2电力电子器件(3)-全控型器件

电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/41第2章电力电子器件电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/42第一节电力电子器件概述第二节不可控器件——电力二极管第三节半控型器件——晶闸管第四节典型全控型器件第五节其他新型电力电子器件第六节功率集成电路与集成电力电子模块本章小结及作业电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/432.4典型全控型器件2.4.1门极可关断晶闸管2.4.2电力晶体管2.4.3电力场效应晶体管2.4.4绝缘栅双极晶体管电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/4420世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合——高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现2.4典型全控型器件电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/452.4.1门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor,GTO）晶闸管的一种派生器件;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，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用兆瓦以上首选，制造水平6kA/6kV。电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/461、GTO的结构GTO为四层PNPN结构、三端引出线（A、K、G）的器件。和晶闸管不同的是：GTO内部是由许多四层结构的小晶闸管并联而成，这些小晶闸管的门极和阴极并联在一起，成为GTO元，而普通晶闸管是独立元件结构。下图是GTO的结构示意图、等效电路和电气符号。N2N1N2P2P1A电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/472、GTO的工作原理（1）开通过程GTO也可等效成两个晶体管P1N1P2和N1P2N2互连，GTO与晶闸管最大区别就是导通后回路增益α1+α2数值不同，其中α1和α2分别为P1N1P2和N1P2N2的共基极电流放大倍数。晶闸管的回路增益α1+α2常为1.15左右，而GTO的α1+α2非常接近1。因而GTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳极电流提供有利条件。电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/48（2）关断过程当GTO已处于导通状态时，对门极加负的关断脉冲，形成负的IG，相当于将IC1的电流抽出，使晶体管N1P2N2的基极电流减小，使IC2和IK随之减小，IC2减小又使IA和IC1减小，这是一个正反馈过程。当IC2和IC1的减小使α1+α21时，等效晶体管N1P2N2和P1N1P2退出饱和，GTO不满足维持导通条件，阳极电流下降到零而关断。电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院9由于GTO处于临界饱和状态，用抽走阳极电流的方法破坏临界饱和状态，能使器件关断。而晶闸管导通之后，处于深度饱和状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断。正常工作时处于：临界饱和状态电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/410GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断。导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利于门极控制关断，但导通时管压降增大。多元集成结构，使得GTO比晶阐管开通更快，承受能di/dt能力更强。电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/411GTO的关断特性GTO的关断过程有三个不同的时间，即存储时间ts、下降时间tf及尾部时间tt。存储时间ts：对应着从关断过程开始，到阳极电流开始下降到90%IA为止的一段时间间隔。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。尾部时间tt：则是指从阳极电流降到极小值时开始，直到最终达到维持电流为止的时间。电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/412开通过程：与普通晶闸管相同(td+tr)关断过程：与普通晶闸管有所不同储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。下降时间tf，退至放大区，iA减小尾部时间tt—残存载流子复合。通常tftstt。门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。3、GTO的动态特性电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院13延迟时间+上升时间：td+tr储存时间+下降时间：ts+tf尾部时间：tt电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/414GTO有许多参数与晶闸管相同，这里只介绍一些与晶闸管不同的参数。（1）最大可关断阳极电流IATO(GTO的额定电流)电流过大时α1+α2稍大于1的条件可能被破坏，使器件饱和程度加深，导致门极关断失败。。（2）电流关断增益off(太小,GTO的主要缺点）GTO的关断增益off为最大可关断阳极电流IATO与门极负电流最大值IGM之比，通常只有5左右。4、主要参数电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/415（3）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。下降时间一般小于2s。（5）擎住电流擎住电流是指GTO元经门极触发后，阳极电流上升到保持所有GTO元导通的最低值。电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/4162.4.2电力晶体管电力晶体管耐高电压、大电流的双极结型晶体管1.GTR的结构和工作原理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。cbe电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/4172.4.2电力晶体管1.GTR的结构和工作原理电子流空穴流EcEbic=βibibie=(1+β)ibGTR共发射极接法时内部主要载流子的流动如图。集电极电流ic与基电流ib之比为bciiβ=为电流放大系数，当考虑到集电极和发射极间的电流Iceo时，ic与ib关系为ic=βib+Iceo电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/4182.4.2电力晶体管GTR的类型目前常用的GTR有单管、达林顿管和模块三种类型。单管GTR基本型。单管GTR的电流放大系数很小，通常为10左右。电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/4192.4.2电力晶体管达林顿GTR达林顿结构的GTR是由两个或多个晶体管复合而成。优点：达林顿结构的GTR电流放大倍数很大，可以达到几十至几千倍。缺点：饱和管压降增加，增大了导通损耗，同时降低了管子工作速度。电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/4202.4.2电力晶体管GTR模块它是将GTR管芯根据不同的用途将几个单元电路集成在同一硅片上。提高了器件的集成度、工作的可靠性、性能/价格比，同时也实现了小型轻量化。目前生产的GTR模块可将6个相互绝缘的单元电路制在同一个模块内，以便于组成三相桥电路。电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/4212.4.2电力晶体管截止区放大区饱和区GTR的静态特性：在电力电子电路中，GTR工作在开关状态，即工作在截止区或者饱和区。但GTR在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，一般要经过放大区。电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/4222.4.2电力晶体管动态特性开通:经过延时时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton；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。关断：经过储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff。减小导通时的饱和深度（工作在临界饱和或准饱和区），或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可加快关断速度。电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院23GTR的动态特性电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/4242.4.2电力晶体管GTR的主要参数：电压参数最高电压额定值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。击穿电压有多种：cbe电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/4252.4.2电力晶体管BUCBO－发射极开路时，集－基极的击穿电压。BUCEX－基极施加反偏压时，集－射极的击穿电压。BUCES－基射极短路时，集－射极的击穿电压。BUCER－基－射极间并联电阻时，基－射极的击穿电压。BUCEO－基极开路时，集－射极的击穿电压。BUCBO＞BUCEX＞BUCES＞BUCER＞BUCEOBCEBCEBCEBCE基极反偏BUcex基极短路基极串电阻基极开路BUcesBUceRBUceo电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/4262.4.2电力晶体管电流参数集电极最大允许电流ICM通常规定为直流电流放大系数β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。超过该额定值必将导致晶体管内部结构的烧毁。集电极连续直流电流额定值IC集电极连续直流电流额定值是指只要保证结温不超过允许的最高结温，晶体管允许连续通过的直流电流值。电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院272.4.2电力晶体管功率参数集电极最大耗散功率PcM是指在最高工作温度下允许的耗散功率。与工作壳温相对应。电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/4282.4.2电力晶体管GTR的二次击穿与安全工作区一次击穿：当GTR的集电极电压升高至击穿电压（额定电压）时，集电极电流迅速增大，首先出现的是雪崩击穿，称为一次击穿。只要Ic没有超过限度，GTR不会损坏。二次击穿：如果一次击穿后，没有采取保护措施，Ic增大到某个临界点时突然急剧上升，同时伴随着电压的陡然下降，称为二次击穿。通常立即导致器件的永久损坏。安全工作区：GTR工作时不能超过最高电压，集电极最大电流和最大耗散功率，以及不能超过二次击穿临界线。这些限制就规定了GTR的安全工作区（SOA）。电力电子技术(PowerElectronics)电