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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,1.1 什么是电力电子技术-电力电子器件,开关器件IGCT驱动电路GCT,4kA/4.5kV IGCT,663A/4.5kV IGCT,GCT分解部件,1.1 什么是电力电子技术-开关器件,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 off5 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,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 TransistorBJT），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,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,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,3GTR 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）,G： 栅极 D： 漏极 S： 源极,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,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,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）,栅极,集电极,发射极,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,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,MCTMOS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。,
