第二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

1.1 什么是电力电子技术-电力电子器件

1.1 什么是电力电子技术-开关器件 开关器件——IGCT＝驱动电路＋GCT 4kA/4.5kV IGCT 663A/4.5kV IGCT GCT分解部件

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 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 • 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

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） 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）集电极栅极发射极

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 • 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。

第二章 全控型电力电子器件