全控型电力电子器件

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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。

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1GTO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。

3GTO 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IATO

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IGM 的绝对值之比称为电流关断增益,一般βoff5~10,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)IATO。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PNPNPN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23W

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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。

2GTR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,Ie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)。

USB(二次击穿电压)与ISB(二次击穿电流)组成的PSB(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PcM=100WBUceo200V,但由于受到击穿的限制,当Uce=100V时,PSB60WUce=200VPSB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。

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3 GTR安全工作区

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a b c

4 GTR的缓冲保护电路

3GTR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。

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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

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V1V2V3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,V1V2V3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。

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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。

全控型电力电子器件功率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

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7 N沟道功率MOSFET图形符号 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DS加正电压(漏极为正,源极为负),UGS=0时,DS之间无电流通过;如果在GS之间加一正电压UGS且超过开启电压UT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。

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9 理想的栅极控制电压波形

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