电力电子半导体器件(GTO)

第六章可关断晶闸管（GTO）特点：是SCR的一种派生器件；具有SCR的全部优点，耐压高、电流大、耐浪涌能力强，造价便宜；为全控型器件，工作频率高，控制功率小，线路简单，使用方便。§6.1GTO结构及工作原理GateTurn-offThyristor——GTO一、结构：四层PNPN结构，三端器件；特点：①α1α2P1N1P2管不灵敏，N1P2N2管灵敏。②α1+α2略大于1；器件工作于临界饱和状态，使关断成为可能。③多元集成结构，由数百个小GTO元并联形成。由于GTO的多元结构，开通和关断过程与SCR不同，同时GTO元的特性又不同于整个GTO器件的特性，多元集成使GTO的开关过程产生了一系列新的问题。二、GTO开通原理：与SCR一样，由正反馈控制过程来实现。其中：开通条件：α1+α21定义：α1+α2=1时，对应的阳极电流为临界导通电流。——擎住电流由于α1、α2随射极电流增大而上升，当阳极电流未达到擎住电流时，α1+α21，此时去掉门极电流IG，阳极电流也会消失，管子不能维持导通。注意：①GTO多元集成结构，各GTO元特性存在差异，开通过程中个别GTO元的损坏，将引起整个GTO损坏。要求GTO制作工艺严格，GTO元特性一致性好。②dv/dt、Tj、光照等因素会引起GTO误触发，应用中加以防止。③驱动电路正向门极触发电流脉冲上升沿越陡，GTO元阳极电流滞后时间越短，可加速GTO元阳极导电面积扩展，缩短开通时间。三、GTO关断原理：如图关断等效电路关断过程分为三个阶段：存储时间阶段：ts下降阶段：tf尾部阶段：tt①存储时间阶段：ts用门极负脉冲电压抽出P2基区的存储电荷阶段。②下降阶段：tfIG变化到最大值－IGM时，P1N1P2晶体管退出饱和，N1P2N2晶体管恢复控制能力，α1、α2不断减小，内部正反馈停止。阳极电流开始下降，电压上升，关断损耗较大。尤其在感性负载条件下，阳极电压、电流可能同时出现最大值，此时关断损耗尤为突出。关断条件：α1+α21ATOGMII2211)(被关断的最大阳极电流电流关断增益：GMATOoffII一般：3~8③尾部阶段：tt此时，VAK上升，如果dv/dt较大，可能有位移电流通过P2N1结，引起等效晶体管的正反馈过程，严重会造成GTO再次导通，轻则出现iA的增大过程。如果能使门极驱动负脉冲电压幅值缓慢衰减，门极保持适当负电压，可缩短尾部时间。四、GTO的失效原理：GTO失效是由于某一GTO元过电流损坏引起。一般，容易导通的GTO，难于关断；难导通的，则易关断。大容量GTO防止失效，则工艺要求严格，如大面积扩散工艺，提高少子寿命的均匀性。目前：6000A/6000V水平。五、GTO类型：逆阻GTO：可承受正反向电压，但正向导通压降高，快速性能差。阳极短路GTO：无反压GTO，不能承受反向电压，但正向导通压降低，快速性能好，热稳定性好。其他类型GTO：放大门极GTO掩埋门极GTO逆导GTOMOS—GTO光控GTO§6.2特性与参数一、静态特性1．阳极伏安特性定义：正向额定电压为90%VDRM反向额定电压为90%VRRM*减小温度影响，可在门极与阴极间并一个电阻毛刺电流2．通态压降特性通态压降越小，通态损耗越小3．安全工作区与GTR和功率MOSFET不同，门极加正触发信号时（正向偏置），无安全工作区问题，只有瞬时浪涌电流的规定值。当门极加负脉冲关断信号时（反向偏置），有安全工作区问题。定义：在一定条件下，GTO能可靠关断的阳极电流与阳极电压的轨迹。与门极驱动电路和缓冲电路参数有关。二、动态特性1．开通特性：开通时间：ton=td+tr由元件特性、门极电流上升率diG/dt及门极脉冲幅值大小决定。上升时间内，开通损耗较大；阳极电压一定时，开通损耗随阳极电流增大而增大。延迟时间上升时间2．关断特性：说明：①存储时间ts内，GTO导通区不断被压缩，但总电流几乎不变。②下降时间tf对应阳极电流迅速下降，阳极电压不断上升和门极反电压开始建立的过程，此时GTO中心结开始退出饱和，继续从门极抽出载流子。关断损耗最大，瞬时功率与尖峰电压VP有关，过大的瞬时功耗会使GTO出现二次击穿现象。使用中应尽量减小缓冲电路的杂散电感，选择内感小的二极管和电容等元件。③尾部时间tt是指从阳极电流降到极小值开始，到最终达到维持电流为止的时间，这段时间内仍有残存的载流子被抽出，但阳极电压已建立，因此容易由于过高的重加电压dv/dt使GTO关断失效。应设计合适的缓冲电路。一般，尾部时间会随存储时间内过大的门极反向电流上升率dIGR/dt增大而延长。④门极动态特性：门极负电压、负电流波形。门极负电流的最大值随阳极可关断电流的增大而增大。门极负电流的增长速度与门极所加的负电压及门极参数有关。如果门极电路中有较大的电感，会使门极-阴极结进入雪崩状态，阴极产生反向电流，雪崩时间tBR。应用中，防止雪崩电流过大损坏门极-阴极，或不使门极-阴极产生雪崩现象，保证门极反向电压不超过门极雪崩电压VGR。门极信号线要双绞线。三、主要参数1．最大可关断阳极电流IATOGMATOII1)(212GTO阳极电流受温度和电流的双重影响，温度高、电流大时，α1+α2略大于1的条件可能被破坏，使器件饱和深度加深，导致门极关断失效。IATO还和工作频率、再加电压、阳极电压上升率dv/dt、门极负电流的波形和电路参数变化有关。2．关断增益βoff影响IATO的因素都会影响βoff；一般，当门极负电流上升率一定时，关断增益随可关断阳极电流的增加而增加；当可关断阳极电流一定时，关断增益随门极负电流上升率的增加而减小。3．阳极尖峰电压VPVP是在下降时间末尾出现的极值电压，随阳极关断电流线性增加，过高会导致GTO失效。VP的产生是由缓冲电路中的引线电感、二极管正向恢复电压和电容中的电感造成的，减小VP应尽量缩短缓冲电路的引线，采用快恢复二极管和无感电容。4．dv/dt和di/dt①dv/dt：静态dv/dt指GTO阻断时所能承受的最大电压上升率，过高会使GTO结电容流过较大的位移电流，使α增大，印发误导通。结温和阳极电压越高，GTO承受静态dv/dt能力越低；门极反偏电压越高，静态dv/dt耐量越高。（并联电阻）动态dv/dt也称重加dv/dt，是GTO在关断过程中阳极电压的上升率。重加dv/dt会使瞬时关断损耗增大，也会导致GTO损坏。（吸收回路）②di/dt：阳极电流上升率GTO开通时，di/dt过大会导致阴极区电流局部集中或使开通损耗增大，引起局部过热，而损坏GTO。（串联电感）5．浪涌电流及I2t值与SCR类似，浪涌电流是指使结温不超过额定结温时的不重复最大通态过载电流；一般为通态峰值电流的6倍。会引起器件性能的变差。I2t值表示在持续时间不满10ms的区域内衡量正向非重复电流的能力，是选定快速熔断器的依据。6．断态不重复峰值电压当器件阳极电压超过此值时，则不需要门极触发即转折导通，断态不重复峰值电压随转折次数增大而下降。一般只有其中个别几个GTO元首先转折，阳极电流集中，局部电流过高而损坏。7．维持电流GTO的维持电流指阳极电流减小到开始出现GTO元不能再维持导通时的数值。因为若GTO在阳极电流纹波较大的情况下工作时，当电流瞬时值到达最低时，因GTO元间电流分布不均匀，以及维持电流值的差异，其中部分GTO元因电流小于其维持电流值而截止，则在阳极电流回复到较高值时，已截止的GTO元不能再导电，于是导电的GTO元的电流密度增大，出现不正常工作状态。8．擎住电流GTO经门极触发后，阳极电流上升到保持所有GTO元导通的最低值即擎住电流值。擎住电流最大的GTO元影响最大。当门极电流脉冲宽度不足时，门极脉冲电流下降沿越陡，GTO的擎住电流值将增大。9．开通时间：ton为滞后时间td和上升时间tr之和。随通态平均电流值的增大而增大1~2us10．关断时间：toff为存储时间ts与下降时间tf之和。随阳极电流增大而增大2us可关断晶闸管的主要参数和电气特性:§6.3GTO的缓冲电路一、缓冲电路的作用GT0的缓冲电路除用来抑制换相过电压，限制dv/dt，动态均压之外，还关系到GTO的可靠开通和关断，尤其是GTO的关断，一要依靠正确的门极负脉冲参数，二要依靠合理的缓冲电路参数，两者缺一不可。主要作用：（1）GTO关断时，在阳极电流下降阶段，抑制阳极电压VAK中的尖蜂VP，以降低关断损耗，防止由此引起结温升高，α增大给关断带来困难。（2）抑制阳极电压VAK的上升率dv/dt，以免关断失败。（3）GTO开通时，缓冲电容通过电阻向GTO放电，有助于所有GTO元达到擎住电流值，尤其是主电路为电感负载时。（4）引入缓冲电路可以提高GTO关断能力。二、缓冲电路的工作原理如图：GTO直流斩波器电路阻尼电阻三、缓冲电路参数估算及安装工艺（一）电路参数估算1．缓冲电感LA：由di/dt估算2．缓冲电容CS：由dv/dt估算3．缓冲电阻RS：阻尼LA与CS形成谐振GTO开关频率为f时,电阻功率：4．阻尼电阻RA：选定阻尼系数时：一般RARS，dtdiVLEAdtdvICASSASCLR2SAACLR21（二）安装工艺及元件类型选择1．缓冲电路必须尽量靠近GTO的阳极和阴极接线端安装，应最大限度地缩短连接导线．一般不应超过10cm，以减小分布电感和其他不良影响。2．二极管VDS应选用快速导通和快速恢复二极管。3．电阻RS宜用无感电阻。4．CS宜用无感电容。5．RS工作时有一定温升，不应将CS安装于RS上方受热。6．缓冲电路所有元件必须可靠连接，切忌虚焊，以免工作时因元件发热脱焊，意外的不可靠连接都将造成GTO损坏。§6.4门极控制技术一、概述可关断品闸管由门极正脉冲控制导通，负脉冲控制关断。在工作机理上，开通时与SCR大致相似，关断时则完全不同。影响GTO导通的主要因素有；阳极电压、阳极电流、温度和开通控制信号的波形。阳极电压越高，GTO越容易导通．阳极电流较大时易于维持大面积饱和导通。温度低触发困难，温度高容易触发。影响GTO关断的主要因素有：被关断的阳极电流，负载阻抗性质、温度、工作频率、缓冲电路和关断控制信号波形等。阳极电流越大，关断越因难。电感性负载较难关断，结温越高越难关断，结温过高甚至会出现关不断的现象。工作频率高关断亦困难。对关断信号的波形更有特殊的要求。GTO的门极控制技术关键在于关断。二、门极驱动特性1．门极控制信号理想波形2．开通控制及波形要求：门极开通控制电流信号的波形要求是：脉冲的前沿陡、幅度高、宽度大、后沿缓。脉冲前沿对结电容充电，前沿陡充电快，正向门极电流建立迅速，有利于GTO的快速导通。一般取门极开通电流变化率为dIGF/dt为5—10A/us。门极正脉冲幅度高可以实现强触发，一般该值比额定直流触发电流大3~10倍，为快速开通甚至还可以提高该值。门极触发电流的幅值不同，相应的开通时间亦不同。强触发有利于缩短开通时间，减小开通损耗，降低管压降，适于低温触发并易于GTO串并联运行。触发电流脉冲的宽度用来保证阳极电流的可靠建立，一般定为10~60us。后沿则应尽量缓一些，后沿过陡会产生振荡。3．关断控制及波形要求对关断控制电流波形的要求是：前沿较陡、宽度足够、幅度较高、后沿平缓。脉冲前沿陡可缩短关断时间，减少关断损耗；但前沿过陡会使关断增益降低。阳极尾部电流增加，对GTO产生不利的影响。一般关断脉冲电流的上升率dIGR/dt取10～50A/us。门极关断负电压脉冲必须具有足够的宽度，既要保证下降时间tf内能继续抽出载流子，又要保证剩余载流子的复合有足够的时间。特别是GTO关断过程中尾部时间过长时，必须用足够的门极负电压脉冲宽度保证GTO可靠关断。关断电流脉冲的幅度IGRM一般取为(1/3～1/5)IATO值，由关断增益的大小来确定。在IATO一定的条件下，IGRM越大，关断时间越短，关断损耗越小；但是关断增益下降。若关断增益保持不变，增加IGRM可提高GTO的阳极可关断能力。门极关断控制电压脉冲的后沿要尽量平缓一些