2.4典型全控型器件

2.4典型全控型器件太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术2.4.1门极可关断晶闸管（GTO）它是晶闸管的一种派生器件，开通原理和普通晶闸管相同，只要有一个门极触发脉冲就可以导通。但与晶闸管不同，可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTO在许多方面并不占优势，但它的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术1.GTO的结构和工作原理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是一种多元的功率集成器件，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、门极间隔排列的图形b)并联单元结构断面示意图c)电气图形符号太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术工作原理：1.导通原理•与普通晶闸管一样，可以用双晶体管模型来分析。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)•由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益α1和α2。太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术α1较小，α2较大，即P1N1P2不灵敏,N1P2N2灵敏，在Ie≈0时，α1与α2均很小，导通后逐渐增大，在IG加上电流后，由于强烈的正反馈，晶闸管导通。不考虑漏电流时，GTO的阳极电流IA=IC1+IC2=α1IA+α2Ik（1）又当IG≠0时，Ik=IA+IG（2）将（2）式带入（1）式可得：该式说明：IG必须保持上式的电流大小时，才能使晶闸管导通。太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术在该式中，我们还可以看出：在正反馈的作用下，α1+α2会从一个较小的值逐渐增大，当α1+α2=1时，式中IG=0,即这时晶闸管已经导通，门极电流可以为零了。而当α1+α2＞1时，晶闸管饱和导通。当α1+α2=1时，是器件的临界导通条件注意：由于GTO导通的条件就是α1+α2＞1，所以任何使α1、α2变化的因素都可能使其导通。如：阳极电压过高,du/dt过大，器件结温过高等。太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术2.关断原理由于α1+α2=1是器件的临界导通条件，若想办法使α1+α2＜1，则器件就可能关断。要关断时，在GTO门极加一个负偏压，使V1的集电极电流被抽出，形成门极负电流IG，由于IC1被抽走，使V2的基极电流减小，进而使其集电极电流IC2减小，于是引起IC1的进一步下降。这样也形成了一个正反馈，由于IC1、IC2的不断减小使α1+α2＜1，从而使GTO关断。太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术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（1.05，普通晶闸管1+21.15）导通时饱和不深，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。太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术使用中要注意的问题：1.GTO在使用中，导通时的管压降较大，增加了通态损耗。2.对关断负脉冲的要求较高，门极触发电路需要严格设计，否则易在关断过程中烧毁管子。a.门极电流应大于元件的擎住电流IL;b.正负触发脉冲其前沿要陡，后沿要平缓，中小功率电路上升沿小于0.5μs，大功率电路小于1μs；c.门极电路电阻要小，以减小脉冲源内阻。3.由于多元集成，对制造工艺提出极高的要求，它要求必须保持所有GTO元特性一致，开通或关断速度不一致，会使GTO元因电流过大而损坏。太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术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。2.GTO的动态特性GTO的开通过程电流波形太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术GTO的关断过程电流波形关断过程：与普通晶闸管有所不同•抽取饱和导通时储存的大量载流子——储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。•等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小——下降时间tf。•残存载流子复合——尾部时间tt。•通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。•门极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。•门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍保持适当负电压，则可缩短尾部时间。太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术3.GTO的主要参数许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。1)开通时间ton——延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1~2s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。2)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。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s。太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术3)最大可关断阳极电流IATO——GTO额定电流，阳极电流超过IATO，则GTO处于较深的饱和导通状态，抽出的电流不足以使GTO关断，会导致门极关断失败。4)电流关断增益off——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。βoff=IATO/IGMoff可描述负门极电流关断大的阳极电流的能力，一般很小，只有3~5左右。这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A。太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术2.4.2电力晶体管（GTR）GTR是一种耐高压，大电流的双极结型晶体管。它具有自关断能力，并有开关时间短、饱和压降低、安全工作区宽等优点。20世纪80年代是GTR发展和应用的全盛时期。由于GTR实现了高频化、模块化，廉价化，因此被广泛应用于交流电机调速、UPS、中频电源等电力变流装置中，并在中小功率应用方面取代了传统的晶闸管。但随着IGBT的兴起，GTR在逐步被IGBT取代。太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术电力晶体管GTR（巨型晶体管）太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术1.GTR的结构和工作原理GTR内部结构与元件符号内部载流子的流动GTR是一种双极型半导体器件，即其内部电流由电子和空穴两种载流子形成。基本结构有NPN和PNP两种。为了GTR提高耐压，一般采用NPvN三重扩散结构太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。T1T2CBT1T2ECBR1R2D1DF达林顿GTR的等效电路GTR集成模块的等效电路太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术在应用中，GTR一般采用共发射极接法。集电极电流ic与基极电流ib之比为——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力单管GTR的值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。bcii太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术2.GTR的基本特性(1)静态特性共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区共发射极接法时GTR的输出特性太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术◤该图表示集电极电流IC与集射极电压UCE的关系，其参变量为IB，特性上的四个区域反映了GTR的四种工作状态。◢◤在晶体管关断状态时，基极电流IB＝0，集电极发射极间电压即使很高，但发射结与集电结均处于反向偏置，即UBE≤0，UBC0，发射结不注入电子，仅有很少的漏电流流过，在特性上对应于截止区（I区），相当于处于关断状态的开关。太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术◤当发射结处于正向偏置而集电结仍为反向偏置时，即UBE0，UBC0，随着IB增加，集电极电流IC线性增大，晶体管呈放大状态，特性上对应线性放大区（II区）。◢◤当基极电流IB（IC/β）时，晶体管就充分饱和了。这时发射结和集电结都是正向偏置，即UBE0，UBC0，电流增益和导通压降UCE均达到最小值，GTR进入饱和区（IV区）。GTR工作在饱和区，相当于处于导通状态的开关。◢太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术图1-17ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtdGTR的开通和关断过程电流波形(2)动态特性GTR的开通和关断的实验电路太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术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。td主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程。GTR的开通过程电流波形太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术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。ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度。负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加，从而增大通态损耗。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术3.GTR的主要参数前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff(此外还有)：1)最高工作电压GTR上电压超过规定值时会发生击穿击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。BUcboBUcexBUcesBUcerBuceo实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术2)集电极最大允许电流ICM通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。3)集电极最大耗散功率PCM最高工作温度下允许的耗散功率产品说明书中给PCM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术4.GTR的二次击穿现象与安全工作区一次击穿•集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿。•只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿•一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。•常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术二次击穿实验曲线二次击穿临界线◤在二次击穿现象中，当第一次雪崩击穿后，从电流上升到ISB，再到触发产生二次击穿的时间延迟，称为触发时间。意味着BJT工作点进入一次击穿区时，并不立即产生二次击穿，而要有一个触发时间。当加在BJT上的能量超过临界值（触发能量）时，才产生二次击穿，也就是说二次击穿需要能量。◢太原工业学院自动化系2020/2/17电力电子技术安全工作区（SafeOperatingArea——SOA）SOAOIcIcMPSBPcMUceUceMGTR的安全工作区◤GTR工作的安全范围由下