合工大电力电子技术第二章.ppt

第二讲 电力电子器件及其驱动电路Power Electronic Parts and Driver 杜少武 第二讲 电力电子器件及其驱动电路 Power Electronic Parts and Driver 2.1 门极可关断晶闸管 2.2 电力场效应晶体管 2.3 绝缘栅双极晶体管 2.1 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的结构和工作原理 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，内部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 GTO的结构和工作原理 工作原理： 导通原理与普通晶闸管一样，同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的结构和工作原理 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： 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（?1.05，普通晶闸管?1+?2?1.15）导通时饱和不深，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的结构和工作原理 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：强烈正反馈——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 图2－7 GTO的开通和关断过程电流波形 GTO的动态特性 关断过程：与普通晶闸管有所不同 抽取饱和导通时储存的大量载流子——储存时间ts，使等效晶体管退出饱和 等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小——下降时间tf 残存载流子复合——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，抽走储存载流子的速度越快，ts越短 门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍保持适当负电压，则可缩短尾部时间 GTO的主要参数 GTO的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)开通时间ton 延迟时间与上升时间之和。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 2)关断时间toff 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。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 GTO的主要参数 3) 最大可关断阳极电流IATO : GTO的额定电流 4)? 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 （1-8） ?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 GTO的驱动 GTO的开通控制与普通晶闸管相似，但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流 ?使GTO关断需施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高，关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力 推荐的GTO门极电压电流波形如图2－8所示。 GTO的驱动 驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型 直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿，因此目前应用较广，但其功耗大，效率较低 GTO的驱动 典型的直接耦合式GTO驱动电路 V1开通时，输出正强脉冲 V2开通时输出正脉冲平顶部分 V2关断而V3开通时输出负脉冲 V3关断后R3和R4提供门极负偏压 2.2 电力场效应晶体管 分为结型和绝缘栅型 但通常主要指绝缘栅型中的MOS型 简称 电力MOSFET（Power MOSFET） 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管 特点—