全控型电力电子器件

按照电力电子器件的受控方式，可将其分为不可控、半可控和全控器件三类。

不可控器件：器件本身没有导通、关断控制能力，需要根据电路条件决定其导通、关断状态，如整流二极管。

半可控器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断，如普通晶闸管、双向晶闸管等。

全控器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断。如门极可关断晶闸管GTO、大功率晶体管GTR、功率MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT等均属于全控型器件。

一、门极可关断晶闸管GTO

门极可关断晶闸管GTO (Gate-Turn-Off Thyristor )，其门极可以控制器件的开通和关断。GTO的许多性能虽然与绝缘栅双极晶体管、电力场效应晶体管等全控型器件相比要差一些，但其具有同普通晶闸管相近的耐受电压高、电流容量大、浪涌承受能力比其他电力电子器件高等优点。因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。例如用作大中容量10kHz 以下的逆变器和斩波器的主要开关器件。

1、GTO的图形符号

如图1所示。

2、导通与关断条件

其导通条件与普通晶闸管相同。

关断条件：门极施加负压。

3、GTO 的主要参数：

GTO的参数大多都与普通晶闸管相应的参数定义相同。这里只对一些意义不同的参数作一介绍。

1) 最大可关断阳极电流I_ATO

它是GTO的额定电流参数。而普通晶闸管是用通态平均电流作为额定电流的。

2) 电流关断增益βoff

最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值I_GM 的绝对值之比称为电流关断增益，一般βoff≈5~10，值很小，所以，要关断GTO 所需要的门极负脉冲电流应大于(1/10~1/5)I_ATO。这也是GTO 的一个主要不足。

二、大功率晶体管GTR

1、大功率晶体管的结构和特性

通常把集电极最大允许耗散功率在1W以上，或最大集电极电流在<?xml:namespace prefix = st1 />1A以上的三极管称为大功率晶体管，其结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。由三层半导体、两个PN结组成，有PNP和NPN两种结构。

一些常见大功率晶体三极管的外形如图2所示。从图可见，大功率晶体三极管的外形除体积比较大外，其外壳上都有安装孔或安装螺钉，便于将三极管安装在外加的散热器上。因为对大功率三极管来讲，单靠外壳散热是远远不够的。例如，50W的硅低频大功率晶体三极管，如果不加散热器工作，其最大允许耗散功率仅为2—3W。

图2 常见大功率三极管外形

在电力电子技术中，GTR主要工作于导通和截止的开关状态，通常采用共发射极接法。其特性和主要参数与模电课程中所学三极管相同，如工作区有截止区、放大区、饱和区。极限参数最高工作电压、最大工作电流和最大耗散功率构成了安全工作区，即等一次击穿工作区，如图3所示。

2、GTR的二次击穿

实践表明，GTR即使工作在最大耗散功率范围内，仍有可能突然损坏，其原因一般是由二次击穿引起的，二次击穿是影响GTR安全可靠工作的一项重要因素。

二次击穿是由于集电极电压升高到一定值（未达到极限值）时，发生雪崩效应造成的。照理，只要功耗不超过极限，管子是可以承受的，但是在实际使用中，出现负阻效应，I_e进一步剧增。由于管子结面的缺陷、结构参数的不均匀，使局部电流密度剧增，形成恶性循环，使管子损坏。

二次击穿的持续时间在纳秒到微秒之间完成，由于管子的材料、工艺等因素的分散性，二次击穿难以计算和预测。防止二次击穿的办法是：①应使实际使用的工作电压比反向击穿电压低得多。②必须有电压电流缓冲保护措施（如图4所示）。

以U_SB（二次击穿电压）与I_SB（二次击穿电流）组成的P_SB（二次击穿功率）如图3中虚线所示，它是一个不等功率曲线。以3DD8E晶体管测试数据为例，其P_cM=100W，BU_ceo≥200V，但由于受到击穿的限制，当U_ce=100V时，P_SB为60W，U_ce=200V时P_SB仅为28W！所以，为了防止二次击穿，要选用足够大功率的管子，实际使用的最高电压通常比管子的极限电压低很多。

安全工作区是在一定的温度条件下得出的，例如环境温度25℃或壳温75℃等，使用时若超过上述指定温度值，允许功耗和二次击穿耐量都必须降额。

图3 GTR安全工作区

（a） （b） （c）

图4 GTR的缓冲保护电路

3、GTR的驱动

①对基极驱动电路的要求

由于GTR主电路电压较高，控制电路电压较低，所以应实现主电路与控制电路间的电隔离。

在使GTR导通时，基极正向驱动电流应有足够陡的前沿，并有一定幅度的强制电流，以加速开通过程，减小开通损耗，如图5所示。

图5 GTR基极驱动电流波形

在使GTR关断时，应向基极提供足够大的反向基极电流，以加快关断速度，减小关段损耗。

②基极驱动电路

图6是一个简单实用的GTR驱动电路。该电路采用正、负双电源供电。当输入信号为高电平时，三极管V1、V2和V3导通，而V4截止，这时V5就导通。二极管VD3可以保证GTR导通时工作在临界饱和状态。流过二极管VD3的电流随GTR的临界饱和程度而改变，自动调节基极电流。当输入低电平时，V1、V2、V3截止，而V4导通，这就给GTR的基极一个负电流，使GTR截止。（http://www.ippipp.com/版权所有）在V4导通期间，GTR的基极-发射极一直处于负偏置状态，这就避免了反向电流的通过，从而防止同一桥臂另一个GTR导通产生过电流。

图6 实用的GTR驱动电路

三、功率场效应晶体管MOSFET

功率场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）简称MOSFET。与GTR相比，功率MOSFET具有开关速度快、损耗低、驱动电流小、无二次击穿现象等优点。它的缺点是电压还不能太高、电流容量也不能太大。所以目前只适用于小功率电力电子变流装置。

功率MOSFET绝大多数是N沟道增强型，其电气图形符号如图7所示。几种功率场效应晶体管的外形如图8。

图7 N沟道功率MOSFET图形符号 图8 几种功率场效应晶体管的外形

功率场效应晶体管与小功率场效应晶体管原理基本相同，当D、S加正电压（漏极为正，源极为负），U_GS=0时，D、S之间无电流通过；如果在G、S之间加一正电压U_GS且超过开启电压U_T越多，导电能力越强，漏极电流越大。

1、对栅极驱动电路的要求

理想的栅极控制电压波形，如图9所示。提高正栅压上升率可缩短开通时间，但也不宜过高，以免MOSFET开通瞬间承受过高的电流冲击。正负栅压幅值应要小于所规定的允许值。

图9 理想的栅极控制电压波形