【正文】 ET的主要特性 第 4章 全控型電力電子器件 1． 基本電路型式 圖 419 PM (a) 共源極電路； (b) 共漏極電路； (c) 轉(zhuǎn)換開關(guān)電路； (d) 交流開關(guān)電路 PMuiuoRoUCC( a )PMui uoRoUCC( b )PM1ui1UCC( c )VD1PM2ui2VD2 RoPM1ui1( d )VD1RoPM2VD2ui2～ui PMOSFET的柵極驅(qū)動電路 第 4章 全控型電力電子器件 (1) 共源極電路：相當(dāng)于普通晶體管的共發(fā)射極電路 ， 如圖 419(a)所示 。 (2) 開關(guān)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(guān)損耗小 。 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 。 當(dāng) UGS ＞ UV且 UDS ＞ 0時 ， 會產(chǎn)生漏極電流 ID， PM處于導(dǎo)通狀態(tài) ， 且 UDS越大 ， ID越大 。 因此 ， PMOSFET元件在變流電路中的實際形式如圖 418（ c） 所示 。 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(dǎo)致元件損壞 。 管子截止時 ， 漏源間的反向電流就在此二極管內(nèi)流動 。 功率場效應(yīng)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 。 當(dāng)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(guān)器件 GTR(V0） 的基極電流 ， 實現(xiàn)線路保護 。 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(guān)斷與導(dǎo)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(yīng)脈沖 ， 再經(jīng)環(huán)形分配器分頻 ， 使驅(qū)動信號每隔 60176。 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。 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 。 圖 417給出了電壓型晶體管逆變器變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖 。 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(yīng)快 ， 濾波元件可大大縮小 。 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 。 通過改變 GTR的基極輸入脈沖的占空比來控制 GTR的導(dǎo)通與關(guān)斷時間 ， 在直流電機上就可獲得電壓可調(diào)的直流電 。 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 。 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 。 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因為有自關(guān)斷能力 ， 所以在逆變回路中不需要復(fù)雜的換流設(shè)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 。amp。 當(dāng) GTR關(guān)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(guān)斷信號 。 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(guān)斷 （ 如 ESM6045D管子的 UBE ＝ 4 V時可靠關(guān)斷 ） 。 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(dāng) A為高電平時 ， 驅(qū)動 GTRA導(dǎo)通 ， 其發(fā)射極輸出低電平將另一接口的與門封鎖 ， 則 GTRB關(guān)斷 。 為了避免橋臂短路 ， 可采用互鎖保護法 ， 即一個 GTR關(guān)斷后 ， 另一個才導(dǎo)通 。 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 。 Ur的值通常由它所對應(yīng)的額定負載電流值確定 。 圖 413所示的識別保護電路檢測 GTR管壓降并與基準(zhǔn)值 Ur比較 ， 當(dāng)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(guān)斷過流的 GTR。 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 。 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 。 在 GTR關(guān)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 。 另一方面 ， 緩沖電路也可以使 GTR的集電極電壓變化率 du/dt和集電極電流變化率 di/dt得到有效的抑制 ， 防止高壓擊穿和硅片局部過熱熔通而損壞 GTR。 若其工作點超出器件的安全工作區(qū) SOA， 則極易產(chǎn)生二次擊穿而使 GTR損壞 。 由于 UAA4002的驅(qū)動容易擴展 ， 因而可通過外接晶體管驅(qū)動各種型號和容量的 GTR， 也可以驅(qū)動功率 MOSFET管 。 16 正向基極電流輸出端 IB1 。 15 輸出級電源輸入端 ， 由 R接正電源 。 第 4章 全控型電力電子器件 13 通過抗飽和二極管接到 GTR的集電極 。 ⑿ 過電流保護端 ， 接 GTR射極的電流互感器 。 此腳的功能就是 ， 當(dāng) GTR出現(xiàn)退飽和時 ， 切除 GTR的驅(qū)動信號 ，關(guān)斷 GTR。 第 4章 全控型電力電子器件 ⑾ 由 RSVD接地 ， 完成退飽和保護 。 ⑨ 接地端 。 ⑧ 通過電容 CV接地 ， 最大導(dǎo)通時間 ton(max)＝ 2RV 負電源欠壓保護的門檻電 |U|min由式 R＝ RV/2（ 1+|U|min/5） （ kΩ ） 決定 ， 若 ⑥接地 ， 則無此保護功能 。 ⑥ 由 R接負電源 ， 該腳通過一個電阻與負電源相接 。 ④輸入選擇端，為 “ 1”選擇電平輸入，為 “ 0”選擇脈沖輸入。 UAA4002可對被驅(qū)動的 GTR實現(xiàn)過流保護 、 退飽和保護 、 最小導(dǎo)通的時間限制 （ ton（ min） ＝ 1～ 12μs ） ，最大導(dǎo)通的時間限制 、 正反向驅(qū)動電源電壓監(jiān)控以及自身過熱保護 。 第 4章 全控型電力電子器件 圖 49 雙電源驅(qū)動電路 R3V3R4V2V4R6R10R7V5R8BV6R9－ UC3＋ UC2R5V1R1S＋ UC1R2第 4章 全控型電力電子器件 2） 集成基極驅(qū)動電路 THOMSON公司生產(chǎn)的 UAA4002大規(guī)模集成基極驅(qū)動電路可對 GTR實現(xiàn)較理想的基極電流優(yōu)化驅(qū)動和自身保護 。 當(dāng)輸入端 S為低電位時 ， V1～ V3導(dǎo)通 ， V V5截止 ， B點電壓為負 ， 給 GTR基極提供反向基極電流 ， 此時 GTR（ V6） 關(guān)斷 。 (4) 電路盡可能簡單， 工作穩(wěn)定可靠， 抗干擾能力強。 GTR的基極驅(qū)動電路及其保護電路 第 4章 全控型電力電子器件 圖 48 理想的基極驅(qū)動電流波形 uBEt / ? s2 ? sON O F F5 ? s0iBIB1IB2IB3第 4章 全控型電力電子器件 (2) 實現(xiàn)主電路與控制電路的隔離 。 基極驅(qū)動電流的各項參數(shù)直接影響 GTR的開關(guān)性能 ， 因此根據(jù)主電路的需要正確選擇和設(shè)計 GTR的驅(qū)動電路是非常重要的 。 圖 47中陰影部分即為 SOA。 以3DD8E晶體管測試數(shù)據(jù)為例 ， 其 PCM＝ 100 W， UCEO≥ 200 V， 但由于受到二次擊穿的限制 ， 當(dāng) UCE＝ 100 V 時 ， PSB為 60 W。 第 4章 全控型電力電子器件 2． 安全工作區(qū) 安全工作區(qū) SOA（ Safe Operation Area） 是指在輸出特性曲線圖上 GTR能夠安全運行的電流電壓的極限范圍 ， 如圖 47所示 。 因此 ， 集電極電壓 、 電流 、 負載性質(zhì) 、 驅(qū)動脈沖寬度與驅(qū)動電路配置等因素都對二次擊穿造成一定的影響 。 第 4章 全控型電力電子器件 GTR發(fā)生二次擊穿損壞是它在使用中最大的弱點 。 二次擊穿的時間在微秒甚至納秒數(shù)量級內(nèi) ， 在這樣短的時間內(nèi)如果不采取有效保護措施 ， 就會使 GTR內(nèi)出現(xiàn)明顯的電流集中和過熱點 ， 輕者使器件耐壓降低 ， 特性變差；重者使集電結(jié)和發(fā)射結(jié)熔通 ， 造成 GTR永久性損壞 。 二次擊穿和安全工作區(qū) 第 4章 全控型電力電子器件 圖 46 二次擊穿示意圖 ICUCE( US B , ISB)二 次 擊 穿AIB＞ 0第 4章 全控型電力電子器件 A點對應(yīng)的電壓 USB和電流 ISB稱為二次擊穿的臨界電壓和電流 ， PSB=USBISB 稱為二次擊穿的臨界功率 。 發(fā)生一次擊穿時 ， 如果有外接電阻限制電流 IC的增大 ， 一