机车电力电子技术

机车电力电子技术广州铁路职业技术学院谭民杰第一章绪论第一节概述电子技术包括：信息电子技术、电力电子技术。电力电子技术包括：电力电子器件、电力电子变流技术、控制技术。电力电子技术的任务：实现电力变换。电力变换通常可分四大类：1.AC-DC变换，即将交流电变换为直流电，称为整流。2.DC-AC变换，即将直流电变换为交流电，称为逆变。3.DC-DC变换，即将一种电压的直流变为另一种电压的直流，可用直流斩波器实现。4.AC-AC变换，即把交流电的参数（幅值、频率）加以转换，称为交流变换。第二节电力电子技术的应用电力电子技术应用于工业生产、交通运输、电力系统、新能源系统、通讯系统、计算机系统、医疗设备、家电等行业：1.工业生产：用于电力拖动中的水泵、风机、压缩机，变频技术的交直流调速，整流电源的电解、电镀。2.交通运输：用于电气化铁路中的直流传动电力机车整流或斩波装置，交流传动电力机车变频调速装置，城市电车的斩波或变频装置等。3.电力系统：用于直流输电的送电端整流，受电端的逆变，晶闸管控制无功补偿等。4.新能源：用于太阳能、风力发电装置与电力系统连接。5.通讯计算机：UPS与开关稳压电源直流源系统。6.医疗设备：激光、超声波、扫描机的高压电源。7.家用电器：变频空调、冰箱、电子节能灯等。第三节电力电子技术的发展趋势电力电子器件具有高电压、大电流、大功率器件的特点，未来发展主要在以下方面：1.由半控型器件向全控型器件转移。2.向高频快速方向发展。3.大功率电力电子器件采用模块化封装。4.采用数字化控制方式。5.采用新型半导体材料制造新型功率器件。第二章电力电子器件第一节电力电子器件概述一、电力电子器件的发展概况自1947年美国贝尔实验室发明晶体管半导体固态电子学诞生。50年代后，以硅二极管为代表的电力半导体器件及相应的变流技术装置迅速发展，1957年美国通用电气研制第一只可控型电力电子器件—晶闸管（SCR）。半导体固态电子学有两个发展方向：一是以晶体管集成电路为核心的对信息处理的微电子技术。二是以晶闸管为核心的对电能变换与控制的电力电子技术。从90年代起，电力电子技术与微电子技术进一步结合使电子器件朝着大容量、智能化方向发展。如国产蓝箭列车的主变流器采用单个容量为4500V/1500A的IPM模块。在GTO、IGBT基础上发展起来的新型大功率电力电子器件，如集成门极换流晶闸管（IGCT）、发射极关断晶闸管（ETO）、电子注入增强型门极晶体管等，容量达到4500V/3000A,有的达到6000V/6000A。二、电力电子器件的分类1.根据不同的开关特性，电力电子器件可分三大类：（1）不可控器件：通常为两端器件，具有整流作用，无控制功能。如：PN结整流管等。（2）半控型器件：通常为三端器件，控制信号只能控制开通，不能控制关断。如：普通晶闸管（SCR)快速晶闸管、双向晶闸管、逆导型晶闸管、光控晶闸管。（3）全控器件：也为三端器件，控制信号可控制开通，也可控制关断。如：可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）三端场控器件（绝缘栅极晶体管IGBT、静电感应晶体管SIT）等。2.根据体内电子和空穴两种载流子参入导电情况，电力电子器件可分三种类型：（1）单极型：一种载流子参入导电的器件。如：功率MOSFET、静电感应晶体管等。(2)双极型：电子和空穴两种载流子参入导电的器件。如：PN结整流管、普通晶闸管、电力晶体管。（3）混合型：由单极型和双极型两种器件组成的复合型器件，如：绝缘栅双极晶体管（IGBT）和MOS控制晶闸管（MCT）等。3.根据控制信号不同，电力电子器件可分二种类型（1）电流控制型电力电子器件：由PN结组成的电力电子器件电子和空穴都参入导电。为了控制器件的开通与关断，必须给器件体内注入电流或从体内抽出电流。电流控制型器件可分二类：一是晶体管类，如：电力晶体管及模块。二是晶闸管类，如：普通晶闸管、可关断晶闸管。电流控制器件的共同特点：1）器件内有电子和空穴两种载流子导电，2)具有导电调制效应，3）控制极输入阻抗低，控制电流、控制功率大。（2）电压控制型器件（场效应电力电子器件）：器件内主电极（漏极、源极或阳极、阴极）传导的工作电流是通过加在第三极（栅极或门极）上的电压在主电极间产生可控电场来改变其大小和断通状态的。加在第三极为电压信号，故称电压控制型器件。因为主电极间产生的电场控制电流，也称场控器件或场效应器件。电压控制型器件的共同特点：1)输入阻抗高。2）工作频率高。3）工作温度高。第二节电力二极管一、电力二极管的工作原理电力二极管由一个大面积PN结和两端引线及封装组成。PN结具有单向导电性。正向电压（正向偏置）：二极管阳极（A极）极接电源正极，阴极（K极）接电源负极。反向电压（反向偏置）：二极管阳极（A极）极接电源负极，阴极（K极）接电源正极。正向导通状态：电力二极管PN结处于正向偏置状态，电流从P流向N，PN结为低电阻。反向截止状态：电力二极管PN结处于反向偏置状态，PN结为高电阻。有较小的反向漏电流流过PN结。PN结具有一定的反向耐压能力：如反向电压过大，PN结反向截止状态破坏，反向电流急增，发生反向击穿。二、电力二极管的特性与数1.电力二极管的伏安特性(图2-2）2电力二极管的开关特性（图2-3）:电力二极管在零偏置、正向偏置、反向偏置三种状态转换时呈现的动态特性。（1）关断特性：电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程中电压、电流随时间变化的关系（图2-3a）（2）开通特性：电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程的电压、电流随时间变化的关系（图2-3b）图2-2电力二极管的伏安特性（）零偏置转为正向偏置（）正向偏置转为反向偏置图2-3电力二极管的开关过程3.电力二极管的主要参数（1）额度正向平均电流：IF(AV)：器件长期运行时，允许流过的最大交流电流平均值。（2）正向电压UF：在指定温度下，器件流过某一指定稳定正向电流时，管子两端的电压。（3）反向重复峰值电压URRM：器件能重复施加的反向最高峰值电压（c为击穿电压UB的2/3）。（4）反向漏电流IRR:器件对应于反向峰值电压时，流过的反向电流。（5）最高工作结温TJM:器件的PN结不损坏前提下能承受的最高平均温度(通常：125~1750C).（6）浪涌电流IFSM：器件能承受的最大的一个或连续几个工频周期的过电流。4.电力二极管的主要类型：（1）普通二极管：用于1KHz以下整流电路。（2）快恢复二极管：用于高频整流和逆变电路（3）肖特基二极管：用于200V以下低压电路电力二极管作用：在整流电路中作整流，在感性负载电路中做续流，在变流电路中做电压隔离、箝位、保护。常见电力二极管主要性能参数见教材表2-1第三节晶闸管晶闸管：是晶体闸流管的简称，俗称可控硅（SCR）。是一种开通时间可以控制的半控型电力电子器件。一、晶闸管的结构与工作原理(结构门极(双晶体管模型(）工作原理图2-6晶闸管的内部结构和工作原理门极阳极阴极阴极阳极阴极阳极门极(）电气图形符号晶闸管结构：由PNPN四层半导体组成，有三个引出线，分别是阳极A、阴极K、和门极G（栅极）。大功率晶闸管有散热器，平板式晶闸管采用风冷或水冷。晶闸管导通工作原理：晶闸管阳极加正向电压时，如果门极也加正向电压，VT2导通，然后VT1导通。最后两个三极管都快速进入饱和状态，使晶闸管阳极A与阴极K之间导通。若撤除门极电压，只要满足阳极正偏条件，晶体管一直导通。晶闸管导通必须同时具备两个条件：（1）晶闸管的阳极和阴极之间加上一定大小的正向电压VKA;（2）在门极和阴极之间加上一定的正向触发电压UGK.晶闸管具有单向导电性。晶闸管的可控单向导电性：当门极没有加正向电压时，即使阳极加上正向电压，晶闸管不导通；在门极电压触发下，晶闸管立即导通。半控型电力电子器件：门极电压只能触发晶闸管开通，不能控制它关断。晶闸管的测试：1）用万用电表Rx1（或Rx100）测量阳极与阴极的正反向电阻很大。2）用黑表笔接阳极，红表笔接阴极，再用黑表笔碰门极，正向电阻大幅下降，黑表笔离开门极后正向电阻不变，即晶闸管正常。二、晶闸管的特性1.晶闸管的伏安特性：晶闸管阳极、阴极间的电压和阳极电流之间的关系。2.门极伏安特性：晶闸管的门极与阴极之间的伏安特性。三、晶闸管的主要参数1晶闸管的电压定额（1）断态重复峰值电压URDM：门极断路结温为额定值时，允许加重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。（2）反向重复峰值电压URRM：门极断路结温为额定值时，允许加重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。（3）额定电压UTN：晶闸管铭牌标出的电压。（4）通态平均电压UT(AV)：正常状态下，晶闸管通过正弦半波额定电流时，两端电压降在一个周期内的平均值。2.晶闸管的电流定额（1)通态平均电流IT(AV)：温度为400C冷却状态下，允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。（2）维持电流IH:晶闸管导通必须的最小电流。（3）挚住电流IL：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后能维持导通所需要的最小电流。3.晶闸管的动态参数（1）开通时间tgt:从门极触发电压前沿的10%到元件电压下降到10%所需要的时间。普通晶闸管约6μs。（2）关断时间tq：晶闸管从正向阳极电流下降为零到恢复正向阻断能力所需要的时间。普通晶闸管约几十μs~几百μs。（3）通态电流临界上升率di/dt：在规定结温和门极开路情况下，不会导致晶闸管直接从断态转换为通态的最大阳极电压上升率。4.晶闸管的型号KP□-□□四、晶闸管的派生器件1.快速晶闸管：开关频率在400Hz以上的晶闸管。2.双向晶闸管：触发后能双向导通的晶闸管。3逆导晶闸管：反向导通的晶闸管。4.光控晶闸管:在光照下，光电二极管漏电流成为门极触发电流，使晶闸管导通。图2-7晶闸管伏安特性正向导通雪崩击穿21图2-10双向晶闸管伏安特性（）结构（）等效电路（）图形符号图2-9双向晶闸管的结构与符号图2-11逆导晶闸管（）图形符号图2-12光控晶闸管（）伏安特性（）伏安特性（）图形符号第四节门极可关断晶闸管（GTO）门极可关断晶闸管：通过门极加负脉冲电流使其关断的全控器件。晶闸管可达到6000V、6000A、100~10000Hz，广泛应用于电力机车逆变器、电网动态无功补偿、大功率直流斩波调速。第五节电力晶体管（GTR）电力晶闸管：是一种大功率、高反压的双极结型晶体管，具有自关断能力，具有饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等特点。在交流电机调速、不间断电源、中频电源等电力变流装置中应用。（）三极管符号（）三极管符号基极发射极集电极集电极发射极基极图2-16的结构和符号一、电力晶体管的结构与工作原理与一般晶体三极管有相似的结构、工作原理。GTR四种工作状态：开通、导通（饱和）、关断、阻断（截止）。导通和截止：表示GTR接通和断开的两种稳定工作状态。导通：当IB＞0，发射结正偏。截止：当IB＜0，发射结反偏。开通和关断：表示GTR由断到通、由通到断的动态工作状态。二、GTR的特性与参数1.GTR的基本特性（1）静态特性（2）开关特性1．电力晶体管GTRGTR是一种高击穿电压、大容量的晶体管。它具有自关断能力,并具有开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等优点。六单元GTR模块图形符号二单元模块的等效电路（2）GTR模块的主要参数1)开路阻断电压UCEO，例如：2DI200D-100（3）GTR的选择方法1）开路阻断电压UCEO的选择UCEO通常按电源线电压峰值的2倍来选择。2)集电极最大持续电流ICM的选择ICM通常按输出交流线电流峰值的2.25倍来选择。2)集电极最大持续电流ICM，例如：6DI15Z-120第六节电力场效应管一、电力MOSFET的结构与工作原理电力场效应管（电力MOSFET）：利用栅极电压控制器件的截止和导通。1.电力MOSEFT的结构：图2-22沟道（）内部结构断面示意图沟道沟道（）电气图形符号40301020486320103040912饱和区截止区=7=4=6=5=4非饱和区（）（）图2-23电力的转移特性和输出特性图2