電力電子半導體器件(GTO)課件

第六章可關斷晶閘管（GTO）特點：是SCR的一種派生器件；具有SCR的全部優(yōu)點，耐壓高、電流大、耐浪涌能力強，造價便宜；為全控型器件，工作頻率高，控制功率小，線路簡單，使用方便。§6.1GTO結構及工作原理GateTurn-offThyristor——GTO一、結構：四層PNPN結構，三端器件；特點：①α1<α2P1N1P2管不靈敏，N1P2N2管靈敏。②α1+α2略大于1；器件工作于臨界飽和狀態(tài)，使關斷成為可能。③多元集成結構，由數(shù)百個小GTO元并聯(lián)形成。由于GTO的多元結構，開通和關斷過程與SCR不同，同時GTO元的特性又不同于整個GTO器件的特性，多元集成使GTO的開關過程產生了一系列新的問題。二、GTO開通原理：與SCR一樣，由正反饋控制過程來實現(xiàn)。其中：開通條件：α1+α2>1定義：α1+α2=1時，對應的陽極電流為臨界導通電流。——擎住電流三、GTO關斷原理：如圖關斷等效電路關斷過程分為三個階段：存儲時間階段：ts下降階段：tf尾部階段：tt①存儲時間階段：ts用門極負脈沖電壓抽出P2基區(qū)的存儲電荷階段。②下降階段：tfIG變化到最大值－IGM時，P1N1P2晶體管退出飽和，N1P2N2晶體管恢復控制能力，α1、α2不斷減小，內部正反饋停止。陽極電流開始下降，電壓上升，關斷損耗較大。尤其在感性負載條件下，陽極電壓、電流可能同時出現(xiàn)最大值，此時關斷損耗尤為突出。關斷條件：α1+α2<1被關斷的最大陽極電流電流關斷增益：一般：3~8③尾部階段：tt此時，VAK上升，如果dv/dt較大，可能有位移電流通過P2N1結，引起等效晶體管的正反饋過程，嚴重會造成GTO再次導通，輕則出現(xiàn)iA的增大過程。如果能使門極驅動負脈沖電壓幅值緩慢衰減，門極保持適當負電壓，可縮短尾部時間。四、GTO的失效原理：GTO失效是由于某一GTO元過電流損壞引起。一般，容易導通的GTO，難于關斷；難導通的，則易關斷。大容量GTO防止失效，則工藝要求嚴格，如大面積擴散工藝，提高少子壽命的均勻性。目前：6000A/6000V水平。§6.2特性與參數(shù)一、靜態(tài)特性1．陽極伏安特性定義：正向額定電壓為90%VDRM反向額定電壓為90%VRRM*減小溫度影響，可在門極與陰極間并一個電阻毛刺電流2．通態(tài)壓降特性通態(tài)壓降越小，通態(tài)損耗越小3．安全工作區(qū)與GTR和功率MOSFET不同，門極加正觸發(fā)信號時（正向偏置），無安全工作區(qū)問題，只有瞬時浪涌電流的規(guī)定值。當門極加負脈沖關斷信號時（反向偏置），有安全工作區(qū)問題。定義：在一定條件下，GTO能可靠關斷的陽極電流與陽極電壓的軌跡。與門極驅動電路和緩沖電路參數(shù)有關。二、動態(tài)特性1．開通特性：開通時間：ton=td+tr由元件特性、門極電流上升率diG/dt及門極脈沖幅值大小決定。上升時間內，開通損耗較大；陽極電壓一定時，開通損耗隨陽極電流增大而增大。延遲時間上升時間③尾部時間tt是指從陽極電流降到極小值開始，到最終達到維持電流為止的時間，這段時間內仍有殘存的載流子被抽出，但陽極電壓已建立，因此容易由于過高的重加電壓dv/dt使GTO關斷失效。應設計合適的緩沖電路。一般，尾部時間會隨存儲時間內過大的門極反向電流上升率dIGR/dt增大而延長。④門極動態(tài)特性：門極負電壓、負電流波形。門極負電流的最大值隨陽極可關斷電流的增大而增大。門極負電流的增長速度與門極所加的負電壓及門極參數(shù)有關。如果門極電路中有較大的電感，會使門極-陰極結進入雪崩狀態(tài)，陰極產生反向電流，雪崩時間tBR。應用中，防止雪崩電流過大損壞門極-陰極，或不使門極-陰極產生雪崩現(xiàn)象，保證門極反向電壓不超過門極雪崩電壓VGR。門極信號線要雙絞線。三、主要參數(shù)1．最大可關斷陽極電流IATOGTO陽極電流受溫度和電流的雙重影響，溫度高、電流大時，α1+α2略大于1的條件可能被破壞，使器件飽和深度加深，導致門極關斷失效。IATO還和工作頻率、再加電壓、陽極電壓上升率dv/dt、門極負電流的波形和電路參數(shù)變化有關。2．關斷增益βoff

影響IATO的因素都會影響βoff

；一般，當門極負電流上升率一定時，關斷增益隨可關斷陽極電流的增加而增加；當可關斷陽極電流一定時，關斷增益隨門極負電流上升率的增加而減小。3．陽極尖峰電壓VPVP是在下降時間末尾出現(xiàn)的極值電壓，隨陽極關斷電流線性增加，過高會導致GTO失效。VP的產生是由緩沖電路中的引線電感、二極管正向恢復電壓和電容中的電感造成的，減小VP應盡量縮短緩沖電路的引線，采用快恢復二極管和無感電容。4．dv/dt和di/dt①dv/dt：靜態(tài)dv/dt指GTO阻斷時所能承受的最大電壓上升率，過高會使GTO結電容流過較大的位移電流，使α增大，印發(fā)誤導通。結溫和陽極電壓越高，GTO承受靜態(tài)dv/dt能力越低；門極反偏電壓越高，靜態(tài)dv/dt耐量越高。（并聯(lián)電阻）動態(tài)dv/dt也稱重加dv/dt，是GTO在關斷過程中陽極電壓的上升率。重加dv/dt會使瞬時關斷損耗增大，也會導致GTO損壞。（吸收回路）7．維持電流GTO的維持電流指陽極電流減小到開始出現(xiàn)GTO元不能再維持導通時的數(shù)值。因為若GTO在陽極電流紋波較大的情況下工作時，當電流瞬時值到達最低時，因GTO元間電流分布不均勻，以及維持電流值的差異，其中部分GTO元因電流小于其維持電流值而截止，則在陽極電流回復到較高值時，已截止的GTO元不能再導電，于是導電的GTO元的電流密度增大，出現(xiàn)不正常工作狀態(tài)。8．擎住電流GTO經門極觸發(fā)后，陽極電流上升到保持所有GTO元導通的最低值即擎住電流值。擎住電流最大的GTO元影響最大。當門極電流脈沖寬度不足時，門極脈沖電流下降沿越陡，GTO的擎住電流值將增大。9．開通時間：ton為滯后時間td和上升時間tr之和。隨通態(tài)平均電流值的增大而增大1~2us10．關斷時間：toff為存儲時間ts與下降時間tf之和。隨陽極電流增大而增大2us可關斷晶閘管的主要參數(shù)和電氣特性:（4）引入緩沖電路可以提高GTO關斷能力。二、緩沖電路的工作原理如圖：GTO直流斬波器電路阻尼電阻三、緩沖電路參數(shù)估算及安裝工藝（一）電路參數(shù)估算1．緩沖電感LA：由di/dt估算2．緩沖電容CS：由dv/dt估算3．緩沖電阻RS：阻尼LA與CS形成諧振GTO開關頻率為f時,電阻功率：4．阻尼電阻RA：選定阻尼系數(shù)時：一般RA<RS，§6.4門極控制技術一、概述可關斷品閘管由門極正脈沖控制導通，負脈沖控制關斷。在工作機理上，開通時與SCR大致相似，關斷時則完全不同。影響GTO導通的主要因素有；陽極電壓、陽極電流、溫度和開通控制信號的波形。陽極電壓越高，GTO越容易導通．陽極電流較大時易于維持大面積飽和導通。溫度低觸發(fā)困難，溫度高容易觸發(fā)。影響GTO關斷的主要因素有：被關斷的陽極電流，負載阻抗性質、溫度、工作頻率、緩沖電路和關斷控制信號波形等。陽極電流越大，關斷越因難。電感性負載較難關斷，結溫越高越難關斷，結溫過高甚至會出現(xiàn)關不斷的現(xiàn)象。工作頻率高關斷亦困難。對關斷信號的波形更有特殊的要求。GTO的門極控制技術關鍵在于關斷。二、門極驅動特性1．門極控制信號理想波形2．開通控制及波形要求：門極開通控制電流信號的波形要求是：脈沖的前沿陡、幅度高、寬度大、后沿緩。脈沖前沿對結電容充電，前沿陡充電快，正向門極電流建立迅速，有利于GTO的快速導通。一般取門極開通電流變化率為dIGF/dt為5—10A/us。門極正脈沖幅度高可以實現(xiàn)強觸發(fā)，一般該值比額定直流觸發(fā)電流大3~10倍，為快速開通甚至還可以提高該值。門極觸發(fā)電流的幅值不同，相應的開通時間亦不同。強觸發(fā)有利于縮短開通時間，減小開通損耗，降低管壓降，適于低溫觸發(fā)并易于GTO串并聯(lián)運行。觸發(fā)電流脈沖的寬度用來保證陽極電流的可靠建立，一般定為10~60us。后沿則應盡量緩一些，后沿過陡會產生振蕩。門極關斷控制電壓脈沖的后沿要盡量平緩一些。如果坡度太陡，由于結電容效應，盡管門極電壓是負的，也會產生一個門極電流。這個正向門極電流有使GTO開通的可能。即使因為這個正向門極電流時間短或幅度小，不足以使GTO開通，也會使剛剛關斷的GT0耐壓和陽極承受dv/dt的耐量降低，影響GTO的正常工作。三、門極控制電路1．控制電路結構：２．供電方式及電路參數(shù)對門極控制的影響①供電方式的影響：單電源供電方式雙電源供電方式脈沖變壓器方式單電源供電方式和雙電源供電方式用于300A以下GTO的控制。脈沖變壓器方式用于300A以上GTO控制。雙電源方式比單電源方式可關斷陽極電流要大；門極負電源增加，可關斷陽極電流也增加。②電路參數(shù)的影響：a.串并聯(lián)電阻和電容的影響

GTO門極回路中串聯(lián)電阻，將阻礙門極電流的抽出。若電阻過大且門極電壓不高，會使門極電流過小，導致陽極電流的關斷能力下降，甚至會出現(xiàn)關不斷的現(xiàn)象。一般，大功率GTO應用中該電阻只是毫歐數(shù)量級，有時根本不串電阻并盡量縮短門極引線長度，以便減小門極電阻和不必要的引線電感。門極回路中并聯(lián)電阻或電容，相當于外加短路發(fā)射極，可以提高GTO的dv/dt耐量，增加熱穩(wěn)定性。并聯(lián)電阻越小，電容越大，陽極電壓的溫度范圍越寬，熱穩(wěn)定性越好。b.串聯(lián)電感的影響門極串聯(lián)微亨級小電感，可以限制門極電流上升率，提高關斷能力。由于電感的作用，在門極電流下降時，延長其作用時間，等效加寬關斷信號寬度。另外，電感產生的反向電壓可使門極處于短時間的雪崩狀態(tài)，有利于載流子從門極抽出，使可關斷陽極電流增加。串入電感，使GTO的存儲時間，下降時間和雪崩時間均加長，關斷增益提高，尾部電流的起始值IT1減小。c.門極反偏電壓的影響如上圖，門極反偏電壓越高，可關斷陽極電流越大；陽極dv/dt耐量越大，有利于GTO安全運行。四、門極驅動型式：1．直接驅動：門極驅動電路直接和GTO門極相連。優(yōu)點：輸出電流脈沖的前沿陡度好，門極脈沖波形干凈，易于消除寄生振蕩和排除寄生振蕩產生的門極瞬時過電流或過電壓。缺點：由于直接驅動，驅動電路中的半導體開關器件必須直接承擔GTO的門極電流，故開關器件的電流比較大，由于門—陰極間內阻小，尤其動態(tài)內阻更小，用晶體管驅動時，晶體管很難飽和，因此，功耗大、效率低。為了安全，驅動電路電源必須和控制系統(tǒng)電源隔離。2．間接驅動：間接驅動是驅動電路通過脈沖輸出變壓器與GTO門極相連接。優(yōu)點：GTO主電路與門極控制電路之間有變壓器做電隔離，對控制系統(tǒng)來說較為安全。利用變壓器可進行合理的阻抗配合，使驅動電路的脈沖功率放大器件電流可以大幅度減小。缺點：輸出變壓器的漏感使輸出電流脈沖前沿徒度受到限制，輸出變壓器帶來的寄生電感和電容易產生高頻寄生振蕩，致使門極脈沖前后沿出現(xiàn)電壓和電流寄生振蕩，有可能出現(xiàn)門極瞬時過電壓或過電流，而且造成GTO不能干凈利落地開通和關斷。五、門極控制電路實例：直接驅動開通和關斷的門極電路§6.５GTO的串并聯(lián)GTO是目前耐壓最高，電流容量最大約全控型電力半導體器件，因而在高電壓、大容量的應用領域如機車牽引，大容量不停電電源、高壓電機的供電與調速等應用中具有無可爭辯的優(yōu)勢。但是，隨著整機設備電流容量和電壓等級的不斷提高，GTO器件也必須串、并聯(lián)使用。一、GTO串聯(lián)使用解決靜、動態(tài)均壓問題靜態(tài)采用均壓電阻動態(tài)采用均壓電感二、GTO并聯(lián)使用：主要解決器件間動態(tài)均流問題由于GTO器件自身的特點，在并聯(lián)使用中尚需注意：(1)GTO具有最大陽極可關斷電流，并聯(lián)支路中不平衡電流不能超過此值，否則有被損壞的危險。(2)GTO內部為若干GTO元并聯(lián)而成，因而對于開關損耗的均衡分布有嚴格的要求，否則會產生局部過熱，造成損壞。為此，要求并聯(lián)GTO的開關損耗也要均衡。(3)GT0的可關斷陽極電流、開通延遲時間以及存儲時間等參數(shù)與門極開通相關斷脈沖密切相關，因而門極電路的參數(shù)對并聯(lián)使用有一定影響。(4)GTO為快速大功率器件，電路結構、陰極引線電感和均流電抗器漏電感等參數(shù)對并聯(lián)使用均有影響。一般常見：強迫均流法和直接并聯(lián)法?！?.6GTO的過電流保護一、過電流的產生與過電流特性GTO主要應用于大容量的斬波器、逆變器及開關電路中，其中最引入關注的問題是由于各種原因造成的短路過電流現(xiàn)象，因為它嚴重地威脅著器件乃至整機設備的安全。為此，必須研究過電流產生的原因以及如何在過電流情況下采取措施保護措施。1．過電流產生原因：過載和短路過載電流可用反饋控制法進行保護。短路過電流原因有：①逆變器的橋臂短路②輸出端線間短路（電機負載啟動）③輸出端線對地短路2．過電流特性：較SCR和GTR復雜，GTO的門極處于正向偏置時，GTO開通，只有電流有效值，浪涌電流和I2t的限制，沒有安全工作區(qū)的規(guī)定。門極處于反向偏置時，GTO處于關斷過程，此時有最大可關斷陽極電流的限制，并有反向偏置安全工作區(qū)。過電流保護可從兩方面考慮；一是熱保護，GTO不能因為過載超過所規(guī)定的結溫；二是電保護，超過最大可關斷陽極電流進行關斷時，會因電流局部集中燒壞器件或根本關不斷。發(fā)生過電流時，希望過電流在未超過所允許的最大可關斷陽極電流時迅速撤除門極關斷信號，利用浪捅能力進行保護；或在未超過最大陽極可關斷電流范圍內使GTO迅速關斷。二、狀態(tài)識別過電流保護法：1．通態(tài)壓降識別法：缺點：導通時若GT0短路，通態(tài)壓降升高將滯后于電流上升，這種延遲作用影響保護動作的靈敏性。另外，GTO開通時的最初幾微秒內，由于封鎖了保護電路，在這段時間內出現(xiàn)“保護盲區(qū)”，因此不能進行過電流保護。2．存儲時間識別法：利用存儲時間和陽極電流的關系，通過測量存儲時間判斷過流。三、橋臂互鎖保護法：在橋式逆變電路中，同一橋臂上二個支路的兩個GTO的驅動信號必須是互鎖的，以保證在任何情況下兩個GTO不同時導通。但是，如果一個GTO關斷失效后，另一個GTO仍繼續(xù)觸發(fā)導通，由此造成短路事故。為此可通過對GTO開關狀態(tài)的識別來實現(xiàn)GTO門極驅動的聯(lián)鎖。GTO的開關狀態(tài)識別方法之一是由門極電壓與電