電力電子技術(shù)-2.3-GTO與GTR

1、1-12.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代。典型代表門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。1-2典型全控型器件典型全控型器件引言引言常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊1-32.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件。晶閘管的一種派生器件。可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷?？梢酝ㄟ^在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。GTOGTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接

2、近，因而在 兆 瓦 級(jí) 以 上 的 大 功 率 場 合 仍 有 較 多 的 應(yīng) 用在 兆 瓦 級(jí) 以 上 的 大 功 率 場 合 仍 有 較 多 的 應(yīng) 用(6KV,6KA,10MVA的系統(tǒng)的系統(tǒng))。門 極 可 關(guān) 斷 晶 閘 管門 極 可 關(guān) 斷 晶 閘 管 （ G a t e - Tu r n - O f f Thyristor GTO）1-42.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點(diǎn)相同點(diǎn)： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點(diǎn)不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件。圖1-13 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 各單元

3、的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號(hào)1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK1-5門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管工作原理工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來分析。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b) 1 1+ + 2 2=1=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。是器件臨界導(dǎo)通的條件。 1+1+ 2121時(shí)器件飽時(shí)器件飽和導(dǎo)通，和導(dǎo)通， 1+1+ 212a1，這也就是GTO的關(guān)斷條件。為了降低陽極一端BJT的電流放

4、大系數(shù): N-層與陽極短路N+ +PN-P+Q2Q1KGAGAK短路KKGGGPN+N+K的條狀結(jié)構(gòu)J3J3J2J2J1J1陽極陽極陰極陰極門極門極1-8GTO關(guān)斷特點(diǎn)關(guān)斷特點(diǎn) GTO關(guān)斷：門極加負(fù)脈沖后，靠近門極的陰極邊緣首先反偏，陰極電流逐漸向陰極條中心收縮，形成擠流效應(yīng)，稱為二維關(guān)斷過程。到陰極電流不能收縮、門極分流使雙晶體管電流再生機(jī)制中斷，器件各結(jié)先后恢復(fù)阻斷，相當(dāng)于基極開路的晶體管關(guān)斷稱為一維關(guān)斷過程。N+ +PN-P+Q2Q1KGAGAK短路KKGGGPN+N+K的條狀結(jié)構(gòu)J3J3J2J2J1J1陽極陽極陰極陰極門極門極dv/dt限制：擠流末期陽極電壓上升過快會(huì)局部功耗過大，熱損

5、壞，且過大的極間電容充電電流會(huì)向雙晶體管提供再生基極電流，使關(guān)斷失敗，必須加吸收緩沖電路限制。 關(guān)斷后必須保持一段時(shí)間后才可再次開通，使各結(jié)完全恢復(fù)。1-9GTO的關(guān)斷的關(guān)斷 GTO導(dǎo)通與晶閘管相同 GTO關(guān)斷增益IA/IG：b=2100100020003000510152025IkIaVDGTO晶閘管導(dǎo)通區(qū)晶體管關(guān)斷區(qū)關(guān)斷區(qū)IgtsA1000電流GTO的關(guān)斷過程PNPNG+AK-導(dǎo)通PNPNG-AK+ -GTO關(guān)斷PNPNG-AK+ -GTR關(guān)斷擠流、二維關(guān)斷再生機(jī)制中斷，基極開路關(guān)斷門極分流緩沖吸收電路抑制電壓上升率1-10門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只

6、是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強(qiáng) 。結(jié)論結(jié)論：1-11門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管開通過程開通過程：與普通晶閘管基本相同。開通初期應(yīng)能提供足夠的門極脈沖電流，寬度持續(xù)使陽極電流達(dá)到摯住值。與晶閘管不同的是開通后門極應(yīng)保持正偏，繼續(xù)提供約10的門極電流保證GTO可靠導(dǎo)通。 2) GTO的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性diGdt0.1IGM0.5IGM0.8IGMIGMtGMIGG TO 典型開通脈沖G TO 典型開通脈沖1-12N+ +PN-P+Q2Q1KGA短路J3J3J2J2J1J1GTO關(guān)斷特

7、性關(guān)斷特性igttt0i iA00拖尾UakUakGTO的關(guān)斷過程GTO的關(guān)斷過程tstfttail關(guān)斷存儲(chǔ)時(shí)間ts：使等效晶體管退出飽和 門極負(fù)電流建立到J2完全反偏耗時(shí)，與b成正比。J2反偏時(shí)N-區(qū)仍存在大量過剩載流子。門極負(fù)脈沖電流幅值越大，ts越短。電流下降時(shí)間下降時(shí)間tf： J2反偏后，N-區(qū)過剩載流子呈梯度減少，完全掃除耗時(shí)，與電源電壓成正比。拖尾時(shí)間拖尾時(shí)間tt tf時(shí)刻耗盡層在N-區(qū)達(dá)到最大寬度，N-區(qū)仍有少量存儲(chǔ)電荷，靠緩慢復(fù)合消除。陽極短路結(jié)構(gòu)加快復(fù)合過程。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。1-131.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管關(guān)斷過程關(guān)斷過程：與普通晶

8、閘管有所不同儲(chǔ)存時(shí)間儲(chǔ)存時(shí)間ts 使等效晶體管退出飽和。下降時(shí)間下降時(shí)間tf 等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流減小。尾部時(shí)間尾部時(shí)間tt 殘存載流子復(fù)合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。門極負(fù)脈沖電流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 圖1-14 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形2) GTO的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性1-14門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管3) GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) 延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約12s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大。 一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)

9、間。下降時(shí)間一般小于2s。（2） 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff（1）開通時(shí)間開通時(shí)間ton 不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián) 。 許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。1-15門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管（3）最大可關(guān)斷陽極電流最大可關(guān)斷陽極電流IATO（4） 電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益b boff boff一般很小，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要超過200A 。 GTO額定電流。 最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。（1-8）GMATOoffIIb1-

10、16應(yīng)用特點(diǎn)應(yīng)用特點(diǎn) 保留了晶閘管大部分優(yōu)點(diǎn)，在MVA以上級(jí)應(yīng)用廣泛【牽引、電力逆變器】。6kV/6kA產(chǎn)品/12kV/10kA研制。 全控型。 關(guān)斷時(shí)存在二次擊穿問題。 控制驅(qū)動(dòng)復(fù)雜、工作頻率較低。 關(guān)斷千安級(jí)器件需要數(shù)百安電流脈沖，并且脈沖前沿需控制在數(shù)微秒內(nèi)。 關(guān)斷時(shí)需緩沖陽極電壓上升。1-17實(shí)例：GTO型號(hào) 5SGA 15F2502主要參數(shù)：主要參數(shù)：可重復(fù)反向電壓峰值VDRM=1700V可重復(fù)斷態(tài)電流峰值IDRM=100mA最大通態(tài)電流平均值ITAVM550A（正弦半波，Tc85度）最大非重復(fù)浪涌電流ITSM=10kA通態(tài)電壓VT2.50V，IT1500A門檻電壓VT0=1.55V

11、IH=50A開通：td=2s,tr=4s,tonmin=80s 關(guān)斷：ts=15s,tf=2s,toffmin=80 s關(guān)斷門極電流峰值IGQM=450A1-18習(xí)題 22 23 24 251-192.4.2 電力晶體管電力晶體管電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管） 。耐 高 電 壓 、 大 電 流 的 雙 極 結(jié) 型 晶 體 管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時(shí)候也稱為Power BJT。 應(yīng)用應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。術(shù)語用法術(shù)語用法：1-2

12、0與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高（N漂移區(qū)， 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)減小通態(tài)電壓和損耗 ）、電流大、開關(guān)特性好。通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-15 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng) a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào) c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng)1-21電力晶體管電力晶體管基區(qū)很??；導(dǎo)通條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏；1、形成發(fā)射極電流Ie，與電子流動(dòng)方向相反，同時(shí)基區(qū)的空穴也擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)；2、發(fā)射區(qū)電子注入基區(qū)后，在基區(qū)積累，形成一定的濃度梯度，靠近發(fā)

13、射極濃度高，遠(yuǎn)離發(fā)射極濃度低。形成基極電流Ib；3、集電結(jié)反偏，集電結(jié)勢壘很高，阻止集電結(jié)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，但是其可以吸引集電結(jié)邊緣的電子，形成集電極電流Ic。同時(shí)該P(yáng)N結(jié)反向飽和電流對(duì)Ic來說很小?？昭麟娮恿鱟)EbEcibic=bibie=(1+b )ib1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理1-22電力晶體管電力晶體管在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為（2-9） b GTR的電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)，反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力 。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為 ic=b ib +Iceo （2-10）單管GT

14、R的b 值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益。bciib空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+b )ib1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理1-23 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)截止區(qū)、放大區(qū)放大區(qū)和飽和區(qū)飽和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)。在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時(shí)，要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。實(shí)際使用時(shí)，最高工作電壓要比BUceo低得多。3）GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù)1-26電力晶體管電力晶體管通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/21/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic 。實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。 3) 集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率。產(chǎn)品說明書中給PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度 。 2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流IcM1-27電力晶體管電力晶體管一次擊穿一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大。只要Ic不超過限度，GTR一