全控型電力電子器件課件

1、第4章 全控型電力電子器件 4.1 門極可關(guān)斷晶閘管(GTO) 4.2 大功率晶體管（GTR） 4.3 功率場效應(yīng)晶體管 4.4 絕緣柵雙極型晶體管 4.5 其它新型電力電子器件習(xí)題及思考題 門極可關(guān)斷晶閘管(Gate Turn Off thyristor)簡稱GTO。 它具有普通晶閘管的全部特性，如耐壓高（工作電壓可高達(dá)6000 V）、電流大（電流可達(dá)6000 A)以及造價(jià)便宜等；同時(shí)它又具有門極正脈沖信號觸發(fā)導(dǎo)通、門極負(fù)脈沖信號觸發(fā)關(guān)斷的特性，而在它的內(nèi)部有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電，所以它屬于全控型雙極型器件。它的電氣符號如圖4-1所示，有陽極A、 陰極K和門極G三個(gè)電極。 4.1 門

2、極可關(guān)斷晶閘管(GTO)圖4-1 GTO的電氣符號4.1.1 GTO的基本工作原理 GTO的工作原理與普通晶閘管相似，其結(jié)構(gòu)也可以等效看成是由PNP與NPN兩個(gè)晶體管組成的反饋電路。兩個(gè)等效晶體管的電流放大倍數(shù)分別為1和2。GTO觸發(fā)導(dǎo)通的條件是：當(dāng)它的陽極與陰極之間承受正向電壓，門極加正脈沖信號（門極為正， 陰極為負(fù)）時(shí)，可使1+2，從而在其內(nèi)部形成電流正反饋，使兩個(gè)等效晶體管接近臨界飽和導(dǎo)通狀態(tài)。 導(dǎo)通后的管壓降比較大，一般為23 V。只要在GTO的門極加負(fù)脈沖信號，即可將其關(guān)斷。當(dāng)GTO的門極加負(fù)脈沖信號（門極為負(fù)，陰極為正）時(shí)，門極出現(xiàn)反向電流，此反向電流將GTO的門極電流抽出，使其電

3、流減小，1和2也同時(shí)下降， 以致無法維持正反饋，從而使GTO關(guān)斷。因此， GTO采取了特殊工藝，使管子導(dǎo)通后處于接近臨界飽和狀態(tài)。 由于普通晶閘管導(dǎo)通時(shí)處于深度飽和狀態(tài)，用門極抽出電流無法使其關(guān)斷，而GTO處于臨界飽和狀態(tài)，因此可用門極負(fù)脈沖信號破壞臨界狀態(tài)使其關(guān)斷。 由于GTO門極可關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)，可在陽極電流下降的同時(shí)再施加逐步上升的電壓，不像普通晶閘管關(guān)斷時(shí)是在陽極電流等于零后才能施加電壓的。因此，GTO關(guān)斷期間功耗較大。另外，因?yàn)閷?dǎo)通壓降較大，門極觸發(fā)電流較大，所以GTO的導(dǎo)通功耗與門極功耗均較普通晶閘管大。 1 最大可關(guān)斷陽極電流IATO GTO的最大陽極電流除了受發(fā)熱溫升限制外，還會

4、由于管子陽極電流IA過大使1+2 稍大于1的臨界導(dǎo)通條件被破壞， 管子飽和加深，導(dǎo)致門極關(guān)斷失敗，因此，GTO必須規(guī)定一個(gè)最大可關(guān)斷陽極電流IATO，也就是管子的銘牌電流。IATO與管子電壓上升率、工作頻率、反向門極電流峰值和緩沖電路參數(shù)有關(guān)， 在使用中應(yīng)予以注意。 4.1.2 GTO的特定參數(shù) 2 關(guān)斷增益q 這個(gè)參數(shù)是用來描述GTO關(guān)斷能力的。關(guān)斷增益q為最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負(fù)電流最大值IGM之比，即 目前大功率GTO的關(guān)斷增益為35。采用適當(dāng)?shù)拈T極電路， 很容易獲得上升率較快、幅值足夠大的門極負(fù)電流，因此在實(shí)際應(yīng)用中不必追求過高的關(guān)斷增益。 3 掣住電流IL 與普通晶閘管定義

5、一樣，IL是指門極加觸發(fā)信號后， 陽極大面積飽和導(dǎo)通時(shí)的臨界電流。GTO由于工藝結(jié)構(gòu)特殊， 其IL要比普通晶閘管大得多，因而在電感性負(fù)載時(shí)必須有足夠的觸發(fā)脈沖寬度。 GTO有能承受反壓和不能承受反壓兩種類型，在使用時(shí)要特別注意。 表4-1 國產(chǎn)50 A GTO參數(shù) GTO設(shè)置緩沖電路的目的是： (1) 減輕GTO在開關(guān)過程中的功耗。 (2) 抑制靜態(tài)電壓上升率，過高的電壓上升率會使GTO因位移電流產(chǎn)生誤導(dǎo)通。4.1.3 GTO的緩沖電路用門極正脈沖可使GTO開通，門極負(fù)脈沖可以使其關(guān)斷， 這是GTO最大的優(yōu)點(diǎn)，但要使GTO關(guān)斷的門極反向電流比較大，約為陽極電流的1/5左右。盡管采用高幅值的窄脈

6、沖可以減少關(guān)斷所需的能量， 但還是要采用專門的觸發(fā)驅(qū)動電路。 4.1.4 GTO的門極驅(qū)動電路圖 4-3 門極驅(qū)動電路(a) 小容量GTO門極驅(qū)動電路； (b) 橋式驅(qū)動電路； (c) 大容量GTO門極驅(qū)動電路 GTO主要用于高電壓、大功率的直流變換電路(即斬波電路)、逆變器電路中，例如恒壓恒頻電源(CVCF)、常用的不停電電源（UPS）等。另一類GTO的典型應(yīng)用是調(diào)頻調(diào)壓電源， 即VVVF， 此電源較多用于風(fēng)機(jī)，水泵、軋機(jī)、牽引等交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中。 此外，由于GTO的耐壓高、電流大、開關(guān)速度快、控制電路簡單方便，因此還特別適用于汽油機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)。圖4-4所示為一種用電感、電容關(guān)斷GTO的點(diǎn)火

7、電路。 4.1.5 GTO的典型應(yīng)用圖4-4 用電感、電容關(guān)斷GTO的點(diǎn)火電路 圖中GTO為主開關(guān)，控制GTO導(dǎo)通與關(guān)斷即可使脈沖變壓器TR次級產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，該電壓使汽油機(jī)火花塞電極間隙產(chǎn)生火花。 在晶體管V的基極輸入脈沖電壓，低電平時(shí)，V截止，電源對電容C充電，同時(shí)觸發(fā)GTO。由于L和C組成LC諧振電路，C兩端可產(chǎn)生高于電源的電壓。脈沖電壓為高電平時(shí)，晶體管V導(dǎo)通，C放電并將其電壓加于GTO門極，使GTO迅速、可靠地關(guān)斷。 圖中R為限電流電阻，C1（0.5 F）與GTO并聯(lián)，可限制GTO的電壓上升率。 大功率晶體管又可稱為電力晶體管（Giant TRansistor）, 簡稱GTR， 通常指

8、耗散功率（或輸出功率） 1 W以上的晶體管。 GTR的電氣符號與普通晶體管相同。 圖4-5所示為某晶體管廠生產(chǎn)的1300系列GTR的外觀，它是一種雙極型大功率高反壓晶體管，具有自關(guān)斷能力， 控制方便，開關(guān)時(shí)間短， 高頻特性好，價(jià)格低廉。目前GTR的容量已達(dá)400 A/1200 V、1000 A/400 V，工作頻率可達(dá)5 kHz， 模塊容量可達(dá)1000 A/1800 V， 頻率為30 kHz，因此也可被用于不停電電源、中頻電源和交流電機(jī)調(diào)速等電力變流裝置中。 4.2 大功率晶體管（GTR）圖4-5 GTR的外觀4.2.1 GTR的極限參數(shù) 1集電極最大電流ICM(最大電流額定值) 一般將電流放

9、大倍數(shù)下降到額定值的1/21/3 時(shí)集電極電流IC的值定為ICM。 因此，通常IC的值只能到ICM值的一半左右，使用時(shí)絕不能讓IC值達(dá)到ICM，否則GTR的性能將變壞。 2 集電極最大耗散功率PCM PCM即GTR在最高集電結(jié)溫度時(shí)所對應(yīng)的耗散功率， 它等于集電極工作電壓與集電極工作電流的乘積。這部分能量轉(zhuǎn)化為熱能使管溫升高，在使用中要特別注意GTR的散熱。 如果散熱條件不好，會促使GTR的平均壽命下降。實(shí)踐表明， 工作溫度每增加20，平均壽命差不多下降一個(gè)數(shù)量級， 有時(shí)會因溫度過高而使GTO迅速損壞。 3 GTR的反向擊穿電壓 (1) 集電極與基極之間的反向擊穿電壓UCBO：當(dāng)發(fā)射極開路時(shí)，

10、集基極間能承受的最高電壓。 (2) 集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓UCEO：當(dāng)基極開路時(shí)，集射極間能承受的最高電壓。 當(dāng)GTR的電壓超過某一定值時(shí)，管子性能會發(fā)生緩慢、不可恢復(fù)的變化，這些微小變化逐漸積累，最后導(dǎo)致管子性能顯著變壞。因此，實(shí)際管子的最大工作電壓應(yīng)比反向擊穿電壓低得多。 4 最高結(jié)溫TjM GTR的最高結(jié)溫與半導(dǎo)體材料的性質(zhì)、器件制造工藝、 封裝質(zhì)量有關(guān)。一般情況下，塑封硅管的TjM為125150，金封硅管的TjM為150170，高可靠平面管的 TjM為175200。 1 二次擊穿 處于工作狀態(tài)的GTR，當(dāng)其集電極反偏電壓UCE逐漸增大到最大電壓BUCEO時(shí)，集電極電流IC急劇

11、增大，但此時(shí)集電結(jié)的電壓基本保持不變，這叫一次擊穿， 如圖4-6所示。 發(fā)生一次擊穿時(shí)，如果有外接電阻限制電流IC的增大， 一般不會引起GTR的特性變壞。 如果繼續(xù)增大UCE，又不限制IC的增長， 則當(dāng)IC上升到A點(diǎn)（臨界值）時(shí)，UCE突然下降， 而IC繼續(xù)增大（負(fù)阻效應(yīng)），這時(shí)進(jìn)入低壓大電流段， 直到管子被燒壞， 這個(gè)現(xiàn)象稱為二次擊穿。 4.2.2 二次擊穿和安全工作區(qū)圖4-6 二次擊穿示意圖 A點(diǎn)對應(yīng)的電壓USB和電流ISB稱為二次擊穿的臨界電壓和電流，其乘積為 PSB=USBISB 稱為二次擊穿的臨界功率。當(dāng)GTR的基極正偏時(shí)，二次擊穿的臨界功率PSB往往還小于PCM，但仍然能使GTR損

12、壞。二次擊穿的時(shí)間在微秒甚至納秒數(shù)量級內(nèi)， 在這樣短的時(shí)間內(nèi)如果不采取有效保護(hù)措施，就會使GTR內(nèi)出現(xiàn)明顯的電流集中和過熱點(diǎn)， 輕者使器件耐壓降低，特性變差；重者使集電結(jié)和發(fā)射結(jié)熔通， 造成GTR永久性損壞。由于管子的材料、工藝等因素的分散性， 二次擊穿難以計(jì)算和預(yù)測。 GTR發(fā)生二次擊穿損壞是它在使用中最大的弱點(diǎn)。 但要發(fā)生二次擊穿，必須同時(shí)具備三個(gè)條件：高電壓、大電流和持續(xù)時(shí)間。因此，集電極電壓、電流、負(fù)載性質(zhì)、驅(qū)動脈沖寬度與驅(qū)動電路配置等因素都對二次擊穿造成一定的影響。 一般說來，工作在正常開關(guān)狀態(tài)的GTR是不會發(fā)生二次擊穿現(xiàn)象的。 2 安全工作區(qū) 安全工作區(qū)SOA（Safe Opera

13、tion Area）是指在輸出特性曲線圖上GTR能夠安全運(yùn)行的電流電壓的極限范圍，如圖4-7所示。 二次擊穿電壓USB與二次擊穿電流ISB組成的二次擊穿功率PSB如圖中虛線所示，它是一個(gè)不等功率曲線。 以3DD8E晶體管測試數(shù)據(jù)為例，其PCM100 W，UCEO200 V，但由于受到二次擊穿的限制，當(dāng)UCE100 V 時(shí)，PSB為60 W; 當(dāng)UCE200 V時(shí)， PSB僅為28 W，因此，為了防止二次擊穿，要選用足夠大功率的管子，實(shí)際使用的最高電壓通常要比管子的極限電壓低得多。 圖4-7中陰影部分即為SOA。 圖4-7 GTR安全工作區(qū) 1 基極驅(qū)動電路GTR基極驅(qū)動電路的作用是將控制電路輸

14、出的控制信號放大到足以保證GTR可靠導(dǎo)通和關(guān)斷的程度。 基極驅(qū)動電流的各項(xiàng)參數(shù)直接影響GTR的開關(guān)性能，因此根據(jù)主電路的需要正確選擇和設(shè)計(jì)GTR的驅(qū)動電路是非常重要的。一般來說，我們希望基極驅(qū)動電路有如下功能： (1) 提供全程的正、反向基極電流，以保證GTR可靠導(dǎo)通與關(guān)斷（理想的基極驅(qū)動電流波形如圖4-8所示）。 4.2.3 GTR的基極驅(qū)動電路及其保護(hù)電路圖4-8 理想的基極驅(qū)動電流波形 (2) 實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路的隔離。 (3) 具有自動保護(hù)功能， 以便在故障發(fā)生時(shí)快速自動切除驅(qū)動信號， 避免損壞GTR。 (4) 電路盡可能簡單， 工作穩(wěn)定可靠， 抗干擾能力強(qiáng)。 1） 簡單的雙電源驅(qū)動

15、電路 電路如圖4-9所示，驅(qū)動電路與GTR（V6）直接耦合，控制電路用光耦合實(shí)現(xiàn)電隔離，正、負(fù)電源（+UC2和-UC3）供電。 當(dāng)輸入端S為低電位時(shí)，V1V3導(dǎo)通，V4、V5截止，B點(diǎn)電壓為負(fù)，給GTR基極提供反向基極電流，此時(shí)GTR（V6）關(guān)斷。當(dāng)S端為高電位時(shí)，V1V3 截止，V4、V5導(dǎo)通，V6流過正向基極電流，此時(shí)GTR開通。 圖 4-9 雙電源驅(qū)動電路 2） 集成基極驅(qū)動電路 THOMSON公司生產(chǎn)的UAA4002大規(guī)模集成基極驅(qū)動電路可對GTR實(shí)現(xiàn)較理想的基極電流優(yōu)化驅(qū)動和自身保護(hù)。 它采用標(biāo)準(zhǔn)的雙列DIP16封裝，對GTR基極正向驅(qū)動能力為0.5 A，反向驅(qū)動能力為-3 A, 也

16、可以通過外接晶體管擴(kuò)大驅(qū)動能力，不需要隔離環(huán)節(jié)。UAA4002可對被驅(qū)動的GTR實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)、 退飽和保護(hù)、最小導(dǎo)通的時(shí)間限制（ton（min）112s），最大導(dǎo)通的時(shí)間限制、正反向驅(qū)動電源電壓監(jiān)控以及自身過熱保護(hù)。 圖 4-10 UAA4002內(nèi)部功能框圖各管腳的功能如下： 反向基極電流輸出端IB2。負(fù)電源端(-5 V)。輸出脈沖封鎖端，為“1”封鎖輸出信號，為“0”解除封鎖。輸入選擇端，為“1”選擇電平輸入，為“0”選擇脈沖輸入。 驅(qū)動信號輸入端。由R-接負(fù)電源，該腳通過一個(gè)電阻與負(fù)電源相接。當(dāng)負(fù)電源的電壓欠壓時(shí)可起保護(hù)作用。負(fù)電源欠壓保護(hù)的門檻電|U-|min由式R-RV/2（1+|U-

17、|min/5）（k）決定，若接地，則無此保護(hù)功能。 通過電阻RV值決定最小導(dǎo)通時(shí)間ton（min）0.06RVs，實(shí)際中ton（min）可在112 s之間調(diào)節(jié)。 通過電容CV接地，最大導(dǎo)通時(shí)間ton(max)2RVCV s（式中RV的單位為k、CV的單位為F），若腳接地，則不限制導(dǎo)通時(shí)間。 接地端。 由RVD接地，輸出相對輸入電壓前沿延遲量TVD=0.05RVDs（式中RVD的單位為k），調(diào)節(jié)范圍為112 s。 由RSVD接地，完成退飽和保護(hù)。所謂退飽和保護(hù)，是指GTR一般工作在開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)其基極驅(qū)動電流或負(fù)載電流降低時(shí)，GTR會退出飽和而進(jìn)入放大區(qū)，管壓降會明顯增加。 此腳的功能就是，當(dāng)GT

18、R出現(xiàn)退飽和時(shí)，切除GTR的驅(qū)動信號，關(guān)斷GTR。RSVD上的電壓URSVD=10RSVD/RV (V)，當(dāng)從13腳引入的管壓降UCEURSVD時(shí)，退飽和保護(hù)動作；若11腳接負(fù)電源，則無退飽和保護(hù)。 過電流保護(hù)端，接GTR射極的電流互感器。若電流值大于設(shè)定值，則過流保護(hù)動作，關(guān)斷GTR；若12腳接地，則無過流保護(hù)功能。 13通過抗飽和二極管接到GTR的集電極。 14正電源端（1015 V)。 15輸出級電源輸入端，由R接正電源。調(diào)節(jié)R大小可改變正向基極驅(qū)動電流IB1。 16正向基極電流輸出端IB1 。 圖 4-10 UAA4002內(nèi)部功能框圖 圖4-11是用UAA4002作驅(qū)動的開關(guān)電路實(shí)例，

19、其容量為8 A/400 V， 采用電平控制方式，最小導(dǎo)通時(shí)間為2.8 s。 由于UAA4002的驅(qū)動容易擴(kuò)展，因而可通過外接晶體管驅(qū)動各種型號和容量的GTR，也可以驅(qū)動功率MOSFET管。 圖 4-11 由UAA4002驅(qū)動的開關(guān)電路 2 GTR的保護(hù)電路 1) GTR的過電壓保護(hù)及di/dt、du/dt的限制 在電感性負(fù)載的開關(guān)裝置中，GTR在開通和關(guān)斷過程中的某一時(shí)刻，可能會出現(xiàn)集電極電壓和電流同時(shí)達(dá)到最大值的情況，這時(shí)GTR的瞬時(shí)開關(guān)損耗最大。 若其工作點(diǎn)超出器件的安全工作區(qū)SOA，則極易產(chǎn)生二次擊穿而使GTR損壞。 緩沖電路可以使GTR在開通中的集電極電流緩升，關(guān)斷中的集電極電壓緩升，

20、 避免了GTR同時(shí)承受高電壓、大電流。另一方面，緩沖電路也可以使GTR的集電極電壓變化率du/dt和集電極電流變化率di/dt得到有效的抑制，防止高壓擊穿和硅片局部過熱熔通而損壞GTR。 圖4-12 緩沖電路 圖4-12是一種緩沖電路。在GTR關(guān)斷過程中，流過負(fù)載RL的電流通過電感LS、二極管VDS給電容CS充電。因?yàn)镃S上的電壓不能突變，這就使GTR在關(guān)斷過程中電壓緩慢上升，避免關(guān)斷過程初期GTR中電流下降不多時(shí)電壓就升到最大值的情況， 同時(shí)也使電壓上升率du/dt被限制。在GTR開通過程中，一方面CS經(jīng)RS、LS和GTR回路放電，減小了GTR所承受的較大的電流上升率di/dt；另一方面，負(fù)

21、載電流經(jīng)電感LS后受到緩沖，也就避免了開通過程中GTR同時(shí)承受大電流和高電壓的情形。 值得注意的是，緩沖電路之所以能減小GTR的開關(guān)損耗， 是因?yàn)樗袵TR開關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路內(nèi)，消耗在電阻RS上， 但這會使裝置的效率降低。 2) GTR的過電流保護(hù) (1） GTR的UCE識別法。 負(fù)載過電流或基極驅(qū)動電流不足都會導(dǎo)致GTR退出飽和區(qū)而進(jìn)入放大區(qū)，管壓降明顯增加。 圖4-13所示的識別保護(hù)電路檢測GTR管壓降并與基準(zhǔn)值Ur比較， 當(dāng)管壓降UCEUr時(shí)就使驅(qū)動管V截止，切除GTR的驅(qū)動信號， 關(guān)斷過流的GTR。Ur的大小取決于需要保護(hù)電路動作時(shí)的負(fù)載電流大小。Ur的值通常由它所對應(yīng)的額定負(fù)載電

22、流值確定。 由于GTR在脫離飽和區(qū)時(shí)UCE變化較大，因此過載保護(hù)效果很好， 它可使GTR在幾個(gè)微秒之內(nèi)封鎖驅(qū)動電流， 關(guān)斷GTR。 圖4-13 識別保護(hù)電路 (2） GTR橋臂互鎖保護(hù)法。 若一個(gè)橋臂上的兩個(gè)GTR控制信號重疊或開關(guān)器件本身延時(shí)過長，則會造成橋臂短路。為了避免橋臂短路，可采用互鎖保護(hù)法，即一個(gè)GTR關(guān)斷后，另一個(gè)才導(dǎo)通。采用橋臂的互鎖保護(hù)， 不但能提高可靠性，而且可以改進(jìn)系統(tǒng)的動態(tài)性能， 提高系統(tǒng)的工作頻率。 圖4-14所示為互鎖保護(hù)的示意圖，這種互鎖控制是通過與門來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)A為高電平時(shí)，驅(qū)動GTRA導(dǎo)通，其發(fā)射極輸出低電平將另一接口的與門封鎖，則GTRB關(guān)斷。如何判別GTR

23、是否關(guān)斷是互鎖保護(hù)的關(guān)鍵問題。 分析表明，只要GTR的B-E間已建立足夠大的反向電壓UBE，GTR一定被關(guān)斷（如ESM6045D管子的UBE -4 V時(shí)可靠關(guān)斷）。圖4-15 為UBE的識別電路。當(dāng)GTR關(guān)斷時(shí)， UBE -4 V， 恒流源電路中發(fā)光二極管因流過穩(wěn)定電流而發(fā)光，以此作為GTR的關(guān)斷信號。 圖 4-14 GTR橋臂互鎖保護(hù)示意圖 圖4-15 UBE識別電路 GTR的應(yīng)用已發(fā)展到晶閘管領(lǐng)域，與一般晶閘管比較， GTR有以下應(yīng)用特點(diǎn)： (1) 具有自關(guān)斷能力。 GTR因?yàn)橛凶躁P(guān)斷能力，所以在逆變回路中不需要復(fù)雜的換流設(shè)備，與使用晶閘管相比，不但使主回路簡化、重量減輕、 尺寸縮小，更重

24、要的是不會出現(xiàn)換流失敗的現(xiàn)象，提高了工作的可靠性。 (2) 能在較高頻率下工作。 GTR的工作頻率比晶閘管高12個(gè)數(shù)量級，不但可獲得晶閘管系統(tǒng)無法獲得的優(yōu)越性能，而且因頻率提高還可降低各磁性元件和電容器件的規(guī)格參數(shù)及體積重量。 4.2.4 GTR的應(yīng)用 下面介紹幾個(gè)簡單的例子來說明GTR的應(yīng)用。 1) 直流傳動 GTR在直流傳動系統(tǒng)中的功能是直流電壓變換，即斬波調(diào)壓，如圖4-16所示。所謂斬波調(diào)壓，是利用電力電子開關(guān)器件將直流電變成另一固定或大小可調(diào)的直流電，有時(shí)又稱此為直流變換或開關(guān)型DC/DC變換電路。 圖中VD1V6構(gòu)成一個(gè)三相橋式整流電路，獲得一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓。VD為續(xù)流二極管，作用

25、是在GTR關(guān)斷時(shí)為直流電機(jī)提供電流，保證直流電機(jī)的電樞電流連續(xù)。通過改變GTR的基極輸入脈沖的占空比來控制GTR的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間， 在直流電機(jī)上就可獲得電壓可調(diào)的直流電。 由于GTR的斬波頻率可高達(dá)2 kHz左右，在該頻率下， 直流電動機(jī)電樞電感足以使電流平滑，這樣電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的振動減小，溫升比用晶閘管調(diào)速低，從而能減小電動機(jī)的尺寸。 因此，在200 V以下、 數(shù)十千瓦容量內(nèi)， 用GTR不但簡便， 而且效果好。 圖 4-16 GTR直流斬波調(diào)速 2) 電源裝置 目前大量使用的開關(guān)式穩(wěn)壓電源裝置中，GRT的功能是斬波穩(wěn)壓。 與以往的晶體管串聯(lián)穩(wěn)壓或可控整流穩(wěn)壓相比， 其優(yōu)點(diǎn)是效率高， 頻率范圍一般

26、在音頻之外，無噪聲， 反應(yīng)快， 濾波元件可大大縮小。 3) 逆變系統(tǒng) 與晶閘管逆變器相比，GTR關(guān)斷控制方便、可靠，效率提高10%，有利于節(jié)能。 圖4-17給出了電壓型晶體管逆變器變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖。 主電路由二極管VD1VD6構(gòu)成一個(gè)三相橋式整流電路， C1為濾波電容，以獲得穩(wěn)定的直流電壓。由GTR（V0）、L、 C2和續(xù)流二極管組成斬波電路， V0的基極電路輸入可調(diào)的電壓信號，則可在C2兩端得到電壓可調(diào)的直流電壓。V1V6是六個(gè)GTR構(gòu)成的三相逆變電路，每個(gè)GTR的集發(fā)極之間所接的二極管為其緩沖電路。 圖 4-17 晶體管逆變調(diào)速系統(tǒng)框圖 控制電路的工作情況為：階躍速度指令信號Ugd經(jīng)給定積

27、分器變?yōu)樾逼滦盘?，可以限制電動機(jī)啟動與制動時(shí)的電樞電流。 此速度指令一方面通過電壓調(diào)節(jié)器、 基極電路控制V0基極的關(guān)斷與導(dǎo)通時(shí)間，即控制斬波電路，使輸出與逆變器頻率成正比的電壓，以保證在調(diào)速過程中實(shí)現(xiàn)恒磁通；另一方面，速度指令經(jīng)電壓頻率變換器（振蕩器）變成相應(yīng)脈沖，再經(jīng)環(huán)形分配器分頻，使驅(qū)動信號每隔60輪流加在各開關(guān)器件GTR（V1V6）上，實(shí)現(xiàn)將直流電變成交流電的逆變過程。 當(dāng)主電路出現(xiàn)過壓或過流時(shí)，其檢測電路輸出信號， 封鎖逆變電路的輸出脈沖（環(huán)形分配器），另外還立即封鎖開關(guān)器件GTR(V0）的基極電流，實(shí)現(xiàn)線路保護(hù)。 4.3 功率場效應(yīng)晶體管 功率場效應(yīng)晶體管（Power MOS Fie

28、ld Effect Transistor）簡稱Power MOSFET，是20世紀(jì)70年代中后期開發(fā)的新型功率半導(dǎo)體器件，通常又叫絕緣柵功率場效應(yīng)晶體管， 本書簡稱為P-MOSFET，用字母PM表示。功率場效應(yīng)晶體管已發(fā)展了多種結(jié)構(gòu)型式，本節(jié)主要介紹目前使用最多的單極VDMOS、 N溝道增強(qiáng)型PM， 管子符號如圖4-18（a）所示，三個(gè)引腳，S為源極，G為柵極， D為漏極。 源極的金屬電極將管子內(nèi)的N+區(qū)和P區(qū)連接在一起，相當(dāng)于在源極（S）與漏極（D）間形成了一個(gè)寄生二極管。管子截止時(shí)，漏源間的反向電流就在此二極管內(nèi)流動。為了明確起見，常又將P-MOSFET的符號用圖4-18（b）表示。如果是

29、在變流電路中，P-MOSFET元件自身的寄生二極管流通反向大電流，可能會導(dǎo)致元件損壞。為避免電路中反向大電流流過P-MOSFET元件，在它的外面常并接一個(gè)快速二極管VD2， 串接一個(gè)二極管VD1。 因此，P-MOSFET元件在變流電路中的實(shí)際形式如圖4-18（c）所示。 圖 4-18 PM圖形符號 當(dāng)柵源極間的電壓UGS0或0UGSUV（UV為開啟電壓，又叫閾值電壓，典型值為24 V）時(shí)，即使加上漏源極電壓UDS，也沒有漏極電流ID出現(xiàn)，PM處于截止?fàn)顟B(tài)。 當(dāng)UGS UV且UDS 0時(shí)，會產(chǎn)生漏極電流ID， PM處于導(dǎo)通狀態(tài)，且UDS越大，ID越大。 另外， 在相同的 UDS下， UGS越大，

30、 ID越大。 綜上所述， PM的漏極電流ID受控于柵源電壓UGS和漏源電壓UDS 。 (1) 輸入阻抗高，屬于純?nèi)菪栽?，不需要直流電流?qū)動， 屬電壓控制器件， 可直接與數(shù)字邏輯集成電路連接，驅(qū)動電路簡單。 (2) 開關(guān)速度快，工作頻率可達(dá)1 MHz， 比GTR器件快10倍， 可實(shí)現(xiàn)高頻斬波，使開關(guān)損耗小。 (3) 為負(fù)電流溫度系數(shù)，即器件內(nèi)的電流隨溫度的上升而下降的負(fù)反饋效應(yīng)，因此熱穩(wěn)定性好，不存在二次擊穿問題，安全工作區(qū)SOA較大。 4.3.1 P-MOSFET的主要特性 1 基本電路型式 圖 4-19 PM電路的四種形式(a) 共源極電路； (b) 共漏極電路； (c) 轉(zhuǎn)換開關(guān)電路；

31、(d) 交流開關(guān)電路 4.3.2 P-MOSFET的柵極驅(qū)動電路 (1) 共源極電路：相當(dāng)于普通晶體管的共發(fā)射極電路，如圖4-19(a)所示。 (2) 共漏極電路：相當(dāng)于射極跟隨器, 如圖4-19(b)所示。 (3) 轉(zhuǎn)換開關(guān)電路：PM1與PM2輪流驅(qū)動導(dǎo)通可構(gòu)成半橋式逆變器， 如圖4-19(c)所示。 (4) 交流開關(guān)電路：當(dāng)PM1 、 VD2導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載為交流正向； 當(dāng)PM2 、VD1導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載為交流負(fù)向，如圖4-19(d)所示， 它是交流調(diào)壓電路的常用形式。 2 對柵極驅(qū)動電路的要求 (1) P-MOSFETR的柵極提供所需要的柵壓，以保證P-MOSFET可靠導(dǎo)通。 (2) 減小驅(qū)動電

32、路的輸入電阻以提高柵極充放電速度，從而提高器件的開關(guān)速度。 (3) 實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路間的電隔離。 (4) 因?yàn)镻-MOSFET的工作頻率和輸入阻抗都較高，很容易被干擾，所以柵極驅(qū)動電路還應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 理想的柵極控制電壓波形如圖4-20所示，提高柵極電壓上升率duG/dt可縮短開通時(shí)間，但過高會使管子在開通時(shí)承受過高的電流沖擊。正、負(fù)柵極電壓的幅值UG1、UG2要小于器件規(guī)定的允許值。 圖4-20 理想的柵極控制電壓波形 3 驅(qū)動電路舉例 圖4-21是一種數(shù)控逆變器，兩個(gè)P-MOSFET的柵極不用任何接口電路直接與數(shù)字邏輯驅(qū)動電路連接。該驅(qū)動電路是由兩個(gè)與非門與RC組成的振蕩電路

33、。當(dāng)門輸入高電平時(shí)，電路起振時(shí)，在PM1、PM2的柵極分別產(chǎn)生高、低電平，使它們輪流導(dǎo)通，將直流電壓變?yōu)榻涣麟妷?，?shí)現(xiàn)逆變。振蕩頻率由電容與電阻值決定。 圖4-21 P-MOSFET逆變器 圖4-22所示為直流斬波的驅(qū)動電路。斬波電源為UD，由不可控整流器件獲得，當(dāng)管子PM2導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載得電，輸出電流Io0。當(dāng)PM2關(guān)斷時(shí)，VD4續(xù)流，直到Io0，VD4斷開， 接著PM3導(dǎo)通。 圖 4-22 直流斬波的驅(qū)動電路 由圖4-22可見，由PM2、PM3組成的驅(qū)動電路實(shí)際上是推拉式和自舉式電路的結(jié)合。當(dāng)輸入電壓Ui0時(shí)，PM1、PM3截止，電容C1沿V2和CI3（P-MOSFET柵極輸入電容）放電，

34、驅(qū)動PM2導(dǎo)通；當(dāng)Ui 0時(shí)， PM1導(dǎo)通，UF0，V2截止，電容CI3上的電荷沿VD2、PM1放電，VD2的導(dǎo)通保證了V2可靠截止。PM2關(guān)斷后，負(fù)載電流通過VD4續(xù)流，直到Io=0， PM3受正向電壓而導(dǎo)通。 P-MOSFET在電力變流技術(shù)中主要有以下應(yīng)用： (1) 在開關(guān)穩(wěn)壓調(diào)壓電源方面，可使用P-MOSFET器件作為主開關(guān)功率器件可大幅度提高工作頻率，工作頻率一般在200400 kHz。 頻率提高可使開關(guān)電源的體積減小，重量減輕，成本降低，效率提高。目前，P-MOSFET器件已在數(shù)十千瓦的開關(guān)電源中使用，正逐步取代GTR。 4.3.3 P-MOSFET的應(yīng)用 (2) 將P-MOSFET

35、作為功率變換器件。由于P-MOSFET器件可直接用集成電路的邏輯信號驅(qū)動，而且開關(guān)速度快，工作頻率高，大大改善了變換器的功能， 因而在計(jì)算機(jī)接口電路中獲得了廣泛的應(yīng)用。 (3) 將P-MOSFET作為高頻的主功率振蕩、放大器件，在高頻加熱、超聲波等設(shè)備中使用，具有高效、高頻、簡單可靠等優(yōu)點(diǎn)。 4.4 絕緣柵雙極型晶體管 4.4.1 IGBT的工作原理 IGBT的結(jié)構(gòu)是在P-MOSFET結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上作了相應(yīng)的改善， 相當(dāng)于一個(gè)由P-MOSFTET 驅(qū)動的厚基區(qū)GTR ，其簡化等效電路如圖4-23 所示，電氣符號如圖4-24 所示。 IGBT有三個(gè)電極， 分別是集電極C、發(fā)射極E和柵極G。 在應(yīng)用

36、電路中，IGBT的C接電源正極，E接電源負(fù)極。它的導(dǎo)通和關(guān)斷由柵極電壓來控制。柵極施以正向電壓時(shí)，P-MOSFET內(nèi)形成溝道，為PNP型的晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通。此時(shí)，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴（少數(shù)載流子）對N區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少N區(qū)的電阻，使高耐壓的IGBT也具有低的通態(tài)壓降。在柵極上施以負(fù)電壓時(shí)，P-MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。由此可知，IGBT的導(dǎo)通原理與P-MOSFET相同。 圖 4-23 IGBT的簡化等效電路 圖4-24 IGBT的圖形符號 4.4.2 IGBT的特性 IGBT的伏安特性（又稱靜態(tài)輸出特性）如圖4-25（a）所

37、示， 它反映了在一定的柵射極電壓UGE下器件的輸出端電壓UCE與電流IC的關(guān)系。UGE越高，IC越大。與普通晶體管的伏安特性一樣，IGBT的伏安特性分為截止區(qū)、有源放大區(qū)、飽和區(qū)和擊穿區(qū)。值得注意的是，IGBT的反向電壓承受能力很差， 從曲線可知，其反向阻斷電壓UBM只有幾十伏，因此限制了它在需要承受高反壓場合的應(yīng)用。 圖 4-25 IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性(a) 伏安特性； (b) 轉(zhuǎn)移特性 1 柵極驅(qū)動電路 由于IGBT的輸入特性幾乎和P-MOSFET相同，因此P-MOSFET的驅(qū)動電路同樣適用于IGBT。 1） 采用脈沖變壓器隔離的柵極驅(qū)動電路 圖4-26是采用脈沖變壓器隔離的柵極驅(qū)

38、動電路。其工作原理是：控制脈沖ui經(jīng)晶體管V放大后送到脈沖變壓器，由脈沖變壓器耦合，并經(jīng)VDW1、VDW2穩(wěn)壓限幅后驅(qū)動IGBT。脈沖變壓器的初級并接了續(xù)流二極管VD1，以防止V中可能出現(xiàn)的過電壓。 R1限制柵極驅(qū)動電流的大小，R1兩端并接了加速二極管，以提高開通速度。 4.4.3 IGBT的柵極驅(qū)動電路及其保護(hù)圖4-26 采用變壓器隔離的柵極驅(qū)動電路 2） 推挽輸出柵極驅(qū)動電路 圖4-27是一種采用光耦合隔離的由V1、V2組成的推挽輸出柵極驅(qū)動電路。當(dāng)控制脈沖使光耦合關(guān)斷時(shí)，光耦合輸出低電平，使V1截止，V2導(dǎo)通，IGBT在VDW1的反偏作用下關(guān)斷。當(dāng)控制脈沖使光耦合導(dǎo)通時(shí)，光耦合輸出高電平

39、，V1導(dǎo)通，V2截止，經(jīng)UCC、V1 、RG產(chǎn)生的正向電壓使IGBT開通。 圖 4-27 推挽輸出柵極驅(qū)動電路 3） 專用集成驅(qū)動電路 EXB系列IGBT專用集成驅(qū)動模塊是日本富士公司出品的， 它們性能好，可靠性高，體積小，得到了廣泛的應(yīng)用。 EXB850、EXB851是標(biāo)準(zhǔn)型， EXB840、 EXB841是高速型， 它們的內(nèi)部框圖如圖4-28所示，各管腳功能列于表4-2，表4-3是其額定參數(shù)。 圖 4-28 EXB8驅(qū)動模塊框圖 表4-2 EXB系列驅(qū)動器管腳功能 表4-3 額 定 參 數(shù) 圖 4-29 集成驅(qū)動器的應(yīng)用電路 表4-4 推薦的柵極電阻和電流損耗（EXB850） 表4-5 推

40、薦的柵極電阻和電流損耗（EXB840） 2 IGBT的保護(hù) 1) 過電流保護(hù) IGBT應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)中， 對于正常過載（如電機(jī)啟動、 濾波電容的合閘沖擊以及負(fù)載的突變等），系統(tǒng)能自動調(diào)節(jié)和控制，不至損壞IGBT。對于不正常的短路故障，要實(shí)行過流保護(hù)，通常的做法是： (1) 切斷柵極驅(qū)動信號。只要檢測出過流信號，就在2s內(nèi)迅速撤除柵極信號。 (2) 當(dāng)檢測到過流故障信號時(shí)，立即將柵極電壓降到某一電平， 同時(shí)啟動定時(shí)器，在定時(shí)器到達(dá)設(shè)置值之前，若故障消失， 則柵極電壓恢復(fù)正常工作值；若定時(shí)器到達(dá)設(shè)定值時(shí)故障仍未消除，則使柵極電壓降低到零。 這種保護(hù)方案要求保護(hù)電路在12 s內(nèi)響應(yīng)。 2) 過電

41、壓保護(hù) 利用緩沖電路能對IGBT實(shí)行過電壓抑制并限制過量的電壓變化率du/dt。但由于IGBT的安全工作區(qū)寬，因而改變柵極串聯(lián)電阻的大小可減弱IGBT對緩沖電路的要求。然而，由于IGBT控制峰值電流的能力比P-MOSFET強(qiáng)，因而在有些應(yīng)用中可不用緩沖電路。 3) 過熱保護(hù) 利用溫度傳感器檢測IGBT的殼溫，當(dāng)超過允許溫度時(shí)， 主電路跳閘以實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)。 圖 4-30 單管模塊的內(nèi)部電路和輸出特性(a) 單管模塊； (b) 輸出特性 4.4.4 IGBT的功率模塊圖 4-31 雙管模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和輸出特性(a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)； (b) 輸出特性 圖 4-32 六管模塊的內(nèi)部電路 表4-6 東芝MG

42、25N2S1的最大額定值（TC25） 表4-7 東芝MG25N2S1的電氣特性（TC25） 圖 4-33 智能模塊內(nèi)部框圖 4.5.1靜電感應(yīng)晶體管（SIT） 靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction Transistor）簡稱SIT，從20世紀(jì)70年代開始研制，發(fā)展到現(xiàn)在已成為系列化的電力電子器件。它是一種多子導(dǎo)電的單極型器件，具有輸出功率大，輸入阻抗高，開關(guān)特性好，熱穩(wěn)定性好以及抗幅射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 現(xiàn)已商品化的SIT可工作在幾百kHz，電流達(dá)300A，電壓達(dá)2000 V， 已廣泛用于高頻感應(yīng)加熱設(shè)備（如200 kHz、200 kW的高頻感應(yīng)加熱電源）中。SIT還適用于高音質(zhì)音頻放

43、大器、大功率中頻廣播發(fā)射機(jī)、電視發(fā)射機(jī)以及空間技術(shù)等領(lǐng)域。 4.5 其它新型電力電子器件1SIT的工作原理 圖 4-34 SIT的結(jié)構(gòu)及其符號(a) 結(jié)構(gòu)； (b) 符號 SIT為常開器件，以N-SIT為例，當(dāng)柵源電壓UGS大于或等于零，漏源電壓UDS為正向電壓時(shí)，兩柵極之間的導(dǎo)電溝道使漏源之間導(dǎo)通。 當(dāng)加上負(fù)柵源電壓UGS時(shí)，柵源間PN結(jié)產(chǎn)生耗盡層。 隨著負(fù)偏壓UGS的增加，其耗盡層加寬，漏源間導(dǎo)電溝道變窄。當(dāng)UGS =UP（夾斷電壓）時(shí)，導(dǎo)電溝道被耗盡層夾斷， SIT關(guān)斷。 2 SIT的待性 圖4-35所示為N溝道SIT的靜態(tài)伏安特性曲線。當(dāng)漏源電壓UDS一定時(shí)，對應(yīng)于漏極電流ID為零的柵源電壓稱為夾斷電壓UP。 在不同UDS下有不同的UP ，漏源極電壓UDS越大，UP的