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1、5-1,第五章.全控型电力半导体器件,电力半导体器件的特性影响到电力电子装置和系统的体积、重量、价格和性能。 前面各章分析的变流器，主要是以普通晶闸管构成。普通晶闸管由于它的大电流、高耐压和相对强的过载能力，已在各电气控制领域获得广泛的应用，特别是在可控整流、交流调压、交交变频等电网换流的变流器中，今后仍将继续大量使用。但是由于普通晶闸管门极只能控制导通，器件一旦被触发导通后，门极即失去对阳极电流的控制能力，属于一种半控型器件。,5-2,当半控型器件用于斩波、逆变这类直流输入电压的变流器时，就存在如何将器件关断，即实现换流这一突出问题。为此必须附加强迫换流电路。这样，不但使装置变得复杂、笨重、
2、效率低，而且大大限制了工作频率的提高，设计计算也较麻烦。 为了克服这一重大弱点，目前在向两个方面努力：一是发展快速器件，减小器件的关断时间，从而使换流电路简化，换流元件的容量和体积减小；另一就是发展控制极不仅可以控制导通，而且可以控制关断的全控型器件（亦称自关断器件），从根本上解决换流问题。,5-3,5.1.门极可关断晶闸管（GTO）,5.1.1.结构特点和关断原理 1）.结构特点,GTO是由几百至几千个SCR并联而成。,5-4,2）.关断原理,关断条件：1+21,GTO和SCR导通条件虽然一样，但由于GTO要兼顾到关断的性能，而SCR不要顾及这一点，所以它们导通的饱和程度是不一样的。SCR是
3、深度的饱和导通，而GTO的导通则处于临界饱和状态，而且要更严格他控制1与2的分配。,5-5,5-6,5.1.2.特性与参数 1）.反映GTO性能的主要参数： （1）.最大可关断阳极电流IATO ：指用门极电流可以重复关断的阳极峰值电流，也称可关断阳极峰值电流。这是GTO的一个重要参数。通常说多少安培的GTO就是指这一电流。 （2）.额定通态平均电流：指一个周期内方波电流的额定平均值。这是衡量工频稳态下GTO载流能力的参数，GTO的稳态载流能力。也可用额定通态电流有效值来表示。 （3）.反向电压：反向电压和SCR一样用反向重复峰值电压表示。,5-7,GTO有逆阻型和阳极短路型（亦称无反压GTO）
4、两种。前者可承受正反向电压，但正向压降大，快速性差；后者不能承受反向电压，但正向压降低，快速性好，热稳定性优良，适用于电压型逆变电路和斩波电路，可工作于较高频率。 （4）门极关断电流： 指从通态转为断态所需的门极反向瞬时峰值电流的最小值。 此外，GTO的下列参数与SCR也有些差别： （1）.由于GTO成梳状结构，窄长阴极单元，与门极以叉指状相配，围界很长，因此GTO加门极正脉冲触发导通时，初时导通区域很大，导通非常迅速，载流能力强，并能承受高的di/dt 。另外，承受du/dt的能力也比SCR大。,5-8,（2）.掣住电流IL和维持电流IH比SCR大得多。 （3）.由于GTO工作于临界饱和状态
5、，管压降要大一些，约为24.5V，相应地，直流通态损耗也大些。 （4）.因为GTO的关断是由门极负脉冲完成的。所以GTO门极功耗PG比SCR大。,5-9,5.1.3.缓冲电路,电力半导体器件作功率开关元件，在导通状态下虽流过大电流，然而管压降很小；在关断状态下，元件承受高电压，然而漏电流却很小，困此在稳定的开通和关断状态，器件本身的损耗都很小。但在动作过程中：开通时，电流的建立和电压的下降都有个过程；关断时，电流的衰减和电压的恢复也有个过程。这期间，元件上的电流和电压有重叠，会引起很大的关断损耗。开关频率愈高，这种开关损耗占的比例愈大。,5-10,为了减小开关损耗以及降低didt、dudt和浪
6、涌电压，电力半导体器件使用时一般均需加缓冲电路。 缓冲电路的形式很多，其基本思路是使开通中的阳极电流缓升；关断中的阳极电压缓升。以避免GOT导通和阻断过程中同时承受高电压和大电流。,5-11,利用电感阻止电流变化和电容端电压不能突变特性组成的基本缓冲电路如下图虚线框内所示：,5-12,5.1.4.对门极信号的要求,1）.开通与关断过程的波形,5-13,两个主要参数：开通时间ton；关断时间toff 。 2）.对门极触发信号的要求 （l）.电流上升率：GTO要求有足够大的电流上升率，以加快导通速度缩短开通时间。 （2）.脉冲幅度：一般要求脉冲幅度大于门极触发电流的23倍，强触发使成百上千的单元G
7、TO有良好开通一致性，并缩短导通时间。 （3）.脉冲宽度：一般为开通时间的几倍，以保证所有单元充分地导通，当主回路为感性负载时，脉冲宽度应该更宽。 （4）.通态门极电流：GTO导通后继续施加门极电流，能使GTO充分导通，并减小通态压降和开通损耗。,5-14,3）.对门极关断信号的要求 （1）.门极关断电流下降率：大好； （2）.负门极电流幅度：大些好，但一般取被关断阳极电流的 1513。 （3）.门极关断电压：GTO要求门极关断电压有一定的大小，以确保抽走足够的阳极电流而利于GTO关断。一般取门极关断电压持续时间大于2ton 。 （4）.负门极偏压：负门极偏压对于防止刚刚关断的GTO再次导通是
8、非常有利的，它能确保阳极耐压能力在一定范围内不受dudt增长的影响。,5-15,此外，GTO在开通和关断过程中，电流、电压的急剧变化，可能通过杂散电场和磁场在门极引线回路上产生寄生脉冲，这种脉冲可能导致GTO的误导通或关断失败。为了防止这种现象，应采取短的电磁屏蔽门极引线或双绞门极引线，并且使门极电流与主电流共同流过的引线长度要尽可能短。,5-16,5.1.5.门极驱动电路,GTO器件的合理使用在很大程度上取决于门极驱动电路的设计。门极驱动电路不仅关系到器件的可靠导通和关断，而且直接影响器件的通断时间、开关损耗、工作频率、最大可关断电流等重要参数。 半控型器件构成强迫换流变流器的主要技术问题在
9、于换流环节的话，全控型器件用于这类变流器，门极驱动电路便是主要技术问题之一。 GTO是一种电流注入型自关断器件，其门极驱动电路应包括门极开通、门极关断和门极反偏三部分电路，以分别提供门极需要的正向触发电流、反向关断电流和一定的反偏电压。,5-17,驱动电路的容量、产生门极关断电流的方式各有不同。 驱动电路应实现低压控制信号与GTO主电路间的电隔离。它的输出方式可以是直藕式或是磁耦式；输入端信号除这两种耦合方式外，通常用光耦式。驱动电路的直流控制电源有公共电源和独立电源两种。 小容量GTO由于关断电流较小，常采用驱动电路与门极直接耦合的方式。在主电路中门极具有不同的电位时，必须采用独立电源供电，
10、而驱动电路输入端则必须采用光耦或磁耦方式实现电隔离。,5-18,大容量GTO，因为需要门极关断电流较大，驱动电路输出端与门极间常采用磁耦方式，通过脉冲变压器的匝比来提供上百安培的关断电流并作电隔离，此时可以用公共直流控制电源，驱动电路输入端与控制信号间可直耦。 根据上述要求，可以设计出各种各样的驱动电路，下图是由大功率低内阻的场效应管MOSFE作功放元件的门极驱动电路。它可驱动大客量GTO。,5-19,开关频率：1MHz,5-20,脉冲变压器TP在VM1控制下，以开关频率为1MHz工作，由于频率高，TP的体积很小。TP的二次侧绕组N2用于产生正向门极电流，绕组N3提供反向关断电流。当VM1导通
11、时，变压器绕组N1向直流电源EC吸收能量；当VM1关断时，存储在变压器中的磁能即转移到C2、C4中。 开通控制：当u20，u30时，VM3、VM2导通，触发GTO； u3=0，VM3关断、u20，VM2继续，导通通态门极电流IFG=常数。 关断控制：关断GTO时，u2=0、u3=0、u40;反向电压uC3由TP的二次侧绕组N3提供。uC3选择得尽可能接近GTO门极反向击穿。,5-21,GTO由于具有自关断能力，又可达SCR同等的电压、电流容量目前主要用于自励式（即不要强迫换流）逆变器、斩波器、无功功率装置、有源滤波器、直流断路器、激光电源、核聚变等离子加热电源、新能源发电和电能储存用的各种逆变
12、器。,5-22,5.2.大功率晶体管（GTR、PTR）,大功率晶体管（giant transistor，GTR）亦称电力晶体管（power transistor，PTR），又称双结型晶体管（bi-junction transistor，BJT）。 5.2.l.特性和参数 在电力电子电路中用GTR作功率开关元件时，只允许它工作在关、开即截止、饱和状态，而不允许运行于放大区。 晶体管必须用基极连续的电流驱动信号才能维持在通态，当移去这个信号时，GTR便自动关断。 GTR是一种电流控制器件。,5-23,为减少导通损耗，必须采用过驱动，使GTR进入深饱和；为了可靠而迅速地关断，通常在关断时使基极反偏，
13、注入反向基流。,5-24,1）.GTR的集电极最大允许电流Im可按如下之一定额； （1）.电流增益随集电极电流下降到测试值的1/2或1/3时的集电极电流； （2）.集电极电流与饱和压降Uces的乘积等于允许功耗时的集电极电流； （3）.引起内部引线熔断的集电极电流； （4）.引起集电结毁坏的集电极电流。 前两项决定直流最大允许电流，后两项决定最大脉冲允许电流。大多数厂家以（1）定额Icm，以（3）定额脉冲Icm，或根据经验，后者为前者的1.53倍。,5-25,2）.GTR的电压定额有： （l）.BUcbo发射极开路，c-b之间的最高允许电压，这是晶体管的最高电压定额。 （2）.BUce共射极雪
14、崩击穿（亦称一次击穿）电压。它与b-e极间状况有关。 （3）.BUcbo集电极开路，b-e极间最高允许反向电压，一般约为6V。 需要指出：GTR的c-e之间不能承受反向电压，因此，它只限于用在直流电压源逆变器和斩波器中。,5-26,5.2.2.安全工作区,1）.二次击穿（SB） 一次击穿之后继续使Ic增大，GTR将发生二次击穿。二次击穿通常认为是由于流过GTR的电流不均匀，形成结面局部过热点，引起芯片熔化、穿通，从而造成永久性失效，或者说，产生热击穿所致。热点的形成需要能量的积累，因此，凡是对GTR电压、电流、导通时间有关的因素，如负载性质、脉冲宽度、电路参数、材料、工艺及基极驱动电路的形式等
15、都会影响二次击穿。 2）.正偏安全工作区FBSOA） GTR也和其他电力半导体器件一样，其过载能力很低。,5-27,为了保证GTR能安全工作，且有较高的稳定性和较长的寿命，GTR的电流、电压和功率均有一定的限制，这些限制用Ic-Uce坐标平面表示，便构成 GTR的安全工作区。,5-28,3）.反偏安全工作区（RBSOA）,基极关断反向电流越大，其安全工作区趋窄。图中Icmp为关断前的最大脉冲电流；电压Uce则必须受基极反偏时集电极维持电压的限制。 反偏二次击穿是GTR工作于截止区的二次击穿。,5-29,4）.短路安全工作区（SRBSOA）,如果CTR所在的电路具有较完善的保护功能，当负载短路时
16、能迅速切断正向基流，并使GTR立即转为反偏，短路电流迅速得到抑制，则就有可能避免失效。这种保障在负载短路状态下安全工作的范围称为短路安全工作区。,当负载突然短路时，尽管GTR具有恒流特性，短路电流不致无限增大，但若不加控制，GTR将过热损坏。,5-30,5-31,5.2.3.缓冲电路和续流二极管的影响,1）.动态负载线 先以Ic-Uce平面中的动态负载线来分析GTR的开关性能。在GTR开关过程中，工作点沿负载线AB移动，只要AB两点都在安全工作区内，开关过程就不会超出。,5-32,当负载为电感时，不论IC是连续还是断续，其工作点都可能超出安全工作区。,5-33,常用的方法之一是在负载两端并联续流二极管VD。GTR关断时，自感电势使VD正向导通，给负载电流提件一个续流回路，同时将GTR的集电极箝位于Ud，从而可避免被击穿。,5-34,2）.缓冲电路,加了续流二极管虽然能在开关过程中把Uce限制在电源Ud值，但由于在开关瞬间IC不变，工作点仍有冲出安全工作区的危险。为了保证GTR的安全工作，还需设置缓冲电路。GTR的缓冲电路除和 SCR和 GTO缓冲电路一样能降低附加于器件的
