机电传动控制课件及复习资料(北京科技大学)..ppt

* * * * 2.4 典型全控型器件·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。 电力MOSFET IGBT单管及模块 2.4.1 门极可关断晶闸管 ■晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控型器件。 ■GTO的结构和工作原理 ◆GTO的结构 ?PNPN四层半导体结构。 ?是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出个极，但内部则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。 图2-14 GTO的内部结构和电气图形符号 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 并联单元结构断面示意图 电气图形符号 2.4.1 门极可关断晶闸管 图2-8 晶闸管的双晶体管模型 及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理 ◆GTO的工作原理 ?仍然可以用如图2-8所示的双晶体管模型来分析，V1、V2的共基极电流增益分别是?1、?2。?1+?2=1是器件临界导通的条件，大于1导通，小于1则关断。 ?GTO与普通晶闸管的不同 √设计?2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断。 √导通时?1+?2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。 √多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。 2.4.1 门极可关断晶闸管 ?GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，有同样的正反馈过程，只不过导通时饱和程度较浅。 ?而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，也形成强烈的正反馈，当两个晶体管发射极电流IA和IK的减小使?1+?21时，器件退出饱和而关断。 ?GTO的多元集成结构使得其比普通晶闸管开通过程更快，承受di/dt的能力增强。 2.4.1 门极可关断晶闸管 ■GTO的动态特性 ◆开通过程与普通晶闸管类似。延迟时间td和上升时间tr。 ◆关断过程 ?储存时间ts 下降时间tf 尾部时间tt ?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，前沿越陡， ts就越短。使门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍能保持适当的负电压，则可以缩短尾部时间。 图2-15 GTO的开通和关断过程电流波形 O t 0 t i G i A I A 90% I A 10% I A t t t f t s t d t r t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间 等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小时间 残存载流子复合所需时间 2.4.2 电力晶体管 ■电力晶体管（Giant Transistor——GTR） 按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor——BJT） ■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。 ◆最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好。 ◆ GTR的结构 ?采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，并采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。 ? GTR是由三层半导体（分别引出集电极、基极和发射极）形成的两个PN结（集电结和发射结）构成，多采用NPN结构。 2.4.2 电力晶体管 图2-16 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 +表示高掺杂浓度，-表示低掺杂浓度 2.4.2 电力晶体管 空穴流 电 子 流 c) E b E c i b i c = b i b i e =(1+ b ) i b 图2-16 c) 内部载流子的流动 ?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 ?称为GTR的电流放大系数，它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 ?单管GTR的? 值比处理信息用的小功率晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可以有效地增大电流增益。 (2-9) (2-10) 2.4.2 电力晶体管 ■GTR的基本特性 ◆静态特性 ?在共发射极接法时的典 型输出特性分为截止区、放 大区和饱和区三个