4.1典型全控型电力电子器件案例.doc

典型全控型电力电子器件 教学目的和要求: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。 重点与难点:掌握电力晶体管、电力场控晶体管、绝缘栅双极型晶体管的工作原 理、参数特点。 教学方法: 借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学 预复习任务:复习上节课学的半控型器件晶闸管的相关知识,对比理解掌握本节课程。 内容导入: 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。 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(1 和(2 。(1+(2=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： GTO导通过程与普通晶闸管一样，只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 。 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 （a）开通时间ton （b） 关断时间toff （c）最大可关断阳极电流IATO （d）电流关断增益(off ——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。 (off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 GTR的结构和图形符号 GTR的开通和关断过程电流波形 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 ( ——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=( ib +Iceo 单管GTR的( 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 、 共发射极接法时GTR的输出特性 3. GTR的主要参数 （a）电流放大倍数β集电极电流与基极电流之比 （b）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 。 （c）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