電力電子器件及其應(yīng)用第三章ppt課件

1、第三章 電力電子器件及其應(yīng)用王儉樸車輛工程系城市軌道車輛教研室第三章 電力電子器件及其應(yīng)用n主要內(nèi)容主要內(nèi)容n可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管(GTO)n絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管(IGBT)n智能功率模塊功率智能功率模塊功率 (IPM)n電力電子器件對(duì)軌道交通變流技術(shù)的影響電力電子器件對(duì)軌道交通變流技術(shù)的影響第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)nGTO的特點(diǎn)的特點(diǎn)nGTO逆變器的體積比晶閘管逆變器的體積減小逆變器的體積比晶閘管逆變器的體積減小40%以以上，重量也大為減輕。上，重量也大為減輕。n由于由于GTO逆變器不需要強(qiáng)迫換流電路，而使電路的損逆變器不需要強(qiáng)迫換流電路，而使電路的損耗減少了耗減少了6

2、4左右。這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)重量、體積和效率都左右。這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)重量、體積和效率都有嚴(yán)格要求的車輛電力牽引系統(tǒng)是十分重要的。有嚴(yán)格要求的車輛電力牽引系統(tǒng)是十分重要的。nGTO與與SCR的重要區(qū)別是：的重要區(qū)別是：SCR等效電路中兩只晶體等效電路中兩只晶體管的放大系數(shù)比管的放大系數(shù)比1大得較多，通過導(dǎo)通時(shí)兩只等效晶大得較多，通過導(dǎo)通時(shí)兩只等效晶體管的正反饋?zhàn)饔?，使體管的正反饋?zhàn)饔?，使SCR導(dǎo)通時(shí)的飽和較深，因此導(dǎo)通時(shí)的飽和較深，因此無法用門極負(fù)信號(hào)去關(guān)斷陽(yáng)極電流；無法用門極負(fù)信號(hào)去關(guān)斷陽(yáng)極電流；GTO則不同，總則不同，總的放大系數(shù)僅稍大于的放大系數(shù)僅稍大于1而近似等于而近似等于1，因而處于臨界導(dǎo)，因而處于臨

3、界導(dǎo)通或淺飽和狀態(tài)。通或淺飽和狀態(tài)。第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)nGTO的工作原理的工作原理nGTO對(duì)門極觸發(fā)脈沖的要求和對(duì)門極觸發(fā)脈沖的要求和SCR的要求相似，但它對(duì)關(guān)斷的要求相似，但它對(duì)關(guān)斷脈沖的要求很高，容易在關(guān)斷脈沖的要求很高，容易在關(guān)斷過程中損壞過程中損壞GTO器件，因此門器件，因此門極控制電路比較復(fù)雜。極控制電路比較復(fù)雜。n此外此外GTO的飽和度較淺，所以的飽和度較淺，所以管壓降也比管壓降也比SCR大，為保護(hù)管大，為保護(hù)管子而設(shè)置的電路子而設(shè)置的電路(緩沖電路緩沖電路)中中的損耗也較大。由于二只晶體的損耗也較大。由于二只晶體管的電流放大倍數(shù)管的電流放大倍數(shù) 僅稍僅稍大于大于1，且

4、，且 比比 小得多，因小得多，因此集電極電流此集電極電流 占總陽(yáng)極電流占總陽(yáng)極電流的比例較小，只要設(shè)法抽走這的比例較小，只要設(shè)法抽走這部分電流，即可使部分電流，即可使GTO關(guān)斷。關(guān)斷。 2112C1I圖圖3-1 晶閘管和晶閘管和GTO的工作原理的工作原理第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)n把GTO接入電阻負(fù)載電路，在門極加上正的觸發(fā)脈沖和足夠大的負(fù)脈沖時(shí)，GTO就能導(dǎo)通和關(guān)斷，GTO的符號(hào)及電路如圖3-2(a)所示，波形如圖3-2(b)所示。圖圖3-2 GTO的符號(hào)、電路與波形的符號(hào)、電路與波形(a) 符號(hào)與觸發(fā)電路符號(hào)與觸發(fā)電路 (b) 門極和陽(yáng)極電流波形門極和陽(yáng)極電流波形第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(

5、GTO)nGTO的關(guān)斷電路和關(guān)斷過程中的電壓、電流波形圖(a) GTO的關(guān)斷電路的關(guān)斷電路 (b) 關(guān)斷時(shí)的波形關(guān)斷時(shí)的波形第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)nGTOGTO的主要特性的主要特性 n 陽(yáng)極伏安特性陽(yáng)極伏安特性n逆阻型逆阻型GTOGTO的陽(yáng)極伏安特性。由圖可知，它與的陽(yáng)極伏安特性。由圖可知，它與SCRSCR的的伏安特性很近似，當(dāng)外加電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，伏安特性很近似，當(dāng)外加電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，GTOGTO即正向開通，這種現(xiàn)象與即正向開通，這種現(xiàn)象與SCRSCR及其家族基本相同，及其家族基本相同，稱為電壓觸發(fā)。此時(shí)不一定會(huì)使元件損壞，但是外稱為電壓觸發(fā)。此時(shí)不一定會(huì)使元件損壞，但

6、是外加電壓超過反向擊穿電壓之后，會(huì)發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)加電壓超過反向擊穿電壓之后，會(huì)發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)象，由此損壞器件。非逆阻型象，由此損壞器件。非逆阻型GTOGTO則不能承受反向則不能承受反向電壓。電壓。nGTOGTO的耐壓性能受多種因素的影響，其中結(jié)溫的影的耐壓性能受多種因素的影響，其中結(jié)溫的影響較大。隨著結(jié)溫的升高，響較大。隨著結(jié)溫的升高，GTOGTO的耐壓會(huì)下降，如的耐壓會(huì)下降，如下圖。下圖。 第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)nGTOGTO的主要特性的主要特性 n通態(tài)壓降特性通態(tài)壓降特性n GTO GTO的通態(tài)壓降特性是其伏安特性的一部分，如下圖。的通態(tài)壓降特性是其伏安特性的一部分，如下圖。由圖可

7、見隨著陽(yáng)極通態(tài)電流的增加，其通態(tài)壓降增加，即由圖可見隨著陽(yáng)極通態(tài)電流的增加，其通態(tài)壓降增加，即GTOGTO的通態(tài)損耗也增加。的通態(tài)損耗也增加。 nGTOGTO的開通特性的開通特性n元件從斷態(tài)到通態(tài)的過程中，電流、電壓及功耗隨時(shí)間變化元件從斷態(tài)到通態(tài)的過程中，電流、電壓及功耗隨時(shí)間變化的規(guī)律為元件的開通特性，一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。的規(guī)律為元件的開通特性，一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。GTOGTO的開通特性如的開通特性如圖所示。圖所示。n開通時(shí)間由延遲時(shí)間和上升時(shí)間組成。開通時(shí)間取決于元件開通時(shí)間由延遲時(shí)間和上升時(shí)間組成。開通時(shí)間取決于元件的特性、門極電流上升率以及門極觸發(fā)電流幅值的大小等因的特性、門極電流上升率以及門極

8、觸發(fā)電流幅值的大小等因素。素。第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)nGTO的主要特性nGTO的關(guān)斷特性nGTO關(guān)斷過程中的陽(yáng)極電壓、陽(yáng)極電流和功耗與時(shí)間的關(guān)系是GTO的關(guān)斷特性;n關(guān)斷過程中的存貯時(shí)間與下降時(shí)間兩者之和稱為關(guān)斷時(shí)間 ；也有些文獻(xiàn)與元件生產(chǎn)工廠定義關(guān)斷時(shí)間為存貯時(shí)間、下降時(shí)間，還有時(shí)間上長(zhǎng)達(dá)幾十的尾部時(shí)間三者之和。 第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)n GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù)n可關(guān)斷峰值電流可關(guān)斷峰值電流n一般可關(guān)斷峰值電流是有效值電流的一般可關(guān)斷峰值電流是有效值電流的23倍；倍；nGTO的陽(yáng)極電流允許值受兩方面因素的限制：的陽(yáng)極電流允許值受兩方面因素的限制：一個(gè)是受熱學(xué)上的限制；另一

9、個(gè)是受電學(xué)上一個(gè)是受熱學(xué)上的限制；另一個(gè)是受電學(xué)上的限制。的限制。 n關(guān)斷時(shí)的陽(yáng)極尖峰電壓關(guān)斷時(shí)的陽(yáng)極尖峰電壓n 尖峰電壓是感性負(fù)載電路中陽(yáng)極電流在尖峰電壓是感性負(fù)載電路中陽(yáng)極電流在 時(shí)間內(nèi)的電流變化率與時(shí)間內(nèi)的電流變化率與GTO緩沖保護(hù)電路的緩沖保護(hù)電路的電感的乘積。電感的乘積。 n陽(yáng)極電壓上升率陽(yáng)極電壓上升率 n靜態(tài)電壓上升率是指靜態(tài)電壓上升率是指GTO還沒有導(dǎo)通時(shí)所能還沒有導(dǎo)通時(shí)所能承受的最大斷態(tài)電壓上升率。承受的最大斷態(tài)電壓上升率。n動(dòng)態(tài)電壓上升率是指動(dòng)態(tài)電壓上升率是指GTO關(guān)斷過程中的陽(yáng)極關(guān)斷過程中的陽(yáng)極電壓上升率。電壓上升率。n陽(yáng)極電流上升率陽(yáng)極電流上升率 TGQMIdt/dvdt

10、/diftPV第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)n可關(guān)斷晶閘管(GTO)的門控電路nGTO關(guān)斷過程的機(jī)理及其波形n對(duì)大功率電力電子元件正向特性的要求是通態(tài)電流大，通態(tài)電壓低，因此在通態(tài)下就必須使元件具有足夠多的載流子存貯量，這就給元件的關(guān)斷帶來了特殊困難。GTO門控電路的基本要求就是從門極排出P2基區(qū)中(見圖3-3(a)過剩的載流子(空穴)，這就是說必須在門極加上足夠大的反向電壓，使P2基區(qū)中過剩的空穴通過門極流出，與此同時(shí)電子通過P2基區(qū)與N2發(fā)射極間的J3結(jié)從陰極排出。隨著電子和空穴的排出，在P2基區(qū)和J3結(jié)的地方形成逐漸向中心區(qū)擴(kuò)大的耗盡層，如圖3-10所示。第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)n

11、GTO關(guān)斷過程的機(jī)理圖n其結(jié)果是從N2發(fā)射極沒有電子向P2區(qū)注入，在P2基區(qū)及N2基區(qū)中的過剩載流子一直復(fù)合到消失為止，如J3結(jié)能維持反偏狀態(tài)，GTO就被關(guān)斷。由此可見，關(guān)斷GTO的前提是門控電路要有足夠大的關(guān)斷電流，以便從門極排出足夠大的門極關(guān)斷電荷，同時(shí)其關(guān)斷功率又不能超過允許值。圖圖3-10a)關(guān)斷時(shí)空穴從門極抽出關(guān)斷時(shí)空穴從門極抽出 (b) 耗盡層的形成耗盡層的形成第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)nGTO導(dǎo)通與關(guān)斷過程波形圖圖圖3-11a)陽(yáng)極電壓、電流波形陽(yáng)極電壓、電流波形 （b) 門極電壓、電流波形門極電壓、電流波形第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)n設(shè)計(jì)門控電路時(shí)，保證GTO關(guān)斷電路中

12、的儲(chǔ)能電容器具有電容量的確定：n由圖3-11可見，由門極反向電流 所包圍的門極關(guān)斷電荷量為n由于關(guān)斷時(shí)間為 ，且門極關(guān)斷電流的峰值約為(1/51/3)的可關(guān)斷峰值電流 ，故有n所以設(shè)計(jì)門控電路時(shí)，應(yīng)保證GTO關(guān)斷電路中的儲(chǔ)能電容器具有電荷量：n已知電容電壓 ，即可求得關(guān)斷GTO所需的電容量CGQMfs0GQGQfs21IttdtiQttfsofftttGQiGQMIoffTGQMGQ61101tIQCVGQCCQCVQCVQC/GQ第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)n可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管(GTO)的門控電路的門控電路nGTO門控電路的基本參數(shù)門控電路的基本參數(shù)n正向強(qiáng)觸發(fā)電流正向強(qiáng)觸發(fā)電流n觸

13、發(fā)電流脈沖寬度觸發(fā)電流脈沖寬度 n觸發(fā)電流上升率觸發(fā)電流上升率 n正向偏置電流正向偏置電流 n門極反向電流幅值門極反向電流幅值 n門極反向電流上升率門極反向電流上升率 n門極反向電壓門極反向電壓 n關(guān)斷脈沖寬度關(guān)斷脈沖寬度 n 第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)nGTO的門控電路的門控電路nGTR的的GTO門控電路門控電路n 輸入正脈沖信號(hào)使輸入正脈沖信號(hào)使T1導(dǎo)通，電源導(dǎo)通，電源E1經(jīng)經(jīng)T1、R1(C1)、R2使使GTO導(dǎo)通，導(dǎo)通，同時(shí)同時(shí)E1儲(chǔ)能電容儲(chǔ)能電容C2振蕩振蕩充電。當(dāng)充電。當(dāng)T2的基極加以關(guān)的基極加以關(guān)斷信號(hào)斷信號(hào)off時(shí)，時(shí)，T2導(dǎo)通，導(dǎo)通，C2經(jīng)經(jīng)L2、T2、GTO門極門極放電，

14、使放電，使GTO關(guān)斷。與門關(guān)斷。與門極并聯(lián)的穩(wěn)壓管支路用來極并聯(lián)的穩(wěn)壓管支路用來改善關(guān)斷脈沖的波形，關(guān)改善關(guān)斷脈沖的波形，關(guān)斷時(shí)導(dǎo)通的斷時(shí)導(dǎo)通的T3構(gòu)成構(gòu)成T3、D4支路，使支路，使GTO加上負(fù)加上負(fù)偏置，增進(jìn)關(guān)斷可靠性。偏置，增進(jìn)關(guān)斷可靠性。n 圖圖3-12 用用GTR的的GTO門控電路原理圖門控電路原理圖第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)n可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管(GTO)的門控電路的門控電路n用用MOSFET的的GTO門控電路門控電路第二節(jié)絕緣柵雙極晶體管(IGBT) 復(fù)合型電力電子器件復(fù)合型電力電子器件IGBT是絕緣柵雙極晶體管是絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipola

15、r Transistor)的簡(jiǎn)稱，它綜合的簡(jiǎn)稱，它綜合了了GTR的安全工作區(qū)寬、電流密度高、導(dǎo)通壓降低的安全工作區(qū)寬、電流密度高、導(dǎo)通壓降低和金屬氧化層半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管和金屬氧化層半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管MOSFETMetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開關(guān)速輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開關(guān)速度快、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。度快、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。IGBT的工作原理的工作原理 IGBT是以是以MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件、為驅(qū)動(dòng)元件、GTR為主導(dǎo)元件的達(dá)為主導(dǎo)元件的達(dá)林頓電路結(jié)構(gòu)器件。它相當(dāng)于一個(gè)由場(chǎng)效應(yīng)管林頓

16、電路結(jié)構(gòu)器件。它相當(dāng)于一個(gè)由場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)GTR。一般的一般的IGBT模塊中，還封裝了反并聯(lián)的快速二極管，模塊中，還封裝了反并聯(lián)的快速二極管，以適應(yīng)逆變電路的需要，因此沒有反向阻斷能力。以適應(yīng)逆變電路的需要，因此沒有反向阻斷能力。 IGBT的控制原理與的控制原理與MOSFET基本相同，基本相同，IGBT的開通的開通和關(guān)斷受柵極控制，和關(guān)斷受柵極控制，N溝道型溝道型IGBT的柵極上加正偏的柵極上加正偏置并且數(shù)值上大于開啟電壓時(shí)，置并且數(shù)值上大于開啟電壓時(shí)，IGBT內(nèi)的內(nèi)的MOSFET的漏極與源極之間因此感應(yīng)產(chǎn)生一條的漏極與源極之間因此感應(yīng)產(chǎn)生一條N型導(dǎo)電溝道，型導(dǎo)電

17、溝道，使使MOSFET開通，從而使開通，從而使IGBT導(dǎo)通。反之，如在導(dǎo)通。反之，如在N溝道型溝道型IGBT上加反偏置，它內(nèi)部的上加反偏置，它內(nèi)部的MOSFET漏源極漏源極間不能感生導(dǎo)電溝道，間不能感生導(dǎo)電溝道，IGBT就截止。就截止。第二節(jié)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)nIGBT的工作原理的工作原理n1GBT的等效電路及圖形符號(hào)的等效電路及圖形符號(hào)n n n 圖3-14 1GBT的等效電路及圖形符號(hào)(a)簡(jiǎn)化等效電路 (b) 二種圖形符號(hào) (c) 實(shí)際等效電路 第二節(jié)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)n靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性n伏安特性伏安特性 n伏安特性即輸出特性，伏安特性即輸出特性，N-IG

18、BT的伏安特性如圖的伏安特性如圖3-15(a)所示。所示。 n截止區(qū)即正向阻斷區(qū)截止區(qū)即正向阻斷區(qū)，柵極電壓沒有達(dá)到，柵極電壓沒有達(dá)到IGBT的開啟電壓的開啟電壓VGS(th)。n放大區(qū)即線性區(qū)放大區(qū)即線性區(qū)，輸出電流受柵源電壓的控，輸出電流受柵源電壓的控制，制，VGS越高、越高、ID越大，兩者有線性關(guān)系。越大，兩者有線性關(guān)系。n飽和區(qū)飽和區(qū)，此時(shí)因，此時(shí)因VDS太小，太小，VGS失去線性控失去線性控制作用。制作用。n擊穿區(qū)擊穿區(qū)，此時(shí)因，此時(shí)因VDS太大，超過擊穿電壓太大，超過擊穿電壓BVDS而不能工作。而不能工作。 圖圖3-15 1GBT3-15 1GBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性的伏安特性和轉(zhuǎn)

19、移特性 （a)a)伏安特性示意圖伏安特性示意圖 (b) (b) 實(shí)際的伏安特性實(shí)際的伏安特性 (c) (c) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性第二節(jié)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)n靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性n轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性n 如在圖如在圖3-15(b)橫軸上作一條垂直線即保持橫軸上作一條垂直線即保持VCE為恒值為恒值與各條伏安特性相交，可獲得轉(zhuǎn)移特性。這是漏極電流與柵與各條伏安特性相交，可獲得轉(zhuǎn)移特性。這是漏極電流與柵源電壓源電壓VGE之間的關(guān)系曲線，如圖之間的關(guān)系曲線，如圖3-15(c)所示。所示。n動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性n IGBT在開通和關(guān)斷過程中，漏源電壓在開通和關(guān)斷過程中，漏源電壓 、柵源電壓、柵源電壓

20、 和漏極和漏極電流電流 的變化情況。開通時(shí)間由開通延遲時(shí)間、電流上升時(shí)間的變化情況。開通時(shí)間由開通延遲時(shí)間、電流上升時(shí)間和電壓下降時(shí)間三者組成，關(guān)斷時(shí)間由關(guān)斷延遲時(shí)間、電壓和電壓下降時(shí)間三者組成，關(guān)斷時(shí)間由關(guān)斷延遲時(shí)間、電壓上升時(shí)間和電流下降時(shí)間三者組成。上升時(shí)間和電流下降時(shí)間三者組成。n 第二節(jié)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)n擎住效應(yīng)擎住效應(yīng)n概念概念n 由于由于IGBT結(jié)構(gòu)上難以避免的原因，它的等效電路結(jié)構(gòu)上難以避免的原因，它的等效電路圖實(shí)際上如圖圖實(shí)際上如圖3-14(c)所示，內(nèi)部存在一只所示，內(nèi)部存在一只NPN型寄型寄生晶體管，當(dāng)漏極電流大于規(guī)定的臨界值時(shí)，該寄生晶體管，當(dāng)漏極電流大于規(guī)

21、定的臨界值時(shí)，該寄生晶體管因有過高的正偏置被觸發(fā)導(dǎo)通，使生晶體管因有過高的正偏置被觸發(fā)導(dǎo)通，使PNP管管也飽和導(dǎo)通，結(jié)果也飽和導(dǎo)通，結(jié)果IGBT的柵極失去控制作用，這就的柵極失去控制作用，這就是所謂擎住效應(yīng)。是所謂擎住效應(yīng)。 n危害危害n IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后漏極電流增大，造成過高發(fā)生擎住效應(yīng)后漏極電流增大，造成過高的功耗，最后導(dǎo)致器件損壞。的功耗，最后導(dǎo)致器件損壞。n如何防止如何防止n不使漏極電流超過不使漏極電流超過 ，防止靜態(tài)擎住效應(yīng)；，防止靜態(tài)擎住效應(yīng)； n還可用加大柵極電阻的辦法，延長(zhǎng)還可用加大柵極電阻的辦法，延長(zhǎng)IGBT的關(guān)斷時(shí)間。的關(guān)斷時(shí)間。防止動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)。防止動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)。D

22、MI第二節(jié)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)n擎住效應(yīng)擎住效應(yīng)n正向偏置安全工作區(qū)正向偏置安全工作區(qū) n IGBT開通時(shí)的正向偏置安全工作區(qū)開通時(shí)的正向偏置安全工作區(qū)FBSOA由電流、電壓由電流、電壓和功耗三條邊界極限包圍而成和功耗三條邊界極限包圍而成 n最大漏極電流是按避免擎住效應(yīng)而由制造時(shí)確定的；最大漏極電流是按避免擎住效應(yīng)而由制造時(shí)確定的；n最高漏源電壓是由最高漏源電壓是由IGBT中中PNP晶體管的擊穿電壓規(guī)定的；晶體管的擊穿電壓規(guī)定的；n最高功耗由最高允許結(jié)溫所規(guī)定。最高功耗由最高允許結(jié)溫所規(guī)定。n反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)n它隨它隨IGBT關(guān)斷時(shí)的重加關(guān)斷時(shí)的重加 而改變，而改變

23、， 數(shù)值越大，數(shù)值越大，越容易引起越容易引起IGBT的誤導(dǎo)通，因此相應(yīng)的反向偏置安全工作區(qū)的誤導(dǎo)通，因此相應(yīng)的反向偏置安全工作區(qū)越狹窄。越狹窄。n n （a正向安全工作區(qū)正向安全工作區(qū) (b) 反向安全工作區(qū)反向安全工作區(qū)n dt/dVDSdt/dVDS第二節(jié)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)nIGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路的柵極驅(qū)動(dòng)電路nIGBT柵控電路的要求柵控電路的要求n提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷?，使提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷海笽GBT能可靠地開通和關(guān)能可靠地開通和關(guān)斷；斷；n提供足夠大的瞬時(shí)功率或瞬時(shí)電流，使提供足夠大的瞬時(shí)功率或瞬時(shí)電流，使IGBT能及時(shí)迅速建立能及時(shí)迅速建立柵控電場(chǎng)而導(dǎo)通；

24、柵控電場(chǎng)而導(dǎo)通；n輸入、輸出延遲時(shí)間盡可能小，以提高工作頻率；輸入、輸出延遲時(shí)間盡可能小，以提高工作頻率；n輸入、輸出電氣隔離性能高，使信號(hào)電路與柵極驅(qū)動(dòng)電路絕輸入、輸出電氣隔離性能高，使信號(hào)電路與柵極驅(qū)動(dòng)電路絕緣；緣；n具有靈敏的過電流保護(hù)能力。具有靈敏的過電流保護(hù)能力。nIGBT柵控電路的一些注意事項(xiàng)柵控電路的一些注意事項(xiàng)n柵極負(fù)偏壓對(duì)柵極負(fù)偏壓對(duì)IGBT的關(guān)斷特性影響不大，但在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的的關(guān)斷特性影響不大，但在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的逆變器電路中，為了使逆變器電路中，為了使IGBT能穩(wěn)定可靠地工作，還需要負(fù)偏能穩(wěn)定可靠地工作，還需要負(fù)偏壓。負(fù)偏壓通常取壓。負(fù)偏壓通常取-5V或者稍大一些?；蛘呱源笠?/p>

25、些。nIGBT柵控電路中的柵極電阻對(duì)它的工作性能影響頗大，取較柵控電路中的柵極電阻對(duì)它的工作性能影響頗大，取較大的，對(duì)抑制大的，對(duì)抑制IGBT的電流上升率及降低元件上的電壓上升率的電流上升率及降低元件上的電壓上升率都有好處，但若過大，就會(huì)過分延長(zhǎng)都有好處，但若過大，就會(huì)過分延長(zhǎng)IGBT的開關(guān)時(shí)間，使它的開關(guān)時(shí)間，使它的開關(guān)損耗加大，這對(duì)高頻的應(yīng)用場(chǎng)合是很不利的，而過小的開關(guān)損耗加大，這對(duì)高頻的應(yīng)用場(chǎng)合是很不利的，而過小的可使電流變化率太大而引起的可使電流變化率太大而引起IGBT的不正?；驌p壞。的不正常或損壞。n為了使柵極驅(qū)動(dòng)電路與信號(hào)電路隔離，應(yīng)采用抗干擾能力強(qiáng)、為了使柵極驅(qū)動(dòng)電路與信號(hào)電路隔

26、離，應(yīng)采用抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)傳輸時(shí)間短的光耦合器件。信號(hào)傳輸時(shí)間短的光耦合器件。nIGBT門極與發(fā)射極的引線應(yīng)盡量短門極與發(fā)射極的引線應(yīng)盡量短 ，以減少柵極電感和干，以減少柵極電感和干擾信號(hào)的進(jìn)入。擾信號(hào)的進(jìn)入。 第二節(jié)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)n用光耦器件隔離信號(hào)電路與柵控電路nn圖3-19中，用光耦器件隔離信號(hào)電路與柵控電路。柵控電路由MOSFET及晶體管推挽電路構(gòu)成，具有正、負(fù)偏置。當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，光耦導(dǎo)通，MOSFET截止，T1導(dǎo)通，使IGBT迅速開通。當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，光耦導(dǎo)通截止，MOSFET及T2都導(dǎo)通，IGBT截止。圖圖3-19 IGBT的柵控電路原理圖的柵控電路原

27、理圖第二節(jié)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)nIGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路的柵極驅(qū)動(dòng)電路nEXB系列模塊化集成電路系列模塊化集成電路n 集成化模塊柵控電路性能可靠，使用方集成化模塊柵控電路性能可靠，使用方便，是發(fā)展方向。便，是發(fā)展方向。EXB系列模塊內(nèi)部帶有光系列模塊內(nèi)部帶有光耦合器件和過電流保護(hù)電路，它的功能如圖耦合器件和過電流保護(hù)電路，它的功能如圖3-20所示。所示。n管腳管腳1，連接用于反向偏置電源的濾波電壓；，連接用于反向偏置電源的濾波電壓；n管腳管腳2，電源，電源20V；n管腳管腳3，驅(qū)動(dòng)輸出；，驅(qū)動(dòng)輸出；n管腳管腳4，用于連接外部電容，以防止過流保，用于連接外部電容，以防止過流保護(hù)電路誤動(dòng)作；

28、護(hù)電路誤動(dòng)作；n管腳管腳5，過流保護(hù)輸出；，過流保護(hù)輸出；n管腳管腳6，集電極電壓監(jiān)測(cè)；，集電極電壓監(jiān)測(cè)；n管腳管腳14，15驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入；驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入；n管腳管腳9，電源，電源0V。圖圖3-20 EXB系列的柵控模塊系列的柵控模塊 功能方框圖功能方框圖第二節(jié)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)nIGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路nEXB系列模塊的接口電路n 模塊與IGBT間的外部接口電路如圖3-21所示。n驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過外接晶體管的放大，由管腳14和管腳15輸入模塊。n過電流保護(hù)信號(hào)由測(cè)量反映元件電流大小的通態(tài)電壓VCE得出，再經(jīng)過外接的光耦器件輸出，過電流時(shí)使IGBT立即關(guān)斷。n二只外接電容器用于吸收因電源接線

29、所引起的供電電壓的變化。n管腳1和管腳3的引線分別接到IGBT的發(fā)射極E和門極G，引線要盡量短，并且應(yīng)采用絞合線，以減少對(duì)柵極信號(hào)的干擾。n圖中D為快速恢復(fù)二極管。圖圖3-21 EXB系列模塊的接口電路系列模塊的接口電路第二節(jié)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)nIGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路nHR065模塊的電路原理圖解析圖圖3-22 HR065模塊的電路原理圖模塊的電路原理圖第二節(jié)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)nIGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路的柵極驅(qū)動(dòng)電路nHR065模塊的電路原理圖解析模塊的電路原理圖解析n光耦光耦OCl及晶體管及晶體管T1T3等構(gòu)成驅(qū)動(dòng)器的基本電路，等構(gòu)成驅(qū)動(dòng)器的基本電路，n其中其中T2、T3為

30、一對(duì)互補(bǔ)推挽管，當(dāng)為一對(duì)互補(bǔ)推挽管，當(dāng)OCl有輸入、有輸入、T1截止、截止、T2導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)，T3截止，驅(qū)動(dòng)器的輸出端截止，驅(qū)動(dòng)器的輸出端3向向IGBT輸出正電壓；反之，輸出負(fù)電壓，輸出正電壓；反之，輸出負(fù)電壓，IGBT截止。截止。nT4、T5、D2及及R4 R8、C1C3構(gòu)成過電流檢測(cè)、故障信號(hào)輸出及導(dǎo)通構(gòu)成過電流檢測(cè)、故障信號(hào)輸出及導(dǎo)通保持電路。保持電路。n當(dāng)當(dāng)IGBT正常導(dǎo)通時(shí)，正常導(dǎo)通時(shí)，8端與端與1端端(即發(fā)射極即發(fā)射極)之間為之間為IGBT的飽和壓降和外接的飽和壓降和外接檢測(cè)二極管正向壓降之和，電壓較低，穩(wěn)壓管檢測(cè)二極管正向壓降之和，電壓較低，穩(wěn)壓管D2中無電流通過，中無電流通過

31、，T5截止，截止，故障輸出端子故障輸出端子5、6之間無電流輸出。之間無電流輸出。n當(dāng)過電流發(fā)生時(shí)，當(dāng)過電流發(fā)生時(shí)，IGBT的飽和壓降的飽和壓降VCEO隨著電流增大而升高，若壓降隨著電流增大而升高，若壓降超過規(guī)定值超過規(guī)定值(約約7V)，D2反向?qū)ǎ聪驅(qū)?，T5由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，一方面故障信號(hào)由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，一方面故障信號(hào)輸出端輸出端5、6有電流輸出。同時(shí)有電流輸出。同時(shí)T1導(dǎo)通，強(qiáng)行將導(dǎo)通，強(qiáng)行將T2、T3的基極電流減少，的基極電流減少，使使T2飽和區(qū)退回到放大區(qū)，造成輸出正向驅(qū)動(dòng)電壓下降，以實(shí)現(xiàn)飽和區(qū)退回到放大區(qū)，造成輸出正向驅(qū)動(dòng)電壓下降，以實(shí)現(xiàn)IGBT的的“軟關(guān)斷軟關(guān)斷”。另一方面，。另

32、一方面，T5導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí)R6上的正脈沖經(jīng)上的正脈沖經(jīng)C2、C3的分壓使的分壓使T4導(dǎo)通，導(dǎo)通，但但C3又因又因 R4的泄放，僅使的泄放，僅使T4保持保持3045的導(dǎo)通狀態(tài)，保證的導(dǎo)通狀態(tài)，保證T1在此延時(shí)在此延時(shí)內(nèi)可靠截止，使內(nèi)可靠截止，使IGBT繼續(xù)有一暫短的延時(shí)導(dǎo)通時(shí)間，不受輸入端信號(hào)的繼續(xù)有一暫短的延時(shí)導(dǎo)通時(shí)間，不受輸入端信號(hào)的影響。若在此期間過電流消失，則影響。若在此期間過電流消失，則Dl截止，截止，IGBT的正向驅(qū)動(dòng)電壓恢復(fù)正的正向驅(qū)動(dòng)電壓恢復(fù)正常。若在這段延時(shí)之后過電流故障仍然存在，在輸入封鎖信號(hào)作用下，常。若在這段延時(shí)之后過電流故障仍然存在，在輸入封鎖信號(hào)作用下，OCl管截止，使

33、管截止，使T1和和T2導(dǎo)通，故導(dǎo)通，故GBT關(guān)斷。關(guān)斷。nIGBT關(guān)斷時(shí)，關(guān)斷時(shí)，T6導(dǎo)通，使故障檢測(cè)電路不起作用。即導(dǎo)通，使故障檢測(cè)電路不起作用。即T6管起著邏輯電路管起著邏輯電路作用，它保證只有驅(qū)動(dòng)器輸出正向電壓時(shí)作用，它保證只有驅(qū)動(dòng)器輸出正向電壓時(shí) 才開放過流檢測(cè)電路，其它情才開放過流檢測(cè)電路，其它情況下均使其無效，這樣能可靠地防止過電流干擾。況下均使其無效，這樣能可靠地防止過電流干擾。第三節(jié)智能功率模塊功率IPM）智能功率模塊智能功率模塊IPMIntelligent Power Module是一種在高速、低耗是一種在高速、低耗的的IGBT基礎(chǔ)上再集成柵極控制電路、故障檢測(cè)保護(hù)電路的模塊

34、。基礎(chǔ)上再集成柵極控制電路、故障檢測(cè)保護(hù)電路的模塊。它不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且還內(nèi)藏有過電壓，它不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且還內(nèi)藏有過電壓，過電流和過熱等故障檢測(cè)電路，并可將檢測(cè)信號(hào)送到過電流和過熱等故障檢測(cè)電路，并可將檢測(cè)信號(hào)送到CPU或或DSP作中作中斷處理。斷處理。它由高速低工耗的管芯和優(yōu)化的門級(jí)驅(qū)動(dòng)電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成。它由高速低工耗的管芯和優(yōu)化的門級(jí)驅(qū)動(dòng)電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成。即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可以使即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可以使IPM 自身不受損壞。自身不受損壞。IPM一般使用一般使用IGBT作為功率開關(guān)元件，并內(nèi)藏電流傳

35、感器及驅(qū)動(dòng)電作為功率開關(guān)元件，并內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動(dòng)電路的集成結(jié)構(gòu)。路的集成結(jié)構(gòu)。小功率器件采用一種多層環(huán)氧樹脂粘合絕緣系統(tǒng)，銅層和環(huán)氧樹脂直小功率器件采用一種多層環(huán)氧樹脂粘合絕緣系統(tǒng)，銅層和環(huán)氧樹脂直接在鋁基板上構(gòu)成屏蔽的印刷線路。接在鋁基板上構(gòu)成屏蔽的印刷線路。功率芯片和柵驅(qū)動(dòng)電路直接焊在基板上面，不需要另外設(shè)置印刷線路功率芯片和柵驅(qū)動(dòng)電路直接焊在基板上面，不需要另外設(shè)置印刷線路板和陶瓷絕緣材料。因而封裝費(fèi)用特別低，適合講究低成本和尺寸緊板和陶瓷絕緣材料。因而封裝費(fèi)用特別低，適合講究低成本和尺寸緊湊的消費(fèi)類和工業(yè)產(chǎn)品上的應(yīng)用。中、大功率器件采用陶瓷絕緣，即湊的消費(fèi)類和工業(yè)產(chǎn)品上的應(yīng)用。中、

36、大功率器件采用陶瓷絕緣，即銅箔直接鍵合到陶瓷襯底上面不用焊料。這樣的襯底結(jié)構(gòu)可以為大功銅箔直接鍵合到陶瓷襯底上面不用焊料。這樣的襯底結(jié)構(gòu)可以為大功率器件提供所需的得到改進(jìn)的散熱特性和更大的載流容量。率器件提供所需的得到改進(jìn)的散熱特性和更大的載流容量。第三節(jié)智能功率模塊功率IPM）n IPM 的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)nIPM 模塊有四種封裝形式：?jiǎn)喂芊庋b，雙管模塊有四種封裝形式：?jiǎn)喂芊庋b，雙管封裝，六管封裝和七管封裝。封裝，六管封裝和七管封裝。n 第三節(jié)智能功率模塊功率IPM）nIPM的自保護(hù)功能的自保護(hù)功能nIPM有精良的內(nèi)置保護(hù)電路以避免因系統(tǒng)相互有精良的內(nèi)置保護(hù)電路以避免因系統(tǒng)相互干擾或承受過負(fù)荷而使

37、功率器件損壞。所設(shè)干擾或承受過負(fù)荷而使功率器件損壞。所設(shè)置的故障檢測(cè)和關(guān)斷序列允許最大限度地利置的故障檢測(cè)和關(guān)斷序列允許最大限度地利用功率器件的容量而不犧牲其可靠性。當(dāng)用功率器件的容量而不犧牲其可靠性。當(dāng)IPM模塊中有一種保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)。模塊中有一種保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)。IGBT柵極驅(qū)柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷并輸出一個(gè)故障信號(hào)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷并輸出一個(gè)故障信號(hào)FO）。）。第三節(jié)智能功率模塊功率IPM）nIPM的自保護(hù)功能的自保護(hù)功能n控制電源欠壓鎖定控制電源欠壓鎖定UV）n 內(nèi)部控制電路由一個(gè)內(nèi)部控制電路由一個(gè)15V的直流電壓供電，如果的直流電壓供電，如果某種原因?qū)е驴刂齐妷悍锨穳簵l件，該功率器件某種原

38、因?qū)е驴刂齐妷悍锨穳簵l件，該功率器件將會(huì)關(guān)斷將會(huì)關(guān)斷IGBT 并輸出一個(gè)故障信號(hào)。并輸出一個(gè)故障信號(hào)。 第三節(jié)智能功率模塊功率IPM）nIPM的自保護(hù)功能的自保護(hù)功能n過熱保護(hù)過熱保護(hù)OT）n 在靠近在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝了一個(gè)芯片的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器，如果基板溫度超過過熱動(dòng)作數(shù)溫度傳感器，如果基板溫度超過過熱動(dòng)作數(shù)值值OT），），IPM 內(nèi)部控制電路會(huì)截止柵極驅(qū)內(nèi)部控制電路會(huì)截止柵極驅(qū)動(dòng)，不響應(yīng)控制輸入信號(hào)，直到溫度恢復(fù)正動(dòng)，不響應(yīng)控制輸入信號(hào)，直到溫度恢復(fù)正常常(應(yīng)避免反復(fù)動(dòng)作應(yīng)避免反復(fù)動(dòng)作)，從而起到保護(hù)功率器件，從而起到保護(hù)功率器件的作用。的作用。第三節(jié)智能功

39、率模塊功率IPM）nIPM的自保護(hù)功能的自保護(hù)功能n過流保護(hù)過流保護(hù)OC）n 如果如果IGBT 的電流超過的電流超過數(shù)值并大于時(shí)間數(shù)值并大于時(shí)間toff(OC),IGBT 被關(guān)斷，被關(guān)斷，典型值：典型值：10S，超過，超過OC 數(shù)值但時(shí)間小于數(shù)值但時(shí)間小于toff(OC)的電流并無大礙，的電流并無大礙，IPM 保保護(hù)不動(dòng)作。護(hù)不動(dòng)作。n短路保護(hù)短路保護(hù)SC） n 發(fā)生負(fù)載短路或上下臂發(fā)生負(fù)載短路或上下臂直通時(shí)，直通時(shí)，IPM 立即關(guān)斷立即關(guān)斷IGBT 并輸出故障信號(hào)。并輸出故障信號(hào)。 第三節(jié)智能功率模塊功率IPM）nIPM 的選用的選用n為了選擇合適的為了選擇合適的IPM用于用于VVVF裝置，

40、有兩個(gè)主要方裝置，有兩個(gè)主要方面需要權(quán)衡：面需要權(quán)衡：n根據(jù)電動(dòng)機(jī)的峰值電流根據(jù)電動(dòng)機(jī)的峰值電流IC和和IPM的過電流動(dòng)作值的過電流動(dòng)作值OC選用適當(dāng)型號(hào)的選用適當(dāng)型號(hào)的IPM；n采用適當(dāng)?shù)臒嵩O(shè)計(jì)保證結(jié)溫峰值永遠(yuǎn)小于最大結(jié)溫采用適當(dāng)?shù)臒嵩O(shè)計(jì)保證結(jié)溫峰值永遠(yuǎn)小于最大結(jié)溫額定值額定值150），使基板的溫度保持低于過熱動(dòng)作），使基板的溫度保持低于過熱動(dòng)作數(shù)值。數(shù)值。n電機(jī)最大峰值電流：電機(jī)最大峰值電流：n 其中其中 P電機(jī)功率的額定值；電機(jī)功率的額定值；n OL變頻器最大變頻器最大過載因數(shù)過載因數(shù)n R電流脈動(dòng)因數(shù)；電流脈動(dòng)因數(shù)；n 變頻器效率；變頻器效率；n PF功率因數(shù)；功率因數(shù)；n VAC線電

41、壓標(biāo)定線電壓標(biāo)定值。值。 ACCVPFROLPI32第四節(jié) 電力電子器件對(duì)軌道交通變流 技術(shù)的影響n電力電子技術(shù)在軌道交通電力牽電力電子技術(shù)在軌道交通電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用主要分為三個(gè)引傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用主要分為三個(gè)方面：它們是主傳動(dòng)系統(tǒng)、輔助傳方面：它們是主傳動(dòng)系統(tǒng)、輔助傳動(dòng)系統(tǒng)、控制和輔助系統(tǒng)中的穩(wěn)壓動(dòng)系統(tǒng)、控制和輔助系統(tǒng)中的穩(wěn)壓電源，下面從這三個(gè)方面分析電力電源，下面從這三個(gè)方面分析電力電子器件對(duì)于軌道交通變流技術(shù)的電子器件對(duì)于軌道交通變流技術(shù)的影響。并且從系統(tǒng)性能、裝置簡(jiǎn)約、影響。并且從系統(tǒng)性能、裝置簡(jiǎn)約、試驗(yàn)系統(tǒng)、多器件化和電能質(zhì)量改試驗(yàn)系統(tǒng)、多器件化和電能質(zhì)量改善等五個(gè)方面闡述電力

42、電子器件促善等五個(gè)方面闡述電力電子器件促進(jìn)現(xiàn)代軌道交通變流技術(shù)的發(fā)展。進(jìn)現(xiàn)代軌道交通變流技術(shù)的發(fā)展。第四節(jié) 電力電子器件對(duì)軌道交通變流 技術(shù)的影響n電力電子器件對(duì)電力牽引主傳動(dòng)系統(tǒng)的影響電力電子器件對(duì)電力牽引主傳動(dòng)系統(tǒng)的影響n至今為止，電力電子器件在電力牽引主傳動(dòng)系統(tǒng)至今為止，電力電子器件在電力牽引主傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用主要經(jīng)歷了大功率硅二極管的應(yīng)用主要經(jīng)歷了大功率硅二極管(PiN-Diode)、普、普通可控硅通可控硅(PK-SCR)、快速可控硅、快速可控硅(KK-SCR)、門極、門極可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管(GTO)和絕緣柵雙極晶體管和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)這這幾個(gè)階段：幾個(gè)階段：n1900

43、年當(dāng)安裝在玻璃罩內(nèi)的貢弧整流器年當(dāng)安裝在玻璃罩內(nèi)的貢弧整流器(mercury arc rectifier)誕生；誕生；n1954年，年，Pearson和和Fuller發(fā)明了發(fā)明了PiN大功率二極管；大功率二極管；n1956年貝爾實(shí)驗(yàn)室的年貝爾實(shí)驗(yàn)室的Moll等人發(fā)明了可控硅；等人發(fā)明了可控硅；nGTO器件的原理于器件的原理于1960年獲得突破后；年獲得突破后；n1983年開始應(yīng)用的電力牽引交流傳動(dòng)系統(tǒng)；年開始應(yīng)用的電力牽引交流傳動(dòng)系統(tǒng)；n1990年代中后期，開始應(yīng)用年代中后期，開始應(yīng)用IGBT器件。器件。第四節(jié) 電力電子器件對(duì)軌道交通變流技術(shù)的影響n電力電子器件對(duì)電力牽引主傳動(dòng)系統(tǒng)的影響電力電

44、子器件對(duì)電力牽引主傳動(dòng)系統(tǒng)的影響nIGCT和和GTO相比，主要有四個(gè)方面的改相比，主要有四個(gè)方面的改進(jìn)：進(jìn)：n通過門極驅(qū)動(dòng)單元和封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過門極驅(qū)動(dòng)單元和封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，將門極驅(qū)動(dòng)單元與封裝的將門極驅(qū)動(dòng)單元與封裝的GCT芯片集成在一芯片集成在一起，從而大幅度的降低了門極與陰極回路中起，從而大幅度的降低了門極與陰極回路中的雜散電感；的雜散電感；n由于由于IGCT通過通過“N緩沖層緩沖層+穿透陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，穿透陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，將硅片的厚度降低了將硅片的厚度降低了1/3左右，大幅度地降低左右，大幅度地降低了器件的通態(tài)損耗；了器件的通態(tài)損耗；n通過設(shè)置通過設(shè)置“穿透陽(yáng)極發(fā)射極穿透陽(yáng)極發(fā)射極構(gòu)造，

45、大大提高構(gòu)造，大大提高了電子的抽出速度，又不引起空穴的注入，了電子的抽出速度，又不引起空穴的注入，因而可實(shí)現(xiàn)晶體管式的關(guān)斷；因而可實(shí)現(xiàn)晶體管式的關(guān)斷；n在減薄硅片厚度的基礎(chǔ)上，在芯片中集成了在減薄硅片厚度的基礎(chǔ)上，在芯片中集成了反向續(xù)流二極管，形成反向續(xù)流二極管，形成GCT，簡(jiǎn)化了電路結(jié)，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。構(gòu)。第四節(jié) 電力電子器件對(duì)軌道交通變流技術(shù)的影響n電力電子器件對(duì)輔助系統(tǒng)的影響電力電子器件對(duì)輔助系統(tǒng)的影響n在電力電子器件得到應(yīng)用之前，在單相交流供電的在電力電子器件得到應(yīng)用之前，在單相交流供電的電力機(jī)車中，輔助系統(tǒng)電源大多采用異步旋轉(zhuǎn)劈相電力機(jī)車中，輔助系統(tǒng)電源大多采用異步旋轉(zhuǎn)劈相機(jī)，把單相

46、交流電變?yōu)槿嘟涣麟?，如韶山機(jī)，把單相交流電變?yōu)槿嘟涣麟姡缟厣?型電力型電力機(jī)車的機(jī)車的YPX-280M-4型劈相機(jī)。在直流供電的地鐵車型劈相機(jī)。在直流供電的地鐵車輛中，輔助系統(tǒng)電源大多采用直流電動(dòng)輛中，輔助系統(tǒng)電源大多采用直流電動(dòng)同步發(fā)同步發(fā)電機(jī)組來獲得三相交流電。如出口伊朗地鐵列車的電機(jī)組來獲得三相交流電。如出口伊朗地鐵列車的ZQD-14/TQF-14型輔助發(fā)電機(jī)組。型輔助發(fā)電機(jī)組。n國(guó)內(nèi)最早應(yīng)用的是國(guó)內(nèi)最早應(yīng)用的是1986年開始進(jìn)口的年開始進(jìn)口的8K電力機(jī)車，電力機(jī)車，當(dāng)時(shí)采用的是當(dāng)時(shí)采用的是GTO的逆變器。的逆變器。n1990年代以來，輔助系統(tǒng)開始陸續(xù)采用年代以來，輔助系統(tǒng)開始陸續(xù)

47、采用IGBT作為逆作為逆變器的器件。我國(guó)變器的器件。我國(guó)1990年代中期投入運(yùn)營(yíng)的廣州地年代中期投入運(yùn)營(yíng)的廣州地鐵和北京地鐵復(fù)八線車輛等輔助電源分別采用了德鐵和北京地鐵復(fù)八線車輛等輔助電源分別采用了德國(guó)和日本的國(guó)和日本的IGBT逆變器。逆變器。n1990年代中期以后，我國(guó)研制成功了年代中期以后，我國(guó)研制成功了600VDC電壓逆電壓逆變的列車空調(diào)逆變器和變的列車空調(diào)逆變器和600V到到110V的的DC/DC變換器，變換器，從而取消了發(fā)電車。從而取消了發(fā)電車。n由于采用由于采用IGBT器件容量等級(jí)的不同，輔助系統(tǒng)的電器件容量等級(jí)的不同，輔助系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)可以分為三種形式：第一種是交路結(jié)構(gòu)可以分為三

48、種形式：第一種是交-直直-交型；第交型；第二種是直二種是直-交交-交型；第三種是直交型；第三種是直-直直-交型。交型。第四節(jié) 電力電子器件對(duì)軌道交通變流技術(shù)的影響n電力電子器件對(duì)控制和輔助電路穩(wěn)壓電源的影響電力電子器件對(duì)控制和輔助電路穩(wěn)壓電源的影響n所有控制和輔助電路的電源均由所有控制和輔助電路的電源均由110VDC電源獲得。電源獲得。在電力機(jī)車中，早期的在電力機(jī)車中，早期的110VDC由牽引變壓器輔助繞由牽引變壓器輔助繞組通過可控硅相控整流獲得，電壓穩(wěn)定度不是很高。組通過可控硅相控整流獲得，電壓穩(wěn)定度不是很高。n隨著電力電子器件的發(fā)展，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)和諧號(hào)高速列隨著電力電子器件的發(fā)展，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)和諧

49、號(hào)高速列車和重載貨運(yùn)列車的車和重載貨運(yùn)列車的110VDC電源由電源由IGBT器件構(gòu)成器件構(gòu)成DC/DC隔離開關(guān)電源獲得，具有很好的電壓精度和隔離開關(guān)電源獲得，具有很好的電壓精度和電壓穩(wěn)定性。電壓穩(wěn)定性。n在地鐵動(dòng)車組中在地鐵動(dòng)車組中IGBT和和MOSFET等電力電子器件得等電力電子器件得到應(yīng)用后到應(yīng)用后110VDC電源也由相互隔離的電源也由相互隔離的DC/DC開關(guān)電開關(guān)電源獲得。源獲得。n110V以后的穩(wěn)壓電源需求量很大，穩(wěn)壓電源的電壓以后的穩(wěn)壓電源需求量很大，穩(wěn)壓電源的電壓等級(jí)主要有等級(jí)主要有24V，15V，5V。這些電源等級(jí)由容量更。這些電源等級(jí)由容量更小、開關(guān)頻率更好的小、開關(guān)頻率更好的

50、MOSFET構(gòu)成的開關(guān)電源獲得。構(gòu)成的開關(guān)電源獲得。第四節(jié) 電力電子器件對(duì)軌道交通變流技術(shù)的影響n電力電子器件促進(jìn)現(xiàn)代軌道交通變流技術(shù)的發(fā)展電力電子器件促進(jìn)現(xiàn)代軌道交通變流技術(shù)的發(fā)展n 電力電子器件、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制技術(shù)的發(fā)展，大大促進(jìn)電力電子器件、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制技術(shù)的發(fā)展，大大促進(jìn)了現(xiàn)代電力牽引傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。下面從系統(tǒng)性能、裝置簡(jiǎn)了現(xiàn)代電力牽引傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。下面從系統(tǒng)性能、裝置簡(jiǎn)約、試驗(yàn)系統(tǒng)、多器件化和電能質(zhì)量改善五個(gè)方面闡述電力約、試驗(yàn)系統(tǒng)、多器件化和電能質(zhì)量改善五個(gè)方面闡述電力電子器件促進(jìn)現(xiàn)代軌道交通變流技術(shù)的發(fā)展。電子器件促進(jìn)現(xiàn)代軌道交通變流技術(shù)的發(fā)展。n促進(jìn)電力傳動(dòng)系統(tǒng)性能的優(yōu)

51、化，促進(jìn)電力傳動(dòng)系統(tǒng)性能的優(yōu)化， 在電力電子技術(shù)的帶動(dòng)下，在電力電子技術(shù)的帶動(dòng)下，電力傳動(dòng)系統(tǒng)由直流傳動(dòng)走向了現(xiàn)代交流傳動(dòng)。交流傳動(dòng)與電力傳動(dòng)系統(tǒng)由直流傳動(dòng)走向了現(xiàn)代交流傳動(dòng)。交流傳動(dòng)與直流傳動(dòng)相比，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：直流傳動(dòng)相比，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：n優(yōu)異的運(yùn)行性能；優(yōu)異的運(yùn)行性能；n顯著的節(jié)能效果；顯著的節(jié)能效果；n減少易損部件，降低運(yùn)營(yíng)成本；減少易損部件，降低運(yùn)營(yíng)成本；n優(yōu)良的可靠性和維修性；優(yōu)良的可靠性和維修性；n供電質(zhì)量大大改善，接近理想波形；供電質(zhì)量大大改善，接近理想波形；n1990年代中后期，開始應(yīng)用年代中后期，開始應(yīng)用IGBT器件。器件。第四節(jié) 電力電子器件對(duì)軌道交通變流技術(shù)的影響n

52、電力電子器件促進(jìn)現(xiàn)代軌道交通變流技術(shù)的發(fā)展電力電子器件促進(jìn)現(xiàn)代軌道交通變流技術(shù)的發(fā)展n促進(jìn)電力傳動(dòng)系統(tǒng)裝置的簡(jiǎn)約化：促進(jìn)電力傳動(dòng)系統(tǒng)裝置的簡(jiǎn)約化：n電力電子器件容量和性能的提高，促進(jìn)了主電路結(jié)電力電子器件容量和性能的提高，促進(jìn)了主電路結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化。器件從構(gòu)的簡(jiǎn)化。器件從GTO到到IGCT的改進(jìn)，省去了主電的改進(jìn)，省去了主電路的吸收電路和外接的反并聯(lián)續(xù)流二極管，大大簡(jiǎn)路的吸收電路和外接的反并聯(lián)續(xù)流二極管，大大簡(jiǎn)化了主電路的結(jié)構(gòu)，同時(shí)簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路單元；化了主電路的結(jié)構(gòu)，同時(shí)簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路單元；n封裝形式的改進(jìn)，既降低了器件熱阻，簡(jiǎn)化散熱系封裝形式的改進(jìn)，既降低了器件熱阻，簡(jiǎn)化散熱系統(tǒng)，又方便工程化

53、安裝；統(tǒng)，又方便工程化安裝；IGBT絕緣基板的模塊化結(jié)絕緣基板的模塊化結(jié)構(gòu)與雙面壓接式構(gòu)與雙面壓接式GTO結(jié)構(gòu)相比，工程化安裝極為容結(jié)構(gòu)相比，工程化安裝極為容易，散熱系統(tǒng)也很簡(jiǎn)約。為改善熱阻，其生產(chǎn)廠家易，散熱系統(tǒng)也很簡(jiǎn)約。為改善熱阻，其生產(chǎn)廠家改用改用AlN代替代替Al2O3作為硅芯片襯底采用；為改善與作為硅芯片襯底采用；為改善與AlN熱膨脹系數(shù)的匹配，采用熱膨脹系數(shù)的匹配，采用AlSiC代替代替Cu作為基板。作為基板。為解決模塊化結(jié)構(gòu)比較低的熱循環(huán)能力等問題，采為解決模塊化結(jié)構(gòu)比較低的熱循環(huán)能力等問題，采用兩邊用兩邊DCB絕緣的三明治結(jié)構(gòu)形式，然后再絕緣的三明治結(jié)構(gòu)形式，然后再DCB上上集

54、成液冷的微通道散熱器。集成液冷的微通道散熱器。n功能單元模塊化設(shè)計(jì)，增加了電磁兼容性，也方便功能單元模塊化設(shè)計(jì)，增加了電磁兼容性，也方便了安裝和拆卸；了安裝和拆卸；第四節(jié) 電力電子器件對(duì)軌道交通變流技術(shù)的影響n電力電子器件促進(jìn)現(xiàn)代軌道交通變流技術(shù)的發(fā)展電力電子器件促進(jìn)現(xiàn)代軌道交通變流技術(shù)的發(fā)展n促進(jìn)交流傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)展：促進(jìn)交流傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)展：n 交流牽引傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)該能完成如下五種試驗(yàn)：交流牽引傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)該能完成如下五種試驗(yàn)：按照機(jī)車牽引特性進(jìn)行不同級(jí)位的按照機(jī)車牽引特性進(jìn)行不同級(jí)位的“恒流準(zhǔn)恒速恒流準(zhǔn)恒速特特性控制的牽引運(yùn)行試驗(yàn)；按照機(jī)車制動(dòng)特性進(jìn)行再性控制的牽引運(yùn)行試驗(yàn)；按照機(jī)車制動(dòng)特性進(jìn)行再生制動(dòng)試驗(yàn)；按照機(jī)車恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)要求進(jìn)行機(jī)車起生制動(dòng)試驗(yàn)；按照機(jī)車恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)要求進(jìn)行機(jī)車起動(dòng)加速試驗(yàn)；逆變器容量足夠大時(shí)，能完成牽引電動(dòng)加速試驗(yàn)；逆變器容量足夠大時(shí)，能完成牽引電機(jī)的各種特性試驗(yàn)和有關(guān)參數(shù)的測(cè)定；電機(jī)容量許機(jī)的各種特性試驗(yàn)和有關(guān)參數(shù)的測(cè)定；電機(jī)容量許可時(shí)，能完成逆變裝置的考核運(yùn)行試驗(yàn)?？蓵r(shí)，能完成逆變裝置的考核運(yùn)行試驗(yàn)。n“能量消耗式能量消耗式系統(tǒng)。系統(tǒng)。n“能量反饋式能量反饋式系統(tǒng)。系統(tǒng)。n互饋式交流傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)?；ヰ伿浇涣鱾鲃?dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)。第四節(jié) 電力電子器件對(duì)軌道交通變流技術(shù)的影響n電力電子器件促進(jìn)現(xiàn)代軌道交通變流技術(shù)的發(fā)展電力電子器件促進(jìn)現(xiàn)代軌道交通變流技術(shù)