电力电子器件及其应用(第三章).ppt

1,第三章 电力电子器件 及其应用,王俭朴 车辆工程系城市轨道车辆教研室,2,第三章 电力电子器件及其应用,主要内容 可关断晶闸管(GTO) 绝缘栅双极晶体管(IGBT) 智能功率模块功率 (IPM) 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响,3,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO的特点 GTO逆变器的体积比晶闸管逆变器的体积减小40%以上，重量也大为减轻。 由于GTO逆变器不需要强迫换流电路，而使电路的损耗减少了64左右。这些优点对重量、体积和效率都有严格要求的车辆电力牵引系统是十分重要的。 GTO与SCR的重要区别是：SCR等效电路中两只晶体管的放大系数比1大得较多，通过导通时两只等效晶体管的正反馈作用，使SCR导通时的饱和较深，因此无法用门极负信号去关断阳极电流；GTO则不同，总的放大系数仅稍大于1而近似等于1，因而处于临界导通或浅饱和状态。,4,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO的工作原理 GTO对门极触发脉冲的要求和SCR的要求相似，但它对关断脉冲的要求很高，容易在关断过程中损坏GTO器件，因此门极控制电路比较复杂。 此外GTO的饱和度较浅，所以管压降也比SCR大，为保护管子而设置的电路(缓冲电路)中的损耗也较大。由于二只晶体管的电流放大倍数 仅稍大于1，且 比 小得多，因此集电极电流 占总阳极电流的比例较小，只要设法抽走这部分电流，即可使GTO关断。,图3-1 晶闸管和GTO的工作原理,5,第一节 可关断晶闸管(GTO),把GTO接入电阻负载电路，在门极加上正的触发脉冲和足够大的负脉冲时，GTO就能导通和关断，GTO的符号及电路如图3-2(a)所示，波形如图3-2(b)所示。,图3-2 GTO的符号、电路与波形 (a) 符号与触发电路 (b) 门极和阳极电流波形,6,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO的关断电路和关断过程中的电压、电流波形图,(a) GTO的关断电路 (b) 关断时的波形,7,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO的主要特性 阳极伏安特性 逆阻型GTO的阳极伏安特性。由图可知，它与SCR的伏安特性很近似，当外加电压超过正向转折电压时，GTO即正向开通，这种现象与SCR及其家族基本相同，称为电压触发。此时不一定会使元件损坏，但是外加电压超过反向击穿电压之后，会发生雪崩击穿现象，由此损坏器件。非逆阻型GTO则不能承受反向电压。 GTO的耐压性能受多种因素的影响，其中结温的影响较大。随着结温的升高，GTO的耐压会下降，如图所示。,8,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO的主要特性 通态压降特性 GTO的通态压降特性是其伏安特性的一部分，如图所示。由图可见随着阳极通态电流的增加，其通态压降增加，即GTO的通态损耗也增加。 GTO的开通特性 元件从断态到通态的过程中，电流、电压及功耗随时间变化的规律为元件的开通特性，一个动态过程。GTO的开通特性如图所示。 开通时间由延迟时间和上升时间组成。开通时间取决于元件的特性、门极电流上升率以及门极触发电流幅值的大小等因素。,9,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO的主要特性 GTO的关断特性 GTO关断过程中的阳极电压、阳极电流和功耗与时间的关系是GTO的关断特性; 关断过程中的存贮时间与下降时间两者之和称为关断时间 ；也有些文献与元件生产工厂定义关断时间为存贮时间、下降时间，还有时间上长达几十的尾部时间三者之和。,10,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO的主要参数 可关断峰值电流 一般可关断峰值电流是有效值电流的23倍； GTO的阳极电流允许值受两方面因素的限制：一个是受热学上的限制；另一个是受电学上的限制。 关断时的阳极尖峰电压 尖峰电压是感性负载电路中阳极电流在 时间内的电流变化率与GTO缓冲保护电路的电感的乘积。 阳极电压上升率 静态电压上升率是指GTO还没有导通时所能承受的最大断态电压上升率。 动态电压上升率是指GTO关断过程中的阳极电压上升率。 阳极电流上升率,11,第一节 可关断晶闸管(GTO),可关断晶闸管(GTO)的门控电路 GTO关断过程的机理及其波形 对大功率电力电子元件正向特性的要求是通态电流大，通态电压低，因此在通态下就必须使元件具有足够多的载流子存贮量，这就给元件的关断带来了特殊困难。GTO门控电路的基本要求就是从门极排出P2基区中(见图3-3(a)过剩的载流子(空穴)，这就是说必须在门极加上足够大的反向电压，使P2基区中过剩的空穴通过门极流出，与此同时电子通过P2基区与N2发射极间的J3结从阴极排出。随着电子和空穴的排出，在P2基区和J3结的地方形成逐渐向中心区扩大的耗尽层，如图3-10所示。,12,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO关断过程的机理图 其结果是从N2发射极没有电子向P2区注入，在P2基区及N2基区中的过剩载流子一直复合到消失为止，如J3结能维持反