第二章電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件

1、第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件半控型器件（半控型器件（Thyristor） 通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。l全控型器件（全控型器件（IGBT,MOSFET) ) 通過控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。l不可控器件不可控器件( (Power Diode) ) 不能用控制信號(hào)來控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。一、電力電子器件的分類一、電力電子器件的分類 按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件l電流驅(qū)動(dòng)型電流驅(qū)動(dòng)型 通過從器件的控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者 關(guān)斷

2、的控制。l電壓驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型l 僅通過在器件的控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管。1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化。開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代。20世紀(jì)80年代以來，開始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場(chǎng)合具有重要地位。 晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled Rectif

3、ierSCR）1、 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理二、晶閘管二、晶閘管第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件（a）螺栓形；）螺栓形； （b）平板形；）平板形； （c）晶閘管符號(hào)；）晶閘管符號(hào)； （d）晶閘管的型號(hào)及意義）晶閘管的型號(hào)及意義外形有螺栓型和平板型兩種封裝。有三個(gè)連接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件v晶閘管的結(jié)構(gòu)可以看成是三端四層半導(dǎo)體開關(guān)器件，共有3個(gè)PN結(jié)

4、，J1、J2和J3，如圖所示。 第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件v若把晶閘管看成由兩個(gè)三極管T1（P1N1P2）和T2（N1P2N2）構(gòu)成，則其等值電路可表示成兩個(gè)三極管。對(duì)三極管來T1說，P1N1為發(fā)射結(jié)J1，N1P2為集電結(jié)J2；對(duì)于三極管T2，P2N2為發(fā)射結(jié)J3，N1P2仍為集電結(jié)J2；因此J2（N1P2）為公共的集電結(jié)。 第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件v當(dāng)當(dāng)A、K兩端加正電壓時(shí)兩端加正電壓時(shí)（A接正，接正，K接負(fù)），接負(fù)），J1、J3結(jié)為正偏置，中間結(jié)結(jié)為正偏置，中間結(jié)為反偏置。晶閘管未導(dǎo)為反偏置。晶閘管未導(dǎo)通時(shí)，加正壓時(shí)的外加通時(shí)，加正壓時(shí)的外加電壓由反偏置的電壓

5、由反偏置的J2結(jié)承結(jié)承擔(dān)，而加反壓時(shí)的外加擔(dān)，而加反壓時(shí)的外加電壓則由電壓則由J1、J3結(jié)承擔(dān)。結(jié)承擔(dān)。第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件如果晶閘管接入如圖（如果晶閘管接入如圖（b）所）所示外電路，外電源示外電路，外電源EA正端經(jīng)正端經(jīng)負(fù)載電阻負(fù)載電阻R引至晶閘管陽極引至晶閘管陽極A，電源的負(fù)端接晶閘管陰極電源的負(fù)端接晶閘管陰極K，一個(gè)正值觸發(fā)控制電壓一個(gè)正值觸發(fā)控制電壓EG經(jīng)經(jīng)電阻電阻Rs后接至晶閘管的門極后接至晶閘管的門極G，如果，如果T1（P1N1P2）的集）的集電極電流分配系數(shù)為電極電流分配系數(shù)為1，T2（N1P2N2）的集電極電流）的集電極電流分配系數(shù)為分配系數(shù)為2， 注：此處

6、電流分配系數(shù)是指集電極電流與發(fā)射極電流的比值。第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由以上式可得 ：可得：可得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（1-5）第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件 阻斷狀態(tài)阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。開通狀態(tài)開通狀態(tài)：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1，流過晶閘管的電流IA

7、，IAIK；則由外電路電源電壓US和負(fù)載電阻R限定，即IAIK EA/R。實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通晶閘管的等效電阻變得很小，其通態(tài)壓降僅為12 V 。 在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后， 會(huì)迅速增大（形成強(qiáng)烈正反饋所致）。第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件v一旦晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)后，因IA 、 IK已經(jīng)很大，即使撤除門極電流IG ，由于1+21，由式可知IAIK仍然會(huì)很大，晶閘管仍繼續(xù)處于通態(tài)，并保持由外部電路所決定的陽極電流IAIK =EA/R。第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電承受反向電壓時(shí)，不

8、論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。情況下晶閘管才能開通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下到接近于零的某一數(shù)值以下 。晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件v（晶閘管陽極與陰極間的電壓和陽極電流的關(guān)系，稱為晶閘管的伏安特性。晶閘管的伏安特性位于第一象限的是正向伏安特性，位于第三

9、象限的是反向伏安特性 1 1） 伏安特性伏安特性圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG0A-正向阻斷狀態(tài)；正向阻斷狀態(tài)； A轉(zhuǎn)折點(diǎn)；轉(zhuǎn)折點(diǎn)；Ub0轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)折電壓；電壓；UDRM斷態(tài)重復(fù)值電壓；斷態(tài)重復(fù)值電壓；UDSM斷斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓；態(tài)不重復(fù)峰值電壓； H關(guān)斷點(diǎn)；關(guān)斷點(diǎn)；IH維持電維持電流；流；OP反向阻斷狀態(tài)；反向阻斷狀態(tài)；P擊穿點(diǎn)，擊穿點(diǎn)，UR0擊穿電壓；擊穿電壓； URSM反向不重復(fù)峰值電壓；反向不重復(fù)峰值電壓；URRM反向重復(fù)值電壓；反向重復(fù)值電壓；第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件v（1）正向特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向

10、電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，在2V左右。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1 1） 靜態(tài)特性靜態(tài)特性圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1 1） 靜態(tài)特性靜態(tài)特性圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正

11、向阻斷狀態(tài)。 IH稱為維持電流。第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過。當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性反向特性第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件晶閘管的型號(hào)晶閘管的型號(hào)v -普通, 快速型，雙向型，逆導(dǎo)型，可關(guān)斷，LTT 光控v KP電流電壓/100 通態(tài)壓降組別 v KP500-12Gv0.9V=UT(AV)1之后，兩個(gè)之后，兩個(gè)晶體管

12、均飽和導(dǎo)通，晶體管均飽和導(dǎo)通，GTO則完成了導(dǎo)通過程。則完成了導(dǎo)通過程?？梢姡梢?，GTO開通的必要條件是開通的必要條件是121第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件v忽略漏流，此時(shí)注入門極的電流 12GA21()II式中：IAGTO的陽極電流； IGGTO的門極電流。)(121CBO2CBO1G2AIIII（1-5）與前所述晶閘管的陽極電流公式相同第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件v當(dāng)GTO門極注入正的電流IG但尚不滿足開通條件時(shí)，雖有正反饋?zhàn)饔?，但器件仍不?huì)飽和導(dǎo)通。這是因?yàn)殚T極電流不夠大，不滿足1+11的條件，這時(shí)陽極電流只流過一個(gè)不大而且是確定的電流值。當(dāng)門極電流IG撤銷后，該

13、陽極電流也就消失。與1+1=1狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的陽極電流為臨界導(dǎo)通電流，定義為GTO的擎住電流。當(dāng)GTO在門極正觸發(fā)信號(hào)的作用下開通時(shí)，只有陽極電流大于擎住電流后，GTO才能維持大面積導(dǎo)通。第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件關(guān)斷原理關(guān)斷原理GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別區(qū)別：v設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控 制靈敏，易于GTO關(guān)斷。v導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。 v多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。 第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因:圖1-7 晶閘管的工作原理

14、關(guān)斷GTO時(shí)，將開關(guān)S閉合，門極就施以負(fù)偏置電壓EG。晶體管P1N1P2的集電極電流IC1被抽出形成門極負(fù)電流IG，此時(shí)晶體管N2P2N1的基極電流減小，進(jìn)而引起IC1的進(jìn)一步下降，如此循環(huán)不已，最終導(dǎo)致GTO的陽極電流消失而關(guān)斷。 第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件v陽極電流開始下降，于是1和2也不斷減小，當(dāng)1+21時(shí)，器件內(nèi)部正反饋?zhàn)饔猛Ｖ梗Q此點(diǎn)為臨界關(guān)斷點(diǎn)。GTO的關(guān)斷條件為 121第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件v關(guān)斷時(shí)需要抽出的最大門極負(fù)電流IGM為12GMATO2() 1II式中：IATO被關(guān)斷的最大陽極電流； IGM抽出的最大門極電流。第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用

15、電力電子器件v由式得出的兩個(gè)電流的比表示GTO的關(guān)斷能力，成為電流關(guān)斷增益，用off表示如下：ATOoffGMIIoff是一個(gè)重要的特征參數(shù)，其值一般為38。第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強(qiáng) 。 由上述分析我們可以得到以下結(jié)論結(jié)論：第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件v2、GTO的特性：v（1）陽極伏安特性v當(dāng)外加電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓UDRM時(shí)，GTO即正向?qū)ǎ@種現(xiàn)象稱做電壓觸發(fā)。此時(shí)不一定破壞器件的性能；但

16、是若外加電壓超過反向擊穿電壓URRM之后，則發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)象，極易損壞器件。用90%的UDRM和URRM定義為正向額定電壓和反向額定電壓第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件vGTO的陽極耐壓與結(jié)溫和門極狀態(tài)有著密切關(guān)系，隨著結(jié)溫升高，GTO的耐壓降低，當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)可不加觸發(fā)信號(hào)，GTO即可自行開通。為了減小溫度對(duì)阻斷電壓的影響，可在其門極與陰極之間并聯(lián)一個(gè)電阻，即相當(dāng)于增設(shè)了一短路發(fā)射極。第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件vGTO的陽極耐壓還與門極狀態(tài)有關(guān)，門極電路中的任何毛刺電流都會(huì)使陽極耐壓降低，開通后又會(huì)使GTO擎住電流和管壓降增大。第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器

17、件第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件四、四、 電力晶體管電力晶體管電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管） 。是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時(shí)候也稱為Power BJT，與GTR名稱等效。 應(yīng)用應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林

18、頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-15 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng) a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào) c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng)第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為v（1-9） GTR的電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)，反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力 。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為 ic= ib +Iceo （1-10）單管GTR的 值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓

19、接法可有效增大電流增益。bcii空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)截止區(qū)、放大區(qū)放大區(qū)和飽和區(qū)飽和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)。在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時(shí)，要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce圖1-16 共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性2）GTR的基本特性的基本特性第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件電力電力MOSFET的種類的種類 按導(dǎo)電溝道可分為P溝道

20、溝道和N溝道溝道。 耗盡型耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。 增強(qiáng)型增強(qiáng)型對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道。 電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型。1）電力）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計(jì)。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖1-19 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電

21、力電子器件截止截止：漏源極間加正電源（D高S低），柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。電力電力MOSFET的工作原理（的工作原理（N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型VDMOS）第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件導(dǎo)電：導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過。但柵極的正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。當(dāng)UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成N型而成

22、為反型層反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電 。第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件電力電力MOSFET是電壓驅(qū)動(dòng)型器件。是電壓驅(qū)動(dòng)型器件。為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路輸出電阻小。為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路輸出電阻小。使使MOSFET開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般1015V，使，使IGBT開開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般通的驅(qū)動(dòng)電壓一般15 20V。關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓（一般取關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓（一般取-5 -15V）有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩。在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩。電力電力MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電路:第二章 電力牽引控制系統(tǒng)常用電力電子器件1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。1986年投入市場(chǎng)，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。 GTR和GTO的特點(diǎn)雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需