第三章电力电子器件的原理与应用

第三章电力电子器件的原理与应用在城市轨道交通车辆的电力牵引系统中，为了完成从直流到直流或直流到交流的电能变换与控制，大量应用着各种电力电子器件。

1947年，第一只晶体管的研制成功，开创了半导体固态电子学；1957年，美国通用电气公司发明了第一只晶闸管，从此电子技术朝两个分支发展．：一支是对信息处理的微电子技术，其发展的特点是集成度越来越高，集成规模越来越大；另一支是对电能进行转换与控制的电力电子技术，其发展的特点是晶闸管的派生器件越来越多：功率越来越大。

近年来，微电子技术与电力电子技术又在各自发展的基础上相结合，产生了一批工作频率高，具有门极全控性能的功率集成器件，它们的品种越来越多，功率越来越大，性能越来越好，已经形成了庞大的电力电子器件家族“树”（图3-1）。

根据器件内部载流子参与导电的种数不同，电力半导体器件分为三大类。

只有一种载流子，即只有多数载流子参与导电的电力半导体器件称单极型器件，如电力场控晶体管（电力MOSFET）、静电感应晶体管(SIT)等。

有空穴和电子两种载流子参与导电的电力半导体器件称双极型器件，如GTO、GTR、SITH等。

第三种是单极型器件与双极型器件的复合集成器件，如绝缘栅双极晶体管（IGBT或简称IGT）是用单极型的MOSFET作为控制元件、以双极型的GTR作为主导元件的复合管。

不同类型的电力电子器件具有不同的性能，双极型器件如SCR、GTO、GTR、SITH等，它们的通态压降较低，阻断电压高，电流容量大，适用于中大容量的变流设备。

其电压和电流的定额都高达103级。

在双极型器件中除静电感应晶闸管(SITH)为电压控制型器件外，其余的SCR及其家族和GTR等均为电流控制型器件，其控制性能不如单极型器件，功耗也比较大。

单极型器件的主要优点是：仅有多数载流子导电，无少数载流子存储效应，因而开关时间短，一般为纳秒数量级(典型值为20 ns)；例如电压1000 V，电流200 A的电力MOSFET，开关时间仅13ns。

输入阻抗很高，通常大于40MΩ，故又称电压控制型器件；电流具有负的温度系数，温度上升时电流下降，因而器件有良好的电流自动调节能力，不易产生局部热点，所以二次击穿的可能性极小，这一点与双极型器件根本不同。

其不足之处是导通压降高、电压和电流定额都较双极型器件小。

复合型器件既有如GTR、SCR等双极型器件的电流密度高、导通压降低等优点，又有MOSFET等单极型器件输入阻抗高、响应速度快的优点。

因此越来越引起高度重视。

目前已开发的器件有：肖特基注入MOS门极晶体管（SINFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、MOS控制晶体管(MGT)、MOS控制晶闸管(MCT或MCTH)以及功率集成电路（PIC）和智能型功率集成电路(SPIC)、智能型功率模块(IPM)等。

现代电力电子技术在器件、电路及其控制技术方面有如下特点：(1)集成度高几乎所有全控型器件都由许多相同功能的单元胞管并联集成。

例如一个l000 A的GTO 元件，其内部是由近千个单元GTO胞管并联集成；一个40 A的电力MOSFET由上万个单元并联集成。

(2)工作频率高电力电子器件的工作频率越来越高，例如GTO的工作频率可达1~2 kHz，电力晶体管GTR可达2～5 kHz，电力MOSFET可达100 kHz以上，静电感应晶体管SIT则可达10MHz 以上。

(3)全控化现代电力电子器件突破了SCR需要强迫换流电路才能关断的局限，实现了全控化，即通过门（栅）极不仅可以控制导通，而且可以控制关断。

上述GTO、GTR、SITH、电力MOSFET、SIT以及IGBT、MGT、MCT等都实现了全控化。

(4)电路控制精密化全控型器件及其高频化的功能促进了电力电子电路的精密控制。

随着微型计算机等数字控制技术与电力电子技术的结合；PMW电路、零电流零电压开关谐振电路以及高频斩波电路这些精密控制电路，已成为电力电子电路的重要形式。

(5)多功能化和智能化传统电力电子器件只有开关功能，多数用于整流，而现代电力电子器件的品种增多、功能扩大、使用范围拓宽，不但具有开关功能，有的还具有放大、调制、振荡以及逻辑运算和保护等功能，因而使电力电子器件多功能化和智能化。

(6)专用化为了进一步提高器件的功能和降低成本，近年国际上出现了电力电子器件的专用化集成电路(ASIC)以及专用的智能化功能集成模块（ASIPM），这种器件集中了上述全控化、精密化、智能等多种优点。

把逻辑单元、传感单元、测量单元及保护单元等与功率单元集成一体，使它具备了复杂电路的功能。

电力电子技术的迅猛发展，为大容量、快速城市轨道交通的车辆电力牵引系统提供了坚实的基础。

近年来，城市轨道交通的车辆电力牵引系统应用的器件，已经由无关断能力的第一代电力电子子器件SCR过渡到目前应用最广的有自关断能力的第二代电力电子器件GTO，性能优异的第三代器件如复合型器件IGBT智能型器件IPM也正在被越来越广泛地应用。

第一节可关断晶闸管（GTO）一、GTO的特点与工作原理60年代开始的20多年里，与采用电动发电机组、水银整流器以取得可控直流电的传统方法相比，功率放大倍数大、快速响应性好、功耗小、效率高、结构可靠、体积小、无噪音、无磨损的晶闸管(SCR)，在变流技术领域占据了主导地位，当时国内外的城市电车几乎毫无例外地采用了SCR构成直流斩波器，使供电系统送来的恒定直流电变为可控直流电以驱动电动机。

晶闸管( Thyristor)即可控硅( Silicon Controlled Rectifer)，是硅晶体闸流管的简称。

SCR有两个重要缺点制约了它的继续发展。

一是控制功能上的欠缺，因为它通过门极只能控制开通，而不能控制关断，所以称为半控型器件。

为了关断这种器件必须强迫换流，这样将使整机的体积增大、重量增加、效率降低。

二是工作频率较低，一般情况下不能高于400 Hz，因而大大限制了它的应用范围。

70年代初研制出的门极可关断晶闸管(Gate Turn off Thyristor)，简称GTO。

到90年代中期，随着高电压、大功率GTO元件的出现，日本和西欧许多国家很快就研制出了用于城市轨道交通电动车组的600 kV A以上的GTO交频器。

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和SCR一样，都是PNP四层三端(阳极A，阴极K，门极G)的电流控制型器件，基本结构和工作原理很相近。

用PNP和NPN两只复合晶体管的等效电路（图3—2）也可解释GTO的放大和门控原理。

但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α1+α2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α1+α2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。

GTO的符号及电路如图3—3（a）所示。

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，其波形如图3-3（b）所示。

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GTO门极控制电路比较复杂。

此外的饱和度较浅，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。

但由于它的上述许多优点，使它成为第二代电力电子器件中效率高、功率大的优良器件，在电力牵引领域里获得较广泛的应用。

GTO的关断机理及关断方式与SCR根本不同，SCR用强迫关断或使阳极电流小于维持电流的方法关断，GTO的关断原理仍可用图3--4（a）的二个晶体管复合电路来说明，图中电流放大系数α1=I c1/I A,α2=I C2/I K。

在要关断GTO时，门极负偏置电压EG经开关K加到门极，这时晶体管P1N1P2的集电极电流I C1被抽出，形成门极负电流一IG，使N1P2N2晶体管的基极电流减小，进而使其集电极电流I c2也减小，于是引起I C1的进一步下降，如此不断循环下去，最后使GTO阳极电流下降到尾部电流，再进一步降到零而关断。

由于二只晶体管的电流放大倍数α1+α2仅稍大于1，且α1比α2小得多，因此集电极电流Ic1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。

通常门极负脉冲电流的幅值约为GTO被关断的最大阳极电流的20%～30%。

GTO的电流增益βaff表示用小的门极负电流关断大的阳极电流的能力，其数值通常为3～5。

βaff=I TGQM/│-I GM│式中I TGQM--可关断峰值电流；I GM—门极负电流最大值。

门极负偏压E G，不能超过GTO的门极反向雪崩电压，否则很大的门极反向雪崩电流将使门极功耗过大而损坏元件。

图3—4(b)是GTO关断过程中的波形，从门极加上负偏压—V G开始，出现了门极负屯流-i G，经过存贮时间t s后，-i G到最大值-i GM时，阳极电流i A开始下降，同时阳极电压-U A 由正常的管压降逐渐加大。

在阳极电流下降而阳极电压上升的过程中，出现了GTO关断时的瞬时功耗P off，如图中虚线所示，其数值远较SCR的关断损耗大，尤其在电感负载下，在电流下降时间t f内阳极电压与阳极电流会同时出现相当大的数值，此时关断损耗更为突出。

此外，在关断期间内，门极电流和电压的乘积产生门极功耗，在电流i A下降的时间t f内，门极功耗也达到最大。

由于关断过程中阴极导通的面积不断缩小，这种关断的损耗往往就很集中，由此可能产生局部的“热点”，当功耗过大时就会损坏元件；特别是因为一个GTO元件实际上是由许多小GTO单元并联组成的，若工艺不良，电流分配不均，烧损现象就难于避免。

因此在保证元件本身的质量的同时，必须正确地设计GTO的门控电路，特别是它的关断电路，使门极关断负脉冲电流波形，既要有一定的幅值和脉冲宽度，还要符合对脉冲前沿和后沿的波形要求。

因为关断脉冲波形对关断过程的存贮时间t s、下降时间t f、尾部时间都有影响，从而也影响关断功耗和关断能力。

二、GTO的主要特性(一)阳极伏安特性图3—5是逆阻型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V BO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不能承受反向电压。

，GTO的V BO、V DSM和V DRM的含义与晶闸管有关术语相同，这三个电压间数值关系也基本相同，但目前对GTO的标准各国和各公司规定不一，如日本三菱公司规定V DSM=V DRM+100V。