第1章电力电子器件第三讲

1、第第1章、电力电子器件章、电力电子器件v 1. 1、电力电子器件的基本模型、电力电子器件的基本模型 v 1. 2、电力二极管电力二极管 v 1. 3、晶闸管晶闸管v 1. 4、可关断晶闸管可关断晶闸管 v 1. 5、电力晶体管电力晶体管 v 1. 6、电力场效应晶体管电力场效应晶体管 v 1. 7、绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管 v 1. 8、其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件v 1. 9、电力电子器件的驱动与保护、电力电子器件的驱动与保护1.4 1.4 可关断晶闸管可关断晶闸管 可关断晶闸管可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor)(Gate-Turn-Off

2、 Thyristor)简称简称GTOGTO。它具有普通晶闸管的全部优点，如它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高耐压高，电流大电流大等。同时它又是等。同时它又是全控全控型器件，即在型器件，即在门极门极正脉冲电流正脉冲电流触发下触发下导通导通，在，在负脉冲电负脉冲电流流触发触发下关断下关断。 1.4 1.4 可关断晶闸管可关断晶闸管 1.4.11.4.1 可关断晶闸管及其工作原理可关断晶闸管及其工作原理 1.4.2 1.4.2 可关断晶闸管的特性与主要参数可关断晶闸管的特性与主要参数 1.4.11.4.1 可关断晶闸管及其工作原理可关断晶闸管及其工作原理 与普通晶闸管的与普通晶闸管的相同点相同点：

3、 PNPNPNPN四层半导体结构，外部四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。引出阳极、阴极和门极。 和普通晶闸管的和普通晶闸管的不同点不同点：GTOGTO是一种是一种多元多元的功率集成器的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小共阳极的小GTOGTO元元，这些，这些GTOGTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。图图1.4.1 GTO的内部结构和电气图形符号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并联单元结构断面示意图 (c

4、) 电气图形符号电气图形符号1、可关断晶闸管的结构、可关断晶闸管的结构1.4.11.4.1 可关断晶闸管及其工作原理可关断晶闸管及其工作原理 1、可关断晶闸管的结构、可关断晶闸管的结构1.4.11.4.1 可关断晶闸管及其工作原理可关断晶闸管及其工作原理 2 2、可关断晶闸管的工作原理、可关断晶闸管的工作原理 1 1）GTOGTO的的导通机理导通机理与与SCRSCR是是相同相同的的。GTOGTO一一旦导通之后，门极信号是可以撤除的旦导通之后，门极信号是可以撤除的, , 但在制但在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界临界饱饱和，而不象普通晶闸管那样处于深饱和

5、状态，和，而不象普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样可以用这样可以用门极负脉冲电流门极负脉冲电流破坏临界饱和状态破坏临界饱和状态使其关断。使其关断。 2 2）在）在关断机理关断机理上与上与SCRSCR是是不同不同的的。门极加。门极加负脉冲即从门极抽出电流负脉冲即从门极抽出电流( (即抽取饱和导通时即抽取饱和导通时储存的大量载流子储存的大量载流子) )，强烈正反馈使器件退出，强烈正反馈使器件退出饱和而关断。饱和而关断。 1.4.11.4.1 可关断晶闸管及其工作原理可关断晶闸管及其工作原理 2 2、可关断晶闸管的工作原理、可关断晶闸管的工作原理 3 3） T1的共基极增益是1，T2的共基极增益是

6、2 ，当 1+ 21 晶闸管处于深饱和状态；当 1+ 2=1 晶闸管处于临界饱和状态；当 1+ 2UUGE(TH)GE(TH)( (开启电压开启电压, ,一般为一般为3 36V) 6V) ；其输出电流；其输出电流I Ic c与驱动与驱动电压电压U UGEGE基本呈线性关系；基本呈线性关系； 图图1.7.2 IGBT的伏安特的伏安特 性和转移特性性和转移特性1.7.2 缘栅双极型晶体管的特性缘栅双极型晶体管的特性 与主要参数与主要参数 1、IGBT的伏安特性和转移特性的伏安特性和转移特性（2 2）IGBTIGBT的转移特性曲线（如图的转移特性曲线（如图b b）IGBTIGBT关断：关断：IGBT

7、IGBT开通：开通：U UGEGEUUGE(TH)GE(TH)； 2、IGBT的开关特性的开关特性 （1）IGBT的开通过程：的开通过程： 从正向阻断状态转换从正向阻断状态转换到正向导通的过程。到正向导通的过程。 v 开通延迟时间开通延迟时间td(on) ： IC从从10%UCEM到到10%ICM所需时间。所需时间。v 电流上升时间电流上升时间tr ： IC从从10%ICM上升至上升至90%ICM所需时间。所需时间。v 开通时间开通时间ton ton ： ton = td(on) + + tr1.7.2 缘栅双极型晶体管的特性缘栅双极型晶体管的特性 与主要参数与主要参数 图图1.7.3 IGB

8、T的开关特性的开关特性 2、IGBT的开关特性的开关特性（2）IGBT的关断过程的关断过程v 关断延迟时间关断延迟时间td(off) ：从从UGE后沿下降到其幅值后沿下降到其幅值90%的时刻的时刻起，到起，到ic下降至下降至90%ICM v 电流下降时间：电流下降时间：ic从从90%ICM下降至下降至10%ICM 。v 关断时间关断时间toff：关断延迟时间关断延迟时间与电流下降之和。与电流下降之和。 电流下降时间又可分为电流下降时间又可分为tfi1和和tfi2 tfi1IGBT内部的内部的MOSFET的的关断过程，关断过程，ic下降较快；下降较快； tfi2IGBT内部的内部的PNP晶体管晶

9、体管的关断过程，的关断过程，ic下降较慢。下降较慢。1.7.2 缘栅双极型晶体管的特缘栅双极型晶体管的特 性与主要参数性与主要参数 图图1.7.3 IGBT的开关特性的开关特性 v （1 1）最大集射极间电压）最大集射极间电压U UCEMCEM： IGBTIGBT在关断状态时集电极和发射极之间能承受的在关断状态时集电极和发射极之间能承受的最高电压。最高电压。 v （2 2）通态压降：）通态压降： 是指是指IGBTIGBT在导通状态时集电极和发射极之间的管压在导通状态时集电极和发射极之间的管压降。降。v （3 3）集电极电流最大值）集电极电流最大值I ICMCM： IGBTIGBT的的 I IC

10、 C增大，可至器件发生擎住效应增大，可至器件发生擎住效应(p40)(p40)，此时为防止此时为防止 发生擎住效应，规定的集电极电流最大发生擎住效应，规定的集电极电流最大值值I ICMCM。 v （4 4）最大集电极功耗）最大集电极功耗P PCMCM： 正常工作温度下允许的最大功耗正常工作温度下允许的最大功耗 。 1.7.2 缘栅双极型晶体管的特性缘栅双极型晶体管的特性与主要参数与主要参数 l3、IGBT的主要参数的主要参数 3、IGBT的主要参数的主要参数v (5) (5) 安全工作区安全工作区正偏安全工作区正偏安全工作区FBSOAFBSOA：IGBTIGBT在开通在开通时为时为正向偏置正向偏

11、置时的安全工作区，如图时的安全工作区，如图1.7.5(a)1.7.5(a)所示。所示。反偏安全工作区反偏安全工作区RBSOARBSOA：IGBTIGBT在关断在关断时为时为反向偏置反向偏置时的安全工作区，如图时的安全工作区，如图1.7.5 (b) 1.7.5 (b) IGBTIGBT的导通时间越长，发热越严重，的导通时间越长，发热越严重，安全工作区越小。安全工作区越小。 在使用中一般通过选择适当的在使用中一般通过选择适当的UCEUCE和和栅极驱动电阻控制栅极驱动电阻控制dUce/dtdUce/dt，避免，避免IGBTIGBT因因dUce/dtdUce/dt过高而产生擎住效应。过高而产生擎住效应。1.7.2 缘栅双极型晶体管的特性缘栅双极型晶体管的特性与主要参数与主要参数 l图图1.7.5 IGBT1.7.5 IGBT的的l 安全工作区安全工作区 (6) 输入阻抗：输入阻抗：IGBT的输入阻抗高，可达的输入阻抗高，可达1091011数量级，呈纯电容性，驱动功率小，这数量级，呈纯电容性，驱动功率小，这些与些与VDMOS相似。相似。 (7) 最高允许结温最高允许结温TjM：IG