电力电子第一章电力电子器件3复习课程

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1、杨淑英 合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽省高等学校精品课程,电 力 电 子 技 术,Power Electronic Technology,上次课主要内容回顾,上次课主要内容回顾,上次课主要内容回顾,上次课主要内容回顾,上次课主要内容回顾,晶闸管的分类：,1、快速晶闸管FST,上次课主要内容回顾,2、双向晶闸管TRIAC,3、逆导晶闸管RCT,4、光控晶闸管LTT,光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）,1.3.4 晶闸管的派生器件,图1-12 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性,1）又称之为光触发晶闸管，利用一定波长的

2、光照信号触发导通的晶闸管,2）大功率LTT装有光缆，光缆上装有发光二极管或半导体激光器,3）提供了电气隔离，避免电磁干扰的影响,4）多用于高压大功率场合,1.4 典型全控型器件,1.4 典型全控型器件,门极可关断晶闸管（GTO） 电力晶体管（GTR） 电力场效应晶体管（PMOSFET） 绝缘栅双极晶体管（IGBT）,1.4.1 门极可关断晶闸管Gate-Turn-Off Thyristor (GTO),1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）,GTO的结构和工作原理 GTO的动态特性 GTO的主要参数,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO） 晶闸管的一种派生器

3、件，在晶闸管问世后不久出现 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,1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）,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,1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）结构和工作原理,工作原理： 与普通晶闸管一样： 1）可以用下图所示的双晶体管模型来分析 2）1+2=1是器件临界导通的条件。当1+21时，

4、两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当1+21时，不能维持饱和导通而关断,1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）结构和工作原理,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2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断 2）导通时1+2更接近1（1.05，普通晶闸管1+21.15）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，能从门极抽出较大电流,1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）结构和工作原理,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

5、正反馈门极加负脉冲即从门极抽出电流，则Ib2减小，使IK和Ic2减小，Ic2的减小又使IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流 当IA和IK的减小使1+21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di/dt能力强,1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）结构和工作原理,动态特性,1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）,开通过程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间tr,1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）动态特性,关断过程：与普通晶闸管有所不同:,1) 需要经历抽取饱和导通时存储大量载流子的时间存储时间ts，使晶体管退出饱和状态,2) 从饱和区到

6、放大区阳极电流逐渐减小的时间下降时间tf,3) 残存载流子复合的时间尾部时间tt,1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）动态特性,门极负脉冲电流波形对关断时间的影响的影响：,1) 门极负脉冲电流的幅值和前沿陡度会影响储存时间ts，幅值愈大，前沿越陡，ts 就越短；,2) 门极负脉冲电流后沿陡度影响复合时间tt，门极负脉冲后沿缓慢衰减，保持一段时间负压，可以缩短尾部时间,1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）,GTO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ton 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1-2s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而

7、增大,1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）结构和工作原理,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 2）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。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2s,1.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）结构和工作原理,3）最大可关断阳极电流IATO : GTO的额定电流 4）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 （1-8）,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,1.4.1 门极

8、可关断晶闸管（GTO）结构和工作原理,1.4.2 电力晶体管（Giant Transitor）,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）,GTR的结构和工作原理 GTR的基本特性 GTR的主要参数 GTR的二次击穿现象和安全工作区,术语用法： 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 在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）,应用 20世纪80

9、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 与普通的双极结型晶体管基本原理一样，但器件制造时的侧重点有所不同 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好 目前常用GTR器件：单管、达林顿管、模块。,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）,达林顿双极功率晶体管 Darlington Power Bipolar Transistor,达林顿接法,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR结构和工作原理,GTR的结构示意图（单管）,一般采用共发射极接法，集电极电流

10、ic与基极电流ib之比为,（1-9）, 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 （1-10） 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。 hFE是直流工作情况下集电极电流与基极电流之比。一般可认为hFE,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR结构和工作原理,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR的基本特性,(1) 静态特性 分为输入特性和输出特性。 输入特性表示在Uce一定时，基极电流与

11、基极-发射极电压之间的函数关系。与二极管正向伏安特性曲线相似。 Uce增大时，输入特性会向右移动。当Uce1V时，其影响作用很小。 环温,Uce=1,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR的基本特性,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，即工作在截止区或饱和区 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,图1-16 共发射极接法时GTR的输出特性,准饱和区,饱和区：晶体管发射极集电极间等效电阻最小且不随基极电流而改变。,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR的基本特性,共发射

12、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，即工作在截止区或饱和区 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,图1-16 共发射极接法时GTR的输出特性,准饱和区,截止区：集电结、发射结都处于反偏状态或者集电结反偏发射结偏压为0，此时发射区不向基区注入载流子，不能形成工作电流，只有漏电流。,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR的基本特性,在相同温度下，增益随Uce上升而增大（基区宽度调制效应） 温度对增益影响与电流有关，大电流的负温度特性，利于并联 Ic较小是，增益随Ic增大而增大（因基区复合电流占的比重越来

13、越小），Ic较大时，情况相反（“柯克”效应）,(2) 动态特性,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR的基本特性,开通时间,延迟时间td，主要是对发射结、集电结电容充电；,上升时间tr，随发射区向基区注入载流子的增多，电流开始增大；,td影响因素：发射结、集电极结电容的大小，初始正向驱动电流及其上升率，以及跳变前反向偏置电压的大小；,tr影响因素：与电流增益及稳态电流值的大小有关,(2) 动态特性,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR的基本特性,关断时间,存储时间ts，从撤销正向驱动信号到集电极电流下降到90%。过剩载流子从体内抽走的过程；

14、,下降时间tf，Ic由90%到10%的时间；,ts影响因素：饱和程度、反向驱动电流的大小；,tr影响因素：结电容和正向集电极电流,关断时间（微秒）比开通时间（ns）大的多,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）,GTR主要参数,前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff 此外还有： 1)最高工作电压 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 BUcbo BUcex BUces BUcer BUceo 实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BU

15、ceo低得多,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR主要参数,2)集电极最大允许电流IcM 通常规定为hFE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 3) 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,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR主要参数,一次击穿 电压承受能力是电力电子器件的重要工作特性之一。GTR在其开关应用中的电压承受能力主要由它的集电结击穿特性决定的。,1.4.2 电力晶体管（Giant Tran

16、sistor）GTR二次击穿现象,集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR二次击穿现象,二次击穿 一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降 常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变，再经数次类似过程之后必永久损坏。 实际应用中，二次击穿并不总是发生在一次击穿之后。,安全工作区（Safe Operating AreaSOA） 最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定,集电极最大允许电流,二次击穿功耗,最大耗散功率,最高工作电压,1.4.2 电力晶体管（Giant Transistor）GTR安全工作区,1.4.3 电力场效应晶体管 （Power Field Effect Transistor）,1.4.3 电力场效应晶体管（Power Field Effect Transistor）,电力MOSFET的结构和工作原理 电力MOSFET的基本