GTR 應(yīng)避免工作在線性區(qū)以防止大功耗損壞 GTR；216。 準(zhǔn)飽和區(qū)： 隨著 IB的增大，此時(shí) UBE＞ 0， UBC＞ 0，但 IC與 IB之間不再呈線性關(guān)系， β 開始下降，曲線開始彎曲； 電力晶體管及其工作原理l1）延遲時(shí)間 td和上升時(shí)間 tr，二者之和為開通時(shí)間 ton。 2） td主要是由發(fā)射結(jié)勢壘電容和集電結(jié)勢壘電容充電產(chǎn)生的。增大 ib的幅值并增大 dib/dt，可縮短延遲時(shí)間，同時(shí)可縮短上升時(shí)間，從而加快開通過程 。 圖 GTR的開通和 關(guān)斷過程電流波形l GTR的開關(guān)特性（ 1）開通過程：v 關(guān)斷時(shí)間 tof 為：存儲(chǔ)時(shí)間 ts和 與下降時(shí)間 tf之和。v ts是用來除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時(shí)間的主要部分。v 減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減小儲(chǔ)存的載流子，或者增大基極抽取負(fù)電流 Ib2的幅值和負(fù)偏壓，可縮短儲(chǔ)存時(shí)間，從而加快關(guān)斷速度。v 負(fù)面作用是會(huì)使集電極和發(fā)射極間的飽和導(dǎo)通壓降 Uces增加，從而增大通態(tài)損耗。v GTR的開關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和 GTO都短很多 。 電力晶體管及其工作原理圖 GTR的開通和 關(guān)斷過程電流波形l GTR的開關(guān)特性（ 1）關(guān)斷過程：216。 集電極電流最大值 ICM： 一般以 β值下降到額定值的1／ 2～ 1／ 3時(shí)的 IC值定為 ICM； 216。 基極電流最大值 IBM： 規(guī)定為內(nèi)引線允許通過的最大電流，通常取 IBM≈(1/2～ 1/6)ICM； 電力晶體管及其工作原理 GTR的主要參數(shù) (1) 電壓定額 (2) 電流定額216。 集基極擊穿電壓 BUCBO： 發(fā)射極開路時(shí)，集射極能承受的最高電壓；216。 集射極擊穿電壓 BUCEO： 基極開路時(shí)，集射極能承受的最高電壓； (3) 最高結(jié)溫 TjM：l GTR的最高結(jié)溫與半導(dǎo)體材料性質(zhì)、器件制造工藝、封裝質(zhì)量有關(guān)。 一般情況下，塑封硅管 TjM為 125～ 150℃ ，金封硅管 TjM為 150～ 170℃ ，高可靠平面管 TjM為 175～ 200℃。 (4) 最大耗散功率 PCM：l 即 GTR在最高結(jié)溫時(shí)所對應(yīng)的耗散功率，它等于集電極工作電壓與集電極工作電流的乘積。l 這部分能量轉(zhuǎn)化為熱能使管溫升高，在使用中要特別注意 GTR的散熱，如果散熱條件不好， GTR會(huì)因溫度過高而迅速損壞。 電力晶體管及其工作原理 GTR的主要參數(shù)（續(xù)）(5) 飽和壓降 UCES： 為 GTR工作在深飽和區(qū)時(shí)，集射極間的電壓值。216。 由圖可知， UCES隨 IC增加而增加。在 IC不變時(shí)， UCES隨管殼溫度 TC的增加而增加。 216。 表示 GTR的電流放大能力。216。 高壓大功率 GTR (單管 )一般 β＜ 10； 電力晶體管及其工作原理圖 飽和壓降特性曲線 GTR的主要參數(shù)（續(xù)）(6) 共射直流電流增益 β：β=IC／ IBl 一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊 穿。167。只要 Ic不超過限度， GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。 二次擊穿167。 一次擊穿發(fā)生時(shí) Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降 。 常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。 電力晶體管及其工作原理l二次擊穿和安全工作區(qū)（ 1） 二次擊穿圖 一次擊穿、二次擊穿原理圖 二次擊穿臨界線l 按基極偏置分類可分為 正偏安全工作l 區(qū) FBSOA和 反偏安全工作區(qū) RBSOA。 電力晶體管及其工作原理l二次擊穿和安全工作區(qū)l（ 2）安全工作區(qū)l 安全工作區(qū) SOA(Safe Operation Area)l是指在輸出特性曲線圖上 GTR能夠安全運(yùn)行l(wèi)的電流、電壓的極限范圍。 正偏安全工作區(qū)又叫開通安全工作區(qū)，它是基極正向偏置條件下由 GTR的最大允許集電極電流 ICM、最大允許集電極電壓 BUCEO、最大允許集電極功耗 PCM以及二次擊穿功率 PSB四條限制線所圍成的區(qū)域。l 反偏安全工作區(qū)又稱 GTR的關(guān)斷安全工作區(qū)。它表示在反向偏置狀態(tài)下 GTR關(guān)斷過程中電壓 UCE、電流 IC 限制界線所圍成的區(qū)域 。 電力晶體管及其工作原理 （ 2）、安全工作區(qū)圖 GTR的反偏安全工作區(qū)圖 GTR正偏安全工作區(qū) ① 正偏安全工作區(qū) FBSOA ② 反偏安全工作區(qū) RBSOAv 、電力電子器件的基本模型 v 、 電力二極管 v 、 晶閘管v 、 可關(guān)斷晶閘管 v 、 電力晶體管 v 、 電力場效應(yīng)晶體管 v 、 絕緣柵雙極型晶體管 v 、 其它新型電力電子器件v 、電力電子器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù) 第二章、 電力電子器件 電力場效應(yīng)晶體管1）分為結(jié)型場效應(yīng)管簡稱 JFET）和絕緣柵金屬 氧化物 半導(dǎo)體場效應(yīng)管（簡稱 MOSFET）。2）通常指絕緣柵型中的 MOS型，簡稱電力 MOSFET。3） 4）特點(diǎn)： 輸入阻抗高 (可達(dá) 40MΩ 以上 )、開關(guān)速度快，工作頻率高 (開關(guān)頻率可達(dá) 1000kHz)、驅(qū)動(dòng)電路簡單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小、熱穩(wěn)定性好、無二次擊穿問題、安全工作區(qū) (SOA)寬； 電流容量小，耐壓低，一般只適用功率不超過 10kW 的電力電子裝置。N溝道P溝道電力 MOSFET耗盡型：增強(qiáng)型 :耗盡型增強(qiáng)型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道