电力电子器件及其应用.优秀PPT.ppt

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1、1第三章 电力电子器件及其应用2第三章 电力电子器件及其应用n主要内容主要内容可关断晶闸管可关断晶闸管(GTO)绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管(IGBT)智能功率模块功率智能功率模块功率(IPM)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3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逆变器不须要强迫换流电路，而使电路的损逆变器不须要强迫换流电路，而使电路的损耗削减了耗削减了64左右。这些优点对重量、体积和效率都左

2、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特别重要的。有严格要求的车辆电力牵引系统是特别重要的。nGTO与与SCR的重要区分是：的重要区分是：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。4

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的要求相像，但它对关断的要求相像，但它对关断脉冲的要求很高，简洁在关断脉冲的要求很高，简洁在关断过程中损坏过程中损坏GTO器件，因此门器件，因此门极限制电路比较困难。极限制电路比较困难。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，为爱护管大，为爱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 仅稍大仅稍大于于1，且，且 比比 小得多，因此小得多，因此

4、集电极电流集电极电流 占总阳极电流的占总阳极电流的比例较小，只要设法抽走这部比例较小，只要设法抽走这部分电流，即可使分电流，即可使GTO关断。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5第一节 可关断晶闸管(GTO)n把把GTO接入电阻负载电路，在门极加上接入电阻负载电路，在门极加上正的触发脉冲正的触发脉冲和和足够大的负脉冲足够大的负脉冲时，时，GTO就能就能导通导通和和关断关断，GTO的的符号及电路如图符号及电路如图3-2(a)所示，所示，波形如图波形如图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)

5、门极和阳极电流波形门极和阳极电流波形6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7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的伏的伏安特性很近似，当外加电压超过正向转折电压时，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

6、家族基本相同，称为电压触发。此时不确定会使元件损坏，但是外加称为电压触发。此时不确定会使元件损坏，但是外加电压超过反向击穿电压之后，会发生雪崩击穿现象，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。非逆阻型由此损坏器件。非逆阻型GTOGTO则不能承受反向电压。则不能承受反向电压。nGTOGTO的耐压性能受多种因素的影响，其中结温的影响的耐压性能受多种因素的影响，其中结温的影响较大。随着结温的上升，较大。随着结温的上升，GTOGTO的耐压会下降，如图所的耐压会下降，如图所示。示。8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

7、 GTO的通态压降特性是其伏安特性的一部分，如图所示。的通态压降特性是其伏安特性的一部分，如图所示。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更元件从断态到通态的过程中，电流、电压及功耗随时间变更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。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

8、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。9第一节 可关断晶闸管(GTO)nGTOGTO的主要特性的主要特性GTO的关断特性的关断特性GTO关断过程中的关断过程中的阳极电压阳极电压、阳极电流阳极电流和和功耗功耗与与时间时间的关系是的关系是GTO的关断特性的关断特性;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；也；也有些文献与元件生产工厂定义关断时间为有些文献与元件生产工厂定义关断时间为存贮时间存贮时间、下降时间下降时间，还有时间上长达几十的还有时

9、间上长达几十的尾部时间尾部时间三者之和。三者之和。10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23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。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 时间内的电流变更率与时间内的电流变更率与GTO缓冲爱护电路的缓冲爱护电路的电感的乘积。电感

10、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 11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，因此在通态下就必需使元件具有大，通态电压低，因此在通

11、态下就必需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，这就是说必需在门极加上足够大的反向电压，使是说必需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放射极间的放射极间的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

12、地方形成渐渐向中结的地方形成渐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。所示。12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放射极没有电子向放射极没有电子向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始终复合到消逝为止，如基区中的过剩载流子始终复合到消逝为止，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

13、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13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14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：由图由图3-11可见，由门极反向电流可见，由门极反向电流 所包围的门极关断电荷所包围的门极关断电荷量

14、为量为由于关断时间为由于关断时间为 ，且门极关断电流的峰值约为，且门极关断电流的峰值约为(1/51/3)的可关断峰值电流的可关断峰值电流 ，故有，故有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关断电路中的储能电关断电路中的储能电容器具有电荷量：容器具有电荷量：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C15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GTO门控电路的基本参数门控电路的基本参数正向强触发电流正向强触发电流触发电流脉冲宽度触发电流脉冲宽度 触发电流上升率触发电流上升率 正向偏置电流正

15、向偏置电流 门极反向电流幅值门极反向电流幅值 门极反向电流上升率门极反向电流上升率 门极反向电压门极反向电压 关断脉冲宽度关断脉冲宽度 16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

16、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，增进关断牢靠性。偏置，增进关断牢靠性。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17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用用MOSFET的的GTO门控电路门控电路18其次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的平安工作区宽、电流

17、密度高、导通压降低的平安工作区宽、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）输入阻抗高、驱动功率小、驱动电路简洁、开关速度快、热稳定性好的优点。洁、开关速度快、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

18、。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，以适应逆变电路的须要，因此没有反向阻断实力。以适应逆变电路的须要，因此没有反向阻断实力。IGBT的限制原理与的限制原理与MOSFET基本相同，基本相同，IGBT的开通的开通和关断受栅极限制，和关断受栅极限制，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

19、，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。就截止。19其次节绝缘栅双极晶体管(IGBT)nIGBT的工作原理的工作原理1GBT的等效电路及图形符号的等效电路及图形符号 图图3-14 1GBT3-14 1GBT的等效电路及图形符号的等效电路及图形符号(a)(a)简化等效电路简化等效电路 (b)(b)二种图形符号二种图形符号 (c)(c)实际等效电路实际等效电路 20其次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

20、-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，栅极电压没有达到，栅极电压没有达到IGBT的开的开启电压启电压VGS(th)。n放大区即线性区放大区即线性区，输出电流受栅源电压的限制，输出电流受栅源电压的限制，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，此时因，此时因VDS太小，太小，VGS失去线性限制作用。失去线性限制作用。n击穿区击穿区，此时因，此时因VDS太大，超过击穿电压太大，超过击穿电压BVDS而而不能工作。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

21、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21其次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。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

22、压 和漏极和漏极电流电流 的变更状况。开通时间由开通延迟时间、电流上升时间的变更状况。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 22其次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结构上难以避开的缘由，它的等效电路结构上难以避开的缘由，它的等效电路图事实上如图图事实上如图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

23、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的栅极失去限制作用，这就是的栅极失去限制作用，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，最终导致器件损坏。的功耗，最终导致器件损坏。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方法，延长还可用加大栅极电阻的方法，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。

24、23其次节绝缘栅双极晶体管(IGBT)n擎住效应擎住效应n正向偏置平安工作区正向偏置平安工作区 n IGBT开通时的正向偏置平安工作区开通时的正向偏置平安工作区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开擎住效应而由制造时确定的；最大漏极电流是按避开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反向偏置平安工作区反向偏置平安工作区n它随它随IGBT关断时的重加关断时的重加 而变更，而变更

25、，数值越大，越简数值越大，越简洁引起洁引起IGBT的误导通，因此相应的反向偏置平安工作区越狭的误导通，因此相应的反向偏置平安工作区越狭窄。窄。n n （a）正向平安工作区）正向平安工作区(b)反向平安工作区反向平安工作区n 24其次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供应适当的正向和反向输出电压，使供应适当的正向和反向输出电压，使IGBT能牢靠地开通和关能牢靠地开通和关断；断；n供应足够大的瞬时功率或瞬时电流，使供应足够大的瞬时功率或瞬时电流，使IGBT能刚好快速建立能刚好快速建立栅控电场而导通；栅控电场而导通；n输入、输

26、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具有灵敏的过电流爱护实力。具有灵敏的过电流爱护实力。nIGBT栅控电路的一些留意事项栅控电路的一些留意事项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能稳定牢靠地工作，还须要负偏能稳定牢靠地工作，还须要负偏压。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

27、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更率太大而引起的可使电流变更率太大而引起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，应接受抗干扰实力强、为了使栅极驱动电路与信号电路隔离，应接受抗干扰实力强、信

28、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门极与放射极的引线应尽量短门极与放射极的引线应尽量短，以削减栅极电感和干扰，以削减栅极电感和干扰信号的进入。信号的进入。25其次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常，光耦导通，入信号为高电平常，光耦导通，MOSFET截止，截止，T1导通，使导通，使I

29、GBT快速开通。当输入信号为低电平常，光耦导通截止，快速开通。当输入信号为低电平常，光耦导通截止，MOSFET及及T2都导通，都导通，IGBT截止。截止。图图3-19 IGBT的栅控电路原理图的栅控电路原理图26其次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牢靠，运用便利，集成化模块栅控电路性能牢靠，运用便利，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爱护电路，它的功能如图器件和过电流爱护电路，它的功能如图3-20所示。所示。n管脚管脚1，连接用于反向偏置

30、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，以防止过流爱，用于连接外部电容，以防止过流爱护电路误动作；护电路误动作；n管脚管脚5，过流爱护输出；，过流爱护输出；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27其次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I

31、GBT间的外部接间的外部接口电路如图口电路如图3-21所示。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。入模块。n过电流爱护信号由测量反映过电流爱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马上关断。马上关断。n二只外接电容器用于吸取因二只外接电容器用于吸取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更。的变更。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的放射极的放射极E和门极和门极G

32、，引线要尽量短，并且应接，引线要尽量短，并且应接受绞合线，以削减对栅极信受绞合线，以削减对栅极信号的干扰。号的干扰。n图中图中D为快速复原二极管。为快速复原二极管。图图3-21 EXB系列模块的接口电路系列模块的接口电路28其次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HR065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29其次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T1T3等构成驱动器的基本电路，等构成

33、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，截止，驱动器的输出端驱动器的输出端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、C1C3构成过电流检测、故障信号输出及导通保持构成过电流检测、故障信号输出及导通保持电路。电路。n当当IGBT正常导通时，正常导通时，8端与端与1端端(即放射极即放射极)之间为之间为IGBT的饱和压降和外接检测的饱和压降和外接检测二极管正向压降之和，电压较低，稳压管二极管正向压降之和，电压较

34、低，稳压管D2中无电流通过，中无电流通过，T5截止，故障输截止，故障输出端子出端子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随着电流增大而上升，若压降超过随着电流增大而上升，若压降超过规定值规定值(约约7V)，D2反向导通，反向导通，T5由截止转为导通，一方面故障信号输出端由截止转为导通，一方面故障信号输出端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的基极电流削减，使的基极电流削减，使T2饱和区退饱和区退回到放大区，造成输出正向驱动电压下降，以实现回到放大区，造成输出正向驱动电压下降，以实现IG

35、BT的的“软关断软关断”。另一方。另一方面，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，但导通，但C3又因又因 R4的泄放，的泄放，仅使仅使T4保持保持3045s的导通状态，保证的导通状态，保证T1在此延时内牢靠截止，使在此延时内牢靠截止，使IGBT接着接着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逝，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逝，则则Dl截止，截止，IGBT的正向驱动电压复原正常。若在这段延时之后过电流故障仍的正向驱动电压复原正常。若在这段延时之后过电流故障仍旧存在，在输入封锁信号作用下，旧存

36、在，在输入封锁信号作用下，OCl管截止，使管截止，使T1和和T2导通，故导通，故IGBT关断。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管起着逻辑电路作用，管起着逻辑电路作用，它保证只有驱动器输出正向电压时它保证只有驱动器输出正向电压时 才开放过流检测电路，其它状况下均使其才开放过流检测电路，其它状况下均使其无效，这样能牢靠地防止过电流干扰。无效，这样能牢靠地防止过电流干扰。30第三节智能功率模块功率（IPM）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

37、IGBT基础上再集成栅极限制电路、故障检测爱护电路的模块。基础上再集成栅极限制电路、故障检测爱护电路的模块。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。它由高速低工耗的管芯和优化的门级驱动电路以及快速爱护电路构成。它由高速低工耗的管芯和优化的门级驱动电路以及快速爱护电路构成。即使发生负载事故或运用不当，也可以使即使发生负载事故或运用不当，也可以使IPM 自身不受损坏。自身不受损坏。IP

38、M一般运用一般运用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。小功率器件接受一种多层环氧树脂粘合绝缘系统，铜层和环氧树脂干小功率器件接受一种多层环氧树脂粘合绝缘系统，铜层和环氧树脂干脆在铝基板上构成屏蔽的印刷线路。脆在铝基板上构成屏蔽的印刷线路。功率芯片和栅驱动电路干脆焊在基板上面，不须要另外设置印刷线路功率芯片和栅驱动电路干脆焊在基板上面，不须要另外设置印刷线路板和陶瓷绝缘材料。因而封装费用特殊低，适合讲究低成本和尺寸紧板和陶瓷绝缘材料。因而封装费用特殊低，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

39、率器件接受陶瓷绝缘，即凑的消费类和工业产品上的应用。中、大功率器件接受陶瓷绝缘，即铜箔干脆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干脆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供应所需的得到改进的散热特性和更大的载流容量。率器件供应所需的得到改进的散热特性和更大的载流容量。31第三节智能功率模块功率（IPM）n IPM 的结构的结构IPM 模块有四种封装形式：模块有四种封装形式：单管封装单管封装，双管封装双管封装，六管封六管封装装和和七管封装七管封装。32第三节智能功率模块功率（IPM）nIPM的自爱护功能的自爱护功能nIPM有精良的内置爱护电路以避开因系统相互

40、有精良的内置爱护电路以避开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牢靠性。当率器件的容量而不牺牲其牢靠性。当IPM模块模块中有一种爱护电路动作时。中有一种爱护电路动作时。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）。）。33第三节智能功率模块功率（IPM）nIPM的自爱护功能的自爱护功能n限制电源欠压锁定（限制电源欠压锁定（UV）n 内部限制电路由一个内部限制电路由一个15V的直流电压供电，假如

41、某的直流电压供电，假如某种缘由导致限制电压符合欠压条件，该功率器件将种缘由导致限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。34第三节智能功率模块功率（IPM）nIPM的自爱护功能的自爱护功能n过酷爱护（过酷爱护（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，假如基板温度超过过热动作数值温度传感器，假如基板温度超过过热动作数值（OT），），IPM 内部限制电路会截止栅极驱动，内部限制电路会截止栅极驱动，不响应限制输入信号，直到温度复原正常不响应限制输入信号，直到温度复原正常(应应避开反复动作避开反

42、复动作)，从而起到爱护功率器件的作，从而起到爱护功率器件的作用。用。35第三节智能功率模块功率（IPM）nIPM的自爱护功能的自爱护功能n过流爱护（过流爱护（OC）n 假如假如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：10S，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 爱爱护不动作。护不动作。n短路爱护（短路爱护（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 马上关断马上关断IGBT 并输出故障信号。并输出故障信号。36第三节智能功率模

43、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，有两个主要方面须要权衡：面须要权衡：n依据电动机的峰值电流依据电动机的峰值电流IC和和IPM的过电流淌作值的过电流淌作值OC选用适当型号的选用适当型号的IPM；n接受适当的热设计保证结温峰值恒久小于最大结温接受适当的热设计保证结温峰值恒久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。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

44、R电流脉动因数；电流脉动因数；n 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。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、协助传动系面：它们是主传动系统、协助传动系统、限制和协助系统中的稳压电源，统、限制和协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

45、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。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验了大功率硅二极管的应用主要经验了大功率硅二极管(PiN-Diode)、一、一般可控硅般可控硅(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

46、绝缘栅双极晶体管和绝缘栅双极晶体管(IGBT)这几个这几个阶段：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独创了独创了PiN大功率二极管；大功率二极管；n1956年贝尔试验室的年贝尔试验室的Moll等人独创了可控硅；等人独创了可控硅；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年起先应用的电力牵引沟通传动系统；年起先应用的电力牵引沟通传动系统；n1990年头中后期，起先应用年头中后期，起先应用IGBT器件。器件。39第四节

47、 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

48、件的通态损耗；了器件的通态损耗；n通过设置通过设置“穿透阳极放射极穿透阳极放射极”结构，大大提高结构，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。40第四节 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响n电力电子器件对协助系统的影响电力电子器件对协助系统的影响n在电力电子器件得到应用之前，在单相沟通供电的在电力电子器件得到应用之前，在单相沟通供电的电力机

49、车中，协助系统电源大多接受异步旋转劈相电力机车中，协助系统电源大多接受异步旋转劈相机，把单相沟通电变为三相沟通电，如韶山机，把单相沟通电变为三相沟通电，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，协助系统电源大多接受直流电动辆中，协助系统电源大多接受直流电动同步发同步发电机组来获得三相沟通电。如出口伊朗地铁列车的电机组来获得三相沟通电。如出口伊朗地铁列车的ZQD-14/TQF-14型协助发电机组。型协助发电机组。n国内最早应用的是国内最早应用的是1986年起先进口的年起先进口的8K电力机车，电力机车，当时接受的是当时接受的是

50、GTO的逆变器。的逆变器。n1990年头以来，协助系统起先接连接受年头以来，协助系统起先接连接受IGBT作为逆作为逆变器的器件。我国变器的器件。我国1990年头中期投入运营的广州地年头中期投入运营的广州地铁和北京地铁复八线车辆等协助电源分别接受了德铁和北京地铁复八线车辆等协助电源分别接受了德国和日本的国和日本的IGBT逆变器。逆变器。n1990年头中期以后，我国研制成功了年头中期以后，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由于接受由于接受IGBT器件容量等级的不同，协