第四讲全控型电力电子器件

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1、第四讲电力电子器件（三）4.1概述门极可关断晶闸管(Gate-Turn-OffThyristor—GTO)在晶闸管问世后不久出现；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(GiantTransistor——GTR)、电力场效应晶体管(PowerMOSFET)、绝缘栅双极晶体管(Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT)。4.2门极可关断晶闸管（

2、Gate-Turn-OffThyristor—GTO）门极可关断晶闸管是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。4.2.1GTO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：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。图1GTO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

3、单元结构断面示意图c)电气图形符号工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图2所示的双晶体管模型来分析是器件临界导通的条件。当a1+a2>1时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当a1+a2<1时，不能维持饱和导通而关断图2GTO的双晶体管模型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）设计较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断；（2）导通时更接近1（≈1.05，普通晶闸管）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

4、门极抽出较大电流导通过程:与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅；关断过程：强烈正反馈——门极加负脉冲即从门极抽出电流，则减小，使IK和减小，的减小又使和减小，又进一步减小的基极电流。当和的减小使时，器件退出饱和而关断，多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受能力强。4.2.2GTO的动态特性开通过程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间和上升时间。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，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——下降时间残存载流子复合——尾部时间通常比小得多，而

5、比要长；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，越短；门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在阶段仍保持适当负电压，则可缩短尾部时间。图1-14GTO的开通和关断过程电流波形4.2.3GTO的主要参数GTO的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：延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1～2ms，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大；2)关断时间：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2ms；不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需

6、承受反压时，应和电力二极管串联；3)最大可关断阳极电流IATO:GTO的额定电流；4)电流关断增益boff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）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。4.3电力晶体管4.3.1术语用法：电力晶体管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有时候也称为PowerBJT在电力电子技术的范围内，GTR与BJT

7、这两个名称等效应用:20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代4.3.2GTR的结构和工作原理(图1-15)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图1-15GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动a)内部结构断面示意图b)电气图形符号c)内部载流子的流动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（1-9）β——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流

8、的控制能力当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为ic=βib+Iceo（1-10）产