电力电子半导体器件GTO文档格式.docx
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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:
1ATOGMII2
211
)(
α
αα?
+
&
?
被关断的最大阳极电流电流关断增益:
GM
ATO
offI
I
=
β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GTO
MOS—GTO
光控GTO§
6.2特性与参数一、静态特性
1.阳极伏安特性*
减小温度影响,可在门极与阴极间并一个电阻定义:
正向额定电压为90%VDRM反向额定电压为90%VRRM
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。
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。
延迟时间上升时间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:
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IATOGM
ATOII
1)(2
1
2?
=α
αGTO
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。
I还和工作频率、再加电压、阳极电导致门极关断失效。
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/dt
①dv/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1~2us
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:
dv/dt估算dtdi
V
LE
A=dt
dv
CA
S=L3
.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RA&
RS,S
A
SC
L
R2≥S
AC
Rξ2
=
(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R宜用无感电阻。
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。
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:
2.供电方式及电路参数对门极控制的影响
①供电方式的影响:
单电源供电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双电源供电方式脉冲变压器方式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。
②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,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,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。
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。
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§
6.5GTO的串并联GTO是目前耐压最高,电流容量最大约全控型电力半导体
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GTO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
过载电流可用反馈控制法进行保护。
短路过电流原因有:
①逆变器的桥臂短路
②输出端线间短路(电机负载启动)
③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GTO
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,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:
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GTO
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:
2.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,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
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- 电力 电子 半导体器件 GTO