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（Thyristor）

——通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件（IGBT,MOSFET)——通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信號來控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。一、電力電子器件的分類按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：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)斷的控制。電壓驅(qū)動(dòng)型

——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)電路信號的性質(zhì)，分為兩類：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，在大容量的場合具有重要地位。晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1、

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理二、晶閘管（a）螺栓形；（b）平板形；（c）晶閘管符號；（d）晶閘管的型號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。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)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)，J1、J2和J3，如圖所示。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。對三極管來T1說，P1N1為發(fā)射結(jié)J1，N1P2為集電結(jié)J2；對于三極管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)。當(dāng)A、K兩端加正電壓時(shí)（A接正，K接負(fù)），J1、J3結(jié)為正偏置，中間結(jié)為反偏置。晶閘管未導(dǎo)通時(shí)，加正壓時(shí)的外加電壓由反偏置的J2結(jié)承擔(dān)，而加反壓時(shí)的外加電壓則由J1、J3結(jié)承擔(dān)。如果晶閘管接入如圖（b）所示外電路，外電源EA正端經(jīng)負(fù)載電阻R引至晶閘管陽極A，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EG經(jīng)電阻Rs后接至晶閘管的門極G，如果T1（P1N1P2）的集電極電流分配系數(shù)為α1，T2（N1P2N2）的集電極電流分配系數(shù)為α2，注：此處電流分配系數(shù)α是指集電極電流與發(fā)射極電流的比值。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：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）（1-5）

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)：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，IA≈IK；則由外電路電源電壓US和負(fù)載電阻R限定，即IA≈IK≈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1~2V。

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）。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α1+α2≈1，由式可知IA≈IK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IA≈IK=EA/R。2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。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。晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：（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，位于第三象限的是反向伏安特性1）伏安特性圖1-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG0A-正向阻斷狀態(tài)；A—轉(zhuǎn)折點(diǎn)；Ub0—轉(zhuǎn)折電壓；UDRM—斷態(tài)重復(fù)值電壓；UDSM—斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓；H—關(guān)斷點(diǎn)；IH—維持電流；OP—反向阻斷狀態(tài)；P—擊穿點(diǎn)，UR0—擊穿電壓；

URSM—反向不重復(fù)峰值電壓；URRM—反向重復(fù)值電壓；（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）靜態(tài)特性圖1-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1）靜態(tài)特性圖1-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG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，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。

IH稱為維持電流。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IG2>IG1>IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性晶閘管的型號

Ｐ----普通,Ｋ—快速型，Ｓ—雙向型，Ｎ—逆導(dǎo)型，Ｇ—可關(guān)斷，LTT—光控

KP[電流]─[電壓/100][通態(tài)壓降組別

]KP500-12G0.9V<=UT(AV)<=1.0V;額定電壓為1200V;額定電流為500A 3、晶閘管的參數(shù)（1）額定電壓UR。在門極開路（IG=0），器件額定結(jié)溫度時(shí)，正向和反向折轉(zhuǎn)電壓的80%值稱為斷態(tài)正向重復(fù)峰值電壓UDRM和斷態(tài)反向重復(fù)峰值電壓URRM。UDRM和URRM這兩個(gè)電壓中較小的一個(gè)電壓值規(guī)定為該晶閘管的額定電壓UR。由于在電路中可能偶然出現(xiàn)較大的瞬時(shí)過電壓而損壞晶閘管，在實(shí)際電力電子變換和控制電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，通常按照電路中晶閘管正常工作峰值電壓的2~3倍的電壓值選定為晶閘管的額定電壓，以確保足夠的安全裕量。（2）晶閘管的額定電流IR。在環(huán)境溫度為40℃和規(guī)定的散熱冷卻條件下，晶閘管在電阻性負(fù)載的單相、工頻正弦半波導(dǎo)電，結(jié)溫穩(wěn)定在額定值125℃時(shí)，所對應(yīng)的通態(tài)平均電流值定義為晶閘管的額定電流IR

。晶閘管的額定電流也是基于功耗發(fā)熱而導(dǎo)致結(jié)溫不超過允許值而限定的。如果正弦電流的峰值為Im，則正弦半波電流的平均值為已知正弦半波的有效值（均方根值）為

由上兩式得到有效值為即產(chǎn)品手冊中的額定電流為IR=IAV=100A的晶閘管可以通過任意波形、有效值為157A的電流，其發(fā)熱溫升正好是允許值。在實(shí)際應(yīng)用中由于電路波形可能既非直流（直流電的平均值與有效值相等），又非半波正弦；因此應(yīng)按照實(shí)際電流波形計(jì)算其有效值，再將此有效值除以1.57作為選擇晶閘管額定電流的依據(jù)。當(dāng)然，由于晶閘管等電力電子半導(dǎo)體開關(guān)器件熱容量很小，實(shí)際電路中的過電流又不可能比避免，故在設(shè)計(jì)應(yīng)用中通常留有1.5~2.0的電流安全裕量。（3）維持電流IH。使晶閘管維持導(dǎo)通所必須的最小陽極電流。當(dāng)通過晶閘管的實(shí)際電流小于維持電流IH值時(shí)，晶閘管轉(zhuǎn)為斷態(tài)，大于此值時(shí)晶閘管還能維持其原有的通態(tài)。（4）擎住電流IL。晶閘管在觸發(fā)電流作用下被觸發(fā)導(dǎo)通后，只要管子中的電流達(dá)到某一臨界值時(shí)，就可以把觸發(fā)電流撤除，這時(shí)晶閘管仍然自動(dòng)維持通態(tài)，這個(gè)臨界電流值稱為擎住電流IL

。擎住電流IL和維持電流IH都隨結(jié)溫的下降而增大。但是請注意，擎住電流和維持電流在概念上是不同的。通常擎住電流IL要比維持電流IH大2~4倍。晶閘管的測試:萬用表測試法1、用萬用表的R*1K檔測陰極和陽極間正反向電阻均很大。2、用萬用表的R*10K檔測陰極和門極間正向電阻應(yīng)小于或接近于反向電阻。三、門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件?？梢酝ㄟ^在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用。門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）全控、雙極型電流驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)：由許多GTO元組成，每一個(gè)GTO元與晶閘管相似。與普通晶閘管的相同點(diǎn)：

PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。1、GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理（a）GTO芯片；（b）GTO剖面；

（c）GTO立體結(jié)構(gòu)

GTO外部同樣引出3個(gè)電極，但內(nèi)部卻包含數(shù)百個(gè)共陽極的小GTO，它們的門極和陰極分別并聯(lián)在一起。與SCR不同，GTO是一種多元的功率集成器件，這是為便于實(shí)現(xiàn)門極控制關(guān)斷所采取的特殊設(shè)計(jì)。GTO的陰極是由數(shù)百個(gè)細(xì)長的小條組成，每個(gè)小陰極均被門極所包圍。開通原理由一個(gè)GTO元等效電路可以看出，當(dāng)陽極加正向電壓，門極同時(shí)加正觸發(fā)信號時(shí)，GTO導(dǎo)通，

一個(gè)GTO元件的等效電路

顯然這是一個(gè)正反饋過程。當(dāng)流入的門極電流IG足以使晶體管N2P2N1的發(fā)射極電流增加，進(jìn)而使晶體管P1N1P2的發(fā)射極電流也增加時(shí)，α1和α2也增大。當(dāng)α1+α1>1之后，兩個(gè)晶體管均飽和導(dǎo)通，GTO則完成了導(dǎo)通過程?？梢?，GTO開通的必要條件是忽略漏流，此時(shí)注入門極的電流式中：IA——GTO的陽極電流；

IG——GTO的門極電流。（1-5）與前所述晶閘管的陽極電流公式相同當(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α1+α1>1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，該陽極電流也就消失。與α1+α1=1狀態(tài)所對應(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。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：設(shè)計(jì)

2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷。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。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。GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因:圖1-7晶閘管的工作原理關(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。陽極電流開始下降，于是α1和α2也不斷減小，當(dāng)α1+α2≤1時(shí)，器件內(nèi)部正反饋?zhàn)饔猛Ｖ?，稱此點(diǎn)為臨界關(guān)斷點(diǎn)。GTO的關(guān)斷條件為關(guān)斷時(shí)需要抽出的最大門極負(fù)電流－IGM為式中：IATO——被關(guān)斷的最大陽極電流；

IGM——抽出的最大門極電流。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βoff表示如下：βoff是一個(gè)重要的特征參數(shù)，其值一般為3~8。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：2、GTO的特性：（1）陽極伏安特性當(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GTO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，GTO即可自行開通。為了減小溫度對阻斷電壓的影響，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。GTO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。四、電力晶體管電力晶體管（GiantTransistor——GTR，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（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時(shí)候也稱為PowerBJT，與GTR名稱等效。

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。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)和工作原理圖1-15GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(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c)內(nèi)部載流子的流動(dòng)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（1-9）

——GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對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)林頓接法可有效增大電流增益?？昭麟娮恿鱟)EbEcibic=bibie=(1+b)ib1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理

(1)

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)、放大區(qū)和飽和區(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)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖1-16共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性2）GTR的基本特性電力MOSFET的種類

按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。

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——對于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。1）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理電力MOSFET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)。圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號截止：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MOSFET的工作原理（N溝道增強(qiáng)型VDMOS）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型而成為反型層，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。電力MOSFET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。使MOSFET開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般10~15V，使IGBT開通的驅(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-5~-15V）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。電力MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路:1.4.4

絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管