1.4全控型電力電子器件1.4全控型電力電子器件

晶閘管通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通，而無法控制其關(guān)斷，因此，我們稱其為半控型器件。通過控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷的電力電子器件被稱為全控型器件。是當(dāng)前電力電子器件中發(fā)展最快的一類器件，這類器件品種很多，目前常見的有門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）、電力場效應(yīng)晶體管（PowerMOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等。常用的典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊1.4.1門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）

門極可關(guān)斷晶閘管GTO是普通晶閘管的一種派生器件，與晶閘管一樣都是PNPN四層三端結(jié)構(gòu)。其電壓、電流容量較大，與普通晶閘管相近，因而在大功率場合仍有較多的應(yīng)用。

和普通晶閘管的管芯結(jié)構(gòu)基本一樣，外部仍然是引出陽極、陰極和門極（控制極）。不同的是，GTO是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出三個(gè)電極，但內(nèi)部則包含了數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽極的小GTO單元，這些小GTO單元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。

1.4.1門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）圖1－11GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

a.各單元的陰極、門極間隔排列b.并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖c.電氣圖形符號(hào)1.4.1門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）

工作原理GTO的工作原理仍然可以用圖1－7所示的互補(bǔ)雙晶體管模型來分析。

圖1－7晶閘管的管芯結(jié)構(gòu)和等效電路

P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)互補(bǔ)晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益（共基極放大倍數(shù)）α1和α2。由普通晶閘管的分析可以看出，α1＋α2＝1是器件臨界導(dǎo)通的條件。當(dāng)α1＋α2>1時(shí)，兩個(gè)互補(bǔ)晶體管V1、V2進(jìn)入過飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)α1＋α2<1時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷1.4.1門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是因?yàn)榕c普通晶閘管相比有如下特點(diǎn)：設(shè)計(jì)器件時(shí)

2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于控制GTO。導(dǎo)通時(shí)

1+

2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但是導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。

多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。

1.4.1門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）

GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。

GTO關(guān)斷過程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程更快，承受di/dt能力更強(qiáng)。

由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：注：GTO在門極正脈沖電流觸發(fā)下導(dǎo)通，在負(fù)脈沖電流觸發(fā)下關(guān)斷。

GTO主要用于直流變換和逆變等需要器件強(qiáng)迫關(guān)斷的地方。1.4.1門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）

GTO和普通晶閘管意義不同的參數(shù)：1、最大可關(guān)斷陽極電流IATO是用來標(biāo)稱GTO額定電流的參數(shù)。2、電流關(guān)斷增益βoff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：

GTO的βoff一般很小，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。（1–9）1.4.1門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）3、開通時(shí)間ton是指延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。GTO的延遲時(shí)間一般約1～2μs，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大。4、關(guān)斷時(shí)間toff一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。不少GTO都制成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管。當(dāng)需要承受反向電壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)使用。1.4.2電力晶體管（GTR）

電力晶體管（GiantTransistor）簡稱GTR，又稱為巨型晶體管。是一種雙極型大功率高耐壓晶體管。因此，也稱為BJT，在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個(gè)名稱是等效的。它具有自關(guān)斷能力、控制方便、開關(guān)時(shí)間短、高頻特性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。目前GTR的容量已達(dá)400A/1200V、1000A/400V，工作頻率可達(dá)5kHz，因此被廣泛應(yīng)用于不停電電源、中頻電源和交/直流電機(jī)調(diào)速等電力變流裝置中。1.4.2電力晶體管（GTR）一、電力晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1－12GTR的結(jié)構(gòu)及電氣符號(hào)

NPN三層擴(kuò)散臺(tái)面型結(jié)構(gòu)是單管GTR的典型結(jié)構(gòu)。如左圖（a）所示：圖中摻雜濃度高的N＋區(qū)稱為GTR的發(fā)射區(qū)，E為發(fā)射極?；鶇^(qū)是一個(gè)厚度在幾微米至幾十微米之間的P型半導(dǎo)體層薄層，B為基極。集電區(qū)是N型半導(dǎo)體，C為集電極。左圖（c）是GTR的電氣符號(hào)。為了提高GTR的耐壓能力，在集電區(qū)中設(shè)置了輕摻雜的N—區(qū)。在兩種不同類型的半導(dǎo)體交界處N+-P構(gòu)成發(fā)射結(jié)J1,P-N構(gòu)成集電結(jié)J2,如左圖（b）所示。1.4.2電力晶體管（GTR）圖1－13GTR的開關(guān)電路及輸出特性一、電力晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理

在電力電子技術(shù)中，GTR主要工作在開關(guān)狀態(tài)，我們希望它在電路中的表現(xiàn)接近于理想開關(guān)-----即導(dǎo)通時(shí)的管壓降趨近于零，截止時(shí)的電流趨近于零，而且兩種狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換過程要足夠快。1.4.2電力晶體管（GTR）二、電力晶體管的特性與參數(shù)1、GTR的特性與參數(shù)

（1）GTR共射極電路輸出特性

圖1－14共射極電路的輸出特性曲線

在共射極接法電路中GTR的集電極電壓UCE與集電極電流IC的關(guān)系曲線稱為輸出特性曲線，如圖1－14所示。從圖中可以看出，隨著IB從小到大的變化，GTR經(jīng)過截止區(qū)（又稱為阻斷區(qū)）、線形放大區(qū)、準(zhǔn)飽和區(qū)和深飽和區(qū)四個(gè)區(qū)域。在截止區(qū)類似于開關(guān)的斷態(tài)；工作在開關(guān)狀態(tài)的GTR應(yīng)避免工作在線形區(qū)以防止大功率損壞GTR；隨著IB的增大，GTR進(jìn)入準(zhǔn)飽和區(qū)，IC與IB之間不再呈線形關(guān)系；在深飽和區(qū)，IB變化時(shí)，IC不再改變；管壓降UCES很小，類似于開關(guān)的通態(tài)。1.4.2電力晶體管（GTR）二、電力晶體管的特性與參數(shù)1、GTR的特性與參數(shù)(2)GTR的主要參數(shù)

①電壓定額集電極、基極擊穿電壓BUCBO：發(fā)射極開路時(shí)，集基極所能承受的最高電壓。集電極、發(fā)射極擊穿電壓BUCEO：基極開路時(shí)，集射極所能承受的最高電壓。②電流定額集電極電流最大值ICM：一般以β值下降到額定值的1／2～1／3時(shí)的IC值定為ICM?；鶚O電流最大值IBM：規(guī)定為內(nèi)引線允許通過的最大電流，通常取IBM≈（1/2~1/6）ICM。③最高結(jié)溫TjM：GTR的最高結(jié)溫與半導(dǎo)體材料性質(zhì)、器件制造工藝、封裝質(zhì)量有關(guān)。一般情況下，塑封硅管TjM為125—150℃，金封硅管TjM為150～170℃，高可靠平面管TjM為175～200℃。1.4.2電力晶體管（GTR）二、電力晶體管的特性與參數(shù)1、GTR的特性與參數(shù)(2)GTR的主要參數(shù)④最大耗散功率PCM：即GTR在最高結(jié)溫時(shí)所對(duì)應(yīng)的耗散功率，它等于集電極工作電壓與集電極工作電流的乘積。這部分能量轉(zhuǎn)化為熱能使管溫升高，在使用中要特別注意GTR的散熱。如果散熱條件不好，GTR會(huì)因溫度過高而迅速損壞。⑥共射直流電流增益β：β=IC/IB表示GTR的電流放大能力。高壓大功率GTR(單管)一般β<10。⑤飽和壓降UCES：GTR工作在深飽和區(qū)時(shí)，集射極間的電壓值。圖1－15為GTR的飽和壓降特性曲線。由圖可知，UCES隨IC增加而增加，在IC不變時(shí)，UCES隨管殼溫度Tc的增加而增加。圖1－15GTR的飽和壓降特性曲線1.4.2電力晶體管（GTR）二、電力晶體管的特性與參數(shù)1、GTR的特性與參數(shù)(2)GTR的主要參數(shù)⑦動(dòng)態(tài)參數(shù)圖1－16GTR開關(guān)過程電流波形

開通過程延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開通時(shí)間ton。加快開通過程的辦法。關(guān)斷過程儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff

。加快關(guān)斷速度的辦法。GTR的開關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。1.4.2電力晶體管（GTR）二、電力晶體管的特性與參數(shù)2．二次擊穿和安全工作區(qū)(1)二次擊穿

處于工作狀態(tài)的GTR，當(dāng)其集電極反偏電壓UCE逐漸增大到最大電壓定額BUCEO時(shí)，集電極電流IC急劇增大(雪崩擊穿)，但此時(shí)集電結(jié)的電壓基本保持不變，這叫做一次擊穿，如圖1－17所示。圖1－17GTR的二次擊穿示意圖

如果繼續(xù)增大UCE，又不限制IC的增長，就會(huì)產(chǎn)生二次擊穿。A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓USB和電流ISB稱為二次擊穿的臨界電壓和臨界電流，其乘積

PSB=USBISB稱為二次擊穿的臨界功率。二次擊穿的時(shí)間在納秒甚至微秒數(shù)量級(jí)內(nèi)，將會(huì)造成GTR永久性損壞。1.4.2電力晶體管（GTR）二、電力晶體管的特性與參數(shù)2、二次擊穿和安全工作區(qū)(1)二次擊穿

把不同IB下二次擊穿的臨界點(diǎn)聯(lián)接起來就形成二次擊穿臨界線，如圖1－18所示。從圖中可知PSB越大，越不容易發(fā)生二次擊穿。值得注意的是，GTR發(fā)生二次擊穿損壞，必須同時(shí)具備三個(gè)條件：高電壓、大電流和持續(xù)時(shí)間。圖1－18二次擊穿臨界曲線

一般來說，工作在正常開關(guān)狀態(tài)的GTR是不會(huì)發(fā)生二次擊穿現(xiàn)象的。1.4.2電力晶體管（GTR）二、電力晶體管的特性與參數(shù)2、二次擊穿和安全工作區(qū)(2)安全工作區(qū)

安全工作區(qū)SOA(SafeOperationArea)是指在輸出特性曲線圖上GTR能夠安全運(yùn)行的電流電壓的極限范圍。按基極偏置分類可分為正偏安全工作區(qū)FBSOA和反偏安全工作區(qū)RBSOA。

①正偏安全工作區(qū)FBSOA

正偏安全工作區(qū)又叫開通安全工作區(qū)，它是基極正向偏置條件下由GTR的最大允許集電極電流ICM、最大允許集電極電壓BUCEO、最大允許集電極功耗PCM以及二次擊穿功率PSB四條限制線所圍成的區(qū)域，如圖1－19所示。圖1－19GTR的正偏工作區(qū)（FBSOA）

1.4.2電力晶體管