電力電子技術(shù)課件2

第7章全控型電力電子器件80年代以來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了一代高頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，從而將電力電子技術(shù)又帶入了一個嶄新時代。門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙極型晶體管就是全控型電力電子器件的典型代表?！?.1門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor——GTO）是也晶閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。GTO的關(guān)斷機(jī)理：在SCR的雙晶體管等效模型中，利用門極負(fù)電流分流IC1，并快速抽取V2管發(fā)射結(jié)兩側(cè)存儲的大量載流子，以實現(xiàn)快速關(guān)斷。在工藝結(jié)構(gòu)上比SCR有兩點改進(jìn)：等效晶體管的電流放大倍數(shù)減小，經(jīng)正反饋導(dǎo)通后接近臨界飽和狀態(tài)，有利于減小關(guān)斷時間和提高開關(guān)頻率。采用多GTO單元并聯(lián)集成結(jié)構(gòu)，門極和陰極間隔排列，使P2基區(qū)載流子均勻快速地從門極抽出，也不易造成局部過熱，di/dt耐量增大。

GTO的動態(tài)特性開通過程:需要經(jīng)過延遲時間td和上升時間tr。開通時iG為正脈沖，觸發(fā)導(dǎo)通后門極電流可以撤除。關(guān)斷過程:從iG的負(fù)脈沖開始分為三段，需要經(jīng)歷抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流子的時間——儲存時間ts，從而使等效晶體管退出飽和狀態(tài)；然后則是等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小時間——下降時間tf；最后還有殘存載流子復(fù)合所需時間——尾部時間tt。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長，即tf<ts<tt。門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，抽走儲存載流子的速度越快，ts就越短。使門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍能保持適當(dāng)?shù)呢?fù)電壓，則可以縮短尾部時間。

圖7-2GTO的開通和關(guān)斷過程及電流波形GTO的主要參數(shù)最大可關(guān)斷陽極電流IATO即額定電流。而普通晶閘管用通態(tài)平均電流來標(biāo)稱其額定電流。電流關(guān)斷增益off最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益，即off=IATO/IGM。off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。比如，一個1000A的GTO，關(guān)斷時門極負(fù)脈沖電流的峰值要200A，這是一個相當(dāng)大的數(shù)值。開通時間ton一般較短，約數(shù)s關(guān)斷時間toff關(guān)斷時間一般比開通時間ton長許多。GTO的主要優(yōu)缺點：優(yōu)點：電壓電流容量大（比SCR略?。?；開關(guān)速度比SCR高得多。缺點：關(guān)斷電流增益小，門極負(fù)脈沖電流大，驅(qū)動較困難；通態(tài)壓降較大。不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，無反向阻斷能力。當(dāng)需要承受反向電壓時，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)使用。GTO的許多性能雖然與絕緣柵雙極型晶體管、電力場效應(yīng)晶體管相比要差，但其電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用?！?.2電力晶體管（GiantTransistor—GTR）GTR是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT）。電流驅(qū)動型全控器件。GTR的結(jié)構(gòu)：GTR通常采用多單元并聯(lián)集成工藝的達(dá)林頓（Darlington）復(fù)合結(jié)構(gòu)，電流放大系數(shù)值較高。單管GTR的值較小，通常為10左右，采用達(dá)林頓復(fù)合接法可以有效地增大電流增益。比如兩級復(fù)合的達(dá)林頓管，=1·2。達(dá)林頓復(fù)合使飽和導(dǎo)通壓降增加。二重復(fù)合GTR的導(dǎo)通壓降為：單管臨界飽和壓降約為0.7~1V，則二重復(fù)合GTR的UCES大致為1.4~2V。三重復(fù)合時可達(dá)2~3V。導(dǎo)通壓降的升高會使GTR的通態(tài)損耗大為增加。BCEV1V212圖7-3兩級復(fù)合達(dá)林頓GTR及電氣符號GT任R模塊息：為了籌改善GT遞R的性威能，刊方便琴使用益和提與高可匹靠性園，將野多級訂復(fù)合核達(dá)林鑒頓GT勉R與必偽要的糠外圍凝電阻援和二京極管語集成熟在一產(chǎn)起，摟構(gòu)成陰電力脾晶體溫管模少塊（GT她R附M筍od航ul龜e）憤，集成扛管芯販與管托殼散聽熱板床之間男充滿氏導(dǎo)熱錘硅膠鉆，但愉與外壯殼絕紀(jì)緣。BCEV1V2R1R2VD2VD1圖7-4GTR模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)R2為泄漏恩電阻，為V2管的鐘集電航極與雀發(fā)射啞極之絮間的趟漏電柳流ICE活O2提供管分流只通路隔，使緞得在IB2=0磨、V2截止慢時，V1對ICE蹲O2的放繞大作教用減椅弱，敗從而烘使ICE叮O1及整炮體復(fù)涼合管手的ICE美O明顯覆減小軋，提均高其內(nèi)溫度仿穩(wěn)定雀性。在晶暴體管譜處于蠻關(guān)斷草過程恨和斷檢態(tài)時稿，R1、R2分別山為兩來個發(fā)駱射結(jié)野提供潤低阻派回路膏，保畫證GT建R的可折靠阻個斷和滿提高鞋工作匯穩(wěn)定主性，綢減小向外部集干擾維影響躺。VD2在GT寸R關(guān)斷浴過程禍中為V1管的隨基區(qū)貴載流稈子的舒抽取造提供猾通路革，提違高其拘關(guān)斷極速度哨，因蹤蝶為在央關(guān)斷GT命R時需您要驅(qū)皺動電部路為齊兩管柄提供揉負(fù)偏撿壓作羞用于幕兩個旺發(fā)射巡壽結(jié)，源形成挎負(fù)向密基流材，以誘便快余速抽思出發(fā)期射結(jié)益兩側(cè)昂的存辛儲電鳥荷。VD1是GT薄R的逆導(dǎo)右二極普管，逆逝導(dǎo)開蹄關(guān)在悔電力甘變換紫電路詞中很廚常用尿。VD1、V隔D2均應(yīng)怨為快偶恢復(fù)伏開關(guān)瓣二極解管，澡實際干工藝享中與R1、R2及V1、V2制作娃在同涼一硅屆片上搶。GT挽R的基通本特鐵性及劇控制愉方式靜態(tài)之輸出鈔特性蒸與普勞通三飛極管仰一樣終分為三個殊區(qū)。在導(dǎo)鞏通期毯間基乘極電疾流保俘持正胡脈沖Ib1直至鼓關(guān)斷捐，關(guān)斷GT翅R時基歇極作常用以猜短暫甚的負(fù)斷脈沖Ib2，然后薦恢復(fù)詠到零杜，維麥持阻返斷。離流控耍器件隔，基們極驅(qū)剪動電罩流比GT墓O小。E為公倚共端蜜。通常伏驅(qū)動甚使其臨界票飽和，以牌提高箭關(guān)斷默速度霧，但都導(dǎo)通柄壓降筒增大祥。開關(guān)右速度拍比GT粱O快，勒但電標(biāo)壓電則流容密量比GT票O(jiān)小。主要倦?yún)?shù)最高辭工作疲電壓GT頑R的擊牧穿電界壓不厚僅和哭晶體連管本翼身的因特性江有關(guān)闖，還達(dá)與外啊電路役的接俊法有軋關(guān)。別5種疑擊穿踢電壓特之間姐的關(guān)觸系為孤：BUcb斥o>BUce抄x>BUce及s>BUce次r>BUce島o。其中BUce圖s和BUce伶x為b-淘e間短喝路和江反向據(jù)偏置海時c-蓋e間的勒擊穿拼電壓。集電拆極最掩大允擠許電火流IcM通常啟規(guī)定值下降斃到規(guī)版定值謀的1肥/2犧~1其/3檔時，畜所對疑應(yīng)的Ic為集怎電極獵最大擋允許椒電流神。實滑用時挎要留脹有一快半左腹右的這裕量愁。GT抓R的耐攏電流編沖擊窗能力鬧遠(yuǎn)不連如SC楚R和GT龍O。集電賽極最搬大耗獻(xiàn)散功賄率PcM指在拒最高鬧工作辣溫度鞭下允帥許的柔耗散抵功率漲。所迫允許注功耗懂與散介熱條箏件有傍關(guān)。GT君R的二齒次擊販穿現(xiàn)既象與晌安全請工作紡區(qū)二次勿擊穿拉現(xiàn)象當(dāng)GT悲R的集皺電極脹電壓歐升高忍至擊獄穿電案壓時喇，集為電極這電流鍵迅速贏增大虹，這各種首忌先出片現(xiàn)的歐擊穿蘇是雪吼崩擊瞎穿，耐被稱鏈為一次黑擊穿。出斧現(xiàn)一舌次擊卡穿后媽，只勉要Ic不超扒過與墓最大震允許題耗散伸功率禮相對磚應(yīng)的敘限度旦，GT歌R一般恩不會跌損壞序。但秋是實拴際應(yīng)環(huán)用中蔬常常奪發(fā)現(xiàn)呆一次拐擊穿屢發(fā)生遠(yuǎn)時如滿不有挎效地徐限制連電流饞，Ic增大治到某辯個臨邀界點嶼時會牙突然秀急劇虜上升曲，同菠時伴狡隨著厭電壓抹的陡蔽然下善降，雅這種晶現(xiàn)象網(wǎng)稱為二次真擊穿。二需次擊杠穿常秒常立株即導(dǎo)拒致器雞件的輩永久怠損壞而。內(nèi)謎部出拐現(xiàn)電峽流集撕中點魚，引茂起局念部過輸熱，省使GT女R徹底帳損壞慌，管某殼卻詳覺不氧到熱縱。對GT玩R危害柏極大毀。圖7-7GTR的二次擊穿過程安全河工作印區(qū)（Sa得fe際O戀pe充ra種ti下ng至A唉re育a—只—S議OA醬）將不肺同基娛極電煌流下永二次輩擊穿纏的臨張界點抗連接蜓起來梢，就猶構(gòu)成爆了二孟次擊敘穿臨蠟界線武，臨浪界線擾上的肢點反抬映了挖二次璃擊穿膜功率PSB。§7.3永電力菌場效肚應(yīng)晶里體管（Po從we桂r獻(xiàn)MO行SF濾ET偏）電力題場效姻應(yīng)管旦有這撿兩種面類型忙，但筒通常趨主要伯指絕短緣柵些型中姓的MO初S型（Me伍ta糖l昆Ox危id潑e鎮(zhèn)Se擴(kuò)mi局co汗nd鋤uc速to智r六FE痛T）鳥。至于跨結(jié)型腳電力覆場效濕應(yīng)晶丸體管厘則一臥般稱工作靜鑰電感泛應(yīng)晶勝體管刷（St標(biāo)at束ic晶I戚nd劣uc志ti漁on顆T便ra響ns貞is灣to晉r蟻——燒SI迷T）洪。工藝砌結(jié)構(gòu)紫特點類：電力MO寺SF崇ET屬于單極撒型器沒件，只勢有一歲種極繳性的誼載流芳子（警多子衛(wèi)）參夸與導(dǎo)注電。采用吳垂直撇導(dǎo)電氣結(jié)構(gòu)濾，故猾又稱誼為VM乏OS掩FE孫T（V祝er觸ti板ca高l非MO艷SF攪ET扭）。這大男大提述高了MO津SF徑ET器件但的耐也壓和腹耐電傷流能挪力（警小功懸率MO間S管的陶導(dǎo)電戀溝道鹽平行球于芯窮片表芽面，交是橫椅向?qū)Щ\電器武件）損。按垂經(jīng)直導(dǎo)慮電結(jié)蝕構(gòu)的者差異石，又畜分為小利用V型槽實現(xiàn)亂垂直擁導(dǎo)電參的VV當(dāng)MO右SF娃ET華（V買er剛ti燙ca訪l償V-蛾gr屢oo扭ve伐M凳OS但FE音T）和具膽有垂直沿導(dǎo)電包雙擴(kuò)免散MO鋸S結(jié)構(gòu)丸的VD池MO仰SF刷ET帽（V旗er嗎t(yī)i船ca杏l植Do英ub武le舊-d拉if鞏fu絞se似d覽MO半SF返ET達(dá)）。電力MO增SF染ET也是多單流元并它聯(lián)集太成結(jié)構(gòu)扣。控制寒方式星：以G-賭S間施賀加電臥壓的棍高低場來控油制D-碼S間主允電流盲的通鑰斷。源極S為公電共端。門疾極幾乏乎不龍取用魂電流井，屬壓控視器件。uGS正電冒壓超慣過開拖啟電塔壓時搖導(dǎo)通釀，負(fù)姥電壓師作用螞可使蠻其快厲速關(guān)汁斷。VM暢OS客FE罩T開關(guān)練速度跳高的驢根本騙原因：開關(guān)波控制懷機(jī)理籮上屬洗于單幟極型思（多堪子）掀導(dǎo)電充器件戲，通研過電忠場感跑應(yīng)控動制反垃型層郊溝道套寬度孩，不劣存在編正偏PN結(jié)所瞇固有惑的載你流子物存儲漫效應(yīng)早（失倚去了挨電導(dǎo)桿調(diào)制攻效應(yīng)害），軟也不績存在角少子俘復(fù)合悉問題底。影響尾開關(guān)多速度盜的主絹要因夕素：開關(guān)蚊時間逢主要延決定余于柵攏極輸幅入電墓容Cin的充炕放電臉快慢那，應(yīng)向盡可施能減翻小柵辱極回械路時摸間常熱數(shù)=RsCin。特點匙：優(yōu)點扔：開關(guān)光頻率傲最高犁；驅(qū)監(jiān)動電誦流小澇，易舌驅(qū)動駝；通逢態(tài)電原阻具陽有正電溫度懇系數(shù)穿（有案利于免器件廳并聯(lián)股均流連）；缺點撲：電壓席電流窗容量涌較小陰；通列態(tài)壓媽降較疊大，ID大則播壓降分隨之靜增大跪（因杏為無腥正向PN結(jié)的持電導(dǎo)薯調(diào)制供效應(yīng)堵）。不用針時G-憲S間眾短接姐，以吳防靜鐵電擊漆穿?！?.原4膚絕狂緣柵棉雙極往型晶未體管她（IG士BT紐奉）結(jié)構(gòu)性特點良：復(fù)合蹲型器恒件，獲將GT筆R雙極盆型電燥流驅(qū)迫動器艦件和查電力MO家SF坦ET單極疼型電墨壓驅(qū)常動器量件結(jié)飲合，灣相互利取長流補(bǔ)短禿，構(gòu)徒成絕膜緣柵斷雙極僻晶體委管（In草su霜la保te滋d-憶ga糟te刊B哨ip乘ol賓ar睛T害ra山ns檢is播to混r—凝—I緣瑞GB走T）敲。綜合擺了GT癢R和MO嫩SF陣ET的優(yōu)竹點，畏因而扣具有凍良好網(wǎng)的特敘性。林目前本已取子代了盆原來GT懂R和一凡部分慨電力MO認(rèn)SF慶ET的市舒場?？刂颇惴绞絾幔篒G預(yù)BT的驅(qū)求動與VM聯(lián)OS姜FE銀T類似訂，也嫁是一頸種壓磨控器隙件。剃其C-損E間主昌電流糟的通妨斷是揀由柵節(jié)極和屬射極加間的莫電壓uGE的高滋低決盈定的老。E極為痰公共孤端。當(dāng)uGE為正展且大銳于開居啟電爆壓UGE茶(th)時，MO急SF嬌ET內(nèi)形喘成溝約道，考并為PN負(fù)P型GT蛋R提供攤基極烏電流艘進(jìn)而尸使IG醒BT導(dǎo)通靠。當(dāng)新柵極禿與發(fā)獨射極靈間施近加反耀向電帖壓或甘不加錦信號而時，MO束SF賢ET內(nèi)的暑溝道枯消失笛，GT付R的基霞極電燙流被瘡切斷滾，使揪得IG符BT關(guān)斷以。IG替BT的特診點：開關(guān)壇速度服高，穗開關(guān)才損耗坑小。監(jiān)開關(guān)速頻率俱略低屯于MO竟SF照ET誕；電壓夜電流猜容量搖大，迎高于GT答R；驅(qū)動鵝電流盈小，雙驅(qū)動卡電路柳簡單意。§7潑.5多其它影新型然電力允電子怎器件MO舅S控制域晶閘冶管(MC酒T)MC活T（乳MO川S絡(luò)Co占nt靠ro辛ll旨edTh栗yr慨is除to荷r）是將MO摩SF春ET與晶斬閘管富組合凳而成竊的復(fù)相合型燃器件。MC刮T將MO當(dāng)SF屈ET的高傻輸入總阻抗昌、低截驅(qū)動仙功率霉、快苦速的暢開關(guān)仰過程騰和晶孫閘管營的高累電壓冒大電襲流、孩低導(dǎo)督通壓灣降的疼特點抬結(jié)合擇起來顯。MC約T具有富高電袍壓、鵲大電簡流、匙高載祝流密也度、創(chuàng)低通姜態(tài)壓晝降的唱特點歪。MC末T曾一遣度被派認(rèn)為圈是一以種最致有發(fā)顛展前暴途的邊電力沉電子液器件時。因毒此，道20胸世紀(jì)益80飾年代索以來出一度幼成為炎研究墓的熱錯點。地但經(jīng)劉過十車多年賢的努飯力，膀其關(guān)必鍵技趟術(shù)問脹題沒犧有大擋的突鋪破，姨電壓麗和電竟流容井量都先遠(yuǎn)未晶達(dá)到歐預(yù)期損的數(shù)粥值，尿未能讓投入另實際類應(yīng)用怠。而房誠其競峽爭對采手IG湊BT卻進(jìn)視展飛糕速。靜電煉感應(yīng)籌晶體致管SI稅TSI住T（炊St營at肉ic箭I詢nd征uc連ti梢on獄T倉ra揚ns奏is襲to碎r）實際那上是傷一種冰結(jié)型島場效仔應(yīng)晶房誠體管狠。SI懸T是一朗種多頑子導(dǎo)夾電的油器件刑，其唇工作脊頻率北與電陷力MO伏SF餡ET相當(dāng)麗，甚馬至超慘過電騾力MO濫SF塑ET承，而功盞率容辨量也娘比電躁力MO捕SF股ET大，展因而普適用聲于高蝕頻大漠功率右場合筒，目謊前已輛在雷箱達(dá)通窯信設(shè)膜備、往超聲樸波功李率放浙大、點脈沖邀功率矩放大給和高壺頻感永應(yīng)加諸熱等山某些寸專業(yè)息領(lǐng)域競獲得奸了較場多的乒應(yīng)用切。缺點其：正直常導(dǎo)索通型蓋器件駁，在柵節(jié)極不乎加任壟何信混號時繼是導(dǎo)怠通的脂，柵委極加映負(fù)偏約壓時座關(guān)斷臣，使奇用不妖太方商便；辨此外政，SI者T通態(tài)倉電阻泰較大攪，使故得通譜態(tài)損才耗也膛大，以因而SI妄T還未汗在大慰多數(shù)丟電力鋤電子寒設(shè)備釋中得脫到廣棋泛應(yīng)卻用。靜電熱感應(yīng)雞晶閘拳管（SI泄TH成）SI臺TH染（S戰(zhàn)ta役ti落c從In蒸du婚ct首io鳳nTh勝yr暑is之to趙r）又被嘆稱為跌場控矮晶閘此管（Fi醫(yī)el永d膽Co島nt吹ro隙ll押edTh弓yr棍is抄to繞r——嫌FC驅(qū)T）用。由于滴比SI弄T多了餓一個福具有堤少子把注入帆功能濤的PN結(jié)，弄因而SI壩TH是兩獵種載吳流子羽導(dǎo)電兩的雙售極型信器件滅，具乎有電賠導(dǎo)調(diào)抄制效仙應(yīng)，超通態(tài)紋壓降榨低、瓜通流隔能力越強(qiáng)。蘭其很魄多特價性與GT桑O類似頓，但貨開關(guān)英速度內(nèi)比GT結(jié)O高得溪多，銳是大頸容量哥的快妹速器檢件。屬正見常導(dǎo)顛通型項，其梢制造限工藝嘉比GT鉛O復(fù)雜牢得多逮，電郵流關(guān)艦斷增靠益較摘小，橋因而你其應(yīng)露用范豎圍還酬有待游拓展拘。集成諒門極袖換流宿晶閘覺管（IG鉛CT嫁）IG師CT就（I塌nt鉤eg苗ra刑te火d鋼Ga告te糧-C顛om蛛mu子ta臉te好dTh老yr持is凱to療r）將IG沸BT與GT睛O的優(yōu)啞點結(jié)媽合起除來，鋪其容維量與GT飄O相當(dāng)擁，但往開關(guān)供速度需比GT鋪O快1狗0倍輩，而賊且可揉以省痕去GT爭O應(yīng)用崗時龐噴大而體復(fù)雜賢的緩差沖電般路，印只不鑼過其王所需賤的驅(qū)餅動功承率仍棗