全控型电力电子器件

1、第四章全控电力电子器件，4.1门极关断晶闸管(GTO) 4.2大功率晶体管(GTR) 4.3功率场效应晶体管4.4绝缘门极双极晶体管4.5其它新型电力电子器件的练习和思考问题，简称门极关断晶闸管(GTO)。它具有普通晶闸管的所有特性，如高耐压(工作电压高达6000伏)、大电流(电流高达6000安)和低成本等。同时，它具有栅极正脉冲信号触发导通和栅极负脉冲信号触发关断的特性，其内部有电子和空穴两种载流子参与传导，属于全控双极器件。电气符号如图4-1所示，有三个电极：阳极a、阴极k和栅极g.4.1门极关断晶闸管(GTO)，图4-1 GTO的电气符号，4 . 1 . 1 GTO的基本工作原理GTO的

2、工作原理与普通晶闸管相似，其结构也可等效为由PNP和NPN晶体管组成的反馈电路。两个等效晶体管的电流放大倍数分别为1和2。GTO的触发条件是，当在其阳极和阴极之间施加直流电压，并向其栅极施加正脉冲信号(栅极为正，阴极为负)时，可以使 1 2 1，从而在其内部形成正电流反馈，两个等效晶体管接近临界饱和导通状态。导通后，管电压降相对较大，一般为2 3 v。只要向GTO的栅极施加一个负脉冲信号，它就可以关断。当负脉冲信号施加到GTO的栅极(栅极极负，阴极正)时，在栅极出现反向电流，该反向电流引出GTO的栅极电流，降低其电流，同时降低1和2，因此正反馈不能维持，从而关断GTO。因此，GTO采用了一种特

3、殊的工艺，使管道在导通后接近临界饱和。因为普通晶闸管在导通时处于深度饱和状态，所以它们不能通过从栅极汲取电流来关断，而GTO处于临界饱和状态，所以来自栅极的负脉冲信号可以破坏临界状态并将其关断。因为GTO栅极可以关闭，所以当它关闭时，它可以在阳极电流下降的同时施加逐渐上升的电压，与普通晶闸管不同，当它关闭时，电压只能在阳极电流等于零之后施加。因此，GTO关闭期间的功耗很大。此外，由于导通压降较大，栅极触发电流较大，GTO的导通功耗和栅极功耗都比普通晶闸管大。1。IATO GTO的最大阳极电流不仅受到加热温升的限制，而且由于管道阳极电流IA过大，破坏了1 2略大于1的临界导通条件，管道饱和加深，

4、导致闸门关断失败。因此，GTO必须指定最大阳极电流IATO，即管道的铭牌电流。IATO与管电压上升率、工作频率、反向门电流峰值和缓冲电路参数有关，在使用中应注意。4 . 1 . 2 GTO的具体参数，2。关断增益q该参数用于描述GTO的关断能力。关断增益q是最大关断阳极电流IATO与最大负栅极电流IGM之比，即目前大功率GTO的关断增益为3 5。有了合适的门电路，很容易获得上升速度快、幅度足够大的门极负电流，因此在实际应用中不需要追求过大的关断增益。3。保持电流IL1与普通晶闸管的定义相同，IL1是指在栅极加触发信号后，阳极饱和并大面积导通时的临界电流。由于特殊的工艺结构，GTO的触发脉冲宽度

5、远大于普通晶闸管，因此在感性负载下需要有足够的触发脉冲宽度。有两种类型的 GTO，可以承受背压和不能承受背压。使用时应特别注意。表4-1国产50 A GTO 参数，设置GTO缓冲电路的目的是： (1)降低GTO在切换过程中的功耗。(2)抑制静态电压上升率，过高的电压上升率会导致因显示而误导GTO虽然使用高振幅的窄脉冲可以减少关断所需的能量，但是应该使用特殊的触发驱动电路。4.1.4栅极驱动电路，图4-3栅极驱动电路(a)小容量栅极驱动电路；(b)桥式驱动电路；大容量栅极驱动电路。GTO主要用于高压大功率DC变换器电路(斩波电路)和逆变电路，如恒压恒频电源(CVCF)和普通不间断电源(不间断电源

6、)。GTO的另一个典型应用是VVVF，它广泛用于交流变频调速系统，如风机、水泵、轧机和牵引。另外，GTO具有耐压高、电流大、开关速度快、控制电路简单方便等特点，特别适用于汽油机点火系统。图4-4显示了用于关闭具有电感和电容的GTO的点火电路。4 . 1 . 5 GTO的典型应用。图4-4使用电感和电容来关闭GTO的点火电路。在图中，GTO是主开关。控制GTO的通断可以使脉冲变压器TR的次级产生瞬时高电压，在汽油机火花塞电极间隙产生火花。脉冲电压输入到晶体管v的基极，当电压低时，v关断，电源给电容c充电并触发GTO。当l和C形成LC谐振电路时，可以在C的两端产生高于电源的电压.当脉冲电压处于高电

7、平时，晶体管V导通，C放电，并且其电压施加到GTO的栅极，这使得GTO快速且可靠地关断。R为图中的限流电阻，C1(0.5 F)与GTO并联，可限制GTO的电压上升速率。大功率晶体管也可称为巨型晶体管(GTR)，它通常指耗散功率(或输出功率)大于1瓦的晶体管。GTR的电气符号与普通晶体管相同。图4-5显示了一家晶体管工厂生产的1300系列GTR的外观。它是一种高功率、高背电压的双极晶体管，具有自关断、控制方便、开关时间短、高频特性好、价格低廉等特点。目前，GTR的容量为400安/1200伏、1000安/400伏、工作频率为5千赫、模块容量为1000安/1800伏、频率为30千赫，因此也可用于不间

8、断电源、中频电源和交流电机调速等电力转换装置。4.2高功率晶体管(GTR)，图4-5 GTR外观，4 . 2 . 1 GTR 1的极限参数。最大集电极电流ICM(最大额定电流)通常，当电流放大系数减小到额定值的1/2 1/3时，集电极电流IC的值被设置为ICM。因此，一般来说，集成电路的价值只能达到集成电路制造价值的一半左右，在使用时，集成电路的价值不能达到集成电路制造价值，否则GTR的性能将会恶化。2。集电极最大耗散功率PCM是最高集电极结温时对应于GTR的耗散功率，等于集电极工作电压和集电极工作电流的乘积。这部分能量被转换成热能来提高管子的温度，所以在使用中要特别注意GTR的散热。如果散热

9、条件不好，GTR的平均寿命将会降低。实践表明，随着工作温度提高20，平均寿命降低了近一个数量级，有时还会因温度过高而迅速损坏。GTR反向击穿电压(1)集电极和基极之间的反向击穿电压UCBO:发射极开路时集电极和基极之间可承受的最高电压。 (2)集电极和发射极之间的反向击穿电压：基极开路时集电极和发射极之间可以承受的最高电压。在，当GTR的电压超过一定值时，管道的性能将缓慢而不可恢复地变化，这些微小的变化将逐渐积累，最终导致管道性能的显著恶化。因此，实际管道的最大工作电压应该比反向击穿电压低得多。4.最高结温TJM GTR的最高结温与半导体材料的特性、器件制造工艺和封装质量有关。一般来说，塑封硅

10、胶管的TjM为125 150，金封硅胶管的TjM为150 170，高可靠平面管的TJM为1当击穿发生时，如果有外部电阻来限制电流集成电路的增加，它一般不会引起GTR特性的恶化。如果我们继续增加UCE，而不限制集成电路的增长，当集成电路上升到点A(临界值)，UCE突然下降，而集成电路继续增加(负电阻效应)，然后进入低电压和高电流部分，直到管烧毁。这种现象被称为二次击穿。4.2.2二次击穿和安全工作区，图4-6二次击穿原理图，A点对应的电压通用串行总线和电流ISB称为二次击穿的临界电压和电流，它们的乘积是PSB=通用串行总线，称为二次击穿的临界功率。当GTR的基极正向偏置时，二次击穿的临界功率PS

11、B通常比相变材料小，但它仍能损伤GTR。二次击穿的时间在微秒甚至纳秒的数量级。如果在这么短的时间内不采取有效的保护措施，GTR将出现明显的电流集中和热点，器件的耐压将降低，特性将变差；在严重的情况下，集电极结和发射极结会熔化，对GTR造成永久性损害。由于管道材料和工艺的分散，很难计算和预测二次击穿。GTR的二次击穿损伤是其使用中的最大弱点。然而，为了产生二次击穿，必须同时满足三个条件：高电压、高电流和持续时间。因此，集电极电压、电流、负载特性、驱动脉冲宽度和驱动电路配置等因素对二次击穿有一定的影响。一般来说，GTR在正常开关状态下工作不会有二次击穿现象。安全运行区SOA(安全运行区)是指GTR

12、在输出特性图上可以安全运行的电流和电压的极限范围，如图4-7所示。由二次击穿电压USB和二次击穿电流ISB组成的二次击穿功率PSB在图中用虚线表示，这是一条不等功率曲线。以3DD8E晶体管测试数据为例，其PCM=100w，UCEO200 V，但由于二次击穿的限制，当UCE=100v时，PSB为60w；当UCE=200伏时，PSB只有28瓦。因此，为了防止二次击穿，应选择有足够功率的管，实际最大电压通常远低于管的极限电压。图4-7中阴影部分是SOA。图4-7 GTR安全工作区1。基本驱动电路GTR基本驱动电路的功能是将控制电路输出的控制信号放大到足以确保GTR的可靠开启和关闭。基极驱动电流的参数

13、直接影响GTR的开关性能，因此根据主电路的需要正确选择和设计GTR的驱动电路非常重要。总的来说，我们希望基极驱动电路具有以下功能：(1)在整个过程中提供正向和反向基极电流，以确保GTR的可靠导通和关断(理想的基极驱动电流波形如图4-8所示)。4.2.3 GTR基极驱动电路及其保护电路，图4-8理想基极驱动电流波形，(2)实现主电路和控制电路之间的隔离。(3)具有自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切断驱动信号，从而避免损坏GTR。 (4)电路尽可能简单，运行稳定可靠，抗干扰能力强。1)简单双电源驱动电路电路如图4-9所示，驱动电路直接与GTR(V6)耦合，控制电路通过光耦合电气隔离，正负电源

14、(UC2和-UC3)供电。当输入端s处于低电位时，v1 v3导通，V4和V5关断，b点电压为负，向GTR基极提供反向基极电流，此时GTR(V6)关断。当S端处于高电位时，V1 V3关断，V4和V5导通，V6正向基极电流流动，此时GTR导通。图4-9双电源驱动电路，2)集成基极驱动电路由汤姆逊公司生产的UAA4002大规模集成基极驱动电路，可以实现GTR理想的基极电流优化驱动和自我保护。采用标准双排DIP16封装，GTR基地正向驱动能力为0.5 A，反向驱动能力为-3 A，还可扩展UAA4002可实现过流保护、去饱和保护、最小导通时限(ton (min)=1 12 s)、最大导通时限、正反向驱动

15、电源电压监控和被驱动GTR自过热保护。图4-10 uaa 4002内部功能框图各引脚功能如下： 反向基极电流输出端IB2。负电源端子 (-5 V)。 输出脉冲阻断端，用“1”阻断输出信号，用“0”解除阻断。输入选择端子，选择电平输入为“1”，脉冲输入为“0”。驱动信号输入。电阻连接到负电源，引脚通过电阻连接到负电源。当负电源电压为欠压时，可以起到保护作用。负电源欠压保护的阈值电压|U-|min由公式R-=RV/2 (1 | u-| min/5) (k)确定。如果接地，则没有这种保护功能。最小导通时间ton(min)=0.06 RV s由电阻值RV决定。实际上，ton (min)可在1和112

16、s之间调节。通过电容CV接地，最大导通时间ton (max)=2rvCV s(其中RV以k为单位，CV以F为单位)。如果引脚接地，导通时间不受限制。接地端子。通过RVD接地，输出相对于输入电压TVD的前沿延迟=0.05RVDs(公式中RVD的单位为k)，调整范围为1 12 s，通过RSVD接地，完成去饱和保护。所谓的去饱和保护意味着GTR通常工作在开关状态。当其基极驱动电流或负载电流减小时，GTR将退出饱和并进入放大区，管压降将明显增大。该引脚的功能是在GTR去饱和时切断GTR的驱动信号并关闭GTR。RSVD上的电压uRSVD等于10 rsvd/RV (v)，当从13个引脚引入的电压降UCE大

17、于ursvd时，去饱和保护将起作用；如果引脚11连接到负电源，则没有去饱和保护。GTR过流保护端子与发射极电流互感器相连。如果电流值大于设定值，过流保护动作关闭GTR；如果引脚12接地，则没有过流保护功能。通过一个反饱和二极管连接到GTR的集电极。 14的正电源端子(10 15 v)。 15输出级的功率输入端通过r连接到正电源。调整r的大小可以改变正向基极驱动电流IB1。 16正向基极电流输出端IB1。图4-10是UAA4002的内部功能框图，图4-11是uaa4002驱动的开关电路的一个例子，UAA4002的容量为8 A/400 V，采用电平控制模式，最小导通时间为2.8 s。由于UAA 4002的驱动易于扩展，它可以通过外部晶体管驱动各种型号和容量的GTR，也可以驱动功率MOSFET管。图4-11由UAA4002、2驱动的开关电路。GTR保护