电力电子半导体器件G.ppt

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1、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。,6.1 GTO结构及工作原理,Gate Turn-off ThyristorGTO,一、结构：四层PNPN结构，三端器件；,特点： 1 2 P1N1P2管不灵敏，N1P2N2管灵敏。 1 +2略大于1；器件工作于临界饱和状态，使关断成为可能。 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

2、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：1 +2 1 定义：1 +2 = 1时，对应的阳极电流为临界导通电流。 擎住电流,由于1 、2 随射极电流增大而上升，当阳极电流未达到擎住电流时， 1 +2 1，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： GTO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。,dv/dt、Tj、光照等因素会引起GTO误触发，应用中加以防止。 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

3、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： tt,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。 下降阶段： tf IG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，1 、2 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： 1 +2 1,被关断的最大阳极电流,电流关断增益：,一般：38,尾部阶段：tt 此时

4、，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

5、 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GTO MOSGTO 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

6、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。,2关断特性： 说明： 存储时间ts内，GTO导通区不断被压缩，但总电流几乎不变。 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。,尾部时

7、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。 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

8、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IATO,GTO阳极电流受温度和电流的双重影响，温度高、电流大时， 1 +2 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off 影响IATO的因素都会影响off ；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VP VP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

9、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/dt dv/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）, di/dt：阳极电

10、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

11、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

12、增大,12us,10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:,6.3 GTO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，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

13、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，,（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

14、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。 4CS宜用无感电容。 5RS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

15、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510A/us。 门极正脉冲幅度高可以实现强触

16、发，一般该值比额定直流触发电流大310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1060us。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1050A/us。 门极关断负电压脉

17、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(1/31/5)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。如果坡度太陡，由于结电容效应，尽管门极电压是负的，也会产生一个门极电流。这个正向门极电流有使GTO开通的可能。即使因为这个正向门极电流

18、时间短或幅度小，不足以使GTO开通，也会使刚刚关断的GT0耐压和阳极承受dv/dt的耐量降低，影响GTO的正常工作。,三、门极控制电路 1控制电路结构：,供电方式及电路参数对门极控制的影响 供电方式的影响：,单电源供电方式,双电源供电方式,脉冲变压器方式,单电源供电方式和双电源供电方式用于300A以下GTO的控制。 脉冲变压器方式用于300A以上GTO控制。 双电源方式比单电源方式可关断阳极电流要大； 门极负电源增加，可关断阳极电流也增加。,电路参数的影响： a.串并联电阻和电容的影响 GTO门极回路中串联电阻，将阻碍门极电流的抽出。若电阻过大且门极电压不高，会使门极电流过小，导致阳极电流的关

19、断能力下降，甚至会出现关不断的现象。一般，大功率GTO应用中该电阻只是毫欧数量级，有时根本不串电阻并尽量缩短门极引线长度，以便减小门极电阻和不必要的引线电感。 门极回路中并联电阻或电容，相当于外加短路发射极，可以提高GTO的dv/dt耐量，增加热稳定性。并联电阻越小，电容越大，阳极电压的温度范围越宽，热稳定性越好。,b.串联电感的影响 门极串联微亨级小电感，可以限制门极电流上升率，提高关断能力。由于电感的作用，在门极电流下降时，延长其作用时间，等效加宽关断信号宽度。另外，电感产生的反向电压可使门极处于短时间的雪崩状态，有利于载流子从门极抽出，使可关断阳极电流增加。,串入电感，使GTO的存储时间

20、，下降时间和雪崩时间均加长，关断增益提高，尾部电流的起始值IT1减小。,c. 门极反偏电压的影响 如上图，门极反偏电压越高，可关断阳极电流越大；阳极dv/dt耐量越大，有利于GTO安全运行。,四、门极驱动型式： 1直接驱动：门极驱动电路直接和GTO门极相连。 优点：输出电流脉冲的前沿陡度好，门极脉冲波形干净，易于消除寄生振荡和排除寄生振荡产生的门极瞬时过电流或过电压。 缺点：由于直接驱动，驱动电路中的半导体开关器件必须直接承担GTO的门极电流，故开关器件的电流比较大，由于门阴极间内阻小，尤其动态内阻更小，用晶体管驱动时，晶体管很难饱和，因此，功耗大、效率低。 为了安全，驱动电路电源必须和控制系

21、统电源隔离。,2间接驱动：间接驱动是驱动电路通过脉冲输出变压器与 GTO门极相连接。 优点：GTO主电路与门极控制电路之间有变压器做电隔离， 对控制系统来说较为安全。利用变压器可进行合理 的阻抗配合，使驱动电路的脉冲功率放大器件电流 可以大幅度减小。 缺点：输出变压器的漏感使输出电流脉冲前沿徒度受到限 制，输出变压器带来的寄生电感和电容易产生高频 寄生振荡，致使门极脉冲前后沿出现电压和电流寄 生振荡，有可能出现门极瞬时过电压或过电流，而 且造成GTO不能干净利落地开通和关断。,五、门极控制电路实例：,直接驱动开通和关断的门极电路,6.GTO的串并联,GTO是目前耐压最高，电流容量最大约全控型电

22、力半导体器件，因而在高电压、大容量的应用领域如机车牵引，大容量不停电电源、高压电机的供电与调速等应用中具有无可争辩的优势。但是，随着整机设备电流容量和电压等级的不断提高，GTO器件也必须串、并联使用。,一、GTO串联使用 解决静、动态均压问题 静态采用均压电阻 动态采用均压电感,二、 GTO并联使用：主要解决器件间动态均流问题 由于GTO器件自身的特点，在并联使用中尚需注意： (1)GTO具有最大阳极可关断电流，并联支路中不平衡电流不能超过此值，否则有被损坏的危险。 (2)GTO内部为若干GTO元并联而成，因而对于开关损耗的均衡分布有严格的要求，否则会产生局部过热，造成损坏。为此，要求并联GT

23、O的开关损耗也要均衡。 (3)GT0的可关断阳极电流、开通延迟时间以及存储时间等参数与门极开通相关断脉冲密切相关，因而门极电路的参数对并联使用有一定影响。 (4)GTO为快速大功率器件，电路结构、阴极引线电感和均流电抗器漏电感等参数对并联使用均有影响。 一般常见：强迫均流法和直接并联法。,6.6GTO的过电流保护,一、过电流的产生与过电流特性 GTO主要应用于大容量的斩波器、逆变器及开关电路中，其中最引入关注的问题是由于各种原因造成的短路过电流现象，因为它严重地威胁着器件乃至整机设备的安全。为此，必须研究过电流产生的原因以及如何在过电流情况下采取措施保护措施。 1过电流产生原因：过载和短路 过

24、载电流可用反馈控制法进行保护。短路过电流原因有： 逆变器的桥臂短路 输出端线间短路（电机负载启动） 输出端线对地短路,2过电流特性： 较SCR和GTR复杂， GTO的门极处于正向偏置时，GTO开通，只有电流有效值，浪涌电流和I2t的限制，没有安全工作区的规定。门极处于反向偏置时，GTO处于关断过程，此时有最大可关断阳极电流的限制，并有反向偏置安全工作区 。 过电流保护可从两方面考虑；一是热保护，GTO不能因为过载超过所规定的结温；二是电保护，超过最大可关断阳极电流进行关断时，会因电流局部集中烧坏器件或根本关不断。发生过电流时，希望过电流在未超过所允许的最大可关断阳极电流时迅速撤除门极关断信号，

25、利用浪捅能力进行保护；或在未超过最大阳极可关断电流范围内使GTO迅速关断。,二、状态识别过电流保护法： 1通态压降识别法：,缺点：导通时若GT0短路，通态压降升高将滞后于电流上升，这种延迟作用影响保护动作的灵敏性。另外，GTO开通时的最初几微秒内，由于封锁了保护电路，在这段时间内出现“保护盲区”，因此不能进行过电流保护。,2存储时间识别法：利用存储时间和阳极电流的关系，通过测量存储时间判断过流。,三、桥臂互锁保护法： 在桥式逆变电路中，同一桥臂上二个支路的两个GTO的驱动信号必须是互锁的，以保证在任何情况下两个GTO不同时导通。但是，如果一个GTO关断失效后，另一个GTO仍继续触发导通，由此造

26、成短路事故。为此可通过对GTO开关状态的识别来实现GTO门极驱动的联锁。 GTO的开关状态识别方法之一是由门极电压与电流参数来确定。当门极负电压达到预定值，门极负电流的diGR/dt由负变正时，认为GTO阻断。 上述保护方法可以防止因桥臂误触发而产生的短路过电流，但是在互锁作用以外的短路事故，如续流二极管击穿或损坏仍会使桥臂短路，在这种情况下，必须采用熔断器或撬杠法进行保护。 因此GTO整机的保护应该采用分级保护的方法。,四、逆变器的过电流保护： 1熔断器保护：,撬杠保护法：,非熔断保护法，在中、大容量GTO电路中应用广泛。通过传感器检测到滤波电容的放电电流信号，进行如下动作： (1)触发并联

27、晶间管VT，使GTO逆变器分流，VT串联一小电感，以便限 制VT的di/dt。 (2)封锁GTO的关断信号并触发所有GTO，使短路电流由所有GTO承担， 减少电流集中现象。 (3)交流侧断路器跳闸。,3自关断保护法：用于200A以下小容量GTO的逆变装置。,该逆变器的短路过电流信号由直流互感器检出，与设定电平进行比较，再经记忆电路、控制电路的变换之后，直接送门极控制电路，发出全关断的脉冲信号，并使所有GTO全部处于关断状态，进而切断短路过电流。,五、门极电路的过电流保护： 由于GTO损坏后，常常引起门极电路的损坏，因此应设计门极保护环节。常用方法： (1)在门极电路的输出端接一快速熔断器实现过电流保护， 以便使门极电路尽快与GTO门极端子断开； (2)在门极电路的输出端同时接一齐纳二极管，以使门极电 路嵌位在安全电压范围之内。,6.7GTO的应用,一、GTO逆变器变频调速系统 二、GTO斩波调速系统 三、快速响应、大容量GTO逆变器,