. 典型全控型电力电子器件

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1、4.1典型全控型电力电子器件教案续页典型全控型电力电子器件教学目的和要求:掌握门极可关断晶闸管的工作原理及特性、电力晶体管的工作原理，了解电力场控晶体管的特性与参数及安全工作区。掌握电力场控晶体管的工作原理。掌握绝缘栅双极型晶体管的工作原理、参数特点。了解静电感应晶体管静电感应晶闸管的工作原理。重点与难点:掌握电力晶体管、电力场控晶体管、绝缘栅双极型晶体管的工作原理、参数特点。教学方法:借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学预复习任务:复习上节课学的半控型器件晶闸管的相关知识,对比理解掌握本节课程。内容导入:门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。

2、全控型电力电子器件的典型代表：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。一、门极可关断晶闸管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。1.GTO的结构和工作原理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。工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图所示的双晶体管模型来分析。1教案续页由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极

3、电流增益?1和?2。?1+?2=1是器件临界导通的条件。GTO的关断过程与普通晶闸管不同。关断时，给门极加负脉冲，产生门极电流-IG，此电流使得V1管的集电极电流ICl被分流，V2管的基极电流IB2减小，从而使IC2和IK减小，IC2的减小进一步引起IA和IC1减小，又进一步使V2的基极电流减小，形成内部强烈的正反馈，最终导致GTO阳极电流减小到维持电流以下,GTO由通态转入断态。结论：?GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。?GTO关断过程中有强烈正反馈使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di/d

4、t能力强。2.GTO的动态特性开通过程：与普通晶闸管相同关断过程：与普通晶闸管有所不同3.GTO的主要参数（a）开通时间ton（b）关断时间toff（c）最大可关断阳极电流IATO（d）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。?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2教案续页时门极负脉冲电流峰值要200A。二、电力晶体管1.GTR的结构和工作原理GTR的结构和图形符号GTR的开通和关断过程电流波形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

5、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。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。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=?ib+Iceo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。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。在开关过程中，即在截止

6、区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。3教案续页(2)动态特性、共发射极接法时GTR的输出特性3.GTR的主要参数（a）电流放大倍数β集电极电流与基极电流之比（b）集电极最大允许电流ICM通常规定为β下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic。（c）集电极最大耗散功率PCM在最高集电结温度下允许的耗散功率,等于集电极工作电压与集电极工作电流的乘积。4.反向击穿电压??集电极与基极之间的反向击穿电压集电极与发射极之间的反向击穿电压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。5.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，I

7、c迅速增大。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突然急剧上升，电压陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。安全工作区：最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二4教案续页次击穿临界线限定。正向偏置安全工作区反向偏置安全工作区三、功率场效应晶体管特点：用栅极电压来控制漏极电流。驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于GTR。电流容量小，耐压低，只适用于小功率的电力电子装置。1.功率场效应晶体管结构和电气符号电力场效应晶体管有3个端子：漏极D

8、、源极S和栅极G。当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不