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全控型电力电子开关逐步取代半控型晶闸管

50年代末出现的晶闸管标志着运动控制的新纪元.它是第一代电子电力器件,在我国至今仍广泛用于直流和交流传动控制系统.随着交流变频技术的兴起,相继出现了全控式器件——GTR、GTO、P-MOSFET等.这是第二代电力电子器件.由于目前所能生产的电流/电压定额和开关时间的不同,各种器件各有其应用范围.


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GTR的二次击穿现象以及其安全工作区受各项参数影响而变化和热容量小、过流能力低等问题,使得人们把主要精力放在根据不同的特性设计出合适的保护电路和驱动电路上,这也使得电路比较复杂,难以掌握.

GTO是一种用门极可关断的高压器件,它的主要缺点是关断增益低,一般为4~5,这就需要一个十分庞大的关断驱动电路,且它的通态压降比普通晶闸管高,约为2V~4.5V,开通di/dt和关断dv/dt也是限制GTO推广运用的另一原因,前者约为500A/%es,后者约为500V/%es,这就需要一个庞大的吸收电路.


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由于GTR、GTO等双极性全控性器件必须要有较大的控制电流,因而使门极控制电路非常庞大,从而促进厂新一代具有高输入阻抗的MOS结构电力半导体器件的一切.P-MOSFET是一种电压驱动器件,基本上不要求稳定的驱动电流,驱动电路只需要在器件开通时提供容性充电电流,而关断时提供放电电流即可,因此驱动电路很简单.它的开关时间很快,安全工作区十分稳定,但是P-MOSFET的通态电压降随着额定电压的增加而成倍增大,这就给制造高压P-MOSFET造成了很大困难.

IGBT是P-MOSFET工艺技术基础上的产物,它兼有MOSFET高输入阻抗、高速特性和GTR大电流密度特性的混合器件.其开关速度比P-MOSFET低,但比GTR快;其通态电压降与GTR相拟,约为1.5V~3.5V,比P-MOSFET小得多,其关断存储时间和电流下降时间为别为0.2%es~0.4%es和0.2%e

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s~1.5%es,因而有较高的工作频率,它具有宽而稳定的安个工作区,较高的效率,驱动电路简单等优点.

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MOS控制晶闸管(MCT)是一种在它的单胞内集成了MOSFET的品闸管,利用MOS门来控制品闸管的开通和关断,具有晶闸管的低通态电压降,但其工作电流密度远高IGBT和GTR,在理论上可制成几千伏的阻断电压和几十千赫的开关频率,且其关断增益极高.

IGBT和MCT这一类复合型电力电子器件可以称为第三代器件.在器件的复合化的同时,模块即把变换器的双臂、半桥乃至全桥组合在一起大规模生产的器件也已进入实用.在模块化和复合化思路的基础下,其发展便是功率集成电路PIC(PowerIntegratedCircuit),在PIC,不仅主回路的器件,而且驱动电路、过压过流保护、电流检测甚至温度自动控制等作用都集成到一起,形成一个整体,这可以算作第四代电力电子器件.

变换器电路从低频向高频方向发展

随着电力电子器件的更新,由它组成的变换器电路也必然要换代.应用普通晶闸管时,直流传功的变换器主要是相控整流,而交流变频船动则是交一直一交变频器.当电力电子器件进入第二代后,更多是采用PWM变换器了.采用PWM方式后,提高了功率因数,减少了高次谐波对电网的影响,解决了电动机在低频区的转矩脉动问题.

但是PWM逆变器中的电压、电流的谐波分量产生的转矩脉动作用在定转子上,使电机绕组产生振动而发出噪声.为了解决这个问题,一种方法是提高开关频率,使之超过人耳所能感受的范围,但是电力电子器件在高电压大电流的情况下导通或关断,开关损耗很大.开关损耗的存在限制了逆变器工作频率的提高.

1986年美国威斯康星大学Divan教授提出谐振式直流环逆变器.传统的逆变器是挂在稳定的直流母线上,电力电子器件是在高电压下进行转换的“硬开关”,其开关损耗较大,限制了开关在频率上的提高.而谐振式直流环逆变器是把逆变器挂在高频振荡过零的谐振路上,使电力电子器件在零电压或零电流下转换,即工作在所谓的“软开关”状态下,从而使开关损耗降低到零.这样,可以使逆变器尺寸减少,降低成本,还可能在较高功率下使逆变器集成化.因此,谐振式直流逆变器电路极有发展前途.

结束语

众所周知,电气自动化技术是当今世界最活跃、最充满生机、最富有开发前景的综合性学科与众多高新技术的合成.其应用范围十分广泛,几乎渗透到国民经济各个部门,随着我国科学技术的发展,电气自动化技术也随之提高.

(作者单位:长江大学电子信息学院)

参考文献:

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