第1章電力電子器件第三講

1、第第1章、電力電子器件章、電力電子器件v 1. 1、電力電子器件的基本模型、電力電子器件的基本模型 v 1. 2、電力二極管電力二極管 v 1. 3、晶閘管晶閘管v 1. 4、可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管 v 1. 5、電力晶體管電力晶體管 v 1. 6、電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 v 1. 7、絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管 v 1. 8、其它新型電力電子器件其它新型電力電子器件v 1. 9、電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù)、電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù)1.4 1.4 可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管 可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管(Gate-Turn-Off Thyristor)(Gate-Turn-Off

2、 Thyristor)簡稱簡稱GTOGTO。它具有普通晶閘管的全部優(yōu)點，如它具有普通晶閘管的全部優(yōu)點，如耐壓高耐壓高，電流大電流大等。同時它又是等。同時它又是全控全控型器件，即在型器件，即在門極門極正脈沖電流正脈沖電流觸發(fā)下觸發(fā)下導(dǎo)通導(dǎo)通，在，在負(fù)脈沖電負(fù)脈沖電流流觸發(fā)觸發(fā)下關(guān)斷下關(guān)斷。 1.4 1.4 可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管 1.4.11.4.1 可關(guān)斷晶閘管及其工作原理可關(guān)斷晶閘管及其工作原理 1.4.2 1.4.2 可關(guān)斷晶閘管的特性與主要參數(shù)可關(guān)斷晶閘管的特性與主要參數(shù) 1.4.11.4.1 可關(guān)斷晶閘管及其工作原理可關(guān)斷晶閘管及其工作原理 與普通晶閘管的與普通晶閘管的相同點相同點：

3、 PNPNPNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。引出陽極、陰極和門極。 和普通晶閘管的和普通晶閘管的不同點不同點：GTOGTO是一種是一種多元多元的功率集成器的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個件，內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小共陽極的小GTOGTO元元，這些，這些GTOGTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。圖圖1.4.1 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 (a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 ( b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 (c

4、) 電氣圖形符號電氣圖形符號1、可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)、可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)1.4.11.4.1 可關(guān)斷晶閘管及其工作原理可關(guān)斷晶閘管及其工作原理 1、可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)、可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)1.4.11.4.1 可關(guān)斷晶閘管及其工作原理可關(guān)斷晶閘管及其工作原理 2 2、可關(guān)斷晶閘管的工作原理、可關(guān)斷晶閘管的工作原理 1 1）GTOGTO的的導(dǎo)通機(jī)理導(dǎo)通機(jī)理與與SCRSCR是是相同相同的的。GTOGTO一一旦導(dǎo)通之后，門極信號是可以撤除的旦導(dǎo)通之后，門極信號是可以撤除的, , 但在制但在制作時采用特殊的工藝使管子導(dǎo)通后處于作時采用特殊的工藝使管子導(dǎo)通后處于臨界臨界飽飽和，而不象普通晶閘管那樣處于深飽和

5、狀態(tài)，和，而不象普通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài)，這樣可以用這樣可以用門極負(fù)脈沖電流門極負(fù)脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)破壞臨界飽和狀態(tài)使其關(guān)斷。使其關(guān)斷。 2 2）在）在關(guān)斷機(jī)理關(guān)斷機(jī)理上與上與SCRSCR是是不同不同的的。門極加。門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流負(fù)脈沖即從門極抽出電流( (即抽取飽和導(dǎo)通時即抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流子儲存的大量載流子) )，強(qiáng)烈正反饋使器件退出，強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。飽和而關(guān)斷。 1.4.11.4.1 可關(guān)斷晶閘管及其工作原理可關(guān)斷晶閘管及其工作原理 2 2、可關(guān)斷晶閘管的工作原理、可關(guān)斷晶閘管的工作原理 3 3） T1的共基極增益是1，T2的共基極增益是

6、2 ，當(dāng) 1+ 21 晶閘管處于深飽和狀態(tài)；當(dāng) 1+ 2=1 晶閘管處于臨界飽和狀態(tài)；當(dāng) 1+ 2UUGE(TH)GE(TH)( (開啟電壓開啟電壓, ,一般為一般為3 36V) 6V) ；其輸出電流；其輸出電流I Ic c與驅(qū)動與驅(qū)動電壓電壓U UGEGE基本呈線性關(guān)系；基本呈線性關(guān)系； 圖圖1.7.2 IGBT的伏安特的伏安特 性和轉(zhuǎn)移特性性和轉(zhuǎn)移特性1.7.2 緣柵雙極型晶體管的特性緣柵雙極型晶體管的特性 與主要參數(shù)與主要參數(shù) 1、IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性（2 2）IGBTIGBT的轉(zhuǎn)移特性曲線（如圖的轉(zhuǎn)移特性曲線（如圖b b）IGBTIGBT關(guān)斷：關(guān)斷：IGBT

7、IGBT開通：開通：U UGEGEUUGE(TH)GE(TH)； 2、IGBT的開關(guān)特性的開關(guān)特性 （1）IGBT的開通過程：的開通過程： 從正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換從正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到正向?qū)ǖ倪^程。到正向?qū)ǖ倪^程。 v 開通延遲時間開通延遲時間td(on) ： IC從從10%UCEM到到10%ICM所需時間。所需時間。v 電流上升時間電流上升時間tr ： IC從從10%ICM上升至上升至90%ICM所需時間。所需時間。v 開通時間開通時間ton ton ： ton = td(on) + + tr1.7.2 緣柵雙極型晶體管的特性緣柵雙極型晶體管的特性 與主要參數(shù)與主要參數(shù) 圖圖1.7.3 IGB

8、T的開關(guān)特性的開關(guān)特性 2、IGBT的開關(guān)特性的開關(guān)特性（2）IGBT的關(guān)斷過程的關(guān)斷過程v 關(guān)斷延遲時間關(guān)斷延遲時間td(off) ：從從UGE后沿下降到其幅值后沿下降到其幅值90%的時刻的時刻起，到起，到ic下降至下降至90%ICM v 電流下降時間：電流下降時間：ic從從90%ICM下降至下降至10%ICM 。v 關(guān)斷時間關(guān)斷時間toff：關(guān)斷延遲時間關(guān)斷延遲時間與電流下降之和。與電流下降之和。 電流下降時間又可分為電流下降時間又可分為tfi1和和tfi2 tfi1IGBT內(nèi)部的內(nèi)部的MOSFET的的關(guān)斷過程，關(guān)斷過程，ic下降較快；下降較快； tfi2IGBT內(nèi)部的內(nèi)部的PNP晶體管晶

9、體管的關(guān)斷過程，的關(guān)斷過程，ic下降較慢。下降較慢。1.7.2 緣柵雙極型晶體管的特緣柵雙極型晶體管的特 性與主要參數(shù)性與主要參數(shù) 圖圖1.7.3 IGBT的開關(guān)特性的開關(guān)特性 v （1 1）最大集射極間電壓）最大集射極間電壓U UCEMCEM： IGBTIGBT在關(guān)斷狀態(tài)時集電極和發(fā)射極之間能承受的在關(guān)斷狀態(tài)時集電極和發(fā)射極之間能承受的最高電壓。最高電壓。 v （2 2）通態(tài)壓降：）通態(tài)壓降： 是指是指IGBTIGBT在導(dǎo)通狀態(tài)時集電極和發(fā)射極之間的管壓在導(dǎo)通狀態(tài)時集電極和發(fā)射極之間的管壓降。降。v （3 3）集電極電流最大值）集電極電流最大值I ICMCM： IGBTIGBT的的 I IC

10、 C增大，可至器件發(fā)生擎住效應(yīng)增大，可至器件發(fā)生擎住效應(yīng)(p40)(p40)，此時為防止此時為防止 發(fā)生擎住效應(yīng)，規(guī)定的集電極電流最大發(fā)生擎住效應(yīng)，規(guī)定的集電極電流最大值值I ICMCM。 v （4 4）最大集電極功耗）最大集電極功耗P PCMCM： 正常工作溫度下允許的最大功耗正常工作溫度下允許的最大功耗 。 1.7.2 緣柵雙極型晶體管的特性緣柵雙極型晶體管的特性與主要參數(shù)與主要參數(shù) l3、IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù) 3、IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)v (5) (5) 安全工作區(qū)安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)FBSOAFBSOA：IGBTIGBT在開通在開通時為時為正向偏置正向偏

11、置時的安全工作區(qū)，如圖時的安全工作區(qū)，如圖1.7.5(a)1.7.5(a)所示。所示。反偏安全工作區(qū)反偏安全工作區(qū)RBSOARBSOA：IGBTIGBT在關(guān)斷在關(guān)斷時為時為反向偏置反向偏置時的安全工作區(qū)，如圖時的安全工作區(qū)，如圖1.7.5 (b) 1.7.5 (b) IGBTIGBT的導(dǎo)通時間越長，發(fā)熱越嚴(yán)重，的導(dǎo)通時間越長，發(fā)熱越嚴(yán)重，安全工作區(qū)越小。安全工作區(qū)越小。 在使用中一般通過選擇適當(dāng)?shù)脑谑褂弥幸话阃ㄟ^選擇適當(dāng)?shù)腢CEUCE和和柵極驅(qū)動電阻控制柵極驅(qū)動電阻控制dUce/dtdUce/dt，避免，避免IGBTIGBT因因dUce/dtdUce/dt過高而產(chǎn)生擎住效應(yīng)。過高而產(chǎn)生擎住效應(yīng)。1.7.2 緣柵雙極型晶體管的特性緣柵雙極型晶體管的特性與主要參數(shù)與主要參數(shù) l圖圖1.7.5 IGBT1.7.5 IGBT的的l 安全工作區(qū)安全工作區(qū) (6) 輸入阻抗：輸入阻抗：IGBT的輸入阻抗高，可達(dá)的輸入阻抗高，可達(dá)1091011數(shù)量級，呈純電容性，驅(qū)動功率小，這數(shù)量級，呈純電容性，驅(qū)動功率小，這些與些與VDMOS相似。相似。 (7) 最高允許結(jié)溫最高允許結(jié)溫TjM：IG