第一章-電力電子元器件《軌道車輛電力電子技術(shù)》

1、軌道電力電子,李宏鋒主要內(nèi)容,基本概念 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 電力二極管 晶閘管 門極可關(guān)斷晶閘管,電力電子,什么是電力電子？ 電力電子有什么特點？和我們常常提到的電工電子有什么區(qū)別 電力電子元器件又有什么特點？ 什么又是軌道電力電子？,電力電子技術(shù),電力電子技術(shù)是與電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個學(xué)科關(guān)系十分密切的邊緣學(xué)科。它橫跨電子、電力和控制三個領(lǐng)域。,電力電子技術(shù),電力電子技術(shù)的兩大分支是電力電子器件的制造技術(shù)和電力電子器件的應(yīng)用，即變流技術(shù)。電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容包括電力電子器件、電力電子的變流技術(shù)和控制技術(shù)。,軌道電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容是研究電力電子技術(shù)及其在軌道車

2、輛上的應(yīng)用。,第一章 電力電子元器件,電力電子元器件是指可直接用于處理電能的主電路，實現(xiàn)電能變換或控制的電子器件，通常專指電力半導(dǎo)體器件。,電力電子器件的特征,電力電子器件，也稱為開關(guān)管，與信息電子中的半導(dǎo)體器件相比，電力電子有如下特點：,功率遠(yuǎn)大于信息電子器件； 電壓、電流等級很高； 電路工作在開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)頻率是評價電力電子元器件的重要因素； 需要驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動； 需要散熱器進(jìn)行散熱。,電力電子元器件主要損耗,常見的電力電子器件的開關(guān)頻率和容量,開關(guān)的頻率和容量不同，應(yīng)用場合就不同。,電力電子器件的發(fā)展趨勢,電力電子器件的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：,制作材料新型化； 大容量、高頻率發(fā)

3、展； 模塊化、復(fù)合化。,電力電子在軌道車輛上的應(yīng)用,交-直-交的有點： 電機功率大，轉(zhuǎn)矩高，功率因數(shù)高，啟動過載能力強，簧下質(zhì)量輕等。 同時，能實現(xiàn)能量的雙向流動。,1.2 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ),1.2.1 導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體,1.2.2 本征半導(dǎo)體,本征半導(dǎo)體：完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體； 特性：本征半導(dǎo)體在絕對零度下是不導(dǎo)電的，在常溫下可以激發(fā)出少量的自由電子，并出現(xiàn)相應(yīng)數(shù)量的空穴?？昭ê妥杂呻娮咏y(tǒng)稱為載流子成對出現(xiàn)。,P型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體,用適當(dāng)?shù)姆椒ㄔ诒菊靼雽?dǎo)體內(nèi)加入微量雜質(zhì)，就會使得半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。,本征半導(dǎo)體自身帶電不？呈什么電性？,PN結(jié),N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)

4、合后，即物理上的原子距離接觸在一起后，形成PN結(jié)。,PN結(jié),載流子會在我工作的熱運動中自由擴散，由自由擴散會產(chǎn)生電勢差。 電勢差和自由擴散的相互聯(lián)系又互相矛盾。 溫度一定的情況下，這種矛盾會達(dá)到一種平衡，即會形成PN結(jié)。,PN結(jié)的單向?qū)ㄔ碚驅(qū)?當(dāng)PN結(jié)兩端加上正向電壓時，外加電場和內(nèi)電壓相反，外加電場作用下，擴散作用大于漂移作用，形成擴散電流，即PN結(jié)變窄，形成正向電流。當(dāng)外電壓增加時，PN便更窄。正向時，PN結(jié)表現(xiàn)為一個很小的電阻。稱之為正向?qū)ā?PN結(jié)的單向?qū)ㄔ矸聪蚪刂?當(dāng)PN結(jié)兩端加上反向電壓時，外加電場和內(nèi)電場方向一致，進(jìn)一步阻止擴散運動的進(jìn)行。載流子都將進(jìn)一步離開空間電

5、荷區(qū)，使得空間電荷區(qū)變寬。此時漂移電流稱為主導(dǎo)因素，漂移電流在一定溫度下趨于恒定，表現(xiàn)在外電路就是一個反向電流，該電流稱之為反向飽和電流，一般為微安級。PN結(jié)的反向特性表現(xiàn)為一個很大的電阻，幾乎沒有電流通過，稱之為反向截止。,PN結(jié)的溫度特性,如左圖所示： 在PN結(jié)導(dǎo)電橫截面相同的情況下，當(dāng)電流比較小時，PN結(jié)溫度升高時（T2T1）： PN結(jié)正偏時：本征激發(fā)的少子數(shù)量急劇增加； PN結(jié)反偏時：PN呈反偏特性。溫度升高使得點陣原子的振動加劇，載流子在空間電荷區(qū)的碰撞機會相應(yīng)的增加。（UB2UB1）。,PN結(jié)的溫度特性的應(yīng)用溫度補償,如左圖所示： 三極管VT有溫度不良特性溫度升高時，三極管VT的基

6、極電流會增加。加上二極管D后，當(dāng)溫度升高時，二極管的正向壓降降低，分流后三極管VT的基極電流會減小。反之亦然，這樣，二極管即起到穩(wěn)定三極管基極電流的作用。,PN結(jié)的穿通及反向擊穿,穿通和擊穿都是反偏電壓超過一定限度時發(fā)生的反向電流急劇上升的現(xiàn)象，二者有一定的區(qū)別。,穿通是指空間電荷區(qū)隨著反偏電壓升高而擴展到電極接通時發(fā)生的斷路現(xiàn)象。,擊穿是指空間電荷區(qū)的電場隨著反偏電壓的升高而增強到某一臨界值時，空間電荷區(qū)的點陣原子會被電離，直接成為少數(shù)載流子使得反向電流急劇升高。,擊穿的分類,PN結(jié)的電容效應(yīng),PN結(jié)中的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容。結(jié)電容會影響PN結(jié)

7、的工作頻率，使得其單相導(dǎo)電性變差，甚至不能工作。,結(jié)電容也分為壘式電容和擴散電容。,PN結(jié)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),當(dāng)PN結(jié)上流過的正向電流較大時，注入并積累在低摻雜N區(qū)的少子空穴濃度將很大，為了維持半導(dǎo)體電中性條件，其多子濃度也相應(yīng)大幅度增加，使其電阻率明顯下降，即電導(dǎo)率大大增加。正是電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使空穴和自由電子都參與導(dǎo)電的雙極型器件的電流等級要遠(yuǎn)高于單機型器件。,1.3 電力二極管,二極管通常有P區(qū)、N區(qū)和中間的空間電荷區(qū)（也稱為壘勢區(qū)、阻擋層或耗盡層）組成。,電力二極管的電壓、電流等級都比較高，通常分為螺栓型和平板型，其電流等級大小和PN結(jié)的面積成正比，因此平板型的電流等級要高于螺栓型的。,電力

8、二極管的特性,電力二極管和普通二極管不同，因電力二極管的電壓、電流等級比較高，為了提高其反向耐壓性，摻雜濃度要低于普通二極管，為了減小因摻雜濃度低造成的工作電壓壓降高的問題，電力二極管的內(nèi)部采取了如下措施： 采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)； 采用P-i-N結(jié)構(gòu)。,電力二極管有沒有電容效應(yīng)和電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)？,1.3.1電力二極管的基本特性靜態(tài)特性,1.3.1電力二極管的基本特性動態(tài)特性開通特性,電力二極管的開通過程：從斷態(tài)到穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)的過渡過程。特征：上升首先出現(xiàn)一個過沖，然后逐漸趨于穩(wěn)定。,電壓過沖的機制主要有兩個：阻性機制和感性機制。,1.3.1電力二極管的基本特性動態(tài)特性關(guān)斷特性,電力二極管的開通過程：

9、在電力二極管的兩端施加負(fù)電壓。特性：在關(guān)斷過程中，當(dāng)電流IF在反向電流逐漸下降到0，由于正向?qū)〞r在對方區(qū)域因擴散而積累的少子在反向電壓下回形成一個較大的反向恢復(fù)電流，該電流持續(xù)一段時間后才能衰減到0。,從二極管正向電流過零到反向電流下降到其峰值的10%時的時間間隔稱為反向恢復(fù)時間trr。,根據(jù)反向恢復(fù)時間trr的大小，二極管可分為整流二極管（ trr 5us），快速恢復(fù)二極管（ trr 5us ），肖特基二極管（ trr =1040ns ）。,二極管電流和開通時間的關(guān)系？,1.3.2 二極管在軌道車輛上的主要應(yīng)用（一）,整流：利用二極管的正向?qū)ā⒎聪蚪刂剐詫崿F(xiàn)整流變換，是二極管的最基本應(yīng)用

10、。,續(xù)流：如圖（a）在負(fù)載電流較大時，當(dāng)開關(guān)S關(guān)斷時，電感L會產(chǎn)生很高的感應(yīng)電動勢。, = =100 | |=700 =800,1.3.2 二極管在軌道車輛上的主要應(yīng)用（二）,隔離：利用二極管的單向?qū)ㄐ浴?1.4 晶閘管,晶閘管（Thyristor）也稱可控硅（SCR）。電力晶閘管的電壓、電流等級都比較高，通常分為螺栓型和平板型。,A(Anode)陽極； K(Cathode)陰極； G(Gate)門極或控制極。,電流等級大小與PN結(jié)面積成正比，平板型電流等級（200A）大于螺栓型(200A)。,1.4.1 晶閘管的結(jié)構(gòu),晶閘管是三端四層半導(dǎo)體開關(guān)器件，共3個PN結(jié)，J1，J2，J3。,晶閘管

11、可以看成由兩個三極管T1（P1N1P2）和T2（N1P2N2）構(gòu)成。,J2(N1P2)為公共的集電結(jié),1.4.1 晶閘管的工作原理, 的共基極電流放大系數(shù) ； 的共基極電流放大系數(shù) ；, = + ； = + ；, = + = + + + = + + , = + 共漏極電流；, 作為 一個 節(jié)點,虛框作為 一個 節(jié)點, + = , = + ( + ,1.4.1 晶閘管的工作原理, = + ( + ,晶閘管的陽極電流IA和放大倍數(shù) 密切相關(guān)。 放大倍數(shù) 隨各管的的發(fā)射極電流的變化而變化。, 1 + 2, 1 + 2,1.4.1 晶閘管的工作狀態(tài)關(guān)斷,當(dāng)晶閘管關(guān)斷：門極電流IG=0時，無法形成正反饋

12、，晶閘管不能導(dǎo)通。IA=IK僅為很小的漏電流。, = , = ( + ,1.4.1 晶閘管的工作狀態(tài)導(dǎo)通,晶閘管導(dǎo)通：門極電流IG0時，晶閘管會從斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)。, ( 和 )( + )( 和 ) + ,晶閘管內(nèi)部兩個三極管的狀態(tài)？,截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū), = + ( + ,1.4.1 晶閘管的工作狀態(tài)導(dǎo)通之后撤銷IG,當(dāng)晶閘管導(dǎo)通后IA和IK已經(jīng)很大了。即便是此時撤銷IG，由于 仍然會很大，晶閘管仍然能夠繼續(xù)飽和導(dǎo)通。, = + ( + , 1 + 2,IG只是起到一個觸發(fā)的作用。,IH為維持電流，需保證IAIH。當(dāng)IA=IH時， 稱之為臨界飽和狀態(tài)。, + =,如何關(guān)斷呢？,1.4.2 晶閘管

13、的基本特性陽極伏安特性,晶閘管的陽極伏安特性是指陽極與陰極電壓UAK和陽極電流IA之間的關(guān)系。第一象限為正向伏安特性，第三象限為反向伏安特性。,伏安特性曲線示意圖解釋,晶閘管的關(guān)斷：強迫關(guān)斷+自然關(guān)斷,1.4.2 晶閘管的基本特性門極伏安特性,晶閘管的門極伏安特性是指門極電壓與電流之間的關(guān)系。,晶閘管的門極G和陰極K之間只有一個PN結(jié)J3。,晶閘管的門極電流電壓呈二極管的伏安特性。,門極G的電壓、電流要求：過小觸發(fā)不了，過大功率太高，損壞門極。,1.4.2 晶閘管的基本特性動態(tài)特性（開通）,門極觸發(fā)電流來到時，由于載流子渡越到基區(qū)P2需要一定的時間，陽極電流IA要延遲td才開始上升，而后經(jīng)過t

14、r，IA才打到由外電路決定的陽極電流穩(wěn)定值。晶閘管的開通時間ton=td+tr。td為延遲時間，tr為上升時間。,1.4.2 晶閘管的基本特性動態(tài)特性（關(guān)斷）,已導(dǎo)通的晶閘管在A、K兩端施加反向電壓時，使陽極電流IA從穩(wěn)態(tài)值下降為0后，晶閘管的各層區(qū)的載流子需要經(jīng)過一定時間才能消失，才能恢復(fù)其正向阻斷能力。反向阻斷恢復(fù)時間trr，正向阻斷恢復(fù)時間tgr，關(guān)斷時間ton=trr+tgr。,1.4.3 晶閘管的驅(qū)動,晶閘管的門極驅(qū)動電路又稱為觸發(fā)電路。觸發(fā)信號可以是交流、直流或脈沖。常用脈沖形式。觸發(fā)脈沖的相位必須與主電路電源電壓保持固定相位關(guān)系，即同步，而且觸發(fā)時UAK0。,觸發(fā)脈沖的基本要求：

15、 正向脈沖：門極對陰極為正電壓； 脈沖形式：寬脈沖、窄脈沖、脈沖列均可； 與主電路同步：保持固定相位關(guān)系； 與主電路隔離：高、低壓電源隔離； 抗干擾能力：防止誤觸發(fā)。,1.4.3 晶閘管的驅(qū)動,觸發(fā)脈沖的要求： 觸發(fā)脈沖需要足夠的功率； 觸發(fā)脈沖的寬度和陡度； 常見的晶閘管觸發(fā)電路和觸發(fā)脈沖波形。,1.5 門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）,回顧：SCR的關(guān)斷方法。,不科學(xué),如何科學(xué)+方便？,GTO,GTO與普通晶閘管的比較： 相同點：同樣為四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。 區(qū)別：通態(tài)時，門極加足夠大的反向脈沖電流，GTO轉(zhuǎn)化為斷態(tài)；,1.5.2 GTO的基本特性,陽極伏安特性：當(dāng)外加電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓UDRM時，

16、GTO即正向開通，這種現(xiàn)象稱為電壓觸發(fā)。如果反向擊穿電壓URRM，則會發(fā)生雪崩擊穿。,陽極耐壓值：門極電流中的任何毛刺電流都會使陽極耐壓降低，開通后又會使GTO擎住電流和管壓降增大。,1.5.4 GTO的驅(qū)動控制,開通控制要求：電壓越高，GTO越容易開通；陽極電流較大時，易于維持大面積飽和導(dǎo)通；溫度低觸發(fā)困難，溫度高容易觸發(fā)。,門極觸發(fā)電流波形的要求：脈沖的前沿陡、幅度高、寬度大、后沿緩。,1.5.5 GTO的驅(qū)動電路,1.6 電力場效應(yīng)管的優(yōu)缺點,電力mosfet的優(yōu)點： 電壓型驅(qū)動器件：柵極驅(qū)動電流在100nA，幾乎不消耗功率； 正的電阻溫度特性，易并聯(lián)均流； 開關(guān)速度很快，工作頻率很高。

17、工作頻率可達(dá)100Khz以上； 多元集成結(jié)構(gòu)。,電力mosfet的缺點：通態(tài)電阻大，通態(tài)損耗大；電流容量小，耐壓值低。,1.6 電力場效應(yīng)管（mosfet）,電力mosfet有三個極：柵極G、漏極D和源極S。它以一塊雜質(zhì)濃度低的P型材料作為底襯，其上有兩處高摻雜N型區(qū)分別引出作為源極S和漏極D。相互隔離的兩個N區(qū)的表面覆蓋著金屬氧化物SiO2絕緣層。,1.6 電力場效應(yīng)管的工作原理,當(dāng)UGS=0時，漏極的N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體之間阻擋層構(gòu)成反向PN結(jié)，漏-源極之間也不能導(dǎo)電； 當(dāng)UGS0時，UGS通過SiO2絕緣層在G-P之間形成電場，在電場力的作用下，柵極G的正電位吸引P區(qū)的電子至鄰近柵極的一側(cè)，