機(jī)車電力電子專業(yè)技術(shù)

1、*機(jī)車電力電子技術(shù)教案主要內(nèi)容本課程教學(xué)大綱本課程電子教案*課程編號機(jī)車電力電子技術(shù)課程教學(xué)大綱學(xué)時：（64） 學(xué)分：（4）一、教學(xué)大綱的說明機(jī)車電力電子技術(shù)課程教學(xué)大綱是教學(xué)指導(dǎo)性文件，它是作為工科專科學(xué)生學(xué)習(xí)該課程必須達(dá)到的合格要求， 是學(xué)校制訂教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)內(nèi)容的依據(jù)， 也是編寫基本教材和進(jìn)行課 程教學(xué)質(zhì)量評估的重要依據(jù)。1授課對象：車輛工程專業(yè)（電力機(jī)車方向），高職三年制學(xué)生。2課程性質(zhì)：機(jī)車電力電子技術(shù)課程是車輛工程專業(yè)（電力機(jī)車方向）的一門專業(yè) 必修課。3任務(wù)及要求：通過學(xué)習(xí)本課程，應(yīng)使學(xué)生掌握電力電子技術(shù)理論及其在電力機(jī)車上 的應(yīng)用等方面知識，主要學(xué)習(xí)電力電子器件、相控整流電路、

2、斬波電路與逆變電路、交流調(diào) 壓電路、觸發(fā)電路與驅(qū)動電路、電力機(jī)車控制系統(tǒng)單元電路、電力機(jī)車控制電源柜、電力機(jī)車電子控制柜和微機(jī)控制柜、電力機(jī)車其他電子電路、電子電路常見故障分析與應(yīng)急處理等方面知識，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會綜合運(yùn)用所學(xué)知識，分析、設(shè)計(jì)、解決相關(guān)技術(shù)問題的能力。4與其它課程的聯(lián)系先修課程：電工技術(shù)、Visual Basic程序設(shè)計(jì)、單片機(jī)原理及應(yīng)用等。后修課程：電力機(jī)車控制等。、教學(xué)大綱1、課程內(nèi)容第 1 章 緒論電力電子器件的發(fā)展； 電力電子技術(shù)的發(fā)展； 交流電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)； 我國電力機(jī)車 的發(fā)展。第 2 章 電力電子器件 電力電子器件概述；大功率整流二極管；晶閘管；門極關(guān)斷晶閘管（G

3、TO ）；功率晶體管（ GTR ）；功率 MOS 場效應(yīng)晶體管（功率 MOSFET ）；絕緣柵雙極晶體管（ IGBT ）；MOS 控制晶閘管（ MCT ）；功率集成電路（ PIC ）；電力電子器件的冷卻。第 3 章 相控整流電路單相半控橋式整流電路； 單相全控橋式整流電路； 三相半波可控整流電路； 三相全控橋 整流電路；三相半控橋整流電路。第 4 章 斬波電路與逆變電路斬波電路；逆變電路；緩沖電路。第 5 章 交流調(diào)壓電路 概述；晶閘管交流開關(guān)；晶閘管單相交流調(diào)壓電路；晶閘管三相交流調(diào)壓電路。第 6 章 觸發(fā)電路與驅(qū)動電路概述；晶閘管觸發(fā)電路； GTO 門極驅(qū)動電路； GTR 門極驅(qū)動電路；功

4、率 MOSFET 門極 驅(qū)動電； IGBT 驅(qū)動與保護(hù)技術(shù)。第 7 章 電力機(jī)車控制系統(tǒng)單元電路 檢測單元；控制單元；觸發(fā)系統(tǒng)元件。第 8 章 電力機(jī)車控制電源柜SS9型電力機(jī)車的控制電源柜；HXd3型電力機(jī)車的DC 110 V電源裝置。第 9 章 電力機(jī)車電子控制柜和微機(jī)控制柜SS4改型電力機(jī)車電子控制柜；SS8型電力機(jī)車微機(jī)控制柜；HXD 3型電力機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。第 10 章 電力機(jī)車其他電子電路顯示診斷裝置；劈相機(jī)起動電路；列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置。第 11 章 電子電路常見故障分析與應(yīng)急處理檢測單元和電源柜的故障判斷；SS4改型電力機(jī)車電子控制柜常見故障判斷及處理；SS9型電力機(jī)車微機(jī)控

5、制柜的使用維護(hù)和常見故障判斷及處理；HXD 3型電力機(jī)車典型故障分析及處理。2、重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：大功率整流二極管；晶閘管；門極關(guān)斷晶閘管（GTO）;絕緣柵雙極晶體管（IGBT）；功率集成電路（PIC）；單相半控橋式整流電路；單相全控橋式整流電路；斬波電路；逆變 電路；緩沖電路；晶閘管交流開關(guān)；晶閘管單相交流調(diào)壓電路；晶閘管觸發(fā)電路；GTO 門極驅(qū)動電路； IGBT 驅(qū)動與保護(hù)技術(shù)；檢測單元；控制單元；觸發(fā)系統(tǒng)元件；SS9 型電力機(jī)車的控制電源柜；HXD3型電力機(jī)車的DC 110 V電源裝置；SS4改型電力機(jī)車電子控制柜； SS8 型電力機(jī)車微機(jī)控制柜；HXD 3 型電力機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；顯示診

6、斷裝置；劈相機(jī)起動電路；列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置；檢測單元和電源柜的故障判斷；SS4改型電力機(jī)車電子控制柜常見故障判斷及處理；SS9 型電力機(jī)車微機(jī)控制柜的使用維護(hù)和常見故障判斷及處理；HXD 3型電力機(jī)車典型故障分析及處理。難點(diǎn)：晶閘管；門極關(guān)斷晶閘管(GTO);絕緣柵雙極晶體管(IGBT );功率集成電路(PIC); 單相半控橋式整流電路；單相全控橋式整流電路；逆變電路；晶閘管單相交流調(diào)壓電路；控制單元；SS9型電力機(jī)車的控制電源柜；HXD3型電力機(jī)車的DC 110 V電源裝置；SS4改型電力機(jī)車電子控制柜；SS8型電力機(jī)車微機(jī)控制柜；HXD3型電力機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；顯示診斷裝置；劈相機(jī)起動電

7、路；列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置；檢測單元和電源柜的故障判斷；SS4改型電力機(jī)車電子控制柜常見故障判斷及處理；SSg型電力機(jī)車微機(jī)控制柜的使用維護(hù)和常見故障判斷及處理；HXD 3型電力機(jī)車典型故障分析及處理。3 實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐環(huán)節(jié)(1) 電力電子器件特性測試；(2) 單相半控橋式整流電路；(3) 三相橋式全控整流電路及有源逆變；(4) 直流斬波電路；(5) 單相交流調(diào)壓電路。4.學(xué)時分配(共64學(xué)時)序號主要內(nèi)容學(xué)時分配其中備注講授實(shí)驗(yàn)習(xí)題上機(jī)1第1章 緒論安排學(xué)生課外自學(xué)2第2章電力電子器 件862選擇部分內(nèi)容講解， 其 余部分安排課外自學(xué)，作 為學(xué)生知識的拓展3第3章相控整流電 路642選擇部分內(nèi)容講

8、解，其 余部分安排課外自學(xué)，作 為學(xué)生知識的拓展4第4章斬波電路與逆變電路8625第5章交流調(diào)壓電路6426第6章觸發(fā)電路與驅(qū)動電路66選擇部分內(nèi)容講解，其 余部分安排課外自學(xué)，作 為學(xué)生知識的拓展7第7章電力機(jī)車控制系統(tǒng)單元電路888第8章電力機(jī)車控 制電源柜669第9章電力機(jī)車電 子控制柜和微機(jī)控制 柜66選擇部分內(nèi)容講解，其 余部分安排課外自學(xué)，作 為學(xué)生知識的拓展10第10章電力機(jī)車其他電子電路4411第11章電子電路常 見故障分析與應(yīng)急處 理66選擇部分內(nèi)容講解，其 余部分安排課外自學(xué)，作 為學(xué)生知識的拓展合計(jì)64568三、教材及主要參考書教材：劉敏軍，王秀珍主編機(jī)車電力電子技術(shù)中國

9、鐵道出版社.2012年。參考書：李瑞榮主編電力機(jī)車電子技術(shù)中國鐵道出版社.2008年。大綱批準(zhǔn)：（主管教學(xué)校長） 大綱審定：（主管教學(xué)院長） 大綱制定：（執(zhí)筆教師）*機(jī)車電力電子技術(shù)電子教案1.1 電力電子器件的發(fā)展1 晶體管2二極管3晶閘管RMf z JhK7/J iJE/#jXfTiraxy/ fECT/ u1 L/ L廠、fI/TfJACAsaJ-4電力電子器件圖1 .1電力電子器件家族“樹”5 電力電子器件種類（1）按器件內(nèi)部載流子參與導(dǎo)電的種數(shù)不同，分三大類：1）單極型器件2）雙極型器件3）復(fù)合型器件（2）按開通、關(guān)斷方式不同，分三大類：1）不可控型器件2）半控型器件3）全控型器件6

10、電力電子器件的性能1）雙極型器件2）單極型器件3）復(fù)合型器件1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展1直流電動機(jī)與異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)比較2電力電子技術(shù)的發(fā)展（1）整流器時代（2）逆變時代（3）變頻時代（4）智能化時代1.3 交流電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展1矢量控制2直接轉(zhuǎn)矩控制3無速度傳感器控制技術(shù)4微處理機(jī)引入控制系統(tǒng)5其他控制技術(shù)1.4 我國電力機(jī)車的發(fā)展1電氣化鐵路史2電力機(jī)車發(fā)展史 我國電力機(jī)車的發(fā)展大體經(jīng)歷了四個階段： 第一階段起步期 第二階段成長期 第三階段全盛期 第四階段升級換代期復(fù)習(xí)與思考題1簡述電力電子器件、電力電子技術(shù)、交流電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展歷程。2簡述我國電力機(jī)車的發(fā)展概況及發(fā)展趨勢

11、。2電力電子器件2.1大功率整流二極管1 結(jié)構(gòu)與伏安特性(1) 結(jié)構(gòu)目前大功率的整流二極管， 外形結(jié)構(gòu)與晶閘管相似， 可分為螺旋式和平板式， 而平板式 又分為風(fēng)冷式和水冷式。二極管僅有陽極A與陰極K。螺旋式二極管的陽極緊栓在鋁制散熱器上。(2) 伏安特性2. 主要參數(shù)(1) 額定正向平均電流Id(av)(2) 反向重復(fù)峰值電壓Urrm(3) 正向平均電壓 Ud(av)3型號及選擇的原則(1)型號正向平均電壓組別£小于血A不標(biāo)) 廈向重套嵯值電壓等級(額定電壓等級) 額定正向平均電滯系列普通行整流特性(2)選擇原則bn=1.57l D(AV) = (1.52)Id maxl D(AV)

12、 =(1.52) l Dmax/1.57選擇Id(av)的原則:選擇Urrm的原則：U RRM = (23) UDmax選擇Ud （av）的原則：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選取所規(guī)定的相應(yīng)系列組別。除特殊要求外，容量在100 A以下通常不考慮管壓降組別。管壓降愈小，元件發(fā)熱與損耗也越小， 相應(yīng)價格就越高。此外，大功率二極管在使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)與下節(jié)要介紹的晶閘管相同。2.6 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）絕緣柵雙極晶體管（Isoloted Gate Bipolar TransistorIGBT ）。由于IGBT內(nèi)具有寄生晶體管，所以也可稱作絕緣門極晶閘管。由于它將MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身，既具有輸

13、入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點(diǎn)，又有通態(tài)電壓低、耐壓高的優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展快，倍受歡迎，在電極驅(qū)動、中頻和開關(guān)電源以及要求快速、低損耗的領(lǐng)域，IGBT有著主導(dǎo)地位，并有取代GTR的趨勢。2.7 MOS控制晶閘管（MCTMOS控制晶閘管（MCT）是一種新的功率器件。 顧名思義，它是通過MOS門極開關(guān)控制 晶閘管的。MCT驅(qū)動功率小，開關(guān)頻率與 IGBT相近，而且不存在二次擊穿的問題。它工 作于超擎住狀態(tài)，是一個真正的PNPN器件。這也就是 MCT的通態(tài)電阻大大低于一般場效應(yīng)器件的主要原因。 MCT將晶閘管容量大、正向電壓低的優(yōu)點(diǎn)與MOSFET的高輸入阻抗、小驅(qū)動功率、開關(guān)速度快的特

14、性結(jié)合在一起，構(gòu)成大功率、快速的全控型電力電子新器件。 有可能取代SCR、GTO、IGBT，應(yīng)用于高頻大功率領(lǐng)域。2.7.1 MCT的結(jié)構(gòu)原理及工作特性1. 基本結(jié)構(gòu)譏ftRMI電氏斑；：圖2.38 MCT的基本結(jié)構(gòu)(a) P MCT ; ( b) N MCT2. 工作原理。圖2.39所示為MCT等效電路及符號。當(dāng)門極相對于陽極加負(fù)脈沖電壓時， VT2導(dǎo)通，漏極電流使NPN晶體管VT3導(dǎo)通，VT3 的集電極電流（電子）使 VT4導(dǎo)通，而VT4的集電極電流（空穴）又反過來維持 VT3的導(dǎo) 通。通過SCR的正反饋?zhàn)饔?，MCT導(dǎo)通。圖2.39 MCT等效電路及符號（a） P-MCT結(jié)構(gòu)及等效電路；（

15、b） N-MCT結(jié)構(gòu)及等效電路當(dāng)門極相對于陽極加正電壓時，VTi導(dǎo)通，VT4截止，破壞了 SCR的擎住條件，從而使MCT關(guān)斷。3. 參數(shù)定義由于MCT是一種新器件，所以許多參數(shù)要重新定義：（1） 擊穿電壓。沒有觸發(fā)時MCT連續(xù)承受的最大電壓。（2）正向壓降。150 C時額定峰值電流下的正向壓降。（3） 結(jié)溫。在標(biāo)準(zhǔn)的塑料外殼場合規(guī)定為150 C。4. 電壓和電流目前已有 100 A/1 000 V、du/dt=20 000 V/ e、di/dt=20 000 A/ e、toff 的產(chǎn)品，研制水平 已高達(dá)3 000 V。目前產(chǎn)品的電流為 500 A1 000 A。提高電流的主要手段是增加芯片尺寸

16、和最佳設(shè)立。 迄今0.4 cm2芯片（有效區(qū)）可關(guān)斷 200 A電流（150 C）,在一光控模塊中，幾個芯片并聯(lián) 已可關(guān)斷600 A以上的電流。由于MCT是用DMOSFET工藝制得，所以芯片尺寸不能無限制地增大，因此更大電流的MCT期望由多芯片并聯(lián)而成。初步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在12個芯片并聯(lián)模塊中，電流分布的平均性在10%之內(nèi)。還發(fā)現(xiàn)器件的的電流基本上不受通態(tài)損耗發(fā)熱的限制，而受高溫、峰值 電流的限制。通過 OFF-FET溝道密度的幾何圖形設(shè)計(jì)，可控制電流容量。5開關(guān)速度MCT的開通延遲時間和開通電流上升時間非常快。對許多帶ON FET的單胞，如果不受門極驅(qū)動上升時間的限制， 開通時間約為一個基區(qū)渡越

17、時間 （數(shù)十納秒），用這種設(shè)計(jì)， MCT達(dá)到最終的通態(tài)電壓，基本上不存在 di/dt的限制。6.工作溫度MCT的工作溫度范圍為一200 C 300 C,由于反相漏電緣故（每隔10 C或12 C增 大一倍），實(shí)際的溫度上限為 250 C 270 Co7 .安全工作區(qū)（SOA ）圖2.40為MCT在沒有吸收回路時的安全工作區(qū)（150 C）。它與外殼、散熱器、電流和工作周期由關(guān)。當(dāng)工作電壓超過 SOA范圍時，MCT可能會被損壞；而當(dāng)峰值可控電流超 過SOA時MCT不會像其他大部分功率開關(guān)那樣損壞，而只是不能用門極關(guān)斷而已，因此 MCT的短路保護(hù)相當(dāng)簡單，只需熔斷絲之類即可。2.7.2 MCT與其他器

18、件的比較1 ；'!'-> =.=«蒼在亠M03 40 MCTlR有發(fā)收的安全工作區(qū)器件參數(shù)GTRMOSFETIGBTGTOMCT連續(xù)電流密度A/cm2804013016075150150200峰值電流密度A/cm 2120160100200400150300關(guān)斷功率密度kVA/cm2602001201015V 45正向損耗：U（V）額定電流時2.0573.51.82.5V 1.2 10%額定電流時1.20.50.71.811.5V 0.7 開關(guān)損耗導(dǎo)通時間gS1.0V 0.1幻 0.150.52.00.14關(guān)斷時間gS2.0V 0.1幻 0.350.42.01.

19、2擊穿電壓V5005005001200275關(guān)斷SOA較好好較好差差成本較低較高中最高最低表2.1各種全控型電力半導(dǎo)體器件的比較500V器件；測量值；無吸收回路運(yùn)行；預(yù)測值。1 -V)Mrliflcinn Vi計(jì)V >: Hi t kfiljf： V)r- 通過上述比較可得出 MCT優(yōu)點(diǎn)：（1）電壓、電流容量大（擊穿電壓3 000 V，峰值電流 1000A，最大關(guān)斷電流密度6 000A/cm2）。（2）通態(tài)壓降?。镮GBT的1/3，約1.1 V ）。10 / 22(3) 有極高 di/dt (20 000 A/ e )的及 du/dt (20 000 V/ q )。(4) 開關(guān)速度快，

20、開關(guān)損耗小(開通時間200 ns,可在于2宙時間內(nèi)關(guān)斷1 000 V電壓)。(5) 工作溫度高，在 200 C以上。(6) 對恒定的電容值，MCT無密勒效 應(yīng)，因而可大大簡化門極驅(qū)動設(shè)計(jì)，增加門 極驅(qū)動的可靠性。(7) 即使關(guān)斷失效，MCT也不會損壞。2.8 功率集成電路(PIC)功率集成電路 PIC ( Power-IC)包括高 壓功率集成電路(HVIC )、智能功率集成電 壓(Smart Power-IC )和功率專用集成電路， 簡稱SPIC,也有人認(rèn)為 SPIC屬于HVIC ,1981年美國試制出第一個 PIC。HVIC可達(dá)到500 V/600 mA ,用于平板發(fā)光顯示驅(qū)動裝置和 長途電

21、話的功率變換裝置。SIC水平為110 V/13 A及500 V/0.5 A，用于電動機(jī)的驅(qū)動。目前單片電路中最高水平擊穿電壓1 200 V輸出電流40 A。最近出現(xiàn)的智能功率模塊IPM在20 kHz高頻程序下可承受 AC200 V/400 V電壓、最大容量可達(dá) 55 kW。從電壓、電流來看, PIC可分為三個領(lǐng)域：(1) 低壓大電流PIC，主要用于汽車點(diǎn)火、開關(guān)電源和同步發(fā)電機(jī)等。(2) 高壓小電流PIC，主要用于平板顯示、交換機(jī)等。(3) 高壓大電流PIC，主要用于交流電機(jī)控制、家用電器等。PIC是電力半導(dǎo)體技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，其根本特征是使動力與信息結(jié)合，成為機(jī)和電的接口，是機(jī)電一

22、體化的基礎(chǔ)元件。2.8.1 PIC 技術(shù)將輸出的功率器件及其驅(qū)動電路、保護(hù)電路和接口電路等外圍電路集成在一個或幾個芯片上，就稱作功率集成電路，也稱作智能功率集成電路。圖2.43為功率集成電路的典型構(gòu)成。1. PIC的分類與發(fā)展2. SPIC的基本功能3. SPIC的開發(fā)和應(yīng)用2.8.2 智能功率模塊(IPM)智能功率模塊(IPM )又稱智能集成電路，是電力集成電路的一種。IPM是以IGBT為基本功率開關(guān)元件，構(gòu)成一相或三相逆變器的專用功能模塊，尤其適合于電動機(jī)變頻調(diào)速裝置的需要。圖2.45為IPM模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖2.45采用IPM制作的逆變器框圖2.9 電力電子器件的冷卻與保護(hù)2.9.1 電

23、力電子器件的冷卻2.9.1.1 冷卻的重要性除了電學(xué)性能外，電力電子器件的熱學(xué)特性和參數(shù)也同樣重要，為了保證電力電子器件的正常運(yùn)行，冷卻是不可缺少的。作為電力電子器件核心的 PN結(jié)，性能與溫度密切相關(guān)，結(jié)溫過高，會使PN結(jié)特性退化或喪失，導(dǎo)致器件的許多特性和參數(shù)發(fā)生變化，甚至使器件永久燒壞，與最高允許結(jié)溫 Tjm相對應(yīng)，規(guī)定了器件的最大允許耗散功率。電力電子器件必須限制最高結(jié)溫才能正常工作，一般情況下，整流管結(jié)溫不超過150 C, GTO不超過125 C, GTR不超過150 C,功率 MOSFET不超過150 C,所以必 須采取冷卻措施。電力機(jī)車的主電路和輔助電源回路廣泛采用了大功率的電力電

24、子器件，冷卻措施也更加重要。1 .結(jié)溫與GTO特性的關(guān)系圖2.46 PN結(jié)熱擊穿效應(yīng)示意圖圖2.47陽極平均電流與結(jié)溫相互關(guān)系曲線40/x-6C0 AN*GO AjA-nn AgoJa-400A舟ccf圖2.48 開關(guān)特性與溫度的關(guān)系曲線2 .結(jié)溫與GTR特性的關(guān)系3. 結(jié)溫與MOSFET特性的關(guān)系2.9.1.2 散熱原理散熱途徑有熱傳導(dǎo)、 熱輻射和熱對流三種方式。電力電子器件通過電流時產(chǎn)生的熱量使管芯發(fā)熱、結(jié)溫升高。管芯發(fā)熱后一般通過熱傳導(dǎo)方式向周圍散熱。1穩(wěn)態(tài)熱路圖與熱阻管芯內(nèi)溫度最高的部位在PN結(jié)上。熱量從PN結(jié)通過管殼、散熱器傳至環(huán)境介質(zhì)中。當(dāng)管芯上每秒消耗功率產(chǎn)生的熱量與每秒散發(fā)出去

25、的熱量相等時，管芯的溫度就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)溫不再升高。根據(jù)器件內(nèi)熱量的傳導(dǎo)過程可以畫出等效熱路圖，以GTO為例的穩(wěn)態(tài)等效熱路圖如圖2.49所示。封裝觀熱器環(huán)境丄圖2.49穩(wěn)態(tài)等效熱路圖熱路圖與電路圖很相似。功率P相當(dāng)于熱流，與電流類似；溫升AT與電壓相似；熱阻(2.22)R。與電阻相似。功耗、溫升和熱阻之間的關(guān)系和歐姆定律相似。即P=A T/Re式中 P恒定耗散功率， W ；A T兩端溫差，C, A T=Tj Ta； Tj、Ta分別代表結(jié)溫和環(huán)境溫度;Re結(jié)至環(huán)境介質(zhì)的熱阻，C器件散熱時的總熱阻 Re由以下幾部分組成：PN結(jié)至外殼的熱阻 Reje外殼至散熱器的熱阻Re c以及散熱器至環(huán)境介質(zhì)的

26、熱阻R e sa其中Re je也稱內(nèi)熱阻，其他兩項(xiàng)稱為外熱阻。器件總熱阻R。為R s=R e j+ R e c+R esa(2.23)2.瞬態(tài)熱路圖和瞬態(tài)熱阻抗由于器件具有熱容量，升溫或降溫都有一個瞬態(tài)過程，像支流電路中的瞬態(tài)過程一樣，可以用瞬態(tài)熱路圖來分析。圖2.50為恒定耗散功率作用下物體升溫過程的示意圖及其相應(yīng)的瞬態(tài)熱路圖。圖2.50恒定耗散功率下物體的升溫過程(a)升溫過程示意圖；(b)升溫過程舜態(tài)熱路圖由圖可知，升溫過程中，溫升T的變化規(guī)律可用指數(shù)曲線來描繪，其方程為 T= Tjm (1 e-t/T)(2.24)Tjm=PR eT=ReCZ= Rq (1 e-t/T)(2.25)瞬態(tài)

27、熱阻隨通電的時間變化，常用曲線來表示，因此瞬態(tài)熱阻抗又稱熱阻抗曲線。器件或散熱器給出的曲線由實(shí)測法而得。圖2.51給出了電子器件用相對值r (tp)表示的熱阻抗曲線。r (tp)可用下式表示：r (tp) =Z (tp, 0 / Rejc(2.26)式中Re jc器件的PN結(jié)至外殼的穩(wěn)態(tài)熱阻。由圖可知，熱阻抗是起講導(dǎo)通時間tp和負(fù)載功率占空比0的函數(shù)。占空比0定義為：& tp / T式中T器件的導(dǎo)通時間tp與關(guān)斷時間toff之和。也就是說，不同的功率導(dǎo)通脈寬和不同的占空比對應(yīng)著不同的r (tp),進(jìn)而有不同的熱阻抗值。在給定tp和0可查得Z (tp,于是可的出在峰值耗散功率Pp時的溫升

28、為Tjm Tc=Pp Z (tp, S)(2.27)式中Tjm 器件的最高運(yùn)行結(jié)溫；Tc器件的殼溫。3熱阻和瞬態(tài)熱阻抗的應(yīng)用電力電子自關(guān)斷器件多使用于開關(guān)狀態(tài)，其工作波形一般為方波，確定器件最高結(jié)溫時必須考慮工作頻率、負(fù)載電流占空比以及方波脈沖的寬度。具體示例如圖2.52所示。圖2.52( a)為低頻工作時的方波脈沖列，其工作頻率為20Hz，脈沖寬度tp =10 ms,占空比8=0.2，峰值功率為100 W，在這種條件下，結(jié)溫的波形很大，設(shè)計(jì)者需要考核的是 器件最高結(jié)溫，而不是平均結(jié)溫。這時要用瞬態(tài)熱阻抗的概念，而不用熱阻的概念。圖2.52 ( b)為高頻工作時的方波脈沖列，占空比8=0.2，

29、峰值功率仍為100 W，但工作頻率提高到200 Hz，脈沖寬度為1 ms，在這種情況下，結(jié)溫的波動已大為減小，這是由于 器件熱慣性所致。如果工作頻率增加到1kHz，占空比8=0.2，結(jié)溫的波動將更小，峰值結(jié)溫幾乎等于平均結(jié)溫， 這時用穩(wěn)態(tài)熱阻的概念即可，不必再用瞬態(tài)熱阻抗的概念。由此可以看出，對方波脈沖列選用器件及散熱器時，要注意工作頻率、占空比的變化，并視具體情況而決定用熱阻還是用瞬態(tài)熱阻抗。M沖4 100 W切 10耐5=02juuuuuuuum-i-圖2.52方波脈沖列的溫升(a)低頻工作時的方波脈沖列；(b)高頻工作時的方波脈沖列2.9.1.3 冷卻措施對器件的應(yīng)用者來說，為了限制結(jié)溫

30、，可在減少熱阻方面采用措施，即減少接觸熱阻Re cs 和散熱器熱阻Re sa1 接觸熱阻Re cs電力電子器件的正常運(yùn)行，在很大程度上取決于器件與散熱器之間的裝配質(zhì)量。散熱器安裝臺面必須與電力電子器件很好接觸，形成良好的導(dǎo)電面和導(dǎo)熱面。由于電力電子器件質(zhì)量、使用條件、外形結(jié)構(gòu)及品種不同，所以散熱器的安裝形式也各不相同。但是，電力電子 器件管殼與散熱器之間的溫差和接觸熱阻Re cS直，必須控制在規(guī)定數(shù)值以下。(1) 接觸熱阻與器件封裝形式的關(guān)系(2) 接觸熱阻與安裝力的關(guān)系圖2.53接觸熱阻與鎖緊力矩的關(guān)系曲線2.54接觸熱阻與平板式器件安裝壓力的關(guān)系曲線2散熱器熱阻Re sa散熱器熱阻是指從散

31、熱器至環(huán)境介質(zhì)的熱阻，它與散熱器的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、表面顏色、安裝位置以及環(huán)境冷卻方式等因素有關(guān)。山訪須圖2.55散熱器的典型數(shù)據(jù)圖2.55給出常用散熱器的形狀及其相關(guān)參數(shù)對而阻的影響。其中圖2.55 (a)為散熱器截面圖；圖2.55 ( b)為黑色表面散熱器的長度 L與熱阻Re $a的關(guān)系曲線；圖2.55 ( C)為表 面陽極氧化散熱器的耗散功率 P與溫升 T在不同長度下的關(guān)系曲線；圖 2.55 ( d)為黑色 時溫升T在不同長度下的關(guān)系曲線。由圖可知，散熱器長度增加，熱阻Re s減少，但長度增加到一定程度，熱阻 Re s下降很小。散熱器表面涂黑比表面陽極化處理后散熱效果更好。3 散熱器的常用冷卻

32、方式散熱器的常用冷卻方式分為四種：自冷、風(fēng)冷、液冷和沸騰冷卻。自冷是通過空氣自然對流及輻射作用將熱量帶走的散熱方式。這種方式散熱效率很低, 但簡單、維護(hù)方便、噪音小，適用于額定電流較小的器件或簡單裝置。風(fēng)冷散熱器是自冷散熱效率的 24倍。圖2.56所示為風(fēng)冷式風(fēng)速與熱阻之間的關(guān)系曲 線，在裝置內(nèi)部的冷卻風(fēng)速，通常小于 6 m/s。城市軌道交通車輛的散熱器通常充分利用走 行風(fēng)冷卻。水冷散熱器的散熱效率很高，其對流換熱系 數(shù)等于空氣自然換流系數(shù)的150倍以上。這種散熱器一般適用于電流容量在500 A以上的器件。油冷散熱器的散熱效率在水冷散熱器與風(fēng)冷散熱器 之間，冷卻介質(zhì)多用變壓器油。沸騰冷卻將冷卻

33、媒質(zhì)（氟力昂）放在密閉容 器中，通過媒質(zhì)的相變來進(jìn)行冷卻。沸騰冷卻裝 置即熱管的冷卻效率極高，體積比同容量油冷和 自冷裝置小得多。291.4 熱管的原理與應(yīng)用電力機(jī)車的主回路和輔助回路的大功率電力電子器件，已經(jīng)普遍應(yīng)用熱管作高效的冷 卻。1 熱管的工作原理與同樣直徑的銀棒相比，利用沸騰冷卻原理的熱管，等價熱傳導(dǎo)率要高5001 000倍，是超級熱傳導(dǎo)器件。同樣大小的銅棒和熱管散熱效果對比如圖2.57所示。熱管是先將金屬管抽成真空，再將少量工作介質(zhì)密封，利用液體在管子內(nèi)壁的沸騰、冷 凝及毛細(xì)管作用，形成的散熱系統(tǒng)。熱管的一般工作原理如圖2.58所示。當(dāng)管子的一端加熱時，由于管子內(nèi)部的低壓狀態(tài)，液體

34、在低溫下沸騰，產(chǎn)生的蒸汽形成 壓力波，以音速移動到另一端，冷卻、冷凝釋放熱量。冷凝液通過毛細(xì)管作用回到加熱端， 再次沸騰、蒸發(fā)，向冷端運(yùn)動。這一循環(huán)無需外力而反復(fù)進(jìn)行，因此與普通的金屬傳熱相比，熱管可以在較小的溫差下，快速地帶走很多熱量。0050113 5榊哩I L -L-o o o OO 8 5 111?, = 15.S3 ><300 mmjy水溫立(J P )熱管洞背iti水槽0 10ieo圖2.57同樣大小銅棒與熱管散熱效果對比（a）輸入熱功率與兩端溫差；（b）經(jīng)過時間與上端溫度圖2.58絕緣型熱管的一般工作原理熱管的散熱能力受蒸汽的黏性、揮發(fā)，液體的沸騰，毛細(xì)管現(xiàn)象，動作溫

35、度和散熱能力等種種限制。在電力電子器件領(lǐng)域應(yīng)用的熱管的散熱能力主要受液體的毛細(xì)管現(xiàn)象限制。熱管的最大散熱量與液體的MERIT數(shù)Nt成正比。Nt表示工作介質(zhì)的特性， 液體的表面張力、蒸發(fā)熱容量越大，黏度越小，Nt越大。用于一般電機(jī)電器的熱管中，水的Nt值最大。考慮電氣絕緣，電力機(jī)車一般采用電氣絕緣性能良好的氟利昂作為工作介質(zhì)。絕緣型熱管抽真空后加入工作介質(zhì)，為了產(chǎn)生毛細(xì)管作用，熱管內(nèi)壁刻有溝槽。熱管內(nèi)部工作介質(zhì)也是電氣絕緣的。半導(dǎo)體元件通電后發(fā)熱， 熱管內(nèi)部的工作介質(zhì)液體沸騰汽化變?yōu)檎羝?帶走元件的熱量 使元件冷卻；而工作介質(zhì)蒸汽上升，到達(dá)散熱區(qū)，由外界撒氣（走行風(fēng)）冷卻、液化、回流， 回到吸

36、熱區(qū)，禾U用走行風(fēng)進(jìn)行冷卻，如圖 2.59所示。2.冷卻單元半導(dǎo)體元件的冷卻利用了絕緣型熱管和走行風(fēng)自然冷卻。絕緣型熱管的散熱器與風(fēng)扇之圖2.59利用走行風(fēng)的冷卻間用絕緣子絕緣，元件部分和風(fēng)扇部分用擋 板隔離，散熱風(fēng)扇的通風(fēng)、沖涮清洗都很方 便。為了減少線路電感的影響，緩沖電路和電容都應(yīng)盡可能安裝在 GTO模塊附近。在 最靠近熱管根部的擋板安裝溫度傳感器或 溫度繼電器。3工作介質(zhì)的選擇為了安裝半導(dǎo)體模塊，不僅要考慮容器 的大小和尺寸，還要考慮容器內(nèi)部應(yīng)用足夠 的強(qiáng)度。工作介質(zhì)的壓強(qiáng)與溫度關(guān)系曲線如圖2.60所示，選定使用溫度較低的工作介質(zhì)kPa。因此，包括容器和冷凝器的冷卻系統(tǒng)，對氣密 性要求

37、很高，焊接和使用必須注意。為了保護(hù)冷卻容器，冷卻單元設(shè)置了開關(guān)，通過容器的外壁檢測溫度，當(dāng)超過規(guī)定時端開主回路。并設(shè)置了安全閥，可以在最惡劣的情況下泄放 壓力。電力電子器件的保護(hù)與一般電工產(chǎn)品相比，電力電子器件承受過電 壓、過電流的能力要弱得多，極短時間的過電壓和 過電流就會導(dǎo)致器件永久性的損壞。因此電力電子 電路中過電壓和過電流的保護(hù)裝置是必不可少的， 有時還要采取多種保護(hù)措施。2.9.2.1 過電壓的保護(hù)1.電源側(cè)過電壓的產(chǎn)生電力電子設(shè)備一般都經(jīng)變壓器與交流電網(wǎng)連接， 電源變壓器的繞組與繞組、繞組與地之間都存在著分圖2.60壓強(qiáng)與溫度的關(guān)系曲線布電容，如圖2.61所示。變壓器一般為降壓型，

38、即電源電壓U1高于變壓器次級電壓 U2。電源開關(guān)S斷開 時，初、次級繞組均無電壓，繞組間分布電容電壓也 為0，當(dāng)電源合閘時，由于電容兩端電壓不能突變， 電源電壓通過電容加在變壓器次級，使得變壓器次級圖2.61交流側(cè)過電壓“氟利昂”，在工作溫度7080 C時，壓強(qiáng) 為 98.1196.2 kPa；在10 C時，壓強(qiáng)為 8.83電壓超出正常值，它所連接的電力電子設(shè)備將受到過電壓的沖擊。在進(jìn)行電源拉閘斷電時也會造成過電壓，在通電的狀態(tài)將電源開關(guān)斷開將使激磁電流從一定的數(shù)值迅速下降到0,由于激磁電感的作用，電流的劇烈變化將產(chǎn)生較大的感應(yīng)電勢，其值為Ldi/dt，在電感一定的情況下，電流的變化率越大，產(chǎn)

39、生的過電壓也越大。這個電勢 的大小與拉閘瞬間電流的數(shù)值有關(guān)，在正弦電流的最大值時斷開電源，產(chǎn)生的di/dt最大，過電壓也就越大。可見，合閘時出現(xiàn)的過電壓和拉閘時出現(xiàn)的過電壓其產(chǎn)生機(jī)理是完全不同 的。在電力電子設(shè)備的負(fù)載電路一般都為電感性，如果在電流較大時突然切除負(fù)載，電路中會出現(xiàn)過電壓，熔斷器的熔斷也會產(chǎn)生過電壓。另外電力電子器件的換相也會使電流迅速變化，從而產(chǎn)生過電壓。上述過電壓大都發(fā)生在電路正常工作的狀態(tài)，一般叫做操作過電壓。雷電和其它電磁感應(yīng)源也會在電力電子設(shè)備中感應(yīng)出電勢，從而造成過電壓。這類過電壓發(fā)生的時間和幅度的大小都是沒有規(guī)律的，是難以預(yù)測的。2.過電壓保護(hù)措施（1）阻容保護(hù)過電

40、壓的幅度一般都很大，但是其作用時間一般卻都很短暫，即過電壓的能量并不是很大的。利用電容兩端的電壓不能突變這一特點(diǎn)，將電容器并聯(lián)在保護(hù)對象的兩端，可以達(dá)到過電壓保護(hù)的目的，這種保護(hù)方式叫做阻容保護(hù)。起保護(hù)作用的電容一般都與電阻串聯(lián)， 這樣可以在過電壓給電容充電的過程中，讓電阻消耗過電壓的能量，還可以限制過電壓時產(chǎn)生的瞬間電流。并且 R的接入還能起到阻尼作用，防止保護(hù)電容和電路的電感所形、成的 寄生振蕩。圖2.62為電源側(cè)阻容保護(hù)原理圖，電容越大，對過電壓的吸收作用越明顯。在圖2.62中，圖（a）為單相阻容保護(hù)，阻容電路直接跨接在電源端，吸收電源過電壓。圖2.62（ b）為星形三相阻容保護(hù)電路，平

41、時電容承受電源相電壓，2.62（ c）為三角形三相阻容保護(hù)電路，平時電容承受電源相電壓。顯然，三角形接線方式電容的耐壓要為星形接線的3倍。力子備 電電15上子備 電電設(shè)（a）（ b）（ C圖2.62阻容保護(hù)（a）單相阻容保護(hù)電路；（b）星形三相阻容保護(hù)電路；（c）三角形三相阻容保護(hù)電路但是無論哪種接線， 對于同一電路，過電壓的能量是一樣的，電容的儲能也應(yīng)該相同， 所以星形接線的電容容量應(yīng)為三角形的3倍。也就是說兩種接線方式電容容量和耐壓的乘積是相同的。（2）整流式阻容保護(hù)阻容保護(hù)電路的 RC直接接于線路之間，平時支路中就有電流流動，電流流過電阻必然要造成能量的損耗并使電阻發(fā)熱。為克服這些缺點(diǎn)可

42、采用整流式阻容RC保護(hù)電路，其電路如圖2.63所示。 經(jīng)三相交流電經(jīng)二極管整流橋變?yōu)槊}動直流電，Ri給C充電，電路正常工作無過電壓時電容兩端保持交流電的峰值電壓，而后整流橋僅給電容回路提供微弱的電流，以補(bǔ)充電容放電所損失的電荷。由于與 C并聯(lián)的R2阻值很大，電容的放電非常慢，因 此整流橋輸出的電流也非常小。一旦出現(xiàn)過電壓，過電壓的能量被電容吸收，電容的容量足夠大，可以保證此時電容電壓的數(shù)值在允許范圍之內(nèi)，從而也使交流電壓不超過規(guī)定值。過電壓消失后，電容經(jīng) R?放電使兩端電壓恢復(fù)到交流電正常時的峰值。由此可以看出，R?越大整個電路的功耗越小，但過電壓過后電容電壓 恢復(fù)到正常值的時間也越長，因此大小受到兩次過電壓時間最小間隔的限制。（3）非線性元件保護(hù)常用的非線性保護(hù)元件有壓敏電阻和硒堆，