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电力电子半导体器件(GTR).ppt

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电力电子半导体器件(IGBT)PPT课件

电力电子半导体器件(IGBT)PPT课件
第23页/共43页
二、驱动电路： 在满足上述驱动条件下来设计门极驱动电路，IGBT的输入特性与MOSFET几乎相
同，因此与MOSFET的驱动电路几乎一样。 注意： 1．IGBT驱动电路采用正负电压双电源工作方式。 2．信号电路和驱动电路隔离时，采用抗噪声能力强，信号
传输时间短的快速光耦。 3．门极和发射极引线尽量短，采用双绞线。 4．为抑制输入信号振荡，在门源间并联阻尼网络。
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第30页/共43页
2．过电流的识别： 采用漏极电压的识别方法，通过导通压降判断漏极电流大小。进而切断门极控
制信号。 注意：识别时间和动作时间应小于IGBT允许的短路过电流时间（几个us），
同时判断短路的真与假，常用方法是利用降低门极电压使IGBT承受短路能力增加， 保护电路动作时间延长来处理。 3．保护时缓关断：
由于IGBT过电流时电流幅值很大，加之IGBT关断速度快。如果按正常时的关 断速度，就会造成Ldi/dt过大形成很高的尖峰电压，造成IGBT的锁定或二次击穿， 极易损坏IGBT和设备中的其他元器件，因此有必要让IGBT在允许的短路时间内采 取措施使IGBT进行“慢速关断”。
第31页/共43页
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随导通时间的增加，损耗增大，发热严重，安全区逐步减小。 2．RBSOA： IGBT关断时反向偏置安全工作区。
随IGBT关断时的重加dVDS/dt改变，电压上升率dVDS/dt越大，安全工作区越小。通过 选择门极电压、门极驱动电阻和吸收回路设计可控制重加dVDS/dt，扩大RBSOA。
最大漏极电流
第16页/共43页
1．正偏电压VGS的影响
VGS增加时，通态压降下降，开通时间缩短，开通损耗减小，但VGS增加到一定 程度后，对IGBT的短路能力及电流di/dt不利，一般VGS不超过15V。（12V~15V）

电力晶体管GTR精品PPT课件

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第5章
电力晶体管（GTR）
5.1 GTR的结构和工作原理 5.2 GTR的基本特性 5.3 GTR的主要参数 5.4 GTR的驱动
5.1
GTR的结构和工作原理
➢ 术语用法：
• 电力晶体管（Giant TransistRr——GTR，直译为巨 型晶体管）
• 耐高电压、大电流的晶体管（BipRlar JunctiRn TransistRr——BJT），英文有时候也称为PRwer BJT。
饱和区
Ic 放大区
ib3 ib2
ib1 ib1<ib2<ib3
截止区 O
Uce 图1-16
图5.2 共发射极接法时GTR的输出特性
5.2
GTR的基本特性
(2) 动态特性
➢ 开通过程
ib
Ib1
90%Ib1
• 延迟时间td和上升时间tr， 二者之和为开通时间ton。
• 增大ib的幅值并增大dib/dt， 可缩短延迟时间，同时可缩 短上升时间，从而加快开通 过程 。
➢ GTR上电压超过规定值时会发生击穿
➢ 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。
➢ 实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比UceR低得多。
5.3
GTR的主要参数
2) 集电极最大允许电流IcM
➢ 通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic ➢ 实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。
10%Ib1 0
t Ib2
ic 90%Ics
ton
td tr
Ics
toff
ts
tf
10%Ics 0
t0 t1 t2
t3
t4 t5

电力电子半导体器件GTO课件 (一)

电力电子半导体器件GTO课件 (一)

电力电子半导体器件GTO课件 (一)电力电子半导体器件GTO课件电力电子是一门学科，它旨在控制电力，使其尽可能地适应各种用途。

电力电子半导体器件GTO（Gate Turn-Off thyristor）是电力电子领域比较重要的器件之一，本文将从以下几点介绍电力电子半导体器件GTO课件。

一、GTO器件的概念及特点GTO器件是一种可控硅器件，其结构与普通的可控硅类似，但是比普通可控硅多了一个开关功能。

当把GTO的控制端关闭时，它就可以从导通状态转换到截止状态，从而达到开关的作用。

GTO器件具有结构简单、灵敏度高、操作方便等特点。

二、GTO器件的工作原理GTO器件是一种双向导通的器件，它有两个工作模式：正向导通和反向导通。

正向导通时，控制端导通，主电路中的正向电流可以通过GTO器件流过，从而实现GTO器件的导通；反向导通时，主电路中的电流方向与正向导通时相反，控制端不导通，从而实现GTO器件断路。

GTO器件的工作原理可用三角形结表示。

三、GTO器件的应用领域GTO器件广泛应用于各种电力系统和电路中，包括电机控制、电源调节、换流器、逆变器甚至具有高电压和高功率的应用。

其中，逆变器是GTO 器件比较重要的应用领域之一，它可以将直流电源转换为交流电源，使得它可以更好的适应一些需要交流电源工作的设备。

四、GTO器件的发展历程和趋势GTO器件自1960年发明以来，不断得到完善和改进。

在20世纪80年代，IGBT逆变器逐渐替代了GTO逆变器，但GTO器件的低损耗、高晶体质量和低控制成本等特点，使得它仍然保持了一定的市场份额。

未来，随着新技术的发展，GTO器件仍将有进一步的发展和拓展。

总之，在电力电子领域，GTO器件是一种广泛应用的器件之一，具有灵敏、高效、质量好等特点，大力推广与广泛应用将对促进电力电子技术的发展起到积极的作用。

电力电子技术2.3GTO和GTR专题培训课件

电力电子技术2.3GTO和GTR专题培训课件

2.4.2 电力晶体管
术语用法：
电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直 译为巨型晶体管） 。 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。
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。
图1-14 GTO的开通和关断过程电流波形
1-12
门极可关断晶闸管
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。延迟时间一般约 1~2s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。
（2） 关断时间toff
—— 一般指储存时间和下降时间之和，不包括 尾部时间。下降时间一般小于2s。
N K+-
再生机制中 断，基极开
路关断
VD
2000
1000
0 5
Ik 晶闸管导通区
10 IgΒιβλιοθήκη A GTR关断 P缓冲吸收
G-
N P
电路抑
N
制电压 K+-
晶体管关断区
15
20
上升率 t
25 s
门极分流 －1000 GTO的关断过程
1-8
门极可关断晶闸管
结论： GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时
左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。
1-21
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：截止区、放大区 和饱和区。

电力电子半导体器件(GTR)

电力电子半导体器件(GTR)

3．集电极电压上升率dv/dt对GTR的影响 ．集电极电压上升率 对 的影响 用于桥式变换电路时， 当GTR用于桥式变换电路时，如图： 用于桥式变换电路时 如图：
C1 B1 E1 C
2
B2
E2
dv/dt产生的过损耗现象严重威胁器件和电路安全；当基极 产生的过损耗现象严重威胁器件和电路安全； 产生的过损耗现象严重威胁器件和电路安全 开路时， 通过集电结寄生电容产生容性位移电流， 开路时， dv/dt通过集电结寄生电容产生容性位移电流，注入 通过集电结寄生电容产生容性位移电流 发射结形成基极电流，放大β倍后，形成集电极电流， 发射结形成基极电流，放大β倍后，形成集电极电流，使GTR 进入放大区，因瞬时电流过大引起二次击穿。 GTR换流关断 进入放大区，因瞬时电流过大引起二次击穿。在GTR换流关断 dv/dt会引起正在关断的GTR误导通 造成桥臂直通。 会引起正在关断的GTR误导通， 时，dv/dt会引起正在关断的GTR误导通，造成桥臂直通。 抑制dv/dt，可在集射极间并联RCD缓冲网络进行吸收。 ，可在集射极间并联 缓冲网络进行吸收。 抑制 缓冲网络进行吸收
三、单管GTR 单管
采用三重扩散，台面型结构；可靠性高， 采用三重扩散，台面型结构；可靠性高，对二次击穿特性 有改善，易于提高耐压，易于耗散体内热量。 有改善，易于提高耐压，易于耗散体内热量。 增加N 漂移区，由它的电阻率和厚度决定器件阻断能力， 增加N-漂移区，由它的电阻率和厚度决定器件阻断能力， 但阻断能力提高，使饱和导通电阻增大，电流增益降低。 但阻断能力提高，使饱和导通电阻增大，电流增益降低。 一般： 10—20 一般： β 约10 20 工作状态：开关状态（导通、截止；开通、关断） 工作状态：开关状态（导通、截止；开通、关断）

最新电力电子半导体器件IGBTppt课件PPT

最新电力电子半导体器件IGBTppt课件PPT
漏极通态电流的连续值超过临界值IDM时产生的擎住效应称 为静态擎住现象。
IGBT在关断的过程中会产生动态的擎住效应。动态擎住 所允许的漏极电流比静态擎住时还要小，因此，制造厂家所规 定的IDM值是按动态擎住所允许的最大漏极电流而确定的。
动态过程中擎住现象的产生主要由重加dv/dt来决定，此外 还受漏极电流IDM以及结温Tj等因素的影响。
4．开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数的关系：
5．开关损耗与温度和漏极电流关系
（三）擎住效应
IGBT的锁定现象又称擎住效应。IGBT复合器件内有一个 寄生晶闸管存在，它由PNP利NPN两个晶体管组成。在NPN晶 体管的基极与发射极之间并有一个体区电阻Rbr，在该电阻上， P型体区的横向空穴流会产生一定压降。对J3结来说相当于加 一个正偏置电压。在规定的漏极电流范围内，这个正偏压不大， NPN晶体管不起作用。当漏极电流人到—定程度时，这个正偏 量电压足以使NPN晶体管导通，进而使寄生晶闸管开通、门极 失去控制作用、这就是所谓的擎住效应。IGBT发生擎住效应后。 漏极电流增大造成过高的功耗，最后导致器件损坏。
(2)用低内阻的驱动源对门极电容充放电．以保证门极控制电压VGS 有足够陡峭的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外IGBT开通 后，门极驱动源应提供足够的功率使IGBT不致退出饱和而损坏。
(3)门极电路中的正偏压应为+12~+15V；负偏压应为－2~－10V。
(4)IGBT多用于高压场合，故驱动电路应与整个控制电路在电位上 严格隔离。
门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一种新型电力半 导体器件，它不仅有与GTO相同的高阻断能力和低通态压降， 而且有与IGBT相同的开关性能，即它是GTO和IGBT相互取

电力电子半导体器件介绍49页PPT

电力电子半导体器件介绍49页PPT
电力电子半导体器件介绍
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔

全控型电力电子器件GTR

全控型电力电子器件GTR

4) GTR的二次击穿现象与安全工作区
一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。
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，Ic突然急剧上升，电压陡然下降。
常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。
安 全 工 作 区 （ Safe Operating Area——SOA）
3. 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：截止区、放大区和饱
Ic
和区。
在电力电子电路中GTR工作 在开关状态。
放大区
ib3 ib2 ib1 ib1<ib2<ib3 Uce
在开关过程中，即在截止区
和饱和区之间过渡时，要经 过放大区。
截止区 O
图
共发射极接法时GTR的输出 特性
(2) 动态特性
开通过程
ib 90% I b1 10% I b1 0 I b2 t on td tr t off ts tf I b1
延迟时间td 和上升时间tr ， 二者之和为开通时间ton。
t
加快开通过程的办法 。
关断过程
ic 90% I cs 10% I cs 0
I cs
储存时间ts 和下降时间tf ， 二者之和为关断时间toff 。 加快关断速度的办法。 GTR的开关时间在几微秒 以内，比晶闸管和GTO都 短很多 。
双极型功率晶体管BJT的容量水平已达1.8kV／lkA，频率为 20kHz。 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。
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2．关断时间toff： toff = ts + tf ts：存储时间，过剩载流子从体内抽走时间，由反向驱动电 流大小决定。(3～８us) tf：下降时间，取决于结电容、正向集电极电流大小。(1us)
说明：为加速开通，采用过驱动方法，但基区过剩大量载流子， 关断时，载流子耗散严重影响关断时间； 减小关断时间，可选用电流增益小的器件，防止深饱和， 增加反向驱动电流。
①电流增益β增大： β ≈ β1 β2 ，达几十倍～几千倍； ②饱和压降VCES增大：VCES ≈ VCES1+VBES2
V2管无法饱和导通，VCE2=VCES1 ，反偏状态；导通损耗增大。 ③开关速度慢：开通时，V1驱动V2；
关断时，V1先关断，V2才能关断，且V2关断 无泻流通路。
改进：
R1、R2稳定电阻，提高温度稳定 性和电流通路。
增加N-漂移区，由它的电阻率和厚度决定器件阻断能力， 但阻断能力提高，使饱和导通电阻增大，电流增益降低。
一般： β 约10—20
工作状态：开关状态（导通、截止；开通、关断）
饱和压降低 漏电流小
时间短
四、达林顿GTR
为提高电流增益，由两个或两个以上晶体管复合组成。
驱动管
输出管
NPN型
PNP型
特点：
③最高结温TJM 塑封，硅管：1250～1500C； 金属封装，硅管：1500～1750C； 高可靠平面管：1750～2000C；
④最大功耗PCM PCM = VCE• IC 受结温限制，使用时注意散热条件。
例：3DF20型GTR各最大额定值参数：
二、动态特性与参数 动态特性是GTR开关过程的瞬态性能，称开关特性；主要受
第四章 电力晶体管
§4.1 GTR结构
双极型大功率、高反压晶体管——GTR （巨型晶体管） Giant Transistor 三层半导体材料，两个PN结(NPN型、PNP型)。
一、工艺特点
三重扩散；叉指型基极和发射极； 特点：发射区高浓度掺杂
基区很薄（几um—几十um）
N-掺杂浓度低，提高耐压能力 N+集电区收集电子
结电容（势垒电容、扩散电容）充、放电和两种载流子运动影 响。 如图：TC40U—400型GTR动态特性实验电路和电流波形
电路参数： VCC=200V；RC=10Ω ； RB1=4.7Ω ； RB2=1.2Ω ；
1．开通时间ton： ton = td + tr （ns级，很小） td：延迟时间，基极电流向发射结电容充电。大小取决于结 电容大小、驱动电流大小和上升率，及反偏时电压大小。 tr：上升时间，取决于稳定电流和驱动电流大小。
3.大电流工作下，普通晶体管出现的新特点： ①基区大注入效应：引起电流增益下降。 ②基区扩展效应：使基区注入效率降低，增益β下降，fT减小。 ③发射极电流集边效应：引起电流局部集中，产生局部过热。
因此，GTR在结构上应采取适当措施，减小上述效应。
三、单管GTR
采用三重扩散，台面型结构；可靠性高，对二次击穿特性 有改善，易于提高耐压，易于耗散体内热量。
单臂桥式电路模块
E2
单相桥式电路模块；三相桥式电路模块；
§4.2 GTR特性与参数
一、静态特性与参数 1．共射输出特性：
临界饱和
发射结正偏 集电结反偏 VCES很小
放大区 严禁工作
断态，漏电流很小
2．饱和压降： 如图：GTR深饱和时，等效电路； VBES：基极正向压降
通态下，B-E极电压；
VCES：饱和压降 通态下，C-E极电压；
ICM定义：a.以β值下降到额定值1/2到1/3时，对应IC值。 b.以结温和耗散功率为尺度确定ICM。
最大脉冲电流额定值： 直流ICM的1.5～３倍定额；引起内部引线熔断的集电极电流； 引起集电结损坏的集电极电流。
基极电流最大额定值IBM： 内部引线允许流过的最大基极电流，约为（1/2～1/6）ICM
O：另一极开路；S：短路；R：外接电阻；X：反向偏置；
Va:：IB=0时，IC电流急剧 增加时电压；
Vb:：IE=0时，IC电流急剧 增加时电压；
一般：
另：BVEBO集电极开路时，发射结最高反向偏置电压。 几伏，典型值8V。
②最大电流额定值： 大电流下，三种物理效应会使GTR电气性能变差，甚至损坏器件。 集电极电流最大额定值ICM：
TC=250C VCE=2V
TC=250C，VCE=－2V
③管子温度相同时，VCE越大，β越大。
④β随温度增加而增加，大电流下，β随温度增加而减小。
⑤GTR反接时，β很小。
4．最大额定值——极限参数 由GTR材料、结构、设计水平、制造工艺决定。
①最高电压额定值： BVCEO，BVCBO，BVCES，BVCER，BVCEX
VD1引入，加速V2、V1的同时关断， 引出B2极可另外控制。
五、GTR模块
将GTR管芯、稳定电阻R1R2、加速二极管VD1、续流二极管VD2 组成一个单元。将几个单元组合在一个外壳内——模块。
利用集成工艺将上述单元集成于同一硅片上，器件集成度高， 小型轻量化，性能/价格比高。
C1
B1 E1C2
B2
3．共射电流增益 β：反映GTR的电流放大能力，IC与IB比值。
①GTR正向偏置时，βF随IC减 小而减小，基区复合电流 到一定程度β=βmax，IC再增 大，由于基区大注入效应、基 区扩展效应，β开始下降。
TC=1250C，VCE=2V
TC=250C VCE=400V
使用时要求：发射结正偏，集电结反偏。
二、GTR与普通晶体管区别
1.普通晶体管：信号晶体管，用于放大信号； 要求增益适当，fT高，噪声系数低，线性度好，温度漂移 和时间漂移小。工作于放大区，以载流子运动为出发点， 分析载流子扩散、漂移、复合现象。电流控制特性为线性 关系。
2.GTR：用于功率开关； 要求容量足够大，高电压，大电流，适当增益，较高工作 速度，较低功率损耗。
一般，由于发射区高浓度掺杂，rES可忽略； VCES的大小， 关系器件导通功率损耗。达林顿管，VCES、VBES较大。
饱和压降特性曲线
基极正向压降特性曲线
TC35-400型GTR：电流50A， β = 5；
VCES随IC电流增大而增大；IC不变时，随温度增加而增加。 VBES随IC电流增大而增大；小电流下，随温度增大而减小， PN结负温度系数。大电流下，随温度增大而增大。