全控器件.pptx

1一、一、引言引言门门极极可可关关断断晶晶闸闸管管在在晶晶闸闸管管问问世世后后不不久久出现。出现。20世世纪纪80年年代代以以来来，电电力力电电子子技技术术进进入入了了一一个崭新时代。个崭新时代。典典型型代代表表门门极极可可关关断断晶晶闸闸管管、电电力力晶晶体体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。2二、二、门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管晶闸管的一种派生器件。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。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTOGTO的的电电压压、电电流流容容量量较较大大，与与普普通通晶晶闸闸管管接接近近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。门门极极可可关关断断晶晶闸闸管管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）3结构结构：与与普普通通晶晶闸闸管管的的相相同同点点：PNPN四四层层半半导导体体结结构构，外部引出阳极、阴极和门极。外部引出阳极、阴极和门极。和和普普通通晶晶闸闸管管的的不不同同点点：GTO是是一一种种多多元元的的功功率率集集成器件。成器件。图14-1 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1.GTO的结构和工作原理的结构和工作原理二、门极可关断晶闸管二、门极可关断晶闸管4工作原理工作原理：与与普普通通晶晶闸闸管管一一样样，可可以以用用图图14-2所所示示的的双双晶晶体体管管模模型型来来分析。分析。图14-2 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 1 1+2 2=1=1是器件临界导通的条件。是器件临界导通的条件。由由P1N1P2和和N1P2N2构成的两个晶体管构成的两个晶体管V1、V2分别具有共分别具有共基极电流增益基极电流增益 1 1和和 2 2。二、门极可关断晶闸管二、门极可关断晶闸管5GTO能能够够通通过过门门极极关关断断的的原原因因是是其其与与普普通通晶晶闸闸管管有有如下如下区别区别：GTO设计设计 2较大，使晶体管较大，使晶体管V2控控制灵敏，易于制灵敏，易于GTO关断。关断。普通晶闸管普通晶闸管 1+21.15,导通导通饱和程度深饱和程度深,无法用门极负脉冲无法用门极负脉冲使其关断使其关断;GTO导通时导通时 1+21.05，导通时接近临，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。但导通时管压降增大。多元集成结构，使得多元集成结构，使得P2基区横基区横向电阻很小，能从门极抽出较向电阻很小，能从门极抽出较大电流。大电流。图14-2 晶闸管的工作原理二、门极可关断晶闸管二、门极可关断晶闸管6GTO导导通通过过程程与与普普通通晶晶闸闸管管一一样样，只只是是导导通通时时饱饱和和程程度度较较浅浅接近临界饱和。接近临界饱和。GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。多多元元集集成成结结构构还还使使GTO比比普普通通晶晶闸闸管管开开通通过过程程快快，承承受受di/dt能力强能力强 。由上述分析我们可以得到以下结论结论：二、门极可关断晶闸管二、门极可关断晶闸管7开通过程开通过程：与普通晶闸管相同：与普通晶闸管相同关关断断过过程程：与与普普通通晶晶闸闸管管有有所所不不同同储储存存时时间间ts，使使等等效效晶晶体体管管退出饱和。退出饱和。下降时间下降时间tf尾尾部部时时间间tt残残存存载载流流子子复复合。合。通通常常tf比比ts小小得得多多，而而tt比比ts要要长。长。门门极极负负脉脉冲冲电电流流幅幅值值越越大大，ts越越短短;使使门门极极负负脉脉冲冲后后沿沿缓缓慢慢tt阶阶段段可可以以保保持持适适当当负负电电压压,可以缩小尾部时间可以缩小尾部时间tt。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 图14-3 GTO的开通和关断过程电流波形2.GTO的动态特性的动态特性二、门极可关断晶闸管二、门极可关断晶闸管83.GTO的主要参数的主要参数 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12 s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。一般指储存时间和下降时间之和，不包括一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于尾部时间。下降时间一般小于2 s。（2）关断时间关断时间toff（1）开通时间开通时间ton 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。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。二、门极可关断晶闸管二、门极可关断晶闸管9（3）最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO（4）电流关断增益电流关断增益 off off一般很小，只有一般很小，只有5左右，这是左右，这是GTO的一个主要缺点。的一个主要缺点。1000A的的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要关断时门极负脉冲电流峰值要200A。GTO额定电流额定电流。最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值大值IGM之比称为电流关断增益。之比称为电流关断增益。（14-1）二、门极可关断晶闸管二、门极可关断晶闸管10三、三、电力晶体管电力晶体管电电力力晶晶体体管管（GiantTransistorGTR，直译为巨型晶体管）。直译为巨型晶体管）。耐耐 高高 电电 压压、大大 电电 流流 的的 双双 极极 结结 型型 晶晶 体体 管管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为英文有时候也称为PowerBJT。应用应用20世世纪纪80年年代代以以来来，在在中中、小小功功率率范范围围内内取取代代晶晶闸闸管管，但但目目前前又又大大多多被被IGBT和和电电力力MOSFET取代。取代。术语用法术语用法：11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。1.GTR的结构和工作原理的结构和工作原理图14-4 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)内部载流子的流动三、电力晶体管三、电力晶体管12在应用中，在应用中，GTR一般采用共发射极接法。一般采用共发射极接法。集电极电流集电极电流ic与基极电流与基极电流ib之比为之比为（14-2）GTR的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，反映了基极电流对集电极电流的控制能力控制能力。当当考考虑虑到到集集电电极极和和发发射射极极间间的的漏漏电电流流Iceo时时，ic和和ib的的关关系为系为 ic=ib+Iceo （14-3）单单管管GTR的的 值值比比小小功功率率的的晶晶体体管管小小得得多多，通通常常为为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+)ib1.GTR的结构和工作原理的结构和工作原理三、电力晶体管三、电力晶体管13(1)静态特性静态特性共发射极接法时的典型输出特性：共发射极接法时的典型输出特性：截止区截止区Ib、Ube0，Ubc0，只有漏电流；，只有漏电流；放大区放大区Ib、Ube0，Ubc0，IC Ib；饱饱和和区区IbIcs/,Ube0，Ubc0饱饱和和时时两两个个PN结结都都正正偏偏，Uces很很小小，I即即使使很很大大，损损耗也不大。耗也不大。在在电电力力电电子子电电路路中中GTR工工作作在在开开关关状状态。态。在在开开关关过过程程中中，即即在在截截止止区区和和饱饱和和区区之间过渡时，要经过放大区。之间过渡时，要经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2BUcexBUcesBUcerBuceo。实际使用时，最高工作电压要比实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。低得多。3.GTR的主要参数的主要参数三、电力晶体管三、电力晶体管16通常规定为通常规定为hFE下降到规定值的下降到规定值的1/21/3时所对应的时所对应的Ic。实际使用时要留有裕量，只能用到实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点的一半或稍多一点。3)集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率。最高工作温度下允许的耗散功率。产产品品说说明明书书中中给给PcM时时同同时时给给出出壳壳温温TC，间间接接表表示示了了最最高高工作温度工作温度。2)集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM三、电力晶体管三、电力晶体管17一次击穿一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。迅速增大。只要只要Ic不超过限度，不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。一般不会损坏，工作特性也不变。二二次次击击穿穿：一一次次击击穿穿发发生生时时，若若外外接接电电压压继继续续增增大大，Ic急急剧剧上上升至某个临界点时，电压陡然下降到一个较小值，升至某个临界点时，电压陡然下降到一个较小值，Ic迅速增大。迅速增大。二次击穿常常导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变二次击穿常常导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。安安 全全 工工 作作 区区（SafeOperatingAreaSOA）最最高高电电压压UceM、集集电电极极最最大大电电流流IcM、最最大大耗耗散散功功率率PcM、二次击穿临界线限定。二次击穿临界线限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图图14-7GTR的安全工作区的安全工作区4.GTR的二次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区三、电力晶体管三、电力晶体管