华东交通大学 动车组牵引技术 第6章 牵引变流器.ppt

第一节 电力电子元件,,,半控型器件（Thyristor） ——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断 全控型器件（IGBT,MOSFET) ——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件 不可控器件(Power Diode) ——不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路一、电力电子器件的分类 按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：,电流驱动型 ——通过从器件的控制端注入或者抽出电流来实现导通或者 关断的控制 电压驱动型 ——仅通过在器件的控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制按照驱动电路信号的性质，分为两类：,1-5,1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品 1958年商业化 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）,二、晶闸管(thyristor),（a）螺栓形； （b）平板形； （c）晶闸管符号；,外形有螺栓型和平板型两种封装。

螺栓形一般自然冷却，平板型可以水冷，功率较大） 有三个连接端 螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间常用晶闸管的结构,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管外形及结构,,晶闸管的结构可以看成是三端四层半导体开关器件，共有3个PN结，J1、J2和J3，如图所示当A、K两端加正电压时（A接正，K接负），J1、J3结为正偏置，中间结为反偏置晶闸管未导通时，加正压时的外加电压由反偏置的J2结承担，而加反压时的外加电压则由J1、J3结承担若把晶闸管看成由两个三极管T1（P1N1P2）和T2（N1P2N2）构成，则其等值电路可表示成两个三极管对三极管来T1说，P1N1为发射结J1，N1P2为集电结J2；对于三极管T2，P2N2为发射结J3，N1P2仍为集电结J2；因此J2（N1P2）为公共的集电结如果晶闸管接入如图（b）所示外电路，外电源EA正端经负载电阻R引至晶闸管阳极A，电源的负端接晶闸管阴极K，一个正值触发控制电压EG经电阻Rs后接至晶闸管的门极G，如果T1（P1N1P2）的集电极电流分配系数为α1，T2（N1P2N2）的集电极电流分配系数为α2，,注：此处电流分配系数α是指集电极电流与发射极电流的比值。

此值在管子处于放大区时基本固定，不在放大区则会变化）,2 晶闸管的基本特性,承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 晶闸管正常工作时的特性总结如下：,电力MOSFET的种类 按导电沟道可分为P沟道和N沟道 耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道 增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道 电力MOSFET主要是N沟道增强型三、电力MOSFET的结构和工作原理,,G：栅极 D：漏极 S：源极,电力MOSFET的结构,是单极型晶体管 导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别 采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号,截止：漏源极间加正电源（D高S低），栅源极间电压为零 P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过电力MOSFET的工作原理（N沟道增强型VDMOS）,导电：在栅源极间加正电压UGS 栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。

但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子——电子吸引到栅极下面的P区表面当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 电力MOSFET是电压驱动型器件 为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小 使MOSFET开通的驱动电压一般10~15V，使IGBT开通的驱动电压一般15 ~ 20V 关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5 ~ -15V）有利于减小关断时间和关断损耗 在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡电力MOSFET的驱动电路:,,电力MOSFET特点： 1、开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100KHZ，是主要电力电子器件中最高的 2、场控器件，静态时几乎不需要输入电流，只是开关过程中需要一定的功率，开关频率越高，驱动功率越大四、 绝缘栅双极晶体管,绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor——IGBT或IGT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点 1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。

继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位GTR（巨型晶体管，工作原理与三极管类似）的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂 MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单1) IGBT的结构和工作原理 三端器件：栅极G、集电极C和发射极E,图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号,N沟道IGBT IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管 RN为晶体管基区内的调制电阻图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号,驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定 导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。

通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小 关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断IGBT的原理,第二节 整流电路,整流电路的分类： 按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种整流电路是出现最早的电力电子电路，其作用是将交流电变为直流电一、桥式不控整流电路,首先，引入两个重要的基本概念： 触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用a表示,也称触发角或控制角 导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用θ表示 基本数量关系,二、单相半控桥带阻感负载的情况,1) 带电阻负载的工作情况,a),三、单相桥式全控整流电路,（2-9）,,a 角的移相范围为1802、带阻感负载的工作情况,u,假设电路已工作于稳态，id的平均值不变 假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线 VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流数量关系,（2-15）,晶闸管移相范围为90晶闸管导通角，均为180变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。

控制段数越多，在相同的输出电压比的情况下，功率因数越高 段数多的负面影响是主电路复杂，元件数量越多，控制越复杂 采用四段半控桥已具有比较好的功率因数，多于四段控制的经济意义不大四、多段桥顺序控制 目的：改善机车的功率因数，降低谐波干扰1、二段半控桥式整流电路（6G）,第一调节区：ＲＭ２闭锁（α2=180º），ＲＭ１的T1、T2被触发逐渐开放，ＲＭ２的D3和Ｄ４续流，Ud由0～450V调节；,,,,第二调节区：ＲＭ1满开放（ α1=0º ）， ＲＭ２逐渐开放， Ud由450～900V调节；,,第二阶段：,2、三段不等分桥式整流电路 工作原理:,3、四段经济桥式整流电路 第一阶段：控制T1T2 第二阶段：满开放T1T2,控制T3T4 第三阶段：满开放T5T6,控制T1T2 第四阶段：满开放T1T2、T5T6，控制T3T4两电平四象限整流器-除了CRH2、CRH380的交流传动机车都采用此结构,五、两电平四象限脉冲整流器,为了抑制电力电子装置产生的谐波，其中一种方法就是对整流器本身进行改进，使其尽量不产生谐波，且电流与电压同相位，一般均采用PWM整流技术对电压型整流器，将整流器通过电抗器与电源相连，对整流器各开关器件施加适当的PWM控制，就可对整流器网侧交流电流的大小和相位进行控制，不仅可以实现交流电流接近于正弦波，而且可使交流电流的相位于电源电压同相，使系统总功率因数接近1.,1、单相PWM整流电路理论基础,UN表示电网电压，为正弦交流电。

US为负载电压 LS为变压器电抗 IS为网侧电流，只要波形为正弦且与电压同步，则功率因数可达1.,由上式可知，调节US的大小，就可调节IS的大小和相位，使其与UN保持一致PWM整流器的原理就是采用PWM控制整流元器件的导通和关断，从而调节US的大小和相位，是IS与UN尽量同步且为正弦波，以达到提高功率因数的目的PWM (Pulse Width Modulated)即脉冲宽度调制，PWM控制技术的理论依据是冲量等效原理(大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同)2、PWM脉冲宽度调制技术,一个正弦半波波形分成N个彼此相连的脉冲所组成的波形这些波形宽度相等，都等于 ； 但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，矩形脉冲和相应正弦部分面积(冲量)相等，而各脉冲的宽度是按正弦规律变化，就得到PWM该PWM波形和正弦半波是等效的正弦脉宽调制技术（SPWM）即以期望得到的正弦波为调制波，以等腰三角波为载波，当正弦波与三角波相交时，用交点控制变流器开关的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于正弦曲线函数值的矩形波。

根据输出电压波的极性不同，又可分为单极性波和双极性波① 单极性正弦脉宽调制,单极性SPWM是指逆变器输出相电压在任何半周内始终为一个极性. 他的控制信号是由两个半周中不对称的等腰三角形载波与正弦调制波相交得出，当正选波的瞬时绝对值超过三角波时，变流器的开关器件导通，反之关断，从而获得一系列脉冲正弦调制波的频率即为输出电压频率单极性SPWM波形（脉冲数i=6） （a) 输出电压波（b)两种控制电压波的相交,,调节正弦调制波或三角载波的幅值均可调节输出电压脉冲的宽度，从而调节输出电压的幅值通常是采用调节正弦调制波幅值的方法如果想增大输出电压，则调制波幅值应增大还是减少？（增大））,正弦调制波幅值不应超过三角载波幅值，若过分接近，则在正弦波峰值附近脉冲间隙时间太短，会导致开关速度较慢的器件（晶闸管）来不及关断，使输出脉冲相连这在双极性SPWM 中会造成贯穿短路56,② 双极性正弦脉宽调制,双极性SPWM是逆变器输出半个周期内，同一桥臂的上两个元件作互补式通、断工作的控制方式调制波瞬时值大于载波值，一元件导通，调制波瞬时值小于载波值则同一桥臂上的另一元件导通） 在逆变器输出相电压在任何半周内，都有 正、负极性交替出现，由 此取其基波，可得交变的正弦 波电压。

同样控制调制波的幅值和频率就可调节输。