电力电子应用技术莫正康版主编.ppt

第四章全控型电力电子器件门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。
20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合——高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代。
典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。术语用法：
电力晶体管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）
耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有时候也称为PowerBJT。
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。一.GTR的结构和工作原理与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。
主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。
通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。
采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。在应用中，GTR一般采用共发射极接法。
集电极电流ic与基极电流ib之比为

——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力
产品说明书中通常给直流电流增益hFE——在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比。一般可认为hFE。
单管GTR的值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。二.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。
在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区2、动态特性
开通过程
延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。关断过程
储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff。
GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff此外还有：
1、最高工作电压UM
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。
BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>Buceo
实际使用时，最高电压UM取（1/2~1/3）BUceo。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。
3、集电极最大耗散功率PcM
最高工作温度下允许的耗散功率
产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。门极可关断晶闸管简称GTO，是一种通过门极来控制器件导通和关断的电力半导体器件。可以通过在门极施加正的脉冲电流使其导通，负的脉冲电流使其关断二、GTO的主要特性2．通态压降特性三、GTO的主要参数也分为结型和绝缘栅型（类似小功率FieldEffect
Transistor——FET）
但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）
简称电力MOSFET（PowerMOSFET）
结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor——SIT）电力MOSFET的种类
按导电沟道可分为P沟道和N沟道
耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道
增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道
电力MOSFET主要是N沟道增强型电力MOSFET的工作原理
截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。
P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。
导通：在栅源极间加正电压UGS
当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。静态特性
漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。
ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。MOSFET的漏极伏安特性：
截止区（对应于GTR的截止区）
饱和区（对应于GTR的放大区）
非饱和区（对应于GTR的饱和区）
电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。
电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。
电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是电力电子器件中最高的。
场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大