城市軌道交通車輛電氣控制 課件2-1任務(wù)1常用電力電子器件認知

常用電力電子器件認知目錄門極關(guān)斷晶閘管（GTO）13功率集成電路(PIC)2絕緣柵雙極晶體管(IGBT)4智能功率模塊(IPM)學習目標1.了解電力電子器件的分類。2.掌握GTO、IGBT的結(jié)構(gòu)及工作原理。3.了解智能功率模塊的特點。常用電力電子器件認知

電力電子器件（PowerElectronicDevice）又稱為功率半導(dǎo)體器件，可直接用于主電路中，實現(xiàn)電能變換和控制的大功率電子器件（通常指電流為數(shù)十至數(shù)千安，電壓為數(shù)百伏以上），一般工作在開關(guān)狀態(tài)。常用電力電子器件認知（一）按能夠被控制信號控制的程度分為：

不可控器件半控型器件全控型器件常用電力電子器件認知（二）按電力電子器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況可以分為：

（三）按照控制端驅(qū)動電路的電信號性質(zhì)分：

123單極型器件復(fù)合型器件雙極型器件電流驅(qū)動型電壓驅(qū)動型常用電力電子器件認知電力電子器件是構(gòu)成電力電子設(shè)備的核心，城市軌道交通車輛上應(yīng)用電力電子器件總?cè)萘看?、技術(shù)要求先進，可靠性要求高，電力電子設(shè)備的發(fā)展水平，很大程度上決定了城市軌道交通車輛電力牽引發(fā)展的技術(shù)水平。

門極關(guān)斷晶閘管（GTO）01門極可關(guān)斷晶閘管

門極可關(guān)斷晶閘管（GateTurn-offThyristor）是一種具有自關(guān)斷能力的晶閘管，是晶閘管的一種派生器件。GTO是一種比較理想的大功率開關(guān)器件。特點：既可用門極正信號觸發(fā)導(dǎo)通，又可用門極負信號觸發(fā)關(guān)斷，而不需要設(shè)置專門的強迫關(guān)斷電路，優(yōu)點：電路簡單，工作可靠，關(guān)斷損耗小。應(yīng)用：20世紀80年代末上海地鐵1號線車輛GTO的結(jié)構(gòu)GTO是PNPN四層三端的半導(dǎo)體器件。整個管芯密封后裝在散熱器上。一種多元的功率集成器件。GTO實物外形圖陽極A門極G陰極KGTO圖形符號GTO的結(jié)構(gòu)GTO的結(jié)構(gòu)（a）GTO芯片（b）GTO剖面（c）GTO立體結(jié)構(gòu)內(nèi)部包含了數(shù)十個甚至是數(shù)百個共陽極的小GTO單元，這些GTO元的陰極和門極在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。GTO的工作原理PNP型三極管NPN型三極管GTO內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖把中間的兩層N1和P1分為兩部分，構(gòu)成一個PNP型三極管和一個NPN型三極管的復(fù)合管。GTO的工作原理GTO元件的等效電路電流放大系數(shù)每個晶體管的集電極電流同時是另一個晶體管的基極電流。當陽極加正向電壓，門極同時加正觸發(fā)信號時，就會形成強烈的正反饋，使GTO導(dǎo)通。關(guān)斷GTO時，給門極加上負電壓，晶體管PNP的集電極電流被抽出來形成門極負電流-，由于集電極電流被抽走，使晶體管NPN基極電流減小，進而使其集電極電流也減小，于是引起的進一步下降，如此不斷循環(huán)下去，最后使GTO的陽極電流為零而關(guān)斷。

絕緣柵雙極晶體管(IGBT)02絕緣柵雙極晶體管

絕緣柵雙極晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor—IGBT）可視為雙極型電力晶體管與功率場效應(yīng)晶體管的復(fù)合。。發(fā)展：20世紀90年代起發(fā)展迅速，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，占據(jù)主導(dǎo)地位，并很快取代該領(lǐng)域內(nèi)的GTO。優(yōu)點：既具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點，又有通流能力強、耐壓高的優(yōu)點。使用：1995年以后國內(nèi)外生產(chǎn)的地鐵或輕軌車輛輔助系統(tǒng)幾乎都是采用IGBT器件IGBT的基本結(jié)構(gòu)N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)IGBT是以MOSFET為驅(qū)動器件，GTR為主導(dǎo)器件的達林頓電路結(jié)構(gòu)器件，這種結(jié)構(gòu)稱N-IGBT即N溝道型的IGBT。相當于一個由場效應(yīng)管MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)GTRIGBT的簡化等效結(jié)構(gòu)圖N溝道型MOSFETPNP型GTR厚基區(qū)GTR的基區(qū)內(nèi)電阻IGBT的基本結(jié)構(gòu)N-IGBT圖形符號集電極C柵極G發(fā)射極E用P溝道型MOSFET作為控制器件，稱P-IGBT型器件P-IGBT型器件，圖形符號中的箭頭方向相反。IGBT的工作原理反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動方法和MOSFET基本相同。IGBT的開關(guān)作用受柵極控制，N溝道型的IGBT的柵極加正偏置并且數(shù)值上大于開啟電壓IGBT內(nèi)的MOSFET源極與漏級之間感應(yīng)產(chǎn)生一條N型導(dǎo)電溝道，MOSFET開通IGBT導(dǎo)通

功率集成電路(PIC)03功率集成電路(PIC)將輸出的功率器件及其驅(qū)動電路、保護電路和和接口電路等外圍電路集成在一個或幾個芯片上，稱為功率集成電路，也稱作智能功率集成電路。功率集成電路PIC（Power-IC）包括高壓功率集成電路（HVIC）功率專用集成電路智能功率集成電壓（SmartPower-IC）

功率集成電路最重要的部分是處理大電流和高電壓的功率器件。對于PIC，有的定義規(guī)定至少能流過電流1A，或輸出電壓>50V，但大多數(shù)定義必須>1W(或2W)。功率集成電路(PIC)比起最小功率額定值來，確定PIC的智能化就比較困難了。所謂“智能化”是指控制功能、接口能力及對故障的診斷、處理或自保護功能。不管是單片電路還是混合電路，都具有一定的自保護功能。由于功率電路都包含在單一的封裝中，因此還具有尺寸小、可靠性高、使用方便等特點。功率集成電路的典型構(gòu)成PIC的分類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，成為機和電的接口，是機電一體化的基礎(chǔ)元件。從電壓、電流來看，PIC可分為三個領(lǐng)域：低壓大電流PIC，主要用于汽車點火、開關(guān)電源和同步發(fā)電機等。高壓小電流PIC，主要用于平板顯示、交換機等。高壓大電流PIC，主要用于交流電機控制、家用電器等。PIC的發(fā)展隨著半導(dǎo)體的發(fā)展和工藝技術(shù)的進步，PIC發(fā)展的動向必然是高壓化（100-1200V）和智能化。由于單片IC在耗電、散熱等方面的限制，將單個的器件組裝在一起形成模塊，從而驅(qū)動大的負載。隨著芯片制造技術(shù)的改進及成本的降低，PIC的單片化、模塊化已成為今后的發(fā)展方向。SPIC的功能SPIC（智能功率集成電路）的3個基本功能是功率控制、傳感/保護和接口。

功率控制部分具有處理高電壓大電流或兩者兼有的能力。其驅(qū)動電路一般被設(shè)計成能在直流30V下工作，這樣才能對MOS器件的柵極提供足夠的電壓。另外，驅(qū)動電路必須能夠使控制信號傳遞到高壓側(cè)。01SPIC的功能02

SPIC的保護電路一般是通過含有高頻雙極晶體管的反饋電路來完成。反饋環(huán)路的響應(yīng)時間對于良好的關(guān)斷是很關(guān)鍵的，由于在發(fā)生故障期間系統(tǒng)電流以很快的速度增加，因此這一部分需要由高性能模擬電路來實現(xiàn)。SPIC的功能

SPIC的接口功能是通過完成編碼操作的邏輯電路來實現(xiàn)的。SPIC芯片不僅需要對微處理機的信號作出反應(yīng)，而且也必須能夠傳送與工作狀態(tài)或負載監(jiān)測有關(guān)的信息，如過熱關(guān)斷、無負載或環(huán)路等。這需要在SPIC功率芯片上集成高密度的CMOS電路。為避免產(chǎn)生閉環(huán)現(xiàn)象，SPIC中CMOS電路的設(shè)計也比較復(fù)雜。03SPIC的應(yīng)用SPIC（智能功率集成電路）的應(yīng)用正在逐漸擴大，在電動機控制、工廠自動化和汽車電子學等方面都產(chǎn)生了重大的影響。

智能功率模塊(IPM)04

智能功率模塊

智能功率模塊（IntelligentPowerModule—IPM）又稱智能集成電路，是一種在IGBT基礎(chǔ)上再集成柵極驅(qū)動電路、故障檢測電路和故障保護電路的電力電子模塊。優(yōu)點：不僅減小了系統(tǒng)的體積以及開發(fā)時間，也大大增強了系統(tǒng)的可靠性，適應(yīng)了當今功率器件的發(fā)展方向—模塊化、復(fù)合化和功率集成電路(PIC)，在電力電子領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。IPM的結(jié)構(gòu)IPM由高速、低功率的IGBT芯片和優(yōu)選的門級驅(qū)動及保護電路構(gòu)成，根據(jù)內(nèi)部功率電路配置的不同可分為四類：H型(內(nèi)部封裝一個IGBT)D型(內(nèi)部封裝兩個IGBT)C型(內(nèi)部封裝六個IGBT)R型(內(nèi)部封裝七個IGBT)IPM的結(jié)構(gòu)IPM基本結(jié)構(gòu)為IGBT和反向并聯(lián)的二極管，并且內(nèi)置了驅(qū)動電路，過電流、過熱與短路等故障檢測保護電路。IPM內(nèi)部的驅(qū)動電路需要提供15V穩(wěn)定的驅(qū)動電源和開關(guān)控制信號來控制相應(yīng)的IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷。IPM結(jié)構(gòu)框圖內(nèi)部功能機制IPM內(nèi)置的驅(qū)動和保護電路使系統(tǒng)硬件電路簡單、可靠，縮短了系統(tǒng)開發(fā)時間，也提高了故障下的自保護能力。保護電路可以實現(xiàn)控制電壓欠壓保護、過熱保護、過流保護和短路保護。如果IPM模塊中有一種保護電路動作，IGBT柵極驅(qū)動單元就會關(guān)斷門極電流并輸出一個故障信號(FO)。各種保護功能具體如下：欠壓保護過熱保護過流保護短路保護內(nèi)部功能機制01欠壓保護IPM使用單一的+15V供電，若供電電壓低于12.5V，且時間超過=10ms，發(fā)生欠壓保護，封鎖門極驅(qū)動電路，輸出故障信號。02過熱保護在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝了一個溫度傳感器，當IPM溫度傳感器測出其基板的溫度超過溫度值時，發(fā)生過溫保護，封鎖門極驅(qū)動電路，輸出故障信號。內(nèi)部功能機制03過流保護若流過IGBT的電流值超過過流動作電流，且時間超過，則發(fā)生過流保護，封鎖門極驅(qū)動電路，輸出故障信號。04短路保護若負載發(fā)生短路或控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致短路，流過IGBT的電流值超過短路動作電流，則立刻發(fā)生短路保護，封鎖門極驅(qū)動電路，輸出故障信號。內(nèi)部功能機制IPM發(fā)生欠壓、過熱、過流、短路中任一故障故障輸出信號持續(xù)時間為1．8msIPM會封鎖門極驅(qū)動，關(guān)斷IPM故障輸出信號持續(xù)時間結(jié)束IPM內(nèi)部自動復(fù)位，門極驅(qū)動通道開放內(nèi)