典型全控型器件ppt课件.ppt

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1、2.4典型全控型器件2.4.1门极可关断晶闸管（GTO）它是晶闸管的一种派生器件，开通原理和普通晶闸管相同，只要有一个门极触发脉冲就可以导通。但与晶闸管不同，可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTO在许多方面并不占优势，但它的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。1.GTO的结构和工作原理结构：与普通晶闸管的相同点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元

2、的阴极和门极则在器件内部并联在一起。GTO的内部结构和电气图形符号a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形b)并联单元结构断面示意图c)电气图形符号工作原理：1.导通原理与普通晶闸管一样，可以用双晶体管模型来分析。由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益α1和α2。α1较小，α2较大，即P1N1P2不灵敏,N1P2N2灵敏，在Ie≈0时，α1与α2均很小，导通后逐渐增大，在IG加上电流后，由于强烈的正反馈，晶闸管导通。不考虑漏电流时，GTO的阳极电流IA=IC1+IC2=α1IA+α2Ik（

3、1）又当IG≠0时，Ik=IA+IG（2）将（2）式带入（1）式可得：该式说明：IG必须保持上式的电流大小时，才能使晶闸管导通。在该式中，我们还可以看出：在正反馈的作用下，α1+α2会从一个较小的值逐渐增大，当α1+α2=1时，式中IG=0,即这时晶闸管已经导通，门极电流可以为零了。而当α1+α2＞1时，晶闸管饱和导通。当α1+α2=1时，是器件的临界导通条件注意：由于GTO导通的条件就是α1+α2＞1，所以任何使α1、α2变化的因素都可能使其导通。如：阳极电压过高,du/dt过大，器件结温过高等。2.关断原理由于α1+α

4、2=1是器件的临界导通条件，若想办法使α1+α2＜1，则器件就可能关断。要关断时，在GTO门极加一个负偏压，使V1的集电极电流被抽出，形成门极负电流IG，由于IC1被抽走，使V2的基极电流减小，进而使其集电极电流IC2减小，于是引起IC1的进一步下降。这样也形成了一个正反馈，由于IC1、IC2的不断减小使α1+α2＜1，从而使GTO关断。GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：（1）设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断（2）导通时1+2更接近1（1.05，普通晶闸管1+21.15）

5、导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。（3）多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。使用中要注意的问题：1.GTO在使用中，导通时的管压降较大，增加了通态损耗。2.对关断负脉冲的要求较高，门极触发电路需要严格设计，否则易在关断过程中烧毁管子。a.门极电流应大于元件的擎住电流IL;b.正负触发脉冲其前沿要陡，后沿要平缓，中小功率电路上升沿小于0.5μs，大功率电路小于1μs；c.门极电路电阻要小，以减小脉冲源内阻。3.由于多元集成

6、，对制造工艺提出极高的要求，它要求必须保持所有GTO元特性一致，开通或关断速度不一致，会使GTO元因电流过大而损坏。开通过程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间tr。2.GTO的动态特性GTO的开通过程电流波形GTO的关断过程电流波形关断过程：与普通晶闸管有所不同抽取饱和导通时储存的大量载流子——储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小——下降时间tf。残存载流子复合——尾部时间tt。通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡，抽走储存载流

7、子的速度越快，ts越短。门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍保持适当负电压，则可缩短尾部时间。3.GTO的主要参数许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。开通时间ton——延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1~2s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。关断时间toff——一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s。最大可关断阳极电流IATO——GTO额定电流，阳极电流超过IATO，则GTO处于较深的饱和导通状态，抽出的电

8、流不足以使GTO关断，会导致门极关断失败。电流关断增益off——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。βoff=IATO/IGMoff可描述负门极电流关断大的阳极电流的能力，一般很小，只有3~5左右。这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要