電力電子器件及其應(yīng)用(第三章)

1、1第三章 電力電子器件及其應(yīng)用2第三章 電力電子器件及其應(yīng)用n主要內(nèi)容主要內(nèi)容可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管(GTO)絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管(IGBT)智能功率模塊功率智能功率模塊功率 (IPM)電力電子器件對軌道交通變流技術(shù)的影響電力電子器件對軌道交通變流技術(shù)的影響3第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)nGTO的特點的特點GTO逆變器的體積比晶閘管逆變器的逆變器的體積比晶閘管逆變器的體積減小體積減小40%以上，以上，重量也大為減輕重量也大為減輕。由于由于GTO逆變器逆變器不需要強迫換流電路不需要強迫換流電路，而使電路的損耗減，而使電路的損耗減少了少了64左右。這些優(yōu)點對重量、體積和效率都有嚴格

2、要左右。這些優(yōu)點對重量、體積和效率都有嚴格要求的車輛電力牽引系統(tǒng)是十分重要的。求的車輛電力牽引系統(tǒng)是十分重要的。GTO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管的等效電路中兩只晶體管的放大系數(shù)比放大系數(shù)比1大得較多，通過導(dǎo)通時兩只等效晶體管的正反大得較多，通過導(dǎo)通時兩只等效晶體管的正反饋作用，使饋作用，使SCR導(dǎo)通時的飽和較深，因此無法用門極負信導(dǎo)通時的飽和較深，因此無法用門極負信號去關(guān)斷陽極電流；號去關(guān)斷陽極電流；GTO則不同，總的放大系數(shù)僅稍大于則不同，總的放大系數(shù)僅稍大于1而近似等于而近似等于1，因而，因而處于臨界導(dǎo)通或淺飽和狀態(tài)處于臨界導(dǎo)通或淺飽和狀態(tài)。4第一節(jié)

3、可關(guān)斷晶閘管(GTO)nGTO的工作原理的工作原理GTO對門極觸發(fā)脈沖的要求和對門極觸發(fā)脈沖的要求和SCR的要求相似，但它對關(guān)斷脈沖的要求的要求相似，但它對關(guān)斷脈沖的要求很高，容易在關(guān)斷過程中損壞很高，容易在關(guān)斷過程中損壞GTO器件，因此門極控制電路比較復(fù)雜。器件，因此門極控制電路比較復(fù)雜。此外此外GTO的的飽和度較淺飽和度較淺，所以管壓，所以管壓降也比降也比SCR大，為保護管子而設(shè)置的大，為保護管子而設(shè)置的電路電路(緩沖電路緩沖電路)中的損耗也較大。由中的損耗也較大。由于二只晶體管的電流放大倍數(shù)于二只晶體管的電流放大倍數(shù) 僅稍大于僅稍大于1，且，且 比比 小得多，因小得多，因此集電極電流此集

4、電極電流 占總陽極電流的比例占總陽極電流的比例較小，只要設(shè)法抽走這部分電流，即較小，只要設(shè)法抽走這部分電流，即可使可使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5第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)n把把GTO接入電阻負載電路，在門極加上接入電阻負載電路，在門極加上正的觸發(fā)脈正的觸發(fā)脈沖沖和和足夠大的負脈沖足夠大的負脈沖時，時，GTO就能就能導(dǎo)通導(dǎo)通和和關(guān)斷關(guān)斷，GTO的符號及電路如圖的符號及電路如圖3-2(a)所示，所示，波形如圖波形如圖3-2(b)所示。所示。圖圖3-2 GTO的符號、電路與波形的符號、電路與波形(a) 符號與觸發(fā)電路符號與觸發(fā)電路

5、(b) 門極和陽極電流波形門極和陽極電流波形6第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)nGTO的關(guān)斷電路和關(guān)斷過程中的電壓、電流波形圖的關(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)斷時的波形關(guān)斷時的波形7第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)nGTOGTO的主要特性的主要特性 陽極伏安特性陽極伏安特性逆阻型逆阻型GTO的陽極伏安特性。由圖可知，它與的陽極伏安特性。由圖可知，它與SCR的伏安特性很近似，當外加電壓的伏安特性很近似，當外加電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓時，超過正向轉(zhuǎn)折電壓時，GTO即正向開通，這種現(xiàn)象與即正向開通，這種現(xiàn)象與SCR及其家族基本相同，稱為及其家族基本相同，

6、稱為電壓觸發(fā)。此時不一定會使元件損壞，但是外加電壓超過反向擊穿電壓之后，會發(fā)電壓觸發(fā)。此時不一定會使元件損壞，但是外加電壓超過反向擊穿電壓之后，會發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)象，由此損壞器件。非逆阻型生雪崩擊穿現(xiàn)象，由此損壞器件。非逆阻型GTO則不能承受反向電壓。則不能承受反向電壓。GTO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，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，GTO的耐壓會下降，如圖所示。的耐壓會下降，如圖所示。 8第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)nGTOGTO的主要特性的主要特性 通態(tài)壓降特性通態(tài)壓降特性 GTOGTO的通態(tài)壓降特性是其伏安特性的一部分

7、，如圖所示。由圖可見隨著陽的通態(tài)壓降特性是其伏安特性的一部分，如圖所示。由圖可見隨著陽極通態(tài)電流的增加，其通態(tài)壓降增加，即極通態(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。 GTOGTO的開通特性的開通特性元件從斷態(tài)到通態(tài)的過程中，電流、電壓及功耗隨時間變化的規(guī)律為元件元件從斷態(tài)到通態(tài)的過程中，電流、電壓及功耗隨時間變化的規(guī)律為元件的開通特性，一個動態(tài)過程。的開通特性，一個動態(tài)過程。GTOGTO的開通特性如圖所示。的開通特性如圖所示。開通時間由延遲時間和上升時間組成。開通時間取決于元件的特性、門極開通時間由延遲時間和上升時間組成。開通時間取決于元件的特性、門極

8、電流上升率以及門極觸發(fā)電流幅值的大小等因素。電流上升率以及門極觸發(fā)電流幅值的大小等因素。9第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)nGTOGTO的主要特性的主要特性GTO的關(guān)斷特性的關(guān)斷特性GTO關(guān)斷過程中的關(guān)斷過程中的陽極電壓陽極電壓、陽極電流陽極電流和和功耗功耗與與時間時間的關(guān)系是的關(guān)系是GTO的關(guān)斷特性的關(guān)斷特性;關(guān)斷過程中的存貯時間與下降時間兩者之和稱為關(guān)斷時間關(guān)斷過程中的存貯時間與下降時間兩者之和稱為關(guān)斷時間 ；也；也有些文獻與元件生產(chǎn)工廠定義關(guān)斷時間為有些文獻與元件生產(chǎn)工廠定義關(guān)斷時間為存貯時間存貯時間、下降時間下降時間，還有時間上長達幾十的還有時間上長達幾十的尾部時間尾部時間三者之和。三者

9、之和。 10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)可關(guān)斷峰值電流可關(guān)斷峰值電流一般可關(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；GTO的陽極電流允許值受兩方面因素的限制：一個是受熱學(xué)上的陽極電流允許值受兩方面因素的限制：一個是受熱學(xué)上的限制；另一個是受電學(xué)上的限制。的限制；另一個是受電學(xué)上的限制。 關(guān)斷時的陽極尖峰電壓關(guān)斷時的陽極尖峰電壓 尖峰電壓是感性負載電路中陽極電流在尖峰電壓是感性負載電路中陽極電流在 時間內(nèi)的時間內(nèi)的電流變化率電流變化率與與GTO緩沖保護電路的緩沖保護電路的電感電感的乘積。的乘積。 陽極電壓上升率陽極電壓上升率 靜態(tài)電壓上

10、升率靜態(tài)電壓上升率是指是指GTO還沒有導(dǎo)通時所能承受的最大斷態(tài)電還沒有導(dǎo)通時所能承受的最大斷態(tài)電壓上升率。壓上升率。動態(tài)電壓上升率動態(tài)電壓上升率是指是指GTO關(guān)斷過程中的陽極電壓上升率關(guān)斷過程中的陽極電壓上升率。陽極電流上升率陽極電流上升率 TGQMIdt/dvdt/diftPV11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GTO關(guān)斷過程的機理及其波形關(guān)斷過程的機理及其波形對大功率電力電子元件正向特性的要求是對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)電壓通態(tài)電流大，通態(tài)電壓低低，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，因此在通

11、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。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門控電路的基本要求就是從門極排出從門極排出P2基區(qū)中基區(qū)中(見圖見圖3-3(a)過剩的載流子過剩的載流子(空穴空穴)，這就是說，這就是說必須在門極加上足夠大的反向電壓，使必須在門極加上足夠大的反向電壓，使P2基區(qū)中過剩的空穴通過基區(qū)中過剩的空穴通過門極流出，與此同時電子通過門極流出，與此同時電子通過P2基區(qū)與基區(qū)與N2發(fā)射極間的發(fā)射極間的J3結(jié)從陰極結(jié)從陰極排出。隨著電子和空穴的排出，在排出。隨著電子和空穴的排出，在P2基區(qū)和基區(qū)和J3結(jié)的地方形成逐漸結(jié)的地方形成

12、逐漸向中心區(qū)擴大的耗盡層，向中心區(qū)擴大的耗盡層，如圖如圖3-10所示所示。12第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)nGTO關(guān)斷過程的機理圖關(guān)斷過程的機理圖其結(jié)果是從其結(jié)果是從N2發(fā)射極沒有電子向發(fā)射極沒有電子向P2區(qū)注入，在區(qū)注入，在P2基區(qū)及基區(qū)及N2基區(qū)中的過剩載基區(qū)中的過剩載流子一直復(fù)合到消失為止，如流子一直復(fù)合到消失為止，如J3結(jié)能維持反偏狀態(tài)，結(jié)能維持反偏狀態(tài)，GTO就被關(guān)斷。由此可就被關(guān)斷。由此可見，關(guān)斷見，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，同時其關(guān)斷功率又不能超過允許值。夠大的門極關(guān)

13、斷電荷，同時其關(guān)斷功率又不能超過允許值。圖圖3-10（a)關(guān)斷時空穴從門極抽出關(guān)斷時空穴從門極抽出 (b) 耗盡層的形成耗盡層的形成13第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)nGTO導(dǎo)通與關(guān)斷過程波形圖導(dǎo)通與關(guān)斷過程波形圖圖圖3-11（a)陽極電壓、電流波形陽極電壓、電流波形 （b) 門極電壓、電流波形門極電壓、電流波形14第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)n設(shè)計門控電路時，保證設(shè)計門控電路時，保證GTO關(guān)斷電路中的儲能電容關(guān)斷電路中的儲能電容器具有電容量的確定：器具有電容量的確定：由圖由圖3-11可見，由門極反向電流可見，由門極反向電流 所包圍的門極關(guān)斷電所包圍的門極關(guān)斷電荷量為荷量為由于關(guān)斷時間為由于

14、關(guān)斷時間為 ，且門極關(guān)斷電流的峰值約為，且門極關(guān)斷電流的峰值約為(1/51/3)的可關(guān)斷峰值電流的可關(guān)斷峰值電流 ，故有，故有所以設(shè)計門控電路時，應(yīng)保證所以設(shè)計門控電路時，應(yīng)保證GTO關(guān)斷電路中的儲能電關(guān)斷電路中的儲能電容器具有電荷量：容器具有電荷量：已知電容電壓已知電容電壓 ，即可求得關(guān)斷，即可求得關(guān)斷GTO所需的電容量所需的電容量CGQMfs0GQGQfs21IttdtiQttfsofftttGQiGQMIoffTGQMGQ61101tIQCVGQCCQCVQCVQC/GQ15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GTO門控電路的基本參數(shù)門控

15、電路的基本參數(shù)正向強觸發(fā)電流正向強觸發(fā)電流觸發(fā)電流脈沖寬度觸發(fā)電流脈沖寬度 觸發(fā)電流上升率觸發(fā)電流上升率 正向偏置電流正向偏置電流 門極反向電流幅值門極反向電流幅值 門極反向電流上升率門極反向電流上升率 門極反向電壓門極反向電壓 關(guān)斷脈沖寬度關(guān)斷脈沖寬度 16第一節(jié) 可關(guān)斷晶閘管(GTO)nGTO的門控電路的門控電路GTR的的GTO門控電路門控電路 輸入正脈沖信號使輸入正脈沖信號使T1導(dǎo)通，電導(dǎo)通，電源源E1經(jīng)經(jīng)T1、R1(C1)、R2使使GTO導(dǎo)通，同時導(dǎo)通，同時E1儲能電容儲能電容C2振蕩充電。當振蕩充電。當T2的基極加的基極加以關(guān)斷信號以關(guān)斷信號off時，時，T2導(dǎo)通，導(dǎo)通，C2經(jīng)經(jīng)L2

16、、T2、GTO門極放電，門極放電，使使GTO關(guān)斷。與門極并聯(lián)的穩(wěn)關(guān)斷。與門極并聯(lián)的穩(wěn)壓管支路用來改善關(guān)斷脈沖的壓管支路用來改善關(guān)斷脈沖的波形，關(guān)斷時導(dǎo)通的波形，關(guān)斷時導(dǎo)通的T3構(gòu)成構(gòu)成T3、D4支路，使支路，使GTO加上負加上負偏置，增進關(guān)斷可靠性。偏置，增進關(guān)斷可靠性。 圖圖3-12 用用GTR的的GTO門控電路原理圖門控電路原理圖17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用用MOSFET的的GTO門控電路門控電路18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IGBTIGBT是絕緣柵雙極晶體管是絕緣柵雙極晶體管(I

17、nsulated Gate Bipolar (Insulated Gate Bipolar Transistor)Transistor)的簡稱，它的簡稱，它綜合了綜合了GTRGTR的安全工作區(qū)寬、電流密度高、導(dǎo)通壓的安全工作區(qū)寬、電流密度高、導(dǎo)通壓降低和金屬氧化層半導(dǎo)體場效晶體管降低和金屬氧化層半導(dǎo)體場效晶體管MOSFETMOSFET（MetalOxide Semiconductor MetalOxide Semiconductor Field Effect TransistorField Effect Transistor）輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、驅(qū)動電路簡單、）輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、驅(qū)動

18、電路簡單、開關(guān)速度快、熱穩(wěn)定性好的開關(guān)速度快、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點優(yōu)點。nIGBT的工作原理的工作原理 IGBT是以是以MOSFET為驅(qū)動元件、為驅(qū)動元件、GTR為主導(dǎo)元件的達林頓電路結(jié)構(gòu)為主導(dǎo)元件的達林頓電路結(jié)構(gòu)器件。它相當于一個由場效應(yīng)管器件。它相當于一個由場效應(yīng)管MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)驅(qū)動的厚基區(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，以適應(yīng)逆變電路模塊中，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。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的開通和關(guān)斷受柵極控的開通和關(guān)斷受柵

19、極控制，制，N溝道型溝道型IGBT的柵極上加正偏置并且數(shù)值上大于開啟電壓時，的柵極上加正偏置并且數(shù)值上大于開啟電壓時，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上加上加反偏置，它內(nèi)部的反偏置，它內(nèi)部的MOSFET漏源極間不能感生導(dǎo)電溝道，漏源極間不能感生導(dǎo)電溝道，IGBT就截就截止。止。19第二節(jié)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)nIGBT的工作原理的工作原理1GBT的等效電路及圖形符號的等效電路及圖形符號 圖圖3-14 1

20、GBT3-14 1GBT的等效電路及圖形符號的等效電路及圖形符號(a)(a)簡化等效電路簡化等效電路 (b) (b) 二種圖形符號二種圖形符號 (c) (c) 實際等效電路實際等效電路 20第二節(jié)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)n靜態(tài)與動態(tài)特性靜態(tài)與動態(tài)特性伏安特性伏安特性 伏安特性即輸出特性，伏安特性即輸出特性，N-IGBT的伏安特性如圖的伏安特性如圖3-15(a)所示。所示。 截止區(qū)截止區(qū)即正向阻斷區(qū)即正向阻斷區(qū)，柵極電壓沒有達到，柵極電壓沒有達到IGBT的開啟電壓的開啟電壓VGS(th)。放大區(qū)放大區(qū)即線性區(qū)即線性區(qū)，輸出電流受柵源電壓的控制，輸出電流受柵源電壓的控制，VGS越高、越高、ID

21、越大，兩者越大，兩者有線性關(guān)系。有線性關(guān)系。飽和區(qū)飽和區(qū)，此時因，此時因VDS太小，太小，VGS失去線性控制作用。失去線性控制作用。擊穿區(qū)擊穿區(qū)，此時因，此時因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)移特性 （a)a)伏安特性示意圖伏安特性示意圖 (b) (b) 實際的伏安特性實際的伏安特性 (c) (c) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性21第二節(jié)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)n靜態(tài)與動態(tài)特性靜態(tài)與動態(tài)特性轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 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

22、VCE為恒值）與各條伏安特性相為恒值）與各條伏安特性相交，可獲得轉(zhuǎn)移特性。這是漏極電流與柵源電壓交，可獲得轉(zhuǎn)移特性。這是漏極電流與柵源電壓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。動態(tài)特性動態(tài)特性 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 和漏極電流和漏極電流 的變化情況。的變化情況。開通時間由開通延遲時間、電流上升時間和電壓下降時間三者組成，關(guān)斷時開通時間由開通延遲時間、電流上升時間和電壓下降時間三者組成，關(guān)斷時間由關(guān)斷延遲時間、電壓上升時間和電流下降時間三者組成。間由關(guān)斷延遲時間、電壓上升時間和電流下降時間三者組成

23、。 22第二節(jié)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)n擎住效應(yīng)擎住效應(yīng)概念概念 由于由于IGBT結(jié)構(gòu)上難以避免的原因，它的等效電路圖實際上如圖結(jié)構(gòu)上難以避免的原因，它的等效電路圖實際上如圖3-14(c)所示，內(nèi)部存在一只所示，內(nèi)部存在一只NPN型寄生晶體管，當漏極電流大于規(guī)定的臨界型寄生晶體管，當漏極電流大于規(guī)定的臨界值時，該寄生晶體管因有過高的正偏置被觸發(fā)導(dǎo)通，使值時，該寄生晶體管因有過高的正偏置被觸發(fā)導(dǎo)通，使PNP管也飽和管也飽和導(dǎo)通，結(jié)果導(dǎo)通，結(jié)果IGBT的柵極失去控制作用，這就是所謂擎住效應(yīng)。的柵極失去控制作用，這就是所謂擎住效應(yīng)。 危害危害 IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后漏極電流增大，造成過高的功耗，

24、最后導(dǎo)致器件損壞。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。如何防止如何防止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)； 還可用加大柵極電阻的辦法，延長還可用加大柵極電阻的辦法，延長IGBT的關(guān)斷時間。防止動態(tài)擎住效應(yīng)。的關(guān)斷時間。防止動態(tài)擎住效應(yīng)。DMI23第二節(jié)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)n擎住效應(yīng)擎住效應(yīng)正向偏置安全工作區(qū)正向偏置安全工作區(qū) IGBT開通時的正向偏置安全工作區(qū)開通時的正向偏置安全工作區(qū)FBSOA由電流、電壓和功耗三條邊界極由電流、電壓和功耗三條邊界極限包圍而成限包圍而成 最大漏極電流最大漏極電流是按避免擎住效應(yīng)而由制造時確

25、定的；是按避免擎住效應(yīng)而由制造時確定的；最高漏源電壓最高漏源電壓是由是由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；最高功耗最高功耗由最高允許結(jié)溫所規(guī)定。由最高允許結(jié)溫所規(guī)定。反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)它隨它隨IGBT關(guān)斷時的重加關(guān)斷時的重加 而改變，而改變， 數(shù)值越大，越容易引起數(shù)值越大，越容易引起IGBT的誤的誤導(dǎo)通，因此相應(yīng)的反向偏置安全工作區(qū)越狹窄。導(dǎo)通，因此相應(yīng)的反向偏置安全工作區(qū)越狹窄。 （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) dt/dVDSdt/dVDS24第二節(jié)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)nIGBT的柵極驅(qū)動電

26、路的柵極驅(qū)動電路IGBT柵控電路的要求柵控電路的要求提供適當?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷禾峁┻m當?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷?，使，使IGBT能可靠地開通和關(guān)斷；能可靠地開通和關(guān)斷；提供足夠大的瞬時功率或瞬時電流提供足夠大的瞬時功率或瞬時電流，使，使IGBT能及時迅速建立柵控電場而導(dǎo)通；能及時迅速建立柵控電場而導(dǎo)通；輸入、輸出延遲時間盡可能小輸入、輸出延遲時間盡可能小，以提高工作頻率；，以提高工作頻率；輸入、輸出電氣隔離性能高輸入、輸出電氣隔離性能高，使信號電路與柵極驅(qū)動電路絕緣；，使信號電路與柵極驅(qū)動電路絕緣；具有靈敏的過電流保護能力具有靈敏的過電流保護能力。IGBT柵控電路的一些注意事項柵控電路的一些注意事

27、項柵極負偏壓對柵極負偏壓對IGBT的關(guān)斷特性影響不大，但在驅(qū)動電動機的逆變器電路中，為了的關(guān)斷特性影響不大，但在驅(qū)動電動機的逆變器電路中，為了使使IGBT能穩(wěn)定可靠地工作，還需要負偏壓。能穩(wěn)定可靠地工作，還需要負偏壓。負偏壓通常取負偏壓通常取-5V或者稍大一些。或者稍大一些。IGBT柵控電路中的柵極電阻對它的工作性能影響頗大，取較大的，對抑制柵控電路中的柵極電阻對它的工作性能影響頗大，取較大的，對抑制IGBT的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，就會過分延長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，就會過分延長IGBT的開關(guān)時間，使它的開關(guān)損耗加大，這對高頻的應(yīng)

28、用場合是很不利的，而過小的可的開關(guān)時間，使它的開關(guān)損耗加大，這對高頻的應(yīng)用場合是很不利的，而過小的可使電流變化率太大而引起使電流變化率太大而引起IGBT的不正常或損壞的不正?；驌p壞。為了使柵極驅(qū)動電路與信號電路隔離，應(yīng)采用抗干擾能力強、信號傳輸時為了使柵極驅(qū)動電路與信號電路隔離，應(yīng)采用抗干擾能力強、信號傳輸時間短的光耦合器件。間短的光耦合器件。IGBT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擾信號的進入。，以減少柵極電感和干擾信號的進入。 25第二節(jié)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)n用光耦器件隔離信號電路與柵控電路用光耦器件隔離信號電路與柵控電路nn圖圖3-19中

29、，用光耦器件隔離信號電路與柵控電路。柵控電路由中，用光耦器件隔離信號電路與柵控電路。柵控電路由MOSFET及晶體管推挽電路構(gòu)成，具有正、負偏置。當輸入信號為高電平時，光及晶體管推挽電路構(gòu)成，具有正、負偏置。當輸入信號為高電平時，光耦導(dǎo)通，耦導(dǎo)通，MOSFET截止，截止，T1導(dǎo)通，使導(dǎo)通，使IGBT迅速開通。當輸入信號為低迅速開通。當輸入信號為低電平時，光耦導(dǎo)通截止，電平時，光耦導(dǎo)通截止，MOSFET及及T2都導(dǎo)通，都導(dǎo)通，IGBT截止。截止。圖圖3-19 IGBT的柵控電路原理圖的柵控電路原理圖26第二節(jié)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)nIGBT的柵極驅(qū)動電路的柵極驅(qū)動電路EXB系列模塊化集成電路

30、系列模塊化集成電路 集成化模塊柵控電路性能可靠，使用方便，集成化模塊柵控電路性能可靠，使用方便，是發(fā)展方向。是發(fā)展方向。EXB系列模塊內(nèi)部帶有光耦合系列模塊內(nèi)部帶有光耦合器件和過電流保護電路，它的功能如圖器件和過電流保護電路，它的功能如圖3-20所示。所示。管腳管腳1，連接用于反向偏置電源的濾波電，連接用于反向偏置電源的濾波電壓；壓；管腳管腳2，電源，電源20V；管腳管腳3，驅(qū)動輸出；，驅(qū)動輸出；管腳管腳4，用于連接外部電容，以防止過流，用于連接外部電容，以防止過流保護電路誤動作；保護電路誤動作；管腳管腳5，過流保護輸出；，過流保護輸出；管腳管腳6，集電極電壓監(jiān)測；，集電極電壓監(jiān)測；管腳管腳1

31、4，15驅(qū)動信號輸入；驅(qū)動信號輸入；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27第二節(jié)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)nIGBT的柵極驅(qū)動電路的柵極驅(qū)動電路EXB系列模塊的接口電路系列模塊的接口電路 模塊與模塊與IGBT間的外部接口電路如圖間的外部接口電路如圖3-21所示。所示。驅(qū)動信號經(jīng)過外接晶體管的放大，驅(qū)動信號經(jīng)過外接晶體管的放大，由管腳由管腳14和管腳和管腳15輸入模塊。輸入模塊。過電流保護信號由測量反映元件電過電流保護信號由測量反映元件電流大小的通態(tài)電壓流大小的通態(tài)電壓VCE得出，再經(jīng)得出，再經(jīng)過外接的光耦器件輸出，過電流時過外接

32、的光耦器件輸出，過電流時使使IGBT立即關(guān)斷。立即關(guān)斷。二只外接電容器用于吸收因電源接二只外接電容器用于吸收因電源接線所引起的供電電壓的變化。線所引起的供電電壓的變化。管腳管腳1和管腳和管腳3的引線分別接到的引線分別接到IGBT的發(fā)射極的發(fā)射極E和門極和門極G，引線要，引線要盡量短，并且應(yīng)采用絞合線，以減盡量短，并且應(yīng)采用絞合線，以減少對柵極信號的干擾。少對柵極信號的干擾。圖中圖中D為快速恢復(fù)二極管。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28第二節(jié)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)nIGBT的柵極驅(qū)動電路的柵極驅(qū)動電路HR065模塊的電路原理圖解析模塊的電路原理圖

33、解析圖圖3-22 HR065模塊的電路原理圖模塊的電路原理圖29第二節(jié)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)nIGBT的柵極驅(qū)動電路的柵極驅(qū)動電路HR065模塊的電路原理圖解析模塊的電路原理圖解析光耦光耦OCl及晶體管及晶體管T1T3等構(gòu)成驅(qū)動器的基本電路，等構(gòu)成驅(qū)動器的基本電路，其中其中T2、T3為一對互補推挽管，當為一對互補推挽管，當OCl有輸入、有輸入、T1截止、截止、T2導(dǎo)通時，導(dǎo)通時，T3截止，驅(qū)動器截止，驅(qū)動器的輸出端的輸出端3向向IGBT輸出正電壓；反之，輸出負電壓，輸出正電壓；反之，輸出負電壓，IGBT截止。截止。T4、T5、D2及及R4 R8、C1C3構(gòu)成過電流檢測、故障信號輸出及導(dǎo)通

34、保持電路。構(gòu)成過電流檢測、故障信號輸出及導(dǎo)通保持電路。當當IGBT正常導(dǎo)通時，正常導(dǎo)通時，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的飽和壓降和外接檢測二極管正的飽和壓降和外接檢測二極管正向壓降之和，電壓較低，穩(wěn)壓管向壓降之和，電壓較低，穩(wěn)壓管D2中無電流通過，中無電流通過，T5截止，故障輸出端子截止，故障輸出端子5、6之間無之間無電流輸出。電流輸出。當過電流發(fā)生時，當過電流發(fā)生時，IGBT的飽和壓降的飽和壓降VCEO隨著電流增大而升高，若壓降超過規(guī)定值隨著電流增大而升高，若壓降超過規(guī)定值(約約7V)，D2反向?qū)?，反向?qū)?，T5由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，一方面故障信號輸出端由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通

35、，一方面故障信號輸出端5、6有電流輸出。同時有電流輸出。同時T1導(dǎo)通，強行將導(dǎo)通，強行將T2、T3的基極電流減少，使的基極電流減少，使T2飽和區(qū)退回到放大區(qū)，造成輸出正向驅(qū)飽和區(qū)退回到放大區(qū)，造成輸出正向驅(qū)動電壓下降，以實現(xiàn)動電壓下降，以實現(xiàn)IGBT的的“軟關(guān)斷軟關(guān)斷”。另一方面，。另一方面，T5導(dǎo)通時導(dǎo)通時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，但導(dǎo)通，但C3又因又因 R4的泄放，僅使的泄放，僅使T4保持保持3045s的導(dǎo)通狀態(tài)，保證的導(dǎo)通狀態(tài)，保證T1在此在此延時內(nèi)可靠截止，使延時內(nèi)可靠截止，使IGBT繼續(xù)有一暫短的延時導(dǎo)通時間，不受輸入端信號的影響。若繼續(xù)有一暫短

36、的延時導(dǎo)通時間，不受輸入端信號的影響。若在此期間過電流消失，則在此期間過電流消失，則Dl截止，截止，IGBT的正向驅(qū)動電壓恢復(fù)正常。若在這段延時之后的正向驅(qū)動電壓恢復(fù)正常。若在這段延時之后過電流故障仍然存在，在輸入封鎖信號作用下，過電流故障仍然存在，在輸入封鎖信號作用下，OCl管截止，使管截止，使T1和和T2導(dǎo)通，故導(dǎo)通，故IGBT關(guān)斷。關(guān)斷。IGBT關(guān)斷時，關(guān)斷時，T6導(dǎo)通，使故障檢測電路不起作用。即導(dǎo)通，使故障檢測電路不起作用。即T6管起著邏輯電路作用，它保證管起著邏輯電路作用，它保證只有驅(qū)動器輸出正向電壓時只有驅(qū)動器輸出正向電壓時 才開放過流檢測電路，其它情況下均使其無效，這樣能可才開放

37、過流檢測電路，其它情況下均使其無效，這樣能可靠地防止過電流干擾?？康胤乐惯^電流干擾。30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IPM（Intelligent Power Module）是一種）是一種在高速、低耗在高速、低耗的的IGBT基礎(chǔ)上再集成柵極控制電路、故障檢測保護電路的模塊基礎(chǔ)上再集成柵極控制電路、故障檢測保護電路的模塊。它不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起，而且還內(nèi)藏有過電壓，它不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起，而且還內(nèi)藏有過電壓，過電流和過熱等過電流和過熱等故障檢測電路故障檢測電路，并可將檢測信號送到，并可將檢測信號送到CPU或或DSP作中作中斷處理。斷

38、處理。它由高速低工耗的管芯和優(yōu)化的門級驅(qū)動電路以及快速保護電路構(gòu)成。它由高速低工耗的管芯和優(yōu)化的門級驅(qū)動電路以及快速保護電路構(gòu)成。即使發(fā)生負載事故或使用不當，也可以使即使發(fā)生負載事故或使用不當，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)藏電流傳感器及驅(qū)動電作為功率開關(guān)元件，并內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動電路的集成結(jié)構(gòu)。路的集成結(jié)構(gòu)。小功率器件小功率器件采用一種多層環(huán)氧樹脂粘合絕緣系統(tǒng)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，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)動電路直接焊在基板上面

39、功率芯片和柵驅(qū)動電路直接焊在基板上面，不需要另外設(shè)置印刷線路，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。因而封裝費用特別低，適合講究低成本和尺寸緊湊的消費類和工業(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的散熱特性和更大的載流容量。31第三節(jié)智能功率模塊功率（IPM）n IPM 的結(jié)

40、構(gòu)的結(jié)構(gòu)IPM 模塊有四種封裝形式：模塊有四種封裝形式：單管封裝單管封裝，雙管封裝雙管封裝，六管封六管封裝裝和和七管封裝七管封裝。 32第三節(jié)智能功率模塊功率（IPM）nIPM的自保護功能的自保護功能IPM有精良的內(nèi)置保護電路以避免因系統(tǒng)相互干擾或承受過負荷而使有精良的內(nèi)置保護電路以避免因系統(tǒng)相互干擾或承受過負荷而使功率器件損壞。所設(shè)置的故障檢測和關(guān)斷序列允許最大限度地利用功功率器件損壞。所設(shè)置的故障檢測和關(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。當率器件的容量而不犧牲其可靠性。當IPM模塊中有一種保護電路動作模塊中有一種保護電路動作時。時。IGBT柵極驅(qū)動單元就會關(guān)斷并輸出一

41、個故障信號（柵極驅(qū)動單元就會關(guān)斷并輸出一個故障信號（FO）。）。33第三節(jié)智能功率模塊功率（IPM）nIPM的自保護功能的自保護功能控制電源欠壓鎖定（控制電源欠壓鎖定（UV） 內(nèi)部控制電路由一個內(nèi)部控制電路由一個15V的直流電壓供電，如果某種原因?qū)е驴刂齐姷闹绷麟妷汗╇?，如果某種原因?qū)е驴刂齐妷悍锨穳簵l件，該功率器件將會關(guān)斷壓符合欠壓條件，該功率器件將會關(guān)斷IGBT 并輸出一個故障信號。并輸出一個故障信號。 34第三節(jié)智能功率模塊功率（IPM）nIPM的自保護功能的自保護功能過熱保護（過熱保護（OT） 在靠近在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝了一個溫度傳感器，如果基板溫度超過過芯片的絕緣基板

42、上安裝了一個溫度傳感器，如果基板溫度超過過熱動作數(shù)值（熱動作數(shù)值（OT），），IPM 內(nèi)部控制電路會截止柵極驅(qū)動，不響應(yīng)控制輸入信內(nèi)部控制電路會截止柵極驅(qū)動，不響應(yīng)控制輸入信號，直到溫度恢復(fù)正常號，直到溫度恢復(fù)正常(應(yīng)避免反復(fù)動作應(yīng)避免反復(fù)動作)，從而起到保護功率器件的作用。，從而起到保護功率器件的作用。35第三節(jié)智能功率模塊功率（IPM）nIPM的自保護功能的自保護功能過流保護（過流保護（OC） 如果如果IGBT 的電流超過數(shù)值并大的電流超過數(shù)值并大于時間于時間toff(OC),IGBT 被關(guān)斷，典被關(guān)斷，典型值：型值：10S，超過，超過OC 數(shù)值但時數(shù)值但時間小于間小于toff(OC)的電

43、流并無大礙，的電流并無大礙，IPM 保護不動作。保護不動作。短路保護（短路保護（SC） 發(fā)生負載短路或上下臂直通時，發(fā)生負載短路或上下臂直通時，IPM 立即關(guān)斷立即關(guān)斷IGBT 并輸出故障并輸出故障信號。信號。 36第三節(jié)智能功率模塊功率（IPM）nIPM 的選用的選用為了選擇合適的為了選擇合適的IPM用于用于VVVF裝置，有兩個主要方面需裝置，有兩個主要方面需要權(quán)衡：要權(quán)衡：根據(jù)電動機的峰值電流根據(jù)電動機的峰值電流IC和和IPM的過電流動作值的過電流動作值OC選用適當型號選用適當型號的的IPM；采用適當?shù)臒嵩O(shè)計保證結(jié)溫峰值永遠小于最大結(jié)溫額定值采用適當?shù)臒嵩O(shè)計保證結(jié)溫峰值永遠小于最大結(jié)溫額定

44、值（150），使基板的溫度保持低于過熱動作數(shù)值。），使基板的溫度保持低于過熱動作數(shù)值。電機最大峰值電流：電機最大峰值電流： 其中其中 P電機功率的額定值；電機功率的額定值； OL變頻器最大過載因數(shù)變頻器最大過載因數(shù) R電流脈動因數(shù)；電流脈動因數(shù)； 變頻器效率；變頻器效率； PF功率因數(shù)；功率因數(shù)； VAC線電壓標定值。線電壓標定值。 ACCVPFROLPI3237第四節(jié) 電力電子器件對軌道交通變流 技術(shù)的影響n電力電子技術(shù)在軌道交通電力牽引傳動系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)在軌道交通電力牽引傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用主要分為三個方面：它們是應(yīng)用主要分為三個方面：它們是主傳動系統(tǒng)主傳動系統(tǒng)、輔助輔助傳動系統(tǒng)傳動系統(tǒng)

45、、控制和輔助系統(tǒng)中的穩(wěn)壓電源控制和輔助系統(tǒng)中的穩(wěn)壓電源，下面從，下面從這三個方面分析電力電子器件對于軌道交通變流技這三個方面分析電力電子器件對于軌道交通變流技術(shù)的影響。并且從術(shù)的影響。并且從系統(tǒng)性能系統(tǒng)性能、裝置簡約裝置簡約、試驗系統(tǒng)試驗系統(tǒng)、多器件化多器件化和和電能質(zhì)量改善電能質(zhì)量改善等五個方面闡述電力電子等五個方面闡述電力電子器件促進現(xiàn)代軌道交通變流技術(shù)的發(fā)展。器件促進現(xiàn)代軌道交通變流技術(shù)的發(fā)展。38第四節(jié) 電力電子器件對軌道交通變流 技術(shù)的影響n電力電子器件對電力牽引主傳動系統(tǒng)的影響電力電子器件對電力牽引主傳動系統(tǒng)的影響至今為止，電力電子器件在電力牽引主傳動系統(tǒng)的應(yīng)用至今為止，電力電子器

46、件在電力牽引主傳動系統(tǒng)的應(yīng)用主要經(jīng)歷了大功率硅二極管主要經(jīng)歷了大功率硅二極管(PiN-Diode)、普通可控硅、普通可控硅(PK-SCR)、快速可控硅、快速可控硅(KK-SCR)、門極可關(guān)斷晶閘管、門極可關(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)這幾個階段：這幾個階段：1900年當安裝在玻璃罩內(nèi)的貢弧整流器年當安裝在玻璃罩內(nèi)的貢弧整流器(mercury arc rectifier)誕生；誕生；1954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；1956年貝爾實驗室的年貝爾實驗室的Moll等人發(fā)明了可控硅；等人發(fā)明了可控硅；GTO

47、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；1983年開始應(yīng)用的電力牽引交流傳動系統(tǒng)；年開始應(yīng)用的電力牽引交流傳動系統(tǒng)；1990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。39第四節(jié) 電力電子器件對軌道交通變流技術(shù)的影響n電力電子器件對電力牽引主傳動系統(tǒng)的影響電力電子器件對電力牽引主傳動系統(tǒng)的影響IGCT和和GTO相比，主要有四個方面的改進：相比，主要有四個方面的改進：通過門極驅(qū)動單元和封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，將通過門極驅(qū)動單元和封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，將門極驅(qū)動門極驅(qū)動單元與封裝的單元與封裝的GCT芯片集成在一起芯片集成在一起，從而大幅度的降，從而大幅度的降低了門極與

48、陰極回路中的雜散電感；低了門極與陰極回路中的雜散電感；由于由于IGCT通過通過“N”緩沖層緩沖層+穿透陽極結(jié)構(gòu)穿透陽極結(jié)構(gòu)，將硅片的，將硅片的厚度降低了厚度降低了1/3左右，大幅度地降低了器件的通態(tài)損耗；左右，大幅度地降低了器件的通態(tài)損耗；通過設(shè)置通過設(shè)置“穿透陽極發(fā)射極穿透陽極發(fā)射極”結(jié)構(gòu)，大大提高了電子的結(jié)構(gòu)，大大提高了電子的抽出速度，又不引起空穴的注入，因而可實現(xiàn)晶體管式抽出速度，又不引起空穴的注入，因而可實現(xiàn)晶體管式的關(guān)斷；的關(guān)斷；在減薄硅片厚度的基礎(chǔ)上，在芯片中在減薄硅片厚度的基礎(chǔ)上，在芯片中集成了反向續(xù)流二集成了反向續(xù)流二極管極管，形成，形成GCT，簡化了電路結(jié)構(gòu)。，簡化了電路結(jié)構(gòu)

49、。40第四節(jié) 電力電子器件對軌道交通變流技術(shù)的影響n電力電子器件對輔助系統(tǒng)的影響電力電子器件對輔助系統(tǒng)的影響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車中，輔助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車中，輔助系統(tǒng)電源大多采用異步旋轉(zhuǎn)劈相機，把單相交流電變?yōu)槿嘟涣麟?，系統(tǒng)電源大多采用異步旋轉(zhuǎn)劈相機，把單相交流電變?yōu)槿嘟涣麟?，如韶山如韶?型電力機車的型電力機車的YPX-280M-4型劈相機。在直流供電的地鐵車輛型劈相機。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中，輔助系統(tǒng)電源大多采用直流電動同步發(fā)電機組來獲得三相交同步發(fā)電機組來獲得三相交流電。如出口伊朗地鐵列

50、車的流電。如出口伊朗地鐵列車的ZQD-14/TQF-14型輔助發(fā)電機組。型輔助發(fā)電機組。國內(nèi)最早應(yīng)用的是國內(nèi)最早應(yīng)用的是1986年開始進口的年開始進口的8K電力機車，當時采用的是電力機車，當時采用的是GTO的逆變器。的逆變器。1990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)采用IGBT作為逆變器的器件。我作為逆變器的器件。我國國1990年代中期投入運營的廣州地鐵和北京地鐵復(fù)八線車輛等輔助電年代中期投入運營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國和日本的源分別采用了德國和日本的IGBT逆變器。逆變器。1990年代中期以后，我國研制成功了年代中期以后，我國研制成功了6

51、00VDC電壓逆變的列車空調(diào)逆電壓逆變的列車空調(diào)逆變器和變器和600V到到110V的的DC/DC變換器，從而取消了發(fā)電車。變換器，從而取消了發(fā)電車。由于采用由于采用IGBT器件容量等級的不同，輔助系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)可以分為器件容量等級的不同，輔助系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)可以分為三種形式：第一種是交三種形式：第一種是交-直直-交型；第二種是直交型；第二種是直-交交-交型；第三種是直交型；第三種是直-直直-交型。交型。41第四節(jié) 電力電子器件對軌道交通變流技術(shù)的影響n電力電子器件對控制和輔助電路穩(wěn)壓電源的影響電力電子器件對控制和輔助電路穩(wěn)壓電源的影響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110

52、VDC電源獲得。在電力機車中，電源獲得。在電力機車中，早期的早期的110VDC由牽引變壓器輔助繞組通過可控硅相控整流獲得，電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。壓穩(wěn)定度不是很高。隨著電力電子器件的發(fā)展，現(xiàn)在國內(nèi)和諧號高速列車和重載貨運列車隨著電力電子器件的發(fā)展，現(xiàn)在國內(nèi)和諧號高速列車和重載貨運列車的的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。的電壓精度和電壓穩(wěn)定性。在地鐵動車組中在地鐵動車組中IGBT和和MOSFET等電力電子器件得到應(yīng)用后等電力電子器件得到應(yīng)用后110VDC

53、電源也由相互隔離的電源也由相互隔離的DC/DC開關(guān)電源獲得。開關(guān)電源獲得。110V以后的穩(wěn)壓電源需求量很大，穩(wěn)壓電源的電壓等級主要有以后的穩(wěn)壓電源需求量很大，穩(wěn)壓電源的電壓等級主要有24V，15V，5V。這些電源等級由容量更小、開關(guān)頻率更好的。這些電源等級由容量更小、開關(guān)頻率更好的MOSFET構(gòu)成構(gòu)成的開關(guān)電源獲得。的開關(guān)電源獲得。42第四節(jié) 電力電子器件對軌道交通變流技術(shù)的影響n電力電子器件促進現(xiàn)代軌道交通變流技術(shù)的發(fā)展電力電子器件促進現(xiàn)代軌道交通變流技術(shù)的發(fā)展 電力電子器件、拓撲結(jié)構(gòu)及其控制技術(shù)的發(fā)展，大大促進了現(xiàn)代電力牽電力電子器件、拓撲結(jié)構(gòu)及其控制技術(shù)的發(fā)展，大大促進了現(xiàn)代電力牽引傳動

54、技術(shù)的發(fā)展。下面從系統(tǒng)性能、裝置簡約、試驗系統(tǒng)、多器件化引傳動技術(shù)的發(fā)展。下面從系統(tǒng)性能、裝置簡約、試驗系統(tǒng)、多器件化和電能質(zhì)量改善五個方面闡述電力電子器件促進現(xiàn)代軌道交通變流技術(shù)和電能質(zhì)量改善五個方面闡述電力電子器件促進現(xiàn)代軌道交通變流技術(shù)的發(fā)展。的發(fā)展。促進電力傳動系統(tǒng)性能的優(yōu)化，促進電力傳動系統(tǒng)性能的優(yōu)化， 在電力電子技術(shù)的帶動下，電力傳動在電力電子技術(shù)的帶動下，電力傳動系統(tǒng)由直流傳動走向了現(xiàn)代交流傳動。交流傳動與直流傳動相比，主系統(tǒng)由直流傳動走向了現(xiàn)代交流傳動。交流傳動與直流傳動相比，主要有以下優(yōu)點：要有以下優(yōu)點：優(yōu)異的運行性能；優(yōu)異的運行性能；顯著的節(jié)能效果；顯著的節(jié)能效果；減少易損

55、部件，降低運營成本；減少易損部件，降低運營成本；優(yōu)良的可靠性和維修性；優(yōu)良的可靠性和維修性；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；1990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。43第四節(jié) 電力電子器件對軌道交通變流技術(shù)的影響n電力電子器件促進現(xiàn)代軌道交通變流技術(shù)的發(fā)展電力電子器件促進現(xiàn)代軌道交通變流技術(shù)的發(fā)展促進電力傳動系統(tǒng)裝置的簡約化促進電力傳動系統(tǒng)裝置的簡約化：電力電子器件容量和性能的提高，促進了主電路結(jié)構(gòu)的簡化。器電力電子器件容量和性能的提高，促進了主電路結(jié)構(gòu)的簡化。器件從件從GTO到到IGCT的改進，省去了主電路的吸收電路和外接的反并的改

56、進，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，大大簡化了主電路的結(jié)構(gòu)，同時簡化了驅(qū)動電路聯(lián)續(xù)流二極管，大大簡化了主電路的結(jié)構(gòu)，同時簡化了驅(qū)動電路單元；單元；封裝形式的改進，既降低了器件熱阻，簡化散熱系統(tǒng)，又方便工封裝形式的改進，既降低了器件熱阻，簡化散熱系統(tǒng)，又方便工程化安裝；程化安裝；IGBT絕緣基板的模塊化結(jié)構(gòu)與雙面壓接式絕緣基板的模塊化結(jié)構(gòu)與雙面壓接式GTO結(jié)構(gòu)相結(jié)構(gòu)相比，工程化安裝極為容易，散熱系統(tǒng)也很簡約。為改善熱阻，其比，工程化安裝極為容易，散熱系統(tǒng)也很簡約。為改善熱阻，其生產(chǎn)廠家改用生產(chǎn)廠家改用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。為