全控器件和其他新型器件

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1、电力电子技术河南理工大学电气学院朱艺锋Email:zyfny@hpu.edu.cnPowerElectronicsTechnology第一章电力电子器件好学力行河南理工大学明德任责内容提要1.1电力二极管（POWERDIODE）1.2晶闸管（THYRISTOR）1.3全控型电力电子器件1.4其他类型电力电子器件1.3典型全控型器件1.3.1门极可关断晶闸管1.3.2电力晶体管1.3.3电力场效应晶体管1.3.4绝缘栅双极晶体管第一章电力电子器件常用的典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块1.3典型全控型器件1.3.1门极可关

2、断晶闸管(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。门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor）1.3典型全控型器件结构：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GTO元并联的功率集成器件。1.GTO的结构和工作原理1.3典型全控型器件1.3.1门极可关断晶闸管(GTO)工作原理：与普通晶闸管一样，可以用双晶体管模型来分析。图晶闸管

3、的双晶体管模型及其工作原理β1+β2=1是器件临界导通的条件。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β1和β2。1.3典型全控型器件1.3.1门极可关断晶闸管(GTO)1.3.1门极可关断晶闸管GTO能够通过门极关断的原因：设计β2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于关断。导通时β1+β2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。1.3典型全控型器件β1+β<1时关断关断正反馈开通过程：与普通晶闸管相同；ton=t

4、d+tr关断过程：不同于晶闸管储存时间ts，抽少子使等效晶体管退出饱和。下降时间tf：由饱和转至放大区；尾部时间tt—残存载流子复合。toff=ts+tfOt0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6图GTO的开通和关断过程电流波形2.GTO的动态特性1.3典型全控型器件1.3.1门极可关断晶闸管1.3.1门极可关断晶闸管3.GTO的主要参数（2）关断时间toff在几十us.（1）开通时间ton，在几个us.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。1.3典型全控型器件

5、（3）最大可关断阳极电流IATO—额定电流不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联。逆导型1.3.1门极可关断晶闸管1.3典型全控型器件（4）电流关断增益offoff一般很小，只有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。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。1.3.2电力晶体管（GTR）电力晶体管:（GiantTransistor巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型晶体管。应用20世纪80年代以来，在中、小功率范围内

6、取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。因此不作为重点，只了解基本概念和思想。1.3典型全控型器件与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的，多采用NPN。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。比普通三极管增加了一个低掺杂N区，提高耐压能力。1.3.2电力晶体管1.GTR的结构和工作原理1.3典型全控型器件存在电导调制效应，从而流过大电流时通态压降也比较小，从而具有强的流通电流的能力。1.3.2电力晶体管(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

7、电路中GTR工作在开关状态。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。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1

8、几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。1.3.2电力晶体管一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。不损坏。二次击穿：一次击穿发生后，Ic突然急剧上升，电压陡然下降。永久损坏，或者工作特性明显衰变。安全工作区（