第二章第二章 全控型全控型电力力电子器件子器件n nGTRGTR电电力晶体管力晶体管n nMOSFETMOSFET电电力力场场效效应应晶体管晶体管 n nGTOGTO门门极可关断晶极可关断晶闸闸管管n nIGBTIGBT门门极极绝缘栅绝缘栅双极晶体管双极晶体管模块IGBT1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术- -电力电子器件电力电子器件开关器件IGCT驱动电路GCT4kA/4.5kV IGCT663A/4.5kV IGCTGCT分解部件1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术- -开关器件开关器件第一第一节 门极可关断极可关断GTOGTO晶晶闸管管1. 1. 构造构造与与普普通通晶晶闸管管的的一一样点点：PNPNPNPN四四层半半导体体构构造，外部引出阳极、阴极和造，外部引出阳极、阴极和门极；极；和和普普通通晶晶闸管管的的不不同同点点：GTOGTO是是一一种种多多元元的的功功率率集集成成器器件件，内内部部包包含含数数十十个个甚甚至至数数百百个个共共阳阳极极的的小小GTOGTO元元，这些些GTOGTO元元的的阴阴极极和和门极极那那么么在器件内部并在器件内部并联在一同。在一同。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n全控型n容量大n off5n电流控制型电流关断增益电流关断增益off：最大可关最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最断阳极电流与门极负脉冲电流最大值大值IGM之比称为电流关断增益之比称为电流关断增益1000A的的GTO关断关断时门极极负脉脉冲冲电流峰流峰值要要200A。第二第二节 GTR电力晶体管力晶体管电力晶体管力晶体管GTRGiantTransistor，巨型晶体管，巨型晶体管耐耐 高高 电 压 、 大大 电 流流 的的 双双 极极 结 型型 晶晶 体体 管管 BipolarJunction TransistorBJT，英英文文有有时候候也也称称为PowerBJT在在电力力电子技子技术的范的范围内，内，GTR与与BJT这两个称号等效。两个称号等效。运用运用20世世纪80年年代代以以来来，在在中中、小小功功率率范范围内内取取代代晶晶闸管管，但目前又大多被但目前又大多被IGBT和和电力力MOSFET取代取代1.1.单管单管GTR GTR n单管管GTRGTR的根本任的根本任务原理与晶体管一原理与晶体管一样n作作为大功率开关管运用大功率开关管运用时，GTRGTR任任务在截止和在截止和导通两种形状。通两种形状。n主要特性是耐主要特性是耐压高、高、电流大、开关特性好流大、开关特性好2达林顿GTRn单单管管 GTRGTR的的电电流流增增益益低低，将将给给基基极极驱驱动动电电路路呵呵斥斥负负担担。达达林林顿顿构构造造是是提提高高电电流流增增益益一种有效方式。一种有效方式。n达达林林顿顿构构造造由由两两个个或或多多个个晶晶体体管管复复合合而而成成，可可以以是是PNPPNP型型也也可可以以是是NPNNPN型型，其其性性质质由由驱驱动管来决议动管来决议n 达林顿达林顿GTRGTR的开关速度慢，损耗大的开关速度慢，损耗大 3GTR 模块n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。n目前消费的GTR模块可将多达6个相互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的二次击穿景象一次一次击穿穿集集电极极电压升升高高至至击穿穿电压时，Ic迅迅速速增增大大，出出现雪雪崩崩击穿；穿；只需只需Ic不超越限制，不超越限制，GTR普通不会普通不会损坏，任坏，任务特性也不特性也不变。二次二次击穿穿一一次次击穿穿发生生时，假假设继续增增高高外外接接电压，那那么么Ic继续增增大大，当当到到达达某某个个临界界点点时，Uce会会忽忽然然降降低低至至一一个个小小值，同同时导致致Ic急急剧上升，上升，这种景象称种景象称为二次二次击穿，穿，二二次次击穿穿的的继续时间很很短短，普普通通在在纳秒秒至至微微秒秒范范围，经常常立刻立刻导致器件的永久致器件的永久损坏。必需防止。坏。必需防止。平安任务区防止二次击穿，采用维护电路，同时思索防止二次击穿，采用维护电路，同时思索器件的平安裕量，尽量使器件的平安裕量，尽量使GTR任务在平安任务任务在平安任务区。区。4.特点n全控型，全控型，电流控制型流控制型n二次二次击穿任穿任务时要防止要防止n中大容量，开关中大容量，开关频率率较低低第三节 功率场效应晶体管MOSFET G G G G： 栅栅栅栅极极极极D D D D： 漏极漏极漏极漏极S S S S： 源极源极源极源极 电力MOSFET的构造和电气图形符号 a) 内部构造断面表示图 b) 电气图形符号 1.导通关断条件通关断条件漏源极导通条件：在栅源极间加正电压漏源极导通条件：在栅源极间加正电压UGS漏源极关断条件：栅源极间电压漏源极关断条件：栅源极间电压UGS为零为零2.特点特点n控制控制级输入阻抗大入阻抗大n驱动电流小流小n防止静防止静电感感应击穿穿n中小容量，开关中小容量，开关频率高率高n导通通压降大缺乏降大缺乏第四节第四节 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管(IGBT)(IGBT)n 绝绝缘缘栅栅双双极极型型晶晶体体管管简简称称为为IGBTInsulated Gate Biopolar Transistor,是是80年年代代中中期期开展起来的一种新型复合器件。开展起来的一种新型复合器件。nIGBT综综合合了了MOSFET和和GTR的的输输入入阻阻抗抗高高、任任务务速速度度快快、通通态态电电压压低低、阻阻断断电电压压高高、接接受受电电流流大的优点。成为当前电力半导体器件的开展方向。大的优点。成为当前电力半导体器件的开展方向。1. 构造构造n复合构造复合构造= MOSFET+GTR栅极栅极集电极集电极集电极集电极发射极发射极发射极发射极2.导通关断条件通关断条件驱动原理与电力MOSFET根本一样，属于场控器件，通断由栅射极电压uGE决议导通条件：在栅射极间加正电压UGEUGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内构成沟道，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内的沟道消逝，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。3.特点n高频，容量大n反向耐压低必需反接二极管n模块化n驱动和维护有公用芯片其他电力电子器件nMCTMOS控制晶闸管nSIT静电感应晶体管nSITH静电感应晶闸管本章小结本章小结1、根据开关器件能否可控分类、根据开关器件能否可控分类1不可控器件：二极管不可控器件：二极管VD2半控器件：普通晶闸管半控器件：普通晶闸管SCR3全控器件：全控器件：GTO、GTR、功率、功率MOSFET、IGBT等。等。 2、根据门极、根据门极(栅极栅极)驱动信号的不同驱动信号的不同1电流控制器件：驱动功率大，驱动电路复杂，任务电流控制器件：驱动功率大，驱动电路复杂，任务频率低。该类器件有频率低。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，电压控制器件：驱动功率小，驱动电路简单可靠，任务频率高。该类器件有任务频率高。该类器件有P-MOSEET、IGBT。