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2010 制作人：张波，丘东元@SCUT, 2004 第2章 电力电子器件(II) 丘东元 目 录 2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块 2.4 典型全控型器件 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，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合 — 高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代。 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。 2.4.1 门极可关断晶闸管 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor — GTO） 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。 GTO的结构 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：GTO是一种多元的功率集成器件 GTO的工作原理 与普通晶闸管一样，可以用双晶体管模型来分析 ?1+?2=1是器件临界导通的条件。当?1+?21时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当?1+?21时，不能维持饱和导通而关断 GTO的工作原理 GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别： （1）设计?2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断； （2）导通时?1+?2更接近1（?1.05），GTO导通时饱和不深，接近临界饱和，有利于门极控制关断，但导通时管压降增大； （3）多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。 GTO的工作原理 GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅 关断过程 门极加负脉冲，即从门极抽出电流，则Ib2减小，使IK和Ic2减小，Ic2的减小又使IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流； 当IA和IK的减小使?1+?21时，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。 GTO的动态特性 开通过程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间tr 关断过程：与普通晶闸管有所不同 通常下降时间tf 储存时间ts 尾部时间tt； 门极负脉冲电流幅值越大，ts越短； 门极负脉冲的后沿缓慢衰减，可缩短tt。 GTO的主要参数 最大可关断阳极电流IATO ，GTO额定电流； 电流关断增益?off ，指最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比，即 ?off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点，如1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 GTO的主要参数 开通时间ton，指延迟时间td与上升时间tr之和。延迟时间一般约1~2?s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大； 关断时间toff，一般指储存时间ts和下降时间tf之和，不包括尾部时间tt。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2?s； 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。 2.4.2 电力晶体管 电力晶体管（Giant Transistor — GTR，直译为巨型晶体管），是耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor — BJT）；在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效； 20世纪80年代以来，GTR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。 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； GTR的结构和工作原理 三端器件：基极b，发射极e，集电极c 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。 GTR的结构和工作原理 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? ，即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。 直流电流增益hFE — 在直流工作情况下，集电极电流与基极电流之比。一般可认为? ? hFE GTR的静态特性 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，即工作在截止区或饱和区； 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。 GTR的动态特性 开通过程 延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton； 增大ib的幅值并增大dib/dt，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程 。 GTR的动态特性 关断过程 储存时间ts和下降时间tf，二者之和