1.2门极可关断晶闸管GTO-4.2-大功率晶体管GTR (1)PPT课件下载推荐.ppt

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主要应用于兆瓦级以上的大功率场合。

GTO的符号如图，与普通晶闸管一样，有阳极A、阴极K和门极G三个电极。

GTO的符号,GTO属于晶闸管的一种派生器件。

7,1.GTO的基本工作原理GTO的工作原理与普通晶闸管相似，其结构也可以等效看成是由PNP与NPN两个晶体管组成的反馈电路。

两个等效晶体管的电流放大倍数分别为1和2。

这时，1+2，从而在其内部形成电流正反馈，使两个等效晶体管接近临界饱和导通状态。

导通后的管压降比较大，一般为23V。

GTO触发导通的条件是：

阳极与阴极之间承受正向电压；

门极加正脉冲信号（门极为正，阴极为负）。

8,GTO的关断条件是：

门极加负脉冲信号。

当GTO的门极加负脉冲信号时，门极将出现反向电流。

此反向电流将GTO的门极电流抽出，使其电流减小，1和2也同时下降，以致无法维持正反馈，从而使GTO关断。

因此，GTO采取了特殊工艺，使管子导通后处于临界饱和状态。

由于普通晶闸管导通时处于深度饱和状态，用门极抽出电流无法使其关断，而GTO处于临界饱和状态，因此可用门极负脉冲信号破坏临界状态使其关断。

9,回顾深度饱和与临界饱和的概念,直流负载线,10,1最大可关断阳极电流IATOIATO也是GTO的额定电流。

GTO的阳极电流IA过大时，管子饱和加深，导致门极关断失败，因此，GTO必须规定一个最大可关断阳极电流IATO，也就是管子的铭牌电流。

IATO与管子电压上升率、工作频率、反向门极电流峰值和缓冲电路参数有关，在使用中应予以注意。

2.GTO的特定参数,11,2关断增益q这个参数是用来描述GTO关断能力的。

关断增益q为最大可关断阳极电流IATO与门极负电流最大值IGM之比，即：

目前大功率GTO的关断增益为35。

采用适当的门极电路，很容易获得上升率较快、幅值足够大的门极负电流，因此在实际应用中不必追求过高的关断增益。

12,3掣住电流IL与普通晶闸管定义一样，IL是指门极加触发信号后，阳极大面积饱和导通时的临界电流。

GTO由于工艺结构特殊，其IL要比普通晶闸管大得多，因而在电感性负载时必须有足够的触发脉冲宽度。

GTO有能承受反压和不能承受反压两种类型，在使用时要特别注意。

13,表4-1国产50AGTO参数,14,门极可关断晶闸管GTO的主要特点：

电流控制开通和关断，但反向关断的触发电流比较大；

饱和压降中等；

开关速度中等；

能控制的电流、电压较大；

现今额定电流电压为6KA/6KV的GTO已在10MVA以上的大型电力电子变换装置中得到应用；

15,GTO设置缓冲电路的目的是：

（1）减轻GTO在开关过程中的功耗。

具体做法是通过设置缓冲电路抑制GTO在开通时的电流上升率以及关断时的电压上升率。

（2）抑制静态电压上升率，过高的电压上升率会使GTO因位移电流产生误导通。

3.GTO的缓冲电路,16,用门极正脉冲可使GTO开通，门极负脉冲可以使其关断，这是GTO最大的优点，但使GTO关断的门极反向电流比较大，约为阳极电流的1/5左右，因此GTO的门极需要驱动电路来提供足够的关断功率。

尽管采用高幅值的窄脉冲可以减少关断所需的能量，但还是要采用专门的触发驱动电路。

4.GTO的门极驱动电路,17,（a）小容量GTO门极驱动电路；

（b）桥式驱动电路；

（c）大容量GTO门极驱动电路,常用的三种门极驱动电路,18,GTO主要用于高电压、大功率的斩波电路、逆变器电路中，例如恒压恒频电源、常用的不停电电源（UPS）等。

另一类GTO的典型应用是调频调压电源，这种电源多用于风机，水泵、轧机、等交流变频调速系统中。

另外，由于GTO的耐压高、电流大、开关速度快、控制电路简单方便，因此还特别适用于汽油机点火系统。

5.GTO的典型应用（P12）,19,用电感、电容关断GTO的点火电路,图中GTO为主开关，控制GTO导通与关断可使脉冲变压器TR次级产生瞬时高压，使汽油机火花塞电极间隙产生火花。

在晶体管V的基极输入脉冲电压，低电平时，V截止，电源对电容C充电，LC组成的谐振电路发生谐振，产生高压触发GTO。

高电平时，晶体管V导通，电容C通过V对地放电，并将其电压加于GTO门极，使GTO迅速、可靠地关断。

20,大功率晶体管又称电力晶体管,简称GTR，通常指耗散功率（或输出功率）1W以上的晶体管。

GTR属于第二代功率半导体器件，它克服了晶闸管不能自关断与开关速度慢的缺点。

其电气符号与普通晶体管相同。

GTR是一种双极型大功率高反压晶体管，具有自关断能力，控制方便，开关时间短，高频特性好，价格低廉。

可用于不停电电源、中频电源和交流电机调速等电力变流装置中。

1.2.2大功率晶体管（GTR）,21,图4-51300系列GTR的外观,22,电力三极管的主要特点,是电流驱动器件，控制基极电流就可控制电力三极管的开通和关断；

开关速度较快；

饱和压降较低；

有二次击穿现象；

能控制较大的电流和较高的电压；

电力三极管由于结构所限其耐压难于超过1500V，现今商品化的电力三极管的额定电压、电流大都不超过1200V、800A;

逐步被其他全控型电力电子器件（特别是IGBT和MOSFET），趋于淘汰,23,1.GTR的极限参数

（1）集电极最大电流ICM（最大电流额定值）一般将电流放大倍数下降到额定值的1/21/3时集电极电流IC的值定为ICM。

因此，通常IC的值只能到ICM值的一半左右，使用时绝不能让IC值达到ICM，否则GTR的性能将变坏。

24,

（2）集电极最大耗散功率PCMPCM即GTR在最高集电结温度时所对应的耗散功率，它等于集电极工作电压与集电极工作电流的乘积。

这部分能量转化为热能使管温升高，在使用中要特别注意GTR的散热。

如果散热条件不好，会促使GTR的平均寿命下降。

实践表明，工作温度每增加20，平均寿命差不多下降一个数量级，有时会因温度过高而使GTO迅速损坏。

25,（3）GTR的反向击穿电压

（1）集电极与基极之间的反向击穿电压UCBO：

当发射极开路时，集基极间能承受的最高电压。

（2）集电极与发射极之间的反向击穿电压UCEO：

当基极开路时，集射极间能承受的最高电压。

当GTR的电压超过某一定值时，管子性能会发生缓慢、不可恢复的变化，这些微小变化逐渐积累，最后导致管子性能显著变坏。

因此，实际管子的最大工作电压应比反向击穿电压低得多。

26,（4）最高结温TjMGTR的最高结温与半导体材料的性质、器件制造工艺、封装质量有关。

一般情况下，塑封硅管的TjM为125150，金封硅管的TjM为150170，高可靠平面管的TjM为175200。

27,

（1）二次击穿处于工作状态的GTR，当其集电极反偏电压UCE逐渐增大到最大电压BUCEO时，集电极电流IC急剧增大，但此时集电结的电压基本保持不变，这叫一次击穿。

发生一次击穿时，如果有外接电阻限制电流IC的，一般不会引起GTR的特性变坏。

如果继续增大UCE，又不限制IC的增长，则,2.二次击穿和安全工作区,当IC上升到A点（临界值）时，UCE突然下降，而IC继续增大（负阻效应），这时进入低压大电流段，直到管子被烧坏，这个现象称为二次击穿。

28,A点对应的电压USB和电流ISB称为二次击穿的临界电压和电流，其乘积为：

PSB=USBISB,称为二次击穿的临界功率。

当GTR的基极正偏时，二次击穿的临界功率PSB往往还小于PCM，但仍然能使GTR损坏。

二次击穿的时间在微秒甚至纳秒数量级内，在这样短的时间内如果不采取有效保护措施，就会使GTR内出现明显的电流集中和过热点，轻者使器件耐压降低，特性变差；

重者使集电结和发射结熔通，造成GTR永久性损坏。

由于管子的材料、工艺等因素的分散性，二次击穿难以计算和预测。

29,GTR发生二次击穿损坏是它在使用中最大的弱点。

但要发生二次击穿，必须同时具备三个条件：

高电压、大电流和持续时间。

因此，集电极电压、电流、负载性质、驱动脉冲宽度与驱动电路配置等因素都对二次击穿造成一定的影响。

一般说来，工作在正常开关状态的GTR是不会发生二次击穿现象的。

30,

（2）安全工作区安全工作区SOA是指在输出特性曲线图上GTR能够安全运行的电流、电压的极限范围，如图。

二次击穿电压USB与二次击穿电流ISB组成的二次击穿功率PSB如图中虚线所示，它是一个不等功率曲线。

SOA区,为了防止二次击穿，要选用足够大功率的管子，实际使用的最高电压通常要比管子的极限电压低得多。

图中阴影部分即为SOA。

31,

（1）基极驱动电路GTR基极驱动电路的作用是将控制电路输出的控制信号放大到足以保证GTR可靠导通和关断的程度。

基极驱动电流的各项参数直接影响GTR的开关性能，因此根据主电路的需要正确选择和设计GTR的驱动电路是非常重要的。

一般来说，我们希望基极驱动电路有如下功能：

提供全程的正、反向基极电流，以保证GTR可靠导通与关断,3.GTR的基极驱动电路及其保护电路,32,实现主电路与控制电路的隔离。

具有自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切除驱动信号，避免损坏GTR。

电路尽可能简单，工作稳定可靠，抗干扰能力强。

常用的基极驱动电路有：

双电源驱动电路、UAA4002集成驱动电路等。

33,

（2）GTR的保护电路,GTR作为一种大功率电力电子开关器件，常工作于大电流、高电压场合。

GTR比较娇嫩，容易损坏，不能承受超过其额定值的浪涌电压与电流的冲击，即使时间很短（微秒级）也可能对它造成损坏，用快速熔断器或快速断路器是不能对其保护的。

一般是在驱动电路中实现对GTR的自保护。

因此，设计性能良好的驱动电路是GTR安全可靠运行的重要保障。

GTR的保护一般分为过电压、过电流保护、电流变化率di/dt和电压变化率du/dt限制等。

34,1）GTR的过电压保护及di/dt、du/dt的限制在电感性负载的开关装置中，GTR在开通和关断过程中的某一时刻，可能会出现集电极电压和电流同时达到最大值的情况，这时GTR的瞬时开关损耗最大。

若其工作点超出器件的安全工作区SOA，则极易产生二次击穿而使GTR损坏。

缓冲电路可以使GTR在开通中的集电极电流缓升，关断中的集电极电压缓升，避免了GTR同时承受高电压、大电流。

另一方面，缓冲电路也可以使GTR的集电极电压变化率du/dt和集电极电流变化率di/dt得到有效的抑制，防止高压击穿和硅片局部过热熔通而损坏GTR。

35,下图是一种缓冲电路。

在GTR关断过程中，流过负载RL的电流通过电感LS、二极管VDS给电容CS充电。

因为CS上的电压不能突变，这就使GT