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全控型电力电子器件

全控型电力电子器件. 6.5 全控型电力电子器件. 6.5.1 控制极可关断晶闸管（ GTO ） 可控制器件的开通，又可控制器件的关断。 　　　优点：主电路器件少，结构简单；装置小巧轻便 ; 装置无噪声、效率高；易实现脉宽调制，可改善输出波形。 1.GTO 的结构和工作原理 　　　普通晶闸管是 PNPN 四层结构，引出三个电极，即阳极、阴极和控制极，是一种单元器件。. GTO 剖面 　　　　　　　　　　　 (b) 电路符号 图 6.5.1 GTO 的结构. 6.5 全控型电力电子器件.

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全控型电力电子器件

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  1. 全控型电力电子器件

  2. 6.5 全控型电力电子器件 • 6.5.1 控制极可关断晶闸管（GTO） • 可控制器件的开通，又可控制器件的关断。 • 　　　优点：主电路器件少，结构简单；装置小巧轻便;装置无噪声、效率高；易实现脉宽调制，可改善输出波形。 • 1.GTO的结构和工作原理 • 　　　普通晶闸管是PNPN四层结构，引出三个电极，即阳极、阴极和控制极，是一种单元器件。 • GTO剖面 　　　　　　　　　　　 (b)电路符号 • 图6.5.1 GTO的结构

  3. 6.5 全控型电力电子器件 • 图6.5.2为GTO的工作电路简图，A.、K和G分别为GTO的阳极、阴极和控制极，EA和RK分别为工作电压和负载电阻；EG1和RG1分别为正向触发电压和限流电阻；EG2和RG2分别为反向关断电压和限流电阻。当S置于“1”时，GTO导通，当S置于“2”时，GTO关断。 图6.5.2 GTO的工作电路简图

  4. 6.5 全控型电力电子器件 • 2.GTO阳极伏安特性 图6.5.3 GTO的阳极伏安特性

  5. 6.5 全控型电力电子器件 • 3.GTO的主要参数 • （1）可关断峰值电流IATO • IATO也称最大门极关断阳极电流。 • （2）维持电流IH • 　　　当阳极电流减小到开始出现GTO元不能再维持导通时的数值，为GTO的维持电流IH。 • （3）擎住电流 IL • GTO经控制极触发后，阳极电流上升到保持所有GTO元导通的最低值定义为擎住电流值。 • （4）开通时间ton • 　　　开通时间是指延时间td和上升时间tr之和， • 即。GTO的td约1~2ns，上升时间tr随通态阳极电流值的增大而增大。 • (5) 关断时间toff • 关断时间一般指储存时间ts和下降时间tf之和，即 。储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于 。 　

  6. 6.5 全控型电力电子器件 • 6.5.2 电力晶体管（GTR） • 又称为双结型晶体管BJT（Bi Junction Transistor）。既有晶体管的固有特性，又扩大了功率容量 。 • 1、GTR的结构和工作原理 • GTR与普通的双极型晶体管基本结构、工作原理是相同的，也分NPN和PNP两种。主要用途是做功率开关使用，要求有足够大的容量，较高的开关速度和较低的功率损耗 。 (a)NPN，PNP型结构 (b)实用达林顿结构图 图6.5.4 达林顿晶体管

  7. 6.5 全控型电力电子器件 • 2、GTR的主要参数 • 电流放大倍数　、集电极与发射极间漏电流ICEO、集电极和发射极间饱和压降Uces外，还要关注功率晶体管的最大额定值：　 • （1）最高工作电压。如反向击穿电压U(BR)CBO，U（BR）CEO等。 • （2）集电极最大允许电流ICM。通常规定直流电流放大系数　 下降到规定值的1/2~1/3时，所对应的Ic为最大允许电流。 • （3）集电极最大耗散功率PCM。指在最高温度下允许的耗散功率，间接指定了最高工作温度TjM。

  8. 6.5 全控型电力电子器件 • 6.5.3　电力场效应晶体管（电力MOSFET） • 　 电力MOSFET是一种单极型电压控制器件。优点：驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快、工作频率高、输入阻抗高、稳定性优良、无二次击穿、安全工作区宽。 • 1、电力MOSFET的结构和工作原理 • 　　　电力MOSFET也分为P沟道和N沟道，耗尽型与增强型。以N沟道增强型为主，采用了垂直导电结构，提高了电流密度，其结构和符号如图6.5.5所示。 (a) 结构 (b)符号 图6.5.5 电力MOSFET的结构和符号

  9. 6.5 全控型电力电子器件 • 2、电力MOSFET的主要参数 • 　除了的跨导gm、开启电压UT，还有以下参数： • （1）漏源额定电压UDS。这是标称电力MOSFET电压定额的参数，工作时绝不能超出这个电压，要留有一定的安全裕量。 • （2）漏极额定电流ID和漏极峰值电流IDM。 这是标称MOSFET电流定额的参数。主要受工作温度的限制，选择器件时要考虑充分的裕度。 • （3）漏源击穿电压BUDS。该电压决定了功率MOSFET的最高工作电压，限制了器件的电压和功率处理能力。 • （4）栅源击穿电压BUGS。该电压表征了功率MOSFET栅源之间能承受的最高电压。 • （5）通态电阻Ron。通态电阻Ron是影响最大输出功率的参数。通常规定为在确定的栅源电压UGS下，电力MOSFET饱和导通时漏源电压与漏极电源的比值。

  10. 6.5 全控型电力电子器件 • 6.5.4 绝缘栅双极晶体管（IGBT） • 绝缘栅双极晶体管将MOSFET与GTR的优点集于一身，是一种新型复合器件，优点：输入阻抗高、开关速度快、热稳定性好、所需驱动功率小、通态电压低、高压电流大 。 • 1、IGBT的结构和工作原理 • IGBT也是三端器件，有栅极G，集电极C和发射极E。 图6.5.6 IGBT结构剖面图及符号

  11. 6.5 全控型电力电子器件 (a) 等效电路 　　　　　　　　　 (b)符号 图6.5.7 简化等效电路及符号

  12. 6.5 全控型电力电子器件 • 2．IGBT模块 • IGBT模块把一个或多个IGBT按一定的电路结构形式封装在一个壳体内，其中有单个IGBT组装成多种不同的形式的单管模块、两个IGBT组装成多种不同形式的双管模块及多个IGBT组装成的多管模块等。如图6.5.8所示。 图6.5.8 电路与封装外壳图（部分）

  13. 6.5 全控型电力电子器件 • 3．IGBT的伏安特性 • IGBT的伏安特性包括输出的特性和传输特性的。 • IGBT的输出特性是指以栅射电压UGE作为参变量时，集电极电流IC和集射电压UCE之间的关系曲线。如图6.5.9 (a)所示，控制变量是栅射电压UGE， IGBT的伏安特性可分为饱和区、击穿区和放大区3个部分。 图6.5.9 IGBT的输出特性和传输特性 (a) 输出特性 （注：饱和区I、放大区II、击穿区III） (b) 传输特性

  14. 6.5 全控型电力电子器件 • IGBT的传输特性是指它输出集电极电流IC与栅射控制电压UGE之间的关系曲线。当栅射电压UGE<UGE(th)时，IGBT处于关断状态。当UGE>UGE(th)时，IGBT导通。 • 4. IGBT主要参数 • (1)集电极——发射极额定电压UCES。栅极短路时IGBT能承受的耐压值。 • (2)栅极——发射极额定电压UGES。UGES就是栅极控制信号的电压额定值。目前，IGBT的UGES值大部分为+20V，使用中不能超过该值。 • (3)额定集电极电流IC。该参数给出了IGBT在导通时能流过管子的持续最大电流。 • (4)集电极——发射极饱和电压UEC(sat)。IGBT在正常饱和导通时集电极一发射极之间的电压降。 • (5)开关频率。开关频率是以导通时间ton、下降时间tf和关断时间toff给出的，据此可估计出IGBT的开关频率。

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