Transcript 第2章全控型电力电子器件

第二章 全控型电力电子器件

GTR——电力晶体管

MOSFET——电力场效应晶体管

GTO——门极可关断晶闸管

IGBT——门极绝缘栅双极晶体管
模块
IGBT
开关器件——IGCT＝驱动电路＋GCT
4kA/4.5kV IGCT
663A/4.5kV IGCT
GCT分解部件
第一节 门极可关断（GTO）晶闸管
1. 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点：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。
2. 导通关断条件
导通：同晶闸管，AK正偏，GK正偏
关断：门极加负脉冲电流
3.特点

全控型
容量大

off≈5


电流控制型
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
I AT O

I GM
1000A的GTO关断时门极负脉
冲电流峰值要200A 。
第二节 GTR——电力晶体管



电力晶体管GTR （Giant Transistor，巨型晶体管）
耐 高 电 压 、 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管 （ Bipolar
Junction Transistor——BJT）， 英 文 有 时 候 也 称 为
Power BJT
在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。
应用

20世纪80年代以来，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
1.单管GTR
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

单管GTR的基本工作原理与晶体管相同
作为大功率开关管应用时，GTR工作在截止和导
通两种状态。
主要特性是耐压高、电流大、开关特性好
2．达林顿GTR
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

单管 GTR的电流增益低，将给基极驱动电
路造成负担。达林顿结构是提高电流增益
一种有效方式。
达林顿结构由两个或多个晶体管复合而成，
可以是PNP型也可以是NPN型，其性质由驱
动管来决定
达林顿GTR的开关速度慢，损耗大
3．GTR 模块


将 GTR管芯、稳定电阻、加速二极管、
续流二极管等组装成一个单元，然后根
据不同用途将几个单元电路组装在一个
外壳之内构成GTR模块。
目前生产的GTR模块可将多达6个互相绝
缘的单元电路做在同一模块内，可很方
便地组成三相桥式电路。
3. GTR的二次击穿现象
一次击穿


集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪
崩击穿；
只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也
不变。
二次击穿


一次击穿发生时，如果继续增高外接电压，则Ic继续
增大，当达到某个临界点时，Uce会突然降低至一个
小值，同时导致Ic急剧上升，这种现象称为二次击穿，
二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微秒范围，
常常立即导致器件的永久损坏。必需避免。
安全工作区
防止二次击穿，采用保护电路，同时考虑
器件的安全裕量，尽量使GTR工作在安全工作
区。
4.特点



全控型，电流控制型
二次击穿（工作时要防止）
中大容量，开关频率较低
第三节 功率场效应晶体管（MOSFET）
S
D
D
G
N+ P N+
沟道
N+
D
a)
G： 栅极
N+ P N+
N-
G
G
S
N沟道
S
P沟道
b)
图1-19
电力MOSFET的结构和电气图形符号
a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号
D：
漏极
S：
极
源
1.导通关断条件
漏源极导通条件：在栅源极间加正电压UGS
漏源极关断条件：栅源极间电压UGS为零
2.特点
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



控制级输入阻抗大
驱动电流小
防止静电感应击穿
中小容量，开关频率高
导通压降大（不足）
第四节 绝缘栅双极晶体管(IGBT)


绝缘栅双极型晶体管简称为IGBT（Insulated
Gate Biopolar Transistor）,是80年代中期
发展起来的一种新型复合器件。
IGBT综合了MOSFET和GTR的输入阻抗高、工
作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流
大的优点。成为当前电力半导体器件的发展方向。
1. 结构

复合结构（= MOSFET+GTR）
发射极 栅极
G
E
+
N
J3
P
J2
J1
N+
+
N
-
P
N
N+
P+
C 集电极
a)
N+
漂移区
缓冲区
G
+
ID RN VJ1
+
+
IDRo n
-
C
IC
集电极
C
G
注入区
E
b)
栅极
发射极
c)
2.导通关断条件
驱动原理与电力MOSFET基本相同，属于场控器件，
通断由栅射极电压uGE决定
导通条件：在栅射极间加正电压UGE
UGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，
为晶体管提供基极电流，IGBT导通。
关断条件：栅射极反压或无信号
栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟
道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。
3.特点
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
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高频，容量大
反向耐压低（必须反接二极管）
模块化
驱动和保护有专用芯片
其他电力电子器件
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MCT——MOS控制晶闸管
SIT——静电感应晶体管
SITH——静电感应晶闸管
本章小结
1、根据开关器件是否可控分类
（1）不可控器件：二极管VD
（2）半控器件：普通晶闸管SCR
（3）全控器件：GTO、GTR、功率MOSFET、IGBT等。
2、根据门极(栅极)驱动信号的不同
（1）电流控制器件：驱动功率大，驱动电路复杂，工作
频率低。该类器件有SCR、GTO、GTR。
（2）电压控制器件：驱动功率小，驱动电路简单可靠，
工作频率高。该类器件有P-MOSEET、IGBT。