第三章 直流斩波电路,2,4,. 全控型电力电子器件,. 直流斩波工作原理,. 基本直流斩波电路,. 其他直流斩波电路,返回,. 直流斩波电路应用,. 全控型电力电子器件,在晶闸管问世后不久，门极可关断晶闸管就已经出现。世纪年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合而产生了一代高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代。门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管就是全控型电力电子器件的典型代表。 . 可关断晶闸管 门极可关断晶闸管简称，是一种通过门极来控制器件导通和关断的电力半导体器件。既具有普通晶闸管的优点（耐压高、电流大、耐浪涌能力强、价格便宜），同时又具有的优点（自关断能力、无须辅助关断电路、使用方便），是目前应用于高压、大容量场合中的一种大功率开关器件。广泛应用于电力机车的逆变器、电网动态无功补偿和大功率直流斩波调速等领域。,下一页,返回,. 全控型电力电子器件,.的结构与工作原理 的结构原理与普通晶闸管相似，为四层三端半导体器件，其结构、等效电路及符号如图所示。图中、和分别表示的阳极、门极和阴极。其外形如图所示。 .的主要特性 （）阳极伏安特性。逆阻型的阳极伏安特性如图所示。由图可见，它与普通晶闸管的伏安特性极其相似。 （）通态压降特性。的通态压降特性如图所示，由图可见，随着阳极通态电流的增加，其通态压降增加。一般希望通态压降越小越好。管压降小，的通态损耗就小。 （）开通特性。开通特性是元件从断态到通态过程中电流、电压及功耗随时间变化的特性，如图所示。,上一页,下一页,返回,. 全控型电力电子器件,（）关断特性。关断特性是指在关断过程中的阳极电压、阳极电流和功耗与时间的关系，如图所示。 .的主要参数 的基本参数与普通晶闸管大多相同，不同的主 要参数叙述如下。 （）最大可关断阳极电流。的阳极电流允许值受两方面因素的限制：一是额定工作结温，其决定了的平均电流额定值；二是关断失败。所以必须规定一个最大可关断阳极电流作为其容量，即管子的铭牌电流。,上一页,下一页,返回,. 全控型电力电子器件,（）关断增益。关断增益为最大可关断电流与门极负电流最大值之比，即 （）阳极尖峰电压。阳极尖峰电压是在关断过程中的下降时间尾部出现的极值电压，如图所示。的大小是缓冲电路中的杂散电感与阳极电流在内变化率的乘积。因此，当的阳极电流增加时，尖峰电压几乎线性增加，当增加到一定值时，因过大而损坏。由于限制可关断峰值电流的增加，故的生产厂家一般把值作为参数提供给用户。,上一页,下一页,返回,. 全控型电力电子器件,.门极驱动要求 设计与选择性能优良的门极驱动电路对保证的正常工作和性能优化是至关重要的，特别是对门极关断技术应特别予以重视，它是正确使用的关键。 图所示为理想门极信号波形，门极电压、电流包含正向开通脉冲和反向关断脉冲，波形分析如下。 （）导通触发。在按一定频率的脉冲触发时，要求前沿陡、幅值高的强脉冲触发。通常建议值为铭牌正向触发电流的倍，前沿，使管子开通时间和开通功耗下降，内部并联的开通一致性好，导通管压降下降。强触发脉宽为。正脉冲宽度要足够，以保证阳极电流在触发期间超过掣住电流。,上一页,下一页,返回,. 全控型电力电子器件,正脉冲的后沿坡度应平缓，因为后沿过陡容易产生负的尖峰电流，使误关断。 （）关断触发。关断不仅要从门极抽出足够大的关断电荷，而且要有足够的关断电流上升率，建议以加速关断过程和减少元件功耗，并使内部并联元件动作一致。负门极电压脉冲宽度不小于，保证可靠关断。门极关断脉冲峰值电流应大于（）。门极关断电压脉冲的后沿坡度应尽量缓慢，如坡度太陡，由于结电容的效应会产生一个正向门极电流使误导通。,上一页,下一页,返回,. 全控型电力电子器件,.可关断晶闸管的测试 （）可关断晶闸管电极的判定。将万用表置于挡或挡，轮换测量可关断晶闸管的个引脚之间的电阻，如图所示。电阻比较小的一对引脚是门极（） 和阴极（）；测量、极之间正、反向电阻，电阻指示值较小时红表笔所接的引脚为阴极，黑表笔所接的引脚为门极（控制极） ，而剩下的引脚是阳极。 用万用表挡或挡测量晶闸管阳极（） 与阴极（） 之间的电阻，或测量阳极（）与门极（）之间的电阻。如果读数小于，说明可关断晶闸管严重漏电，器件已击穿损坏。,上一页,下一页,返回,. 全控型电力电子器件, 用万用表挡或挡测量门极（）与阴极（） 之间的电阻。如正、反向电阻均为无穷大（ ），说明被测晶闸管门极、阴极之间断路，该管也已损坏。 可关断晶闸管触发特性测试。如图所示，将万用表置于挡，黑表笔接可关断晶闸管的阳极，红表笔接阴极，门极悬空，这时晶闸管处于阻断状态，电阻应为无穷大（ ），如图（）所示。 在黑表笔接触阳极的同时也接触门极，于是门极受正向电压触发（同样也是万用表内.电源的作用），晶闸管成为低阻导通状态，万用表指针应大幅度向右偏，如图（）所示。,上一页,下一页,返回,. 全控型电力电子器件,保持黑表笔接极，红表笔接极不变，极重新悬空（开路），则万用表指针应保持低阻指示不变，如图（）所示，说明该可关断晶闸管能维持导通状态，触发特性正常。 可关断晶闸管关断能力的初步检测。测试方法如图所示。采用.干电池一节，普通万用表一只。 将万用表置于挡，黑表笔接晶闸管阳极，红表笔接阴极，这时万用表指示的电阻应为无穷大（ ），然后用导线将门极与阳极接通，于是极受正电压触发，使晶闸管导通，万用表指示应为低电阻，即指针向右偏转，如图（） 所示。,上一页,下一页,返回,. 全控型电力电子器件,将门极开路后万用表指针偏转应保持不变，即晶闸管仍应维持导通状态，如图（）所示。然后将.电池的正极接阴极、电池负极接门极，则晶闸管立即由导通状态变为阻断状态，万用表的电阻为无穷大 ），说明被测晶闸管关断能力正常。 . 电力晶体管 电力晶体管（） 是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（）。在电力电子技术的范围内，和这两个名称是等效的。自世纪年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管的主要是。但是目前，其地位已大多被绝缘栅双极晶体管和电力场效应管所取代。,上一页,下一页,返回,. 全控型电力电子器件,为层端器件，有和两种结构，大功率多为型。的基本工作原理与普通的双极结型晶体管是一样的。它们均是用基极电流控制集电极电流的电流控制型器件。但是由于在电力电子设备中主要作为功率开关使用，最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好，而不像小功率的用于信息处理的双极结型晶体管那样注重单管电流放大系数、线性度、频率响应以及噪声和温漂等性能参数。因此，通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，同 （可关断晶闸管） 一样采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。单管的结构与普通的双极结型晶体管是类似的。图分别给出了型的内部结构断面示意图和电气图形符号。,上一页,下一页,返回,. 全控型电力电子器件,.的基本特性 （）静态特性。图给出了在共发射极接法时的典型输出特性（即集电极伏安特性），明显地分为截止区、放大区和饱和区个区域。在电力电子电路中，工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区。但在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，都要经过放大区。 （）动态特性。动态特性主要描述开关过程的瞬态性能，其优劣常用开关时间表征。是用基极电流来控制集电极电流的，图给出了开通和关断过程中基极电流和集电极电流波形的关系。,上一页,下一页,返回,. 全控型电力电子器件,.的基本参数 除了已经熟悉的一些参数，如电流放大倍数、集电极与发射极间漏电流、集电极和发射极间饱和压降、开通时间和关断时间以外，对主要关心的参数还包括最大额定值（指允许施加于上的电压、电流、耗散功率及结温等的极限值）。它们是由的材料性能、结构方式、设计水平和制造工艺等因素所决定的，在使用中绝对不允许超过这些极限参数，它们分别如下。 .的二次击穿和安全工作区 使用中，实际允许的功耗不仅由决定，还要受二次击穿功率的限制。实践表明，即使工作在范围内，仍有可能突然损坏，其原因一般是由二次击穿引起的，二次击穿是影响可靠工作的一个重要因素。,上一页,下一页,返回,. 全控型电力电子器件,（）二次击穿现象。当集电极电压渐增至时急剧增加，出现一次击穿现象，又称一次击穿电压。此时，如有外接电阻限制电流增长，一般不会使的特性变坏，但如不加限制地让继续增加，则上电压突然下降，出现负阻效应，导致破坏性的二次击穿。 （）安全工作区。安全工作区是指使能够安全运行的范围，简称，分为正向偏置安全工作区（）和反向偏置安全工作区（）。 . 功率场效应管 功率场效应管简称功率，它是一种单极型电压控制器件。它具有自关断能力，且输入阻抗高，驱动功率小，开关速度快，工作频率可达，不存在二次击穿问题，安全工作区宽。,上一页,下一页,返回,. 全控型电力电子器件,但其电压和电流容量较小，故在高频中、小功率的电力电子装置中得到广泛应用。 .功率的结构与工作原理 功率有多种结构形式，根据载流子的性质可分沟道和沟道两种类型，符号如图所示，它有个电极：栅极、源极和漏极，图中箭头表示载流子移动的方向。根据制造工艺不同，功率分为和。 .功率的主要特性 功率的特性可分为静态特性和动态特性，输出特性和转移特性属静态特性，而开关特性则属动态特性。,上一页,下一页,返回,. 全控型电力电子器件,（）输出特性。输出特性也称漏极伏安特性，它是以栅源电压为参变量，反映漏极电流与漏源极电压之间关系的曲线簇，如图所示。由图可见，输出特性分个区： （）转移特性。转移特性是在一定的漏极与源极电压下，功率的漏极电流和栅极电压的关系曲线，如图（） 所示。该特性表征功率的栅源电压对漏极电流的控制能力。 （）开关特性。功率是一个近似理想的开关，具有很高的增益和极快的开关速度。这是由于它是单极型器件，依靠多数载流子导电，没有少数载流子的存储效应，与关断时间相联系的存储时间大大减小。它的开通、关断只受到极间电容影响，和极间电容的充、放电有关。,上一页,下一页,返回,. 全控型电力电子器件,.功率的主要参数 （）通态电阻。通常规定：在确定的栅源电压下，功率由可调电阻区进入饱和区时的集射极间直流电阻为通态