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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

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