电力电子器件及其应用第三章ppt课件.ppt

第三章 电力电子器件及其应用王俭朴车辆工程系城市轨道车辆教研室1:第三章 电力电子器件及其应用n主要内容主要内容n可关断晶闸管可关断晶闸管(GTO)n绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管(IGBT)n智能功率模块功率智能功率模块功率 (IPM)n电力电子器件对轨道交通变流技术的影响电力电子器件对轨道交通变流技术的影响2第一节 可关断晶闸管(GTO)nGTO的特点的特点nGTO逆变器的体积比晶闸管逆变器的体积减小逆变器的体积比晶闸管逆变器的体积减小40%以以上，重量也大为减轻上，重量也大为减轻n由于由于GTO逆变器不需要强迫换流电路，而使电路的损逆变器不需要强迫换流电路，而使电路的损耗减少了耗减少了64％左右这些优点对重量、体积和效率都％左右这些优点对重量、体积和效率都有严格要求的车辆电力牵引系统是十分重要的有严格要求的车辆电力牵引系统是十分重要的nGTO与与SCR的重要区别是：的重要区别是：SCR等效电路中两只晶体等效电路中两只晶体管的放大系数比管的放大系数比1大得较多，通过导通时两只等效晶体大得较多，通过导通时两只等效晶体管的正反馈作用，使管的正反馈作用，使SCR导通时的饱和较深，因此无导通时的饱和较深，因此无法用门极负信号去关断阳极电流；法用门极负信号去关断阳极电流；GTO则不同，总的则不同，总的放大系数仅稍大于放大系数仅稍大于1而近似等于而近似等于1，因而处于临界导通，因而处于临界导通或浅饱和状态。

或浅饱和状态3第一节 可关断晶闸管(GTO)nGTO的工作原理的工作原理nGTO对门极触发脉冲的要求和对门极触发脉冲的要求和SCR的要求相似，但它对关断的要求相似，但它对关断脉冲的要求很高，容易在关断脉冲的要求很高，容易在关断过程中损坏过程中损坏GTO器件，因此门器件，因此门极控制电路比较复杂极控制电路比较复杂n此外此外GTO的饱和度较浅，所以的饱和度较浅，所以管压降也比管压降也比SCR大，为保护管大，为保护管子而设置的电路子而设置的电路(缓冲电路缓冲电路)中中的损耗也较大由于二只晶体的损耗也较大由于二只晶体管的电流放大倍数管的电流放大倍数 仅稍仅稍大于大于1，且，且 比比 小得多，小得多，因此集电极电流因此集电极电流 占总阳极电占总阳极电流的比例较小，只要设法抽走流的比例较小，只要设法抽走这部分电流，即可使这部分电流，即可使GTO关断 图图3-1 晶闸管和晶闸管和GTO的工作原理的工作原理4第一节 可关断晶闸管(GTO)n把把GTO接入电阻负载电路，在门极加上正的触发脉冲接入电阻负载电路，在门极加上正的触发脉冲和足够大的负脉冲时，和足够大的负脉冲时，GTO就能导通和关断，就能导通和关断，GTO的符号及电路如图的符号及电路如图3-2(a)所示，波形如图所示，波形如图3-2(b)所示。

所示图图3-2 GTO的符号、电路与波形的符号、电路与波形(a) 符号与触发电路符号与触发电路 (b) 门极和阳极电流波形门极和阳极电流波形5第一节 可关断晶闸管(GTO)nGTO的关断电路和关断过程中的电压、电流波形图的关断电路和关断过程中的电压、电流波形图(a) GTO的关断电路的关断电路 (b) 关断时的波形关断时的波形6第一节 可关断晶闸管(GTO)nGTOGTO的主要特性的主要特性 n 阳极伏安特性阳极伏安特性n逆阻型逆阻型GTOGTO的阳极伏安特性由图可知，它与的阳极伏安特性由图可知，它与SCRSCR的的伏安特性很近似，当外加电压超过正向转折电压时，伏安特性很近似，当外加电压超过正向转折电压时，GTOGTO即正向开通，这种现象与即正向开通，这种现象与SCRSCR及其家族基本相同，及其家族基本相同，称为电压触发此时不一定会使元件损坏，但是外称为电压触发此时不一定会使元件损坏，但是外加电压超过反向击穿电压之后，会发生雪崩击穿现加电压超过反向击穿电压之后，会发生雪崩击穿现象，由此损坏器件非逆阻型象，由此损坏器件非逆阻型GTOGTO则不能承受反向则不能承受反向电压。

电压nGTOGTO的耐压性能受多种因素的影响，其中结温的影的耐压性能受多种因素的影响，其中结温的影响较大随着结温的升高，响较大随着结温的升高，GTOGTO的耐压会下降，如的耐压会下降，如下图 7第一节 可关断晶闸管(GTO)nGTOGTO的主要特性的主要特性 n通态压降特性通态压降特性n GTO GTO的通态压降特性是其伏安特性的一部分，如下图的通态压降特性是其伏安特性的一部分，如下图由图可见随着阳极通态电流的增加，其通态压降增加，即由图可见随着阳极通态电流的增加，其通态压降增加，即GTOGTO的通态损耗也增加的通态损耗也增加 nGTOGTO的开通特性的开通特性n元件从断态到通态的过程中，电流、电压及功耗随时间变化元件从断态到通态的过程中，电流、电压及功耗随时间变化的规律为元件的开通特性，一个动态过程的规律为元件的开通特性，一个动态过程GTOGTO的开通特性如的开通特性如图所示n开通时间由延迟时间和上升时间组成开通时间取决于元件开通时间由延迟时间和上升时间组成开通时间取决于元件的特性、门极电流上升率以及门极触发电流幅值的大小等因的特性、门极电流上升率以及门极触发电流幅值的大小等因素。

素8第一节 可关断晶闸管(GTO)nGTOGTO的主要特性的主要特性nGTOGTO的关断特性的关断特性nGTOGTO关断过程中的阳极电压、阳极电流和功耗与时关断过程中的阳极电压、阳极电流和功耗与时间的关系是间的关系是GTOGTO的关断特性的关断特性; ;n关断过程中的存贮时间与下降时间两者之和称为关关断过程中的存贮时间与下降时间两者之和称为关断时间断时间 ；也有些文献与元件生产工厂定义关断时；也有些文献与元件生产工厂定义关断时间为存贮时间、下降时间，还有时间上长达几十的间为存贮时间、下降时间，还有时间上长达几十的尾部时间三者之和尾部时间三者之和 9第一节 可关断晶闸管(GTO)n GTO的主要参数的主要参数n可关断峰值电流可关断峰值电流n一般可关断峰值电流是有效值电流的一般可关断峰值电流是有效值电流的2～～3倍；倍；nGTO的阳极电流允许值受两方面因素的限制：的阳极电流允许值受两方面因素的限制：一个是受热学上的限制；另一个是受电学上一个是受热学上的限制；另一个是受电学上的限制 n关断时的阳极尖峰电压关断时的阳极尖峰电压n 尖峰电压是感性负载电路中阳极电流在尖峰电压是感性负载电路中阳极电流在 时间内的电流变化率与时间内的电流变化率与GTO缓冲保护电路的缓冲保护电路的电感的乘积。

电感的乘积 n阳极电压上升率阳极电压上升率 n静态电压上升率是指静态电压上升率是指GTO还没有导通时所能还没有导通时所能承受的最大断态电压上升率承受的最大断态电压上升率n动态电压上升率是指动态电压上升率是指GTO关断过程中的阳极关断过程中的阳极电压上升率电压上升率n阳极电流上升率阳极电流上升率 10第一节 可关断晶闸管(GTO)n可关断晶闸管可关断晶闸管(GTO)的门控电路的门控电路nGTO关断过程的机理及其波形关断过程的机理及其波形n对大功率电力电子元件正向特性的要求是通态电流对大功率电力电子元件正向特性的要求是通态电流大，通态电压低，因此在通态下就必须使元件具有大，通态电压低，因此在通态下就必须使元件具有足够多的载流子存贮量，这就给元件的关断带来了足够多的载流子存贮量，这就给元件的关断带来了特殊困难特殊困难GTO门控电路的基本要求就是从门极排门控电路的基本要求就是从门极排出出P2基区中基区中(见图见图3-3(a))过剩的载流子过剩的载流子(空穴空穴)，这就，这就是说必须在门极加上足够大的反向电压，使是说必须在门极加上足够大的反向电压，使P2基区基区中过剩的空穴通过门极流出，与此同时电子通过中过剩的空穴通过门极流出，与此同时电子通过P2基区与基区与N2发射极间的发射极间的J3结从阴极排出。

随着电子和结从阴极排出随着电子和空穴的排出，在空穴的排出，在P2基区和基区和J3结的地方形成逐渐向中结的地方形成逐渐向中心区扩大的耗尽层，如图心区扩大的耗尽层，如图3-10所示11第一节 可关断晶闸管(GTO)nGTO关断过程的机理图关断过程的机理图n其结果是从其结果是从N2发射极没有电子向发射极没有电子向P2区注入，在区注入，在P2基区基区及及N2基区中的过剩载流子一直复合到消失为止，如基区中的过剩载流子一直复合到消失为止，如J3结能维持反偏状态，结能维持反偏状态，GTO就被关断由此可见，关断就被关断由此可见，关断GTO的前提是门控电路要有足够大的关断电流，以便的前提是门控电路要有足够大的关断电流，以便从门极排出足够大的门极关断电荷，同时其关断功率从门极排出足够大的门极关断电荷，同时其关断功率又不能超过允许值又不能超过允许值图图3-10〔〔a)关断时空穴从门极抽出关断时空穴从门极抽出 (b) 耗尽层的形成耗尽层的形成12第一节 可关断晶闸管(GTO)nGTO导通与关断过程波形图导通与关断过程波形图图图3-11〔〔a)阳极电压、电流波形阳极电压、电流波形 （（b) 门极电压、电流波形门极电压、电流波形13第一节 可关断晶闸管(GTO)n设计门控电路时，保证设计门控电路时，保证GTO关断电路中的储能电容关断电路中的储能电容器具有电容量的确定：器具有电容量的确定：n由图由图3-11可见，由门极反向电流可见，由门极反向电流 所包围的门极所包围的门极关断电荷量为关断电荷量为n由于关断时间为由于关断时间为 ，且门极关断电流的，且门极关断电流的峰值约为峰值约为(1/5~1/3)的可关断峰值电流的可关断峰值电流 ，故有，故有n所以设计门控电路时，应保证所以设计门控电路时，应保证GTO关断电路中的关断电路中的储能电容器具有电荷量：储能电容器具有电荷量：n已知电容电压已知电容电压 ，即可求得关断，即可求得关断GTO所需的电容量所需的电容量C14第一节 可关断晶闸管(GTO)n可关断晶闸管可关断晶闸管(GTO)的门控电路的门控电路nGTO门控电路的基本参数门控电路的基本参数n正向强触发电流正向强触发电流n触发电流脉冲宽度触发电流脉冲宽度 n触发电流上升率触发电流上升率 n正向偏置电流正向偏置电流 n门极反向电流幅值门极反向电流幅值 n门极反向电流上升率门极反向电流上升率 n门极反向电压门极反向电压 n关断脉冲宽度关断脉冲宽度 n 15第一节 可关断晶闸管(GTO)nGTO的门控电路的门控电路nGTR的的GTO门控电路门控电路n 输入正脉冲信号使输入正脉冲信号使T1导通，电源导通，电源E1经经T1、、R1(C1)、、R2使使GTO导通，导通，同时同时E1储能电容储能电容C2振荡振荡充电。

当充电当T2的基极加以关的基极加以关断信号断信号off时，时，T2导通，导通，C2经经L2、、T2、、GTO门极门极放电，使放电，使GTO关断与门关断与门极并联的稳压管支路用来极并联的稳压管支路用来改善关断脉冲的波形，关改善关断脉冲的波形，关断时导通的断时导通的T3构成构成T3、、D4支路，使支路，使GTO加上负加上负偏置，增进关断可靠性偏置，增进关断可靠性n 图图3-12 用用GTR的的GTO门控电路原理图门控电路原理图16第一节 可关断晶闸管(GTO)n可关断晶闸管可关断晶闸管(GTO)的门控电路的门控电路n用用MOSFET的的GTO门控电路门控电路17第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT) 复合型电力电子器件复合型电力电子器件IGBT是绝缘栅双极晶体管是绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)的简称，它综合的简称，它综合了了GTR的安全工作区宽、电流密度高、导通压降低的安全工作区宽、电流密度高、导通压降低和金属氧化层半导体场效晶体管和金属氧化层半导体场效晶体管MOSFET〔〔MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor〕〕输入阻抗高、驱动功率小、驱动电路简单、开关速度输入阻抗高、驱动功率小、驱动电路简单、开关速度快、热稳定性好的优点。

快、热稳定性好的优点IGBT的工作原理的工作原理 IGBT是以是以MOSFET为驱动元件、为驱动元件、GTR为主导元件的达为主导元件的达林顿电路结构器件它相当于一个由场效应管林顿电路结构器件它相当于一个由场效应管MOSFET驱动的厚基区驱动的厚基区GTR一般的一般的IGBT模块中，还封装了反并联的快速二极管，模块中，还封装了反并联的快速二极管，以适应逆变电路的需要，因此没有反向阻断能力以适应逆变电路的需要，因此没有反向阻断能力 IGBT的控制原理与的控制原理与MOSFET基本相同，基本相同，IGBT的开通的开通和关断受栅极控制，和关断受栅极控制，N沟道型沟道型IGBT的栅极上加正偏的栅极上加正偏置并且数值上大于开启电压时，置并且数值上大于开启电压时，IGBT内的内的MOSFET的漏极与源极之间因此感应产生一条的漏极与源极之间因此感应产生一条N型导电沟道，型导电沟道，使使MOSFET开通，从而使开通，从而使IGBT导通反之，如在导通反之，如在N沟道型沟道型IGBT上加反偏置，它内部的上加反偏置，它内部的MOSFET漏源极漏源极间不能感生导电沟道，间不能感生导电沟道，IGBT就截止18第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT)nIGBT的工作原理的工作原理n1GBT的等效电路及图形符号的等效电路及图形符号n n n 图3-14 1GBT的等效电路及图形符号(a)简化等效电路 (b) 二种图形符号 (c) 实际等效电路 19第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT)n静态与动态特性静态与动态特性n伏安特性伏安特性 n伏安特性即输出特性，伏安特性即输出特性，N-IGBT的伏安特性如图的伏安特性如图3-15(a)所示。

所示 n截止区即正向阻断区截止区即正向阻断区Ⅰ，栅极电压没有达到，栅极电压没有达到IGBT的开启电压的开启电压VGS(th)n放大区即线性区放大区即线性区Ⅱ，输出电流受栅源电压的控，输出电流受栅源电压的控制，制，VGS越高、越高、ID越大，两者有线性关系越大，两者有线性关系n饱和区饱和区Ⅲ，此时因，此时因VDS太小，太小，VGS失去线性控失去线性控制作用n击穿区击穿区Ⅳ，此时因，此时因VDS太大，超过击穿电压太大，超过击穿电压BVDS而不能工作而不能工作 图图3-15 1GBT3-15 1GBT的伏安特性和转移特性的伏安特性和转移特性 （（a)a)伏安特性示意图伏安特性示意图 (b) (b) 实际的伏安特性实际的伏安特性 (c) (c) 转移特性转移特性20第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT)n静态与动态特性静态与动态特性n转移特性转移特性n 如在图如在图3-15(b)横轴上作一条垂直线〔即保持横轴上作一条垂直线〔即保持VCE为恒值〕为恒值〕与各条伏安特性相交，可获得转移特性。

这是漏极电流与栅与各条伏安特性相交，可获得转移特性这是漏极电流与栅源电压源电压VGE之间的关系曲线，如图之间的关系曲线，如图3-15(c)所示n动态特性动态特性n IGBT在开通和关断过程中，漏源电压在开通和关断过程中，漏源电压 、栅源电压、栅源电压 和漏极和漏极电流电流 的变化情况开通时间由开通延迟时间、电流上升时间的变化情况开通时间由开通延迟时间、电流上升时间和电压下降时间三者组成，关断时间由关断延迟时间、电压和电压下降时间三者组成，关断时间由关断延迟时间、电压上升时间和电流下降时间三者组成上升时间和电流下降时间三者组成n 21第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT)n擎住效应擎住效应n概念概念n 由于由于IGBT结构上难以避免的原因，它的等效电路结构上难以避免的原因，它的等效电路图实际上如图图实际上如图3-14(c)所示，内部存在一只所示，内部存在一只NPN型寄型寄生晶体管，当漏极电流大于规定的临界值时，该寄生晶体管，当漏极电流大于规定的临界值时，该寄生晶体管因有过高的正偏置被触发导通，使生晶体管因有过高的正偏置被触发导通，使PNP管也管也饱和导通，结果饱和导通，结果IGBT的栅极失去控制作用，这就是的栅极失去控制作用，这就是所谓擎住效应。

所谓擎住效应 n危害危害n IGBT发生擎住效应后漏极电流增大，造成过高发生擎住效应后漏极电流增大，造成过高的功耗，最后导致器件损坏的功耗，最后导致器件损坏n如何防止如何防止n不使漏极电流超过不使漏极电流超过 ，防止静态擎住效应；，防止静态擎住效应； n还可用加大栅极电阻的办法，延长还可用加大栅极电阻的办法，延长IGBT的关断时间的关断时间防止动态擎住效应防止动态擎住效应22第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT)n擎住效应擎住效应n正向偏置安全工作区正向偏置安全工作区 n IGBT开通时的正向偏置安全工作区开通时的正向偏置安全工作区FBSOA由电流、电压由电流、电压和功耗三条边界极限包围而成和功耗三条边界极限包围而成 n最大漏极电流是按避免擎住效应而由制造时确定的；最大漏极电流是按避免擎住效应而由制造时确定的；n最高漏源电压是由最高漏源电压是由IGBT中中PNP晶体管的击穿电压规定的；晶体管的击穿电压规定的；n最高功耗由最高允许结温所规定最高功耗由最高允许结温所规定n反向偏置安全工作区反向偏置安全工作区n它随它随IGBT关断时的重加关断时的重加 而改变，而改变， 数值越大，数值越大，越容易引起越容易引起IGBT的误导通，因此相应的反向偏置安全工作区的误导通，因此相应的反向偏置安全工作区越狭窄。

越狭窄n n （（a〕正向安全工作区〕正向安全工作区 (b) 反向安全工作区反向安全工作区n 23第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT)nIGBT的栅极驱动电路的栅极驱动电路nIGBT栅控电路的要求栅控电路的要求n提供适当的正向和反向输出电压，使提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT能可靠地开通和关能可靠地开通和关断；断；n提供足够大的瞬时功率或瞬时电流，使提供足够大的瞬时功率或瞬时电流，使IGBT能及时迅速建立能及时迅速建立栅控电场而导通；栅控电场而导通；n输入、输出延迟时间尽可能小，以提高工作频率；输入、输出延迟时间尽可能小，以提高工作频率；n输入、输出电气隔离性能高，使信号电路与栅极驱动电路绝输入、输出电气隔离性能高，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；缘；n具有灵敏的过电流保护能力具有灵敏的过电流保护能力nIGBT栅控电路的一些注意事项栅控电路的一些注意事项n栅极负偏压对栅极负偏压对IGBT的关断特性影响不大，但在驱动电动机的的关断特性影响不大，但在驱动电动机的逆变器电路中，为了使逆变器电路中，为了使IGBT能稳定可靠地工作，还需要负偏能稳定可靠地工作，还需要负偏压。

负偏压通常取压负偏压通常取-5V或者稍大一些或者稍大一些nIGBT栅控电路中的栅极电阻对它的工作性能影响颇大，取较栅控电路中的栅极电阻对它的工作性能影响颇大，取较大的，对抑制大的，对抑制IGBT的电流上升率及降低元件上的电压上升率的电流上升率及降低元件上的电压上升率都有好处，但若过大，就会过分延长都有好处，但若过大，就会过分延长IGBT的开关时间，使它的开关时间，使它的开关损耗加大，这对高频的应用场合是很不利的，而过小的开关损耗加大，这对高频的应用场合是很不利的，而过小的可使电流变化率太大而引起的可使电流变化率太大而引起IGBT的不正常或损坏的不正常或损坏n为了使栅极驱动电路与信号电路隔离，应采用抗干扰能力强、为了使栅极驱动电路与信号电路隔离，应采用抗干扰能力强、信号传输时间短的光耦合器件信号传输时间短的光耦合器件nIGBT门极与发射极的引线应尽量短门极与发射极的引线应尽量短 ，以减少栅极电感和干扰，以减少栅极电感和干扰信号的进入信号的进入 24第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT)n用光耦器件隔离信号电路与栅控电路用光耦器件隔离信号电路与栅控电路n n图图3-19中，用光耦器件隔离信号电路与栅控电路。

栅控电路中，用光耦器件隔离信号电路与栅控电路栅控电路由由MOSFET及晶体管推挽电路构成，具有正、负偏置当输及晶体管推挽电路构成，具有正、负偏置当输入信号为高电平时，光耦导通，入信号为高电平时，光耦导通，MOSFET截止，截止，T1导通，使导通，使IGBT迅速开通当输入信号为低电平时，光耦导通截止，迅速开通当输入信号为低电平时，光耦导通截止，MOSFET及及T2都导通，都导通，IGBT截止图图3-19 IGBT的栅控电路原理图的栅控电路原理图25第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT)nIGBT的栅极驱动电路的栅极驱动电路nEXB系列模块化集成电路系列模块化集成电路n 集成化模块栅控电路性能可靠，使用方便，集成化模块栅控电路性能可靠，使用方便，是发展方向是发展方向EXB系列模块内部带有光耦合系列模块内部带有光耦合器件和过电流保护电路，它的功能如图器件和过电流保护电路，它的功能如图3-20所示n管脚管脚1，连接用于反向偏置电源的滤波电压；，连接用于反向偏置电源的滤波电压；n管脚管脚2，电源，电源20V；；n管脚管脚3，驱动输出；，驱动输出；n管脚管脚4，用于连接外部电容，以防止过流保，用于连接外部电容，以防止过流保护电路误动作；护电路误动作；n管脚管脚5，过流保护输出；，过流保护输出；n管脚管脚6，集电极电压监测；，集电极电压监测；n管脚管脚14，，15驱动信号输入；驱动信号输入；n管脚管脚9，电源，电源0V。

图图3-20 EXB系列的栅控模块系列的栅控模块 功能方框图功能方框图26第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT)nIGBT的栅极驱动电路的栅极驱动电路nEXB系列模块的接口电路系列模块的接口电路n 模块与模块与IGBT间的外部接间的外部接口电路如图口电路如图3-21所示n驱动信号经过外接晶体管的驱动信号经过外接晶体管的放大，由管脚放大，由管脚14和管脚和管脚15输输入模块n过电流保护信号由测量反映过电流保护信号由测量反映元件电流大小的通态电压元件电流大小的通态电压VCE得出，再经过外接的得出，再经过外接的光耦器件输出，过电流时使光耦器件输出，过电流时使IGBT立即关断立即关断n二只外接电容器用于吸收因二只外接电容器用于吸收因电源接线所引起的供电电压电源接线所引起的供电电压的变化n管脚管脚1和管脚和管脚3的引线分别接的引线分别接到到IGBT的发射极的发射极E和门极和门极G，引线要尽量短，并且应采，引线要尽量短，并且应采用绞合线，以减少对栅极信用绞合线，以减少对栅极信号的干扰号的干扰n图中图中D为快速恢复二极管为快速恢复二极管图图3-21 EXB系列模块的接口电路系列模块的接口电路27第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT)nIGBT的栅极驱动电路的栅极驱动电路nHR065模块的电路原理图解析模块的电路原理图解析图图3-22 HR065模块的电路原理图模块的电路原理图28第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT)nIGBT的栅极驱动电路的栅极驱动电路nHR065模块的电路原理图解析模块的电路原理图解析n光耦光耦OCl及晶体管及晶体管T1～～T3等构成驱动器的基本电路，等构成驱动器的基本电路，n其中其中T2、、T3为一对互补推挽管，当为一对互补推挽管，当OCl有输入、有输入、T1截止、截止、T2导通时，导通时，T3截止，驱动器的输出端截止，驱动器的输出端3向向IGBT输出正电压；反之，输出负电压，输出正电压；反之，输出负电压，IGBT截止。

截止nT4、、T5、、D2及及R4～～ R8、、C1～～C3构成过电流检测、故障信号输出及导通构成过电流检测、故障信号输出及导通保持电路保持电路n当当IGBT正常导通时，正常导通时，8端与端与1端端(即发射极即发射极)之间为之间为IGBT的饱和压降和外接的饱和压降和外接检测二极管正向压降之和，电压较低，稳压管检测二极管正向压降之和，电压较低，稳压管D2中无电流通过，中无电流通过，T5截止，截止，故障输出端子故障输出端子5、、6之间无电流输出之间无电流输出n当过电流发生时，当过电流发生时，IGBT的饱和压降的饱和压降VCEO随着电流增大而升高，若压降随着电流增大而升高，若压降超过规定值超过规定值(约约7V)，，D2反向导通，反向导通，T5由截止转为导通，一方面故障信号由截止转为导通，一方面故障信号输出端输出端5、、6有电流输出同时有电流输出同时T1导通，强行将导通，强行将T2、、T3的基极电流减少，的基极电流减少，使使T2饱和区退回到放大区，造成输出正向驱动电压下降，以实现饱和区退回到放大区，造成输出正向驱动电压下降，以实现IGBT的的“软关断软关断”另一方面，另一方面，T5导通时导通时R6上的正脉冲经上的正脉冲经C2、、C3的分压使的分压使T4导通，导通，但但C3又因又因 R4的泄放，仅使的泄放，仅使T4保持保持30～～45的导通状态，保证的导通状态，保证T1在此延时内在此延时内可靠截止，使可靠截止，使IGBT继续有一暂短的延时导通时间，不受输入端信号的影继续有一暂短的延时导通时间，不受输入端信号的影响。

若在此期间过电流消失，则响若在此期间过电流消失，则Dl截止，截止，IGBT的正向驱动电压恢复正常的正向驱动电压恢复正常若在这段延时之后过电流故障仍然存在，在输入封锁信号作用下，若在这段延时之后过电流故障仍然存在，在输入封锁信号作用下，OCl管管截止，使截止，使T1和和T2导通，故导通，故GBT关断nIGBT关断时，关断时，T6导通，使故障检测电路不起作用即导通，使故障检测电路不起作用即T6管起着逻辑电路管起着逻辑电路作用，它保证只有驱动器输出正向电压时作用，它保证只有驱动器输出正向电压时 才开放过流检测电路，其它情才开放过流检测电路，其它情况下均使其无效，这样能可靠地防止过电流干扰况下均使其无效，这样能可靠地防止过电流干扰29第三节智能功率模块功率〔IPM）Ø智能功率模块智能功率模块IPM〔〔Intelligent Power Module〕是一种在高速、低耗〕是一种在高速、低耗的的IGBT基础上再集成栅极控制电路、故障检测保护电路的模块基础上再集成栅极控制电路、故障检测保护电路的模块Ø它不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过电压，它不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU或或DSP作中作中断处理。

断处理Ø它由高速低工耗的管芯和优化的门级驱动电路以及快速保护电路构成它由高速低工耗的管芯和优化的门级驱动电路以及快速保护电路构成即使发生负载事故或使用不当，也可以使即使发生负载事故或使用不当，也可以使IPM 自身不受损坏自身不受损坏ØIPM一般使用一般使用IGBT作为功率开关元件，并内藏电流传感器及驱动电路作为功率开关元件，并内藏电流传感器及驱动电路的集成结构的集成结构Ø小功率器件采用一种多层环氧树脂粘合绝缘系统，铜层和环氧树脂直小功率器件采用一种多层环氧树脂粘合绝缘系统，铜层和环氧树脂直接在铝基板上构成屏蔽的印刷线路接在铝基板上构成屏蔽的印刷线路Ø功率芯片和栅驱动电路直接焊在基板上面，不需要另外设置印刷线路功率芯片和栅驱动电路直接焊在基板上面，不需要另外设置印刷线路板和陶瓷绝缘材料因而封装费用特别低，适合讲究低成本和尺寸紧板和陶瓷绝缘材料因而封装费用特别低，适合讲究低成本和尺寸紧凑的消费类和工业产品上的应用中、大功率器件采用陶瓷绝缘，即凑的消费类和工业产品上的应用中、大功率器件采用陶瓷绝缘，即铜箔直接键合到陶瓷衬底上面不用焊料这样的衬底结构可以为大功铜箔直接键合到陶瓷衬底上面不用焊料。

这样的衬底结构可以为大功率器件提供所需的得到改进的散热特性和更大的载流容量率器件提供所需的得到改进的散热特性和更大的载流容量30第三节智能功率模块功率〔IPM）n IPM 的结构的结构nIPM 模块有四种封装形式：单管封装，双管模块有四种封装形式：单管封装，双管封装，六管封装和七管封装封装，六管封装和七管封装n 31第三节智能功率模块功率〔IPM）nIPM的自保护功能的自保护功能nIPM有精良的内置保护电路以避免因系统相互有精良的内置保护电路以避免因系统相互干扰或承受过负荷而使功率器件损坏所设置干扰或承受过负荷而使功率器件损坏所设置的故障检测和关断序列允许最大限度地利用功的故障检测和关断序列允许最大限度地利用功率器件的容量而不牺牲其可靠性当率器件的容量而不牺牲其可靠性当IPM模块模块中有一种保护电路动作时中有一种保护电路动作时IGBT栅极驱动单栅极驱动单元就会关断并输出一个故障信号〔元就会关断并输出一个故障信号〔FO）32第三节智能功率模块功率〔IPM）nIPM的自保护功能的自保护功能n控制电源欠压锁定〔控制电源欠压锁定〔UV））n 内部控制电路由一个内部控制电路由一个15V的直流电压供电，如果某的直流电压供电，如果某种原因导致控制电压符合欠压条件，该功率器件将种原因导致控制电压符合欠压条件，该功率器件将会关断会关断IGBT 并输出一个故障信号。

并输出一个故障信号 33第三节智能功率模块功率〔IPM）nIPM的自保护功能的自保护功能n过热保护〔过热保护〔OT））n 在靠近在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装了一个芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器，如果基板温度超过过热动作数值温度传感器，如果基板温度超过过热动作数值〔〔OT），），IPM 内部控制电路会截止栅极驱动，内部控制电路会截止栅极驱动，不响应控制输入信号，直到温度恢复正常不响应控制输入信号，直到温度恢复正常(应应避免反复动作避免反复动作)，从而起到保护功率器件的作，从而起到保护功率器件的作用34第三节智能功率模块功率〔IPM）nIPM的自保护功能的自保护功能n过流保护〔过流保护〔OC））n 如果如果IGBT 的电流超过的电流超过数值并大于时间数值并大于时间toff(OC),IGBT 被关断，被关断，典型值：典型值：10μS，超过，超过OC 数值但时间小于数值但时间小于toff(OC)的电流并无大碍，的电流并无大碍，IPM 保保护不动作护不动作n短路保护〔短路保护〔SC）） n 发生负载短路或上下臂发生负载短路或上下臂直通时，直通时，IPM 立即关断立即关断IGBT 并输出故障信号。

并输出故障信号 35第三节智能功率模块功率〔IPM）nIPM 的选用的选用n为了选择合适的为了选择合适的IPM用于用于VVVF装置，有两个主要方装置，有两个主要方面需要权衡：面需要权衡：n根据电动机的峰值电流根据电动机的峰值电流IC和和IPM的过电流动作值的过电流动作值OC选用适当型号的选用适当型号的IPM；；n采用适当的热设计保证结温峰值永远小于最大结温采用适当的热设计保证结温峰值永远小于最大结温额定值〔额定值〔150℃），使基板的温度保持低于过热动作），使基板的温度保持低于过热动作数值n电机最大峰值电流：电机最大峰值电流：n 其中其中 P——电机功率的额定值；电机功率的额定值；n OL——变频器最大变频器最大过载因数过载因数n R——电流脉动因数；电流脉动因数；n η——变频器效率；变频器效率；n PF——功率因数；功率因数；n VAC——线电压标定线电压标定值。

值 36第四节 电力电子器件对轨道交通变流 技术的影响n电力电子技术在轨道交通电力牵电力电子技术在轨道交通电力牵引传动系统中的应用主要分为三个方引传动系统中的应用主要分为三个方面：它们是主传动系统、辅助传动系面：它们是主传动系统、辅助传动系统、控制和辅助系统中的稳压电源，统、控制和辅助系统中的稳压电源，下面从这三个方面分析电力电子器件下面从这三个方面分析电力电子器件对于轨道交通变流技术的影响并且对于轨道交通变流技术的影响并且从系统性能、装置简约、试验系统、从系统性能、装置简约、试验系统、多器件化和电能质量改善等五个方面多器件化和电能质量改善等五个方面阐述电力电子器件促进现代轨道交通阐述电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展变流技术的发展37第四节 电力电子器件对轨道交通变流 技术的影响n电力电子器件对电力牵引主传动系统的影响电力电子器件对电力牵引主传动系统的影响n至今为止，电力电子器件在电力牵引主传动系统至今为止，电力电子器件在电力牵引主传动系统的应用主要经历了大功率硅二极管的应用主要经历了大功率硅二极管(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)、门极可、门极可关断晶闸管关断晶闸管(GTO)和绝缘栅双极晶体管和绝缘栅双极晶体管(IGBT)这几这几个阶段：个阶段：n1900年当安装在玻璃罩内的贡弧整流器年当安装在玻璃罩内的贡弧整流器(mercury arc rectifier)诞生；诞生；n1954年，年，Pearson和和Fuller发明了发明了PiN大功率二极管；大功率二极管；n1956年贝尔实验室的年贝尔实验室的Moll等人发明了可控硅；等人发明了可控硅；nGTO器件的原理于器件的原理于1960年获得突破后；年获得突破后；n1983年开始应用的电力牵引交流传动系统；年开始应用的电力牵引交流传动系统；n1990年代中后期，开始应用年代中后期，开始应用IGBT器件。

器件38第四节 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响n电力电子器件对电力牵引主传动系统的影响电力电子器件对电力牵引主传动系统的影响nIGCT和和GTO相比，主要有四个方面的改相比，主要有四个方面的改进：进：n通过门极驱动单元和封装结构的优化设计，将通过门极驱动单元和封装结构的优化设计，将门极驱动单元与封装的门极驱动单元与封装的GCT芯片集成在一起，芯片集成在一起，从而大幅度的降低了门极与阴极回路中的杂散从而大幅度的降低了门极与阴极回路中的杂散电感；电感；n由于由于IGCT通过通过“N〞缓冲层〞缓冲层+穿透阳极结构，穿透阳极结构，将硅片的厚度降低了将硅片的厚度降低了1/3左右，大幅度地降低左右，大幅度地降低了器件的通态损耗；了器件的通态损耗；n通过设置通过设置“穿透阳极发射极〞构造，大大提高穿透阳极发射极〞构造，大大提高了电子的抽出速度，又不引起空穴的注入，因了电子的抽出速度，又不引起空穴的注入，因而可实现晶体管式的关断；而可实现晶体管式的关断；n在减薄硅片厚度的基础上，在芯片中集成了反在减薄硅片厚度的基础上，在芯片中集成了反向续流二极管，形成向续流二极管，形成GCT，简化了电路结构。

简化了电路结构39第四节 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响n电力电子器件对辅助系统的影响电力电子器件对辅助系统的影响n在电力电子器件得到应用之前，在单相交流供电的在电力电子器件得到应用之前，在单相交流供电的电力机车中，辅助系统电源大多采用异步旋转劈相电力机车中，辅助系统电源大多采用异步旋转劈相机，把单相交流电变为三相交流电，如韶山机，把单相交流电变为三相交流电，如韶山8型电力型电力机车的机车的YPX-280M-4型劈相机在直流供电的地铁车型劈相机在直流供电的地铁车辆中，辅助系统电源大多采用直流电动辆中，辅助系统电源大多采用直流电动——同步发同步发电机组来获得三相交流电如出口伊朗地铁列车的电机组来获得三相交流电如出口伊朗地铁列车的ZQD-14/TQF-14型辅助发电机组型辅助发电机组n国内最早应用的是国内最早应用的是1986年开始进口的年开始进口的8K电力机车，电力机车，当时采用的是当时采用的是GTO的逆变器的逆变器n1990年代以来，辅助系统开始陆续采用年代以来，辅助系统开始陆续采用IGBT作为逆作为逆变器的器件我国变器的器件我国1990年代中期投入运营的广州地年代中期投入运营的广州地铁和北京地铁复八线车辆等辅助电源分别采用了德铁和北京地铁复八线车辆等辅助电源分别采用了德国和日本的国和日本的IGBT逆变器。

逆变器n1990年代中期以后，我国研制成功了年代中期以后，我国研制成功了600VDC电压逆电压逆变的列车空调逆变器和变的列车空调逆变器和600V到到110V的的DC/DC变换器，变换器，从而取消了发电车从而取消了发电车n由于采用由于采用IGBT器件容量等级的不同，辅助系统的电器件容量等级的不同，辅助系统的电路结构可以分为三种形式：第一种是交路结构可以分为三种形式：第一种是交-直直-交型；交型；第二种是直第二种是直-交交-交型；第三种是直交型；第三种是直-直直-交型40第四节 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响n电力电子器件对控制和辅助电路稳压电源的影响电力电子器件对控制和辅助电路稳压电源的影响n所有控制和辅助电路的电源均由所有控制和辅助电路的电源均由110VDC电源获得电源获得在电力机车中，早期的在电力机车中，早期的110VDC由牵引变压器辅助绕由牵引变压器辅助绕组通过可控硅相控整流获得，电压稳定度不是很高组通过可控硅相控整流获得，电压稳定度不是很高n随着电力电子器件的发展，现在国内和谐号高速列随着电力电子器件的发展，现在国内和谐号高速列车和重载货运列车的车和重载货运列车的110VDC电源由电源由IGBT器件构成器件构成DC/DC隔离开关电源获得，具有很好的电压精度和隔离开关电源获得，具有很好的电压精度和电压稳定性。

电压稳定性n在地铁动车组中在地铁动车组中IGBT和和MOSFET等电力电子器件得等电力电子器件得到应用后到应用后110VDC电源也由相互隔离的电源也由相互隔离的DC/DC开关电开关电源获得n110V以后的稳压电源需求量很大，稳压电源的电压以后的稳压电源需求量很大，稳压电源的电压等级主要有等级主要有24V，，15V，，5V这些电源等级由容量更这些电源等级由容量更小、开关频率更好的小、开关频率更好的MOSFET构成的开关电源获得构成的开关电源获得41第四节 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响n电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展n 电力电子器件、拓扑结构及其控制技术的发展，大大促进电力电子器件、拓扑结构及其控制技术的发展，大大促进了现代电力牵引传动技术的发展下面从系统性能、装置简了现代电力牵引传动技术的发展下面从系统性能、装置简约、试验系统、多器件化和电能质量改善五个方面阐述电力约、试验系统、多器件化和电能质量改善五个方面阐述电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展n促进电力传动系统性能的优化，促进电力传动系统性能的优化， 在电力电子技术的带动下，在电力电子技术的带动下，电力传动系统由直流传动走向了现代交流传动。

交流传动与电力传动系统由直流传动走向了现代交流传动交流传动与直流传动相比，主要有以下优点：直流传动相比，主要有以下优点：n优异的运行性能；优异的运行性能；n显著的节能效果；显著的节能效果；n减少易损部件，降低运营成本；减少易损部件，降低运营成本；n优良的可靠性和维修性；优良的可靠性和维修性；n供电质量大大改善，接近理想波形；供电质量大大改善，接近理想波形；n1990年代中后期，开始应用年代中后期，开始应用IGBT器件42第四节 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响n电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展n促进电力传动系统装置的简约化：促进电力传动系统装置的简约化：n电力电子器件容量和性能的提高，促进了主电路结电力电子器件容量和性能的提高，促进了主电路结构的简化器件从构的简化器件从GTO到到IGCT的改进，省去了主电的改进，省去了主电路的吸收电路和外接的反并联续流二极管，大大简路的吸收电路和外接的反并联续流二极管，大大简化了主电路的结构，同时简化了驱动电路单元；化了主电路的结构，同时简化了驱动电路单元；n封装形式的改进，既降低了器件热阻，简化散热系封装形式的改进，既降低了器件热阻，简化散热系统，又方便工程化安装；统，又方便工程化安装；IGBT绝缘基板的模块化结绝缘基板的模块化结构与双面压接式构与双面压接式GTO结构相比，工程化安装极为容结构相比，工程化安装极为容易，散热系统也很简约。

为改善热阻，其生产厂家易，散热系统也很简约为改善热阻，其生产厂家改用改用AlN代替代替Al2O3作为硅芯片衬底采用；为改善与作为硅芯片衬底采用；为改善与AlN热膨胀系数的匹配，采用热膨胀系数的匹配，采用AlSiC代替代替Cu作为基板作为基板为解决模块化结构比较低的热循环能力等问题，采为解决模块化结构比较低的热循环能力等问题，采用两边用两边DCB绝缘的三明治结构形式，然后再绝缘的三明治结构形式，然后再DCB上上集成液冷的微通道散热器集成液冷的微通道散热器n功能单元模块化设计，增加了电磁兼容性，也方便功能单元模块化设计，增加了电磁兼容性，也方便了安装和拆卸；了安装和拆卸；43第四节 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响n电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展n促进交流传动试验系统的发展：促进交流传动试验系统的发展：n 交流牵引传动试验台应该能完成如下五种试验：交流牵引传动试验台应该能完成如下五种试验：按照机车牵引特性进行不同级位的按照机车牵引特性进行不同级位的“恒流准恒速〞特恒流准恒速〞特性控制的牵引运行试验；按照机车制动特性进行再性控制的牵引运行试验；按照机车制动特性进行再生制动试验；按照机车恒转矩启动要求进行机车起生制动试验；按照机车恒转矩启动要求进行机车起动加速试验；逆变器容量足够大时，能完成牵引电动加速试验；逆变器容量足够大时，能完成牵引电机的各种特性试验和有关参数的测定；电机容量许机的各种特性试验和有关参数的测定；电机容量许可时，能完成逆变装置的考核运行试验。

可时，能完成逆变装置的考核运行试验n“能量消耗式〞系统能量消耗式〞系统n“能量反馈式〞系统能量反馈式〞系统n互馈式交流传动试验系统互馈式交流传动试验系统44第四节 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响n电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展n促进电传动系统的多器件化发展：促进电传动系统的多器件化发展：n电力电子技术发展的一个重要趋势是不断地增加以电力电子电力电子技术发展的一个重要趋势是不断地增加以电力电子器件为核心的变流装置在电能变化中的比重器件为核心的变流装置在电能变化中的比重n电传动系统也不例外，现代交流牵引供电方式是通过安装在电传动系统也不例外，现代交流牵引供电方式是通过安装在机车上的单相牵引变压器把电压变为机车所需的各种电压等机车上的单相牵引变压器把电压变为机车所需的各种电压等级然后通过车上的各种变换器供给牵引电机和辅助传动和级然后通过车上的各种变换器供给牵引电机和辅助传动和照明等系统照明等系统n但是牵引变压器非常重，比如国产但是牵引变压器非常重，比如国产SS8电力机车中为电力机车中为11.5吨，吨，进口进口8K电力机车中为电力机车中为12.6吨。

由于机车轴重的要求，列车减吨由于机车轴重的要求，列车减重往往是一个重要的指标人们提出了用变流器取代牵引功重往往是一个重要的指标人们提出了用变流器取代牵引功率变压器的想法通过多电平串接四象限变流器和多重化率变压器的想法通过多电平串接四象限变流器和多重化DC/DC变换器，可以用高频牵引变压器来取代现在的工频变变换器，可以用高频牵引变压器来取代现在的工频变压器45第四节 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响n电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展n促进牵引供电电能质量的改善：促进牵引供电电能质量的改善：n晶闸管在轨道交通领域中的应用，始自电力机车的相控整流晶闸管在轨道交通领域中的应用，始自电力机车的相控整流器随着晶闸管触发角的增大，交流侧功率因数会恶化随着晶闸管触发角的增大，交流侧功率因数会恶化另外相控整流器的工作，使得电网的低次谐波含量大大超标外相控整流器的工作，使得电网的低次谐波含量大大超标n 随着可关断电力电子器件的发展，随着可关断电力电子器件的发展，GTO和和IGBT等器件先后等器件先后在电力机车和牵引变电站中得到应用电力机车牵引变压器在电力机车和牵引变电站中得到应用。

电力机车牵引变压器网侧的电能质量大大改善网侧的电能质量大大改善n晶闸管为主构成的晶闸管为主构成的SVC在牵引变电站使用后，大大改善了无在牵引变电站使用后，大大改善了无功和低次谐波，但它动态响应速度不够快，不能及时跟踪补功和低次谐波，但它动态响应速度不够快，不能及时跟踪补偿快速变化的电流电压偿快速变化的电流电压n由可关断器件构成的静止无功发生器〔由可关断器件构成的静止无功发生器〔SVG〕或静止同步补〕或静止同步补偿器〔偿器〔Statcom），能够很好地跟踪轨道交通车辆运行过程中），能够很好地跟踪轨道交通车辆运行过程中动态变化的无功和谐波动态变化的无功和谐波46第三章电力电子器件及其应用n作业题作业题n3-2 为什么普通晶闸管是半控型器件，而为什么普通晶闸管是半控型器件，而GTO是全控型器件？试从原理上是全控型器件？试从原理上进行简要说明进行简要说明n3-3 GTO的主要特性参数有哪些？的主要特性参数有哪些？n3-4 GTO电路中过电压、过电流产生的根源是什么？如何防止和保护？电路中过电压、过电流产生的根源是什么？如何防止和保护？n3-7 功率功率MOSFET的驱动电路有哪几种？保护电路有哪几种？并各举一例的驱动电路有哪几种？保护电路有哪几种？并各举一例加以简要分析。

加以简要分析n3-8 IGBT的特性参数有哪些？的特性参数有哪些？n3-9 何为擎住效应？如何避免？何为擎住效应？如何避免？n3-10 IGBT的驱动电路有何要求？试举一例加以简要分析的驱动电路有何要求？试举一例加以简要分析n3-11 功率集成模块的内部主要结构包括哪些？各自有什么功能？功率集成模块的内部主要结构包括哪些？各自有什么功能？n3-12 简述对简述对IGBT栅控电路的基本要求栅控电路的基本要求n3-13分析电力电子器件对于轨道交通变流技术的影响分析电力电子器件对于轨道交通变流技术的影响n3-14 从系统性能、装置简约、试验系统、多器件化和电能质量改善等五从系统性能、装置简约、试验系统、多器件化和电能质量改善等五个方面阐述电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展个方面阐述电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展47 本章课程结束 谢谢！48。