典型全控型电力电子器件.doc

湖 南 省 技 工 学 校
理 论 教 学 教 案
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课题
典型全控型电力电子器件
课 的
类 型
复习
教
学
目
的
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。
教
学
重
点
电力晶体管、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
难
点
电力晶体管、力场控晶体管、绝缘栅双极型晶体管的工作原理、参数特点。
主要
教学
方法
借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学
教
具
挂
图
无
教学
环节
时间
分配
1、组织教学时间
2
3、讲授新课时间
70
2、复习导入时间
8
4、归纳小结时间
5
5、作业布置时间
5

教
学
后
记

典型全控型电力电子器件
[复习导入]
门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。
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。
[讲授新课]
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。

· 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a1和a2 。
a1+a2=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：
Ø GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。
Ø GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。
Ø 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 。
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
（1）开通时间ton
（2） 关断时间toff
（3）最大可关断阳极电流IATO
（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。
boff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 。
二、 电力晶体管
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 。
· 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 b ——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=b ib +Iceo
· 单管GTR的b 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，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。
(2)  动态特性
3）GTR的主要参数
1)电流放大倍数β集电极电流与基极电流之比
2)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 。
3)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，Ic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、二次击穿临界线限定。
三、电力场效应晶体管
  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）电力MOSFET的结构和工作原理
· 电力MOSFET的种类
按导电沟道可分为P沟道和N沟道。
耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。
增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。
l 电力MOSFET的工作原理
Ø 截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。
--P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。
Ø 导电：在栅源极间加正电压UGS
--当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。
2）电力MOSFET的基本特性
(1) 静态特性
漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。
(2)  动态特性
MOSFET的开关速度：
MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。
3) 电力MOSFET的主要参数
(1)  漏极电压UDS
(2) 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM
(3) 栅源电压UGS
(4) 极间电容
四、绝缘栅双极晶体管
GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。
MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。
1) IGBT的结构和工作原理
  驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。
导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。
关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。
2) IGBT的基本特性
(1) IGBT的静态特性
(2) IGBT的动态特性
3) IGBT的主要参数
(1)最大集射极间电压UCES
(2)最大集电极电流
(3)最大集电极功耗PCM
IGBT的特性和参数特点可以总结如下：
开关速度高，开关损耗小。相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比VDMOSFET低。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。
与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。
五、其他新型电力电子器件
1 MOS控制晶闸管MCT
· 承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小。
· 高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。
一个MCT器件由数以万计的MCT元组成。每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。
其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。
2 静电感应晶体管SIT
Ø 多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。
Ø 在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。
· 缺点：栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太方便。通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。
静电感应晶闸管SITHSITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。
3 集成门极换流晶闸管IGCT
4 功率模块与功率集成电路
· 20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。将器件与逻辑、控制、保护、传感、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路.
发展现状：
· 功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。
· 以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。
智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。
[归纳小结]
1、门极可关断晶闸管
2、 电力晶体管
3、电力场效应晶体管
4、绝缘栅双极晶体管
5、其他新型电力电子器件
[布置作业]
复习本次课知识
[课后预习]
电力电子器件驱动电路和电力电子器件器件的保护