交流伺服控制器的主電路主要是由電力半導(dǎo)體器件組成，它擔(dān)負(fù)著電能的變換與調(diào)控任務(wù)。在交流伺服控制器的主電路中，電力半導(dǎo)體器件以開(kāi)關(guān)方式工作，使損耗減小，從而提高電能的變換效率。但是，電力半導(dǎo)體器件以開(kāi)關(guān)方式工作，也存在著缺點(diǎn)。由這樣一組開(kāi)關(guān)器件所組成的開(kāi)關(guān)功率放大器(變流器)與工作在線性狀態(tài)的放大器不同，它具有嚴(yán)重的時(shí)滯、諧波死區(qū)、飽和等非線性特性，使功率電路產(chǎn)生諧波，以及使變流器系統(tǒng)的模型復(fù)雜化。
在交流伺服控制器的主電路中，所采用的電力半導(dǎo)體器件通常有整流二極管、晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、大功率晶體管(GTR)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(P-MOsFET)、絕緣門極晶體管(IcBT)、智能化功率模塊(IPM)等。
本節(jié)重點(diǎn)從使用方面來(lái)了解上述器件的特性，以便選擇適當(dāng)?shù)碾娏﹄娮悠骷M成主電路，使交流伺服控制系統(tǒng)在整體陛能與成本方面盡可能合理。
一 大功率晶體管
大功率晶體管(GTR)具有較低的電流增益，而且在通態(tài)條件下需要持續(xù)的基極驅(qū)動(dòng)電流，但它不需要強(qiáng)迫換流電路。大功率晶體管可以用于較高的開(kāi)關(guān)頻率這樣就允許電磁部件的尺寸縮小，并能由基極驅(qū)動(dòng)電路提供限流保護(hù)。由于它不能經(jīng)受反向電壓，因此其應(yīng)用僅限于直流電壓型逆變器和斬波器中。
目前，在交流伺服控制器的主電路中，大都采用由達(dá)林頓功率晶體管組成的模塊使主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，便于安裝使用。
1．GTR的工作原理
在電力電子技術(shù)中，GTR主要是作為功率開(kāi)關(guān)器件使用，采用共發(fā)射極接法，基極輸入脈沖電壓，如圖5—7所示。
當(dāng)輸入端加入負(fù)電壓一u1be時(shí)，晶體管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于反向偏置，其阻抗很大，于
是晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)(關(guān)斷)，幾乎不導(dǎo)電。當(dāng)輸入端是正電壓Ub。時(shí)，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都正
向偏置。這是由于正電壓Ub。提供基極電流，往基極注入大量的過(guò)�？昭�，過(guò)剩空穴對(duì)集電結(jié)勢(shì)
壘電容充電，使勢(shì)壘寬度變窄，高度變低。晶體 圖5—7晶體管共發(fā)射極連接電路管的兩個(gè)結(jié)都正偏，基極內(nèi)又有大量過(guò)剩載流子，其阻抗自然很小，于是晶體管處于飽和狀態(tài)(導(dǎo)通)。
共發(fā)射極晶體管的輸出特性曲線如圖5—8所示。它表示輸入基極電流Ib一定時(shí)，集電極輸出電流IC與發(fā)射極一集電極電壓uce之間的關(guān)系。當(dāng)輸入不同的基極
電流時(shí)，就可以得到一組類似的特性曲線。該曲線族可大致劃分為三個(gè)不同的狀態(tài)區(qū)域。I區(qū)為放大區(qū)，Ⅱ區(qū)為飽和區(qū)，Ⅲ區(qū)為截止區(qū)。晶體管作為開(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí)的工作狀態(tài)是截止和飽和兩個(gè)狀態(tài)，由截止?fàn)顟B(tài)過(guò)渡到飽和狀態(tài)只需要增加基極電流，由飽和狀態(tài)過(guò)渡到截止?fàn)顟B(tài)只需要除去基極電流。因?yàn)橐坏](méi)有基極電流的維持兩個(gè)結(jié)的勢(shì)壘電容就要放電，使勢(shì)壘寬度又恢復(fù)到反偏時(shí)的寬度(發(fā)射結(jié)只要恢復(fù)復(fù)到零偏時(shí)的寬度，晶體管就處于截止?fàn)顟B(tài))。
二 GTR的二次擊穿和安全工作區(qū)
大功率晶體管即使是工作在****耗散功率范圍以內(nèi)，仍有可能突然損壞，一般是由二次擊穿引起的，二次擊穿是影響大功率晶體管安全工作區(qū)和可靠性的一個(gè)重要因素。
二次擊穿現(xiàn)象是集電極一發(fā)射極電壓突然由高變低，同時(shí)電流增加時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象。根據(jù)發(fā)射結(jié)偏置狀態(tài)的不同，又分為基極正偏(F)、基極反偏(R)和基極開(kāi)路(o)三種情況。
安全工作區(qū)(ASO)就是直流極限參數(shù)Icm、Pcm電壓容量BUceo及二次擊穿功率Psb所組成的一個(gè)區(qū)域，如圖5—9所示。
由圖可以看出，在高壓范圍內(nèi)，Pcm大于Psb所以在高壓范圍內(nèi)必須以Psb代替PcmC′D′系集電極與發(fā)射極間的****壓ucemax曲線，一般有BUceo≤ucemax≤BUcbo關(guān)系。大功率晶體管不僅應(yīng)工作在安全工作區(qū)內(nèi)，還應(yīng)根據(jù)工作條件和本身抗二次擊能力留出一定的裕量，實(shí)際使用時(shí)的****工作電壓往往比極限工作電壓低得多的原因在于此。
2功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管
本來(lái)這種器件使用表面溝槽技術(shù)，稱為VMOSFET，其構(gòu)造如圖5—10a所示。但現(xiàn)在高壓器件多采用平面型DMOSFET結(jié)構(gòu)，如圖5一lOb所示。P—MOSFET的電路符號(hào)如圖5一10c所示。
功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管P—MOSFET是一種電壓控制多數(shù)載流子的電力半導(dǎo)體器
它在高頻小功率場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。近幾年來(lái)，交流伺服系統(tǒng)的逆變器采用P-MOSFET器件并不鮮見(jiàn)。與雙極型晶體管不同，P—MOSFET是一種電壓控制器件，用一個(gè)相對(duì)于源極端為的正電壓加到柵極上，在其內(nèi)部便感應(yīng)出一個(gè)N型溝道，在外加電壓uDS作用下，電子流從源極流向漏極、形成漏極電流ID。由于在極間有siΩ。作為層間絕緣隔離所以柵極電路阻抗非常高，一般在10°Ω范圍內(nèi)，從信號(hào)源電路吸取的電流非常小。由于這種特點(diǎn)，使得P—MOSFET有可能直接用CMOS或TTL邏輯電路來(lái)驅(qū)動(dòng)從理論上講，P—MOSFET是電壓控制器件。但實(shí)際上，各電極問(wèn)不可避免存在著寄生電容，其等效電路如圖5—1l所示。所以在高速驅(qū)動(dòng)中，還需要能提供一定的驅(qū)動(dòng)電流。同時(shí)，這種器件有一個(gè)集成在一起的反接二極管，它允許通過(guò)與主器件同樣大小的續(xù)流電流。
1. 靜態(tài)特性
P一MOSFET基本的漏極一源極靜態(tài)特性如圖5—12a所示。為了便于比較還將雙極型晶體管的集電極一發(fā)射于圖5一12b中。
由漏一源特性曲線可以看出柵極電路有一個(gè)****的門限電壓，該電壓一般為2～4V，在此電壓以下時(shí)，極電流就非常小了。當(dāng)柵極一源極電壓UGS超過(guò)該門限值時(shí)ID=UD特性具有兩個(gè)不同的區(qū)域，一個(gè)恒電阻RDS(on)區(qū)和一個(gè)恒電流區(qū)。P—MOSFET的RDS(on)是一個(gè)重要參數(shù)，并且決定了導(dǎo)通壓降。對(duì)于一個(gè)器件，RDS(on)隨著電壓定額的提高而增大，并且具有正的溫度系數(shù)特性。例如，一只30A、100V的MOsFET的導(dǎo)通壓降一般為1 5V而在****結(jié)溫150℃時(shí)，它增大到3V。對(duì)于一只500V的器件，在lOA和25℃時(shí)的壓降為4V，而在150℃時(shí)增大到8V。
盡管P—MOsFET的導(dǎo)通損耗非常高，但其開(kāi)關(guān)損耗幾乎可以忽略不計(jì)。與雙極型器件比較，它沒(méi)有少數(shù)載流子延遲時(shí)間，而其開(kāi)關(guān)時(shí)間基本上是由柵極對(duì)一個(gè)微小的輸入電容cIss的充放電能力來(lái)決定的。這里，cIss=cGs+cGD，而CDS被短路，cGS為柵極至源極電容，cGS為柵極至漏極電容，cDs為漏極至源極電容。如前所述，雖然P—MOsFET可由電壓源靜態(tài)控制，但通常也需要將電壓源控制信號(hào)經(jīng)過(guò)電流源來(lái)提高控制電路的負(fù)載能力，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤驅(qū)動(dòng)P—MOsFET以使開(kāi)關(guān)延遲縮到最短。
2安全工作區(qū)
如前所述，P—MOsFET是一種多數(shù)載流子由電壓控制的器件，所以它具有正的電阻溫度系數(shù)，并且與雙極型功率晶體管相比，其二次擊穿的效應(yīng)也是極小的。
如果在器件內(nèi)部出現(xiàn)局部發(fā)熱，則電阻的正溫度系數(shù)效應(yīng)就迫使局部集中的電流均勻地分布到整個(gè)區(qū)域上去，所以不易造成二次擊穿現(xiàn)象。P—MOsFET的****安全工作區(qū)圖如圖5—13所示：
 該器件具有5A的連續(xù)電流定額，對(duì)于脈沖方式，它可以提高到****值10A，****漏極至源極電壓uDS在400V以下不致引起雪崩擊穿。P- MOsFET的安全工作區(qū)完全卣熱條件限定，而功率界限可以
電熱阻抗數(shù)據(jù)算得。如圖5一13所示，直流限制在全電壓范圍上受到125w功率耗散的限制。單個(gè)脈沖工作時(shí)的As0曲線如圖5一13所示。例如，在UDS=150V時(shí)，其直流電流值為O.83A(125w)，而對(duì)于lms的單個(gè)脈沖可以增大到7A(功耗1050gW)，對(duì)于lOμs的脈沖，其****電流達(dá)到lOA，
可安全工作.
對(duì)于感性負(fù)載，漏極至源極電壓瞬變過(guò)程通過(guò)漏極至門極的電容cDG而與門極耦合、為保護(hù)門極免受破壞性的過(guò)電壓，如果驅(qū)動(dòng)電路阻抗較低，則有必要采用齊納二極管保護(hù)。感性負(fù)載一般由一個(gè)快速恢復(fù)二極管旁路，但雜散電感可能會(huì)引起破壞性的過(guò)電壓，為減小這種過(guò)電壓的影響，可在P—MOsFET的漏源極間并聯(lián)簡(jiǎn)單的RC緩沖器．
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