第3讲 晶闸管与全控型电力电子器件

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2.4.2
术语用用法：
电力力晶体管
" 电力力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为巨
型晶体管） 。
" 耐高高电压、大大电流的双极结型晶体管（ Bipolar
Junction Transistor——BJT），英文文有时候也称为 Power BJT。 应用用:
" 20世纪80年代以来，在中、小小功率范围内取代晶闸
trr URRM t gr O iA 100% 90%
10% 0 td uAK
tr IRM
t
t
图2-15 晶闸管的开通和关断过程波形
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2.3.3 闸管的主要特性参数 1、电压定额
v
v
断态重复峰值电压UDRM ——在⻔门极断路而而结温为额定值时，允许重复加在器件上的 正向峰值电压。 反向重复峰值电压URRM ——在⻔门极断路而而结温为额定值时，允许重复加在器件上的 反向峰值电压。
⑵ GTO的动态特性
开通过程：与普通晶闸管相同 关断过程：与普通晶闸管有所不 同 储存时间ts ，使等效晶体退出饱 I A 90% IA 和; 下降时间tf ; 尾部时间tt —残存载流子子复合。
10% IA 0 t0 t1 O
t2
t3
t4
t5
t6
t
图2-24 GTO的开通和关断过程电流波形
通常tf 比比ts小小得多，而而tt 比比ts 要⻓长。⻔门极负脉冲电流幅 值越大大， ts 越短。 电力电子技术
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2 、双向晶闸管（ Triode AC Switch——TRIAC 或 Bidirectional triode thyristor）
" 可认为是一一对反并联联接的普 通晶闸管的集成。 " 有两个主电极T1和T2，一一个⻔门 极G。 G " 在第Ｉ和第III象限有对称的伏 安特性。
截止区 O 图2-26
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（2）动态特性 开通过程
A IA V1 G IG S EG Ic1 NPN PNP I c2 V2 IK K EA R
图2-22
晶闸管的工作原理
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导通过程与普通晶闸管一一样，只是导通 时饱和程度较浅。
关断过程：强烈正反馈——⻔门极加负脉 冲即从⻔门极抽出电流，则Ib2减小小，使IK 和Ic2减小小，Ic2的减小小又又使IA和Ic1减小小， 又又进一一步减小小V2的基极电流。 当IA和IK的减小小使α1+α2<1时，器件退 出饱和而而关断
IA 正向 导通
URSM URRM -UA
IH O
IG2
IG1
IG=0
UDRM Ubo +UA UDS M
雪崩 击穿
-IA
图2-14
晶闸管伏安特性
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（2）反向特性
IA 正向 导通
v
反向特性类似二二极管的反 向特性。
URSM URRM -UA
IH O
IG2
IG1
IG=0
v
反向阻断状态时，只有极 小小的反相漏电流流过。 当反向电压达到反向击穿 电压后，可能导致晶闸管 发热损坏。
图2-20 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 电气图形符号
c)
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（2）工工作原理：
" 与普通晶闸管一一样，可以用用下图所示示的双晶体管模型
来分析。
N1 G P2 N2 K a)
A A P1 N1 P2 IA V1 G IG S EG Ic1 NPN PNP I c2 V2 IK b) K EA R
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（3） GTO的主要参数 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同， 以下只介绍意义不同的参数。 ①开通时间ton —— 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一一般 约1~2µs，上升时间则随通态阳极电流的增大大而而 增大大。 ② 关断时间toff —— 一一般指储存时间和下降时间之和，不包 括尾部时间。下降时间一一般小小于2µs。 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承 受反压时，应和电力力二二极管串联 。 电力电子技术
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2、GTR的基本特性 （1）静态特性 共发射极接法时的典型输出 特性：截止止区、放大大区和饱和 区。 在电力力电子子电路中GTR工工作 在开关状态。 在开关过程中，即在截止止区 和饱和区之间过渡时，要经过 放大大区。
饱和区
Ic
放大区 ib3 ib2 ib1 ib1<ib2<ib3 Uce 共发射极接法时GTR的输 出特性
管，但⺫目目前又又大大多被IGBT和电力力MOSFET取代。 电力电子技术
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图2-25 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动
" " " "
与普通的双极结型晶体管基本原理是一一样的。 主要特性是耐压高高、电流大大、开关特性好。 通常采用用至至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。 采用用集成电路工工艺将许多这种单元并联而而成 。 电力电子技术
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3、动态参数
v
除开通时间tgt和关断时间tq外，还有： 断态电压临界上升率du/dt ——指在额定结温和⻔门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到 通态转换的外加电压最大大上升率。 ——电压上升率过大大，使充电电流足足够大大，就会使晶闸管误导 通。 通态电流临界上升率di/dt ——指在规定条件下，晶闸管能承受而而无无有害影响的最大大通态 电流上升率。 ——如果电流上升太快，可能造成局部过热而而使晶闸管损坏。
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③最大大可关断阳极电流IATO ——GTO额定电流。 ④ 电流关断增益βoff ——最大大可关断阳极电流与⻔门极负脉冲电 流最大大值IGM 之比比称为电流关断增益。
β off
I ATO = I GM
β off一一般很小小，只有5左右，这是GTO的一一个主要缺点。
1000A的GTO关断时⻔门极负脉冲电流峰值要200A 。 电力电子技术
通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小小的标值作为该器件的额定电压。 选用用时，一一般取额定电压为正常工工作时晶闸管所承受峰值电压2-3 倍。
v
通态（峰值）电压UTM ——晶闸管通以某一一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态 峰值电压。
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2、电流定额
通态平均电流 IT(AV） v ——在环境温度为40°C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定 结温时所允许流过的最大大工工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电 流的参数。 v ——使用用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。 维持电流 IH v ——使晶闸管维持导通所必需的最小小电流。 擎住电流 IL v ——晶闸管刚从断态转入入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需 的最小小电流。对同一一晶闸管来说，通常IL约为IH的2-4倍。 浪涌电流ITSM v ——指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性 最大大正向过载电流 。
v
v v
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2.3.4 晶闸管的派生器件 1、快速晶闸管（Fast Switching Thyristor— FST) 有快速晶闸管和高高频晶闸管。 开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。 普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十十微秒， 高高频晶闸管10µs左右。 高高频晶闸管的不足足在于其电压和电流定额都不易做高高。 由于工工作频率较高高，不能忽略其开关损耗的发热效应。
图2-21
晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
" 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α1和α2 。
" α1+α2=1是器件临界导通的条件。
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GTO能够通过⻔门极关断的原因是其与普通晶闸管有 如下区别： " 设计α2较大大，使晶体管V2控 制灵敏，易于GTO关断。 " 导通时α1+α2更接近1，导通 时接近临界饱和，有利⻔门极 控制关断，但导通时管压降 增大大。 " 多元集成结构，使得P2基区 横向电阻很小小，能从⻔门极抽 出较大大电流。
图2-23 关断过程等效电路
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由上述分析我们可以得到以下结论：
☆ GTO导通过程与普通晶闸管一一样，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
退出饱和而而关断。
☆多元集成结构还使GTO比比普通晶闸管开
通过程快，承受di/dt能力力强 。
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iG 等效晶体管从饱 和区退至放大区， 阳极电流逐渐减 小时间 残存载 流子复 合所需 时间 t 抽取饱和导通时 储存的大量载流 子的时间 iA td tr ts tf tt
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第3讲 电力电子器件
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2.3.2 晶闸管的基本特性 1、静态特性 （1）正向特性 IG=0时，器件两端施加 正向电压，只有很小小的正 向漏电流，为正向阻断状 态。 正向电压超过正向转折电 压Ubo，则漏电流急剧增大大， 器件开通。 随着⻔门极电流幅值的增 大大，正向转折电压降低。 晶闸管本身身的压降很小小， 在1V左右。
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常用用的典型全控型器件
门极可关断晶闸管
IGBT单管及模块 图2-19 常用的典型全控型器件
电力MOSFET
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2.4.1 ⻔门极可关断晶闸管 ⻔门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor —GTO）