电力电子技术-2.3_GTO与GTR.pptxVIP

1-1 2.4 典型全控型器件·引言 门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。 20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。 典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。 1-2 典型全控型器件·引言 常用的典型全控型器件 电力MOSFET IGBT单管及模块 1-3 2.4.1 门极可关断晶闸管 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(6KV,6KA,10MVA的系统)。 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor —GTO） 1-4 2.4.1 门极可关断晶闸管 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。 图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号 1）GTO的结构和工作原理 1-5 门极可关断晶闸管 工作原理： 与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。 1+2=1是器件临界导通的条件。 1+21时器件饱和导通，1+21时器件不能维持饱和导通而管断。 由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2 。 1-6 门极可关断晶闸管 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。 导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。 条状多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。 图2-7 晶闸管的工作原理 1-7 GTO的结构与工作特性 P区薄；门阴极距离最小化；条状阴极最大化外沿；N-层与阳极短路。 在器件导通状态下，为了使栅极实现有效地关断功能，一个BJT的电流放大系数很大（接近1）、而在阴极一端BJT的的电流放大系数很小，即a2a1，这也就是GTO的关断条件。为了降低阳极一端BJT的电流放大系数: N-层与阳极短路 1-8 GTO关断特点 GTO关断：门极加负脉冲后，靠近门极的阴极边缘首先反偏，阴极电流逐渐向阴极条中心收缩，形成挤流效应，称为二维关断过程。到阴极电流不能收缩、门极分流使双晶体管电流再生机制中断，器件各ＰＮ结先后恢复阻断，相当于基极开路的晶体管关断称为一维关断过程。 dv/dt限制：挤流末期阳极电压上升过快会局部功耗过大，热损坏，且过大的极间电容充电电流会向双晶体管提供再生基极电流，使关断失败，必须加吸收缓冲电路限制。 关断后必须保持一段时间后才可再次开通，使各结完全恢复。 1-9 GTO的关断 GTO导通与晶闸管相同 GTO关断增益IA/IG：b=2～10 挤流、二维关断 再生机制中断，基极开路关断 门极分流 缓冲吸收电路抑制电压上升率 1-10 门极可关断晶闸管 GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。 GTO关断过程中有强烈正反馈使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 。 结论： 1-11 门极可关断晶闸管 开通过程：与普通晶闸管基本相同。开通初期应能提供足够的门极脉冲电流，宽度持续使阳极电流达到挚住值。与晶闸管不同的是开通后门极应保持正偏，继续提供约10％的门极电流保证GTO可靠导通。 GTO的动态特性 1-12 GTO关断特性 关断存储时间ts：使等效晶体管退出饱和 门极负电流建立到J2完全反偏耗时，与b成正比。J2反偏时N-区仍存在大量过剩载流子。 门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。 电流下降时间tf： J2反偏后，N-区过剩载流子呈梯度减少，完全扫除耗时，与电源电压成正比。 拖尾时间tt —tf时刻耗尽层在N-区达到最大宽度，N-区仍有少量存储电荷，靠缓慢复合消除。阳极短路结构加快复合过程。 通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。 1-13 1.4.1 门极可关断晶闸管 关断过程：与普通晶闸管有所不同 储存时间ts —使等效晶体管退出饱和。 下降时间tf —等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流减小。 尾部时间tt —残存载流子复合。 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，ts越短。 图1-14 GTO的开通和关断过程电流波形 GTO的动态特性 1-14 门极可关断晶闸管 GTO的主要参数 —— 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