電力電子器件基礎(chǔ)

第2章電力電子器件根底機(jī)械工業(yè)出版社12.1電力電子器件及應(yīng)用2.2半導(dǎo)體功率器件的驅(qū)動與保護(hù)電路本章主要內(nèi)容機(jī)械工業(yè)出版社2◆電力電子器件的分類◆不可控器件——電力二極管

◆半控型器件——晶閘管

◆電力場效應(yīng)晶體管——電力MOSFET

◆絕緣柵雙極型晶體管——IGBT2.1電力電子器件及應(yīng)用機(jī)械工業(yè)出版社3電力電子器件的分類1、按可控性分類〔1〕不控型器件：不能用控制信號控制其導(dǎo)通和關(guān)斷的電力電子器件。如：功率二極管〔PowerDiode〕。機(jī)械工業(yè)出版社4〔2〕半控型器件：可以通過控制極〔門極〕控制器件導(dǎo)通，但不能控制其關(guān)斷的電力電子器件。晶閘管(Thyristor)及其大局部派生器件(除GTO及MCT—MOSFET控制晶閘管等復(fù)合器件外)，器件的關(guān)斷一般依靠其在電路中承受反向電壓或減小通態(tài)電流使其恢復(fù)阻斷。機(jī)械工業(yè)出版社5〔3〕全控型器件：既可以通過器件的控制極〔門極〕控制其導(dǎo)通，又可控制其關(guān)斷的器件。主要有：功率晶體管〔GTR〕、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、門極可關(guān)斷晶閘管〔GTO〕和電力場效應(yīng)晶體管(MOSFET)等。機(jī)械工業(yè)出版社62、按驅(qū)動信號類型分類(1)電流驅(qū)動型：通過對控制極注入或抽出電流，實(shí)現(xiàn)其開通或關(guān)斷的電力電子器件，如Thyrister，GTR，GTO等。(2)電壓驅(qū)動型：通過對控制極和另一主電極之間施加控制電壓信號，實(shí)現(xiàn)其開通或關(guān)斷的電力電子器件，如MOSFET，IGBT等。機(jī)械工業(yè)出版社7幾種典型的電力電子器件

不可控器件―電力二極管半控型器件―晶閘管電力場效應(yīng)晶體管―電力MOSFET絕緣柵雙極型晶體管―IGBT機(jī)械工業(yè)出版社81、不可控器件―電力二極管〔1〕根本特性：電力二極管承受的反向電壓耐力與陽極通流能力均比普通二極管大得多，它的工作原理和伏安〔V-A〕特性與普通二極管根本相同，都具有正向?qū)щ娦院头聪蜃钄嘈?。其電路符號和伏安特性如以下圖。圖2-1電力二極管電路符號及伏安〔V－A〕特性機(jī)械工業(yè)出版社9〔2〕電力二極管的主要參數(shù)正向平均電流IA(AV)：電力二極管在連續(xù)運(yùn)行條件時，器件在額定結(jié)溫和規(guī)定的散熱條件下，允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。反向重復(fù)峰值電壓URRM：指對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最頂峰值電壓，通常是雪崩擊穿電壓UB的2/3。正向通態(tài)壓降UA：在額定結(jié)溫下，電力二極管在導(dǎo)通狀態(tài)流過某一穩(wěn)態(tài)正向電流所對應(yīng)的正向壓降。正向壓降越低，說明其導(dǎo)通損耗越小。機(jī)械工業(yè)出版社102、半控型器件――晶閘管圖2-2晶閘管電路符號及伏安〔V－A〕特性優(yōu)點(diǎn)：晶閘管可以承受的電壓、電流在功率半導(dǎo)體中均為最高，具有價格廉價、工作可靠的優(yōu)點(diǎn)，盡管其開關(guān)頻率較低，但在大功率、低頻電力電子裝置中仍占主導(dǎo)地位。機(jī)械工業(yè)出版社11〔1〕根本特性：電流觸發(fā)特性：當(dāng)晶閘管A－K極間承受正向電壓時，如果G－K極間流過正向觸發(fā)電流，就會使晶閘管導(dǎo)通。單向?qū)щ娞匦裕寒?dāng)承受反向電壓時，此時無論門極有無觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。半控型特性：晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去作用；此時，不管門極電流是否存在、觸發(fā)電流極性如何，晶閘管都維持導(dǎo)通。要使導(dǎo)通的晶閘管恢復(fù)關(guān)斷，可對其A－K極間施加反向電壓或使其流過的電流小于維持電流〔IH〕。機(jī)械工業(yè)出版社12〔2〕主要參數(shù)額定電壓UT：晶閘管在額定結(jié)溫、門極開路時，允許重復(fù)施加的正、反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和URRM中較小的一個電壓值。正、反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM、URRM：晶閘管門極開路、器件在額定結(jié)溫時，允許重復(fù)加在器件上的正、反向峰值電壓。一般分別取正、反向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓〔UDSM、URSM〕的90%。通態(tài)平均電流IT(AV)：在環(huán)境溫度為40℃和規(guī)定的散熱條件下、穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時，晶閘管允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。這也是額定電流的參數(shù)。維持電流IH：維持晶閘管導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百mA。機(jī)械工業(yè)出版社13《低壓電網(wǎng)無功動態(tài)補(bǔ)償裝置研究工程》介紹。機(jī)械工業(yè)出版社143、電力場效應(yīng)晶體管―電力MOSFET〔1〕根本特性圖2-3電力MOSFET結(jié)構(gòu)圖和電路圖形符號機(jī)械工業(yè)出版社15a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性圖2-4電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性機(jī)械工業(yè)出版社164、絕緣柵雙極型晶體管――IGBT〔1〕根本特性：圖2-5IGBT電路符號圖形

是MOSFET與GTR的復(fù)合；優(yōu)點(diǎn)：兼有MOSFET驅(qū)動功率小、開關(guān)速度高和GTR通態(tài)壓降小，載流能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。UGE=0時IC=0，IGBT處于阻斷狀態(tài)〔斷態(tài)〕；UGE足夠大〔一般為5~15V〕，IGBT進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)〔通態(tài)〕，當(dāng)UCE大于一定值〔一般2V左右〕時IC>0。柵極發(fā)射極集電極機(jī)械工業(yè)出版社17〔2〕主要參數(shù)最大集射極間電壓UCES：該參數(shù)決定了器件的最高工作電壓，這是由內(nèi)部PNP晶體管所能承受的擊穿電壓確定的。最大集電極電流ICmax：包括在一定殼溫下的額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。最大集電極功耗PCM：在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。集射極間飽和壓降UCE(sat)：對柵極與發(fā)射極〔G-E〕間施加一定正向電壓，在一定的結(jié)溫及集電極電流下，集射極〔C-E〕間的飽和通態(tài)壓降。機(jī)械工業(yè)出版社18IGBT器件在軌道交通車輛中的應(yīng)用一、中國軌道交通的開展二、IGBT在軌道交通中的應(yīng)用市場三、IGBT的研制與規(guī)模化制造機(jī)械工業(yè)出版社192023年，國產(chǎn)運(yùn)營時速300-350公里高速動車組成功下線，并于北京奧運(yùn)會期間在京津城際鐵路投入運(yùn)營。一中國軌道交通的開展機(jī)械工業(yè)出版社201、鐵路運(yùn)輸新一代京滬高速動車組的時速到達(dá)380公里，到2023年全國約有800列高速動車組投入使用。2、城市軌道交通按照每公里平均6輛的密度計算，預(yù)計2023-2023年，全國的車輛年均需求約為3,600輛，遠(yuǎn)高于目前年均1,163輛的需求。到2023年，全國各大城市將建成、通車的線路約6000km，總投資在7000億元以上。機(jī)械工業(yè)出版社21二、IGBT在軌道牽引中的應(yīng)用交流傳動技術(shù)是現(xiàn)代軌道交通技術(shù)裝備的核心技術(shù)之一。在交流傳動系統(tǒng)中，牽引變流器是關(guān)鍵部件，而電力電子器件又是牽引變流器最核心的器件之一。“一代器件帶動一代應(yīng)用〞。目前，IGBT已成為軌道交通車輛牽引變流器和各種輔助變流器的主流電力電子器件。機(jī)械工業(yè)出版社22動車組牽引系統(tǒng)組成牽引變流器齒輪箱牽引電機(jī)牽引變壓器MVBCCU輔助變流器TCUACUWTB機(jī)械工業(yè)出版社23交流傳動機(jī)車及動車組變流器參數(shù)機(jī)械工業(yè)出版社24

鐵路和城市軌道車輛用牽引變流器所需IGBT較其他工業(yè)變流器用IGBT器件有更高要求，具體有如下幾方面：(1)、因需要很大的牽引功率，功率要求更高；(2)、要實(shí)現(xiàn)制動能量的回饋，IGBT內(nèi)反并聯(lián)二極管要求更大的容量；(3)、車載運(yùn)行環(huán)境相對地面靜止環(huán)境，在振動、沖擊等多方面更嚴(yán)；(4)、牽引系統(tǒng)特殊的負(fù)荷特性。鑒于IGBT對交流傳動技術(shù)的巨大促進(jìn)作用，龐巴迪、西門子、阿爾斯通、三菱等擁有先進(jìn)交流傳動系統(tǒng)技術(shù)的國外公司都有緊密的IGBT制造企業(yè)為之配套，投入大量資金，有效組織電力電子和微電子業(yè)界的專門人才進(jìn)行聯(lián)合開發(fā)，占據(jù)著高壓、大電流IGBT器件研發(fā)的制高點(diǎn)。機(jī)械工業(yè)出版社25隨著應(yīng)用的開展，IGBT技術(shù)的開展重點(diǎn)轉(zhuǎn)到模塊技術(shù)上來。IGBT模塊多以超大功率IGBT模塊與IGBT-IPM智能功率模塊為主。IGBT-IPM是以IGBT芯片為基體，內(nèi)含接口、傳感、保護(hù)和功率控制等功能電路的智能功率模塊。在軌道交通牽引應(yīng)用領(lǐng)域中，經(jīng)過市場的磨合，IGBT模塊的主要廠商集中到Infineon〔英飛凌〕、MITSUBISHI、ABB與TOSHIBA上。下表為幾種常用軌道交通牽引IGBT模塊的應(yīng)用情況。機(jī)械工業(yè)出版社26電壓定額電流定額制造廠家型號應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)例1200V300AABB5SNS0300U120100輔助變流器InfineonBSM300GA120DN2S1700V1600AABB5SNA1600N170100DC750供電地鐵、輕軌北京地鐵MITSUBISHICM1600HC-34HInfineonFZ1600R17KE3_B22400AABB5SNA2400E170100MITSUBISHICM2400HC-34NInfineonFZ2400R17KE3_B23300V800AABB5SNA0800N330100DC1500供電地鐵、輕軌上海地鐵等MITSUBISHICM800HC-66HInfineonFZ800R33KL2C_B5TOSHIBAMG800FXF1US531200AABB5SNA1200E330100DC1500供電的地鐵、輕軌及中間電壓為DC1800V動車領(lǐng)域CHR2動車組、HXD1大功率機(jī)車MITSUBISHICM1200HG-66HInfineonFZ1200R33KL2C_B5TOSHIBAST1200FXF224500V900AMITSUBISHICM900HB-90H中間電壓為DC2500V的機(jī)車、動車領(lǐng)域HXD3大功率機(jī)車TOSHIBAMG900GXH1US53WESTCODET0900EA45A6500V600AABB、Infineon5SNA0600G650100中間電壓為DC3500V的機(jī)車、動車領(lǐng)域HXD2大功率機(jī)車、CRH3動車組機(jī)械工業(yè)出版社27西門子在機(jī)車及動車組中應(yīng)用的模塊化功率單元〔水冷〕SIBAC@BBSx-1500SIBAC@BBSx-3000應(yīng)用于DC電壓1.2kv～3.6kv〔max4.3kv〕相電流300A～2000A最高開關(guān)頻率可達(dá)800～1000Hz機(jī)械工業(yè)出版社28ALSTOM6500V-600A：模塊化的功率單元，開關(guān)頻率可達(dá)1000Hz。機(jī)械工業(yè)出版社29動車組型號200km/h等級300km/h等級CRH1CRH2CRH5CRH3CRH2IGBT等級3300V/1200A3300V/1200A6500V/600A6500V/600A3300V/1200AIGBT數(shù)量（個/列）8080150128100動車組數(shù)量（列）10010080235100IGBT總量（個）80008000120003008010000動車組IGBT器件等級及數(shù)量機(jī)械工業(yè)出版社30我國目前在軌道交通市場應(yīng)用領(lǐng)域，商品化、規(guī)?；腎GBT制造廠家?guī)缀踹€處于初級開展階段，規(guī)?；闹圃炷芰缀踹€未形成，整個IGBT市場全部由國外廠商占據(jù)，基于IGBT器件的電力電子裝置中的利潤大頭也就由國外廠商獲得。因此，如不盡快掌握IGBT器件的批量制造技術(shù)，在某些關(guān)鍵領(lǐng)域大批量應(yīng)用的情況下，國外器件采購的煩瑣審批程序以及長周期、高價格勢必會嚴(yán)重阻礙我國電力電子裝置，特別是鐵路和城市軌道交通牽引動力設(shè)備的進(jìn)一步開展。機(jī)械工業(yè)出版社31三、研究與規(guī)?；圃鞕C(jī)械工業(yè)出版社32西安電力電子研究所株洲時代電子永濟(jì)新時速機(jī)械工業(yè)出版社33國內(nèi)IGBT器件的檢測能力嚴(yán)重缺乏IGBT器件的靜態(tài)電特性參數(shù)測試、動態(tài)開關(guān)特性測試、熱與機(jī)械參數(shù)測試以及電耐久性試驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)濕熱環(huán)境試驗(yàn)、振動試驗(yàn)、熱循環(huán)負(fù)載試驗(yàn)、電磁兼容等型式試驗(yàn)都需要不同的專用測試臺來進(jìn)行，這些專用測試臺目前大多需要進(jìn)口，而國內(nèi)微電子企業(yè)一般不具備這些測試試驗(yàn)?zāi)芰?。國?nèi)個別電力電子器件制造企業(yè)〔如株洲電力機(jī)車研究所、西安電力電子研究所等〕建有先進(jìn)的大功率器件檢驗(yàn)檢測中心，具備大功率晶閘管、IGCT器件全套測試試驗(yàn)?zāi)芰?，以及大功率IGBT器件的局部測試及可靠性試驗(yàn)?zāi)芰?，但是目前尚不具備高端IGBT器件的規(guī)?；圃炷芰?。三、IGBT的研究與規(guī)?；圃鞕C(jī)械工業(yè)出版社34研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化能力建設(shè)的經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重缺乏IGBT器件的芯片制造需要經(jīng)歷上百道工藝流程，這些工藝流程中上千個工藝變量規(guī)律的摸索需要大量的人員、設(shè)備與經(jīng)費(fèi)。由于人員與經(jīng)費(fèi)的限制，國內(nèi)研制的IGBT器件每次只能選擇局部工藝變量進(jìn)行試驗(yàn)，還有很多關(guān)鍵技術(shù)沒有解決，制造所需要的原材料與工裝的系統(tǒng)采購許多還沒有到位，這些離產(chǎn)業(yè)化的要求還有相當(dāng)長一段差距。為改變這種被動局面，IGBT器件的產(chǎn)業(yè)開展需要國家意志和國家行為發(fā)揮作用。機(jī)械工業(yè)出版社352.2半導(dǎo)體功率器件驅(qū)動與保護(hù)電路

實(shí)際的電力電子變換器是由主電路、驅(qū)動器及保護(hù)電路、控制電路、檢測與顯示電路等多個子系統(tǒng)構(gòu)成。驅(qū)動器接受控制系統(tǒng)輸出的控制信號，經(jīng)功率放大和隔離后，驅(qū)動功率開關(guān)器件的導(dǎo)通、關(guān)斷，是連接功率器件與控制系統(tǒng)的橋梁。由于半導(dǎo)體功率開關(guān)器件種類繁多，不同的開關(guān)器件對驅(qū)動器的性能要求不盡相同，典型的驅(qū)動器分為電流驅(qū)動型器件和電壓驅(qū)動型器件的兩大類驅(qū)動器。電流驅(qū)動型器件主要有SCR、GTO和GTR，電壓驅(qū)動型器件主要有MOSFET、IGBT等。機(jī)械工業(yè)出版社362.2.1晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動器圖2－6采用變壓器隔離的SCR驅(qū)動器

圖2－7采用光耦隔離的SCR驅(qū)動器

機(jī)械工業(yè)出版社372.2.2IGBT和MOSFET驅(qū)動器與雙極型晶體管〔GTR〕不同，功率MOSFET和IGBT器件都是屬于電壓驅(qū)動型，輸入阻抗很大，為提高器件的開關(guān)速度，電壓驅(qū)動型器件的柵極驅(qū)動器除應(yīng)具有更快的響應(yīng)速度〔ns級〕外，同樣需要足夠大的柵極驅(qū)動能力〔一般為＋15V〕和反向電壓〔一般為－5v〕，以保證瞬時完成對等效柵極電容的充電或放電過程。機(jī)械工業(yè)出版社38功率MOSFET和IGBT器件驅(qū)動器應(yīng)用實(shí)例

1．TLP250功率驅(qū)動電路及應(yīng)用圖2－8TLP250組成的驅(qū)動電路機(jī)械工業(yè)出版社392．UC3724/UC3725驅(qū)動電路圖2－9UC3724/3725功率MOSFET驅(qū)動電路機(jī)械工業(yè)出版社403．IR2110驅(qū)動電路圖2－10IR2110驅(qū)動電路機(jī)械工業(yè)出版社414．EXB841驅(qū)動電路圖2－11EXB841內(nèi)部電路機(jī)械工業(yè)出版社422.2.3功率器件的保護(hù)電路1．過電流保護(hù)電路過電流保護(hù)直接影響到裝置的可靠性。MOSFET和IGBT的過流允許值一般為2倍的電流額定值，IGBT允許過流時間一般≤20μs，MOSFET允許過流時間還要小?？紤]到過電流發(fā)生和硬件保護(hù)電路需要一定的時間，因此要求過電流檢測的電流傳感