电力电子技术-2.3-GTO与GTR

1、1-12.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。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。1-2典型全控型器件典型全控型器件引言引言常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块1-32.4.1 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的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接

2、近，因而在 兆 瓦 级 以 上 的 大 功 率 场 合 仍 有 较 多 的 应 用在 兆 瓦 级 以 上 的 大 功 率 场 合 仍 有 较 多 的 应 用(6KV,6KA,10MVA的系统的系统)。门 极 可 关 断 晶 闸 管门 极 可 关 断 晶 闸 管 （ G a t e - Tu r n - O f f Thyristor GTO）1-42.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管结构结构：与普通晶闸管的相同点相同点： 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不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元

3、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的结构和工作原理的结构和工作原理c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK1-5门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管工作原理工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b) 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。 1+1+ 2121时器件饱时器件饱和导通，和导通， 1+1+ 212a1，这也就是GTO的关断条件。为了降低阳极一端BJT的电流放

4、大系数: N-层与阳极短路N+ +PN-P+Q2Q1KGAGAK短路KKGGGPN+N+K的条状结构J3J3J2J2J1J1阳极阳极阴极阴极门极门极1-8GTO关断特点关断特点 GTO关断：门极加负脉冲后，靠近门极的阴极边缘首先反偏，阴极电流逐渐向阴极条中心收缩，形成挤流效应，称为二维关断过程。到阴极电流不能收缩、门极分流使双晶体管电流再生机制中断，器件各结先后恢复阻断，相当于基极开路的晶体管关断称为一维关断过程。N+ +PN-P+Q2Q1KGAGAK短路KKGGGPN+N+K的条状结构J3J3J2J2J1J1阳极阳极阴极阴极门极门极dv/dt限制：挤流末期阳极电压上升过快会局部功耗过大，热损

5、坏，且过大的极间电容充电电流会向双晶体管提供再生基极电流，使关断失败，必须加吸收缓冲电路限制。 关断后必须保持一段时间后才可再次开通，使各结完全恢复。1-9GTO的关断的关断 GTO导通与晶闸管相同 GTO关断增益IA/IG：b=2100100020003000510152025IkIaVDGTO晶闸管导通区晶体管关断区关断区IgtsA1000电流GTO的关断过程PNPNG+AK-导通PNPNG-AK+ -GTO关断PNPNG-AK+ -GTR关断挤流、二维关断再生机制中断，基极开路关断门极分流缓冲吸收电路抑制电压上升率1-10门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO导通过程与普通晶闸管一样，只

6、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 。结论结论：1-11门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管开通过程开通过程：与普通晶闸管基本相同。开通初期应能提供足够的门极脉冲电流，宽度持续使阳极电流达到挚住值。与晶闸管不同的是开通后门极应保持正偏，继续提供约10的门极电流保证GTO可靠导通。 2) GTO的动态特性的动态特性diGdt0.1IGM0.5IGM0.8IGMIGMtGMIGG TO 典型开通脉冲G TO 典型开通脉冲1-12N+ +PN-P+Q2Q1KGA短路J3J3J2J2J1J1GTO关断特

7、性关断特性igttt0i iA00拖尾UakUakGTO的关断过程GTO的关断过程tstfttail关断存储时间ts：使等效晶体管退出饱和 门极负电流建立到J2完全反偏耗时，与b成正比。J2反偏时N-区仍存在大量过剩载流子。门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。电流下降时间下降时间tf： J2反偏后，N-区过剩载流子呈梯度减少，完全扫除耗时，与电源电压成正比。拖尾时间拖尾时间tt tf时刻耗尽层在N-区达到最大宽度，N-区仍有少量存储电荷，靠缓慢复合消除。阳极短路结构加快复合过程。通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。1-131.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管关断过程关断过程：与普通晶

8、闸管有所不同储存时间储存时间ts 使等效晶体管退出饱和。下降时间下降时间tf 等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流减小。尾部时间尾部时间tt 残存载流子复合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 图1-14 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1-14门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管3) 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12s，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，不包括尾部时

9、间。下降时间一般小于2s。（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。1-15门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（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b boff boff一般很小，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超过200A 。 GTO额定电流。 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）GMATOoffIIb1-

10、16应用特点应用特点 保留了晶闸管大部分优点，在MVA以上级应用广泛【牵引、电力逆变器】。6kV/6kA产品/12kV/10kA研制。 全控型。 关断时存在二次击穿问题。 控制驱动复杂、工作频率较低。 关断千安级器件需要数百安电流脉冲，并且脉冲前沿需控制在数微秒内。 关断时需缓冲阳极电压上升。1-17实例：GTO型号 5SGA 15F2502主要参数：主要参数：可重复反向电压峰值VDRM=1700V可重复断态电流峰值IDRM=100mA最大通态电流平均值ITAVM550A（正弦半波，Tc85度）最大非重复浪涌电流ITSM=10kA通态电压VT2.50V，IT1500A门槛电压VT0=1.55V

11、IH=50A开通：td=2s,tr=4s,tonmin=80s 关断：ts=15s,tf=2s,toffmin=80 s关断门极电流峰值IGQM=450A1-18习题 22 23 24 251-192.4.2 电力晶体管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IGBT和电力MOSFET取代。术语用法术语用法：1-2

12、0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（N漂移区， 电导调制效应减小通态电压和损耗 ）、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1-15 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1-21电力晶体管电力晶体管基区很薄；导通条件：发射结正偏，集电结反偏；1、形成发射极电流Ie，与电子流动方向相反，同时基区的空穴也扩散到发射区；2、发射区电子注入基区后，在基区积累，形成一定的浓度梯度，靠近发

13、射极浓度高，远离发射极浓度低。形成基极电流Ib；3、集电结反偏，集电结势垒很高，阻止集电结的扩散运动，但是其可以吸引集电结边缘的电子，形成集电极电流Ic。同时该PN结反向饱和电流对Ic来说很小。空穴流电子流c)EbEcibic=bibie=(1+b )ib1）GTR的结构和工作原理的结构和工作原理1-22电力晶体管电力晶体管在应用中，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（2-9） b 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 。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 （2-10）单管GT

14、R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。bciib空穴流电子流c)EbEcibic=bibie=(1+b )ib1）GTR的结构和工作原理的结构和工作原理1-23 (1) 静态特性静态特性共发射极接法时的典型输出特性：截止区截止区、放大区放大区和饱和区饱和区。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。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。3）GTR的主要参数的主要参数1-26电力晶体管电力晶体管通常规定为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。 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。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 。 2) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM1-27电力晶体管电力晶体管一次击穿一次击穿：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