全控型電力電子器件.docx

1、全控型電力電子器件按照電力電子器件的受控方式，可將其分為不可控、半 可控和全控器件三類。不可控器件：器件本身沒有導(dǎo)通、關(guān)斷控制能力，需要 根據(jù)電路條件決定其導(dǎo)通、關(guān)斷狀態(tài)，如整流二極管。半可控器件：通過控制信號只能控制其導(dǎo)通，不能控制 其關(guān)斷，如普通晶閘管、雙向晶閘管等。全控器件：通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān) 斷。如門極可關(guān)斷晶閘管GTO、大功率晶體管GTR、功率MOSFET、 絕緣柵雙極晶體管IGBT等均屬于全控型器件。二、大功率 晶體管GTR1、大功率晶體管的構(gòu)造和特性通常把集電極最大允許耗散功率在1W以上，或最大集 電極電流在1A以上的三極管稱為大功率晶體管，其構(gòu)造和 工作原理

2、都和小功率晶體管非常相似。由三層半導(dǎo)體、兩個(gè) PN結(jié)組成，有PNP和NPN兩種構(gòu)造。一些常見大功率晶體三極管的外形如圖2所示。從圖可 見，大功率晶體三極管的外形除體積比擬大外，其外殼上都 有安裝孔或安裝螺釘，便于將三極管安裝在外加的散熱器上。 因?yàn)閷Υ蠊β嗜龢O管來講，單靠外殼散熱是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。例 如，50W的硅低頻大功率晶體三極管，如果不加散熱器工作， 其最大允許耗散功率僅為23WO圖2常見大功率三極管外形在電力電子技術(shù)中，GTR主要工作于導(dǎo)通和截止的開關(guān) 狀態(tài)，通常采用共發(fā)射極接法。其特性和主要參數(shù)與模電課 程中所學(xué)三極管一樣，如工作區(qū)有截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。 極限參數(shù)最高工作電壓、最大工

3、作電流和最大耗散功率構(gòu)成 了平安工作區(qū)，即等一次擊穿工作區(qū)，如圖3所示。2、GTR的二次擊穿實(shí)踐說明，GTR即使工作在最大耗散功率范圍內(nèi)，仍有 可能突然損壞，其原因一般是由二次擊穿引起的，二次擊穿 是影響GTR平安可靠工作的一項(xiàng)重要因素。二次擊穿是由于集電極電壓升高到一定值（未到達(dá)極限 值）時(shí)，發(fā)生雪崩效應(yīng)造成的。照理，只要功耗不超過極限， 管子是可以承受的，但是在實(shí)際使用中，出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)，Ie 進(jìn)一步劇增。由于管子結(jié)面的缺陷、構(gòu)造參數(shù)的不均勻，使 局部電流密度劇增，形成惡性循環(huán)，使管子損壞。二次擊穿的持續(xù)時(shí)間在納秒到微秒之間完成，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。

4、 防止二次擊穿的方法是：應(yīng)使實(shí)際使用的工作電壓比反向 擊穿電壓低得多。必須有電壓電流緩沖保護(hù)措施（如圖4 所示）。以USB （二次擊穿電壓）與ISB （二次擊穿電流）組成 的PSB （二次擊穿功率）如圖3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PcM=100W,BUceo 三200V,但由于受到擊穿的限制，當(dāng)Uce=100V時(shí)，PSB為 60W, Uce=200V時(shí)PSB僅為28W!所以，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比管子 的極限電壓低很多。平安工作區(qū)是在一定的溫度條件下得出的，例如環(huán)境溫 度25七或殼溫75。等，使用時(shí)假設(shè)超過

5、上述指定溫度值，允 許功耗和二次擊穿耐量都必須降額。圖3 GTR平安工作區(qū)(a)(b)(c)圖4 GTR的緩沖保護(hù)電路3、GTR的驅(qū)動(dòng)對基極驅(qū)動(dòng)電路的要求由于GTR主電路電壓較高，控制電路電壓較低，所以應(yīng) 實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路間的電隔離。在使GTR導(dǎo)通時(shí)，基極正向驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)有足夠陡的前沿, 并有一定幅度的強(qiáng)制電流，以加速開通過程，減小開通損耗， 如圖5所示。圖5 GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形在使GTR關(guān)斷時(shí)，應(yīng)向基極提供足夠大的反向基極電流， 以加快關(guān)斷速度，減小關(guān)段損耗?；鶚O驅(qū)動(dòng)電路圖6是一個(gè)簡單實(shí)用的GTR驅(qū)動(dòng)電路。該電路采用正、 負(fù)雙電源供電。當(dāng)輸入信號為高電平時(shí)，三極管VI、V2和 V3導(dǎo)通

6、，而V4截止，這時(shí)V5就導(dǎo)通。二極管VD3可以保證 GTR導(dǎo)通時(shí)工作在臨界飽和狀態(tài)。流過二極管VD3的電流隨GTR的臨界飽和程度而改變，自動(dòng)調(diào)節(jié)基極電流。當(dāng)輸入低 電平時(shí)，VI、V2、V3截止，而V4導(dǎo)通，這就給GTR的基極 一個(gè)負(fù)電流，使GTR截止。（ ： /版權(quán)所有）在V4導(dǎo)通 期間，GTR的基極-發(fā)射極一直處于負(fù)偏置狀態(tài)，這就防止了 反向電流的通過，從而防止同一橋臂另一個(gè)GTR導(dǎo)通產(chǎn)生過 電流。圖6實(shí)用的GTR驅(qū)動(dòng)電路三、功率場效應(yīng)晶體管MOSFET功率場效應(yīng)晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）簡稱 MOSFETo 與 GTR 相比,功率 MOSFET 具有開關(guān)速度快、損耗低、驅(qū)動(dòng)電流小、無二次擊穿現(xiàn)象等 優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是電壓還不能太高、電流容量也不能太大。 所以目前只適用于小功率電力電子變流裝置。功率MOSFET絕大多數(shù)是N溝道增強(qiáng)型，其電氣圖形符 號如圖7所示。幾種功率場效應(yīng)晶體管的外形如圖8。圖7 N溝道功率MOSFET圖形符號 圖8幾種功率場效 應(yīng)晶體管的外形功率場效應(yīng)晶體管與小功率場效應(yīng)晶體管原理基本一 樣，當(dāng)D、S加正電壓（漏極為正，源極為負(fù)），UGS=O時(shí)，D、 S之間無電流通過；如果在G、S之間加一正電壓UGS且超過 開啟電壓UT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流越大。