機(jī)車電力電子技術(shù)教案

1、*機(jī)車電力電子技術(shù)教案主要內(nèi)容l 本課程教學(xué)大綱l 本課程電子教案*課程編號：機(jī)車電力電子技術(shù)課程教學(xué)大綱學(xué)時：（64） 學(xué)分：（4）一、教學(xué)大綱的說明機(jī)車電力電子技術(shù)課程教學(xué)大綱是教學(xué)指導(dǎo)性文件，它是作為工科?？茖W(xué)生學(xué)習(xí)該課程必須達(dá)到的合格要求，是學(xué)校制訂教學(xué)計劃和教學(xué)內(nèi)容的依據(jù)，也是編寫基本教材和進(jìn)行課程教學(xué)質(zhì)量評估的重要依據(jù)。1授課對象：車輛工程專業(yè)（電力機(jī)車方向），高職三年制學(xué)生。2課程性質(zhì)：機(jī)車電力電子技術(shù)課程是車輛工程專業(yè)（電力機(jī)車方向）的一門專業(yè)必修課。3任務(wù)及要求：通過學(xué)習(xí)本課程，應(yīng)使學(xué)生掌握電力電子技術(shù)理論及其在電力機(jī)車上的應(yīng)用等方面知識，主要學(xué)習(xí)電力電子器件、相控整流電路、

2、斬波電路與逆變電路、交流調(diào)壓電路、觸發(fā)電路與驅(qū)動電路、電力機(jī)車控制系統(tǒng)單元電路、電力機(jī)車控制電源柜、電力機(jī)車電子控制柜和微機(jī)控制柜、電力機(jī)車其他電子電路、電子電路常見故障分析與應(yīng)急處理等方面知識，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會綜合運(yùn)用所學(xué)知識，分析、設(shè)計、解決相關(guān)技術(shù)問題的能力。 4與其它課程的聯(lián)系先修課程：電工技術(shù)、visual basic程序設(shè)計、單片機(jī)原理及應(yīng)用等。后修課程：電力機(jī)車控制等。二、教學(xué)大綱1、課程內(nèi)容第1章 緒論 電力電子器件的發(fā)展；電力電子技術(shù)的發(fā)展；交流電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)；我國電力機(jī)車的發(fā)展。第2章 電力電子器件電力電子器件概述；大功率整流二極管；晶閘管；門極關(guān)斷晶閘管（gto）；功率晶

3、體管（gtr）；功率mos場效應(yīng)晶體管（功率mosfet）；絕緣柵雙極晶體管（igbt）；mos控制晶閘管（mct）；功率集成電路（pic）；電力電子器件的冷卻。第3章 相控整流電路單相半控橋式整流電路；單相全控橋式整流電路；三相半波可控整流電路；三相全控橋整流電路；三相半控橋整流電路。第4章 斬波電路與逆變電路斬波電路；逆變電路；緩沖電路。第5章 交流調(diào)壓電路概述；晶閘管交流開關(guān)；晶閘管單相交流調(diào)壓電路；晶閘管三相交流調(diào)壓電路。第6章 觸發(fā)電路與驅(qū)動電路概述；晶閘管觸發(fā)電路；gto門極驅(qū)動電路；gtr門極驅(qū)動電路；功率mosfet門極驅(qū)動電；igbt驅(qū)動與保護(hù)技術(shù)。第7章 電力機(jī)車控制系統(tǒng)單

4、元電路檢測單元；控制單元；觸發(fā)系統(tǒng)元件。第8章 電力機(jī)車控制電源柜ss9型電力機(jī)車的控制電源柜；hxd3型電力機(jī)車的dc 110 v電源裝置。第9章 電力機(jī)車電子控制柜和微機(jī)控制柜ss4改型電力機(jī)車電子控制柜；ss8型電力機(jī)車微機(jī)控制柜；hxd3型電力機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。第10章 電力機(jī)車其他電子電路顯示診斷裝置；劈相機(jī)起動電路；列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置。第11章 電子電路常見故障分析與應(yīng)急處理檢測單元和電源柜的故障判斷；ss4改型電力機(jī)車電子控制柜常見故障判斷及處理；ss9型電力機(jī)車微機(jī)控制柜的使用維護(hù)和常見故障判斷及處理；hxd3型電力機(jī)車典型故障分析及處理。2、重點與難點 重點：大功率整流二極

5、管；晶閘管；門極關(guān)斷晶閘管（gto）；絕緣柵雙極晶體管（igbt）；功率集成電路（pic）；單相半控橋式整流電路；單相全控橋式整流電路；斬波電路；逆變電路；緩沖電路；晶閘管交流開關(guān)；晶閘管單相交流調(diào)壓電路；晶閘管觸發(fā)電路；gto門極驅(qū)動電路；igbt驅(qū)動與保護(hù)技術(shù)；檢測單元；控制單元；觸發(fā)系統(tǒng)元件；ss9型電力機(jī)車的控制電源柜；hxd3型電力機(jī)車的dc 110 v電源裝置；ss4改型電力機(jī)車電子控制柜；ss8型電力機(jī)車微機(jī)控制柜；hxd3型電力機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；顯示診斷裝置；劈相機(jī)起動電路；列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置；檢測單元和電源柜的故障判斷；ss4改型電力機(jī)車電子控制柜常見故障判斷及處理；ss9

6、型電力機(jī)車微機(jī)控制柜的使用維護(hù)和常見故障判斷及處理；hxd3型電力機(jī)車典型故障分析及處理。難點：晶閘管；門極關(guān)斷晶閘管（gto）；絕緣柵雙極晶體管（igbt）；功率集成電路（pic）；單相半控橋式整流電路；單相全控橋式整流電路；逆變電路；晶閘管單相交流調(diào)壓電路；控制單元；ss9型電力機(jī)車的控制電源柜；hxd3型電力機(jī)車的dc 110 v電源裝置；ss4改型電力機(jī)車電子控制柜；ss8型電力機(jī)車微機(jī)控制柜；hxd3型電力機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；顯示診斷裝置；劈相機(jī)起動電路；列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置；檢測單元和電源柜的故障判斷；ss4改型電力機(jī)車電子控制柜常見故障判斷及處理；ss9型電力機(jī)車微機(jī)控制柜的使用維

7、護(hù)和常見故障判斷及處理；hxd3型電力機(jī)車典型故障分析及處理。3實驗與實踐環(huán)節(jié)（1）電力電子器件特性測試；（2）單相半控橋式整流電路；（3）三相橋式全控整流電路及有源逆變；（4）直流斬波電路；（5）單相交流調(diào)壓電路。4學(xué)時分配（共64學(xué)時）序號主要內(nèi)容學(xué)時分配其中備 注講授實驗習(xí)題上機(jī)1第1章 緒論安排學(xué)生課外自學(xué)2第2章 電力電子器件862選擇部分內(nèi)容講解，其余部分安排課外自學(xué)，作為學(xué)生知識的拓展3第3章 相控整流電路642選擇部分內(nèi)容講解，其余部分安排課外自學(xué)，作為學(xué)生知識的拓展4第4章 斬波電路與逆變電路8625第5章 交流調(diào)壓電路6426第6章 觸發(fā)電路與驅(qū)動電路66選擇部分內(nèi)容講解，

8、其余部分安排課外自學(xué)，作為學(xué)生知識的拓展7第7章 電力機(jī)車控制系統(tǒng)單元電路888第8章 電力機(jī)車控制電源柜669第9章 電力機(jī)車電子控制柜和微機(jī)控制柜66選擇部分內(nèi)容講解，其余部分安排課外自學(xué)，作為學(xué)生知識的拓展10第10章 電力機(jī)車其他電子電路4411第11章 電子電路常見故障分析與應(yīng)急處理66選擇部分內(nèi)容講解，其余部分安排課外自學(xué)，作為學(xué)生知識的拓展合計64568三、教材及主要參考書教材：劉敏軍，王秀珍主編機(jī)車電力電子技術(shù)中國鐵道出版社2012年。參考書：李瑞榮主編電力機(jī)車電子技術(shù)中國鐵道出版社2008年。 大綱批準(zhǔn)：（主管教學(xué)校長） 大綱審定：（主管教學(xué)院長） 大綱制定：（執(zhí)筆教師）*機(jī)

9、車電力電子技術(shù)電子教案1 概 論1.1 電力電子器件的發(fā)展1晶體管2二極管3晶閘管4電力電子器件圖1.1電力電子器件家族“樹”5電力電子器件種類（1）按器件內(nèi)部載流子參與導(dǎo)電的種數(shù)不同，分三大類：1）單極型器件2）雙極型器件3）復(fù)合型器件（2）按開通、關(guān)斷方式不同，分三大類：1）不可控型器件2）半控型器件3）全控型器件6電力電子器件的性能1）雙極型器件2）單極型器件3）復(fù)合型器件1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展1直流電動機(jī)與異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)、性能特點比較2電力電子技術(shù)的發(fā)展（1）整流器時代（2）逆變時代（3）變頻時代（4）智能化時代1.3 交流電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展1矢量控制2直接轉(zhuǎn)矩控制3無速度傳感器

10、控制技術(shù)4微處理機(jī)引入控制系統(tǒng)5其他控制技術(shù)1.4 我國電力機(jī)車的發(fā)展1電氣化鐵路史2電力機(jī)車發(fā)展史我國電力機(jī)車的發(fā)展大體經(jīng)歷了四個階段：第一階段起步期第二階段成長期第三階段全盛期第四階段升級換代期復(fù)習(xí)與思考題1簡述電力電子器件、電力電子技術(shù)、交流電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展歷程。2簡述我國電力機(jī)車的發(fā)展概況及發(fā)展趨勢。2 電力電子器件2.1 大功率整流二極管1結(jié)構(gòu)與伏安特性（1）結(jié)構(gòu)目前大功率的整流二極管，外形結(jié)構(gòu)與晶閘管相似，可分為螺旋式和平板式，而平板式又分為風(fēng)冷式和水冷式。二極管僅有陽極a與陰極k。螺旋式二極管的陽極緊栓在鋁制散熱器上。（2）伏安特性圖2.1 大功率二極管伏安特性2主要參數(shù)（1

11、）額定正向平均電流id（av）（2）反向重復(fù)峰值電壓urrm（3）正向平均電壓ud（av）3型號及選擇的原則（1）型號（2）選擇原則選擇id（av）的原則： idn=1.57id(av)=(1.52)idmaxid(av)=(1.52)idmax/1.57選擇urrm的原則： urrm=(23)udmax選擇ud（av）的原則：根據(jù)設(shè)計要求，選取所規(guī)定的相應(yīng)系列組別。除特殊要求外，容量在100 a以下通常不考慮管壓降組別。管壓降愈小，元件發(fā)熱與損耗也越小，相應(yīng)價格就越高。此外，大功率二極管在使用中應(yīng)注意的事項與下節(jié)要介紹的晶閘管相同。2.6 絕緣柵雙極晶體管（igbt）絕緣柵雙極晶體管（iso

12、loted gate bipolar transistorigbt）。由于igbt內(nèi)具有寄生晶體管，所以也可稱作絕緣門極晶閘管。由于它將mosfet和gtr的優(yōu)點集于一身，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點，又有通態(tài)電壓低、耐壓高的優(yōu)點，因此發(fā)展快，倍受歡迎，在電極驅(qū)動、中頻和開關(guān)電源以及要求快速、低損耗的領(lǐng)域，igbt有著主導(dǎo)地位，并有取代gtr的趨勢。2.7 mos控制晶閘管（mct）mos控制晶閘管(mct)是一種新的功率器件。顧名思義，它是通過mos門極開關(guān)控制晶閘管的。mct驅(qū)動功率小，開關(guān)頻率與igbt相近，而且不存在二次擊穿的問題。它工作于超擎住狀態(tài)，是一個

13、真正的pnpn器件。這也就是mct的通態(tài)電阻大大低于一般場效應(yīng)器件的主要原因。mct將晶閘管容量大、正向電壓低的優(yōu)點與mosfet的高輸入阻抗、小驅(qū)動功率、開關(guān)速度快的特性結(jié)合在一起，構(gòu)成大功率、快速的全控型電力電子新器件。有可能取代scr、gto、igbt，應(yīng)用于高頻大功率領(lǐng)域。2.7.1 mct的結(jié)構(gòu)原理及工作特性1基本結(jié)構(gòu)圖2.38 mct的基本結(jié)構(gòu)（a）pmct；（b）nmct2工作原理。圖2.39所示為mct等效電路及符號。當(dāng)門極相對于陽極加負(fù)脈沖電壓時，vt2導(dǎo)通，漏極電流使npn晶體管vt3導(dǎo)通，vt3的集電極電流（電子）使vt4導(dǎo)通，而vt4的集電極電流（空穴）又反過來維持vt

14、3的導(dǎo)通。通過scr的正反饋作用，mct導(dǎo)通。圖2.39 mct等效電路及符號（a）p-mct結(jié)構(gòu)及等效電路；（b）n-mct結(jié)構(gòu)及等效電路當(dāng)門極相對于陽極加正電壓時，vt1導(dǎo)通，vt4截止，破壞了scr的擎住條件，從而使mct關(guān)斷。3參數(shù)定義由于mct是一種新器件，所以許多參數(shù)要重新定義：（1）擊穿電壓。沒有觸發(fā)時mct連續(xù)承受的最大電壓。（2）正向壓降。150 時額定峰值電流下的正向壓降。（3）結(jié)溫。在標(biāo)準(zhǔn)的塑料外殼場合規(guī)定為150 。4電壓和電流目前已有100 a/1 000 v、du/dt=20 000 v/s、di/dt=20 000 a/s、toff的產(chǎn)品，研制水平已高達(dá)3 000

15、 v。目前產(chǎn)品的電流為500 a1 000 a。提高電流的主要手段是增加芯片尺寸和最佳設(shè)立。迄今0.4 cm2芯片（有效區(qū)）可關(guān)斷200 a電流（150 ），在一光控模塊中，幾個芯片并聯(lián)已可關(guān)斷600 a以上的電流。由于mct是用dmosfet工藝制得，所以芯片尺寸不能無限制地增大，因此更大電流的mct期望由多芯片并聯(lián)而成。初步實驗發(fā)現(xiàn)，在12個芯片并聯(lián)模塊中，電流分布的平均性在10% 之內(nèi)。還發(fā)現(xiàn)器件的的電流基本上不受通態(tài)損耗發(fā)熱的限制，而受高溫、峰值電流的限制。通過off-fet溝道密度的幾何圖形設(shè)計，可控制電流容量。5開關(guān)速度mct的開通延遲時間和開通電流上升時間非?？?。對許多帶onfe

16、t的單胞，如果不受門極驅(qū)動上升時間的限制，開通時間約為一個基區(qū)渡越時間（數(shù)十納秒），用這種設(shè)計，mct達(dá)到最終的通態(tài)電壓，基本上不存在di/dt的限制。6工作溫度mct的工作溫度范圍為200 300 ，由于反相漏電緣故（每隔10 或12 增大一倍），實際的溫度上限為250 270 。7安全工作區(qū)（soa）圖2.40為mct在沒有吸收回路時的安全工作區(qū)（150 ）。它與外殼、散熱器、電流和工作周期由關(guān)。當(dāng)工作電壓超過soa范圍時，mct可能會被損壞；而當(dāng)峰值可控電流超過soa時mct不會像其他大部分功率開關(guān)那樣損壞，而只是不能用門極關(guān)斷而已，因此mct的短路保護(hù)相當(dāng)簡單，只需熔斷絲之類即可。2.

17、7.2 mct與其他器件的比較表2.1 各種全控型電力半導(dǎo)體器件的比較器件參數(shù)gtrmosfetigbtgtomct連續(xù)電流密度a/cm2804013016075150150200峰值電流密度a/cm2120160100200400150 300關(guān)斷功率密度kva/cm260200120101545正向損耗：u(v)額定電流時10%額定電流時2.01.2570.50.73.51.81.82.511.51.20.7開關(guān)損耗導(dǎo)通時間s關(guān)斷時間s1.02.00.10.10.150.350.52.00.42.00.141.2擊穿電壓v5005005001200275關(guān)斷soa較好好較好差差成本較低較高

18、中最高最低500v器件；測量值；無吸收回路運(yùn)行；預(yù)測值。通過上述比較可得出mct優(yōu)點：（1）電壓、電流容量大（擊穿電壓3 000 v，峰值電流1000a，最大關(guān)斷電流密度6 000 a/cm2）。（2）通態(tài)壓降小（為igbt的1/3，約1.1 v）。（3）有極高di/dt（20 000 a/s ）的及du/dt（20 000 v/s ）。（4）開關(guān)速度快，開關(guān)損耗小（開通時間200 ns，可在于2s時間內(nèi)關(guān)斷1 000 v電壓）。（5）工作溫度高，在200 以上。（6）對恒定的電容值，mct無密勒效應(yīng)，因而可大大簡化門極驅(qū)動設(shè)計，增加門極驅(qū)動的可靠性。（7）即使關(guān)斷失效，mct也不會損壞。2.

19、8 功率集成電路（pic）功率集成電路pic（power-ic）包括高壓功率集成電路（hvic）、智能功率集成電壓（smart power-ic）和功率專用集成電路，簡稱spic，也有人認(rèn)為spic屬于hvic，1981年美國試制出第一個pic。hvic可達(dá)到500 v/600 ma，用于平板發(fā)光顯示驅(qū)動裝置和長途電話的功率變換裝置。sic水平為110 v/13 a及500 v/0.5 a，用于電動機(jī)的驅(qū)動。目前單片電路中最高水平擊穿電壓1 200 v輸出電流40 a。最近出現(xiàn)的智能功率模塊ipm在20 khz高頻程序下可承受ac200 v/400 v電壓、最大容量可達(dá)55 kw。從電壓、電流

20、來看，pic可分為三個領(lǐng)域：（1）低壓大電流pic，主要用于汽車點火、開關(guān)電源和同步發(fā)電機(jī)等。（2）高壓小電流pic，主要用于平板顯示、交換機(jī)等。（3）高壓大電流pic，主要用于交流電機(jī)控制、家用電器等。pic是電力半導(dǎo)體技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，其根本特征是使動力與信息結(jié)合，成為機(jī)和電的接口，是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)元件。2.8.1 pic技術(shù)將輸出的功率器件及其驅(qū)動電路、保護(hù)電路和接口電路等外圍電路集成在一個或幾個芯片上，就稱作功率集成電路，也稱作智能功率集成電路。圖2.43為功率集成電路的典型構(gòu)成。1pic的分類與發(fā)展2spic的基本功能3spic的開發(fā)和應(yīng)用2.8.2 智能功率模塊(ipm

21、)智能功率模塊（ipm）又稱智能集成電路，是電力集成電路的一種。ipm是以igbt為基本功率開關(guān)元件，構(gòu)成一相或三相逆變器的專用功能模塊，尤其適合于電動機(jī)變頻調(diào)速裝置的需要。圖2.45為ipm模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖2.45 采用ipm制作的逆變器框圖2.9 電力電子器件的冷卻與保護(hù)2.9.1 電力電子器件的冷卻2.9.1.1 冷卻的重要性除了電學(xué)性能外，電力電子器件的熱學(xué)特性和參數(shù)也同樣重要，為了保證電力電子器件的正常運(yùn)行，冷卻是不可缺少的。作為電力電子器件核心的pn結(jié)，性能與溫度密切相關(guān)，結(jié)溫過高，會使pn結(jié)特性退化或喪失，導(dǎo)致器件的許多特性和參數(shù)發(fā)生變化，甚至使器件永久燒壞，與最高允許結(jié)溫tj

22、m相對應(yīng)，規(guī)定了器件的最大允許耗散功率。電力電子器件必須限制最高結(jié)溫才能正常工作，一般情況下，整流管結(jié)溫不超過150 ，gto不超過125 ，gtr不超過150 ，功率mosfet不超過150 ，所以必須采取冷卻措施。電力機(jī)車的主電路和輔助電源回路廣泛采用了大功率的電力電子器件，冷卻措施也更加重要。1結(jié)溫與gto特性的關(guān)系圖2.48 開關(guān)特性與溫度的關(guān)系曲線圖2.47 陽極平均電流與結(jié)溫相互關(guān)系曲線圖2.46 pn結(jié)熱擊穿效應(yīng)示意圖2結(jié)溫與gtr特性的關(guān)系3結(jié)溫與mosfet特性的關(guān)系2.9.1.2 散熱原理散熱途徑有熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對流三種方式。電力電子器件通過電流時產(chǎn)生的熱量使管芯發(fā)熱、

23、結(jié)溫升高。管芯發(fā)熱后一般通過熱 傳導(dǎo)方式向周圍散熱。1穩(wěn)態(tài)熱路圖與熱阻管芯內(nèi)溫度最高的部位在pn結(jié)上。熱量從pn結(jié)通過管殼、散熱器傳至環(huán)境介質(zhì)中。當(dāng)管芯上每秒消耗功率產(chǎn)生的熱量與每秒散發(fā)出去的熱量相等時，管芯的溫度就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)溫不再升高。根據(jù)器件內(nèi)熱量的傳導(dǎo)過程可以畫出等效熱路圖，以gto為例的穩(wěn)態(tài)等效熱路圖如圖2.49所示。圖2.49 穩(wěn)態(tài)等效熱路圖熱路圖與電路圖很相似。功率p相當(dāng)于熱流，與電流類似；溫升t與電壓相似；熱阻r與電阻相似。功耗、溫升和熱阻之間的關(guān)系和歐姆定律相似。即p=t/r （2.22）式中 p恒定耗散功率，w； t兩端溫差，t=tjta；tj、ta分別代表結(jié)溫和環(huán)境溫

24、度；r結(jié)至環(huán)境介質(zhì)的熱阻，/ w。器件散熱時的總熱阻r由以下幾部分組成：pn結(jié)至外殼的熱阻rje、外殼至散熱器的熱阻rcs以及散熱器至環(huán)境介質(zhì)的熱阻rsa，其中rje也稱內(nèi)熱阻，其他兩項稱為外熱阻。器件總熱阻r為r=rje+rcs+rsa （2.23）2瞬態(tài)熱路圖和瞬態(tài)熱阻抗由于器件具有熱容量，升溫或降溫都有一個瞬態(tài)過程，像支流電路中的瞬態(tài)過程一樣，可以用瞬態(tài)熱路圖來分析。圖2.50為恒定耗散功率作用下物體升溫過程的示意圖及其相應(yīng)的瞬態(tài)熱路圖。圖2.50 恒定耗散功率下物體的升溫過程（a）升溫過程示意圖；（b）升溫過程舜態(tài)熱路圖由圖可知，升溫過程中，溫升t的變化規(guī)律可用指數(shù)曲線來描繪，其方程為

25、 t= tjm（1e-t/t） （2.24） tjm=pr t=rcz= rq（1e-t/t） （2.25）瞬態(tài)熱阻隨通電的時間變化，常用曲線來表示，因此瞬態(tài)熱阻抗又稱熱阻抗曲線。器件或散熱器給出的曲線由實測法而得。圖2.51給出了電子器件用相對值r（tp）表示的熱阻抗曲線。r（tp）可用下式表示： r（tp）=z（tp，）/ rjc （2.26）式中 rjc器件的pn結(jié)至外殼的穩(wěn)態(tài)熱阻。由圖可知，熱阻抗是起講導(dǎo)通時間tp和負(fù)載功率占空比的函數(shù)。占空比定義為：= tp /t式中 t器件的導(dǎo)通時間tp與關(guān)斷時間toff之和。也就是說，不同的功率導(dǎo)通脈寬和不同的占空比對應(yīng)著不同的r（tp），進(jìn)而有

26、不同的熱阻抗值。在給定tp和可查得z（tp，），于是可的出在峰值耗散功率pp時的溫升為 tjmtc=pp z（tp，） （2.27）式中 tjm器件的最高運(yùn)行結(jié)溫；tc器件的殼溫。3熱阻和瞬態(tài)熱阻抗的應(yīng)用電力電子自關(guān)斷器件多使用于開關(guān)狀態(tài)，其工作波形一般為方波，確定器件最高結(jié)溫時必須考慮工作頻率、負(fù)載電流占空比以及方波脈沖的寬度。具體示例如圖2.52所示。圖2.52（a）為低頻工作時的方波脈沖列，其工作頻率為20hz，脈沖寬度tp =10 ms，占空比=0.2，峰值功率為100 w，在這種條件下，結(jié)溫的波形很大，設(shè)計者需要考核的是器件最高結(jié)溫，而不是平均結(jié)溫。這時要用瞬態(tài)熱阻抗的概念，而不用熱

27、阻的概念。圖2.52（b）為高頻工作時的方波脈沖列，占空比=0.2，峰值功率仍為100 w，但工作頻率提高到200 hz，脈沖寬度為1 ms，在這種情況下，結(jié)溫的波動已大為減小，這是由于器件熱慣性所致。如果工作頻率增加到1khz，占空比=0.2，結(jié)溫的波動將更小，峰值結(jié)溫幾乎等于平均結(jié)溫，這時用穩(wěn)態(tài)熱阻的概念即可，不必再用瞬態(tài)熱阻抗的概念。由此可以看出，對方波脈沖列選用器件及散熱器時，要注意工作頻率、占空比的變化，并視具體情況而決定用熱阻還是用瞬態(tài)熱阻抗。圖2.52 方波脈沖列的溫升（a）低頻工作時的方波脈沖列；（b）高頻工作時的方波脈沖列2.9.1.3 冷卻措施對器件的應(yīng)用者來說，為了限制結(jié)

28、溫，可在減少熱阻方面采用措施，即減少接觸熱阻rcs和散熱器熱阻rsa。1接觸熱阻rcs電力電子器件的正常運(yùn)行，在很大程度上取決于器件與散熱器之間的裝配質(zhì)量。散熱器安裝臺面必須與電力電子器件很好接觸，形成良好的導(dǎo)電面和導(dǎo)熱面。由于電力電子器件質(zhì)量、使用條件、外形結(jié)構(gòu)及品種不同，所以散熱器的安裝形式也各不相同。但是，電力電子器件管殼與散熱器之間的溫差和接觸熱阻rcs值，必須控制在規(guī)定數(shù)值以下。（1）接觸熱阻與器件封裝形式的關(guān)系（2）接觸熱阻與安裝力的關(guān)系 圖2.53 接觸熱阻與鎖緊力矩的關(guān)系曲線 2.54 接觸熱阻與平板式器件安裝壓力的關(guān)系曲線2散熱器熱阻rsa散熱器熱阻是指從散熱器至環(huán)境介質(zhì)的熱

29、阻，它與散熱器的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、表面顏色、安裝位置以及環(huán)境冷卻方式等因素有關(guān)。圖2.55 散熱器的典型數(shù)據(jù)圖2.55給出常用散熱器的形狀及其相關(guān)參數(shù)對而阻的影響。其中圖2.55（a）為散熱器截面圖；圖2.55（b）為黑色表面散熱器的長度l與熱阻rsa的關(guān)系曲線；圖2.55（c）為表面陽極氧化散熱器的耗散功率p與溫升t在不同長度下的關(guān)系曲線；圖2.55（d）為黑色時溫升t在不同長度下的關(guān)系曲線。由圖可知，散熱器長度增加，熱阻rsa減少，但長度增加到一定程度，熱阻rsa下降很小。散熱器表面涂黑比表面陽極化處理后散熱效果更好。3散熱器的常用冷卻方式散熱器的常用冷卻方式分為四種：自冷、風(fēng)冷、液冷和沸騰冷卻

30、。自冷是通過空氣自然對流及輻射作用將熱量帶走的散熱方式。這種方式散熱效率很低，但簡單、維護(hù)方便、噪音小，適用于額定電流較小的器件或簡單裝置。風(fēng)冷散熱器是自冷散熱效率的24倍。圖2.56所示為風(fēng)冷式風(fēng)速與熱阻之間的關(guān)系曲線，在裝置內(nèi)部的冷卻風(fēng)速，通常小于6 m/s。城市軌道交通車輛的散熱器通常充分利用走行風(fēng)冷卻。水冷散熱器的散熱效率很高，其對流換熱系數(shù)等于空氣自然換流系數(shù)的150倍以上。這種散熱器一般適用于電流容量在500 a以上的器件。油冷散熱器的散熱效率在水冷散熱器與風(fēng)冷散熱器之間，冷卻介質(zhì)多用變壓器油。圖2.56 風(fēng)速與熱阻的關(guān)系曲線沸騰冷卻將冷卻媒質(zhì)（氟力昂）放在密閉容器中，通過媒質(zhì)的相

31、變來進(jìn)行冷卻。沸騰冷卻裝置即熱管的冷卻效率極高，體積比同容量油冷和自冷裝置小得多。2.9.1.4 熱管的原理與應(yīng)用 電力機(jī)車的主回路和輔助回路的大功率電力電子器件，已經(jīng)普遍應(yīng)用熱管作高效的冷卻。1熱管的工作原理與同樣直徑的銀棒相比，利用沸騰冷卻原理的熱管，等價熱傳導(dǎo)率要高5001 000倍，是超級熱傳導(dǎo)器件。同樣大小的銅棒和熱管散熱效果對比如圖2.57所示。熱管是先將金屬管抽成真空，再將少量工作介質(zhì)密封，利用液體在管子內(nèi)壁的沸騰、冷凝及毛細(xì)管作用，形成的散熱系統(tǒng)。熱管的一般工作原理如圖2.58所示。當(dāng)管子的一端加熱時，由于管子內(nèi)部的低壓狀態(tài)，液體在低溫下沸騰，產(chǎn)生的蒸汽形成壓力波，以音速移動到

32、另一端，冷卻、冷凝釋放熱量。冷凝液通過毛細(xì)管作用回到加熱端，再次沸騰、蒸發(fā)，向冷端運(yùn)動。這一循環(huán)無需外力而反復(fù)進(jìn)行，因此與普通的金屬傳熱相比，熱管可以在較小的溫差下，快速地帶走很多熱量。圖2.57 同樣大小銅棒與熱管散熱效果對比（a）輸入熱功率與兩端溫差；（b）經(jīng)過時間與上端溫度圖2.58 絕緣型熱管的一般工作原理熱管的散熱能力受蒸汽的黏性、揮發(fā)，液體的沸騰，毛細(xì)管現(xiàn)象，動作溫度和散熱能力等種種限制。在電力電子器件領(lǐng)域應(yīng)用的熱管的散熱能力主要受液體的毛細(xì)管現(xiàn)象限制。熱管的最大散熱量與液體的merit數(shù)nt成正比。nt表示工作介質(zhì)的特性，液體的表面張力、蒸發(fā)熱容量越大，黏度越小，nt越大。用于一

33、般電機(jī)電器的熱管中，水的nt值最大?？紤]電氣絕緣，電力機(jī)車一般采用電氣絕緣性能良好的氟利昂作為工作介質(zhì)。絕緣型熱管抽真空后加入工作介質(zhì)，為了產(chǎn)生毛細(xì)管作用，熱管內(nèi)壁刻有溝槽。熱管內(nèi)部工作介質(zhì)也是電氣絕緣的。半導(dǎo)體元件通電后發(fā)熱，熱管內(nèi)部的工作介質(zhì)液體沸騰汽化變?yōu)檎羝瑤ё咴臒崃渴乖鋮s；而工作介質(zhì)蒸汽上升，到達(dá)散熱區(qū)，由外界撒氣（走行風(fēng)）冷卻、液化、回流，回到吸熱區(qū)，利用走行風(fēng)進(jìn)行冷卻，如圖2.59所示。2冷卻單元半導(dǎo)體元件的冷卻利用了絕緣型熱管和走行風(fēng)自然冷卻。絕緣型熱管的散熱器與風(fēng)扇之間用絕緣子絕緣，元件部分和風(fēng)扇部分用擋板隔離，散熱風(fēng)扇的通風(fēng)、沖涮清洗都很方便。為了減少線路電感的影

34、響，緩沖電路和電容都應(yīng)盡可能安裝在gto模塊附近。在最靠近熱管根部的擋板安裝溫度傳感器或溫度繼電器。3工作介質(zhì)的選擇為了安裝半導(dǎo)體模塊，不僅要考慮容器的大小和尺寸，還要考慮容器內(nèi)部應(yīng)用足夠的強(qiáng)度。圖2.59 利用走行風(fēng)的冷卻工作介質(zhì)的壓強(qiáng)與溫度關(guān)系曲線如圖2.60所示，選定使用溫度較低的工作介質(zhì)“氟利昂”，在工作溫度7080 時，壓強(qiáng)為98.1196.2 kpa；在10 時，壓強(qiáng)為8.83 kpa。因此，包括容器和冷凝器的冷卻系統(tǒng)，對氣密性要求很高，焊接和使用必須注意。為了保護(hù)冷卻容器，冷卻單元設(shè)置了開關(guān)，通過容器的外壁檢測溫度，當(dāng)超過規(guī)定 時端開主回路。并設(shè)置了安全閥，可以在最惡劣的情況下泄

35、放壓力。2.9.2 電力電子器件的保護(hù)圖2.60 壓強(qiáng)與溫度的關(guān)系曲線與一般電工產(chǎn)品相比，電力電子器件承受過電壓、過電流的能力要弱得多，極短時間的過電壓和過電流就會導(dǎo)致器件永久性的損壞。因此電力電子電路中過電壓和過電流的保護(hù)裝置是必不可少的，有時還要采取多種保護(hù)措施。 2.9.2.1 過電壓的保護(hù)圖 2.61 交流側(cè)過電壓1. 電源側(cè)過電壓的產(chǎn)生 電力電子設(shè)備一般都經(jīng)變壓器與交流電網(wǎng)連接，電源變壓器的繞組與繞組、繞組與地之間都存在著分布電容，如圖 2.61 所示。變壓器一般為降壓型，即電源電壓 u1高于變壓器次級電壓u2。電源開關(guān)s斷開時，初、次級繞組均無電壓，繞組間分布電容電壓也為0，當(dāng)電源

36、合閘時，由于電容兩端電壓不能突變，電源電壓通過電容加在變壓器次級，使得變壓器次級電壓超出正常值，它所連接的電力電子設(shè)備將受到過電壓的沖擊。 在進(jìn)行電源拉閘斷電時也會造成過電壓，在通電的狀態(tài)將電源開關(guān)斷開將使激磁電流 從一定的數(shù)值迅速下降到0，由于激磁電感的作用，電流的劇烈變化將產(chǎn)生較大的感應(yīng)電勢， 其值為ldi/dt，在電感一定的情況下，電流的變化率越大，產(chǎn)生的過電壓也越大。這個電勢的大小與拉閘瞬間電流的數(shù)值有關(guān)，在正弦電流的最大值時斷開電源，產(chǎn)生的di/dt最 大，過電壓也就越大?？梢?，合閘時出現(xiàn)的過電壓和拉閘時出現(xiàn)的過電壓其產(chǎn)生機(jī)理是完全不同的。在電力電子設(shè)備的負(fù)載電路一般都為電感性，如果

37、在電流較大時突然切除負(fù)載，電路中會出現(xiàn)過電壓，熔斷器的熔斷也會產(chǎn)生過電壓。另外電力電子器件的換相也會使電流迅速變化，從而產(chǎn)生過電壓。上述過電壓大都發(fā)生在電路正常工作的狀態(tài)，一般叫做操作過電壓。雷電和其它電磁感應(yīng)源也會在電力電子設(shè)備中感應(yīng)出電勢，從而造成過電壓。這類過電壓發(fā)生的時間和幅度的大小都是沒有規(guī)律的，是難以預(yù)測的。 2. 過電壓保護(hù)措施 （1）阻容保護(hù) 過電壓的幅度一般都很大，但是其作用時間一般卻都很短暫，即過電壓的能量并不是很大的。利用電容兩端的電壓不能突變這一特點，將電容器并聯(lián)在保護(hù)對象的兩端，可以達(dá)到過電壓保護(hù)的目的，這種保護(hù)方式叫做阻容保護(hù)。起保護(hù)作用的電容一般都與電阻串聯(lián)，這樣

38、可以在過電壓給電容充電的過程中，讓電阻消耗過電壓的能量，還可以限制過電壓時產(chǎn)生的瞬間電流。并且r的接入還能起到阻尼作用，防止保護(hù)電容和電路的電感所形、成的寄生振蕩。圖 2.62為電源側(cè)阻容保護(hù)原理圖，電容越大，對過電壓的吸收作用越明顯。 在圖2.62中，圖（a）為單相阻容保護(hù)，阻容電路直接跨接在電源端，吸收電源過電壓。 圖 2.62（b）為星形三相阻容保護(hù)電路，平時電容承受電源相電壓， 2.62（c） 為三角形三相阻容保護(hù)電路，平時電容承受電源相電壓。顯然，三角形接線方式電容的耐壓要為星形接線的3倍。（a） （b） （c）圖 2.62 阻容保護(hù)（a）單相阻容保護(hù)電路；（b）星形三相阻容保護(hù)電路

39、；（c）三角形三相阻容保護(hù)電路但是無論哪種接線，對于同一電路，過電壓的能量是一樣的，電容的儲能也應(yīng)該相同，所以星形接線的電容容量應(yīng)為三角形的3倍。也就是說兩種接線方式電容容量和耐壓的乘積是相同的。（2）整流式阻容保護(hù) 阻容保護(hù)電路的rc 直接接于線路之間，平時支路中就有電流流動，電流流過電阻必然要造成能量的損耗并使電阻發(fā)熱。為克服這些缺點可采用整流式阻容rc保護(hù)電路，其電路如圖2.63所示。 經(jīng)三相交流電經(jīng)二極管整流橋變?yōu)槊}動直流電，r1給c充電，電路正常工作無過電壓時電容兩端保持交流電的峰值電壓，而后整流橋僅給電容回路提供微弱的電流，以補(bǔ)充電容放電所損失的電荷。由于與c并聯(lián)的r2 阻值很大，電容的放電非常慢，因此整流橋輸出的電流也非常小。一旦出現(xiàn)過電壓，過電壓的能量被電容吸收，電容的容量足夠大，可以保證此時電容電壓的數(shù)值在允許范圍之內(nèi)，從而也使交流電壓不超過規(guī)定值。過電壓消失后，電容經(jīng)r2放電使兩端電壓恢復(fù)到交流電正常時的峰值。由此可以看出，r2越大整個電路的功耗越小，但過電壓過后電容電壓恢復(fù)到正常值的時間也越長， 因此大小受到兩次過電壓時間最小間隔的限制。 （3）非線性元件保護(hù) 圖2.63 整流式阻容保護(hù)電路常用的非線性保護(hù)元件有壓敏電阻和硒堆，它們的共同特點是其兩端所加電壓的絕對值