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1、电力电子技术第5讲电力电子技术第5讲 2 电力电子器件（3）2 电力电子器件（3） 哈尔滨工业大学远程教育 文件:电力电子技术05.2电力电子技术 电力电子器件(3) 哈尔滨工业大学远程教育 电力电子器件(3) 本讲是 第2章 电力电子器件 的第3讲，上2讲的主要内容是： ? 2.1 电力电子器件概述 ? 2.2 电力二极管 ? 2.3 晶闸管 ?2.3.1 (普通）晶闸管 本讲将学习的内容： ? 2.3.2 门极可关断晶闸管 ? 2.4 晶体管 哈尔滨工业大学远程教育 文件:电力电子技术05.3电力电子技术 电力电子器件(3) 哈尔滨工业大学远程教育 电力电子器件(3) 2.3.2 门极可关
2、断晶闸管 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。 c) GTO的内部结构和电气图形符号GTO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 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 1.GTO的结构和工作原理 A GKGG K N1 P1 N2N 2 P 2 b) a) A G K 哈尔滨工业大学远程教育 文件:电力电子技术05.4电力电子技术 电力电子器件(3) 哈尔滨工业大学远程
3、教育 电力电子器件(3) GTO特性测试模型 （注：门极信号只代表控制逻辑，并非 实际电平） 特性测试模型 （注：门极信号只代表控制逻辑，并非 实际电平） 工作特性：开通控制方式与晶闸管相似，但是可以通过在工作特性：开通控制方式与晶闸管相似，但是可以通过在门极施加负的脉冲电流门极施加负的脉冲电流 使其关断。使其关断。思考：为什么能门控关断？思考：为什么能门控关断？ 哈尔滨工业大学远程教育 文件:电力电子技术05.5电力电子技术 电力电子器件(3) 哈尔滨工业大学远程教育 电力电子器件(3) 工作原理： 与普通晶闸管一样，可以用下图所示的双晶体管模型来分析。 R NPN PNP A G S K
4、EG IG EA IK Ic2 Ic1 IA V 1 V 2 P1 A G K N 1 P2P2 N 1 N 2 a)b) 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 1+2=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1 和2。 哈尔滨工业大学远程教育 文件:电力电子技术05.6电力电子技术 电力电子器件(3) 哈尔滨工业大学远程教育 电力电子器件(3) 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： 设计2较大，使晶体管V2控制灵 敏，易于关断GTO。 导通时1+2更接近1，导通时接近 临界饱和，有利
5、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。 R N PN PN P A G S K E G IG E A IK Ic2 Ic1 IA V 1 V 2 b) 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 由上述分析我们可以得到以下结论： 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/dt能力强 。 哈尔滨工业大学远程教育 文件:电力电子技术05.7电力电子技术 电力电子器件(3) 哈尔滨工业大学远程教育 电力电子器件(3) 2.G
6、TO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。 最大可关断阳极电流IATOGTO额定电流 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 关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 GM ATO off I I = 器件说明书器件说明书 哈尔滨工业大学远程教育 文件:电力电子技术05.8电力电子技术 电力电子器件(3) 哈尔滨工业大学远程教育 电力电子器件(3) 2.4 晶体管 包括：电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管 都属于全控型器件
7、。 常用的典型全控型器件常用的典型全控型器件 电力MOSFET IGBT单管及模块 电力MOSFET IGBT单管及模块 哈尔滨工业大学远程教育 文件:电力电子技术05.9电力电子技术 电力电子器件(3) 哈尔滨工业大学远程教育 电力电子器件(3) 2.4.1 电力晶体管 电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管） 。 耐 高 电 压 、 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管 （ Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT。 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IGB
8、T和电力MOSFET取代。 术语用法： 过渡产品 是晶体管类电力电子器件的基础 过渡产品 是晶体管类电力电子器件的基础 哈尔滨工业大学远程教育 文件:电力电子技术05.10电力电子技术 电力电子器件(3) 哈尔滨工业大学远程教育 电力电子器件(3) 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 。 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动GTR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
9、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 哈尔滨工业大学远程教育 文件:电力电子技术05.11电力电子技术 电力电子器件(3) 哈尔滨工业大学远程教育 电力电子器件(3) 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GTR的电流放大系数电流放大系数， 反映了基极电流对集电极电流的控制能力 ， 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
10、顿接 法可有效增大电流增益。 b c i i = 空穴流 电 子 流 c) E b E c ib ic=ib ie=(1+ )ib 哈尔滨工业大学远程教育 文件:电力电子技术05.12电力电子技术 电力电子器件(3) 哈尔滨工业大学远程教育 电力电子器件(3) 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的输出特性共发射极接法时GTR的输出特性 2.GTR的基本特性 截止区 放大区 饱和区 O Ic ib3 ib2 ib1 ib1 BUces BU
11、cer BUceo。 实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。 3. GTR的主要参数 电压定额 哈尔滨工业大学远程教育 文件:电力电子技术05.14电力电子技术 电力电子器件(3) 哈尔滨工业大学远程教育 电力电子器件(3) 通常规定为直流电流增益hFE下降到规定值的1/21/3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。 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 。 集电极最大允许电流IcM 电流定额 功率定额 哈尔滨工业大学远程教育 文件:电力电子技术05.15电力电子技术 电力电子器件(3) 哈尔滨工业大学远程教育 电力电子器件(3) 本讲总结 2.3.2 门极可关断晶闸管 1. GTO的结构与工作原理 GTO的工作特性： 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，GTO都不会导通。 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下GTO才能开通。 GTO导通后，可通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。 2. GTO的主要参数 重点：GTO的工作原理，主要参数 难点：GTO与SCR的区别 2.4 晶体管 2.4.1 电力晶体管 1. GTR的结构与工作原理（在电力电子电路中GTR工作在开关状态） 2. GTR的基本特性 3. GTR的主要参数
