第4章 全控型电力电子器件

ton=td+tr

当基极电流突然从正向 IB1变为反向IB2时，GTR的集电极电 流iC并不立即减小，仍保持ICS，而要经过一段时间才下降。
存储时间ts：把基极电流从正向IB1变为反向IB2时到iC下降 到0.9ICS所需的时间。 下降时间 tf： iC 继续下降， iC 从0.9ICS 下降到0.1ICS 所需的 时间。


4.2

电力晶体管（GTR）
电力晶体管也称巨型晶体管（ GTR—Giant Transistor ）， 是 一 种 双 极 型 、 大 功 率 、 高 反 压 晶 体 管 (Bipolar Junction Transistor-BJT)。GTR和GTO一样具有自关断能 力，属于电流控制型自关断器件。 GTR可通过基极电流信
4.1
门极可关断晶闸管（GTO）
4.1.1 GTO的结构和工作原理 1、GTO的结构

GTO为四层PNPN结构、三端引出线（A、K、G）的器件。和晶闸管不同 的是：GTO内部是由许多四层结构的小晶闸管并联而成，这些小晶闸 管的门极和阴极并联在一起，成为GTO元，而普通晶闸管是独立元件 结构。下图是GTO的结构示意图、等效电路及电气符号。


2、功率晶体管的工作原理
以NPN型双极型功率晶体管为例，若外电路电源使UBC<0,则 集电结的PN结处于反偏状态；UBE>0，则发射结的PN结处于 正偏状态。此时晶体管内部的电流分布为：

（1）由于 UBC<0，集电结处于反偏状态，形成反向饱和电 流ICBO从N区流向P区。 （2）由于UBE>0，发射结处于正偏状态，P区的多数载流子

空穴不断地向N区扩散形成空穴电流IPE，N区的多数载流子 电子不断地向P区扩散形成电子电流INE。
4.2.2 GTR的特性与主要参数
1、 GTR的输出特性
指在一定的基极电流IB下，集射极电压UCE同集电极电流 IC 的关系特性。晶体管有放大、饱和与截止三种工作状态。

① 截止区：GTR的e结和c结均承受高反偏电压，相当于开 关断开。

GTR的开关响应特性

延迟时间td：加入IB1后一段 时间里， iC 仍保持为截止状 态时的很小电流，直到 iC 上 升到0.1I CS。 上升时间 tr ： iC 不断上升， 直到iC=ICS，GTR进入饱和状 态。 tr 指 iC 从 0.1ICS 上升到 0.9ICS所需要的时间。 GTR 的开通时间 ton ：延迟时 间td和上升时间tr之和。即
号方便地对集电极 - 发射极的通断进行控制，并具有饱和 压降低、开关性能好、电流较大、耐压高等优点。 GTR 已 实现了大功率、模块化、廉价化。
4.2.1 GTR的结构与工作原理


1、功率晶体管的结构
结构与小功率晶体管相似，也有三个电极，分别为 B( 基 极)、C(集电极)、E(发射极)。GTR属三端三层两结的双极 型晶体管，有两种基本类型， NPN 型和 PNP 型。 GTR 的基本 结构及电气符号如下图所示。

（3）阳极尖峰电压 U p ：在GTO关断过程中，在下降时间 的尾部出现了一个阳极尖峰电压，尖峰电压超过一定值会 引起GTO失效。 （ 4 ）维持电流 I H ： GTO 的维持电流是指阳极电流减小 到开始出现GTO元不能再维持导通的电流值。当阳极电流略 小于维持电流时，仍有部分GTO元维持导通，这时若阳极电 流回复到较高数值，己截止的GTO元不能再导电，就会引起 维持导通状态的GTO元的电流密度增大，出现不正常的状态。 （5）擎住电流 I L ：擎住电流是指GTO元经门极触发后， 阳极电流上升到保持所有GTO元导通的最低值。


② 放大区：e结正偏、c结反偏，此时GTR功耗很大。
③ 饱和区：特点是e结和c结均正偏。GTR饱和导通，相当 于开关闭合。 GTR 作开关时，其断态工作点须在截止区， 通态工作点须在饱和区。

GTR的输出特性
2、GTR的动态（开关）特性

晶体管有线性和开关两种工作方式。当只需要导通和关断 作用时采用开关工作方式。 GTR 主要应用于开关工作方式。 在开关工作方式下，用一定的正向基极电流 IB1 去驱动 GTR 导通，而用另一反向基极电流 IB2 迫使 GTR 关断，由于 GTR 不是理想开关，故在开关过程中总存在着一定的延时和存 储时间。



此后，iC继续下降，一直到接近反向饱和电流为止，这时 BJT完全恢复到截止状态。
BJT的关断时间toff：存储时间ts和下降时间tf之和，即

toff=ts+tf
3、双极型功率晶体管的主要参数
（1）GTR的电流放大倍数β值：β定义为晶体管的集电
极电流变化率和基极电流变化率之比。
（2）GTR的反向电流： GTR的反向电流会消耗一部分电 源能量，会影响管子的稳定性。常希望反向电流尽可能小。
关断时，关断脉冲电流上升率一般为 10～50A/μS。脉冲 应具有一定的宽度，关断脉冲电流的幅度一般为 (1/8 ～ 1/3)I ATO ，其后沿也应尽量平缓些。

2、门极驱动电路

GTO 的驱动电路通常包括开 通驱动电路、关断驱动电路 和门极反偏电路三部分。 ① 恒压源驱动控制
恒压源驱动控制电路如图所 示，晶体管V1控制GTO触发导 通；V2控制GTO关断。关断电 源E2须小于GTO的门极反向电 压 UGRM之值，否则会引起 GTO 产生雪崩电流。
4.2.4 GTR的驱动信号和驱动电路


1、驱动信号
GTR理想的基极电流波形如下图所示。


2、驱动电路
固定反偏互补驱动电路如图示。当ui为高电平时，晶体管V1 及 V2 导通，正电源 +VCC 经过电阻 R3 及V2 向GTR 提供正向基极 电流，使GTR导通。当ui 为低电平时， V1 及V2 截止而V3导 通，负电源- VCC 加于GTR的发射结上，GTR迅速关断。
第4章 全控型电力电子器件

本章要点
可关断晶闸管（GTO）的结构、工作原理、特性、 参数；驱动和缓冲电路


电力晶体管（GTR）的结构、工作原理、特性、参 数；驱动、保护和缓冲电路
功率场效应晶体管（P-MOSFET）的结构、工作原 理、特性、参数；驱动、保护和缓冲电路 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的结构、工作原理、 特性、参数；驱动和保护电路


4.1.3 GTO的驱动信号和驱动电路


1、门极驱动信号
GTO 门极电流、电压控制波形分为开通和关断两部分，推 荐波形如下图所示。图中，i G 实线为波形， u G 虚线为波 形，i G 为正向触发电流。


对门极控制电流信号的波形要求是：
开通时，门极电流脉冲前沿陡度大，一般为 5 ～ 10A/μS， 门极正脉冲电流的幅度比规定的额定直流触发电流应大 3 ～ 10 倍，正脉冲宽度一般为 10 ～ 60μS，而后沿应尽量 平缓些。

最终达到维持电流为止的时间。

GTO的关断特性
4、主要参数
GTO 有许多参数与晶闸管相同，这里只介绍一些与晶闸 管不同的参数。
（1）最大可关断阳极电流IATO

电流过大时 α1+α2稍大于 1的条件可能被破坏，使器件饱 和程度加深，导致门极关断失败。。
（2）关断增益off

GTO的关断增益 off 为最大可关断阳极电流 IATO 与门极负电 流最大值IgM之比off，通常只有5左右。
4.2.3 GTR的二次击穿与安全工作区


1、二次击穿
GTR的一次击穿是指集电结反偏时，空间电荷区发生载流子 雪崩倍增，集电极电流骤然上升的现象。特点是：击穿发生 时，虽然集电极电流急剧增大，但集电结电压基本不变。在 发生一次击穿时，如果有外接电阻限制电流的进一步增加， 一般不会引起GTR的性能变坏。
4.1.4 GTO的缓冲电路

电力电子器件开通时流过很大的电流，阻断时承受很高 的电压；尤其在开关转换的瞬间，电路中各种储能元件 的能量释放会导致器件经受很大的冲击，有可能超过器 件的安全工作区而导致损坏。附加各种缓冲电路，目的
不仅是降低浪涌电压、du/dt 和di/dt，还希望能减少器 件的开关损耗、避免器件损坏和抑制电磁干扰，提高电 路的可靠性。
2、GTO的工作原理
（1）开通过程

GTO也可等效成两个晶体管P1N1P2和N1P2N2互连，GTO与晶闸 管最大区别就是导通后回路增益 α1+α2 数值不同，其中 α1和α2分别为P1N1P2和N1P2N2的共基极电流放大倍数。晶 闸管的回路增益 α1+α2常为1.15左右，而GTO的α1+α2 非 常接近1。因而GTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关 断阳极电流提供有利条件。
（1）正向偏置安全工作区

GTR的正向偏置安全工作区是 由最大集电极电流 ICM 、集电 极最大允许耗散功率 PCM 、二 次击穿限制值 PSB 和集射极最 大电压UCEmax所组成的区域。

（2）反向偏置安全工作区 为了使晶体管截止而不被 击穿，电压与电流的工作 点必须选在反向安全工作 区之内。 反向偏置基极电 流不同时 ，反向安全工作 区宽窄也不同 ，若反向偏 置基极电流增加时 ，反向 安全工作区变窄。
在发生一次击穿后，若不有效地限制集电极电流，则在电流 继续增加的同时伴随着集射极电压的陡然下降，这种现象称 为二次击穿。发生二次击穿后，在ns数量级的时间内，器件 内部出现明显的电流集中和过热点，轻者使GTR耐压降低、 特性变差；重者使c结和e结熔通，造成GTR永久性损坏。

2、功率晶体管的安全工作区

②
变压源驱动控制
变压源驱动控制如图所示， 晶体管 V 通过电容 C 供给 GTO 触发脉冲信号， GTO 导通时，