【文章內(nèi)容簡介】 圖 412是一種緩沖電路 。 在 GTR關斷過程中 ， 流過負載 RL的電流通過電感 LS、 二極管 VDS給電容 CS充電 。 因為 CS上的電壓不能突變 ， 這就使 GTR在關斷過程中電壓緩慢上升 ， 避免關斷過程初期 GTR中電流下降不多時電壓就升到最大值的情況 ， 同時也使電壓上升率 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的開關損耗 ， 是因為它把 GTR開關損耗轉(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 。 第 4章 全控型電力電子器件 2) GTR的過電流保護 (1） GTR的 UCE識別法 。 負載過電流或基極驅(qū)動電流不足都會導致 GTR退出飽和區(qū)而進入放大區(qū) ， 管壓降明顯增加 。 圖 413所示的識別保護電路檢測 GTR管壓降并與基準值 Ur比較 ， 當管壓降 UCE＞ Ur時就使驅(qū)動管 V截止 ， 切除 GTR的驅(qū)動信號 ， 關斷過流的 GTR。 Ur的大小取決于需要保護電路動作時的負載電流大小 。 Ur的值通常由它所對應的額定負載電流值確定 。 由于 GTR在脫離飽和區(qū)時 UCE變化較大 ， 因此過載保護效果很好 ， 它可使 GTR在幾個微秒之內(nèi)封鎖驅(qū)動電流 ， 關斷 GTR。 第 4章 全控型電力電子器件 圖 413 識別保護電路 UCCVR＋Cui＋ －△∞G T RUr第 4章 全控型電力電子器件 (2） GTR橋臂互鎖保護法 。 若一個橋臂上的兩個 GTR控制信號重疊或開關器件本身延時過長 ， 則會造成橋臂短路 。 為了避免橋臂短路 ， 可采用互鎖保護法 ， 即一個 GTR關斷后 ， 另一個才導通 。 采用橋臂的互鎖保護 ， 不但能提高可靠性 ， 而且可以改進系統(tǒng)的動態(tài)性能 ， 提高系統(tǒng)的工作頻率 。 圖 414所示為互鎖保護的示意圖 ， 這種互鎖控制是通過與門來實現(xiàn)的 ， 當 A為高電平時 ， 驅(qū)動 GTRA導通 ， 其發(fā)射極輸出低電平將另一接口的與門封鎖 ， 則 GTRB關斷 。 如何判別GTR是否關斷是互鎖保護的關鍵問題 。 分析表明 ， 只要 GTR的 BE間已建立足夠大的反向電壓 UBE， GTR一定被關斷 （ 如 ESM6045D管子的 UBE ＝ 4 V時可靠關斷 ） 。 圖 415 為 UBE的識別電路 。 當 GTR關斷時 ， 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的關斷信號 。 第 4章 全控型電力電子器件 圖 414 GTR橋臂互鎖保護示意圖 UCCG T RAG T RB負載驅(qū)動驅(qū)動amp。amp。接口接口AB第 4章 全控型電力電子器件 圖 415 UBE識別電路 VG T R第 4章 全控型電力電子器件 GTR的應用已發(fā)展到晶閘管領域 ， 與一般晶閘管比較 ， GTR有以下應用特點： (1) 具有自關斷能力 。 GTR因為有自關斷能力 ， 所以在逆變回路中不需要復雜的換流設備 ， 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 1~2個數(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 。 GTR的應用 第 4章 全控型電力電子器件 下面介紹幾個簡單的例子來說明 GTR的應用 。 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 416所示 。 所謂斬波調(diào)壓 ， 是利用電力電子開關器件將直流電變成另一固定或大小可調(diào)的直流電 ， 有時又稱此為直流變換或開關型 DC/DC變換電路 。 圖中 VD1～ VＤ 6構(gòu)成一個三相橋式整流電路 ， 獲得一個穩(wěn)定的直流電壓 。 VD為續(xù)流二極管 ， 作用是在 GTR關斷時為直流電機提供電流 ， 保證直流電機的電樞電流連續(xù) 。 通過改變 GTR的基極輸入脈沖的占空比來控制 GTR的導通與關斷時間 ， 在直流電機上就可獲得電壓可調(diào)的直流電 。 第 4章 全控型電力電子器件 由于 GTR的斬波頻率可高達 2 kHz左右 ， 在該頻率下 ， 直流電動機電樞電感足以使電流平滑 ， 這樣電動機旋轉(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 。 第 4章 全控型電力電子器件 圖 416 GTR直流斬波調(diào)速 VD1VD3VD5UVWVD4VD6VD2G T RVDM第 4章 全控型電力電子器件 2) 電源裝置 目前大量使用的開關式穩(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)點是效率高 ， 頻率范圍一般在音頻之外 ， 無噪聲 ， 反應快 ， 濾波元件可大大縮小 。 第 4章 全控型電力電子器件 3) 與晶閘管逆變器相比 ， GTR關斷控制方便 、 可靠 ， 效率提高 10%， 有利于節(jié)能 。 圖 417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 VD1～ VD6構(gòu)成一個三相橋式整流電路 ， 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 。 V1～ V6是六個 GTR構(gòu)成的三相逆變電路 ， 每個 GTR的集 — 發(fā)極之間所接的二極管為其緩沖電路 。 第 4章 全控型電力電子器件 圖 417 晶體管逆變調(diào)速系統(tǒng)框圖 VD1VD3VD5UVWVD4VD6VD2V0C1LC2R過 流 檢 測過 電 壓 檢 測amp?；鶚O電 路 圖電壓調(diào) 速 器振 蕩 器給定積 分 器UCCUDD環(huán)形分配器V2V1V4V3V6V5M～第 4章 全控型電力電子器件 控制電路的工作情況為：階躍速度指令信號 Ugd經(jīng)給定積分器變?yōu)樾逼滦盘?， 可以限制電動機啟動與制動時的電樞電流 。 此速度指令一方面通過電壓調(diào)節(jié)器 、 基極電路控制 V0基極的關斷與導通時間 ， 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 ） 變成相應脈沖 ， 再經(jīng)環(huán)形分配器分頻 ， 使驅(qū)動信號每隔 60176。 輪流加在各開關器件 GTR（ V1～ V6）上 ， 實現(xiàn)將直流電變成交流電的逆變過程 。 當主電路出現(xiàn)過壓或過流時 ， 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器件 GTR(V0） 的基極電流 ， 實現(xiàn)線路保護 。 第 4章 全控型電力電子器件 功率場效應晶體管 功率場效應晶體管 （ Power MOS Field Effect Transistor） 簡稱Power MOSFET， 是 20世紀 70年代中后期開發(fā)的新型功率半導體器件 ， 通常又叫絕緣柵功率場效應晶體管 ， 本書簡稱為 PMOSFET， 用字母 PM表示 。 功率場效應晶體管已發(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溝道增強型 PM， 管子符號如圖 418（ a） 所示 ， 三個引腳 ， 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 ， 相當于在源極 （ S） 與漏極 （ D） 間形成了一個寄生二極管 。 管子截止時 ， 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PMOSFET的符號用圖 418（ b） 表示 。 如果是在變流電路中 ， PMOSFET元件自身的寄生二極管流通反向大電流 ， 可能會導致元件損壞 。 為避免電路中反向大電流流過 PMOSFET元件 ， 在它的外面常并接一個快速二極管 VD2， 串接一個二極管 VD1。 因此 ， PMOSFET元件在變流電路中的實際形式如圖 418（ c） 所示 。 第 4章 全控型電力電子器件 圖 418 PM圖形符號 G( 柵極 )S( 源極 )D( 漏極 )( a ) ( b )GSD( c )GSDVD1VD2第 4章 全控型電力電子器件 當柵 —源極間的電壓 UGS≤ 0或 0＜ UGS≤ UV（ UV為開啟電壓 ，又叫閾值電壓 ， 典型值為 2～ 4 V） 時 ， 即使加上漏 —源極電壓UDS， 也沒有漏極電流 ID出現(xiàn) ， PM處于截止狀態(tài) 。 當 UGS ＞ UV且 UDS ＞ 0時 ， 會產(chǎn)生漏極電流 ID， PM處于導通狀態(tài) ， 且 UDS越大 ， ID越大 。 另外 ， 在相同的 UDS下 ， UGS越大 ， 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 。 第 4章 全控型電力電子器件 (1) 輸入阻抗高 ， 屬于純?nèi)菪栽?， 不需要直流電流驅(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) 開關速度快 ， 工作頻率可達 1 MHz， 比 GTR器件快10倍 ， 可實現(xiàn)高頻斬波 ， 使開關損耗小 。 (3) 為負電流溫度系數(shù) ， 即器件內(nèi)的電流隨溫度的上升而下降的負反