电力电子器件及其应用(第三章)

1、1第三章 电力电子器件及其应用2第三章 电力电子器件及其应用n主要内容主要内容可关断晶闸管可关断晶闸管(GTO)绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管(IGBT)智能功率模块功率智能功率模块功率 (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)nGTO的特点的特点GTO逆变器的体积比晶闸管逆变器的逆变器的体积比晶闸管逆变器的体积减小体积减小40%以上，以上，重量也大为减轻重量也大为减轻。由于由于GTO逆变器逆变器不需要强迫换流电路不需要强迫换流电路，而使电路的损耗减，而使电路的损耗减少了少了64左右。这些优点对重量、体积和效率都有严格

2、要左右。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。求的车辆电力牵引系统是十分重要的。GTO与与SCR的重要区别是：的重要区别是：SCR等效电路中两只晶体管的等效电路中两只晶体管的放大系数比放大系数比1大得较多，通过导通时两只等效晶体管的正反大得较多，通过导通时两只等效晶体管的正反馈作用，使馈作用，使SCR导通时的饱和较深，因此无法用门极负信导通时的饱和较深，因此无法用门极负信号去关断阳极电流；号去关断阳极电流；GTO则不同，总的放大系数仅稍大于则不同，总的放大系数仅稍大于1而近似等于而近似等于1，因而，因而处于临界导通或浅饱和状态处于临界导通或浅饱和状态。4第一节

3、可关断晶闸管(GTO)nGTO的工作原理的工作原理GTO对门极触发脉冲的要求和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。器件，因此门极控制电路比较复杂。此外此外GTO的的饱和度较浅饱和度较浅，所以管压，所以管压降也比降也比SCR大，为保护管子而设置的大，为保护管子而设置的电路电路(缓冲电路缓冲电路)中的损耗也较大。由中的损耗也较大。由于二只晶体管的电流放大倍数于二只晶体管的电流放大倍数 仅稍大于仅稍大于1，且，且 比比 小得多，因小得多，因此集电极电流此集

4、电极电流 占总阳极电流的比例占总阳极电流的比例较小，只要设法抽走这部分电流，即较小，只要设法抽走这部分电流，即可使可使GTO关断。关断。 2112C1I图图3-1 晶闸管和晶闸管和GTO的工作原理的工作原理5第一节 可关断晶闸管(GTO)n把把GTO接入电阻负载电路，在门极加上接入电阻负载电路，在门极加上正的触发脉正的触发脉冲冲和和足够大的负脉冲足够大的负脉冲时，时，GTO就能就能导通导通和和关断关断，GTO的符号及电路如图的符号及电路如图3-2(a)所示，所示，波形如图波形如图3-2(b)所示。所示。图图3-2 GTO的符号、电路与波形的符号、电路与波形(a) 符号与触发电路符号与触发电路

5、(b) 门极和阳极电流波形门极和阳极电流波形6第一节 可关断晶闸管(GTO)nGTO的关断电路和关断过程中的电压、电流波形图的关断电路和关断过程中的电压、电流波形图(a) GTO的关断电路的关断电路 (b) 关断时的波形关断时的波形7第一节 可关断晶闸管(GTO)nGTOGTO的主要特性的主要特性 阳极伏安特性阳极伏安特性逆阻型逆阻型GTO的阳极伏安特性。由图可知，它与的阳极伏安特性。由图可知，它与SCR的伏安特性很近似，当外加电压的伏安特性很近似，当外加电压超过正向转折电压时，超过正向转折电压时，GTO即正向开通，这种现象与即正向开通，这种现象与SCR及其家族基本相同，称为及其家族基本相同，

6、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。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，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。的耐压会下降，如图所示。 8第一节 可关断晶闸管(GTO)nGTOGTO的主要特性的主要特性 通态压降特性通态压降特性 GTOGTO的通态压降特性是其伏安特性的一部分

7、，如图所示。由图可见随着阳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，即极通态电流的增加，其通态压降增加，即GTOGTO的通态损耗也增加。的通态损耗也增加。 GTOGTO的开通特性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。的开通特性，一个动态过程。GTOGTO的开通特性如图所示。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

8、电流上升率以及门极触发电流幅值的大小等因素。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)nGTOGTO的主要特性的主要特性GTO的关断特性的关断特性GTO关断过程中的关断过程中的阳极电压阳极电压、阳极电流阳极电流和和功耗功耗与与时间时间的关系是的关系是GTO的关断特性的关断特性;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；也有些文献与元件生产工厂定义关断时间为有些文献与元件生产工厂定义关断时间为存贮时间存贮时间、下降时间下降时间，还有时间上长达几十的还有时间上长达几十的尾部时间尾部时间三者之和。三者

9、之和。 10第一节 可关断晶闸管(GTO)n GTO的主要参数的主要参数可关断峰值电流可关断峰值电流一般可关断峰值电流是有效值电流的一般可关断峰值电流是有效值电流的23倍；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。的限制；另一个是受电学上的限制。 关断时的阳极尖峰电压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尖峰电压是感性负载电路中阳极电流在 时间内的时间内的电流变化率电流变化率与与GTO缓冲保护电路的缓冲保护电路的电感电感的乘积。的乘积。 阳极电压上升率阳极电压上升率 静态电压上

10、升率静态电压上升率是指是指GTO还没有导通时所能承受的最大断态电还没有导通时所能承受的最大断态电压上升率。压上升率。动态电压上升率动态电压上升率是指是指GTO关断过程中的阳极电压上升率关断过程中的阳极电压上升率。阳极电流上升率阳极电流上升率 TGQMIdt/dvdt/diftPV11第一节 可关断晶闸管(GTO)n可关断晶闸管可关断晶闸管(GTO)的门控电路的门控电路GTO关断过程的机理及其波形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，通态电压通态电流大，通态电压低低，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，因此在通

11、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。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门控电路的基本要求就是从门极排出从门极排出P2基区中基区中(见图见图3-3(a)过剩的载流子过剩的载流子(空穴空穴)，这就是说，这就是说必须在门极加上足够大的反向电压，使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基区中过剩的空穴通过门极流出，与此同时电子通过门极流出，与此同时电子通过P2基区与基区与N2发射极间的发射极间的J3结从阴极结从阴极排出。随着电子和空穴的排出，在排出。随着电子和空穴的排出，在P2基区和基区和J3结的地方形成逐渐结的地方形成

12、逐渐向中心区扩大的耗尽层，向中心区扩大的耗尽层，如图如图3-10所示所示。12第一节 可关断晶闸管(GTO)nGTO关断过程的机理图关断过程的机理图其结果是从其结果是从N2发射极没有电子向发射极没有电子向P2区注入，在区注入，在P2基区及基区及N2基区中的过剩载基区中的过剩载流子一直复合到消失为止，如流子一直复合到消失为止，如J3结能维持反偏状态，结能维持反偏状态，GTO就被关断。由此可就被关断。由此可见，关断见，关断GTO的前提是门控电路要有足够大的关断电流，以便从门极排出足的前提是门控电路要有足够大的关断电流，以便从门极排出足够大的门极关断电荷，同时其关断功率又不能超过允许值。够大的门极关

13、断电荷，同时其关断功率又不能超过允许值。图图3-10（a)关断时空穴从门极抽出关断时空穴从门极抽出 (b) 耗尽层的形成耗尽层的形成13第一节 可关断晶闸管(GTO)nGTO导通与关断过程波形图导通与关断过程波形图图图3-11（a)阳极电压、电流波形阳极电压、电流波形 （b) 门极电压、电流波形门极电压、电流波形14第一节 可关断晶闸管(GTO)n设计门控电路时，保证设计门控电路时，保证GTO关断电路中的储能电容关断电路中的储能电容器具有电容量的确定：器具有电容量的确定：由图由图3-11可见，由门极反向电流可见，由门极反向电流 所包围的门极关断电所包围的门极关断电荷量为荷量为由于关断时间为由于

14、关断时间为 ，且门极关断电流的峰值约为，且门极关断电流的峰值约为(1/51/3)的可关断峰值电流的可关断峰值电流 ，故有，故有所以设计门控电路时，应保证所以设计门控电路时，应保证GTO关断电路中的储能电关断电路中的储能电容器具有电荷量：容器具有电荷量：已知电容电压已知电容电压 ，即可求得关断，即可求得关断GTO所需的电容量所需的电容量CGQMfs0GQGQfs21IttdtiQttfsofftttGQiGQMIoffTGQMGQ61101tIQCVGQCCQCVQCVQC/GQ15第一节 可关断晶闸管(GTO)n可关断晶闸管可关断晶闸管(GTO)的门控电路的门控电路GTO门控电路的基本参数门控

15、电路的基本参数正向强触发电流正向强触发电流触发电流脉冲宽度触发电流脉冲宽度 触发电流上升率触发电流上升率 正向偏置电流正向偏置电流 门极反向电流幅值门极反向电流幅值 门极反向电流上升率门极反向电流上升率 门极反向电压门极反向电压 关断脉冲宽度关断脉冲宽度 16第一节 可关断晶闸管(GTO)nGTO的门控电路的门控电路GTR的的GTO门控电路门控电路 输入正脉冲信号使输入正脉冲信号使T1导通，电导通，电源源E1经经T1、R1(C1)、R2使使GTO导通，同时导通，同时E1储能电容储能电容C2振荡充电。当振荡充电。当T2的基极加的基极加以关断信号以关断信号off时，时，T2导通，导通，C2经经L2

16、、T2、GTO门极放电，门极放电，使使GTO关断。与门极并联的稳关断。与门极并联的稳压管支路用来改善关断脉冲的压管支路用来改善关断脉冲的波形，关断时导通的波形，关断时导通的T3构成构成T3、D4支路，使支路，使GTO加上负加上负偏置，增进关断可靠性。偏置，增进关断可靠性。 图图3-12 用用GTR的的GTO门控电路原理图门控电路原理图17第一节 可关断晶闸管(GTO)n可关断晶闸管可关断晶闸管(GTO)的门控电路的门控电路用用MOSFET的的GTO门控电路门控电路18第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT) 复合型电力电子器件复合型电力电子器件IGBTIGBT是绝缘栅双极晶体管是绝缘栅双极晶体管(I

17、nsulated Gate Bipolar (Insulated Gate Bipolar Transistor)Transistor)的简称，它的简称，它综合了综合了GTRGTR的安全工作区宽、电流密度高、导通压的安全工作区宽、电流密度高、导通压降低和金属氧化层半导体场效晶体管降低和金属氧化层半导体场效晶体管MOSFETMOSFET（MetalOxide Semiconductor MetalOxide Semiconductor Field Effect TransistorField Effect Transistor）输入阻抗高、驱动功率小、驱动电路简单、）输入阻抗高、驱动功率小、驱动

18、电路简单、开关速度快、热稳定性好的开关速度快、热稳定性好的优点优点。nIGBT的工作原理的工作原理 IGBT是以是以MOSFET为驱动元件、为驱动元件、GTR为主导元件的达林顿电路结构为主导元件的达林顿电路结构器件。它相当于一个由场效应管器件。它相当于一个由场效应管MOSFET驱动的厚基区驱动的厚基区GTR。一般的一般的IGBT模块中，还封装了反并联的快速二极管，以适应逆变电路模块中，还封装了反并联的快速二极管，以适应逆变电路的需要，因此没有反向阻断能力。的需要，因此没有反向阻断能力。 IGBT的控制原理与的控制原理与MOSFET基本相同，基本相同，IGBT的开通和关断受栅极控的开通和关断受栅

19、极控制，制，N沟道型沟道型IGBT的栅极上加正偏置并且数值上大于开启电压时，的栅极上加正偏置并且数值上大于开启电压时，IGBT内的内的MOSFET的漏极与源极之间因此感应产生一条的漏极与源极之间因此感应产生一条N型导电沟道，型导电沟道，使使MOSFET开通，从而使开通，从而使IGBT导通。反之，如在导通。反之，如在N沟道型沟道型IGBT上加上加反偏置，它内部的反偏置，它内部的MOSFET漏源极间不能感生导电沟道，漏源极间不能感生导电沟道，IGBT就截就截止。止。19第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT)nIGBT的工作原理的工作原理1GBT的等效电路及图形符号的等效电路及图形符号 图图3-14 1

20、GBT3-14 1GBT的等效电路及图形符号的等效电路及图形符号(a)(a)简化等效电路简化等效电路 (b) (b) 二种图形符号二种图形符号 (c) (c) 实际等效电路实际等效电路 20第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT)n静态与动态特性静态与动态特性伏安特性伏安特性 伏安特性即输出特性，伏安特性即输出特性，N-IGBT的伏安特性如图的伏安特性如图3-15(a)所示。所示。 截止区截止区即正向阻断区即正向阻断区，栅极电压没有达到，栅极电压没有达到IGBT的开启电压的开启电压VGS(th)。放大区放大区即线性区即线性区，输出电流受栅源电压的控制，输出电流受栅源电压的控制，VGS越高、越高、ID

21、越大，两者越大，两者有线性关系。有线性关系。饱和区饱和区，此时因，此时因VDS太小，太小，VGS失去线性控制作用。失去线性控制作用。击穿区击穿区，此时因，此时因VDS太大，超过击穿电压太大，超过击穿电压BVDS而不能工作。而不能工作。 图图3-15 1GBT3-15 1GBT的伏安特性和转移特性的伏安特性和转移特性 （a)a)伏安特性示意图伏安特性示意图 (b) (b) 实际的伏安特性实际的伏安特性 (c) (c) 转移特性转移特性21第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT)n静态与动态特性静态与动态特性转移特性转移特性 如在图如在图3-15(b)横轴上作一条垂直线（即保持横轴上作一条垂直线（即保持

22、VCE为恒值）与各条伏安特性相为恒值）与各条伏安特性相交，可获得转移特性。这是漏极电流与栅源电压交，可获得转移特性。这是漏极电流与栅源电压VGE之间的关系曲线，如图之间的关系曲线，如图3-15(c)所示。所示。动态特性动态特性 IGBT在开通和关断过程中，漏源电压在开通和关断过程中，漏源电压 、栅源电压、栅源电压 和漏极电流和漏极电流 的变化情况。的变化情况。开通时间由开通延迟时间、电流上升时间和电压下降时间三者组成，关断时开通时间由开通延迟时间、电流上升时间和电压下降时间三者组成，关断时间由关断延迟时间、电压上升时间和电流下降时间三者组成。间由关断延迟时间、电压上升时间和电流下降时间三者组成

23、。 22第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT)n擎住效应擎住效应概念概念 由于由于IGBT结构上难以避免的原因，它的等效电路图实际上如图结构上难以避免的原因，它的等效电路图实际上如图3-14(c)所示，内部存在一只所示，内部存在一只NPN型寄生晶体管，当漏极电流大于规定的临界型寄生晶体管，当漏极电流大于规定的临界值时，该寄生晶体管因有过高的正偏置被触发导通，使值时，该寄生晶体管因有过高的正偏置被触发导通，使PNP管也饱和管也饱和导通，结果导通，结果IGBT的栅极失去控制作用，这就是所谓擎住效应。的栅极失去控制作用，这就是所谓擎住效应。 危害危害 IGBT发生擎住效应后漏极电流增大，造成过高的功耗，

24、最后导致器件损坏。发生擎住效应后漏极电流增大，造成过高的功耗，最后导致器件损坏。如何防止如何防止不使漏极电流超过不使漏极电流超过 ，防止静态擎住效应；，防止静态擎住效应； 还可用加大栅极电阻的办法，延长还可用加大栅极电阻的办法，延长IGBT的关断时间。防止动态擎住效应。的关断时间。防止动态擎住效应。DMI23第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT)n擎住效应擎住效应正向偏置安全工作区正向偏置安全工作区 IGBT开通时的正向偏置安全工作区开通时的正向偏置安全工作区FBSOA由电流、电压和功耗三条边界极由电流、电压和功耗三条边界极限包围而成限包围而成 最大漏极电流最大漏极电流是按避免擎住效应而由制造时确

25、定的；是按避免擎住效应而由制造时确定的；最高漏源电压最高漏源电压是由是由IGBT中中PNP晶体管的击穿电压规定的；晶体管的击穿电压规定的；最高功耗最高功耗由最高允许结温所规定。由最高允许结温所规定。反向偏置安全工作区反向偏置安全工作区它随它随IGBT关断时的重加关断时的重加 而改变，而改变， 数值越大，越容易引起数值越大，越容易引起IGBT的误的误导通，因此相应的反向偏置安全工作区越狭窄。导通，因此相应的反向偏置安全工作区越狭窄。 （a）正向安全工作区）正向安全工作区 (b) 反向安全工作区反向安全工作区 dt/dVDSdt/dVDS24第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT)nIGBT的栅极驱动电

26、路的栅极驱动电路IGBT栅控电路的要求栅控电路的要求提供适当的正向和反向输出电压提供适当的正向和反向输出电压，使，使IGBT能可靠地开通和关断；能可靠地开通和关断；提供足够大的瞬时功率或瞬时电流提供足够大的瞬时功率或瞬时电流，使，使IGBT能及时迅速建立栅控电场而导通；能及时迅速建立栅控电场而导通；输入、输出延迟时间尽可能小输入、输出延迟时间尽可能小，以提高工作频率；，以提高工作频率；输入、输出电气隔离性能高输入、输出电气隔离性能高，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；具有灵敏的过电流保护能力具有灵敏的过电流保护能力。IGBT栅控电路的一些注意事项栅控电路的一些注意事

27、项栅极负偏压对栅极负偏压对IGBT的关断特性影响不大，但在驱动电动机的逆变器电路中，为了的关断特性影响不大，但在驱动电动机的逆变器电路中，为了使使IGBT能稳定可靠地工作，还需要负偏压。能稳定可靠地工作，还需要负偏压。负偏压通常取负偏压通常取-5V或者稍大一些。或者稍大一些。IGBT栅控电路中的栅极电阻对它的工作性能影响颇大，取较大的，对抑制栅控电路中的栅极电阻对它的工作性能影响颇大，取较大的，对抑制IGBT的的电流上升率及降低元件上的电压上升率都有好处，但若过大，就会过分延长电流上升率及降低元件上的电压上升率都有好处，但若过大，就会过分延长IGBT的开关时间，使它的开关损耗加大，这对高频的应

28、用场合是很不利的，而过小的可的开关时间，使它的开关损耗加大，这对高频的应用场合是很不利的，而过小的可使电流变化率太大而引起使电流变化率太大而引起IGBT的不正常或损坏的不正常或损坏。为了使栅极驱动电路与信号电路隔离，应采用抗干扰能力强、信号传输时为了使栅极驱动电路与信号电路隔离，应采用抗干扰能力强、信号传输时间短的光耦合器件。间短的光耦合器件。IGBT门极与发射极的引线应尽量短门极与发射极的引线应尽量短 ，以减少栅极电感和干扰信号的进入。，以减少栅极电感和干扰信号的进入。 25第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT)n用光耦器件隔离信号电路与栅控电路用光耦器件隔离信号电路与栅控电路nn图图3-19中

29、，用光耦器件隔离信号电路与栅控电路。栅控电路由中，用光耦器件隔离信号电路与栅控电路。栅控电路由MOSFET及晶体管推挽电路构成，具有正、负偏置。当输入信号为高电平时，光及晶体管推挽电路构成，具有正、负偏置。当输入信号为高电平时，光耦导通，耦导通，MOSFET截止，截止，T1导通，使导通，使IGBT迅速开通。当输入信号为低迅速开通。当输入信号为低电平时，光耦导通截止，电平时，光耦导通截止，MOSFET及及T2都导通，都导通，IGBT截止。截止。图图3-19 IGBT的栅控电路原理图的栅控电路原理图26第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT)nIGBT的栅极驱动电路的栅极驱动电路EXB系列模块化集成电路

30、系列模块化集成电路 集成化模块栅控电路性能可靠，使用方便，集成化模块栅控电路性能可靠，使用方便，是发展方向。是发展方向。EXB系列模块内部带有光耦合系列模块内部带有光耦合器件和过电流保护电路，它的功能如图器件和过电流保护电路，它的功能如图3-20所示。所示。管脚管脚1，连接用于反向偏置电源的滤波电，连接用于反向偏置电源的滤波电压；压；管脚管脚2，电源，电源20V；管脚管脚3，驱动输出；，驱动输出；管脚管脚4，用于连接外部电容，以防止过流，用于连接外部电容，以防止过流保护电路误动作；保护电路误动作；管脚管脚5，过流保护输出；，过流保护输出；管脚管脚6，集电极电压监测；，集电极电压监测；管脚管脚1

31、4，15驱动信号输入；驱动信号输入；管脚管脚9，电源，电源0V。图图3-20 EXB系列的栅控模块系列的栅控模块 功能方框图功能方框图27第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT)nIGBT的栅极驱动电路的栅极驱动电路EXB系列模块的接口电路系列模块的接口电路 模块与模块与IGBT间的外部接口电路如图间的外部接口电路如图3-21所示。所示。驱动信号经过外接晶体管的放大，驱动信号经过外接晶体管的放大，由管脚由管脚14和管脚和管脚15输入模块。输入模块。过电流保护信号由测量反映元件电过电流保护信号由测量反映元件电流大小的通态电压流大小的通态电压VCE得出，再经得出，再经过外接的光耦器件输出，过电流时过外接

32、的光耦器件输出，过电流时使使IGBT立即关断。立即关断。二只外接电容器用于吸收因电源接二只外接电容器用于吸收因电源接线所引起的供电电压的变化。线所引起的供电电压的变化。管脚管脚1和管脚和管脚3的引线分别接到的引线分别接到IGBT的发射极的发射极E和门极和门极G，引线要，引线要尽量短，并且应采用绞合线，以减尽量短，并且应采用绞合线，以减少对栅极信号的干扰。少对栅极信号的干扰。图中图中D为快速恢复二极管。为快速恢复二极管。图图3-21 EXB系列模块的接口电路系列模块的接口电路28第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT)nIGBT的栅极驱动电路的栅极驱动电路HR065模块的电路原理图解析模块的电路原理图

33、解析图图3-22 HR065模块的电路原理图模块的电路原理图29第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT)nIGBT的栅极驱动电路的栅极驱动电路HR065模块的电路原理图解析模块的电路原理图解析光耦光耦OCl及晶体管及晶体管T1T3等构成驱动器的基本电路，等构成驱动器的基本电路，其中其中T2、T3为一对互补推挽管，当为一对互补推挽管，当OCl有输入、有输入、T1截止、截止、T2导通时，导通时，T3截止，驱动器截止，驱动器的输出端的输出端3向向IGBT输出正电压；反之，输出负电压，输出正电压；反之，输出负电压，IGBT截止。截止。T4、T5、D2及及R4 R8、C1C3构成过电流检测、故障信号输出及导通

34、保持电路。构成过电流检测、故障信号输出及导通保持电路。当当IGBT正常导通时，正常导通时，8端与端与1端端(即发射极即发射极)之间为之间为IGBT的饱和压降和外接检测二极管正的饱和压降和外接检测二极管正向压降之和，电压较低，稳压管向压降之和，电压较低，稳压管D2中无电流通过，中无电流通过，T5截止，故障输出端子截止，故障输出端子5、6之间无之间无电流输出。电流输出。当过电流发生时，当过电流发生时，IGBT的饱和压降的饱和压降VCEO随着电流增大而升高，若压降超过规定值随着电流增大而升高，若压降超过规定值(约约7V)，D2反向导通，反向导通，T5由截止转为导通，一方面故障信号输出端由截止转为导通

35、，一方面故障信号输出端5、6有电流输出。同时有电流输出。同时T1导通，强行将导通，强行将T2、T3的基极电流减少，使的基极电流减少，使T2饱和区退回到放大区，造成输出正向驱饱和区退回到放大区，造成输出正向驱动电压下降，以实现动电压下降，以实现IGBT的的“软关断软关断”。另一方面，。另一方面，T5导通时导通时R6上的正脉冲经上的正脉冲经C2、C3的分压使的分压使T4导通，但导通，但C3又因又因 R4的泄放，仅使的泄放，仅使T4保持保持3045s的导通状态，保证的导通状态，保证T1在此在此延时内可靠截止，使延时内可靠截止，使IGBT继续有一暂短的延时导通时间，不受输入端信号的影响。若继续有一暂短

36、的延时导通时间，不受输入端信号的影响。若在此期间过电流消失，则在此期间过电流消失，则Dl截止，截止，IGBT的正向驱动电压恢复正常。若在这段延时之后的正向驱动电压恢复正常。若在这段延时之后过电流故障仍然存在，在输入封锁信号作用下，过电流故障仍然存在，在输入封锁信号作用下，OCl管截止，使管截止，使T1和和T2导通，故导通，故IGBT关断。关断。IGBT关断时，关断时，T6导通，使故障检测电路不起作用。即导通，使故障检测电路不起作用。即T6管起着逻辑电路作用，它保证管起着逻辑电路作用，它保证只有驱动器输出正向电压时只有驱动器输出正向电压时 才开放过流检测电路，其它情况下均使其无效，这样能可才开放

37、过流检测电路，其它情况下均使其无效，这样能可靠地防止过电流干扰。靠地防止过电流干扰。30第三节智能功率模块功率（IPM）智能功率模块智能功率模块IPM（Intelligent Power Module）是一种）是一种在高速、低耗在高速、低耗的的IGBT基础上再集成栅极控制电路、故障检测保护电路的模块基础上再集成栅极控制电路、故障检测保护电路的模块。它不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过电压，它不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过电压，过电流和过热等过电流和过热等故障检测电路故障检测电路，并可将检测信号送到，并可将检测信号送到CPU或或DSP作中作中断处理。断

38、处理。它由高速低工耗的管芯和优化的门级驱动电路以及快速保护电路构成。它由高速低工耗的管芯和优化的门级驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，也可以使即使发生负载事故或使用不当，也可以使IPM 自身不受损坏。自身不受损坏。IPM一般使用一般使用IGBT作为功率开关元件，并内藏电流传感器及驱动电作为功率开关元件，并内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。路的集成结构。小功率器件小功率器件采用一种多层环氧树脂粘合绝缘系统采用一种多层环氧树脂粘合绝缘系统，铜层和环氧树脂直，铜层和环氧树脂直接在铝基板上构成屏蔽的印刷线路。接在铝基板上构成屏蔽的印刷线路。功率芯片和栅驱动电路直接焊在基板上面

39、功率芯片和栅驱动电路直接焊在基板上面，不需要另外设置印刷线路，不需要另外设置印刷线路板和陶瓷绝缘材料。因而封装费用特别低，适合讲究低成本和尺寸紧板和陶瓷绝缘材料。因而封装费用特别低，适合讲究低成本和尺寸紧凑的消费类和工业产品上的应用。中、大功率器件采用陶瓷绝缘，即凑的消费类和工业产品上的应用。中、大功率器件采用陶瓷绝缘，即铜箔直接键合到陶瓷衬底上面不用焊料。这样的衬底结构可以为大功铜箔直接键合到陶瓷衬底上面不用焊料。这样的衬底结构可以为大功率器件提供所需的得到改进的散热特性和更大的载流容量。率器件提供所需的得到改进的散热特性和更大的载流容量。31第三节智能功率模块功率（IPM）n IPM 的结

40、构的结构IPM 模块有四种封装形式：模块有四种封装形式：单管封装单管封装，双管封装双管封装，六管封六管封装装和和七管封装七管封装。 32第三节智能功率模块功率（IPM）nIPM的自保护功能的自保护功能IPM有精良的内置保护电路以避免因系统相互干扰或承受过负荷而使有精良的内置保护电路以避免因系统相互干扰或承受过负荷而使功率器件损坏。所设置的故障检测和关断序列允许最大限度地利用功功率器件损坏。所设置的故障检测和关断序列允许最大限度地利用功率器件的容量而不牺牲其可靠性。当率器件的容量而不牺牲其可靠性。当IPM模块中有一种保护电路动作模块中有一种保护电路动作时。时。IGBT栅极驱动单元就会关断并输出一

41、个故障信号（栅极驱动单元就会关断并输出一个故障信号（FO）。）。33第三节智能功率模块功率（IPM）nIPM的自保护功能的自保护功能控制电源欠压锁定（控制电源欠压锁定（UV） 内部控制电路由一个内部控制电路由一个15V的直流电压供电，如果某种原因导致控制电的直流电压供电，如果某种原因导致控制电压符合欠压条件，该功率器件将会关断压符合欠压条件，该功率器件将会关断IGBT 并输出一个故障信号。并输出一个故障信号。 34第三节智能功率模块功率（IPM）nIPM的自保护功能的自保护功能过热保护（过热保护（OT） 在靠近在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器，如果基板温度超过过芯片的绝缘基板

42、上安装了一个温度传感器，如果基板温度超过过热动作数值（热动作数值（OT），），IPM 内部控制电路会截止栅极驱动，不响应控制输入信内部控制电路会截止栅极驱动，不响应控制输入信号，直到温度恢复正常号，直到温度恢复正常(应避免反复动作应避免反复动作)，从而起到保护功率器件的作用。，从而起到保护功率器件的作用。35第三节智能功率模块功率（IPM）nIPM的自保护功能的自保护功能过流保护（过流保护（OC） 如果如果IGBT 的电流超过数值并大的电流超过数值并大于时间于时间toff(OC),IGBT 被关断，典被关断，典型值：型值：10S，超过，超过OC 数值但时数值但时间小于间小于toff(OC)的电

43、流并无大碍，的电流并无大碍，IPM 保护不动作。保护不动作。短路保护（短路保护（SC） 发生负载短路或上下臂直通时，发生负载短路或上下臂直通时，IPM 立即关断立即关断IGBT 并输出故障并输出故障信号。信号。 36第三节智能功率模块功率（IPM）nIPM 的选用的选用为了选择合适的为了选择合适的IPM用于用于VVVF装置，有两个主要方面需装置，有两个主要方面需要权衡：要权衡：根据电动机的峰值电流根据电动机的峰值电流IC和和IPM的过电流动作值的过电流动作值OC选用适当型号选用适当型号的的IPM；采用适当的热设计保证结温峰值永远小于最大结温额定值采用适当的热设计保证结温峰值永远小于最大结温额定

44、值（150），使基板的温度保持低于过热动作数值。），使基板的温度保持低于过热动作数值。电机最大峰值电流：电机最大峰值电流： 其中其中 P电机功率的额定值；电机功率的额定值； OL变频器最大过载因数变频器最大过载因数 R电流脉动因数；电流脉动因数； 变频器效率；变频器效率； PF功率因数；功率因数； VAC线电压标定值。线电压标定值。 ACCVPFROLPI3237第四节 电力电子器件对轨道交通变流 技术的影响n电力电子技术在轨道交通电力牵引传动系统中的电力电子技术在轨道交通电力牵引传动系统中的应用主要分为三个方面：它们是应用主要分为三个方面：它们是主传动系统主传动系统、辅助辅助传动系统传动系统

45、、控制和辅助系统中的稳压电源控制和辅助系统中的稳压电源，下面从，下面从这三个方面分析电力电子器件对于轨道交通变流技这三个方面分析电力电子器件对于轨道交通变流技术的影响。并且从术的影响。并且从系统性能系统性能、装置简约装置简约、试验系统试验系统、多器件化多器件化和和电能质量改善电能质量改善等五个方面阐述电力电子等五个方面阐述电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展。器件促进现代轨道交通变流技术的发展。38第四节 电力电子器件对轨道交通变流 技术的影响n电力电子器件对电力牵引主传动系统的影响电力电子器件对电力牵引主传动系统的影响至今为止，电力电子器件在电力牵引主传动系统的应用至今为止，电力电子器

46、件在电力牵引主传动系统的应用主要经历了大功率硅二极管主要经历了大功率硅二极管(PiN-Diode)、普通可控硅、普通可控硅(PK-SCR)、快速可控硅、快速可控硅(KK-SCR)、门极可关断晶闸管、门极可关断晶闸管(GTO)和绝缘栅双极晶体管和绝缘栅双极晶体管(IGBT)这几个阶段：这几个阶段：1900年当安装在玻璃罩内的贡弧整流器年当安装在玻璃罩内的贡弧整流器(mercury arc rectifier)诞生；诞生；1954年，年，Pearson和和Fuller发明了发明了PiN大功率二极管；大功率二极管；1956年贝尔实验室的年贝尔实验室的Moll等人发明了可控硅；等人发明了可控硅；GTO

47、器件的原理于器件的原理于1960年获得突破后；年获得突破后；1983年开始应用的电力牵引交流传动系统；年开始应用的电力牵引交流传动系统；1990年代中后期，开始应用年代中后期，开始应用IGBT器件。器件。39第四节 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响n电力电子器件对电力牵引主传动系统的影响电力电子器件对电力牵引主传动系统的影响IGCT和和GTO相比，主要有四个方面的改进：相比，主要有四个方面的改进：通过门极驱动单元和封装结构的优化设计，将通过门极驱动单元和封装结构的优化设计，将门极驱动门极驱动单元与封装的单元与封装的GCT芯片集成在一起芯片集成在一起，从而大幅度的降，从而大幅度的降低了门极与

48、阴极回路中的杂散电感；低了门极与阴极回路中的杂散电感；由于由于IGCT通过通过“N”缓冲层缓冲层+穿透阳极结构穿透阳极结构，将硅片的，将硅片的厚度降低了厚度降低了1/3左右，大幅度地降低了器件的通态损耗；左右，大幅度地降低了器件的通态损耗；通过设置通过设置“穿透阳极发射极穿透阳极发射极”结构，大大提高了电子的结构，大大提高了电子的抽出速度，又不引起空穴的注入，因而可实现晶体管式抽出速度，又不引起空穴的注入，因而可实现晶体管式的关断；的关断；在减薄硅片厚度的基础上，在芯片中在减薄硅片厚度的基础上，在芯片中集成了反向续流二集成了反向续流二极管极管，形成，形成GCT，简化了电路结构。，简化了电路结构

49、。40第四节 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响n电力电子器件对辅助系统的影响电力电子器件对辅助系统的影响在电力电子器件得到应用之前，在单相交流供电的电力机车中，辅助在电力电子器件得到应用之前，在单相交流供电的电力机车中，辅助系统电源大多采用异步旋转劈相机，把单相交流电变为三相交流电，系统电源大多采用异步旋转劈相机，把单相交流电变为三相交流电，如韶山如韶山8型电力机车的型电力机车的YPX-280M-4型劈相机。在直流供电的地铁车辆型劈相机。在直流供电的地铁车辆中，辅助系统电源大多采用直流电动中，辅助系统电源大多采用直流电动同步发电机组来获得三相交同步发电机组来获得三相交流电。如出口伊朗地铁列

50、车的流电。如出口伊朗地铁列车的ZQD-14/TQF-14型辅助发电机组。型辅助发电机组。国内最早应用的是国内最早应用的是1986年开始进口的年开始进口的8K电力机车，当时采用的是电力机车，当时采用的是GTO的逆变器。的逆变器。1990年代以来，辅助系统开始陆续采用年代以来，辅助系统开始陆续采用IGBT作为逆变器的器件。我作为逆变器的器件。我国国1990年代中期投入运营的广州地铁和北京地铁复八线车辆等辅助电年代中期投入运营的广州地铁和北京地铁复八线车辆等辅助电源分别采用了德国和日本的源分别采用了德国和日本的IGBT逆变器。逆变器。1990年代中期以后，我国研制成功了年代中期以后，我国研制成功了6

51、00VDC电压逆变的列车空调逆电压逆变的列车空调逆变器和变器和600V到到110V的的DC/DC变换器，从而取消了发电车。变换器，从而取消了发电车。由于采用由于采用IGBT器件容量等级的不同，辅助系统的电路结构可以分为器件容量等级的不同，辅助系统的电路结构可以分为三种形式：第一种是交三种形式：第一种是交-直直-交型；第二种是直交型；第二种是直-交交-交型；第三种是直交型；第三种是直-直直-交型。交型。41第四节 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响n电力电子器件对控制和辅助电路稳压电源的影响电力电子器件对控制和辅助电路稳压电源的影响所有控制和辅助电路的电源均由所有控制和辅助电路的电源均由110

52、VDC电源获得。在电力机车中，电源获得。在电力机车中，早期的早期的110VDC由牵引变压器辅助绕组通过可控硅相控整流获得，电由牵引变压器辅助绕组通过可控硅相控整流获得，电压稳定度不是很高。压稳定度不是很高。随着电力电子器件的发展，现在国内和谐号高速列车和重载货运列车随着电力电子器件的发展，现在国内和谐号高速列车和重载货运列车的的110VDC电源由电源由IGBT器件构成器件构成DC/DC隔离开关电源获得，具有很好隔离开关电源获得，具有很好的电压精度和电压稳定性。的电压精度和电压稳定性。在地铁动车组中在地铁动车组中IGBT和和MOSFET等电力电子器件得到应用后等电力电子器件得到应用后110VDC

53、电源也由相互隔离的电源也由相互隔离的DC/DC开关电源获得。开关电源获得。110V以后的稳压电源需求量很大，稳压电源的电压等级主要有以后的稳压电源需求量很大，稳压电源的电压等级主要有24V，15V，5V。这些电源等级由容量更小、开关频率更好的。这些电源等级由容量更小、开关频率更好的MOSFET构成构成的开关电源获得。的开关电源获得。42第四节 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响n电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展 电力电子器件、拓扑结构及其控制技术的发展，大大促进了现代电力牵电力电子器件、拓扑结构及其控制技术的发展，大大促进了现代电力牵引传动

54、技术的发展。下面从系统性能、装置简约、试验系统、多器件化引传动技术的发展。下面从系统性能、装置简约、试验系统、多器件化和电能质量改善五个方面阐述电力电子器件促进现代轨道交通变流技术和电能质量改善五个方面阐述电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展。的发展。促进电力传动系统性能的优化，促进电力传动系统性能的优化， 在电力电子技术的带动下，电力传动在电力电子技术的带动下，电力传动系统由直流传动走向了现代交流传动。交流传动与直流传动相比，主系统由直流传动走向了现代交流传动。交流传动与直流传动相比，主要有以下优点：要有以下优点：优异的运行性能；优异的运行性能；显著的节能效果；显著的节能效果；减少易损

55、部件，降低运营成本；减少易损部件，降低运营成本；优良的可靠性和维修性；优良的可靠性和维修性；供电质量大大改善，接近理想波形；供电质量大大改善，接近理想波形；1990年代中后期，开始应用年代中后期，开始应用IGBT器件。器件。43第四节 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响n电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展促进电力传动系统装置的简约化促进电力传动系统装置的简约化：电力电子器件容量和性能的提高，促进了主电路结构的简化。器电力电子器件容量和性能的提高，促进了主电路结构的简化。器件从件从GTO到到IGCT的改进，省去了主电路的吸收电路和外接的反并的改

56、进，省去了主电路的吸收电路和外接的反并联续流二极管，大大简化了主电路的结构，同时简化了驱动电路联续流二极管，大大简化了主电路的结构，同时简化了驱动电路单元；单元；封装形式的改进，既降低了器件热阻，简化散热系统，又方便工封装形式的改进，既降低了器件热阻，简化散热系统，又方便工程化安装；程化安装；IGBT绝缘基板的模块化结构与双面压接式绝缘基板的模块化结构与双面压接式GTO结构相结构相比，工程化安装极为容易，散热系统也很简约。为改善热阻，其比，工程化安装极为容易，散热系统也很简约。为改善热阻，其生产厂家改用生产厂家改用AlN代替代替Al2O3作为硅芯片衬底采用；为改善与作为硅芯片衬底采用；为改善与AlN热膨胀系数的匹配，采用热膨胀系数的匹配，采用AlSiC代替代替Cu作为基板。为