1.2 变频器常用的电力晶体管
1.2.1 变频器常用电力晶体管组成及其特点
电力晶体管又称为大功率晶体管或双极晶体管,简称GTR或BJT,是一种由两个或多个晶体管复合而成的复合型晶体管(达林顿管)。通常多以模块封装方式出现,图1-1所示为GTR的单复合管模块内部典型电路,图1-2所示为GTR的双复合管模块内部典型电路。
图1-1 GTR的单复合管模块内部典型电路
1.变频器中使用的单GTR的构成特点
从图1-1中可以看出,晶体管VT1与VT2复合后的集电极作为GTR模块的C极;复合后的发射极作为GTR的E极,复合后的基极作为GTR的基极。
2.变频器中使用的双的构成特点
由于电力晶体管在变频器中主要用于逆变桥,故生产厂家通常又将两个GTR集成在一起,制成双复合管模块方式,其内部典型结构如图1-2所示。也有将六个GTR集成在一起,制成六管式GTR模块。
另外,由于在变频器的逆变电路中,各逆变管的输出端通常总需要反向并联一只二极管,故在GTR模块的旁边,也已经将反向并联的二极管集成到模块内部。
图1-2 GTR的双复合管模块内部典型电路
1.2.2 变频器常用电力晶体管的工作状态
电力晶体管的基本工作状态与普通晶体管的基本相同,这类晶体管的工作也有三种工作状态。
1.变频器中使用的电力晶体管的放大状态
(1)基极电流的计算
以单复合管CTR为例,其等效电路如图1-3所示。由于集电极电流的大小由基极电流确定,故有以下关系式
IC=β·IB
式中IC——单复合管GTR集电极电流,单位A;
β——GTR复合管电流放大倍数;
IB——单复合管GTR基极电流,单位A。
图1-3 单复合管GTR放大状态时的等效电路示意图
(2)耐压的计算
单复合管GTR中后级晶体管承受的耐压可以由以下公式计算得到
UCE=UC-IC·RC
式中UCE——单复合管GTR集电极与发射极之间承受的电压,单位V;
UC——加到单复合管GTR上的电源电压,单位V;
IC——单复合管GTR集电极电流,单位A;
RC——单复合管GTR集电极上的负载电阻,单位Ω。
2.变频器中使用的电力晶体管的截止状态
当加到单复合管GTR基极上的电流等于0时,GTR进入截止状态,其等效电路如图1-4所示。此时
IC≈0A(只有极小的泄漏电流)
UCE≈UC(C与E之间承受电源的全电压)
3.变频器中使用的电力晶体管的饱和导通状态
当IB>UC/RC时,单复合管GTR进入饱和导通状态,其等效电路如图1-5所示。图中的虚线等效于连接短路线。
图1-4 单复合管GTR截止状态时的等效电路示意图
图1-5 单复合管GTR饱和导通状态时的等效电路示意图
(1)GTR的管压
单复合管GTR的管压降近似于0V(实际约在2~3V之间),即
UCE≈0V
(2)GTR的集电极电流
单复合管GTR的集电极电流基本取决于欧姆定律,即
IC≈UC/RC
1.2.3 变频器常用电力晶体管的工作参数
1.电力晶体管截止状态下的击穿电压
电力晶体管在截止状态下的击穿电压的含义为在截止状态下,可以引起集电极与发射极之间击穿的最小电压。在基极开路时,该参数采用UCEO表示;在基极与发射极之间反向偏置时,采用UCEX表示,在大多数情况下,UCEO≈UCEX,两者数值基本相等。在380V等级的变频器中使用的GTR电力晶体管,通常可以选用UCEO=1200V的。
2.电力晶体管截止状态下的漏电流
电力晶体管在截止状态下漏电流的含义为:从集电极流向发射极的电流。在基极开路时,该参数采用ICEO表示;在基极与发射极之间反向偏置时,采用ICEX表示。
3.电力晶体管饱和导通状态下的集电极最大电流
电力晶体管在饱和导通状态下集电极最大电流的含义为:在饱和导通状态时,流过集电极中的最大允许电流,通常采用ICM来表示。
4.电力晶体管饱和导通状态下的饱和电压降
电力晶体管在饱和导通状态下饱和电压降的含义为:在饱和导通状态时,集电极与发射极之间的电压降,通常采用UCES来表示。
5.GTR电力晶体管开关过程中的开通时间
GTR电力晶体管开通时间的含义为:在基极通入正向信号电流IB1(GTR第一级管子的基极电流)时起,到集电极电流上升到饱和电流的90%(0.9ICS)所需要的时间,通常采用tON表示,如图1-6所示。
图1-6 GTR电力晶体管开通时间曲线示意图
6.GTR电力晶体管开关过程中的关断时间
(1)关断时间
GTR电力晶体管关断时间的含义为:从基极电流消失(或加入反馈基极电流IB2)时起,到集电极电流下降到饱和电流的10%(即0.1ICS)所需要的时间,通常采用tOFF表示,如图1-6所示。
(2)需要说明的问题
GTR电力晶体管开通时间与关断时间的大小,会直接影响到脉宽调制时的载波频率。使用GTR时的上限载波频率为2kHz,实际使用的载波频率则在1.5kHz以下。
7.GTR模块的额定功率比其电压和电流的乘积小
为了便于说明和理解,以某一款UCEO=1200V、ICM=300A的电力晶体管GTR为例,其额定功率只有PC=2kW。但如果按照电压与电流的乘积计算,则:
PC=1200×300=360000=360kW
(1)差别的原因
由此可见,两者的相差很大,究其原因,主要是由于变频器中使用的GTR模块,是作为开关器件来使用的,也就是说,GTR模块中的晶体管电路仅使用了其饱和导通与截止两种工作状态。
(2)原理分析
GTR模块中的晶体管电路在截止状态时,由于泄漏电流极小,GTR消耗的功率微不足道。而在饱和导通状态时,GTR的饱和导通电压降不足5V,如果就按照5V来计算,当电流为300A时,功耗则约为
PC=5×300=1500=1.5kW
由此可见,GTR模块的额定功率是在其内部晶体管饱和导通状态的基础上,再适当增加一定的余量来确定的。
1.2.4 变频器常用电力晶体管驱动应用电路
1.GTR基极驱动电路的基本构成
在变频器中,用于驱动控制电力晶体管GTR的基极电路的典型结构如图1-7所示。图中的VT3即为电力晶体管,其前面的电路即为基极驱动控制电路,由集成电路驱动电路EXB359与普通晶体管VT1、VT2为核心构成。该电路的最大特点是尽量缩短GTR的导通与关断时间。其输出的控制信号波形如图1-8所示。
图1-7 GTR的基极控制电路的典型结构示意图
图1-8 GTR的基极控制电路输出波形示意图
2.电力晶体管基极驱动电路中GTR的工作特点
(1)截止→饱和
为了保证晶体管尽快进入饱和状态,开始导通时的基极电流较大;当晶体管已经进入饱和状态时,为了便于在切换时容易退出饱和状态,故电路采用了适当减小基极电流的方法,来减轻饱和深度。
(2)饱和→截止
为了保证晶体管尽快进入截止状态,电路中的基极(b)与发射极(e)之间采用了反向配置方式。在基极与发射极之间刚开始加入反向电压时,基区里过剩的载流子被迅速抽出,故有较大的反向电流。
(3)保护电路
由于晶体管VT1与VT2基极与发射极之间的反向击穿电压UCBO较低(通常小于6V),为了防止在反向配置时被击穿,通常都在其基极与发射极之间连接有保护电阻器或二极管等,这些元件一般集成在集成电路内,以图1-7电路为例。如为分立元器件驱动电路,则保护元件直接连接在晶体管的基极与发射极之间。
(4)电路元件作用
在图1-7电路中,晶体管VT1与VT2构成了集成电路外接的互补驱动电路,其中的VT1用于向电力晶体管GTR(即VT3)提供正向的驱动电流,VT2用于向VT3提供反向驱动电流。
3.电力晶体管的缓冲电路的基本构成
在变频器中,电力晶体管的缓冲电路典型结构如图1-9所示。该电路的主要作用是减小电力晶体管GTR从饱和转变为截止时,集电极与发射极之间的电压变化率。
图1-9 电力晶体管GTR的缓冲电路典型结构
4.电力晶体管缓冲电路中GTR的工作原理
在变频器中,电力晶体管的缓冲电路典型结构如图1-9所示,由VT1与VT2各组成一路缓冲电路,两组电路的工作原理基本相同。下面以VT1组成的这一组电路为例来说明缓冲电路的工作原理。
(1)VT1饱和→截止
当VT1管从饱和状态转变为截止状态时,其集电极与发射极之间的电压将由近似于0V迅速上升为UCC(≈513V),这样高的电压变化率会使后级的电力晶体管损坏。
为了减小上述的电压变化率,图1-9电路中设置了缓冲电容器C1,利用该电容器上的电压不会突变的特点,来减缓UCE的上升率。
(2)VT1截止→饱和
在VT1管截止期间,C1电容器上的电压被充到近似于513V。一旦VT1管重又转变为饱和导通状态时,C1上的约513V电压将直接对VT1管放电,由此会形成较大的冲击电流,足以导致后级的电力晶体管GTR损坏。
为了减小上述的放电冲击电流,图1-9所示电路在放电回路中设置了限流电阻器R1。不过,由于限流电阻器R1的接入,会直接影响C1电容器减缓UCE上升率的作用,为了解决这一矛盾,电路中又设置了一个VD01二极管与R1电阻器并联。由于二极管具有钳位作用,故当VT1由饱和转变为截止状态时,C1电容器减缓电压变化率的作用不会受到影响;而当VT1从截止转变为饱和导通状态时,C1电容器的放电电流就会被R1电阻器减弱。
(3)需要说明的问题
图1-9所示仅是缓冲的电路一种基本应用方式,实际的缓冲电路常在此基础上进行了许多改进或补充,这里不再赘述。
5.采用GTR作为逆变器的变频器的特点
采用GTR作为变频器逆变器的典型应用电路如图1-10所示,该电路的特点主要有以下几个方面。
图1-10 采用GTR作为变频器逆变器的典型应用电路
(1)输出电压
由于可以采用脉宽调制的方法,故GTR作为变频器逆变器的输出电压为幅值等于直流电压的强脉冲序列,如图1-11所示。
图1-11 GTR作为变频器逆变器的输出电压波形示意图
(2)载波频率
由于电力晶体管GTR的导通与关断时间均较长,故允许的载波频率较低,大部分变频器的上限载波频率约在1.2~1.5kHz范围内。
(3)电流波形
由于GTR作为变频器逆变器的载波频率较低,故电流的高次谐波成分较大,如图1-12所示。这些高次谐波电流就会在硅钢片中形成涡流,并使硅钢片相互之间产生电磁力而振动;同时,由于载波频率处于人耳声音较为敏感的区域,故可以听到电动机发出的较强的电磁噪声。
(4)输出转矩
由于GTR作为变频器逆变器的输出电流中高次谐波成分较大,故在50Hz频率时电动机轴上的输出转矩与工频运行时相比,将略有减小。
图1-12 GTR作为变频器逆变器的输出电流波形示意图