电力电子应用技术 第３版 教学课件 作者 莫正康 上海理工大学 主编 第4章.ppt

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1、第四章全控型电力电子器件第一节　电力晶体管第二节　可关断晶闸管第三节　功率场效应晶体管第五节　电力电子器件的缓冲电路第四节　绝缘栅双极晶体管第六节　其它新型电力电子器件电力电子器件种类繁多，按其开关控制性能可分为不控型器件、半控型器件和全控型器件：（1）不控型器件为无控制端的二端器件。如电力二极管，其不具备可控开关性能。（2）半控型器件为具有控制端的三端器件，但其控制端只能控制器件导通，即无自关断能力。（3）全控型器件为具有控制端的三端器件，其控制端有控制器件开通和关断的双重功能，也称自关断器件。在全控型电力电子器件中，根据器件内部载流子参与导电的种类不同可分为

2、三大类型：单极型、双极型和混合型。第一节　电力晶体管电力晶体管简称GTR或RJT，是一种双极型大功率高反压晶体管。具有控制方便、开关时间短、通态压降低、高频特性好等优点。一、GTR的结构及工作原理GTR是由三层半导体材料两个PN结组成，有PNP和NPN两种结构。由于GTR的工作电流和功耗大，工作时出现与小信号晶体管不同的新问题，称为GTR的大电流效应。目前GTR器件的结构有单管、达林顿管和达林顿晶体管模块三大系列。单管GTR的电流增益较低，而达林顿结构是提高电流增益的有效方式。达林顿结构的GTR由两个或多个晶体管复合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其类型由

3、驱动管决定。目前作为大功率开关应用最多的还是GTR模块，是由两只三级达林顿GTR及其辅助元件构成的单臂桥式电路模块。二、GTR的主要特性GTR的特性可分为静态特性与动态特性。1．静态特性在GTR的静态特性中，主要分析典型的双极型晶体管集电极输出特性，即集电极伏安特性UCE＝ƒ（IC）。输出特性分四个区：截止区I：UBE≤0，UBC＜0，发射结、集电结均反偏。此时IB＝0，GTR承受高电压，仅有极小的漏电流。放大区Ⅱ：UBE＞，UBC＜0，发射结正偏、集电结反偏。在该区内，集电极电流与基极电流呈线性关系。临界饱和区Ⅲ：UBE＞，UBC＜0，发射结正偏、集电结反偏，

4、在该区内，IC与IB之间呈非线性关系。探饱和区Ⅳ：UBE＞，UBC≥0，发射结、集电结均正偏。2．动态特性GTR的动态特性主要指开关特性。为减小开关时间，提高工作频率，应尽可能选择结电容小的GTR，提高基极驱动电流以加快充电速度。但驱动电流过大将增大tS，应用中常在基极电路中采用加速电容。三、GTR的极限参数1．最高电压额定值最高集电极电压额定值是指集电极的击穿电压。击穿电压的大小不仅与器件本身的特性有关，而且还取决于基极回路的接线方法。2．最大电流额定值规定集电极最大工作电流ICM作为GTR的电流额定值。1）在大电流条件下使用GTR时，大电流效应会使GTR的电

5、性能变差，甚至使管子损坏。因此ICM标定应当不引起大电流效应，通常规定β值下降到额定值的1/2～1/3时对应的IC为ICM值。2）在低电压范围内使用GTR时，必须考虑饱和压降对功率损耗的影响。这种情况下，以集电极量大耗散功率PCM的大小来确定ICM值。GTR工作时，通常IC只能用到ICM的一半左右。3．最大耗散功率最大功耗额定值PCM是指GTR在最高允许结温时所对应的耗散功率，它受结温的限制。当结温达到允许的最大值TJM时，相应的功耗即为最大功耗PCM。则：式中RTJC——晶体管的热阻(oC／W)。要提高PCM，应提高TJM，降低环境温度和减小热阻。值得提醒的是

6、：使用者应用上述参数以及后面所述器件的参数时，要特别注意测试条件与实际应用条件的差别，以保证器件的正确使用。四、GTR的二次击穿和安全工作区GTR使用中，实际允许的功耗不仅由PCM决定，还要受二次击穿功率的限制。１．二次击穿现象当集电极电压UCE渐增至BUCEO时IC急剧增加，出现一次击穿现象，BUCEO又称一次击穿电压。此时如有外接电阻限制电流增长，一般不会使GTR的特性变坏，但如不加限制地让IC继续增加，则晶体管上电压突然下降，出现负阻效应，导致破坏性的二次击穿。二次击穿现象在发射结正偏（IB＞0）、开路（IB＝0）、反偏（IB＜0）三种状态下都可能发生。2

7、．安全工作区安全工作区是指使GTR能够安全运行的范围，简称SOA，分为正向偏置安全工作区和反向偏置安全工作区。正向偏置安全工作区a所示，反向偏置安全工作区b所示。五、GTR的驱动与保护GTR基极驱动电路的作用是将输出的控制信号电流放大到足以保证GTR可靠开通和关断。1．GTR对基极驱动电路的要求1）GTR开通时要采用强驱动，前沿要陡，并有一定的过饱和驱动电流（Ib1），以缩短开通时间，减小开通损耗。2）GTR导通后相应减小驱动电流（Ib2），使器件处于临界饱和状态，降低驱动功率减小存贮时间。3）GTR关断时要提供较大的反向基极电流（Ib3），迅速抽取基区的剩余载

8、流子，缩短关断时间。4）