全控型電力電子器件

全控型電力電子器件根據(jù)電力電子器件的受控方式，可將其分為不行控、半可控和全控器件三類(lèi)。

不行控器件：器件本身沒(méi)有導(dǎo)通、關(guān)斷掌握力量，需要依據(jù)電路條件打算其導(dǎo)通、關(guān)斷狀態(tài)，如整流二極管。

半可控器件：通過(guò)掌握信號(hào)只能掌握其導(dǎo)通，不能掌握其關(guān)斷，如一般晶閘管、雙向晶閘管等。

全控器件：通過(guò)掌握信號(hào)既可掌握其導(dǎo)通又可掌握其關(guān)斷。如門(mén)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。

一、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO

門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO(Gate-Turn-OffThyristor)，其門(mén)極可以掌握器件的開(kāi)通和關(guān)斷。GTO的很多性能雖然與絕緣柵雙極晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管等全控型器件相比要差一些，但其具有同一般晶閘管相近的耐受電壓高、電流容量大、浪涌承受力量比其他電力電子器件高等優(yōu)點(diǎn)。因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。例如用作大中容量10kHz以下的逆變器和斬波器的主要開(kāi)關(guān)器件。

1、GTO的圖形符號(hào)

如圖1所示。

2、導(dǎo)通與關(guān)斷條件

其導(dǎo)通條件與一般晶閘管相同。

關(guān)斷條件：門(mén)極施加負(fù)壓。

3、GTO的主要參數(shù)：

GTO的參數(shù)大多都與一般晶閘管相應(yīng)的參數(shù)定義相同。這里只對(duì)一些意義不同的參數(shù)作一介紹。

1)最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO

它是GTO的額定電流參數(shù)。而一般晶閘管是用通態(tài)平均電流作為額定電流的。

2)電流關(guān)斷增益βoff

最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值IGM的肯定值之比稱(chēng)為電流關(guān)斷增益，一般βoff≈5~10，值很小，所以，要關(guān)斷GTO所需要的門(mén)極負(fù)脈沖電流應(yīng)大于(1/10~1/5)IATO。這也是GTO的一個(gè)主要不足。

二、大功率晶體管GTR

1、大功率晶體管的結(jié)構(gòu)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(chēng)為大功率晶體管，其結(jié)構(gòu)和工作原理都和小功率晶體管特別相像。由三層半導(dǎo)體、兩個(gè)PN結(jié)組成，有PNP和NPN兩種結(jié)構(gòu)。

一些常見(jiàn)大功率晶體三極管的形狀如圖2所示。從圖可見(jiàn)，大功率晶體三極管的形狀除體積比較大外，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。由于對(duì)大功率三極管來(lái)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，假如不加散熱器工作，其最大允許耗散功率僅為2—3W。

圖2常見(jiàn)大功率三極管形狀

在電力電子技術(shù)中，GTR主要工作于導(dǎo)通和截止的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通常采納共放射極接法。其特性和主要參數(shù)與模電課程中所學(xué)三極管相同，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)踐表明，GTR即使工作在最大耗散功率范圍內(nèi)，仍有可能突然損壞，其緣由一般是由二次擊穿引起的，二次擊穿是影響GTR平安牢靠工作的一項(xiàng)重要因素。

二次擊穿是由于集電極電壓上升到肯定值（未達(dá)到極限值）時(shí)，發(fā)生雪崩效應(yīng)造成的。照理，只要功耗不超過(guò)極限，管子是可以承受的，但是在實(shí)際使用中，消失負(fù)阻效應(yīng)，Ie進(jìn)一步劇增。由于管子結(jié)面的缺陷、結(jié)構(gòu)參數(shù)的不勻稱(chēng)，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)算和猜測(cè)。防止二次擊穿的方法是：①應(yīng)使實(shí)際使用的工作電壓比反向擊穿電壓低得多。②必需有電壓電流緩沖愛(ài)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(cè)試數(shù)據(jù)為例，其PcM=100W，BUceo≥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許多。

平安工作區(qū)是在肯定的溫度條件下得出的，例如環(huán)境溫度25℃或殼溫75℃等，使用時(shí)若超過(guò)上述指定溫度值，允許功耗和二次擊穿耐量都必需降額。

圖3GTR平安工作區(qū)

（a）（b）（c）

圖4GTR的緩沖愛(ài)護(hù)電路

3、GTR的驅(qū)動(dòng)

①對(duì)基極驅(qū)動(dòng)電路的要求

由于GTR主電路電壓較高，掌握電路電壓較低，所以應(yīng)實(shí)現(xiàn)主電路與掌握電路間的電隔離。

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，并有肯定幅度的強(qiáng)制電流，以加速開(kāi)通過(guò)程，減小開(kāi)通損耗，如圖5所示。

圖5GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形

在使GTR關(guān)斷時(shí)，應(yīng)向基極供應(yīng)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。

②基極驅(qū)動(dòng)電路

圖6是一個(gè)簡(jiǎn)潔有用的GTR驅(qū)動(dòng)電路。該電路采納正、負(fù)雙電源供電。當(dāng)輸入信號(hào)為高電平常，三極管V1、V2和V3導(dǎo)通，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(guò)二極管VD3的電流隨GTR的臨界飽和程度而轉(zhuǎn)變，自動(dòng)調(diào)整基極電流。當(dāng)輸入低電平常，V1、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。（http://./版權(quán)全部）在V4導(dǎo)通期間，GTR的基極-放射極始終處于負(fù)偏置狀態(tài)，這就避開(kāi)了反向電流的通過(guò)，從而防止同一橋臂另一個(gè)GTR導(dǎo)通產(chǎn)生過(guò)電流。

圖6有用的GTR驅(qū)動(dòng)電路

三、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET

功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）簡(jiǎn)稱(chēng)MOSFET。與GTR相比，功率MOSFET具有開(kāi)關(guān)速度快、損耗低、驅(qū)動(dòng)電流小、無(wú)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溝道增加型，其電氣圖形符號(hào)如圖7所示。幾種功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的形狀如圖8。

圖7N溝道功率MOSFET圖形符號(hào)圖8幾種功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的形狀

功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管與小功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管原理基本相同，當(dāng)D、S加正電壓（漏極為正，源極為負(fù)），UGS=0時(shí)，D、S之間無(wú)電流通過(guò)；假如在G、S之間加一正電壓UGS且超過(guò)開(kāi)啟電壓UT越多，導(dǎo)