12第5章GTO.

GTO第1页《现代电力电子器件》第五章门极可关断晶闸管GTOGTO第2页主要内容1、GTO的结构、原理、静态特性、动态特性、主要参数2、GTO的缓冲电路3、GTO的驱动特点要求、实用驱动电路4、GTO的过电流保护、驱动电路保护GTO第3页概述：★门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）★晶闸管的一种派生器件。★全控型，可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。★GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，水平4500A/5000V、1000A/9000V。★在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。如电力有源滤波器、直流输电、静止无功补偿等。GTO第4页GTO第5页5.1.1结构●与普通晶闸管的相同点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极●和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKGTO第6页5.1.2GTO开通原理●与普通晶闸管一样，可以用图6-1b所示的双晶体管模型来分析。●当阳极加正向电压、门极加触发信号时，GTO导通，具体过程如下：正反馈过程。●1+2=1是器件临界导通的条件。当1+21时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当1+21时，不能维持饱和导通而关断。●掣住电流：定义与1+2=1状态所对应的阳极电流为GTO的掣住电流。GTO第7页5.1.3GTO关断原理●GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：（1）设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断。（2）导通时1+2更接近1（GTO：1+21.05，普通SCR：1+21.15）导通时饱和度不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。（3）多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。GTO第8页●导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。●关断过程：门极加负脉冲即从门极抽出电流，形成强烈正反馈——IG↓—→Ib2↓—→IK、Ic2↓—→IA、Ic1↓↑当IA和IK的减小使1+21时，器件退出饱和而关断。GTO第9页●GTO的关断条件:1+21●抽出电流：关断时需要抽出的最大门极负电流-IGM为式中IATO——被关断的最大阳极电流；-IGM——抽出的最大门极电流。●关断增益βoff：用IATO与-IGM的比表示GTO的关断增益，用βoff表示。βoff=IATO/IGMβoff是一个重要特征参数，其值—般为3~8。●-IGM抽出的为IC1，IC1IC2，所以-IGM只占IA的1/3~1/8。●-IGM为IA的一部分，而非门极PN结的反向雪崩电流。GTO第10页5.1.4GTO的失效原理●GTO的结构模型示意如图6—3所示。●大容量的GTO是由若干GTO元并联而成，这些GTO元的阳极共有，门极和阴极形成多个独立的PN结单元。c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKGTO第11页●失效原理：由于GTO各小单元特性不完全一致，使各单元关断时间不相同。先关断单元把自己负担的电流转移到迟后关断的单元上，致使后者电流密度增大，而被烧坏。因此，关断最慢的GTO元被局部烧坏的几率最大。●实测表明，容易导通的GTO元难于关断；反之，难以导通的则易关断。GTO第12页5.2特性与参数5.2.1静态特性5.2.1.1阳极伏安特性●GTO阳极伏安特性与SCR基本类似，如图6-5所示。●阳极耐压与结温关系，随着结温升高，GTO耐压降低。GTO第13页●当结温高于125℃时，α1和α2大大增加，自动满足α1＋α2＞1的条件，不加触发信号GTO即可自行开通。●GTO的阳极耐压与门极状态有关，门极电路中的任何毛刺电流都会使阳极耐压降低，图6-7所示。图中IG1和IG2相当于毛刺电流，IG0＜IG1＜IG2。GTO第14页5.2.1.2通态压降特性●如图6-8所示。●GTO的通态压降VA随着阳极通态电流IA的增加而增加。●结温越高，通态压降增长越快GTO第15页5.2.1.3安全工作区1、正向偏置：GTO是双稳态开关器件，在正向偏置即门极加正触发信号时，没有安全工作区的问题。(见右图轨迹贴近横纵轴）2、反向偏置：●GTO在反向偏置有安全工作区问题。●GTO安全工作区定义：在一定条件下，GTO能够可靠关断的阳极电流与阳极电压的轨迹。图6-9。●若条件改变，如驱动电路或缓冲电路参数改变之后，安全工作区也改变。GTO第16页5.2.2动态特性●动态特性：指GTO从断态到通态、从通态到断态的变化过程中，电流、电压以及功率损耗随时间变化的规律。1、开通过程：●与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间tr。●开通时间ton：ton=td+tr●影响因素：元件特性、门极电流上升率、门极脉冲幅值。●开通损耗：主要出现在tr段内。Ot0t图1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6图1-14GTO的开通和关断过程电流波形GTO第17页2、关断过程：●与普通晶闸管不同，需要门-阴结加适当负脉冲。●关断过程可用三个时间段来表示——存储时间ts，下降时间tf和尾部时间tt。（1）储存时间ts：●从关断过程开始，到出现1+2=1（等效晶体管退出饱和）状态为止的一段时间。●这段时间内从门极抽出大量过剩载流子，GTO导通区不断被压缩，但总的电流IA几乎不变。●门极电流从0上升到最大值-IGM。●负脉冲电流幅值越大，前沿越陡，抽走储存载流子的速度越快，ts越短。GTO第18页（2）下降时间tf●下降时间tf对应着阳极电流迅速下降，阳极电压不断上升和门极反电压开始建立的过程。●这段时间里，等效晶体管从饱和区退至放大区，继续从门极抽出载流子，阳极电流逐渐减小。●门极电流逐渐减小。GTO第19页（3）尾部时间tt●尾部时间tt是指从阳极电流降到极小值开始，直到降到维持电流为止的时间。●这段时间内，残存载流子被抽出。●一般：tttstf●门极负脉冲后沿缓慢衰减，在tt阶段仍保持适当负电压，可缩短tt。GTO第20页●尖峰电压VP：☆在tf末，iA急剧下降，线路分布电感感应电压LSdiA/dt很大，使UA迅速升高，出现尖峰电压VP。☆UA迅速升高形成的dv/dt称为重加dv/dt；过高的重加dv/dt易使GTO关断失效。☆限制VP方法：设置缓冲电路，吸收尖峰电压VP；尽量减小缓冲电路的杂散电感，选择内感小的二极管及电容等元件。●关断损耗：主要出现在下降时间和尾部时间期间。●关断时，门极负电压不能超过门—阴极结的雪崩击穿电压VGR，否则，因雪崩电流过大而损坏门-阴极结。GTO第21页5.2.3GTO的主要参数●许多参数意义和SCR相同，主要介绍意义不同的参数。1、最大可关断阳极电流IATO(GTO额定电流)●定义：指规定条件下，由门极控制可关断的阳极电流最大值。●表示GTO的关断能力。010203040200400600800-UGTJ=110℃IATO插图9门极关断电压与IATO的关系●影响因素：工作频率、门极关断电路、主电路参数、缓冲电路等。●例如：IATO与门极关断电压的关系如插图9所示。可见，IATO随着-UG的增加而增加。GTO第22页2、电流关断增益off●最大可关断阳极电流与门极负冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。●一切影响IATO和IGM的因素均会影响βoff。3、阳极尖峰电压VP●阳极尖峰电压VP是在下降时间末尾出现的极值电压。●它几乎随阳极可关断电流线性增加，VP过高可能导致GTO失效。ATOoffGMIIGTO第23页4、dv/dt和di/dt（1）阳极电压上升率dv/dt分为静态和动态两种。●静态dv/dt：指GTO阻断时所能承受的最大电压上升率。☆静态dv/dt过高，GTO结电容将流过较大的位移电流并使α增大，可能引发误通故障。☆结温和阳极电压越高，GTO承受静态dv/dt能力越低；☆门极反偏电压越高，静态dv/dt耐量越高。●动态dv/dt：也称重加dv/dt，指GTO在门极关断过程中阳极电压上升率。☆重加dv/dt会使IATO下降，瞬时关断功耗过大，导致GTO损坏。GTO第24页（2）阳极电流上升率di/dt●是GTO开通过程中的动态参数。●di/dt过大可导致阴极区电流局部集中而烧坏GTO；●为限制di/dt，可采用串联缓冲电路。GTO第25页5、浪涌电流及I2t值●浪涌电流ITSM：是指由电路异常引起、使结温超过额定结温的不重复最大通态过载电流。☆通常规定为通态峰值电流的6倍。☆浪涌之后，器件性能不致变坏，却可能引起器件性能的改变。●I2t值：是用来表示持续时间不满10ms内正向非重复过电流能力。☆是选定快速熔断器的依据。GTO第26页6、维持电流IH●定义：由通态向断态转化过程中，维持所有GTO元导通的最小阳极电流。●与SCR相比：定义相同，但数值大的多。☆如SCR：IT(AV)=3000A，其IH=300mA。GTO：IATO=2700A，其IH=40A。●结温升高，IH下降。GTO第27页7、擎住电流IL●定义：由门极触发后，阳极电流上升到保持所有GTO元导通的最低值。●由于各GTO元性能不一致，必须加宽门极脉冲。●结温升高，IL下降。●IL与IH几乎成正比，且ILIH。8、门极反向关断电流●关断GTO所需的最大瞬时反向电流。一般：IGR=(1/4~1/3)IATO。GTO第28页9、平均功率损耗●包括：阳极开通损耗、通态损耗、阳极关断损耗、断态损耗、门极损耗。●工作频率低，通态损耗为主。●工作频率高，各损耗均需考虑GTO第29页复习思考题：1、画出GTO的等值电路图，说明GTO的关断原理和失效原理。2、GTO的可关断阳极电流IATO是什么？与什么因素有关？3、GTO的关断增益是怎样定义的？其值一般为多少？4、画出GTO在关断过程中UA、iA、iG的曲线，标出各区间名称。GTO第30页5.3GTO的缓冲电路5.3.1缓冲电路的作用1、GTO缓冲电路主要作用：(1)GTO关断时，在阳极电流下降阶段，抑制阳极电压VAK中的尖峰VP，对IA进行分流，以降低关断损耗，防止导通区减小、电流密度过大、引起结温升高，和α1、α2增大给关断带来困难。(2)抑制阳极电压VAK的上升率dv/dt，以免关断失败。(3)GTO开通时，缓冲电容通过电阻向GTO放电，有助于所有GTO元迅速达到擎住电流，尤其是主电路为电感负载时。GTO第31页2、缓冲电路的作用实例●日立公司30A、1200VGTO的安全工作区域图，图6-12。●无缓冲电路时：☆若IATO＝l00A时，则VAKM≤300V。☆若VAKM＝1000V时，则IATO＝10.5A。☆显然，GTO关断能力大受限制。●加入缓冲电容（CS＝0.22uF）后：☆若VAKM＝1000V时，则IATO＝180A，☆随着CS增加，GTO关断能力提高。☆缓冲电路对GTO关断能力起着相当重要的作用。GTO第32页5.3.2缓冲电路的工作原理5.3.2.1缓冲电路的基本结构●GTO直流斩波器电路（带缓冲电路）：图6-13。●R、L是负载，VD为续流二极管。●LA、RA、VDA是GTO开通缓冲电路，限制开通di/dt。●RS、CS和VDS组成了关断缓冲电路。●关断缓冲电路任务是：关断时，抑制由于阳极电流IA下降，di/dt在电感LA上感应的电压尖峰VP及其正向电压上升率dv/dt。●LS是主回路分布电感。忽略关断缓冲电路中的分布电感GTO第33页图6-13GTO的典型缓冲电路VDRRSCSVEGTOVDS+-VDARALALLSIRLiAiSiVDiOGTO第34页图6-13GTO的典型缓冲电路VDRRSCSVEGTOVDS+-VDARALALLSIRLiAiSiVDiOiSVEVEVCSMiVDGTO第35页5.3.2.2开通时