城市轨道交通车辆电气控制 课件2-1任务1常用电力电子器件认知

常用电力电子器件认知目录门极关断晶闸管（GTO）13功率集成电路(PIC)2绝缘栅双极晶体管(IGBT)4智能功率模块(IPM)学习目标1.了解电力电子器件的分类。2.掌握GTO、IGBT的结构及工作原理。3.了解智能功率模块的特点。常用电力电子器件认知

电力电子器件（PowerElectronicDevice）又称为功率半导体器件，可直接用于主电路中，实现电能变换和控制的大功率电子器件（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上），一般工作在开关状态。常用电力电子器件认知（一）按能够被控制信号控制的程度分为：

不可控器件半控型器件全控型器件常用电力电子器件认知（二）按电力电子器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况可以分为：

（三）按照控制端驱动电路的电信号性质分：

123单极型器件复合型器件双极型器件电流驱动型电压驱动型常用电力电子器件认知电力电子器件是构成电力电子设备的核心，城市轨道交通车辆上应用电力电子器件总容量大、技术要求先进，可靠性要求高，电力电子设备的发展水平，很大程度上决定了城市轨道交通车辆电力牵引发展的技术水平。

门极关断晶闸管（GTO）01门极可关断晶闸管

门极可关断晶闸管（GateTurn-offThyristor）是一种具有自关断能力的晶闸管，是晶闸管的一种派生器件。GTO是一种比较理想的大功率开关器件。特点：既可用门极正信号触发导通，又可用门极负信号触发关断，而不需要设置专门的强迫关断电路，优点：电路简单，工作可靠，关断损耗小。应用：20世纪80年代末上海地铁1号线车辆GTO的结构GTO是PNPN四层三端的半导体器件。整个管芯密封后装在散热器上。一种多元的功率集成器件。GTO实物外形图阳极A门极G阴极KGTO图形符号GTO的结构GTO的结构（a）GTO芯片（b）GTO剖面（c）GTO立体结构内部包含了数十个甚至是数百个共阳极的小GTO单元，这些GTO元的阴极和门极在器件内部并联在一起。GTO的工作原理PNP型三极管NPN型三极管GTO内部结构图把中间的两层N1和P1分为两部分，构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管。GTO的工作原理GTO元件的等效电路电流放大系数每个晶体管的集电极电流同时是另一个晶体管的基极电流。当阳极加正向电压，门极同时加正触发信号时，就会形成强烈的正反馈，使GTO导通。关断GTO时，给门极加上负电压，晶体管PNP的集电极电流被抽出来形成门极负电流-，由于集电极电流被抽走，使晶体管NPN基极电流减小，进而使其集电极电流也减小，于是引起的进一步下降，如此不断循环下去，最后使GTO的阳极电流为零而关断。

绝缘栅双极晶体管(IGBT)02绝缘栅双极晶体管

绝缘栅双极晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor—IGBT）可视为双极型电力晶体管与功率场效应晶体管的复合。。发展：20世纪90年代起发展迅速，在电极驱动、中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域，占据主导地位，并很快取代该领域内的GTO。优点：既具有输入阻抗高、开关速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又有通流能力强、耐压高的优点。使用：1995年以后国内外生产的地铁或轻轨车辆辅助系统几乎都是采用IGBT器件IGBT的基本结构N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构IGBT是以MOSFET为驱动器件，GTR为主导器件的达林顿电路结构器件，这种结构称N-IGBT即N沟道型的IGBT。相当于一个由场效应管MOSFET驱动的厚基区GTRIGBT的简化等效结构图N沟道型MOSFETPNP型GTR厚基区GTR的基区内电阻IGBT的基本结构N-IGBT图形符号集电极C栅极G发射极E用P沟道型MOSFET作为控制器件，称P-IGBT型器件P-IGBT型器件，图形符号中的箭头方向相反。IGBT的工作原理反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同。IGBT的开关作用受栅极控制，N沟道型的IGBT的栅极加正偏置并且数值上大于开启电压IGBT内的MOSFET源极与漏级之间感应产生一条N型导电沟道，MOSFET开通IGBT导通

功率集成电路(PIC)03功率集成电路(PIC)将输出的功率器件及其驱动电路、保护电路和和接口电路等外围电路集成在一个或几个芯片上，称为功率集成电路，也称作智能功率集成电路。功率集成电路PIC（Power-IC）包括高压功率集成电路（HVIC）功率专用集成电路智能功率集成电压（SmartPower-IC）

功率集成电路最重要的部分是处理大电流和高电压的功率器件。对于PIC，有的定义规定至少能流过电流1A，或输出电压>50V，但大多数定义必须>1W(或2W)。功率集成电路(PIC)比起最小功率额定值来，确定PIC的智能化就比较困难了。所谓“智能化”是指控制功能、接口能力及对故障的诊断、处理或自保护功能。不管是单片电路还是混合电路，都具有一定的自保护功能。由于功率电路都包含在单一的封装中，因此还具有尺寸小、可靠性高、使用方便等特点。功率集成电路的典型构成PIC的分类PIC是电力半导体技术与微电子技术结合的产物，其根本特征是使动力与信息结合，成为机和电的接口，是机电一体化的基础元件。从电压、电流来看，PIC可分为三个领域：低压大电流PIC，主要用于汽车点火、开关电源和同步发电机等。高压小电流PIC，主要用于平板显示、交换机等。高压大电流PIC，主要用于交流电机控制、家用电器等。PIC的发展随着半导体的发展和工艺技术的进步，PIC发展的动向必然是高压化（100-1200V）和智能化。由于单片IC在耗电、散热等方面的限制，将单个的器件组装在一起形成模块，从而驱动大的负载。随着芯片制造技术的改进及成本的降低，PIC的单片化、模块化已成为今后的发展方向。SPIC的功能SPIC（智能功率集成电路）的3个基本功能是功率控制、传感/保护和接口。

功率控制部分具有处理高电压大电流或两者兼有的能力。其驱动电路一般被设计成能在直流30V下工作，这样才能对MOS器件的栅极提供足够的电压。另外，驱动电路必须能够使控制信号传递到高压侧。01SPIC的功能02

SPIC的保护电路一般是通过含有高频双极晶体管的反馈电路来完成。反馈环路的响应时间对于良好的关断是很关键的，由于在发生故障期间系统电流以很快的速度增加，因此这一部分需要由高性能模拟电路来实现。SPIC的功能

SPIC的接口功能是通过完成编码操作的逻辑电路来实现的。SPIC芯片不仅需要对微处理机的信号作出反应，而且也必须能够传送与工作状态或负载监测有关的信息，如过热关断、无负载或环路等。这需要在SPIC功率芯片上集成高密度的CMOS电路。为避免产生闭环现象，SPIC中CMOS电路的设计也比较复杂。03SPIC的应用SPIC（智能功率集成电路）的应用正在逐渐扩大，在电动机控制、工厂自动化和汽车电子学等方面都产生了重大的影响。

智能功率模块(IPM)04

智能功率模块

智能功率模块（IntelligentPowerModule—IPM）又称智能集成电路，是一种在IGBT基础上再集成栅极驱动电路、故障检测电路和故障保护电路的电力电子模块。优点：不仅减小了系统的体积以及开发时间，也大大增强了系统的可靠性，适应了当今功率器件的发展方向—模块化、复合化和功率集成电路(PIC)，在电力电子领域得到了越来越广泛的应用。IPM的结构IPM由高速、低功率的IGBT芯片和优选的门级驱动及保护电路构成，根据内部功率电路配置的不同可分为四类：H型(内部封装一个IGBT)D型(内部封装两个IGBT)C型(内部封装六个IGBT)R型(内部封装七个IGBT)IPM的结构IPM基本结构为IGBT和反向并联的二极管，并且内置了驱动电路，过电流、过热与短路等故障检测保护电路。IPM内部的驱动电路需要提供15V稳定的驱动电源和开关控制信号来控制相应的IGBT导通与关断。IPM结构框图内部功能机制IPM内置的驱动和保护电路使系统硬件电路简单、可靠，缩短了系统开发时间，也提高了故障下的自保护能力。保护电路可以实现控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护。如果IPM模块中有一种保护电路动作，IGBT栅极驱动单元就会关断门极电流并输出一个故障信号(FO)。各种保护功能具体如下：欠压保护过热保护过流保护短路保护内部功能机制01欠压保护IPM使用单一的+15V供电，若供电电压低于12.5V，且时间超过=10ms，发生欠压保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。02过热保护在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当IPM温度传感器测出其基板的温度超过温度值时，发生过温保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。内部功能机制03过流保护若流过IGBT的电流值超过过流动作电流，且时间超过，则发生过流保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。04短路保护若负载发生短路或控制系统故障导致短路，流过IGBT的电流值超过短路动作电流，则立刻发生短路保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。内部功能机制IPM发生欠压、过热、过流、短路中任一故障故障输出信号持续时间为1．8msIPM会封锁门极驱动，关断IPM故障输出信号持续时间结束IPM内部自动复位，门极驱动通道开放内